? 亞里士多德相信宇宙中的所有物質(zhì)是由四種基本元素即土、空氣、火和水組成的。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢(shì)；浮力，這是指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內(nèi)容分割成物質(zhì)和力的這種做法一直沿襲至今。

? 亞里士多德認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，也就是說(shuō)，人們可以將物質(zhì)無(wú)限制地分割成越來(lái)越小的小塊，即人們永遠(yuǎn)不可能得到一個(gè)不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個(gè)希 臘人，例如德謨克里特，則堅(jiān)持物質(zhì)的固有的顆粒性*，而且認(rèn)為每一件東西都是由不同種類(lèi)的大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是“不可分的”）。爭(zhēng)論一 直持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，任何一方都沒(méi)有任何實(shí)際的證據(jù)。直至1803年英國(guó)的化學(xué)家兼物理學(xué)家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結(jié)合而成的。這一事實(shí) 可以用來(lái)解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀(jì)初這兩種學(xué)派的爭(zhēng)論才以原子論的勝利而告終。愛(ài)因斯坦提供了一個(gè)重要的物理學(xué)證據(jù)。1905 年，在他關(guān)于狹義相對(duì)論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在所發(fā)表的另一篇文章里指出，所謂的布朗運(yùn)動(dòng)——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無(wú)則規(guī)的、隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)—— 可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應(yīng)。?

? 當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學(xué)三一學(xué)院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。電子所具有的質(zhì)量比 最輕原子小１千倍。他使用了一種和現(xiàn)代電視顯像管相當(dāng)類(lèi)似的裝置：由一根紅熱的金屬細(xì)絲發(fā)射出電子，由于它們帶負(fù)電荷，可用一電場(chǎng)去將其加速飛到一個(gè)涂磷 光物質(zhì)的屏幕上。電子一打到屏幕上就會(huì)產(chǎn)生一束束的閃光。人們很快即意識(shí)到，這些電子必須從原子里出來(lái)。英國(guó)物理學(xué)家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明 了物質(zhì)的原子確實(shí)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它們是由一個(gè)極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)的一些電子組成。他是根據(jù)從放射性*原子釋放出的帶正電荷的粒子和原子碰 撞會(huì)引起的偏折這一現(xiàn)象，以及分析了此偏折的方式后而推出這一結(jié)論的。?

? 最初，人們認(rèn)為原子核是由電子和不同數(shù)量的帶正電的叫做質(zhì)子的粒子所組成。質(zhì)子是由希臘文中 的“第一”演化而來(lái)的，因?yàn)橘|(zhì)子被認(rèn)為是組成物質(zhì)的基本單位。然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發(fā)現(xiàn)，原子核還包含另外稱為中子 的粒子，中子幾乎具有和質(zhì)子一樣大的質(zhì)量但沒(méi)有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并選為劍橋龔維爾和凱爾斯學(xué)院（我即為該學(xué)院的研究員）院長(zhǎng)。后來(lái)， 他因?yàn)楹推渌瞬缓投o去院長(zhǎng)的職務(wù)。一群戰(zhàn)后回來(lái)的年輕的研究員將許多已占據(jù)位置多年的老研究員選掉后，曾有過(guò)一場(chǎng)激烈的辯論。這是在我去以前發(fā)生的； 在這場(chǎng)爭(zhēng)論尾聲的1965年我才加入該學(xué)院，當(dāng)時(shí)另一位獲諾貝爾獎(jiǎng)的院長(zhǎng)奈維爾·莫特爵士也因類(lèi)似的爭(zhēng)論而辭職。?

? 直到20年以前，人們還總以為質(zhì)子和中子是“基本”粒子。但是，將質(zhì)子和另外的質(zhì)子或電子在高速度下碰撞的實(shí)驗(yàn)表明，它們事實(shí)上是由更小的粒子構(gòu)成的。加 州理工學(xué)院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由于對(duì)夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎(jiǎng)。此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語(yǔ)：“Three quarks for Muster Mark！”夸克這個(gè)字應(yīng)發(fā)夸脫的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韻。?

? 存在有幾種不同類(lèi)型的夸克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱之為上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色*”，即紅、綠和藍(lán)。（必須強(qiáng) 調(diào)，這些術(shù)語(yǔ)僅僅是記號(hào)：夸克比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)小得多，所以在通常意義下沒(méi)有任何顏色*。這只不過(guò)是現(xiàn)代物理學(xué)家更富有想像力地去命名新粒子和新現(xiàn)象而已 ----他們不再將自己限制于只用希臘文！）一個(gè)質(zhì)子或中子是由三個(gè)夸克組成，每個(gè)一種顏色*。一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克；一個(gè)中子包含兩個(gè)下夸 克和一個(gè)上夸克。我們可用其他種類(lèi)的夸克（奇、魅、底和頂）構(gòu)成粒子，但所有這些都具有大得多的質(zhì)量，并非?？斓厮プ兂少|(zhì)子和中子。?

? 現(xiàn)在我們知道，不管是原子還是其中的質(zhì)子和中子都不是不可分的。問(wèn)題在于什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬(wàn)物的最基本的構(gòu)件？由于光波波長(zhǎng)比原子的尺度 大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個(gè)原子的部分，而必須用某些波長(zhǎng)短得多的東西。正如我們?cè)谏弦徽滤吹降?，量子力學(xué)告訴我們，實(shí)際上所有粒子 都是波動(dòng)，粒子的能量越高，則其對(duì)應(yīng)的波動(dòng)的波長(zhǎng)越短。所以，我們能對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出的最好的回答，取決于我們的設(shè)想中所能得到多高的粒子能量，因?yàn)檫@決定 了我們所能看到的多小的尺度。這些粒子的能量通常是以稱為電子伏特的單位來(lái)測(cè)量。（在湯姆遜的電子實(shí)驗(yàn)中，我們看到他用一個(gè)電場(chǎng)去加速電子，一個(gè)電子從一 個(gè)伏特的電場(chǎng)所得到的能量即是一個(gè)電子伏特。）19世紀(jì)，當(dāng)人們知道如何去使用的粒子能量只是由化學(xué)反應(yīng)——諸如燃燒——產(chǎn)生的幾個(gè)電子伏特的低能量時(shí)， 大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)中，α粒子具有幾百萬(wàn)電子伏特的能量。更近代，我們知道使用電磁場(chǎng)給粒子提供首先是幾百萬(wàn)然后是幾十億電子伏 特的能量。這樣我們知道，20年之前以為是“基本”的粒子，原來(lái)是由更小的粒子所組成。如果我們用更高的能量時(shí)，是否會(huì)發(fā)現(xiàn)這些粒子是由更小的粒子所組成 的呢？這一定是可能的。但我們確實(shí)有一些理論的根據(jù)，相信我們已經(jīng)擁有或者說(shuō)接近擁有自然界的終極構(gòu)件的知識(shí)。?

? 用上一章討論的波粒二象性*，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來(lái)描述。這些粒子有一種稱為自旋的性*質(zhì)。自旋可以設(shè)想成繞著一個(gè)軸自轉(zhuǎn)的小陀螺。但這可 能會(huì)引起誤會(huì)，因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子并沒(méi)有任何很好定義的軸。粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什么樣子的。一個(gè)自旋為０的粒子像 一個(gè)圓點(diǎn)： 從任何方向看都一樣（圖5.1－i）。而自旋為１的粒子像一個(gè)箭頭：從不同方向看是不同的（圖 5.1-ii ） 。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)過(guò)完全的一圈（360°）時(shí)，這粒子才顯得是一樣。自旋為２的粒子像個(gè)雙頭的箭頭（圖5.1- iii）：只要轉(zhuǎn)過(guò)半圈（180°） ，看起來(lái)便是一樣的了。類(lèi)似地，更高自旋的粒子在旋轉(zhuǎn)了整圈的更小的部分后，看起來(lái)便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當(dāng)，但驚人的事實(shí)是，有些粒子 轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，仍然顯得不同，你必須使其轉(zhuǎn)兩整圈！這樣的粒子具有1／2的自旋。

圖5.1

? 宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質(zhì)的自旋為1／2的粒子；在物質(zhì)粒子之間引起力的自旋為0、 1和2的粒子。物質(zhì)粒子服從所謂的泡利不相容原理。這是奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?925年發(fā)現(xiàn)的，他并因此獲得1945年的諾貝爾獎(jiǎng)。他是個(gè)模范 的理論物理學(xué)家，有人這樣說(shuō)，他的存在甚至?xí)雇怀鞘欣锏膶?shí)驗(yàn)出毛??！泡利不相容原理是說(shuō)，兩個(gè)類(lèi)似的粒子不能存在于同一個(gè)態(tài)中，即是說(shuō)，在不確定性*原 理給出的限制內(nèi)，它們不能同時(shí)具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗忉屃藶楹挝镔|(zhì)粒子在自旋為0、1和2的粒子產(chǎn)生的力的影響下不會(huì)坍 縮成密度非常之高的狀態(tài)的原因：如果物質(zhì)粒子幾乎在相同位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在于同一處。如果世界創(chuàng)生時(shí)不相容原理不 起作用，夸克將不會(huì)形成不相連的、很好定義的質(zhì)子和中子，進(jìn)而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定義的原子。所有它們都會(huì)坍縮形成大致均勻的稠密的" 湯"。?

? 直到保爾·狄拉克在1928年提出一個(gè)理論，人們才對(duì)電子和其他自旋1／2的粒子有了相當(dāng)?shù)睦斫狻５依撕髞?lái)被選為劍橋的盧卡遜數(shù)學(xué)教授（牛頓曾經(jīng)擔(dān)任這 一教授位置，目前我擔(dān)任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學(xué)又和狹義相對(duì)論相一致的理論。它在數(shù)學(xué)上解釋了為何電子具有1／2的自旋，也即為什么 將其轉(zhuǎn)一整圈不能、而轉(zhuǎn)兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它并且預(yù)言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克的理論， 他因此獲得了1933年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?，F(xiàn)在我們知道，任何粒子都有會(huì)和它相湮滅的反粒子。（對(duì)于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子 構(gòu)成的整個(gè)反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會(huì)在一個(gè)巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周?chē)牧Ｗ颖确戳Ｗ佣嗟枚啵窟@ 是一個(gè)極端重要的問(wèn)題，我將會(huì)在本章的后部分回到這問(wèn)題上來(lái)。

? 在量子力學(xué)中，所有物質(zhì)粒子之間的力或相互作用都認(rèn)為是由自旋為整數(shù)０、１或２的粒子承擔(dān)。物質(zhì)粒子——譬如電子或夸克——發(fā)出攜帶力的粒子，由于發(fā)射粒 子所引起的反彈，改變了物質(zhì)粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質(zhì)粒子碰撞從而被吸收。這碰撞改變了第二個(gè)粒子的速度，正如同兩個(gè)物質(zhì)粒子之間存在過(guò)一個(gè) 力。

? 攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個(gè)重要的性*質(zhì)。這表明它們能被交換的數(shù)目不受限制，這樣就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很 大的質(zhì)量，則在大距離上產(chǎn)生和交換它們就會(huì)很困難。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子質(zhì)量為零，力就是長(zhǎng)程的了。在物質(zhì)粒子 之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因?yàn)樗鼈儾幌瘛皩?shí)”粒子那樣可以用粒子探測(cè)器檢測(cè)到。但我們知道它們的存在，因?yàn)樗鼈兙哂锌蓽y(cè)量的效應(yīng)，即它們引起了 物質(zhì)粒子之間的力，并且自旋為０、１或２的粒子在某些情況下作為實(shí)粒子而存在，這時(shí)它們可以被直接探測(cè)到。對(duì)我們而言，此刻它們就呈現(xiàn)出為經(jīng)典物理學(xué)家所 說(shuō)的波動(dòng)形式，例如光波和引力波；當(dāng)物質(zhì)粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時(shí)，它們有時(shí)就可以被發(fā)射出來(lái)。（例如，兩個(gè)電子之間的電排斥力是由于 交換虛光子所致，這些虛光子永遠(yuǎn)不可能被檢測(cè)出來(lái)；但是如果一個(gè)電子穿過(guò)另一個(gè)電子，則可以放出實(shí)光子，它以光波的形式為我們所探測(cè)到。）

? 攜帶力的粒子按照其攜帶力的強(qiáng)度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強(qiáng)調(diào)指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便于建立部分理論，而并 不別具深意。大部分物理學(xué)家希望最終找到一個(gè)統(tǒng)一理論，該理論將四種力解釋為一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。確實(shí)，許多人認(rèn)為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標(biāo)。最近， 將四種力中的三種統(tǒng)一起來(lái)已經(jīng)有了成功的端倪——我將在這章描述這些內(nèi)容。而關(guān)于統(tǒng)一余下的另一種力即引力的問(wèn)題將留到以后再討論。?

? 第一種力是引力，這種力是萬(wàn)有的，也就是說(shuō)，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個(gè) 特別的性*質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會(huì)作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽(yáng)這樣兩個(gè)巨大的物體中，所有的粒子之 間的非常弱的引力能迭加起來(lái)而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。另外三種力或者由于是短程的，或者時(shí)而吸引時(shí)而排斥，所以它們傾向于互相抵消。以量子力學(xué)的方法來(lái)研究引 力場(chǎng)，人們把兩個(gè)物質(zhì)粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為２的粒子所攜帶。它自身沒(méi)有質(zhì)量，所以所攜帶的力是長(zhǎng)程的。太陽(yáng)和地球之間的引力可以歸結(jié) 為構(gòu)成這兩個(gè)物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實(shí)產(chǎn)生了可測(cè)量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)！實(shí)引力構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)家稱 之為引力波的東西，它是如此之弱——并且要探測(cè)到它是如此之困難，以致于還從來(lái)未被觀測(cè)到過(guò)。?

? 另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強(qiáng)得多：兩個(gè)電子之間的電磁力比 引力大約大100億億億億億（在1后面有42個(gè)0）倍。然而，共有兩種電荷----正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸 引。一個(gè)大的物體，譬如地球或太陽(yáng)，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個(gè)物體之間純粹的電磁力非常 小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球繞 著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由于稱作光子的無(wú)質(zhì)量的自旋為１的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個(gè)允許 軌道改變到另一個(gè)離核更近的允許軌道時(shí)，以發(fā)射出實(shí)光子的形式釋放能量——如果其波長(zhǎng)剛好，則為肉眼可以觀察到的可見(jiàn)光，或可用諸如照相底版的光子探測(cè)器 來(lái)觀察。同樣，如果一個(gè)光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動(dòng)到較遠(yuǎn)的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。?

? 第三種力稱為弱核力。它制約著放射性*現(xiàn)象，并只作用于自旋為1／2的物質(zhì)粒子，而對(duì)諸如光子、引力子等自旋為０、１或２的粒子不起作用。直到1967年倫 敦帝國(guó)學(xué)院的阿伯達(dá)斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論后，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動(dòng)，可與 100年前馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。溫伯格——薩拉姆理論認(rèn)為，除了光子，還存在其他3個(gè)自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色*子的粒子，它們攜帶弱 力。它們叫W＋（W正）、W－（W負(fù)）和Z0（Z零），每一個(gè)具有大約100吉電子伏的質(zhì)量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對(duì)稱破 缺的性*質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來(lái)完全不同的粒子，事實(shí)上只是同一類(lèi)型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個(gè)效應(yīng)和輪賭盤(pán)上的 輪賭球的行為相類(lèi)似。在高能量下（當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時(shí)），這球的行為基本上只有一個(gè)方式——即不斷地滾動(dòng)著；但是當(dāng)輪子慢下來(lái)時(shí)，球的能量就減少了，最終 球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的一個(gè)里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個(gè)不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會(huì)認(rèn)為存在 37種不同類(lèi)型的球！

? 在溫伯格——薩拉姆理論中，當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100吉電子伏時(shí)，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對(duì)稱 就被破壞了。W＋、W－和Z0得到了大的質(zhì)量，使之?dāng)y帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時(shí)，很少人相信他們，因?yàn)檫€無(wú)法將粒子加速到足以達(dá)到 產(chǎn)生實(shí)的W＋、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里，在低能量下這個(gè)理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好，以至于他們和也在哈佛的 謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎(jiǎng)。格拉肖提出過(guò)一個(gè)類(lèi)似的統(tǒng)一電磁和弱作用的理論。由于1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發(fā)現(xiàn) 了具有被正確預(yù)言的質(zhì)量和其他性*質(zhì)的光子的三個(gè)帶質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會(huì)避免了犯錯(cuò)誤的難堪。領(lǐng)導(dǎo)幾百名物理學(xué)家作出此發(fā)現(xiàn)的卡拉·魯比亞和發(fā)展了 被使用的反物質(zhì)儲(chǔ)藏系統(tǒng)的CERN工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎(jiǎng)。（除非你已經(jīng)是巔峰人物，當(dāng)今要在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)上留下痕跡極其困 難?。?/font>