一个量身定做的单位
你已经知道，每个粒子都佩戴着三个标签：电荷、自旋和质量。现在我们需要一种方法，给整个领域里最重要的量——能量——标上数字。麻烦在于，日常科学里的单位「焦耳」对单个粒子来说大得离谱，就像用数十亿美元去报一粒米的价钱。物理学家想要一个与他们真正研究之物相称的单位，于是把一个单位与一个简单、具体的事件挂上钩。
这个事件很朴素：把一个电子推过一节一伏电池的电压，它获得的能量就是一个电子伏特，记作 eV。它是极小的一份——约为 1.6 乘以十的负十九次方焦耳——但对亚原子世界恰好是合适的大小。你眼睛看到的光，每个光子带有几个 eV；把一个电子束缚在氢原子里的能量约为 13.6 eV。一下子，数字变得亲切起来，成了个位或两位数，而不再是一长串零。
拾级而上：MeV、GeV、TeV
正如你不会用一块一块的钱去买房子，你也不会用一个一个的电子伏特去衡量一台对撞机。物理学家堆上常用的公制词头，沿着能量阶梯往上爬，其中有三级会不断出现——每一级都是下一级的一千倍。一个 MeV（兆）是一百万 eV；一个 GeV（吉）是十亿 eV，即一千 MeV；一个 TeV（太）是一万亿 eV，即一千 GeV。记住它们大致的大小，就像学会在这个领域里读价签。
每一级都有它自然的归宿。MeV 是核物理和较轻粒子的尺度——一个电子重约 0.5 MeV。GeV 是质子（约 0.94 GeV）和日常「粒子动物园」大多数成员的尺度；希格斯玻色子约在 125 GeV。TeV 则是当今最大加速器的前沿：大型强子对撞机让质子以数 TeV 的能量相撞。往上爬一级不只是数字更大——它解锁了研究或创造更重粒子的能力，这正是这些尺度出现在亚原子数量级地图上的原因。
为什么能量是通用货币
下面这一步，让一切豁然贯通。由于质能等价——爱因斯坦的 E 等于 m c²——质量不过是一种高度浓缩的能量形式。于是，物理学家不再把粒子的质量用千克、能量用焦耳、动量再用另一种单位来标注，而是把三者都用同一种货币来标注：eV 及其倍数。电子的质量约为 0.5 MeV；质子约为 938 MeV；顶夸克则高达 173 GeV。让同一个单位身兼质量与能量两职，并不是马虎——它反映的是关于自然的一个真实事实。
动量也加入了这个行列。完整的关系，即能量—动量关系，告诉我们：一个粒子的总能量来自两部分贡献——它的运动和它的静止质量——其组合方式，就像直角三角形两条短边合成斜边那样。静止的粒子是动量为零的特例，这时关系便直接退回到 E 等于 m c²。当一切都用 eV 表示，你一眼就能读出，一次碰撞的能量预算是如何在运动与所产生之物的质量之间分配的。
E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 -> at rest (p=0): E = mc^2
把 c 和 ℏ 设为一
一旦质量和能量共享一个单位，散布在每条公式里的那些 c 因子就开始让人觉得碍眼。于是粒子物理学家迈出大胆的一步：他们采用自然单位，把亚原子世界的两个伟大常数干脆设为数字一。第一个是光速 c。第二个是约化普朗克常数（记作 ℏ）——它是作用量的量子，设定了一切量子效应的尺度。一旦两者都等于 1，它们就从方程里彻底消失了。
这能给你带来什么？把 c 设为一，就把空间和时间合并成同一种测量，于是距离和时间共享一个单位，相对论里的 c 因子也随之消失。把 ℏ 设为一，则把能量与时间的倒数联系起来，于是长度就成了能量的倒数。回报是惊人的：能量—动量关系写作 E² 等于 p² 加 m²，一个 c 都没有，而爱因斯坦那条著名方程也坍缩成简洁得令人屏息的 E 等于 m。物理本身没有改变；只是记账的杂物让到了一边。
由能量造出的质量
共享一个单位不只是记号上的花招——它映照出这个领域真正的运作方式。把足够的能量灌进一小块区域，你就能创造出质量：刹那之前还不存在的、崭新的粒子。这正是对撞机的工作。两个各自带着 TeV 量级动能的质子相撞，从那能量里冒出更重的粒子——有时远比制造它们的质子还重得多。发现 125 GeV 的希格斯之所以需要一台 TeV 量级的机器，原因正在于此：要造出某个给定质量的粒子，桌面上至少要摆出那么多能量。
同样的逻辑，把衰变反过来看。一个不稳定的粒子只能裂成比自己更轻的产物；多出来的质量变成产物的运动。这也解释了一个值得记住的事实：质子那 938 MeV 的大部分，并不是它内部夸克的质量。三个夸克只贡献几个 MeV；其余的，是束缚它们的强相互作用的能量，凝结成了质量。希格斯赋予夸克它们自己那一点点质量，但它并不是你能称量的大部分质量的来源——那来自量子色动力学的束缚能，是日常物质真正的质能故事。