自從十二年前，大強子對撞機(LHC)發現了希格斯粒子之後，我們似乎就很少在報章雜誌上讀到粒子物理的頭條新聞。相較於日新月異的量子通訊科技，或是不斷傳回精美絕倫的韋伯太空望遠鏡，粒子物理好像被大眾給遺忘了一般。但是事實上，大強子對撞機(LHC)日以繼夜地產生新的實驗數據，只是社會大眾對這些只有專家才懂的資訊興趣缺缺。

物理學的一個令人讚嘆的發現，是一方面不同尺度下的物理現象呈然截然不同的面貌，而另一方面所有現象都原則上能以簡潔的粒子物理學解釋。不同尺度下的物理之間的聯繫，是理論物理學的一個重要課題。有趣的是，在大部份情況下，要粗略了解這課題的基本原理，並不須要複雜的計算，而只須簡單而敏銳的推敲。在本章和下章，我嘗試用顯淺的方法從粒子物理學的角度闡明不同尺度下物理現象的屬性。

相信任何一個學過物理的人都學過電荷守恆定律—封閉系統內的總電荷隨時間不變，即電荷不能被創造或消滅。例如，電子\(e^−\) 帶負電荷 \(−e\)（\(e\) 為質子電荷），反電子 \(e^+ \) 帶正電荷 \(+e\)，兩者可碰撞而互相湮滅，變成兩顆光子（圖一）。在這過程中，初態總電荷為 \(−e + e = 0\)，終態總電荷也為零（光子不帶電荷），因此這過程符合電荷守恆定律，並且確實在實驗中被觀察到。至今，物理學家並未在實驗中發現電荷守恆定律被違反。因此，我們有理由相信電荷守恆定律是被嚴格遵守的基本物理定律。我們很自然會問：「為何電荷守恆？」在第二章，我們知道守恆定律與物理定律的對稱性有關。例如，能量守恆是基於物理定律在時間平移下的不變性，即物理定律不分時間；動量守恆是基於物理定律在空間平移下的不變性，即物理定律不分位置；角動量守恆是基於物理定律在空間旋轉下的不變性，即物理定律不分方向。我們可以問：「電荷守恆是基於某種物理定律的對稱性嗎？」從現代物理學的角度看，答案是肯定的。可是，有別於能量、動量和角動量守恆所對應的時空對稱，電荷守恆所對應的對稱與時空對稱無關，是一種獨立於時空對稱的內在對稱，稱為規範對稱（gauge symmetry）。在現代物理學裏，規範對稱被視為比電荷守恆更基本的原理，因為電荷守恆只是規範對稱所蘊含的眾多結果之一。

在上一章，我們討論了粒子的散射。粒子的散射是\(m\)顆粒子到\(n\)顆粒子的過程。我們可以考慮\(m=1\)的特例，即一顆粒子到\(n\)顆粒子的過程，這種過程稱為粒子衰變（particle decay）。粒子衰變是粒子物理的一個常見現象，一個成功的粒子物理理論必須能對粒子的衰變率作準確預言。

我們對粒子物理的認識絕大部份是從粒子碰撞實驗獲得。粒子物理學的重要一環，是建立一個能有效解釋粒子碰撞實驗數據的理論。而粒子物理的標準模型（Standard Model），就是一個這樣的理論。標準模型雖然只有18個自由參數，但它能精準解釋無數的粒子碰撞實驗測量結果。要理解標準模型的成功，我們須要先對粒子碰撞過程有一基本認識。

在第十一章，我們知道，真空並非一片死寂，而是充滿虛粒子對的產生和湮滅的活躍狀態。真空中存在的虛粒子，使得真空像一個充滿物質的介質，從而使得真空呈現極化現象。

在粒子物理學的發展史中，粒子的磁偶極矩是一個具有重要地位的物理量。電子的磁偶極矩的理論預言與實驗測量值的高準度吻合是量子電動力學成功的鐵證；質子磁偶極矩的大小反映了它並非基本粒子；緲子磁偶極矩的值與標準模型預言的偏差可能暗示著一些未知的物理。

真空 (vacuum) 一詞，直觀上指一種甚麼都没有的物理狀態，即空間中沒有任何粒子，沒有任何物理過程在發生，是一種死寂沒趣的物理狀態。可是，從現代物理學的角度看，真空其實比想像中有趣得多。而且，我們對真空的認識仍處於很初步的階段。我們對真空的進一步認識很可能使我們明白到宇宙演化的最終命運。

電磁交互作用是日常生活中最常見的基本交互作用。它是帶電荷粒子和電磁場的交互作用。由於電磁場由光子組成，電磁交互作用也就是帶電荷粒子和光子的交互作用。在第五章，我們簡單介紹了電磁交互作用。在本章，我們會討論描述電磁交互作用的量子場論-----量子電動力學 (quantum electrodynamics)。

在前幾章，我們認識到粒子物理的基本概念和四種基本交互作用。由本章開始，我們會探討粒子物理的一些具體的有趣現象。這些現象違反直觀，甚至荒誕離奇，但都一一被實驗證實。在本章，我們會介紹量子場論的一個驚人結論-----反物質。

弱交互作用 (weak interaction)，是一種極弱的短程交互作用。雖然弱交互作用很弱，它在太陽核心產生能量的核反應中扮演著重要角色。弱交互作用具有眾多出人意表的特性，例如違反左右對稱、違反正反粒子對稱和違反時間反演對稱等。描述弱交互作用的量子場論稱為弱電理論 (electroweak theory)。弱電理論成功精確地同時描述弱交互作用和電磁交互作用。根據弱電理論，真空是一個介質，而基本粒子的質量源於粒子與該介質的交互作用能。

強交互作用 (strong interaction)，又稱強核力 (strong nuclear force)，是一種極短程並且極強的交互作用。雖然並不顯然易見，物質質量的99%都來自強交互作用。還有，太陽-----地球上生命的終極能源，是一個已持達四十六億年的巨大核爆，其中的能量亦是源自強交互作用。我們對強交互作用的認識導致了核武和核能發電的出現。由於強交互作用是短程的微觀交互作用，描述它必須使用量子力學。描述強交互作用的量子場論稱為量子色動力學 (quantum chromodynamics (QCD))。在本章,我們會對強交互作用和量子色動力學作一簡介。