一個量身定做的單位
你已經知道，每個粒子都佩戴著三個標籤：電荷、自旋和質量。現在我們需要一種方法，給整個領域裡最重要的量——能量——標上數字。麻煩在於，日常科學裡的單位「焦耳」對單個粒子來說大得離譜，就像用數十億美元去報一粒米的價錢。物理學家想要一個與他們真正研究之物相稱的單位，於是把一個單位與一個簡單、具體的事件掛上鉤。
這個事件很樸素：把一個電子推過一節一伏電池的電壓，它獲得的能量就是一個電子伏特，記作 eV。它是極小的一份——約為 1.6 乘以十的負十九次方焦耳——但對次原子世界恰好是合適的大小。你眼睛看到的光，每個光子帶有幾個 eV；把一個電子束縛在氫原子裡的能量約為 13.6 eV。一下子，數字變得親切起來，成了個位或兩位數，而不再是一長串零。
拾級而上：MeV、GeV、TeV
正如你不會用一塊一塊的錢去買房子，你也不會用一個一個的電子伏特去衡量一台對撞機。物理學家堆上常用的公制詞頭，沿著能量階梯往上爬，其中有三級會不斷出現——每一級都是下一級的一千倍。一個 MeV（兆）是一百萬 eV；一個 GeV（吉）是十億 eV，即一千 MeV；一個 TeV（太）是一萬億 eV，即一千 GeV。記住它們大致的大小，就像學會在這個領域裡讀價籤。
每一級都有它自然的歸宿。MeV 是核物理和較輕粒子的尺度——一個電子重約 0.5 MeV。GeV 是質子（約 0.94 GeV）和日常「粒子動物園」大多數成員的尺度；希格斯玻色子約在 125 GeV。TeV 則是當今最大加速器的前沿：大型強子對撞機讓質子以數 TeV 的能量相撞。往上爬一級不只是數字更大——它解鎖了研究或創造更重粒子的能力，這正是這些尺度出現在次原子數量級地圖上的原因。
為什麼能量是通用貨幣
下面這一步，讓一切豁然貫通。由於質能等價——愛因斯坦的 E 等於 m c²——質量不過是一種高度濃縮的能量形式。於是，物理學家不再把粒子的質量用千克、能量用焦耳、動量再用另一種單位來標註，而是把三者都用同一種貨幣來標註：eV 及其倍數。電子的質量約為 0.5 MeV；質子約為 938 MeV；頂夸克則高達 173 GeV。讓同一個單位身兼質量與能量兩職，並不是馬虎——它反映的是關於自然的一個真實事實。
動量也加入了這個行列。完整的關係，即能量—動量關係，告訴我們：一個粒子的總能量來自兩部分貢獻——它的運動和它的靜止質量——其組合方式，就像直角三角形兩條短邊合成斜邊那樣。靜止的粒子是動量為零的特例，這時關係便直接退回到 E 等於 m c²。當一切都用 eV 表示，你一眼就能讀出，一次碰撞的能量預算是如何在運動與所產生之物的質量之間分配的。
E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 -> at rest (p=0): E = mc^2
把 c 和 ℏ 設為一
一旦質量和能量共享一個單位，散佈在每條公式裡的那些 c 因子就開始讓人覺得礙眼。於是粒子物理學家邁出大膽的一步：他們採用自然單位，把次原子世界的兩個偉大常數乾脆設為數字一。第一個是光速 c。第二個是約化普朗克常數（記作 ℏ）——它是作用量的量子，設定了一切量子效應的尺度。一旦兩者都等於 1，它們就從方程裡徹底消失了。
這能給你帶來什麼？把 c 設為一，就把空間和時間合併成同一種測量，於是距離和時間共享一個單位，相對論裡的 c 因子也隨之消失。把 ℏ 設為一，則把能量與時間的倒數聯繫起來，於是長度就成了能量的倒數。回報是驚人的：能量—動量關係寫作 E² 等於 p² 加 m²，一個 c 都沒有，而愛因斯坦那條著名方程也坍縮成簡潔得令人屏息的 E 等於 m。物理本身沒有改變；只是記帳的雜物讓到了一邊。
由能量造出的質量
共享一個單位不只是記號上的花招——它映照出這個領域真正的運作方式。把足夠的能量灌進一小塊區域，你就能創造出質量：剎那之前還不存在的、嶄新的粒子。這正是對撞機的工作。兩個各自帶著 TeV 量級動能的質子相撞，從那能量裡冒出更重的粒子——有時遠比製造它們的質子還重得多。發現 125 GeV 的希格斯之所以需要一台 TeV 量級的機器，原因正在於此：要造出某個給定質量的粒子，桌面上至少要擺出那麼多能量。
同樣的邏輯，把衰變反過來看。一個不穩定的粒子只能裂成比自己更輕的產物；多出來的質量變成產物的運動。這也解釋了一個值得記住的事實：質子那 938 MeV 的大部分，並不是它內部夸克的質量。三個夸克只貢獻幾個 MeV；其餘的，是束縛它們的強交互作用的能量，凝結成了質量。希格斯賦予夸克它們自己那一點點質量，但它並不是你能稱量的大部分質量的來源——那來自量子色動力學的束縛能，是日常物質真正的質能故事。