薛定谔波动方程存在一个问题，就是它没有考虑到相对论效应，如果粒子的速度接近光速，波动方程也就算不准粒子的状态了，也就是说它只能处理低速粒子的问题。薛定谔本人其实也意识到了这个问题，但他也没有拿出来解决方案。直到1928年，英国物理学家保罗•狄拉克提出了狄拉克方程。狄拉克方程，其实就相当于相对论版本的薛定谔方程，这个方程当然是非常牛B的，但是狄拉克也遇到了一个问题，就是他的方程有负能量的解，当然这里要注意的是，狄拉克所谓的负能量，其实只是一个数学上的解，是方程解的数学对称性，实际上没有什么物理学意义。而今天的物理学理论，也不支持负能量粒子的存在，管你什么粒子，是已经发现的还是预言中的，它们都具有正能量，否则整座物理学大厦就要被推倒重建。
不过我们也没有必要把狄拉克批判一番，限于当时的认识，再加上方程结果在这里明摆着，所以狄拉克确实认为存在着负能量粒子，而这种错误的判断，竟然进一步推动了人类对微观世界的认识。当时狄拉克就想到了电子的排列问题，我们知道，电子都喜欢从高能级状态跃迁到低能级状态，这样就可以达到最稳定的状态。但是自然界有泡利不相容原理这个限制条件，所以电子只能待在自己的能级上。那么狄拉克的问题就来了，是谁规定电子最低只能待在n=1的能级上，这又不是钦点的吧？难道电子就不能去更低的负能量能级吗？狄拉克认为理论上，电子可以去n等于-1,-2,-3...的能级并辐射电磁波。可是这样一来，就会导致电子永远地向更低的负能级坠落，原子也会永远地向外辐射电磁波。
很显然我们在现实中，并没有观测到这种现象。怎么解释这个问题呢？狄拉克就设想，真空中存在着一种看不见狄拉克之海，这片海就是那些负能级轨道，这些轨道已经被一种负能量的电子占据了，所以如果一个电子待在n=1的能级，它也不会跃迁到n=-1。而这种带有负能量的电子，狄拉克就将其命名为反电子。而且不只是电子，他还预言，每个基本粒子都有和它相对应的反粒子。怎么找到反粒子？狄拉克给出了反粒子的几个特点：反粒子和它相对应的粒子，有着相同的质量，但是两者的自旋和电荷是相反的，另外粒子和反粒子相遇时会发生湮灭，并产生高能光子。湮灭反应的质能转化率是100%，不知道高到哪里去了。可见这个时候，狄拉克已经不再认为反粒子具有负能量。
狄拉克之海
1932年，美国物理学家卡尔•安德森，在云室中发现了狄拉克预言的反电子，安德森将其命名为正电子，这个名称也一直沿用至今。后来在1955年和1956年，反质子和反中子也被相继发现。那么如果一个原子由反质子、反中子和正电子组成，这种原子所组成的物质就是所谓的反物质。当然广义地讲，反粒子其实也是反物质。而如果更深入地看，反质子和反中子其实是由反夸克所组成的。不论怎样，狄拉克一脚踹开了反物质的大门。
再回到正电子被发现的1932年，正电子是在8月份发现的，而就在半年前的2月份，查德威克发现了中子。可以说随着中子的发现，当时的物理学家普遍认为，粒子物理的大厦已经建好了。光子组成了电磁波，电子、质子和中子组成了实物，这一套模型已经足以解释世界的构成，几乎可以描述所有的物理现象。但是就和1900年物理学面对的问题一样，当时粒子物理的天空，也笼罩着两朵乌云。第一朵乌云是，β衰变中的能量不守恒。第二多乌云是互相排斥的质子，怎么就会挤在那么小的原子核里。
我们先看第一朵乌云，所谓的β衰变分为负β衰变和正β衰变两种类型，前者是中子通过释放一个电子，转变成了质子，后者是原子核中的质子，通过释放一个正电子，转变成了中子。这里要注意，正β衰变一定是原子核里的质子，因为中子比质子更重，只有处在原子核中的质子，发生衰变之后，核结合能才会补偿质量损失。另外也是因为核结合能的存在，质子衰变才可以保证衰变前后能量守恒，所以这种能量平衡是由核环境决定的。我们今天也不用搞得这么复杂，就看负β衰变，自由中子就可以发生负β衰变，但是衰变前后的能量和质量并不守恒，而是出现了微小的损失。为了解释这个问题，1930年泡利预言，β衰变会额外产生一种电中性的微小的未知粒子，他将其命名为中微子。
负β衰变
至于第二朵乌云，1934年日本物理学家汤川秀树预言，质子是被所谓的强核力吸引在一起的。但是新的问题又来了，这个强核力又是靠什么传递的？汤川秀树预言，存在着一种质量比电子大了200倍的粒子，因为它的质量介于质子和电子之间，所以汤川秀树就将其命名为介子，介子就是强核力的传递媒介。1936年，安德森在宇宙射线中发现了一种质量约为电子质量207倍的粒子，当时他以为这就是汤川预言的介子，并命名为μ介子，但后来发现它并不参与强核力，所以就改叫μ子。后来是在1947年，英国物理学家塞西尔•鲍威尔在宇宙射线中发现了真正的、参与强核力的介子，质量约为电子质量273倍，鲍威尔将其命名为π介子。至于中微子，则是在1956年由两位美国物理学家发现。
整体上看，在上世纪60年代以前，人类对粒子世界的探索，基本都是先有预言，然后再用实验验证，质子、中子、正电子、介子、中微子都是如此，也就电子是个例外。这就意味着当时的理论是领先于实验的。不过在此之后，套路就完全反过来了，原因就在于高能粒子加速器和对撞机的出现，物理学家再也不用从高能宇宙射线中寻找新粒子了，坐在实验室里打开开关，就可以不断地撞出来新的粒子，而且还能进行重复实验。就这样，粒子物理学进入到了爆炸式的发展阶段，而随着未知粒子越发现越多，物理学家就急需一套新的理论来对它们进行分类，这个分类就是所谓的粒子标准模型。
刚开始物理学家是根据质量，来给新粒子进行分类的，但是发现这样做意义不大，后来就改成了用相互作用进行分类。参与强相互作用的，比如说质子、中子、π介子，这些粒子就叫强子，不参与的比如说电子就叫轻子。不过这里要注意的是，当时人们所认为的强相互作用，还局限在原子核层面，没有深入到质子和中子的内部结构，说白了参与原子核组成的，那就是强子，不参与的就是轻子。轻子还是比较简单的，截至目前一共只发现了6种轻子，分别是电子、μ子、τ子以及电子中微子、μ中微子和τ中微子。这几位虽然不参与原子核的构成，但也都是实实在在存在的粒子，也都具有质量。
轻子
其中电子直接参与了原子的组成，也是原子中的核心成员，μ子和τ子其实就可以简单理解为比较胖的电子，想当初在宇宙诞生早期，它们的数量也是相当可观的，但是μ子的半衰期只有2.2微秒，也就是2.2×10^-6秒，τ子的寿命就更短了，半衰期只有0.29皮秒，也就是2.9×10^-13秒。衰变之后成了什么东西，就是电子，这就是为什么几乎所有的物质都是由电子、质子和中子所组成。至于电子中微子，这是β衰变的产物，而μ子中微子和τ子中微子，分别是μ子衰变和τ子衰变的产物。
轻子比较简单，但是强子就很是让人头疼了，进入到60年代，物理学家就发现了约200种强子，这和轻子完全不是一个量级，难道说造物主就这么偏爱强子？另外一直以来物理学家都在思考一个问题，质子和中子的质量几乎相等，可为什么它们的电性不一样？这两个问题直到1964年才有了答案，美国物理学家默里•盖尔曼提出了夸克模型，和轻子一样，夸克也有6种，分别是上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和奇异夸克，盖尔曼指出，所有的强子其实都是由夸克所组成的，两个夸克可以组成介子，三个夸克就组成了质子和中子这样的重子。这就意味着那200种强子，其实都不是基本粒子，而是复合粒子。同时夸克理论也解释了质子和中子质量相近、但电性不同的问题。
夸克
六种轻子和六种夸克，这就是组成物质的基本粒子，也就是所谓的费米子。那么主导相互作用的粒子又是什么呢？这就是玻色子，其中胶子主导夸克间的强相互作用，光子主导电磁相互作用，W玻色子和Z玻色子主导让粒子变身的弱相互作用，这些粒子被统称为规范玻色子。那么前面讲到的π介子，这又是什么东西？本质上它是质子和中子内部残余强力的宏观表现，粗暴理解就是能量转化成了质量。另外除了费米子和规范玻色子，后来物理学家又提出并发现了赋予粒子质量的希格斯玻色子。
π介子
那么到底一共有多少种基本粒子呢？答案是61种，我给你数一下。基本夸克有6种，但是还要乘以一个2，因为夸克还有反粒子，还要乘以一个3，因为夸克有红绿蓝3种颜色，也就是所谓的色荷。这个色荷稍微解释一下，夸克本身当然是无所谓颜色不颜色的，但是如果没有这个色荷，问题可就大了。比如说质子，它是由两个上夸克和一个下夸克所组成，上夸克和下夸克电荷数不同，前者带+2/3电荷，后者带-1/3电荷，这没有什么问题。可是两个上夸克完全是一样的，这就违背了泡利不相容原理，于是物理学家就提出了一个革命性解决方案——给每个夸克添加一个新属性，这就是色荷。
夸克色荷
至于为什么是红绿蓝三种色荷，这与强相互作用的独特性质有关。强力在夸克距离极近时表现温和，这被称作渐近自由，但是随着距离的增大，它就会变得极强，这被称作红外奴役。所以宇宙中不可能存在孤立的夸克，哪怕是用大型强子对撞机轰击质子，试图让夸克单独存在一瞬间，这也是做不到的。因为分离夸克所需要的能量，会直接转化为新的夸克-反夸克对。也就是说夸克永远无法单独存在，它只能被囚禁在强子内部，这就是量子色动力学的核心理论——色禁闭。另外量子色动力学还规定，色荷必须为0，于是为了描述以上现象，物理学家就引入了色中性这种比喻，这就好比是红绿蓝三原色，只有混合成白色，才是人畜无害的稳定结构。所以已经发现的所有强子只有两种合法形式，要么是三夸克组合，要么就是夸克-反夸克对，通过色+反色完成抵消，比如说π介子。
这是夸克的情况，6×2×3=36，所以一共有36种夸克。轻子有6种，每一种轻子还有自己的反粒子，这就是12种轻子。光子就它1种，胶子也有色荷，每个胶子携带一对色荷组合，目的就是保证夸克组合的色中性，而根据不同的色荷组合，一共是有8种胶子。W玻色子有反粒子，Z玻色子电荷为0，自己就是自己的反粒子，所以W玻色子和Z玻色子一共有3种，最后希格斯玻色子有且只有一种。把以上所有这些相加，最后的结果就是61种基本粒子。而在未来，基本粒子的数量有可能扩充，也有可能现有模型被彻底推翻，取而代之的将是更为基本的宇宙真相。
