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    亞裏士多德相信宇宙中的所有物質由四種基本元素即土、氣、火和水組成。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，這是指氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。

    亞裏士多德相信物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限製地分割成越來越小的小塊。即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而幾個希臘人，例如德謨克裏特，則堅持物質具有固有的顆粒性，而且認為每一件東西都是由大量的各種不同類型的原子組成（原子在希臘文中的意義是“不可分的”）。爭論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。但是1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的，這一事實可以用由原子聚合一起形成稱作分子的個體來解釋。然而，直到本世紀初這兩種學派的爭論才以原子論者的勝利而告終。愛因斯坦提供了其中一個重要的物理學證據。1905年，在他關於狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在發表的另一篇文章裏指出，所謂的布朗運動——浮在液體中塵埃小顆粒的無規則隨機運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。

    當時就有人懷疑，這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院的研究員湯姆孫演示了一種稱為電子的物質粒子存在的證據。電子具有的質量比最輕原子的一千分之一還小。他使用了一種和現代電視顯像管相當類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲發射出電子，由於它們帶負電荷，可用電場將其朝一個塗磷光物質的屏幕加速。電子一打到屏幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子一定是從原子本身裏出來的。新西蘭物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實具有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它公轉的一些電子組成。他分析從放射性原子釋放出的帶正電荷的α粒子和原子碰撞會引起偏轉的方式，從而推出這一結論。

    最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子組成。質子是由希臘文中表達“第一”

    的詞演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，1932年盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克發現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但不帶電荷。查德威克因這個發現獲得諾貝爾獎，並被選為劍橋龔維爾和基斯學院（我即為該學院的研究員）院長。後來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員將許多已占據位置多年的老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；我在這場爭論尾聲的1965年才加入該學院，當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。

    直到大約30年以前，人們還以為質子和中子是“基本”粒子。但是，質子和另外的質子或電子高速碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為誇克。由於對誇克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源於詹姆斯·喬伊斯神秘的引語：“Three quarks for Muster Mark！”

    誇克這個字應發誇脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通常和拉克（雲雀）相押韻。

    存在有幾種不同類型的誇克——有六種“味”，這些味我們分別稱之為上、下、奇、粲、底和頂。20世紀60年代起人們就知道前三種誇克，1974年才發現粲誇克，1977年和1995年分別發現底和頂誇克。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍。（必須強調，這些術語僅僅是標簽：誇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。這隻不過是現代物理學家似乎更富有想像力地命名新粒子和新現象的方式而已——他們不再讓自己受限製於希臘文！）一個質子或中子由三個誇克組成，每個誇克各有一種顏色。一個質子包含兩個上誇克和一個下誇克；一個中子包含兩個下誇克和一個上誇克。我們可以創生由其他種類的誇克（奇、粲、底和頂）構成的粒子，但所有這些都具有大得多的質量，並非常快地衰變成質子和中子。

    現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在於什麽是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由於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。我們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，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波，粒子的能量越高，則其對應的波的波長越短。所以，我們能對這個問題給出的最好的回答，取決於我們裝置中的粒子能量有多高，因為這決定了我們能看到的尺度有多小。這些粒子的能量通常用叫做電子伏特的單位來測量。

    （在湯姆孫的電子實驗中，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，當人們知道如何去使用的粒子能量隻是由化學反應——諸如燃燒——產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。更晚的時代，我們獲悉如何使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬，然後是幾十億電子伏特的能量。這樣我們知道，30年之前以為是“基本”的粒子，事實上是由更小的粒子組成。如果我們利用更高的能量時，是否會發現這些粒子是由更小的粒子組成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論上的原因，相信我們已經擁有，或者說接近擁有自然的終極構件的知識。

    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。考慮自旋的一個方法是將粒子想象成圍繞著一個軸自轉的小陀螺。然而，這可能會引起誤會，因為量子力學告訴我們，粒子並沒有任何輪廓分明的軸。粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什麽樣子的。一個自旋為0的粒子像一個點：從任何方向看都一樣 。另一方麵，自旋為1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的 。隻有把它轉過一整圈 時，這粒子才顯得一樣。自旋為2的粒子像個雙頭的箭頭 ：隻要把它轉過半圈 ，它看起來便一樣。類似地，把更高自旋的粒子轉了整圈的更小的部分後，它看起來便一樣。所有這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事實是，把有些粒子轉過一圈後，它仍然顯得不同：你必須使其轉兩整圈！這樣的粒子就說具有1/2的自旋。

    宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：自旋為1/2的粒子，它們組成宇宙中的物質；自旋為0、1和2的粒子，正如我們將要看到的，它們在物質粒子之間產生力。物質粒子服從所謂的泡利不相容原理。這是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1925年發現的，他因此而獲得1945年的諾貝爾獎。他是個原型的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城市裏的實驗出毛病！泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在於相同的態中，也就是說，在不確定性原理給出的限製下，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鍵的，因為它解釋了為何物質粒子，在自旋為O、1和2的粒子產生的力的影響下，不會坍縮成密度非常高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎處在相同的位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在於相同的位置。如果世界在沒有不相容原理的情形下創生，誇克將不會形成分離的輪廓分明的質子和中子，進而這些也不可能和電子形成分離的輪廓分明的原子。它們全部都會坍縮形成大致均勻的稠密的“湯”。

    直到保羅·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的粒子有了正確的理解。狄拉克後來被選為劍橋的盧卡斯數學教授（牛頓曾經擔任這一教席，目前我擔任這一職務）。狄拉克理論是第一種既和量子力學又和狹義相對論相一致的理論。它在數學上解釋了為何電子具有1/2的自旋，也即為什麽將其轉一整圈不能、而轉兩整圈才能使它顯得一樣。它還預言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發現證實了狄拉克的理論，他因此獲得了1933年的諾貝爾獎。

    現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。

    （對於攜帶力的粒子，反粒子即為其自身）。也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反自身，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是一個極端重要的問題，我將會在本章的後部分回到這問題上來。

    在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子攜帶。所發生的是，物質粒子——譬如電子或誇克——發出攜帶力的粒子。這個發射引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子然後和另一個物質粒子碰撞並且被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同這兩個物質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，這是它們的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限製，這樣它們就可以引起很強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的質量，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力隻能是短程的。另一方麵，如果攜帶力的粒子本身質量為零，力就是長程的了。因為在物質粒子之間交換的攜帶力的粒子，不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到，所以稱為虛粒子。然而，因為它們具有可測量的效應，即它們引起了物質粒子之間的力，所以我們知道它們存在。自旋為0、1或2的粒子在某些情況下也作為實粒子存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出經典物理學家稱為波動形式，例如光波和引力波的東西。當物質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射出來。（例如，兩個電子之間的電排斥力是由於交換虛光子所致，這些虛光子永遠不可能被檢測出來；但是如果一個電子從另一個電子邊穿過，則可以放出實光子，它作為光波而被我們探測到。）攜帶力的粒子按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成四個種類。必須強調指出，這種將力劃分成四種是人為的；它僅僅是為了便於建立部分理論，而並不別具深意。大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方麵。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最近，將四種力中的三種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這一章描述這些內容。而關於統一餘下的另一種力即引力的問題將留到以後。

    第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一個粒子都因它的質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，它若不具有兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到：它能作用到大距離去，以及它總是吸引的。這意味著，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，單獨粒子之間的非常弱的引力能都疊加起來而產生相當大的力量。其他三種力要麽是短程的，要麽時而吸引時而排斥，所以它們傾向於相互抵消。以量子力學的方法來看待引力場，人們把兩個物質粒子之間的力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有質量，所以攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結為構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，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球圍繞著太陽公轉！實引力子構成了經典物理學家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以至於還從來未被觀測到過。

    另一種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和誇克）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後麵有42個O）倍。然而，存在兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是相互排斥的，而異種電荷之間的力則是相互吸引的。

    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電荷。這樣，由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全被抵消了，因此兩個物體之間淨的電磁力非常小。