磁铁之间有什么
19世纪，迈克尔·法拉第研究电与磁，用力线来表示磁铁的作用。铁屑帮助人们看清这些线的形态。线条表示磁场的方向。物体之间的空间由此成为解释物体如何相互作用的一部分。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立了电磁场的数学理论。他的方程允许存在以光速传播的波。1865年发表的这项工作将光学现象与电磁现象联系起来。光被纳入了同一套描述电流和磁铁的理论。
从波到粒子
我们可以看到吉他弦的振动。弦上各点在运动，扰动则沿着弦传播。两端固定的弦具有特定的振动模式，每种模式都有自己的频率。这个形象有助于理解，同一个系统如何容许不同的激发。
再往下使用这个类比，就需要谨慎。经典弦可以振动得强一些或弱一些，能量也可以连续变化。量子理论对激发的描述不同。对于自由场的每一种模式，能量以特定的份额增加。对于电磁场，这些量子对应于光子。
电子也被描述为一种场的量子激发，这种场就是电子场。要计算电子的行为，需要量子态以及测量结果的概率。波形图只能传达部分概念：它并不像照片呈现吉他弦形状那样，呈现电子的形状。
全同的电子
所有电子的质量、电荷和自旋都相同。电子可以处于不同的状态，但它们没有各自独有的内禀标签，让我们能够区分一个电子与另一个电子。在量子场论中，这种全同性已经包含在描述之中：所有电子都属于同一种场。
理论的这种结构使我们能够描述粒子数发生变化的过程。如果守恒定律允许，而且能量足够，碰撞就可以产生一个电子及其反粒子，也就是正电子。正电子与电子质量相同，电荷相反。
保罗·狄拉克于1928年推导出电子的相对论性方程。1931年，他预言了反电子。1932年，卡尔·安德森在宇宙射线中发现了正电子。反粒子成为可以观测的对象，人们能够在探测室中查看它留下的径迹。
是什么将物质结合在一起
仅有电子和夸克，还不足以描述一个原子。还必须说明它们如何相互作用。标准模型描述电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。它们分别有对应的场和粒子：光子、胶子，以及W和Z玻色子。
夸克
- u
- 上夸克
- c
- 粲夸克
- t
- 顶夸克
- d
- 下夸克
- s
- 奇夸克
- b
- 底夸克
轻子
- e
- 电子
- μ
- μ子
- τ
- τ轻子
- νₑ
- 电子中微子
- νμ
- μ子中微子
- ντ
- τ子中微子
玻色子
- γ
- 光子电磁相互作用
- g
- 胶子强相互作用
- W±, Z
- W和Z玻色子弱相互作用
- H
- 希格斯玻色子希格斯场的激发
电磁相互作用作用于带电粒子，参与电子与原子核的结合以及分子的形成。强相互作用将夸克束缚在质子和中子内部。质子与中子之间则存在剩余核相互作用，使它们能够结合成原子核。
弱相互作用参与粒子的转化。例如，在中子的β衰变中，其中一个下夸克转变为上夸克。中子变成质子，同时产生一个电子和一个电子反中微子。太阳将氢转化为氦的反应链，也离不开弱相互作用过程。
不同作用力的作用方式也不同。电磁相互作用可以延伸到很远的距离。弱相互作用的作用范围极短，这与W和Z玻色子的质量很大有关。对这些质量的解释，引出了希格斯场。
质量与希格斯场
在标准模型中，即使在真空中，希格斯场也具有非零的平均值。电子、夸克以及W和Z玻色子的质量描述中，包含了它们与这个场的耦合。耦合强度不同，质量也就不同。
人们有时用物体在黏性介质中的运动来解释质量。但黏性介质会使物体减速，并耗散它的能量。恒定的希格斯场不会产生这种摩擦。质量表征粒子能量与动量之间的关系，也表征它的惯性。有质量的粒子可以匀速运动，无需为了穿过这个背景而消耗能量。
这一机制是电弱理论的一部分。在它当前的真空状态中，W和Z玻色子有质量，而光子仍然没有质量。因此，在低能下，电磁相互作用和弱相互作用表现出十分不同的性质。二者的统一，并不意味着包括强相互作用和引力在内的所有作用力已经实现了统一。
为什么质子比其中的夸克更重
现在看起来，任何物体的质量似乎都能用希格斯场来解释。但原子的质量几乎全部集中在原子核中，而质子和中子的大部分质量，与夸克、胶子及其相互作用的能量有关。轻夸克自身的质量只贡献了小得多的一部分。
因此，不能简单地把三个价夸克的质量相加，就得到质子的质量。必须考虑整个量子系统。静止能量与质量的关系E = mc²，同样适用于复合物体。
在这里，熟悉的“由……构成”很容易造成误解。如果只列出夸克而忽略它们的相互作用，计算中就会漏掉质子的大部分质量。相互作用能会计入复合系统的质量。
如何检验场是否存在
1983年，CERN的实验发现了W和Z玻色子。2012年，ATLAS和CMS合作组宣布发现一种新粒子，其性质与希格斯玻色子相符。
希格斯玻色子会迅速衰变。人们通过它的衰变产物来探测它。研究人员测量这些产物的能量和方向，将大量事件与理论预测进行比较，并检验已知过程能否解释这些结果。
在教学示意图中，场常被画成带有波动的表面。实验检验需要测量、概率计算，以及在统计上区分信号和本底。依靠这些方法，才能判断理论预测是否与观测相符。
模型之外还有什么
引力不包含在标准模型中。广义相对论通过时空几何来描述引力。这一理论还预言了引力波，也就是传播中的时空几何扰动。LIGO于2015年9月14日记录到了首个此类信号，并于2016年2月宣布这一发现。
这一证实并没有带来经过实验检验的量子引力理论。空间在最小尺度上是否具有离散结构，也尚未确定。在这里，网格或颗粒状表面的图像呈现的是一种假说。
关于真空的问题仍然存在。在量子理论中，真空是能量最低、具有自身物理性质的状态。天文观测表明，宇宙正在加速膨胀。这是否可以由量子真空能解释，还是需要其他物理原因，目前尚未确定。
