? 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；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，人們可以將物質(zhì)無限制地分割成越來越小的小塊，即人們永遠(yuǎn)不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個希 臘人，例如德謨克里特，則堅持物質(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”）。爭論一 直持續(xù)了幾個世紀(jì)，任何一方都沒有任何實際的證據(jù)。直至1803年英國的化學(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 可以用來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)派的爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個重要的物理學(xué)證據(jù)。1905 年，在他關(guān)于狹義相對論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在所發(fā)表的另一篇文章里指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規(guī)的、隨機的運動—— 可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應(yīng)。?

? 當(dāng)時已經(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?。鼻П丁Ｋ褂昧艘环N和現(xiàn)代電視顯像管相當(dāng)類似的裝置：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，可用一電場去將其加速飛到一個涂磷 光物質(zhì)的屏幕上。電子一打到屏幕上就會產(chǎn)生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子必須從原子里出來。英國物理學(xué)家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明 了物質(zhì)的原子確實有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉(zhuǎn)動的一些電子組成。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”演化而來的，因為質(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)量但沒有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾獎，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。后來， 他因為和其他人不和而辭去院長的職務(wù)。一群戰(zhàn)后回來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，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發(fā)生的； 在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學(xué)院，當(dāng)時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。?

? 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驗表明，它們事實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。由于對夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語：“Three quarks for Muster Mark！”夸克這個字應(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 調(diào)，這些術(shù)語僅僅是記號：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色*。這只不過是現(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?。┮粋€質(zhì)子或中子是由三個夸克組成，每個一種顏色*。一個質(zhì)子包含兩個上夸克和一個下夸克；一個中子包含兩個下夸 克和一個上夸克。我們可用其他種類的夸克（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。問題在于什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬物的最基本的構(gòu)件？由于光波波長比原子的尺度 大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個原子的部分，而必須用某些波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學(xué)告訴我們，實際上所有粒子 都是波動，粒子的能量越高，則其對應(yīng)的波動的波長越短。所以，我們能對這個問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，因為這決定 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測量。（在湯姆遜的電子實驗中，我們看到他用一個電場去加速電子，一個電子從一 個伏特的電場所得到的能量即是一個電子伏特。）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)生的幾個電子伏特的低能量時， 大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏特的能量。更近代，我們知道使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬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，原來是由更小的粒子所組成。如果我們用更高的能量時，是否會發(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。但我們確實有一些理論的根據(jù)，相信我們已經(jīng)擁有或者說接近擁有自然界的終極構(gòu)件的知識。?

? 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)想成繞著一個軸自轉(zhuǎn)的小陀螺。但這可 能會引起誤會，因為量子力學(xué)告訴我們，粒子并沒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。一個自旋為０的粒子像 一個圓點： 從任何方向看都一樣（圖5.1－i）。而自旋為１的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的（圖 5.1-ii ） 。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)過完全的一圈（360°）時，這粒子才顯得是一樣。自旋為２的粒子像個雙頭的箭頭（圖5.1- iii）：只要轉(zhuǎn)過半圈（180°） ，看起來便是一樣的了。類似地，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)，但驚人的事實是，有些粒子 轉(zhuǎn)過一圈后，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。他是個模范 的理論物理學(xué)家，有人這樣說，他的存在甚至?xí)雇怀鞘欣锏膶嶒灣雒?！泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在于同一個態(tài)中，即是說，在不確定性*原 理給出的限制內(nèi)，它們不能同時具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關(guān)鍵的，因為它解釋了為何物質(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，這意味著它們不會長時間存在于同一處。如果世界創(chuàng)生時不相容原理不 起作用，夸克將不會形成不相連的、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年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1／2的粒子有了相當(dāng)?shù)睦斫?。狄拉克后來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)證實了狄拉克的理論， 他因此獲得了1933年的諾貝爾物理獎。現(xiàn)在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對于攜帶力的粒子，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，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多？這 是一個極端重要的問題，我將會在本章的后部分回到這問題上來。

? 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粒子的速度，正如同兩個物質(zhì)粒子之間存在過一個 力。

? 攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個重要的性*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，因為它們不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因為它們具有可測量的效應(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粒子而存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現(xiàn)出為經(jīng)典物理學(xué)家所 說的波動形式，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，它們有時就可以被發(fā)射出來。（例如，兩個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)不可能被檢測出來；但是如果一個電子穿過另一個電子，則可以放出實光子，它以光波的形式為我們所探測到。）

? 攜帶力的粒子按照其攜帶力的強度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強調(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統(tǒng)一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方面。確實，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題將留到以后再討論。?

? 第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，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 特別的性*質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，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，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向于互相抵消。以量子力學(xué)的方法來研究引 力場，人們把兩個物質(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。它自身沒有質(zhì)量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結(jié) 為構(gòu)成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產(chǎn)生了可測量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽公轉(zhuǎn)！實引力構(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——并且要探測到它是如此之困難，以致于還從來未被觀測到過。?

? 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。它比引力強得多：兩個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。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個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，電子從一個允許 軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發(fā)射出實光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器 來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠(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，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)對稱破 缺的性*質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個效應(yīng)和輪賭盤上的 輪賭球的行為相類似。在高能量下（當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動著；但是當(dāng)輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終 球就陷到輪子上的37個槽中的一個里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認(rèn)為存在 37種不同類型的球！

? 在溫伯格——薩拉姆理論中，當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100吉電子伏時，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，很少人相信他們，因為還無法將粒子加速到足以達(dá)到 產(chǎn)生實的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，在低能量下這個理論的其他預(yù)言和實驗符合得這樣好，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。格拉肖提出過一個類似的統(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)的光子的三個帶質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。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。（除非你已經(jīng)是巔峰人物，當(dāng)今要在實驗物理學(xué)上留下痕跡極其困 難?。?/font>