每当我写到粒子物理学时，我总会遇到一种不确定性，关于一个初看起来应该是明确的量。我们应该说有多少种基本粒子？在大型强子对撞机的实验中，物理学家们将质子束相互碰撞，打破它们，分解成所有可能的基本粒子。与此同时，他们有一套极其准确的数学方程组来描述这些构件以及它们如何组合在一起。因此，既然自然界已知的粒子可以被经验观察和理论描述，你会认为它们也可以被计数。但可惜不是。我知道，出于我们将要看到的原因，人口普查并不像看起来那么简单。所以我最近给几位物理学家发了电子邮件，询问他们个人是如何统计自然的基本成分的。问题的复杂性第一个明显的指示来自剑桥大学的物理学家兼教科书作者大卫·汤姆的回复，当时我们在安排视频通话时，他说：“P.S. 我认为你这个问题的真实答案并不是一个整数！”我们会回到这个问题（它来自2011年的一个神秘计算），但让我们从头开始探讨这个兔子洞。已知的基本粒子及其相互作用遵循一组称为粒子物理标准模型的方程。标准模型是一种“量子场论”，是对现实的数学描述，其中实体称为量子场 permeate宇宙。在这些场中移动的波动就是我们所称的基本粒子；有些表现得像物质，而其他则传递力。标准模型中的量子场和相关粒子支撑着除重力、暗物质和暗能量（所有这些在基本层面上以未知形式存在）之外的所有已知物理现象。在教室墙壁上的海报上，标准模型显示了17种粒子。有12种物质粒子或费米子：电子、μ子和τ子；三种中微子；和六种夸克。它们每个对各种力量都有一套独特的敏感性。同时还有四种传递力的粒子，或称“玻色子”：光子（传递电磁力）、W和Z玻色子（弱力）以及胶子（强力）。最后，还有希格斯玻色子，这种所谓的标量粒子既不是物质也不是力量；相反，它通过与其他粒子的相互作用赋予它们质量。塞缪尔·贝拉斯科/量子杂志 这可能就是这么简单。“我认为17是正确的答案，”哈佛大学的粒子物理学教授梅丽莎·富兰克林告诉我。但每位粒子物理学家，包括富兰克林在内，都会承认还有一些限制。从17开始，你可以继续计数。你停止的地方取决于你对复杂性和神秘性的品味。关于粒子有多少个的问题将我们带到了对最基本物质层面的了解的边缘。17的数字有一个显著的问题。为了满足狭义相对论，标准模型的每个物质场都支持粒子和“反粒子”，反粒子与粒子相同，只是电荷相反。这就是我们通常所称的反物质。因此，事实上并不是12种物质粒子，而是24种。同样，W玻色子有相反电荷的类型，称为W+和W−。（这对Z玻色子、光子或胶子来说并不适用；它们是电中性的。）富兰克林表示，她在统计中排除了反粒子，因为在数学上，它们或多或少地与其粒子版本相对应。（奇怪的是，反粒子等效于反向时间移动的粒子，反之亦然。）没有一个是没有另一个，因此它们不应被重复计算。但我发现这个理由不太说服人。粒子和反粒子无疑是不同的，即使它们是秘密的双胞胎。它们无法相互转化（可能除了中微子，它们可能或可能不是自己的反粒子），并且远非功能上等价，它们在现实中扮演着完全不同的角色。物质在我们的宇宙中如此占据主导地位，以至于任何反物质通常会迅速遇到物质并湮灭。宇宙中物质与反物质不对称的原因是一个重大物理学谜团。反粒子的总数将总数提高到30。但仅有一个胶子的概念同样是另一种过于简单化的看法。实际上，强力是通过八种胶子（及其相关场）传递的，每个胶子都具有一种独特的“颜色”和“反颜色”的电荷组合。这八种胶子在实验上是无法区分的，因此，作为实验者的富兰克林在我询问是否应该单独计数这八种时，不屑一顾地摇了摇头。然而，在定义标准模型的数学方程中，这八种胶子彼此不同，就像W和Z玻色子之间的区别一样。出于一致性的考虑，我们可能必须计数所有八种。因此，现在我们已达到了37。夸克则以不同的方式存在于不同的种类中。