六种味，三代
你在基础阶其实已经匆匆见过夸克，把它作为真正基本的物质粒子之一——一个没有可测量大小、内部不再有更小零件的点。现在我们要正式把盒子打开。夸克是物质的基本构件之一，而大自然造的不是一种，而是六种。物理学家把这六种叫做味，这是个故意取得有点傻的词，和味觉毫无关系。它们的名字更是故意取得更傻：*上*、*下*、*粲*、*奇*、*顶*、*底*。
这六种不是杂乱的一堆。它们整齐地分成三对——（上、下）、（粲、奇）、（顶、底）——而每一对就是你早先认识过的物质的三代之一。这个图案几乎透着诡异：每一代都是前一代近乎完美的复制品，除了质量以外，每一项性质都一模一样，而且一代比一代更重。大自然为何把同一行字写了三遍、只是每遍都更响亮，是标准模型一个货真价实的未解之谜——没人知道。
只有最轻的那一对，上和下，构成你周围的寻常物质——每一个原子、每一颗恒星。另外四种味是更重的表亲，只在高能碰撞中闪现，随后在极小的一瞬间衰变消失。所以六种这份完整名单是真实而确证的，但其中四位是过客，不是常住居民。这幅图景在词条里被概括为六种夸克。
横跨八万比一的质量
让六种夸克彼此如此不同的那一项性质，是质量——而差距大得惊人。回想基础阶：我们用能量单位来度量质量，因为质量与能量通过 E = mc² 可以互换。在这把尺子上，上夸克只有区区几个 MeV，下夸克略重一些。奇夸克更重，粲夸克更重，底夸克又更重——而顶夸克则是个庞然大物，约 173 GeV，差不多相当于把一整个钨原子的质量压进一个点状的单粒子里。整个故事都摊在夸克的味与质量之下。
- 第一代（寻常物质）：上约 2 MeV，下约 5 MeV——轻如鸿毛。
- 第二代：奇约 95 MeV，粲约 1.3 GeV——重了数百倍。
- 第三代：底约 4.2 GeV，顶约 173 GeV——单单一个顶夸克就重得相当于一整个钨原子。
- 从最轻到最重：六种味之间相差约八万比一。
这里有一点值得说准，因为它几乎让所有人都吃一惊：这些质量根本不是由强相互作用决定的。它们来自每种味与希格斯场耦合的强弱——即它的希格斯耦合。顶夸克之所以重得吓人，正是因为它与希格斯的耦合比我们所知的任何东西都强。所以强相互作用——这整一阶的主角——和夸克的*内禀*质量毫无关系。把这道分界保持清晰；我们待会儿会带着一处转折回到它。
以三分之一计的电荷——那桩大怪事
现在来说夸克最奇怪的地方，也是物理学家花了好些年才咽下去的那部分。你在实验室里能测到的任何带电物体，所带电荷都是基本电荷单位的整数倍：电子是 −1，质子是 +1，某个离子可能是 +2，但绝不会是 +0.7。这个单位看上去像是大自然最小的硬币。可夸克偏偏带着它的分数——准确地说，是三分之一。上、粲、顶各带 +2/3；下、奇、底各带 −1/3。这就是著名的分数电荷。
这些三分之一不是用来掩盖无知的粗略近似；在理论里它们是精确的，而且是被逼出来的。这个要求很简单：由夸克搭成的日常粒子，必须带有我们实际测到的整数电荷。三个电荷为 +2/3、+2/3、−1/3 的夸克，正好相加成 +1——一个质子。三个电荷为 +2/3、−1/3、−1/3 的夸克，正好相加成 0——一个中子。这些分数恰恰就是让账目对得上的那些数值。
从未被打破的铁律：从不落单
下面是关于夸克最深刻、也最反直觉的事实：无论你多么努力，都永远无法把一个夸克拽出来、单独握在手里。历史上每一次猎夸克都失败了，而且不是因为不够努力——这是一条自然法则，而非技术上的限制。这就是色禁闭，本阶余下的内容很大程度上就是在讲它为什么会发生。眼下，一幅生动的图像就够了。
把两个夸克想象成被一根扯不断的橡皮筋拴着，而这根筋奇怪之处在于：无论你拉多远，它都一样绷紧。你一拉，并不是在削弱这道束缚——你是在往橡皮筋里灌能量。最终储存的能量多到一种地步：通过 E = mc²，让大自然把那份能量花在造一对全新的夸克—反夸克上，反倒比继续拉扯更划算。橡皮筋断了，但每个新断头立刻被一个新夸克封住。你本想释放一个夸克，结果得到的是两个束，而不是一个。一个裸露的、孤零零的夸克，根本从不出现。
两条诚实的脚注。第一，禁闭从未从方程出发以完整的数学严格性被证明——它得到实验和计算机模拟的压倒性印证，但一个干净的证明仍是数学物理中著名的未解难题之一。第二，它也并非绝对无条件：在早期宇宙或重离子碰撞那种凶猛的高温下，夸克确实会短暂地自由漫游，形成夸克—胶子等离子体。禁闭是普通冷物质的规则，而非适用于一切条件的法则。
夸克如何搭起质子和中子
现在把它落到你手中的原子上。每个原子核里的每一个质子和中子，都是被强相互作用拴在一起的三个夸克的束。质子是两个上加一个下；中子是两个下加一个上。仅仅这一处换掉一个夸克，就是构成全部核物质的这两种粒子之间的全部差别——这也正是为什么一个中子单独留着时，会慢慢变成一个质子。
proton = u + u + d -> (+2/3) + (+2/3) + (-1/3) = +1 neutron = u + d + d -> (+2/3) + (-1/3) + (-1/3) = 0
下面就是先前许诺的那处转折，物理学中最优美的事实之一。把质子那三个夸克的质量加起来，也只有质子总质量的百分之一左右。其余那百分之九十九，是纯粹的强相互作用能量——它内部束缚不停翻腾的能量，再由 E = mc² 换算成质量。所以当你站上体重秤，读到的那个数字，绝大部分并不是夸克的「物质」；它是禁闭的能量。希格斯赋予夸克它们那点微小的内禀质量，但它*并不是*你身上大部分体重的来源。
这也是为什么「一个夸克有多重？」会有两个都诚实的答案——即组分质量与流质量之分。表里那些只有几个 MeV 的微小数字，是*流*质量，即理论中的裸参数。但一个在质子内部裹着强相互作用能量之云的夸克，表现得仿佛重得多——这就是它大得多的*组分*质量。同一个夸克，两个数字，因为那看上去的质量几乎全是从力那里借来的，而非夸克自身的。
本阶接下来讲什么
现在你已经握有本阶的角色阵容：六种夸克味、跨越八万比一的质量、固执地以三分之一计的电荷，以及它们从不落单的铁律。你还没有握有的，是这条规则背后的*为什么*。为什么夸克永远逃不掉？为什么束缚能会如此疯狂地压过夸克本身？答案是第二种电荷——不是电的，而是色——以及它所产生的力。