基本电荷竟不是最基本的，探索更深层次的同位旋与超荷

与许多现代物理学一样，这个故事始于维尔纳·海森堡，他的顿悟催生了量子力学。在某个时候，海森堡将他的非凡智慧转向了新发现的中子，他怀疑它与质子的相似性：质子和中子是原子核中的“双胞胎”，它们的质量相差甚微，数量也都差不多，唯一的主要区别是电荷。海森堡想知道这两个粒子是否只是他称为核子的单个粒子的不同状态。

这个谜团后来被物理学家西岛和彦和盖尔曼独立解决了。凝视粒子动物园的深处，他们注意到了另一种模式：似乎有一个粒子家族，它们只能成对产生，这类似于电子和正电子成对出现以保持电荷守恒。但这些新粒子这样做并不是为了电荷、同位旋或其他已知特性的守恒，它暗示了一个全新的守恒量，这是非常奇怪的。

最先注意到这一点的是盖尔曼，根据粒子的同位旋和超荷绘制粒子会显示出奇特的几何图案。例如，一些八个粒子的组合会形成六边形，而一组十个粒子形成一个三角形，但缺少底角。这种缺失没什么大不了的，盖尔曼假设它是一个尚未发现的重粒子：Ω重子，它具有正确的同位旋和超荷来填补缺失，这有点像利用元素周期表的规律来预测尚未发现的元素。当Ω被实验物理学家发现时，盖尔曼获得了诺贝尔物理学奖。

同位旋和超荷似乎比电荷更基础，这两个新属性之间的几何关系暗示可能还存在更深层次的物理学。再一次，盖尔曼发现了这一点。他认识到，这些模式实际上是被称为SU(3)的数学对称性的表示。不幸的是，我们无法在这里探讨对称群的细节。但简而言之，盖尔曼意识到，如果核子本身不是基本粒子，而是由更小的成分组成，他就能理解几何对称性了，而这个更小的成分被他称为夸克。

电荷的秘密实际上隐藏在最后、最模糊的量子力——弱力中，我们需要考虑它的两个最奇怪的属性。首先，弱力可以将粒子转化为其他粒子，这是其他力所无法做到的。其次，它只适用于左手性的粒子，这正是它与量子自旋联系在一起的原因。

量子自旋的一个后果就是这种称为手性的东西，它是自旋在粒子移动方向上的投影。如果粒子的自旋相对于它们的动量矢量是顺时针的，则粒子可以具有右手手性，反之则是左手手性。只有具有左手手性的粒子才能感受到弱力，例如电子同时具有右手和左手手性，只有左手手性可以发射出一种弱力载体粒子——W玻色子，并在此过程中转化为中微子。

奇怪的是，弱同位旋和弱超荷的混合方式与盖尔曼对这些量的版本完全相同。也就是说，电荷等于弱同位旋加上一般的弱超荷。而且我们知道这些弱版本的同位旋和超荷一定是最基本的，因为它们是基本粒子的特性，不能分解成更小的碎片。同样的原理也适用于夸克所携带的电荷。