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    然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子圍繞著原子的核公轉，正如同引力使得地球圍繞著太陽公轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於交換大量稱作光子的無質量的自旋為1的虛粒子引起的。重複一下，這裏交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道轉變到另一個離核更近的允許軌道時，釋放能量並且發射出實光子——如果其波長適當，則作為可見光可被肉眼觀察到，或可用諸如照相底版的光子探測器觀察到。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的軌道。這樣光子的能量被消耗掉，它也就被吸收了。

    第三種力稱為弱核力。它負責放射性現象，並隻作用於自旋為1/2的所有物質粒子，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年倫敦帝國學院的阿伯達斯·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一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與大約100年前麥克斯韋統一電學和磁學相提並論。他們提出，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們稱作W+（W正）、W-（W負）和Z（Z零），每一個都具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。溫伯格-薩拉姆理論展現了稱作對稱自發破缺的性質。這意味著，在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上發現都隻是同一種粒子處於不同的狀態。所有這些粒子在高能量下都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上隻有一個方式——即不斷地滾動著。但是隨著輪子變慢下來，球的能量減小，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個裏去。換言之，在低能下球可以存在於37種不同的狀態。

    如果由於某種原因，我們隻能在低能下觀察球，我們就會以為存在37種不同類型的球！

    在溫伯格·薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這3種新粒子和光子都以相似的方式行為。但是，大部分正常情況下粒子能量要比這低，粒子之間的對稱被破壞了。W+、W-和Z。得到了大的質量，使之攜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，因為加速器還未強大到將粒子加速到產生實的W+、W-和Z粒子所需的100吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裏，在較低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，使他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起獲得1979年的諾貝爾物理學獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的3個有質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡羅·魯比亞和開發了被使用的反物質儲藏係統的CERN工程師西蒙·範德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）第四種力是強核力。它將質子和中子中的誇克束縛在一起，並將原子核中的質子和中子束縛在一起。人們相信，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它隻能與自身以及與誇克相互作用。強核力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。

    由於誇克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的誇克自身。相反，一個紅誇克必須用一串膠子和一個綠誇克以及一個藍誇克連接在一起（紅+綠+藍=白）。這樣的三胞胎構成了一個質子或中子。其他的可能性是由一個誇克和一個反誇克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白）。這樣的結合體構成了稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為誇克和反誇克會相互湮滅，而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團，其疊加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。

    色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的誇克或膠子，這事實使得將誇克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一種叫做漸近自由的性質，它使得誇克和膠子成為意義明確的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將誇克緊緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，強作用力在高能量下變得弱得多，誇克和膠子的行為就幾乎像自由粒子那樣。

    統一電磁力和弱核力的成功，使人們多次試圖將這兩種力和強核力合並在所謂的大統一理論（或GUT）之中。

    這名字相當誇張：得到的理論並不那麽輝煌，也沒能將全部力都統一進去，因為它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它們包含了許多不能從這理論中預言而必須人為選擇去適合實驗的參數。盡管如此，它們可能是朝著完備的統一理論推進的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前麵提到的，在高能量下強核力變弱了；另一方麵，不是漸近自由的電磁力和弱力在高能量下變強了。在某個非常高的叫做大統一能量的能量下，這3種力都具有同樣的強度，並因此可看成一個單獨的力的不同方麵。在這能量下，GUT還預言了自旋為1/2的不同物質粒子（如誇克和電子）也會根本上都變成一樣，這樣導致了另一種統一。

    大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1000萬億吉電子伏特。而目前粒子加速器隻能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，而計劃建造的機器的能量可升到幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太陽係一樣大——這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裏直接檢驗大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢驗它在低能量下的推論。

    其中最有趣的預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能夠自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。之所以可能，其原因在於，在大統一能量下，誇克和反電子之間沒有本質的不同。在正常情況下一個質子中的三個誇克沒有足夠能量轉變成反電子，由於不確定性原理意味著質子中誇克的能量不可能嚴格不變，其中一個誇克會非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉變。這樣質子就要衰變。誇克要得到足夠能量的概率是如此之低，至少要等待100萬億億億年（1後麵跟30個O）才能有1次。這比宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1後麵跟10個0）要長得多了。因此，人們會認為不可能在實驗上檢測到質子自發衰變的可能性。然而，人們可以觀察包含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的對象含有1後麵跟31個0個質子，按照最簡單的GUT，可以預料在1年內應能看到多於一次的質子衰變）。

    人們進行了一係列實驗，可惜沒有得到任何質子或中子衰變的確實證據。有一個實驗是在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裏進行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會和質子衰變相混淆的事件發生），用了8000噸水。由於在實驗中沒有觀測到自發的質子衰變，因此可以估算出，可能的質子壽命至少應為1000萬億億億（1後麵跟31個0）年。這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精致的大統一理論預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。

    盡管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子，或更簡單地說，誇克的產生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然的方式——一誇克並不比反誇克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，進而由誇克構成。除了少數由物理學家在大型粒子加速器中產生的以外，不存在由反誇克構成的反質子和反中子。我們從宇宙線中得到的證據表明，我們星係中的所有物質也是這樣：除了少數當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星係中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射。許多粒子在那裏和它們的反粒子相碰撞、相互湮滅並釋放出高能輻射。

    我們沒有直接的證據，表明其他星係中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但兩者必居其一，在單一的宇宙中不能有混合，否則，我們又會觀察到大量由湮滅產生的輻射。因此，我們相信，所有的星係是由誇克而不是反誇克構成；看來，一些星係為物質，而另一些星係為反物質也是難以置信的。

    為什麽誇克比反誇克多這麽多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，隻餘下一個充滿輻射而幾乎沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星係、恒星和行星。慶幸的是，大統一理論可以解釋，盡管甚至剛開始時兩者數量相等，為何現在宇宙中誇克比反誇克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許誇克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反誇克變成電子，電子和反電子變成反誇克和誇克。在極早期宇宙有一時期是如此之熱，粒子能量高到足以發生這些轉變。但是，它為何使誇克比反誇克多呢？原因在於，物理定律對於粒子和反粒子不是完全相同的。

    直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對稱的意義是，定律對於粒子和反粒子是相同的；P（宇稱）對稱的意義是，定律對於任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）是相同的；T（時間）對稱的意義是，如果你顛倒所有粒子和反粒子的運動方向，係統應回到早先的那樣；換言之，定律對於前進或後退的時間方向是一樣的。1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱。換言之，弱力使得宇宙和宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的預言是正確的。她把放射性原子的核排列在磁場中，使它們的自旋方向一致。實驗表明，在一個方向比另一方向發射出得更多電子。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎。人們還發現弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構成的宇宙以和我們的宇宙不同的方式行為。盡管如此，弱力似乎確實服從CP聯合對稱。也就是說，如果每個粒子都用其反粒子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發展！

    然而，1964年，還是兩個美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費茲——發現，在某種稱為K介子的衰變中，甚至連CP對稱也不服從。1980年，克羅寧和費茲最終由於他們的研究而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們曾經想像的那麽簡單而授予的！）有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像還有時間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。但是，克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且采用鏡像，但不反演時間方向，則宇宙的行為不相同。所以，如果人們反演時間方向，物理學定律必須改變——它們不服從T對稱。

    早期宇宙肯定是不服從T對稱的：隨著時間前進，宇宙膨脹——如果它往後倒退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反誇克，這些力將更多的反電子變成誇克。然後，隨著宇宙膨脹並冷卻下來，反誇克就和誇克湮滅，但由於已有的誇克比反誇克多，少量過剩的誇克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自身。

    這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的誇克數目，甚至不知是誇克還是反誇克餘下。（然而，如果是反誇克多餘留下，我們可以簡單地把反誇克稱為誇克，誇克稱為反誇克。）大統一理論不包括引力。在我們處理基本粒子或原子問題時這關係不大，因為引力是如此之弱，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麽正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恒星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恒星坍縮。我在70年代的工作集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論形態的一瞥。