萬有(you)引力定律：屬于自然科學(xue)領域定律，自然界中任何兩(liang)個物(wu)體都是相互吸引的(de)(de)，引力的(de)(de)大小跟(gen)(gen)這兩(liang)個物(wu)體的(de)(de)質量(liang)乘積(ji)成正比(bi)，跟(gen)(gen)它們的(de)(de)距離的(de)(de)二次(ci)方成反(fan)比(bi)。
萬有(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)定律是牛頓(dun)(dun)在1687年出(chu)(chu)版的(de)《自然哲(zhe)學的(de)數學原理》一(yi)書中首先提出(chu)(chu)的(de)。牛頓(dun)(dun)利用萬有(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)定律不僅說明了(le)行星(xing)運動規(gui)律，而且(qie)還(huan)(huan)指出(chu)(chu)木星(xing)、土星(xing)的(de)衛星(xing)圍繞行星(xing)也有(you)同樣(yang)的(de)運動規(gui)律。他認為月(yue)球(qiu)除了(le)受到(dao)地(di)球(qiu)的(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)外(wai)(wai)，還(huan)(huan)受到(dao)太陽的(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)，從(cong)而解釋了(le)月(yue)球(qiu)運動中早(zao)已發現的(de)二均差，出(chu)(chu)差等(deng)；另外(wai)(wai)，他還(huan)(huan)解釋了(le)彗星(xing)的(de)運動軌(gui)道和(he)地(di)球(qiu)上的(de)潮汐現象。根(gen)據萬有(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)定律成功地(di)預(yu)言并發現了(le)海王(wang)星(xing)。
萬有引力(li)定律出現后(hou)，才正式把研究天體(ti)的(de)運動建立在(zai)力(li)學理論的(de)基礎上，從而創(chuang)立了天體(ti)力(li)學。簡(jian)單的(de)說，質量(liang)越大的(de)東(dong)西(xi)產生(sheng)的(de)引力(li)越大,這個(ge)力(li)與兩個(ge)物(wu)(wu)體(ti)的(de)質量(liang)均成正比(bi)，與兩個(ge)物(wu)(wu)體(ti)間的(de)距離平方成反比(bi)。地球的(de)質量(liang)產生(sheng)的(de)引力(li)足夠把地球上的(de)東(dong)西(xi)全部抓牢(lao)。
萬有(you)引力(li)定(ding)律傳(chuan)入中國：《自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)的數學(xue)原理(li)》牛頓最重要(yao)的著(zhu)作，1687年(nian)出版。該書總結了他一(yi)生中許多重要(yao)發現和(he)研究成果(guo)，其(qi)中包括上述關(guan)于(yu)物體(ti)運動的定(ding)律。他說，該書“所(suo)(suo)研究的主(zhu)要(yao)是(shi)關(guan)于(yu)重、輕流體(ti)抵抗力(li)及其(qi)他吸(xi)引運動的力(li)的狀況，所(suo)(suo)以我(wo)們研究的是(shi)自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)的數學(xue)原理(li)。”該書傳(chuan)入中國后，中國數學(xue)家(jia)李善(shan)蘭曾譯出一(yi)部分，但(dan)未出版，譯稿(gao)也遺失了。現有(you)的中譯本是(shi)數學(xue)家(jia)鄭太樸(pu)翻譯的，書名為《自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)之數學(xue)原理(li)》，1931年(nian)商(shang)務印(yin)書館(guan)初版，1957和(he)1958年(nian)兩次(ci)重印(yin)。
萬有引(yin)力等于(yu)引(yin)力常量(liang)乘(cheng)以兩物體(ti)質量(liang)的(de)乘(cheng)積(ji)除以它們距離(li)的(de)平方。其中G代表引(yin)力常量(liang)，其值約為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英國物理學家、化學家亨利(li)·卡文迪(di)許通過扭秤實(shi)驗測得。此外，庫侖定律也(ye)可以用這種扭秤證明。
因為行星受(shou)到的(de)(de)作(zuo)用力和太陽(yang)受(shou)到的(de)(de)作(zuo)用力是相(xiang)同大(da)小的(de)(de)力，由這(zhe)兩(liang)(liang)個(ge)式子比(bi)(bi)較(jiao)可(ke)知，k′包(bao)含(han)了太陽(yang)的(de)(de)質(zhi)量M，k″包(bao)含(han)了行星的(de)(de)質(zhi)量m。由此可(ke)知，這(zhe)兩(liang)(liang)個(ge)力與兩(liang)(liang)個(ge)天體質(zhi)量的(de)(de)乘積成正比(bi)(bi)，它(ta)稱為萬有引力。
如果引(yin)入一個新的常數(shu)G（稱萬(wan)有引(yin)力常數(shu)），再考慮太陽和行(xing)星的質量，以及先前得出的4·π2，那么可以表示(shi)為：萬(wan)有引(yin)力，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。
兩(liang)(liang)個通常(chang)物體(ti)(ti)(ti)(ti)之(zhi)間的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力極其(qi)微小，我們(men)察(cha)覺不(bu)到它，可以不(bu)予考慮。比如(ru)，兩(liang)(liang)個質量(liang)都是60千(qian)克的(de)(de)人，相距(ju)0.5米(mi)，他(ta)們(men)之(zhi)間的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力還不(bu)足(zu)百萬分之(zhi)一牛頓，而(er)一只(zhi)螞蟻(yi)拖動細草梗(geng)的(de)(de)力竟是這個引(yin)(yin)力的(de)(de)1000倍(bei)！但(dan)是，天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)系(xi)統中，由(you)于天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)質量(liang)很(hen)大，萬有(you)引(yin)(yin)力就起著決定性的(de)(de)作用。在(zai)天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)中質量(liang)還算(suan)很(hen)小的(de)(de)地球，對其(qi)他(ta)的(de)(de)物體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力已經具(ju)有(you)巨大的(de)(de)影響，它把人類、大氣和(he)所有(you)地面物體(ti)(ti)(ti)(ti)束縛(fu)在(zai)地球上(shang)，它使(shi)月球和(he)人造地球衛星繞地球旋轉而(er)不(bu)離去。
在人(ren)類航天(tian)事業興起之(zhi)前，萬(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)(li)早(zao)已被(bei)應用于宇(yu)宙(zhou)天(tian)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究。重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)雖然(ran)早(zao)被(bei)發(fa)現，但是重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究進入宇(yu)宙(zhou)這個領(ling)域，是航天(tian)科(ke)學帶領(ling)的(de)(de)(de)(de)。從地(di)面(mian)出發(fa)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)航行(xing)的(de)(de)(de)(de)路(lu)上，物(wu)體(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)要(yao)發(fa)生巨大(da)變(bian)化。到達目標(biao)天(tian)體(ti)(ti)或人(ren)造(zao)天(tian)體(ti)(ti)后，物(wu)體(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)也(ye)會(hui)與地(di)球(qiu)上有(you)(you)很大(da)區別。要(yao)考慮人(ren)如何耐受(shou)體(ti)(ti)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)巨大(da)變(bian)化，要(yao)研(yan)究支撐物(wu)如何承(cheng)受(shou)物(wu)體(ti)(ti)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量帶來的(de)(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)巨大(da)變(bian)化。但是重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究難于萬(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)(li)。至今(jin)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)定(ding)義只停(ting)(ting)留在地(di)面(mian)附近，重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)概念也(ye)沒(mei)有(you)(you)深入本(ben)質。重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)研(yan)究停(ting)(ting)留在下面(mian)的(de)(de)(de)(de)小范圍之(zhi)內(nei)。
重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)，就(jiu)是(shi)(shi)(shi)由于(yu)(yu)地(di)(di)(di)面附(fu)近的(de)(de)(de)(de)物體受到地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)而產生的(de)(de)(de)(de)。但(dan)是(shi)(shi)(shi)需要注意(yi)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)(shi)，因為(wei)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)在自轉(zhuan)，除了在南(nan)極(ji)北(bei)極(ji)端點，在地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)上任意(yi)一(yi)點的(de)(de)(de)(de)物體，其(qi)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)并不(bu)(bu)等(deng)于(yu)(yu)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)（因為(wei)這里(li)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)指地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)本身的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)，而重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)物體本身的(de)(de)(de)(de)質量(liang)再(zai)加上萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)）。此時可看作繞(rao)(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)合成萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)（矢(shi)量(liang)和(he)(he)—平行四邊形法則）。由于(yu)(yu)繞(rao)(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)遠(yuan)小于(yu)(yu)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)，故(gu)一(yi)般就(jiu)認為(wei)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)就(jiu)略等(deng)于(yu)(yu)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)了，其(qi)實重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)略小于(yu)(yu)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)，只有(you)在南(nan)北(bei)極(ji)物體繞(rao)(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)為(wei)零(ling)時，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)才(cai)等(deng)于(yu)(yu)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)不(bu)(bu)同，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)豎直向(xiang)(xiang)下(xia)，萬(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)指向(xiang)(xiang)地(di)(di)(di)心，豎直向(xiang)(xiang)下(xia)和(he)(he)指向(xiang)(xiang)地(di)(di)(di)心是(shi)(shi)(shi)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)，不(bu)(bu)能混淆。
上面研(yan)究重(zhong)力(li)(li)的(de)方法只適用于地面，宇宙航行中(zhong)的(de)重(zhong)力(li)(li)和宇宙中(zhong)天體或人造天體上的(de)重(zhong)力(li)(li)的(de)研(yan)究，離不開(kai)下(xia)面重(zhong)力(li)(li)的(de)概念和定義。
在(zai)靜力(li)學范圍內(nei)，以放置物(wu)體的支撐物(wu)或物(wu)體本(ben)身為(wei)參照物(wu)，來研究重(zhong)力(li)能(neng)得到(dao)最(zui)好的保障。萬(wan)有引力(li)和(he)慣性力(li)都(dou)是同(tong)時作用在(zai)物(wu)體的每一(yi)個微小部(bu)分，因(yin)此(ci)都(dou)能(neng)使物(wu)體獲得重(zhong)量。在(zai)沒有其他(ta)的力(li)具有這樣的作用效(xiao)果(guo)。因(yin)此(ci)將(jiang)萬(wan)有引力(li)和(he)慣性力(li)的共同(tong)作用，即它們的合(he)力(li)叫做(zuo)重(zhong)力(li)。這種研究重(zhong)力(li)得到(dao)的結果(guo)與(yu)上面(mian)提(ti)到(dao)在(zai)地面(mian)上的研究方(fang)法得到(dao)的結果(guo)完全相(xiang)同(tong)，因(yin)為(wei)地球也是宇宙天體之一(yi)。
會從(cong)這里發現，在(zai)地(di)(di)面研究重(zhong)力(li)(li)(li)，怎么只考慮地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)，卻沒有(you)(you)考慮把(ba)地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)吸(xi)引(yin)(yin)得團(tuan)團(tuan)轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)(de)太陽的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)和其他眾星球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)？新的(de)(de)(de)(de)(de)概念和定義能很好(hao)地(di)(di)做出解釋。把(ba)各星球(qiu)(qiu)(qiu)看(kan)做質點，那么太陽的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)和其他眾星球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)，都分別和與(yu)它(ta)們對(dui)應的(de)(de)(de)(de)(de)慣(guan)性(xing)力(li)(li)(li)相互抵消(xiao)。因(yin)此在(zai)求地(di)(di)面上物體的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)力(li)(li)(li)時(shi)除地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)以外，其他的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)可(ke)以不參(can)與(yu)重(zhong)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)計(ji)算。但(dan)是(shi)不加考慮是(shi)不可(ke)以的(de)(de)(de)(de)(de)。
宇宙航行中物(wu)體的(de)(de)超重、失重現象的(de)(de)解釋和物(wu)體在其他星球上的(de)(de)重力(li)計算，都可以在新定義下，用(yong)物(wu)體所受重力(li)的(de)(de)變化(hua)或(huo)說(shuo)重量的(de)(de)變化(hua)來解決。這樣重力(li)的(de)(de)研(yan)究就會(hui)伴(ban)隨萬有引力(li)的(de)(de)研(yan)究進入宇宙空(kong)間。
17世紀早期(qi)，人們(men)已經能夠區分很多力(li)(li)(li)，比如摩(mo)擦力(li)(li)(li)、重(zhong)力(li)(li)(li)、空氣阻力(li)(li)(li)、電力(li)(li)(li)和人力(li)(li)(li)等。牛(niu)(niu)頓(dun)首次將其中一(yi)些(xie)看似(si)不(bu)同的力(li)(li)(li)準確地(di)歸結(jie)到萬有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)概念(nian)里：蘋果落地(di)，人有體重(zhong)，月(yue)亮圍(wei)繞(rao)地(di)球轉，所(suo)有這些(xie)現(xian)象(xiang)都是由相(xiang)同原因引(yin)(yin)起的。牛(niu)(niu)頓(dun)的萬有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)定律簡單易(yi)懂，涵蓋面廣。
萬有(you)引力的(de)(de)發(fa)現，是17世紀自然(ran)科學最偉(wei)大的(de)(de)成(cheng)果之(zhi)一(yi)。它(ta)把(ba)地面上(shang)的(de)(de)物(wu)體運動(dong)的(de)(de)規律和(he)天(tian)(tian)體運動(dong)的(de)(de)規律統一(yi)了(le)起來，對以后物(wu)理(li)學和(he)天(tian)(tian)文學的(de)(de)發(fa)展具有(you)深遠的(de)(de)影響(xiang)。它(ta)第一(yi)次揭示(shi)了(le)自然(ran)界中一(yi)種基本相(xiang)互作用的(de)(de)規律，在人類認識自然(ran)的(de)(de)歷史上(shang)樹立了(le)一(yi)座(zuo)里程(cheng)碑(bei)。
牛(niu)頓的(de)萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)概念(nian)是(shi)所(suo)有(you)科(ke)學中(zhong)最實用的(de)概念(nian)之一(yi)。牛(niu)頓認為萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)是(shi)所(suo)有(you)物(wu)(wu)質的(de)基(ji)本特征，這成(cheng)為大部分物(wu)(wu)理科(ke)學的(de)理論基(ji)石。
原因
牛頓發現萬有引力的(de)原(yuan)因很多，主要(yao)因為以下(xia)幾點。
1.科學(xue)發展的要(yao)求：牛頓之前，有(you)很多(duo)天文學(xue)家在對宇宙中的星球進行觀察(cha)(cha)。經(jing)過幾位天文學(xue)家的觀察(cha)(cha)記錄，到開(kai)普勒時，他對這些觀測結果進行了分析總結，得(de)到開(kai)普勒三大定(ding)律(lv)：
1.所有行星都繞太陽做橢圓(yuan)運行，太陽在所有橢圓(yuan)的(de)公共焦點上。
2.行(xing)星(xing)的向徑(jing)在相等的時間內掃過相等的面(mian)積。
3.所有行星軌道半(ban)長軸(zhou)的(de)三次方跟公轉周期的(de)二次方的(de)比值都相等，即(ji)r^3/T^2=k。
開(kai)普勒(le)三定律(lv)是不(bu)容置疑的(de)，但為什么會這樣(yang)呢？是什么讓它們做加速度非零的(de)運(yun)動(dong)？牛頓(dun)經過研(yan)究思考(kao)解決了這個(ge)問題：物體(ti)之間存在萬有引力(li)。當然他發現(xian)萬有引力(li)定量是一個(ge)漫長而曲折的(de)過程(cheng)。
2.個人原因：牛(niu)頓發(fa)現萬(wan)有引力(li)定律，雖然是科學(xue)發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)要(yao)求，生產力(li)發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)原因，但我們不能忽略牛(niu)頓本人的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)些(xie)(xie)因素(su)：聰明勤(qin)于(yu)思考 擁有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)知識量。據《物理學(xue)史》說(shuo)：牛(niu)頓在(zai)(zai)發(fa)現萬(wan)有引力(li)定律的(de)(de)(de)那(nei)一(yi)(yi)(yi)段時間，廢寢忘食（每天魂不守(shou)舍(she)，在(zai)(zai)食堂吃飯(fan)，飯(fan)碗在(zai)(zai)前，他在(zai)(zai)發(fa)呆。去食堂吃飯(fan)，卻走錯了方向。一(yi)(yi)(yi)些(xie)(xie)老師在(zai)(zai)校(xiao)園后的(de)(de)(de)沙(sha)灘上(shang)散步時，看見了一(yi)(yi)(yi)些(xie)(xie)古怪(guai)的(de)(de)(de)算(suan)式和符號）。1669年，他年僅27歲，就擔任(ren)了劍橋的(de)(de)(de)數學(xue)教(jiao)授。還有1672年當選為英國皇家(jia)學(xue)會(hui)會(hui)員。
過程
1666年，23歲的牛頓還是劍橋大學(xue)圣三一學(xue)院三年級的學(xue)生。看到他白皙的皮膚和金色(se)的長發(fa)，很多人以為他還是個(ge)孩子(zi)。他身體(ti)瘦小，沉默寡(gua)言(yan)，性格(ge)嚴肅，這使人們更加相(xiang)信他還是個(ge)孩子(zi)。他那(nei)雙銳利的眼(yan)睛和整天(tian)寫(xie)滿怒氣(qi)的表情更是拒人于千里之外。
黑死病席(xi)卷了(le)倫敦，奪(duo)走了(le)很(hen)多人的生(sheng)命，那確實是段可怕的日子。大學被(bei)迫(po)關閉(bi)，像艾(ai)薩克·牛頓這(zhe)樣熱衷(zhong)于學術的人只好返回安全的鄉村，期待著(zhu)席(xi)卷城市的病魔早日離去。
在鄉村的(de)日子里，牛(niu)頓一直被這(zhe)樣的(de)問題困(kun)惑：是(shi)什么(me)力量驅使月(yue)球圍(wei)(wei)繞(rao)(rao)地(di)(di)球轉(zhuan)，地(di)(di)球圍(wei)(wei)繞(rao)(rao)太陽(yang)轉(zhuan)？牛(niu)頓首次(ci)認為(wei)，重力不僅僅是(shi)行星和恒星之(zhi)間的(de)作用力，有(you)可(ke)能(neng)是(shi)普遍存在的(de)吸(xi)(xi)引(yin)力。他(ta)深信煉金術，認為(wei)物(wu)質之(zhi)間相互吸(xi)(xi)引(yin)，這(zhe)使他(ta)斷(duan)言，相互吸(xi)(xi)引(yin)力不但適(shi)用于碩大(da)的(de)天體之(zhi)間，而且適(shi)用于各種體積的(de)物(wu)體之(zhi)間。蘋果落(luo)地(di)(di)、雨滴降落(luo)和行星沿著軌(gui)道圍(wei)(wei)繞(rao)(rao)太陽(yang)運行都是(shi)重力作用的(de)結果。
人們(men)普遍認為，適用于地(di)球的(de)自然(ran)定(ding)律(lv)與太空中的(de)定(ding)律(lv)大相徑庭。牛頓的(de)萬有引力(li)定(ding)律(lv)沉重打擊了這一觀點(dian)，它告訴人們(men)，支配自然(ran)和宇宙(zhou)的(de)法則是(shi)很(hen)簡單的(de)。
牛頓推動了引力定律的發展，指出萬有引力不僅僅是星體的特征，也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學定律之一，萬有引力定律及其數學公式已成為整個物理學(xue)的(de)基石。
當(dang)然，當(dang)時牛頓提出(chu)(chu)了(le)萬有引(yin)(yin)力理論(lun)，卻(que)未能(neng)得出(chu)(chu)萬有引(yin)(yin)力的(de)公式(shi)，因(yin)為公式(shi)中的(de)“G”實(shi)在(zai)太小了(le)，因(yin)此(ci)他提出(chu)(chu)：F∝mM/r2。直到1798年英國物理學家卡(ka)(ka)文迪許(xu)(xu)利用著名的(de)卡(ka)(ka)文迪許(xu)(xu)扭(niu)秤（即(ji)卡(ka)(ka)文迪許(xu)(xu)實(shi)驗）較精確地測出(chu)(chu)了(le)引(yin)(yin)力恒量的(de)數值(zhi)。
牛(niu)頓并不是發現了(le)重力，他是發現重力是“萬有”的(de)。每(mei)個(ge)物(wu)體(ti)(ti)都會吸(xi)引(yin)其他物(wu)體(ti)(ti)，而這股引(yin)力的(de)大小只跟物(wu)體(ti)(ti)的(de)質量(liang)與(yu)物(wu)體(ti)(ti)間的(de)距離有關。牛(niu)頓的(de)萬有引(yin)力定律(lv)說明，每(mei)一個(ge)物(wu)體(ti)(ti)都吸(xi)引(yin)著(zhu)其他每(mei)一個(ge)物(wu)體(ti)(ti)，而兩個(ge)物(wu)體(ti)(ti)間的(de)引(yin)力大小，正(zheng)比于這它們的(de)質量(liang)，會隨著(zhu)兩物(wu)體(ti)(ti)中心連線距離的(de)平方而遞減(jian)。
牛頓為了證明只(zhi)有(you)(you)球(qiu)形體可把(ba)“球(qiu)的(de)(de)(de)(de)總(zong)質(zhi)量(liang)集中到(dao)(dao)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)心點”來代表整個球(qiu)的(de)(de)(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)力作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)總(zong)效(xiao)果(guo)而(er)發(fa)展了微積分。然而(er)不管(guan)距離地球(qiu)多(duo)遠，地球(qiu)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)力永(yong)遠不會(hui)變成零，即使你被帶到(dao)(dao)宇宙的(de)(de)(de)(de)邊緣，地球(qiu)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)力還(huan)是會(hui)作(zuo)用(yong)到(dao)(dao)你身上，雖然地球(qiu)重(zhong)力的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)可能(neng)會(hui)被你附近(jin)質(zhi)量(liang)巨大的(de)(de)(de)(de)物(wu)體所掩蓋，但它還(huan)是存在。不管(guan)是多(duo)小還(huan)是多(duo)遠，每一個物(wu)體都會(hui)受到(dao)(dao)引(yin)力作(zuo)用(yong)，而(er)且遍(bian)布整個太空，正如我們所說的(de)(de)(de)(de)“萬有(you)(you)”。
萬(wan)有(you)引力(li)(li)(li)(li)(li)是任意兩個物體或兩個粒(li)(li)子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)與其質(zhi)量乘積相關的(de)(de)(de)吸引力(li)(li)(li)(li)(li)，自然界中最普(pu)遍的(de)(de)(de)力(li)(li)(li)(li)(li)，簡稱(cheng)引力(li)(li)(li)(li)(li)。在(zai)(zai)粒(li)(li)子(zi)(zi)物理(li)學(xue)中則(ze)稱(cheng)引力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)強力(li)(li)(li)(li)(li)、弱(ruo)力(li)(li)(li)(li)(li)、電磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)(li)(li)合稱(cheng)4種(zhong)基本相互作用(yong)。引力(li)(li)(li)(li)(li)是其中最弱(ruo)的(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)，兩個質(zhi)子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引力(li)(li)(li)(li)(li)只有(you)它們間的(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)1/10，質(zhi)子(zi)(zi)受地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)引力(li)(li)(li)(li)(li)也只有(you)它在(zai)(zai)一(yi)個不(bu)(bu)強的(de)(de)(de)電場1000伏/米(mi)的(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)1/10。因(yin)此研究粒(li)(li)子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)作用(yong)或粒(li)(li)子(zi)(zi)在(zai)(zai)電子(zi)(zi)顯微(wei)鏡和(he)加速器中運動時，都不(bu)(bu)考(kao)慮萬(wan)有(you)引力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)作用(yong)。
一般物(wu)(wu)體(ti)之間的(de)(de)引(yin)(yin)力也(ye)是(shi)很(hen)小(xiao)的(de)(de)，例如兩(liang)個(ge)直(zhi)徑(jing)為(wei)1米的(de)(de)鐵球(qiu)，緊靠在一起(qi)時，引(yin)(yin)力也(ye)只有1.14×10-3牛頓，相當于0.03克的(de)(de)一小(xiao)滴水的(de)(de)重量。但地球(qiu)的(de)(de)質量很(hen)大(da)，這兩(liang)個(ge)鐵球(qiu)分別受到4×102牛頓的(de)(de)地球(qiu)引(yin)(yin)力，所以研究物(wu)(wu)體(ti)在地球(qiu)引(yin)(yin)力場中的(de)(de)運動時，通常都不考慮周圍其他物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)引(yin)(yin)力。天(tian)體(ti)如太陽(yang)和(he)(he)地球(qiu)的(de)(de)質量都很(hen)大(da)，乘(cheng)積就更大(da)，巨(ju)大(da)的(de)(de)引(yin)(yin)力就能使龐然大(da)物(wu)(wu)繞太陽(yang)轉(zhuan)動。引(yin)(yin)力就成(cheng)了支配天(tian)體(ti)運動的(de)(de)唯(wei)一的(de)(de)一種力。恒星的(de)(de)形成(cheng)，在高溫狀態下(xia)不彌散反而逐漸收縮，最后坍縮為(wei)白矮(ai)星、中子星和(he)(he)黑洞，也(ye)都是(shi)由(you)于引(yin)(yin)力的(de)(de)作用，因此(ci)引(yin)(yin)力也(ye)是(shi)促使天(tian)體(ti)演化的(de)(de)重要因素。
迄今為止，我們(men)已經知道，引力(li)(li)是(shi)一種(zhong)與時空基本結構(gou)緊密關聯的(de)普(pu)適力(li)(li)。應該視其(qi)為基本力(li)(li)。換句話說，我們(men)應該用(yong)引力(li)(li)來(lai)(lai)度(du)量其(qi)他(ta)東西，而不是(shi)用(yong)其(qi)他(ta)東西來(lai)(lai)度(du)量引力(li)(li)。因此，在絕(jue)對(dui)意義(yi)上來(lai)(lai)說，引力(li)(li)不是(shi)微弱的(de)——它本來(lai)(lai)就是(shi)這樣子的(de)。事實上，引力(li)(li)顯得如此之微弱一直(zhi)讓理論(lun)物(wu)理學界感到困惑。
萬有(you)引力、電(dian)磁力、強(qiang)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)力、弱相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)力這四種作(zuo)用(yong)(yong)力是基本(ben)力。它(ta)們(men)都是通(tong)過在(zai)粒(li)子(zi)之(zhi)間交換(huan)的(de)(de)(de)(de)一(yi)種“傳播(bo)子(zi)”實現的(de)(de)(de)(de)交互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)，這就像兩個人托(tuo)排球(qiu)，通(tong)過他(ta)們(men)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)排球(qiu)把他(ta)們(men)聯系在(zai)一(yi)起一(yi)樣。帶電(dian)粒(li)子(zi)之(zhi)間電(dian)磁相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)傳播(bo)子(zi)是質量為零、自旋為1的(de)(de)(de)(de)光子(zi)。 原來(lai)有(you)學者認為，核(he)子(zi)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)強(qiang)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)（核(he)力）是靠π介子(zi)傳遞的(de)(de)(de)(de)，但由于核(he)子(zi)和π介子(zi)都是由夸(kua)(kua)克(ke)(ke)組(zu)成的(de)(de)(de)(de)，所(suo)以歸根結底它(ta)們(men)是夸(kua)(kua)克(ke)(ke)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。
傳(chuan)(chuan)遞夸克之(zhi)間強相(xiang)互(hu)作用的(de)(de)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)(zi)稱為“膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)”。注意(yi)光子(zi)(zi)(zi)不(bu)(bu)帶(dai)(dai)電，且只有一種(zhong)，而(er)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)帶(dai)(dai)“色荷”，分為八種(zhong)不(bu)(bu)同的(de)(de)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)。不(bu)(bu)過它和(he)光子(zi)(zi)(zi)一樣，都是(shi)自旋(xuan)(xuan)為1的(de)(de)玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)。弱相(xiang)互(hu)作用的(de)(de)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)(zi)是(shi)“中(zhong)間玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)”，它的(de)(de)自旋(xuan)(xuan)也為1。有三種(zhong)帶(dai)(dai)電情況：把(ba)帶(dai)(dai)有正(zheng)負(fu)單(dan)位電荷的(de)(de)中(zhong)間玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)記為W+、W-，把(ba)不(bu)(bu)帶(dai)(dai)電的(de)(de)中(zhong)間玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)記為Z。1983年歐(ou)洲核子(zi)(zi)(zi)研(yan)究(jiu)中(zhong)心的(de)(de)盧比亞和(he)范(fan)德(de)梅爾(er)，在質(zhi)子(zi)(zi)(zi)-反質(zhi)子(zi)(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機實驗中(zhong)發現了這三種(zhong)中(zhong)間玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)，第二年即獲得諾貝爾(er)獎(jiang)。
在現代物理學(xue)中，能(neng)量(liang)概念(nian)比(bi)質(zhi)量(liang)概念(nian)更(geng)具(ju)有核(he)心(xin)地(di)(di)位。這表現在許(xu)多(duo)方(fang)面。真(zhen)正守恒的(de)是能(neng)量(liang)而非質(zhi)量(liang)。出現在各類基本方(fang)程，如統計(ji)力(li)學(xue)的(de)波爾茲曼方(fang)程，量(liang)子(zi)力(li)學(xue)的(de)薛定諤方(fang)程和關于(yu)引力(li)的(de)愛(ai)因斯坦方(fang)程等方(fang)程中也是能(neng)量(liang)。而質(zhi)量(liang)似乎更(geng)多(duo)地(di)(di)與技術途徑相聯系(xi)，例如作為龐加(jia)萊群不可約表示的(de)符號。
因(yin)此，愛因(yin)斯坦(tan)方程提出(chu)了一項挑戰。如(ru)果能夠用能量來解釋質量，這將有助(zhu)于改(gai)進(jin)科學家們對于世界(jie)的(de)描(miao)述(shu)，這樣，構建世界(jie)所需要的(de)構件可(ke)能變(bian)得更少。
借助(zhu)于愛因斯(si)坦定律，我們可以更好(hao)地解決或(huo)者回(hui)答牛頓所未曾解決的問題：什(shen)么是質(zhi)量的起源？引力與其他基(ji)本力之間到底有什(shen)么關聯？
問題1：如果E=mc2，那(nei)么(me)，質量(liang)正(zheng)比于能(neng)(neng)量(liang)。因(yin)此(ci)如果能(neng)(neng)量(liang)守(shou)恒，是不是意(yi)味著質量(liang)也守(shou)恒？然(ran)而，愛因(yin)斯坦的(de)方程只能(neng)(neng)運用到靜止的(de)孤立的(de)物(wu)體(ti)上。一般來說，兩(liang)個物(wu)體(ti)相互作用時，能(neng)(neng)量(liang)和質量(liang)不成正(zheng)比。E=mc2根(gen)本不適用。
問題2：用(yong)無質量(liang)的(de)(de)構件搭建起(qi)來的(de)(de)物體(ti)如(ru)何感知引(yin)力(li)？牛(niu)頓定律說物體(ti)受到(dao)的(de)(de)引(yin)力(li)與質量(liang)成正比(bi)，但事實上，通常被認為是零質量(liang)的(de)(de)光子(zi)(zi)卻(que)會(hui)受到(dao)引(yin)力(li)的(de)(de)作用(yong)而發生彎曲。這是1919年為嚴驗證(zheng)(zheng)在愛(ai)因斯坦(tan)廣義相對論(lun)所(suo)(suo)提出(chu)的(de)(de)假(jia)設進行的(de)(de)一次科學(xue)實觀測所(suo)(suo)證(zheng)(zheng)實了的(de)(de)。那么這是否意味著光子(zi)(zi)質量(liang)非零還是牛(niu)頓引(yin)力(li)定律缺(que)少普適性(xing)？
光(guang)的(de)(de)問題是(shi)一個(ge)值得重(zhong)視的(de)(de)首要性問題。《圣(sheng)(sheng)經·創世紀》中(zhong)上帝在(zai)造物的(de)(de)第一日所(suo)創造之物便是(shi)光(guang)，上帝在(zai)圣(sheng)(sheng)經中(zhong)也多次(ci)把光(guang)當成(cheng)自(zi)己的(de)(de)化身。光(guang)是(shi)“所(suo)有事物”中(zhong)最(zui)重(zhong)要的(de)(de)元素，當然它(ta)截然不同于原(yuan)子。人們本(ben)能地認為光(guang)是(shi)與物質(zhi)完全不同的(de)(de)另一類東西，是(shi)非物質(zhi)的(de)(de)甚至(zhi)是(shi)精神(shen)層面的(de)(de)，這很自(zi)然。
光(guang)(guang)(guang)也的(de)(de)確表現出完全不(bu)同(tong)于(yu)可觸摸物質(zhi)的(de)(de)特性——后(hou)者是(shi)(shi)那種你(ni)踢一下就會傷著腳趾(zhi)頭或者是(shi)(shi)流過(guo)吹過(guo)你(ni)身(shen)邊的(de)(de)東西。如果你(ni)要跟費恩曼(man)例子(zi)里的(de)(de)災后(hou)遺(yi)民(min)講(jiang)授物理(li)學，你(ni)大可告(gao)訴(su)他(ta)們(men)，光(guang)(guang)(guang)是(shi)(shi)物質(zhi)的(de)(de)另一種形式，他(ta)們(men)也會理(li)解(jie)。你(ni)甚至可以告(gao)訴(su)他(ta)們(men)，光(guang)(guang)(guang)是(shi)(shi)由(you)粒子(zi)——光(guang)(guang)(guang)子(zi)——組(zu)成(cheng)的(de)(de)。光(guang)(guang)(guang)子(zi)在真空中運動速(su)度(du)(du)很大，但是(shi)(shi)在超(chao)導狀(zhuang)態下，光(guang)(guang)(guang)運行的(de)(de)速(su)度(du)(du)很慢，大體(ti)跟目(mu)前世界(jie)跑得最快的(de)(de)奧運會短跑冠軍的(de)(de)速(su)度(du)(du)相近，而(er)且，光(guang)(guang)(guang)子(zi)在這種狀(zhuang)態下也具有了質(zhi)量。
其次，值(zhi)得提(ti)及的(de)(de)(de)是(shi)原子(zi)(zi)(zi)不(bu)是(shi)故(gu)事(shi)的(de)(de)(de)結(jie)束，它(ta)們是(shi)由更基(ji)本的(de)(de)(de)構(gou)件(jian)組成(cheng)的(de)(de)(de)。因為所(suo)有(you)的(de)(de)(de)物質(zhi)都能發光(guang)，所(suo)以我(wo)們可以假設所(suo)有(you)的(de)(de)(de)物質(zhi)都是(shi)由原子(zi)(zi)(zi)和(he)光(guang)子(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)。原子(zi)(zi)(zi)是(shi)由原子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)。原子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)很小，其大小大約(yue)為原子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)10萬分之一，但(dan)它(ta)卻包含所(suo)有(you)的(de)(de)(de)正電(dian)荷和(he)構(gou)成(cheng)了幾乎所(suo)有(you)的(de)(de)(de)質(zhi)量。沿(yan)此(ci)思路(lu)走下去，我(wo)們將(jiang)很快(kuai)將(jiang)費恩(en)曼故(gu)事(shi)中災后遺(yi)民引領(ling)到正確理(li)解科學的(de)(de)(de)化學和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)學的(de)(de)(de)道(dao)路(lu)上來(lai)，從而重建我(wo)們的(de)(de)(de)世(shi)界。原子(zi)(zi)(zi)因為原子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)之間的(de)(de)(de)電(dian)性吸引而保(bao)持(chi)穩定。最后，原子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)又由質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)組成(cheng)。原子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)卻由另一種力(li)來(lai)維持(chi)，這(zhe)種力(li)要(yao)比電(dian)性力(li)強大很多(duo)，但(dan)作用的(de)(de)(de)距離卻很短。這(zhe)種對于物質(zhi)認識狀態，大約(yue)是(shi)1935年前(qian)后的(de)(de)(de)情形。而我(wo)們所(suo)了解的(de)(de)(de)當(dang)然(ran)要(yao)大大跨越這(zhe)一時期的(de)(de)(de)知識水(shui)準。
1932年，詹姆斯·查德(de)威克發(fa)現(xian)(xian)了(le)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)(ge)里程碑。在查德(de)威克的(de)(de)發(fa)現(xian)(xian)之后，理(li)解原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)(de)道路似乎變(bian)得通暢(chang)了(le)。人們(men)(men)認為原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)(de)構(gou)件已被發(fa)現(xian)(xian)，它(ta)們(men)(men)就(jiu)是(shi)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這(zhe)是(shi)兩種重(zhong)量近似的(de)(de)的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，而且有著類似的(de)(de)強相互作(zuo)用。質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)最明顯的(de)(de)差別就(jiu)是(shi)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)帶正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)，而中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)呈電(dian)(dian)中(zhong)(zhong)性。此外，孤立(li)的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不穩定，大約(yue)會(hui)在15分鐘的(de)(de)壽命(ming)期限內衰變(bian)成一(yi)個(ge)(ge)(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（加一(yi)個(ge)(ge)(ge)正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)和(he)一(yi)個(ge)(ge)(ge)中(zhong)(zhong)微子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)）。將(jiang)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)簡單相加，你(ni)就(jiu)可以(yi)得到不同電(dian)(dian)荷(he)(he)數和(he)質(zhi)量的(de)(de)模型原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)，它(ta)與已知(zhi)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)基本相符。
牛頓(dun)在1704年發(fa)表的《光學》一(yi)書中，這樣表述了他(ta)對物質的終極性質的設想：
“在我看來，事實(shi)上(shang)可(ke)(ke)能是(shi)，上(shang)帝開始造物的(de)時(shi)(shi)，將物質做(zuo)成(cheng)了結實(shi)、沉(chen)重、堅(jian)硬(ying)、不可(ke)(ke)入但可(ke)(ke)運動的(de)微粒(li)，其大(da)小(xiao)、形狀和(he)其它(ta)一些(xie)屬性以及(ji)空間上(shang)的(de)比(bi)例都(dou)(dou)恰(qia)好有(you)助于他實(shi)現創造它(ta)們(men)的(de)目(mu)的(de)。由于這些(xie)原始微粒(li)是(shi)些(xie)固(gu)體，所以它(ta)們(men)比(bi)任何(he)由它(ta)們(men)合成(cheng)的(de)多孔的(de)物體都(dou)(dou)要堅(jian)固(gu)得無可(ke)(ke)比(bi)擬。它(ta)們(men)甚至堅(jian)硬(ying)得永遠不會(hui)磨損或破裂，沒有(you)任何(he)普通的(de)力量能把上(shang)帝在他第一次(ci)創世時(shi)(shi)他自己造出來的(de)東西分開。”
物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)科學(xue)實質(zhi)(zhi)，其不可(ke)再分的(de)(de)核心(xin)是(shi)質(zhi)(zhi)量。質(zhi)(zhi)量規定了物(wu)質(zhi)(zhi)反抗運動(dong)的(de)(de)能力，也(ye)就是(shi)它的(de)(de)慣性。質(zhi)(zhi)量是(shi)不變(bian)的(de)(de)，即具(ju)有“保守性”。它可(ke)以(yi)從(cong)一個物(wu)體轉(zhuan)移到另一個物(wu)體，但是(shi)永遠(yuan)不會增(zeng)生或被(bei)消滅(mie)。對于牛頓來說(shuo)，質(zhi)(zhi)量定義(yi)了物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)多少。在(zai)牛頓物(wu)理學(xue)中，質(zhi)(zhi)量提供了力和(he)運動(dong)以(yi)及(ji)引力源之(zhi)間聯系的(de)(de)橋梁(liang)。而(er)在(zai)拉瓦錫看(kan)來，質(zhi)(zhi)量的(de)(de)穩定性及(ji)其精確的(de)(de)守恒性，則(ze)構(gou)成(cheng)了化學(xue)的(de)(de)基礎(chu)和(he)富有成(cheng)果(guo)的(de)(de)發(fa)現指南。
我們在(zai)化學的(de)(de)(de)經驗表明，對所有這些復(fu)雜性(xing)給予(yu)解(jie)釋是可能的(de)(de)(de)。也許(xu)質(zhi)子(zi)(zi)、中子(zi)(zi)和其它強子(zi)(zi)不是基本粒子(zi)(zi)。它們也許(xu)是由性(xing)質(zhi)更為簡單的(de)(de)(de)更為基本的(de)(de)(de)對象構成。
事實上(shang)，如果(guo)我(wo)們針對原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和分子(zi)(zi)水(shui)平(ping)上(shang)做(zuo)在(zai)(zai)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)水(shui)平(ping)上(shang)做(zuo)的(de)(de)(de)(de)散射實驗，來研究原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和分子(zi)(zi)在(zai)(zai)近(jin)距(ju)離碰撞下會(hui)發生什么，我(wo)們會(hui)得(de)到同(tong)樣復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)結果(guo)：重新分布的(de)(de)(de)(de)分子(zi)(zi)和碎(sui)裂而成的(de)(de)(de)(de)類新型分子(zi)(zi)（或處于激(ji)發態的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)、離子(zi)(zi)或自(zi)由基），換(huan)句話(hua)說，得(de)到的(de)(de)(de)(de)各種化學反(fan)應。服從簡單的(de)(de)(de)(de)力定律的(de)(de)(de)(de)只(zhi)是(shi)基本的(de)(de)(de)(de)電子(zi)(zi)與原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)，而由多個電子(zi)(zi)和原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)組成的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和分子(zi)(zi)則不。而且在(zai)(zai)亞(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)粒子(zi)(zi)情(qing)形(xing)下，質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量也不守恒。如果(guo)你(ni)將(jiang)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)轟擊得(de)足夠致(zhi)密，你(ni)就(jiu)會(hui)發現得(de)到的(de)(de)(de)(de)是(shi)更(geng)多的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)，有(you)時(shi)還會(hui)伴有(you)其(qi)它(ta)強子(zi)(zi)。一(yi)個典型的(de)(de)(de)(de)情(qing)形(xing)是(shi)，讓兩個高能(neng)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)相互碰撞，得(de)到卻是(shi)3個質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)，一(yi)個反(fan)中子(zi)(zi)和若干個介子(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)總質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量會(hui)大(da)于反(fan)應前兩個質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量之(zhi)和。
光沒有(you)質(zhi)量(liang)。光不(bu)用推動就可(ke)以產生(sheng)巨大(da)的速(su)度從光源(yuan)傳(chuan)遞(di)到(dao)接(jie)受器。光很容(rong)易就可(ke)以產生(sheng)（發射）或湮沒（被吸(xi)收）。光也(ye)不(bu)具備引力(li)那樣的拉力(li)。但光有(you)能(neng)量(liang)，能(neng)輕而(er)易舉(ju)地被轉化并儲藏起來，例如(ru)植物(wu)的葉綠(lv)素在光合作用下，可(ke)以把空氣中的二(er)氧化碳和植物(wu)根(gen)系吸(xi)收的水分、礦物(wu)質(zhi)轉換成多糖、氨(an)基(ji)酸或纖維素的化學鍵(jian)里。在元素周(zhou)期表我(wo)們找(zhao)不(bu)到(dao)光的位置，而(er)這個周(zhou)期表里分布(bu)都是構(gou)成物(wu)質(zhi)的各(ge)種構(gou)件。
在近代科(ke)學誕生前(qian)的(de)幾百年以(yi)及誕生后的(de)兩個半世紀(ji)里，實在分為物質(zhi)和光(guang)(guang)(guang)似(si)乎(hu)是不言自明(ming)的(de)。物質(zhi)有(you)(you)質(zhi)量(liang)且(qie)守(shou)恒，光(guang)(guang)(guang)沒(mei)有(you)(you)質(zhi)量(liang)。如果(guo)有(you)(you)質(zhi)量(liang)物質(zhi)和無質(zhi)量(liang)的(de)光(guang)(guang)(guang)始終(zhong)彼此隔(ge)絕，那么物理世界就始終(zhong)無法實現統一(yi)的(de)描(miao)述。
在(zai)20世(shi)(shi)紀的(de)前半葉，相(xiang)對論和(he)量(liang)子(zi)物(wu)(wu)理(li)學(xue)(xue)的(de)出現(xian)摧(cui)毀了經(jing)典物(wu)(wu)理(li)學(xue)(xue)的(de)基(ji)礎(chu)。現(xian)存(cun)的(de)物(wu)(wu)質和(he)光的(de)理(li)論幾同廢(fei)墟。這(zhe)一(yi)創新(xin)性的(de)破(po)壞過程，使得物(wu)(wu)理(li)學(xue)(xue)家有可能在(zai)20世(shi)(shi)紀的(de)下半葉建造起一(yi)個新(xin)的(de)更(geng)深刻的(de)物(wu)(wu)質-光理(li)論，它將徹底破(po)除自古以(yi)來對兩(liang)者分離的(de)認識。新(xin)的(de)理(li)論認為，世(shi)(shi)界是建立在(zai)充滿(man)以(yi)太的(de)多層級(ji)空間基(ji)礎(chu)上(shang)的(de)。這(zhe)里借用的(de)“以(yi)太”雖然(ran)是十(shi)(shi)七世(shi)(shi)紀的(de)哲(zhe)學(xue)(xue)家笛卡爾的(de)概念，在(zai)十(shi)(shi)九世(shi)(shi)紀時麥克斯韋則稱之為“場”，而(er)在(zai)1970年代中(zhong)，維爾切克則將其稱之為“網格”。
新的(de)(de)(de)世界模(mo)型盡管看起來(lai)有(you)(you)點稀奇古(gu)怪(guai)，但卻(que)非常成功而且精(jing)確。它為我們提供(gong)了對普通(tong)物質(zhi)質(zhi)量起源的(de)(de)(de)新認識。簡單來(lai)說(shuo)，物質(zhi)的(de)(de)(de)出(chu)現于相(xiang)對論(lun)(lun)(lun)、量子(zi)(zi)場論(lun)(lun)(lun)和(he)色動力學(xue)均有(you)(you)關(guan)系——后者是研(yan)究(jiu)支配夸克和(he)膠子(zi)(zi)行為特(te)有(you)(you)規律(lv)的(de)(de)(de)學(xue)問。如(ru)果不深入了解(jie)并熟(shu)悉(xi)地運用這些(xie)概念，我們就無法理解(jie)質(zhi)量的(de)(de)(de)起源。而且迄(qi)今(jin)為止，量子(zi)(zi)場論(lun)(lun)(lun)和(he)色動力學(xue)仍然是活躍的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)，還有(you)(you)許許多多的(de)(de)(de)問題(ti)有(you)(you)待解(jie)決。
不久(jiu)以前(qian)，人們曾經認(ren)為普通(tong)(tong)物(wu)質的基本構件就(jiu)是(shi)(shi)質子(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)。之后，科(ke)學家們又發現，普通(tong)(tong)物(wu)質的基本構件——質子(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)——內有些小東西。這些小東西叫做夸克和(he)膠(jiao)子(zi)(zi)。當然(ran)，知道它們的名(ming)字并不等于(yu)告(gao)訴我們他們是(shi)(shi)什么，正如莎士比亞筆下(xia)的羅密歐所解釋(shi)的那(nei)樣：
“名字有(you)什么意義？我們叫做(zuo)玫瑰的東西，換個名字，還是一樣的香艷(yan)。”
但是，如果夸(kua)克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)(zi)只是物質內部(bu)永無止境的(de)(de)(de)(de)復雜結(jie)構的(de)(de)(de)(de)又一(yi)(yi)層級(ji)，那么它們的(de)(de)(de)(de)名字(zi)只不過提供一(yi)(yi)種(zhong)讓(rang)人(ren)(ren)們炫(xuan)耀的(de)(de)(de)(de)非流行語詞(ci)。然而夸(kua)克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)(zi)并不“只是又一(yi)(yi)層級(ji)”。在(zai)膠(jiao)子(zi)(zi)本身被發現(xian)之前，人(ren)(ren)們已(yi)經發現(xian)了描(miao)述(shu)膠(jiao)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)。1954年(nian)楊(yang)振寧和(he)羅伯特·米爾斯(si)發現(xian)作為(wei)電動力學(xue)的(de)(de)(de)(de)麥克(ke)斯(si)韋方(fang)程(cheng)組(zu)自(zi)然數學(xue)推(tui)廣的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)類方(fang)程(cheng)組(zu)，表明麥克(ke)斯(si)韋方(fang)程(cheng)組(zu)的(de)(de)(de)(de)自(zi)然數學(xue)推(tui)廣方(fang)程(cheng)組(zu)支持所有已(yi)知荷(he)(he)的(de)(de)(de)(de)對(dui)稱(cheng)性，而在(zai)楊(yang)-米爾斯(si)方(fang)程(cheng)組(zu)基礎(chu)上由(you)大(da)衛·格羅斯(si)和(he)弗(fu)蘭克(ke)·維爾切克(ke)于1973年(nian)推(tui)導出了適用于現(xian)實世(shi)界中(zhong)強(qiang)相互作用膠(jiao)子(zi)(zi)方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)使用了三(san)種(zhong)“荷(he)(he)”。出現(xian)在(zai)強(qiang)相互作用理論中(zhong)的(de)(de)(de)(de)這三(san)種(zhong)荷(he)(he)通(tong)常稱(cheng)為(wei)色荷(he)(he)，或簡(jian)稱(cheng)為(wei)荷(he)(he)。
在(zai)(zai)20世紀60年代初(chu)，實(shi)(shi)驗者發(fa)現(xian)了幾十種強子(zi)(zi)(zi)(zi)，它(ta)們的(de)(de)質(zhi)量(liang)、壽命和固有的(de)(de)自旋均不相(xiang)同。其(qi)中，希(xi)格斯玻色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)物(wu)理學標準(zhun)模型預言的(de)(de)一種自旋為零的(de)(de)玻色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)，至今尚未在(zai)(zai)實(shi)(shi)驗中觀(guan)察到。它(ta)也是(shi)(shi)標準(zhun)模型中最(zui)后一種未被(bei)發(fa)現(xian)的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)。物(wu)理學家希(xi)格斯提出了希(xi)格斯機(ji)制。在(zai)(zai)此機(ji)制中，希(xi)格斯場引起自發(fa)對(dui)稱(cheng)性破缺，并將質(zhi)量(liang)賦(fu)予規范傳播子(zi)(zi)(zi)(zi)和費(fei)米(mi)子(zi)(zi)(zi)(zi)。希(xi)格斯粒子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)希(xi)格斯場的(de)(de)場量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化激發(fa)，它(ta)通(tong)過自相(xiang)互作用而獲得(de)質(zhi)量(liang)。2012年7月(yue)2日，美國(guo)能源部下屬的(de)(de)費(fei)米(mi)國(guo)家加速器實(shi)(shi)驗室(shi)宣布(bu)，該實(shi)(shi)驗室(shi)最(zui)新數(shu)據接近證明被(bei)稱(cheng)為“上帝粒子(zi)(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)希(xi)格斯玻色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)(zai)。2013年3月(yue)14日，歐洲核子(zi)(zi)(zi)(zi)研究組織發(fa)布(bu)新聞稿表示，先前(qian)探測到的(de)(de)新粒子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)希(xi)格斯玻色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)。
在粒(li)子(zi)物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)(li)學里，標準(zhun)(zhun)模型是(shi)一種被廣泛接受的(de)(de)框架(jia)，可以描述強力、弱(ruo)力及電(dian)磁(ci)力這(zhe)三種基(ji)(ji)本力及組成所有(you)物(wu)(wu)(wu)(wu)質的(de)(de)基(ji)(ji)本粒(li)子(zi)。由于基(ji)(ji)本粒(li)子(zi)和基(ji)(ji)本力形(xing)成了(le)物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)(li)世(shi)界，所以，除了(le)引力以外，標準(zhun)(zhun)模型可以合理(li)(li)解(jie)釋這(zhe)世(shi)界中的(de)(de)大多(duo)數(shu)物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)(li)現(xian)象。最初(chu)，標準(zhun)(zhun)模型所倚賴的(de)(de)規(gui)范場論(lun)禁止基(ji)(ji)本粒(li)子(zi)擁有(you)質量，這(zhe)很明顯地顯示出(chu)(chu)初(chu)始模型不(bu)夠完全。后來，物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)(li)學者研究(jiu)出(chu)(chu)一種機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)，能夠利(li)用對稱性破缺(que)來賦予基(ji)(ji)本粒(li)子(zi)質量，同時又不(bu)會抵(di)觸到規(gui)范場論(lun)。這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)被稱為希(xi)格斯機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)。在所有(you)解(jie)釋質量起源的(de)(de)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)之中，希(xi)格斯機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)最簡單(dan)、最被認可的(de)(de)一種。物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)(li)學者已(yi)完成了(le)很多(duo)實(shi)驗，并確實(shi)偵(zhen)測到這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)引發(fa)的(de)(de)許多(duo)種效應(ying)，但(dan)是(shi)他們不(bu)確切了(le)解(jie)這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)到底(di)是(shi)怎(zen)么一回事。
標(biao)準(zhun)模型(xing)給出了自然界四種(zhong)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)中的電磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和(he)弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)的統一描述，但(dan)是(shi)在能量低(di)于(yu)一定條件后(hou)，電磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和(he)弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)將呈現為(wei)不同(tong)的相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，這被稱為(wei)電弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)的對稱性自發破缺。希格(ge)斯(si)粒子就是(shi)在標(biao)準(zhun)模型(xing)解釋電弱(ruo)對稱性自發破缺的機制時引入的。
根據標準模(mo)型理論(lun)，宇宙(zhou)空(kong)(kong)間中(zhong)的各(ge)處，無(wu)論(lun)是真空(kong)(kong)中(zhong)還(huan)是空(kong)(kong)氣中(zhong)，甚至是物(wu)質(zhi)(zhi)的內部，都充滿了希(xi)格(ge)(ge)斯粒(li)子(zi)(zi)（希(xi)格(ge)(ge)斯場）。希(xi)格(ge)(ge)斯粒(li)子(zi)(zi)被認(ren)為是生成基本(ben)粒(li)子(zi)(zi)的“質(zhi)(zhi)量(liang)”之源。雖(sui)然質(zhi)(zhi)量(liang)總(zong)是與“重(zhong)量(liang)”聯系(xi)在一(yi)起，但嚴格(ge)(ge)說(shuo)起來是不(bu)一(yi)樣的。質(zhi)(zhi)量(liang)應該是反映“改變加速度(du)的難易(yi)程(cheng)度(du)”的物(wu)理量(liang)。
為什么有(you)些(xie)基本(ben)粒子具(ju)有(you)質量(liang)(liang)，而有(you)些(xie)基本(ben)粒子的(de)(de)(de)(de)質量(liang)(liang)為零？物理(li)學界仍(reng)在不停的(de)(de)(de)(de)探(tan)索中(zhong)。而更加令物理(li)學家們棘(ji)手的(de)(de)(de)(de)是(shi)，即(ji)使(shi)標準模型理(li)論解決了除引(yin)力外的(de)(de)(de)(de)另(ling)(ling)外三種(zhong)基本(ben)力的(de)(de)(de)(de)統(tong)一(yi)問(wen)題，但引(yin)力如何與其他三種(zhong)達(da)到大一(yi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)局面，仍(reng)然缺少一(yi)些(xie)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)中(zhong)間環節。另(ling)(ling)外，如果(guo)愛因斯坦提出的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)與質量(liang)(liang)交換方(fang)程(cheng)是(shi)普適而有(you)效的(de)(de)(de)(de)，那么，質量(liang)(liang)是(shi)否(fou)源(yuan)于能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)凝聚呢？
我們(men)(men)(men)知(zhi)道，原子(zi)中的電子(zi)可以(yi)有(you)不(bu)同(tong)的軌(gui)道形(xing)狀，其(qi)自旋可有(you)不(bu)同(tong)取向(xiang)，因此原子(zi)可有(you)許多不(bu)同(tong)能(neng)態。對(dui)這些(xie)可能(neng)的態的研究是原子(zi)光(guang)(guang)譜(pu)研究的重要內(nei)容。我們(men)(men)(men)常用原子(zi)光(guang)(guang)譜(pu)來揭示各種(zhong)不(bu)同(tong)的態是由什(shen)么決(jue)定(ding)的，來設計(ji)激光(guang)(guang)器以(yi)及(ji)許多其(qi)它事情。由于(yu)原子(zi)光(guang)(guang)譜(pu)本身的重要性以(yi)及(ji)它與夸(kua)克模(mo)型有(you)千絲萬縷的聯系，因此我們(men)(men)(men)得首先花點時間(jian)來說說光(guang)(guang)譜(pu)。
像火焰或者恒星大(da)氣這(zhe)樣的(de)熱氣體中就包含處(chu)于(yu)(yu)不同(tong)態(tai)的(de)原子(zi)(zi)。即使是(shi)(shi)原子(zi)(zi)核相同(tong)、電子(zi)(zi)數相同(tong)的(de)原子(zi)(zi)，其電子(zi)(zi)仍然可(ke)有(you)不同(tong)軌道或不同(tong)自旋取(qu)向。這(zhe)些態(tai)有(you)不同(tong)的(de)能(neng)量(liang)。高能(neng)態(tai)可(ke)衰變到(dao)底能(neng)態(tai)并發光(guang)(guang)(guang)。由于(yu)(yu)能(neng)量(liang)總體上是(shi)(shi)守恒的(de)，因此發出(chu)(chu)的(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)通(tong)過其顏色(se)來獲(huo)知，這(zhe)個能(neng)量(liang)反映(ying)了初(chu)態(tai)和(he)終態(tai)之間的(de)能(neng)量(liang)差。每一種原子(zi)(zi)發出(chu)(chu)的(de)光(guang)(guang)(guang)都有(you)一套特征顏色(se)分布(bu)。氫原子(zi)(zi)發出(chu)(chu)的(de)光(guang)(guang)(guang)是(shi)(shi)一組顏色(se)條紋(wen)，氦原子(zi)(zi)發射的(de)光(guang)(guang)(guang)澤是(shi)(shi)完全(quan)不同(tong)的(de)另一組顏色(se)條紋(wen)，等等。物理學家(jia)和(he)化學家(jia)將這(zhe)種顏色(se)分布(bu)成為原子(zi)(zi)頻譜(pu)。原子(zi)(zi)的(de)頻譜(pu)起(qi)著標識該原子(zi)(zi)特征的(de)作用(yong)，可(ke)以用(yong)來識別原子(zi)(zi)。當(dang)你(ni)讓光(guang)(guang)(guang)線通(tong)過棱鏡從而使不同(tong)的(de)顏色(se)分開時(shi)，得到(dao)的(de)譜(pu)就相當(dang)于(yu)(yu)一套條碼。
原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光譜在構(gou)建原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)內部結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)方面(mian)曾經(jing)給予(yu)我們很多具體的(de)(de)指向。以(yi)此為基礎，我們再(zai)回到(dao)夸(kua)克(ke)(ke)模(mo)型(xing)上來(lai)。同(tong)(tong)樣的(de)(de)設想經(jing)過改造后再(zai)亞原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層面(mian)上依然有效。在原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層面(mian)上，電子(zi)(zi)(zi)兩個(ge)態(tai)之(zhi)間(jian)的(de)(de)能量(liang)差相對(dui)較(jiao)小，這個(ge)能量(liang)差從原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)總質(zhi)量(liang)來(lai)看顯得(de)微不(bu)足道(dao)。夸(kua)克(ke)(ke)模(mo)型(xing)的(de)(de)核心思想是，夸(kua)克(ke)(ke)“原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)”即(ji)強子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)態(tai)之(zhi)間(jian)的(de)(de)能差非常之(zhi)大，它們對(dui)確定強子(zi)(zi)(zi)質(zhi)量(liang)起著重要(yao)作用。根據愛因斯坦能量(liang)質(zhi)量(liang)交換公式推導出(chu)的(de)(de)m=E/c2，我們可以(yi)將不(bu)同(tong)(tong)質(zhi)量(liang)的(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)理解為不(bu)同(tong)(tong)軌道(dao)模(mo)式——即(ji)不(bu)同(tong)(tong)量(liang)子(zi)(zi)(zi)態(tai)——的(de)(de)夸(kua)克(ke)(ke)系統具有不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)能量(liang)。質(zhi)言(yan)之(zhi)，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光譜是供(gong)看的(de)(de)，強子(zi)(zi)(zi)譜澤(ze)是供(gong)稱量(liang)的(de)(de)。利用這一(yi)原(yuan)(yuan)理，蓋爾曼和茨威格(ge)證明(ming)了(le)，人們可以(yi)將觀(guan)測到(dao)的(de)(de)許(xu)多不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)解釋為幾個(ge)基本夸(kua)克(ke)(ke)“夸(kua)克(ke)(ke)”的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)態(tai)。
然(ran)而，難(nan)以置(zhi)信的是，盡管(guan)科學家們都非常渴望找(zhao)到單(dan)一(yi)的夸(kua)(kua)克(ke)粒子，結果卻屢屢失(shi)敗(bai)。迄今(jin)為(wei)止，人們沒有觀(guan)測到任(ren)何粒子具有單(dan)一(yi)夸(kua)(kua)克(ke)的特性。如(ru)同發明永動(dong)機的失(shi)敗(bai)一(yi)樣，尋找(zhao)單(dan)個夸(kua)(kua)克(ke)的失(shi)敗(bai)已經(jing)升格(ge)為(wei)一(yi)條原理(li)：夸(kua)(kua)克(ke)禁閉原理(li)。
當(dang)物理(li)學家試(shi)圖(tu)用(yong)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)來充實介子和重(zhong)子的(de)內部結構模(mo)(mo)型(xing)，以(yi)便(bian)可(ke)以(yi)說明它們(men)(men)的(de)質量時，更大的(de)困難出現了。即使是在最(zui)成功的(de)模(mo)(mo)型(xing)里，情況(kuang)似乎總(zong)是，當(dang)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)（或反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)）彼(bi)(bi)此靠近時，它們(men)(men)幾乎從不(bu)注意到(dao)對(dui)方的(de)存在。夸(kua)(kua)克(ke)(ke)之間的(de)相(xiang)互作用(yong)力(li)是如此微弱，人(ren)們(men)(men)很難將它與無法發現獨(du)立夸(kua)(kua)克(ke)(ke)的(de)事實調和起來。如果夸(kua)(kua)克(ke)(ke)彼(bi)(bi)此接近時不(bu)在乎對(dui)方的(de)存在，那(nei)它們(men)(men)彼(bi)(bi)此遠離后為什么不(bu)可(ke)以(yi)單獨(du)存在呢？
這里(li)可能出現了一種以前從未有過的隨(sui)距離增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da)的基本力(li)。最初的夸(kua)克(ke)模(mo)型沒有給出描述(shu)夸(kua)克(ke)之間力(li)的精確(que)方程(cheng)。在一方面，夸(kua)克(ke)模(mo)型頗有些類似于前牛頓的太陽系(xi)模(mo)型，或者(zhe)前薛(xue)定諤/前玻爾原(yuan)子模(mo)型。許多物理學(xue)家，包括蓋爾曼本人，認(ren)為夸(kua)克(ke)只是(shi)一個可以成為自然界數(shu)學(xue)描述(shu)里(li)的有用(yong)的工(gong)具，而不是(shi)真(zhen)正意義上的實(shi)在的元素。
我(wo)們知道，質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)內(nei)部的物質(zhi)(zhi)(zhi)運動(dong)極快。在斯(si)坦福直線(xian)加速器中心(xin)，科學(xue)家(jia)實際上(shang)是采用電子(zi)來轟擊質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)，然后(hou)觀測兩者(zhe)碰撞(zhuang)后(hou)出(chu)射電子(zi)的行為。出(chu)射電子(zi)的能(neng)(neng)量(liang)和動(dong)量(liang)比碰撞(zhuang)前要少。由(you)于能(neng)(neng)量(liang)和動(dong)量(liang)整體上(shang)是守恒的，因此(ci)電子(zi)失(shi)去的能(neng)(neng)量(liang)可能(neng)(neng)是被虛(xu)光子(zi)帶(dai)走，并轉交給質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)。這往往導致質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)經復(fu)雜過程而被打破(po)，由(you)此(ci)導致了(le)一種新的實驗方法，只追蹤電子(zi)，即只關注能(neng)(neng)量(liang)和動(dong)量(liang)流。
量子(zi)理論允許我們調(diao)和關于質(zhi)(zhi)子(zi)是(shi)什么的兩個(ge)(ge)看(kan)似矛盾的概念。一(yi)(yi)方面(mian)，質(zhi)(zhi)子(zi)內部是(shi)動態的，里(li)(li)面(mian)的事(shi)情在(zai)(zai)(zai)(zai)不(bu)斷變化(hua)、運動著。另(ling)一(yi)(yi)方面(mian)，所(suo)有質(zhi)(zhi)子(zi)隨(sui)時(shi)隨(sui)地都(dou)表現出完(wan)全相同的行(xing)為，也就是(shi)說，每(mei)一(yi)(yi)個(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)均給出相同概率。如果質(zhi)(zhi)子(zi)在(zai)(zai)(zai)(zai)不(bu)同的時(shi)間里(li)(li)表現不(bu)一(yi)(yi)，所(suo)有的質(zhi)(zhi)子(zi)怎么可能表現完(wan)全相同的行(xing)為？一(yi)(yi)個(ge)(ge)簡單而直觀(guan)的解(jie)釋(shi)是(shi)，雖然每(mei)一(yi)(yi)個(ge)(ge)體概率在(zai)(zai)(zai)(zai)演化(hua)，但(dan)整體概率分布卻保持(chi)不(bu)變。這就像一(yi)(yi)條平(ping)緩但(dan)在(zai)(zai)(zai)(zai)流(liu)動的大(da)河，即使每(mei)一(yi)(yi)個(ge)(ge)滴水都(dou)在(zai)(zai)(zai)(zai)向(xiang)前(qian)流(liu)淌(tang)，但(dan)整個(ge)(ge)河流(liu)看(kan)上去卻并無變化(hua)。
在微觀(guan)尺度上(shang)大量(liang)的粒(li)(li)子都很難(nan)被捕捉到。科學家(jia)們(men)(men)把它們(men)(men)叫做粒(li)(li)子和反粒(li)(li)子（或(huo)者把反粒(li)(li)子叫做虛(xu)粒(li)(li)子）。這(zhe)些虛(xu)粒(li)(li)子出現和消失都很快(kuai)，但也(ye)跑不(bu)了多遠。科學家(jia)們(men)(men)只能在極短時超(chao)高(gao)分(fen)辨率的抓拍中(zhong)和它們(men)(men)偶遇。在任(ren)何通常意義下人們(men)(men)都無法見到它們(men)(men)，除(chu)非我們(men)(men)能提(ti)供(gong)所需(xu)的能量(liang)和動(dong)量(liang)來促使它們(men)(men)產生(sheng)。但即(ji)便如此，我們(men)(men)看到的也(ye)不(bu)是原來未受干擾的虛(xu)粒(li)(li)子——即(ji)自發(fa)產生(sheng)和消失的那(nei)種(zhong)粒(li)(li)子。
現代生物醫學(xue)告訴(su)我們，只有借助于(yu)更復(fu)雜的生物體（宿主），病毒才(cai)可以存活。虛(xu)粒子則遠為脆弱，因(yin)為它(ta)們需要外部幫助才(cai)能(neng)存在(zai)。盡管如此，它(ta)們卻(que)在(zai)量子力學(xue)方(fang)程(cheng)里，而(er)且根據這(zhe)些方(fang)程(cheng)，虛(xu)粒子會影響到(dao)我們看得(de)見的粒子的行為。
虛(xu)粒(li)子總是成群地處于高速運動的(de)狀(zhuang)態(tai)中。物理學(xue)家將其稱之為(wei)虛(xu)空空間中的(de)實體成為(wei)一種(zhong)動態(tai)介(jie)質(zhi)。由于虛(xu)粒(li)子的(de)行為(wei)，正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)會被部(bu)分屏蔽。也(ye)就是說，正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)周圍往(wang)往(wang)因為(wei)異性(xing)相吸引而裹著一層補償(chang)性(xing)的(de)負(fu)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)。從遠(yuan)(yuan)處看，我們感覺不到正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)的(de)全部(bu)靜電(dian)(dian)力，因為(wei)有部(bu)分被周圍的(de)負(fu)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)抵消了。換句(ju)話說，你越是接(jie)近電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)有效電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)就會越多(duo)；你越是遠(yuan)(yuan)離電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)，它就顯得越小。
在(zai)夸克模型里(li)我(wo)們(men)正好得(de)出相(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)(de)行為。假定(ding)夸克模型里(li)的(de)(de)(de)(de)夸克在(zai)相(xiang)互靠近(jin)(jin)時(shi)相(xiang)互作用很弱(ruo)(ruo)，但(dan)如果它們(men)的(de)(de)(de)(de)有效電(dian)荷(he)在(zai)鄰(lin)近(jin)(jin)區(qu)域(yu)達到最大值時(shi)，我(wo)們(men)得(de)到的(de)(de)(de)(de)只(zhi)是(shi)相(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)(de)結果。這時(shi)它們(men)彼此間的(de)(de)(de)(de)距離越(yue)小，相(xiang)互作用就會(hui)越(yue)強烈；相(xiang)距越(yue)遠，其電(dian)荷(he)被(bei)屏蔽得(de)越(yue)明顯，因(yin)而相(xiang)互作用也就越(yue)弱(ruo)(ruo)。
量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動(dong)力學(xue)(xue)起(qi)源于(yu)(yu)1927年(nian)保羅(luo)·狄(di)拉(la)克(ke)將(jiang)(jiang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)理論(lun)應用于(yu)(yu)電(dian)(dian)磁場(chang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)研究工(gong)作(zuo)(zuo)。他將(jiang)(jiang)電(dian)(dian)荷(he)和(he)(he)電(dian)(dian)磁場(chang)的(de)(de)相互作(zuo)(zuo)用處理為引起(qi)能(neng)(neng)級躍遷的(de)(de)微擾，能(neng)(neng)級躍遷造成了發(fa)射光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)數量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)變化，但總體上系統滿足能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)和(he)(he)動(dong)量(liang)(liang)(liang)守恒。狄(di)拉(la)克(ke)成功地從第一性原理導(dao)出了愛因斯坦(tan)系數的(de)(de)形式，并證(zheng)明(ming)了光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)玻色-愛因斯坦(tan)統計(ji)是電(dian)(dian)磁場(chang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)自(zi)然結(jie)果。人們發(fa)現，能(neng)(neng)夠精(jing)確(que)描(miao)述(shu)這類過(guo)程是量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動(dong)力學(xue)(xue)最重要的(de)(de)應用之一。另一方(fang)(fang)面(mian)，狄(di)拉(la)克(ke)所(suo)發(fa)展(zhan)的(de)(de)相對論(lun)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)是量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動(dong)力學(xue)(xue)的(de)(de)前(qian)奏，狄(di)拉(la)克(ke)方(fang)(fang)程作(zuo)(zuo)為狹義相對論(lun)框架下量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)的(de)(de)基本(ben)方(fang)(fang)程，所(suo)描(miao)述(shu)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)等費米子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)旋量(liang)(liang)(liang)場(chang)的(de)(de)正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化是由匈牙利-美國物理學(xue)(xue)家尤金(jin)·維格納和(he)(he)約爾當完成的(de)(de)。狄(di)拉(la)克(ke)方(fang)(fang)程所(suo)預言(yan)的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)產(chan)生和(he)(he)湮滅過(guo)程能(neng)(neng)用正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)語(yu)言(yan)重新(xin)加以描(miao)述(shu)。
靜態夸(kua)克模型建立之(zhi)后，在重子(zi)質量譜和(he)重子(zi)磁矩方面(mian)取得(de)了巨大(da)成功(gong)。但是(shi)，某些由一種(zhong)夸(kua)克組成的(de)粒子(zi)的(de)存在，與物理學(xue)的(de)基本假設廣義泡利(li)原(yuan)理矛(mao)盾。為(wei)解決這個(ge)問題(ti)，物理學(xue)家引入(ru)了顏色(se)自(zi)由度(du)，并(bing)且(qie)顏色(se)最少有(you)3種(zhong)。這個(ge)時(shi)候(hou)顏色(se)還只是(shi)引入(ru)的(de)某種(zhong)量子(zi)數，并(bing)沒有(you)被(bei)認為(wei)是(shi)動力學(xue)自(zi)由度(du)。
經歷了(le)(le)十(shi)年左右的(de)(de)(de)各種(zhong)實驗，都(dou)沒有在(zai)靜態夸克模型中發現(xian)分(fen)數電(dian)荷的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)1/2的(de)(de)(de)夸克存在(zai)，物理學家被(bei)迫接受了(le)(le)夸克是(shi)禁閉在(zai)強(qiang)子(zi)(zi)內(nei)部(bu)(bu)的(de)(de)(de)現(xian)實。然(ran)而，美國的(de)(de)(de)斯(si)坦福直線(xian)加速(su)器中心SLAC在(zai)七十(shi)年代初進行了(le)(le)一系列的(de)(de)(de)輕強(qiang)子(zi)(zi)深(shen)度(du)非彈(dan)性散射實驗，發現(xian)強(qiang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)結構(gou)函數具有比約(yue)肯無(wu)標度(du)性(Bjorken Scaling)。為解釋這個令人(ren)驚奇的(de)(de)(de)結果，費曼(man)由(you)此(ci)提(ti)出了(le)(le)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)模型，假設強(qiang)子(zi)(zi)是(shi)由(you)一簇自(zi)由(you)的(de)(de)(de)沒有相互(hu)作用(yong)的(de)(de)(de)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)，就可(ke)以自(zi)然(ran)的(de)(de)(de)解釋比約(yue)肯無(wu)標度(du)性(Bjorken Scaling)。更(geng)細(xi)致的(de)(de)(de)研究確認了(le)(le)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)為1/2，并且具有分(fen)數電(dian)荷。
部分子模型(xing)和靜態夸(kua)(kua)克(ke)模型(xing)都取得(de)了(le)巨大成功，但是兩個模型(xing)對(dui)強子結構的(de)描述(shu)有嚴重的(de)沖(chong)突，具(ju)體來講就(jiu)是夸(kua)(kua)克(ke)禁(jin)閉與部分子無相互(hu)作(zuo)用之間的(de)沖(chong)突。這個問題的(de)真正(zheng)解(jie)決要等到(dao)漸近自(zi)(zi)由的(de)發現(xian)。格婁斯，維爾(er)切克(ke)和休·波利(li)策的(de)計算表明，非阿貝爾(er)規范場論中(zhong)夸(kua)(kua)克(ke)相互(hu)作(zuo)用強度(du)隨能標的(de)增加而減(jian)弱，部分子模型(xing)的(de)成功正(zheng)預示著存(cun)在SU（N）的(de)規范相互(hu)作(zuo)用，N自(zi)(zi)然的(de)就(jiu)解(jie)釋(shi)為原先(xian)夸(kua)(kua)克(ke)模型(xing)中(zhong)引(yin)入的(de)新自(zi)(zi)由度(du)--顏(yan)色。
色(se)(se)荷(he)(he)(he)概(gai)念(nian)的(de)引入和部分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)應(ying)用實在量子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)學基(ji)礎的(de)物理學的(de)突(tu)破進展。物理學家(jia)們將這(zhe)種(zhong)新的(de)理論稱之為量子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)學。兩者之間雖然有諸多相(xiang)似之處，但(dan)還(huan)是有如一些重(zhong)要(yao)的(de)區(qu)別(bie)：首(shou)先是膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對色(se)(se)荷(he)(he)(he)的(de)響(xiang)(xiang)應(ying)——由量子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)學耦合常(chang)數衡量——要(yao)遠遠強于(yu)光子(zi)(zi)(zi)對電(dian)荷(he)(he)(he)的(de)響(xiang)(xiang)應(ying)。其次是膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以一種(zhong)色(se)(se)荷(he)(he)(he)變換成另一種(zhong)色(se)(se)荷(he)(he)(he)。量子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)學和量子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)學的(de)第(di)三個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)區(qu)別(bie)來自(zi)于(yu)上(shang)述第(di)二個(ge)區(qu)別(bie)的(de)結果。由于(yu)膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對色(se)(se)荷(he)(he)(he)的(de)存在和運(yun)動做出(chu)響(xiang)(xiang)應(ying)，而且膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)攜(xie)帶(dai)不(bu)平衡的(de)色(se)(se)荷(he)(he)(he)，因此(ci)膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以直接對另一個(ge)膠(jiao)(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)做出(chu)響(xiang)(xiang)應(ying)。這(zhe)與光子(zi)(zi)(zi)的(de)情形正好相(xiang)反。
相(xiang)比之(zhi)下，光子是電中性(xing)(xing)的(de)。它們(men)相(xiang)互之(zhi)間(jian)完全不存(cun)在激烈的(de)相(xiang)互作用。因此(ci)這些差(cha)異使得(de)(de)量子色動力學的(de)計(ji)(ji)算(suan)結果(guo)要比得(de)(de)到量子電動力學的(de)計(ji)(ji)算(suan)結果(guo)更(geng)為困難。而(er)且，由于(yu)存(cun)在導致色流動的(de)各(ge)種可能性(xing)(xing)以(yi)及更(geng)多種類的(de)節點，在做這類計(ji)(ji)算(suan)時，科(ke)學家們(men)又(you)引(yin)入(ru)漸近(jin)自(zi)由概念。通(tong)過(guo)引(yin)入(ru)漸近(jin)自(zi)由，像噴注的(de)能量和動量的(de)整體流動，都可以(yi)通(tong)過(guo)計(ji)(ji)算(suan)得(de)(de)到確(que)定(ding)。
關于(yu)世界(jie)是(shi)由什么構(gou)成的(de)哲學和(he)科(ke)學思考(kao)一直都在變化。許多枝節(jie)性問題仍然保留在今(jin)天最好的(de)世界(jie)模型和(he)一些大的(de)謎團里。顯然要下結論還為時尚早。
就自(zi)然哲學(xue)(xue)而(er)言，我(wo)們從量子色(se)(se)動(dong)(dong)力學(xue)(xue)和漸近自(zi)由(you)中得到的(de)(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)(de)認識是(shi)，在我(wo)們認為(wei)是(shi)虛空空間(jian)的(de)(de)(de)(de)地方實(shi)際上充(chong)(chong)滿(man)了活躍的(de)(de)(de)(de)媒介，其(qi)(qi)活動(dong)(dong)鑄就了這個世界。雖然早在大(da)約2000年前(qian)成書(shu)的(de)(de)(de)(de)大(da)乘(cheng)佛教的(de)(de)(de)(de)典籍《金剛(gang)經》就曾指出“色(se)(se)即是(shi)空，空即是(shi)色(se)(se)”，而(er)今現代物理(li)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)其(qi)(qi)它發展強化并(bing)充(chong)(chong)實(shi)了這種認識。以后，當我(wo)們探索當前(qian)知識的(de)(de)(de)(de)前(qian)沿(yan)時，我(wo)們將看到“虛空”空間(jian)概念是(shi)怎樣一種豐富的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力學(xue)(xue)媒介，它推動(dong)(dong)著我(wo)們不(bu)斷思(si)考如何去實(shi)現力的(de)(de)(de)(de)統一。
其實，關于空(kong)間虛(xu)(xu)無性的(de)爭論可(ke)以追(zhui)溯(su)到(dao)現代科(ke)學的(de)前(qian)史，至少(shao)可(ke)以追(zhui)溯(su)到(dao)古希臘時(shi)期(qi)。亞里士多德(de)曾經這(zhe)樣寫道(dao)：“自(zi)然界(jie)厭惡真空(kong)”，而(er)他的(de)對手(shou)原(yuan)子(zi)論者們則認為，用古羅(luo)馬(ma)詩人盧克萊修(xiu)的(de)話(hua)來說，就是(shi)“整個自(zi)然，作為自(zi)足的(de)實在，都是(shi)由(you)兩件東西組成的(de)：物體和虛(xu)(xu)空(kong)，它們賴以建立(li)，并在其中運動。”
這種思辨性(xing)爭論(lun)在(zai)現代科學(xue)(xue)的(de)(de)黎(li)明——17世(shi)紀的(de)(de)科學(xue)(xue)革命——得到回響。笛卡(ka)爾提出(chu)，對自然世(shi)界進行科學(xue)(xue)描(miao)(miao)述的(de)(de)基礎應建立在(zai)他(ta)所謂(wei)的(de)(de)基本性(xing)質(zhi)(zhi)之上：廣延和運動(dong)。物(wu)質(zhi)(zhi)除了(le)(le)這兩點再沒有其(qi)他(ta)屬(shu)性(xing)。他(ta)的(de)(de)一個重要結論(lun)是：某一物(wu)質(zhi)(zhi)對另一物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)影響唯(wei)有通過接觸才能(neng)發生。因此(ci)為(wei)了(le)(le)描(miao)(miao)述諸如(ru)行星的(de)(de)運動(dong)，笛卡(ka)爾不得不引入無形空間的(de)(de)概念——其(qi)中充(chong)滿(man)了(le)(le)不可見物(wu)質(zhi)(zhi)。他(ta)設想空間是一種復(fu)雜的(de)(de)充(chong)滿(man)漩渦的(de)(de)海洋(yang)，行星就在(zai)其(qi)中沖浪。
牛頓(dun)用(yong)他(ta)(ta)精確制定(ding)的、成功的行(xing)星運(yun)動(dong)(dong)數學方程，用(yong)他(ta)(ta)的萬有(you)(you)(you)引力(li)定(ding)律，揭示了所有(you)(you)(you)這(zhe)(zhe)些潛(qian)在的復雜性。但是牛頓(dun)的萬有(you)(you)(you)引力(li)定(ding)律并不(bu)(bu)適應于笛卡(ka)爾的框架(jia)。前(qian)者假設物體(ti)間的相互作用(yong)可以通(tong)過(guo)一定(ding)距離來(lai)進(jin)行(xing)，不(bu)(bu)必一定(ding)要通(tong)過(guo)接觸。例如，根據牛頓(dun)定(ding)律，太陽即(ji)使不(bu)(bu)跟(gen)地球(qiu)接觸，也可以對地球(qiu)施(shi)加引力(li)作用(yong)。盡管他(ta)(ta)的方程為說明行(xing)星運(yun)動(dong)(dong)提供了一個詳細(xi)解(jie)釋，但牛頓(dun)本人對這(zhe)(zhe)種超(chao)距作用(yong)并不(bu)(bu)滿意。牛頓(dun)在1693年2月25日(ri)寫給本特(te)利的信(xin)中(zhong)這(zhe)(zhe)樣說道：“一個物體(ti)可以不(bu)(bu)借助任何其他(ta)(ta)東(dong)西穿越虛空(kong)距離而作用(yong)于另一個物體(ti)，物體(ti)通(tong)過(guo)虛空(kong)進(jin)行(xing)彼此間作用(yong)和力(li)的傳遞，這(zhe)(zhe)對我來(lai)說是很荒謬(miu)的。我相信(xin)，任何有(you)(you)(you)足夠哲學思維能力(li)的人都不(bu)(bu)會沉溺于此。”
牛頓的(de)(de)(de)方(fang)程發表過(guo)后大約一個半世紀的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)里，數學家們(men)(men)幾乎不曾對此提出過(guo)任何質疑，但詹姆斯·克(ke)(ke)(ke)拉克(ke)(ke)(ke)·麥克(ke)(ke)(ke)斯韋(wei)(wei)卻發現(xian)(xian)(xian)這(zhe)(zhe)樣導出的(de)(de)(de)方(fang)程不協調。1861年，麥克(ke)(ke)(ke)斯韋(wei)(wei)發現(xian)(xian)(xian)，他可(ke)以通過(guo)在方(fang)程中(zhong)引入額外的(de)(de)(de)項(xiang)來(lai)消除這(zhe)(zhe)種不一致性，換言之，就(jiu)(jiu)是假定還存在著一種新的(de)(de)(de)物理效(xiao)應。而邁克(ke)(ke)(ke)爾·法(fa)拉第此前早(zao)就(jiu)(jiu)發現(xian)(xian)(xian)，當磁(ci)(ci)場(chang)(chang)隨時(shi)間(jian)變(bian)化時(shi)，它們(men)(men)產(chan)生電(dian)場(chang)(chang)。麥克(ke)(ke)(ke)斯韋(wei)(wei)為了解決方(fang)程的(de)(de)(de)自洽性，不得不假設存在相反的(de)(de)(de)效(xiao)應：變(bian)化的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)產(chan)生電(dian)場(chang)(chang)。有(you)了這(zhe)(zhe)一添加物，場(chang)(chang)的(de)(de)(de)概念(nian)得到(dao)了更(geng)多的(de)(de)(de)認可(ke)和驗證：變(bian)化的(de)(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)產(chan)生變(bian)化的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)，后者反過(guo)來(lai)再(zai)產(chan)生變(bian)化的(de)(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)，如(ru)此便形成(cheng)了每一種自我更(geng)新的(de)(de)(de)循(xun)環。
麥克(ke)斯(si)韋(wei)(wei)發(fa)現，他的(de)(de)新(xin)方程組，即廣為人知(zhi)的(de)(de)麥克(ke)斯(si)韋(wei)(wei)方程組，具(ju)有(you)(you)純(chun)場解決方案，即場以光速在空間運動。這一綜合的(de)(de)頂峰便是他得出的(de)(de)結論(lun)：這些(xie)電場和磁場里自(zi)我更新(xin)的(de)(de)擾動就是光——一個有(you)(you)待經受時間考驗的(de)(de)結論(lun)。對(dui)麥克(ke)斯(si)韋(wei)(wei)來說，這些(xie)充(chong)滿所有(you)(you)空間并(bing)可以自(zi)己維持生(sheng)活的(de)(de)場正是上帝榮(rong)耀的(de)(de)一個明確標志：
“廣寬的(de)行星際和星際區域將(jiang)不再被(bei)視為(wei)宇宙中無(wu)用的(de)場(chang)合，人(ren)(ren)們(men)不再認為(wei)造物主還沒在他(ta)的(de)王(wang)國里找到合適的(de)、具有(you)多(duo)重象征(zheng)的(de)東(dong)西(xi)來填(tian)補其中。我們(men)將(jiang)發現，這(zhe)些(xie)場(chang)所(suo)已經充滿(man)了這(zhe)種神奇的(de)介質。它們(men)是如此豐(feng)盈，人(ren)(ren)類沒有(you)任何力量可以(yi)將(jiang)其從(cong)哪怕是最小的(de)空(kong)間上移去，或(huo)在其無(wu)窮的(de)連(lian)續體上留下哪怕最輕微的(de)缺(que)損。”
愛因斯坦對以(yi)太(tai)的(de)(de)認識是復雜(za)而且(qie)多變。在1905年發表的(de)(de)《論(lun)動體的(de)(de)電動力(li)學》中這樣(yang)寫道：“引入‘光以(yi)太(tai)’將被證明是多余的(de)(de)，因為按照所要發展的(de)(de)見解，即不需(xu)要引入一(yi)個(ge)具(ju)有特殊性質的(de)(de)‘絕(jue)對靜止空(kong)(kong)間(jian)’，也(ye)不需(xu)要給(gei)發生電磁過程的(de)(de)真空(kong)(kong)中的(de)(de)每一(yi)點規(gui)定一(yi)個(ge)速(su)度(du)矢量。”
愛(ai)因(yin)斯坦的(de)這一強有(you)(you)力的(de)宣示曾經(jing)讓(rang)很多物理(li)(li)學(xue)(xue)(xue)家困惑不(bu)已。在(zai)(zai)1905年時，物理(li)(li)學(xue)(xue)(xue)界面臨的(de)問題不(bu)是(shi)(shi)(shi)沒(mei)有(you)(you)相(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)論，而是(shi)(shi)(shi)有(you)(you)兩個相(xiang)互(hu)矛盾的(de)相(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)論。一方面是(shi)(shi)(shi)力學(xue)(xue)(xue)的(de)相(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)論服從牛頓方程。另一方面是(shi)(shi)(shi)電磁的(de)相(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)論，服從麥克斯韋方程組。進一步的(de)研究發現，需(xu)要調整的(de)不(bu)是(shi)(shi)(shi)新生的(de)電磁理(li)(li)論，而是(shi)(shi)(shi)古(gu)老的(de)牛頓力學(xue)(xue)(xue)理(li)(li)論。在(zai)(zai)狹(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論里，麥克斯韋場(chang)方程無(wu)需(xu)修改；相(xiang)反，它(ta)們提供了狹(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論的(de)基(ji)礎。事實上，狹(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論的(de)思想(xiang)幾(ji)乎要求充(chong)滿空間的(de)場(chang)，也正是(shi)(shi)(shi)在(zai)(zai)這個意義(yi)上解釋了它(ta)們為什么(me)存(cun)在(zai)(zai)的(de)理(li)(li)由。
早(zao)在1899年，德國人普(pu)朗(lang)克(ke)提出(chu)了(le)第一(yi)個(ge)最終發(fa)(fa)展(zhan)成為量(liang)(liang)子(zi)力學的(de)(de)第一(yi)個(ge)概(gai)念。普(pu)朗(lang)克(ke)提出(chu)，原(yuan)子(zi)可(ke)以(yi)(yi)(yi)與電(dian)磁場交(jiao)換能量(liang)(liang)，也(ye)就是(shi)說，可(ke)以(yi)(yi)(yi)發(fa)(fa)射(she)和(he)吸收電(dian)磁輻射(she)，譬如光，但只能以(yi)(yi)(yi)離散的(de)(de)單(dan)位(wei)量(liang)(liang)的(de)(de)形式，或者說以(yi)(yi)(yi)量(liang)(liang)子(zi)的(de)(de)形式進行(xing)。但普(pu)朗(lang)克(ke)的(de)(de)概(gai)念愛(ai)因(yin)斯(si)坦不甚滿意，他(ta)假設，不僅原(yuan)子(zi)發(fa)(fa)射(she)和(he)吸收光（和(he)一(yi)般的(de)(de)電(dian)磁輻射(she)）是(shi)以(yi)(yi)(yi)離散單(dan)位(wei)進行(xing)的(de)(de)，而且光本身就是(shi)以(yi)(yi)(yi)離散的(de)(de)能量(liang)(liang)單(dan)位(wei)出(chu)現(xian)(xian)的(de)(de)，并且帶著離散單(dan)位(wei)動量(liang)(liang)傳播。有了(le)這(zhe)些(xie)擴張，愛(ai)因(yin)斯(si)坦能夠(gou)解釋更多的(de)(de)事實，并預言了(le)新的(de)(de)現(xian)(xian)象——其中就包括他(ta)于1921年獲得諾(nuo)貝爾物(wu)理(li)(li)學獎的(de)(de)主要(yao)工作即有關(guan)光電(dian)效應(ying)的(de)(de)預言。但愛(ai)因(yin)斯(si)坦明白：普(pu)朗(lang)克(ke)概(gai)念與現(xian)(xian)行(xing)物(wu)理(li)(li)定(ding)(ding)律不相(xiang)符(fu)，但有效。現(xian)(xian)行(xing)的(de)(de)這(zhe)些(xie)物(wu)理(li)(li)定(ding)(ding)律一(yi)定(ding)(ding)有錯(cuo)！
如果(guo)光(guang)以能量(liang)和動量(liang)包的形式(shi)傳播，那(nei)么，光(guang)本身以及這些包看成是(shi)(shi)電磁粒子就(jiu)自然而(er)然了(le)。場的概(gai)(gai)念(nian)可能更方便(bian)，但愛因(yin)斯坦從來不是(shi)(shi)一個貪圖方便(bian)而(er)將其當成原理的物理學家。對他而(er)言，空間充滿實(shi)體的概(gai)(gai)念(nian)，就(jiu)像(xiang)是(shi)(shi)以無限大的速度(du)經過(guo)某(mou)物卻看到(dao)(dao)它與靜止時看到(dao)(dao)的一樣(yang)。
到1920年代，愛(ai)因(yin)(yin)斯坦(tan)的(de)廣義相對論問世后，他的(de)態度發生了變化(hua)。事實上，廣義相對論更多的(de)是一(yi)個(ge)基于(yu)以太的(de)引力場論。盡管如(ru)此，愛(ai)因(yin)(yin)斯坦(tan)從未放(fang)棄對消(xiao)除電磁以太的(de)努力。愛(ai)因(yin)(yin)斯坦(tan)本人在1920年5月(yue)5日在荷蘭萊頓大(da)學的(de)演講(jiang)中這(zhe)樣說道：
“如果我們從以(yi)太假(jia)說(shuo)(shuo)的(de)(de)觀點來考慮(lv)引力場(chang)和電磁場(chang)，我們就會發現兩者(zhe)之間(jian)(jian)有一個明顯的(de)(de)不(bu)同。可以(yi)說(shuo)(shuo)沒(mei)有一種(zhong)空間(jian)(jian)，也沒(mei)有任何空間(jian)(jian)部分是(shi)沒(mei)有引力勢的(de)(de)；因(yin)為這些引力勢規(gui)定了空間(jian)(jian)的(de)(de)度(du)規(gui)性質，而沒(mei)有這些度(du)規(gui)性質則(ze)是(shi)根本無(wu)法想(xiang)象(xiang)的(de)(de)。引力場(chang)的(de)(de)存在于空間(jian)(jian)的(de)(de)存在是(shi)直接相關(guan)的(de)(de)。但(dan)另一方面，在一部分空間(jian)(jian)內不(bu)存在電磁場(chang)則(ze)是(shi)完全(quan)可以(yi)想(xiang)象(xiang)的(de)(de)。”
歷史地看，狹(xia)(xia)(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)肇始于電(dian)和磁的研究，導(dao)致了麥克(ke)斯韋(wei)的場論(lun)，但(dan)它(ta)又超越(yue)了電(dian)磁理(li)論(lun)。它(ta)的本質是對(dui)(dui)稱(cheng)性假(jia)設：當你在(zai)(zai)具(ju)有恒定(ding)相(xiang)對(dui)(dui)速(su)(su)度(du)(du)的兩個(ge)(ge)(ge)參(can)照(zhao)系考察同(tong)一(yi)物(wu)體時，物(wu)理(li)學(xue)定(ding)律應具(ju)有同(tong)樣的形式。這一(yi)假(jia)設是一(yi)個(ge)(ge)(ge)普適性陳(chen)述，超越(yue)了其電(dian)磁根源：狹(xia)(xia)(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)的坐標變換對(dui)(dui)稱(cheng)性適用于所有的物(wu)理(li)學(xue)定(ding)律。狹(xia)(xia)(xia)義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)的一(yi)個(ge)(ge)(ge)主要的結(jie)果是存在(zai)(zai)有限(xian)的速(su)(su)度(du)(du)：光速(su)(su)，即(ji)零(ling)質量粒(li)(li)子在(zai)(zai)真空中的傳播速(su)(su)度(du)(du)。一(yi)個(ge)(ge)(ge)粒(li)(li)子對(dui)(dui)另一(yi)個(ge)(ge)(ge)粒(li)(li)子的影響不能傳播得比光速(su)(su)更快(kuai)。
但是(shi)牛頓的(de)(de)(de)(de)(de)萬有引力(li)定(ding)律——遙遠物體受到的(de)(de)(de)(de)(de)引力(li)與(yu)其(qi)當前距離的(de)(de)(de)(de)(de)平方成反比就(jiu)不服從(cong)這(zhe)一法(fa)則(ze)，所以它與(yu)狹義相對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)不相容。事(shi)(shi)實(shi)上，“當前”這(zhe)個(ge)概(gai)念本(ben)身(shen)就(jiu)是(shi)個(ge)問題。對(dui)(dui)于靜(jing)止觀(guan)察(cha)(cha)者(zhe)同時(shi)發生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)事(shi)(shi)件對(dui)(dui)以恒定(ding)速(su)度移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)觀(guan)察(cha)(cha)者(zhe)來說將不會(hui)同時(shi)發生(sheng)。愛因斯(si)坦本(ben)人認為，推翻“當前”這(zhe)個(ge)一般性(xing)概(gai)念，迄今為止仍然是(shi)達到狹義相對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)認識論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)最為困難的(de)(de)(de)(de)(de)一步。但是(shi)如果場(chang)服從(cong)簡單的(de)(de)(de)(de)(de)方程組，那么在(zai)存(cun)在(zai)有限(xian)速(su)度的(de)(de)(de)(de)(de)前提下，這(zhe)種從(cong)粒子描述(shu)到場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)描述(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)轉換就(jiu)會(hui)變得富有成效(xiao)，這(zhe)樣我(wo)們可以從(cong)場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)計(ji)算(suan)出來它們的(de)(de)(de)(de)(de)未來值(zhi)而不必考(kao)慮其(qi)過去的(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)。麥克斯(si)韋(wei)電磁理論(lun)(lun)(lun)、廣義相對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)和量(liang)子色動(dong)力(li)學都(dou)具有這(zhe)種屬性(xing)。在(zai)廣義相對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)里，愛因斯(si)坦用彎曲(qu)時(shi)空的(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念來構建(jian)他的(de)(de)(de)(de)(de)引力(li)理論(lun)(lun)(lun)。
我們(men)回到標準(zhun)模(mo)型：W和(he)Z玻色子(zi)，根據定義(yi)它們(men)的(de)方程組，它們(men)本(ben)應該像(xiang)光子(zi)和(he)色膠(jiao)子(zi)一樣都(dou)是(shi)(shi)無(wu)(wu)質(zhi)量(liang)的(de)粒(li)子(zi)。但(dan)物理學家們(men)卻設法讓W和(he)Z玻色子(zi)獲得(de)(de)質(zhi)量(liang)。而且(qie)他們(men)也(ye)(ye)知道，在(zai)自(zi)然界(jie)里，還有原子(zi)紅(hong)奇特(te)的(de)物理狀(zhuang)態(tai)也(ye)(ye)可以使無(wu)(wu)質(zhi)量(liang)的(de)受力粒(li)子(zi)獲得(de)(de)質(zhi)量(liang)。使受力粒(li)子(zi)變重的(de)模(mo)型是(shi)(shi)超導(dao)電(dian)性。在(zai)超導(dao)體(ti)內，光子(zi)變得(de)(de)沉重。
我們知道，光(guang)子(zi)(zi)(zi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)和磁(ci)場(chang)中推動(dong)擾(rao)動(dong)。在(zai)超(chao)導體(ti)內(nei)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)對電(dian)(dian)(dian)場(chang)和磁(ci)場(chang)反應(ying)強(qiang)烈。電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)恢復平(ping)衡(heng)的能力非常(chang)強(qiang)大，它們能對場(chang)的運(yun)動(dong)施(shi)加一種(zhong)(zhong)遲滯(zhi)作(zuo)用。因此在(zai)超(chao)導體(ti)內(nei)，光(guang)子(zi)(zi)(zi)不(bu)是(shi)像通常(chang)那樣按光(guang)速運(yun)動(dong)，而(er)是(shi)要緩慢得多。就好像它們獲得了某(mou)種(zhong)(zhong)慣(guan)性(xing)。當你研究方程(cheng)時，你會發現，超(chao)導體(ti)內(nei)慢下來的光(guang)子(zi)(zi)(zi)所(suo)服從(cong)的運(yun)動(dong)方程(cheng)與非零質量粒子(zi)(zi)(zi)的運(yun)動(dong)方程(cheng)是(shi)一樣的。
質量一向被認(ren)(ren)為是(shi)物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)一種(zhong)確(que)定(ding)的(de)(de)(de)屬性(xing)，質言之，質量是(shi)一種(zhong)使(shi)物(wu)(wu)質可(ke)(ke)稱其為物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)特性(xing)。愛因斯(si)坦(tan)認(ren)(ren)為宇宙(zhou)應有一個無論是(shi)在(zai)時間上還是(shi)在(zai)空間上都(dou)不變的(de)(de)(de)密度。但是(shi)，引(yin)(yin)力是(shi)一種(zhong)普遍的(de)(de)(de)吸引(yin)(yin)力，物(wu)(wu)體都(dou)不愿意(yi)分開。引(yin)(yin)力總(zong)是(shi)試圖把(ba)物(wu)(wu)體合(he)在(zai)一起(qi)。愛因斯(si)坦(tan)提出的(de)(de)(de)E=mc2可(ke)(ke)以(yi)看(kan)作是(shi)他(ta)對牛頓萬有引(yin)(yin)力定(ding)律的(de)(de)(de)修正(zheng)。但是(shi)，如(ru)果將(jiang)這(zhe)一公式轉(zhuan)換成m=E/c1，這(zhe)一方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)內(nei)在(zai)含義(yi)變成了質量等于所(suo)具(ju)有的(de)(de)(de)能量與常(chang)速(su)光速(su)的(de)(de)(de)平方(fang)之比。
量(liang)(liang)(liang)(liang)子色(se)動力學是一種非常強大的(de)理論。通過將無質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)或幾乎(hu)無質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)對象(xiang)諸如夸克、膠子的(de)計算能(neng)夠給出它們(men)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)，然(ran)而，這(zhe)(zhe)也當然(ran)不是任何意義(yi)上的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)，只是我(wo)們(men)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)，即組成我(wo)們(men)自(zi)身的(de)質(zhi)子和中子的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)。也就(jiu)是說，量(liang)(liang)(liang)(liang)子色(se)動力學方程組可以從無質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)輸入得到質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)輸出。那，這(zhe)(zhe)是為什么？
首先是(shi)夸克(ke)的(de)色荷產生一(yi)種網格擾動(dong)——具體地說(shuo)，是(shi)膠子(zi)場(chang)擾動(dong)——這種擾動(dong)隨距離(li)加大而增長。就像(xiang)一(yi)個奇異的(de)風(feng)暴(bao)云團，它從最初(chu)的(de)中心的(de)一(yi)縷云煙發展(zhan)成為(wei)一(yi)種不祥(xiang)的(de)雷暴(bao)云團。擾動(dong)場(chang)意味(wei)著將其推向高能(neng)態。如果你(ni)持續擾動(dong)無限容量的(de)場(chang)，所需的(de)能(neng)量將會變成無限大。
其次是(shi)可以(yi)通過讓一個帶相反(fan)色荷(he)的反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)去接近夸(kua)(kua)克(ke)來迅速遏制。然后，這(zhe)兩個擾(rao)動源(yuan)相互抵(di)消并恢復平(ping)靜。如果反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)不偏不倚地正好位于夸(kua)(kua)克(ke)的正上(shang)方，那么(me)這(zhe)種抵(di)消是(shi)徹(che)(che)底(di)的。這(zhe)將會是(shi)膠子(zi)場的擾(rao)動最小化：即“無”。但是(shi)徹(che)(che)底(di)抵(di)消還(huan)需要付出代(dai)價：它源(yuan)自(zi)夸(kua)(kua)克(ke)和反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)的量子(zi)力學性質。
根據海森伯(bo)的(de)不確(que)定性原理(li)，要(yao)獲得(de)準(zhun)確(que)的(de)粒(li)(li)(li)子位(wei)置信(xin)息，就(jiu)必(bi)須(xu)讓(rang)粒(li)(li)(li)子具(ju)有很寬的(de)動(dong)(dong)量(liang)(liang)范(fan)圍，特(te)別是要(yao)有粒(li)(li)(li)子的(de)大(da)動(dong)(dong)量(liang)(liang)。但大(da)的(de)動(dong)(dong)量(liang)(liang)意(yi)味著大(da)的(de)能量(liang)(liang)。所(suo)以，更(geng)準(zhun)確(que)地說，要(yao)使粒(li)(li)(li)子局域化，就(jiu)必(bi)須(xu)更(geng)多能量(liang)(liang)。
再(zai)次是我(wo)們應該(gai)回到愛因斯坦(tan)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)與能(neng)量(liang)關系方程中來考察。由(you)于有兩種方向相(xiang)反(fan)(fan)的(de)(de)(de)(de)互(hu)相(xiang)競爭的(de)(de)(de)(de)作用，要消(xiao)除夸克對場的(de)(de)(de)(de)擾動(dong)，同(tong)時盡量(liang)減少能(neng)量(liang)，并使(shi)反(fan)(fan)夸克局域化，所以就(jiu)必須賦予反(fan)(fan)夸克相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)活動(dong)余地。這樣(yang)雙方在(zai)彼此抵消(xiao)后的(de)(de)(de)(de)總(zong)質(zhi)量(liang)不能(neng)為零，即m=E/c的(de)(de)(de)(de)平方。這樣(yang)我(wo)們從無質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)輸入(ru)得到質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)輸出。這同(tong)時也是質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)起源量(liang)子(zi)力(li)學解釋。
任意(yi)兩質(zhi)點(dian)之間的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力(li)，就是組成物質(zhi)的(de)(de)粒子(zi)之間通過(guo)交換(huan)“引(yin)(yin)力(li)子(zi)”實現的(de)(de)。而(er)在(zai)(zai)廣義相(xiang)對論中，物體(ti)(ti)之間的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力(li)則被(bei)認為(wei)是時空彎曲的(de)(de)表現。物質(zhi)的(de)(de)存在(zai)(zai)使得它周(zhou)圍(wei)的(de)(de)時空發生彎曲，而(er)物體(ti)(ti)在(zai)(zai)彎曲的(de)(de)時空中沿(yan)測地(di)線運動(dong)，就自(zi)然地(di)表現為(wei)相(xiang)互吸引(yin)(yin)。
牛頓萬(wan)有引(yin)(yin)力定律指(zhi)出：兩個質點(dian)之間的(de)萬(wan)有引(yin)(yin)力，與它們(men)的(de)質量乘積成(cheng)(cheng)正比(bi)(bi)，與它們(men)二者(zhe)之間距離的(de)平方成(cheng)(cheng)反比(bi)(bi)。它實際上(shang)是廣義(yi)相(xiang)對論(lun)的(de)引(yin)(yin)力理論(lun)在靜態弱引(yin)(yin)力場中低速(su)運(yun)動(dong)情況下(xia)的(de)一(yi)種(zhong)近似。
萬(wan)有引(yin)力(li)傳播的媒介子(zi)——“引(yin)力(li)子(zi)”
1913年，偉大的物(wu)理學家愛因(yin)斯坦提出了(le)萬(wan)有引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)論。愛因(yin)斯坦認為任何(he)帶(dai)有質量(liang)的物(wu)體(ti)周圍都存在(zai)有引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)，引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)是(shi)通(tong)(tong)過引(yin)(yin)(yin)力(li)波來傳(chuan)播(bo)的，引(yin)(yin)(yin)力(li)波像電磁波那樣通(tong)(tong)過媒(mei)(mei)介(jie)子(zi)(zi)(zi)(zi)傳(chuan)播(bo)，我們都知道電磁波是(shi)通(tong)(tong)過光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)來傳(chuan)播(bo)能(neng)量(liang)的，因(yin)此它的媒(mei)(mei)介(jie)子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)，引(yin)(yin)(yin)力(li)波在(zai)傳(chuan)播(bo)能(neng)量(liang)的過程(cheng)中，同(tong)樣有媒(mei)(mei)介(jie)子(zi)(zi)(zi)(zi)的作(zuo)用(yong)，愛因(yin)斯坦把這(zhe)一媒(mei)(mei)介(jie)子(zi)(zi)(zi)(zi)稱之為引(yin)(yin)(yin)力(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)。引(yin)(yin)(yin)力(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)以光(guang)速傳(chuan)播(bo)，它的質量(liang)與光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)一樣為0。
經過(guo)這么(me)多年(nian)的(de)探索，人們一直沒(mei)能在宇宙中發現(xian)它的(de)蹤影，我們沒(mei)有足夠的(de)證據證明它的(de)存(cun)在，也沒(mei)有足夠的(de)證據否認它的(de)存(cun)在。因此，探索引(yin)力子是否存(cun)在成為科學界的(de)一大(da)難題。
雖然引力子(zi)在(zai)宇宙中無(wu)處不(bu)在(zai)，但探索之(zhi)路仍然是(shi)舉(ju)步維艱。有學者認為，引力之(zhi)微弱表(biao)明，其媒介(jie)子(zi)引力子(zi)幾(ji)乎不(bu)與其它(ta)的(de)物(wu)質發生反應(ying)，這是(shi)我們長期(qi)探測不(bu)到它(ta)的(de)原由(you)，這個(ge)理(li)由(you)雖然很有說(shuo)服力，但也不(bu)足以證明引力子(zi)是(shi)存在(zai)的(de)事實。
試圖找到(dao)一種更(geng)有說服力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)方(fang)法，就是證明(ming)引力(li)(li)(li)(li)波的(de)(de)存(cun)在，從而間接的(de)(de)證明(ming)引力(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)存(cun)在。如果可以證明(ming)宇宙中有引力(li)(li)(li)(li)波存(cun)在，那么引力(li)(li)(li)(li)波必定有與之對應(ying)的(de)(de)媒介子(zi)(zi)引力(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)來(lai)傳遞(di)能量。
引(yin)力(li)(li)波(bo)在宇宙(zhou)中是(shi)普遍存(cun)在的(de)，星(xing)體的(de)加(jia)速旋轉(zhuan)，相撞，吞并(bing)等都可以使引(yin)力(li)(li)場發生擾(rao)動(dong)并(bing)產(chan)生引(yin)力(li)(li)波(bo)，但(dan)由(you)于(yu)(yu)引(yin)力(li)(li)波(bo)與(yu)引(yin)力(li)(li)子一樣很難與(yu)其它物質發生反應，以至(zhi)于(yu)(yu)至(zhi)今我們無法探測它的(de)存(cun)在，只(zhi)能間接地通過(guo)觀測行星(xing)發生引(yin)力(li)(li)輻射，而導致(zhi)周期的(de)變(bian)化證(zheng)實(shi)它的(de)存(cun)在。
引(yin)力(li)輻(fu)(fu)射是引(yin)力(li)波(bo)的(de)另一種稱呼，它(ta)是指(zhi)引(yin)力(li)波(bo)從星(xing)體或(huo)星(xing)系(xi)中輻(fu)(fu)射出(chu)來的(de)現象，如果(guo)證明了(le)引(yin)力(li)輻(fu)(fu)射的(de)存(cun)在(zai)就等于(yu)證實了(le)引(yin)力(li)波(bo)的(de)存(cun)在(zai)。
為(wei)什么這樣說呢？
引(yin)力輻射(she)是(shi)一種能(neng)量的(de)輻射(she)。假如(ru)一個行(xing)星圍繞恒星運動(dong)，恒星的(de)旋轉會伴(ban)隨有引(yin)力輻射(she)的(de)發(fa)生，使得行(xing)星的(de)運轉軌道發(fa)生變化(hua)，其(qi)主要變化(hua)特征表現在行(xing)星運動(dong)周(zhou)(zhou)期的(de)減小(xiao)，如(ru)果行(xing)星的(de)運動(dong)周(zhou)(zhou)期減小(xiao)，那么就能(neng)說明引(yin)力輻射(she)的(de)發(fa)生。
這一(yi)現(xian)象在(zai)1974年，被赫爾斯和泰勒二人所證(zheng)實。他們對(dui)脈(mo)沖(chong)雙星(xing)PSR1913+16進(jin)行觀測，發現(xian)它們的(de)公(gong)轉(zhuan)周期變(bian)小率為（-2.40±0.09）×10-12，這個數(shu)值(zhi)與廣義相(xiang)對(dui)論的(de)計算符合(he)的(de)很好，廣義相(xiang)對(dui)論的(de)預言值(zhi)為（-2.403±0.002）×10-12，這一(yi)點充分證(zheng)明(ming)了引力輻射的(de)存在(zai)。
引(yin)(yin)(yin)力(li)輻射(she)的存(cun)在(zai)，意味著引(yin)(yin)(yin)力(li)波在(zai)宇宙中(zhong)是存(cun)在(zai)的，并且無所不在(zai)。同時也證明了引(yin)(yin)(yin)力(li)波的媒介子(zi)引(yin)(yin)(yin)力(li)子(zi)的存(cun)在(zai)。
通過這(zhe)些論(lun)斷，可以(yi)證(zheng)明引力(li)子(zi)在宇宙中是(shi)必定(ding)存(cun)在的，只不(bu)(bu)過我(wo)們無法探測到。引力(li)子(zi)的無法探測性，其實并(bing)不(bu)(bu)影響我(wo)們尋求(qiu)量子(zi)引力(li)理(li)論(lun)，因為量子(zi)引力(li)理(li)論(lun)建立的基礎是(shi)場，而不(bu)(bu)是(shi)粒子(zi)。
牛頓的(de)(de)(de)萬(wan)有引(yin)力定律很(hen)好地(di)(di)解(jie)(jie)釋了地(di)(di)面(mian)上(shang)物體(ti)(ti)所受的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)力、海(hai)洋(yang)的(de)(de)(de)潮汐和行星與(yu)天(tian)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)運(yun)動，把天(tian)上(shang)的(de)(de)(de)運(yun)動和地(di)(di)上(shang)的(de)(de)(de)運(yun)動統(tong)一了起來(lai)，具有非常重(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de)意義。但讓牛頓感到(dao)遺憾(han)的(de)(de)(de)是，他一直(zhi)沒能解(jie)(jie)釋清楚兩個(ge)有質(zhi)量的(de)(de)(de)物體(ti)(ti)之間(jian)為什么會有引(yin)力？這個(ge)問題(ti)被愛(ai)因斯坦的(de)(de)(de)廣義相(xiang)對(dui)論很(hen)好地(di)(di)解(jie)(jie)決(jue)了。
廣(guang)義相對論(lun)實際上就(jiu)是(shi)關于萬有(you)引力本質的(de)(de)理(li)論(lun)。它(ta)認為，一個有(you)質量的(de)(de)物(wu)(wu)體，會使它(ta)周圍(wei)的(de)(de)時空(kong)(kong)發生彎曲(qu)，在這個彎曲(qu)的(de)(de)時空(kong)(kong)里，一切物(wu)(wu)體都將自然地(di)沿測地(di)線(xian)(xian)（也叫做(zuo)“短程線(xian)(xian)”）運(yun)動，而表(biao)(biao)現為向一塊靠(kao)攏。我們看不到時空(kong)(kong)的(de)(de)彎曲(qu)，只看到物(wu)(wu)體在互相靠(kao)攏，就(jiu)認為它(ta)們之間存在著一種“萬有(you)引力”，實際上物(wu)(wu)體之間表(biao)(biao)現出來的(de)(de)這種萬有(you)引力，并不是(shi)一種真(zhen)正的(de)(de)力，而是(shi)時空(kong)(kong)彎曲(qu)的(de)(de)表(biao)(biao)現。
三維時(shi)空的彎曲(qu)(qu)(qu)我(wo)們不好想(xiang)象，但(dan)是可(ke)以降一(yi)(yi)維（在(zai)二維平面上(shang)）做個(ge)比喻(yu)。設想(xiang)有一(yi)(yi)塊布(bu)(bu)把(ba)(ba)它懸空展平，上(shang)面放(fang)一(yi)(yi)個(ge)小球(qiu)，它就(jiu)會(hui)(hui)把(ba)(ba)布(bu)(bu)壓彎，在(zai)另一(yi)(yi)個(ge)地(di)(di)方再放(fang)一(yi)(yi)個(ge)小球(qiu)，它也會(hui)(hui)把(ba)(ba)它周(zhou)圍的布(bu)(bu)壓彎。我(wo)們看(kan)到(dao)，這兩個(ge)小球(qiu)就(jiu)會(hui)(hui)自然地(di)(di)向一(yi)(yi)塊靠(kao)攏，這是它們在(zai)沿(yan)各自的測(ce)地(di)(di)線運動的結果。我(wo)們看(kan)不到(dao)布(bu)(bu)的彎曲(qu)(qu)(qu)，只看(kan)到(dao)小球(qiu)在(zai)向一(yi)(yi)起靠(kao)攏，就(jiu)說它們之間有個(ge)引力存在(zai)，其實它只是時(shi)空彎曲(qu)(qu)(qu)的表(biao)現而(er)已(yi)。
這種解釋在(zai)水星近日(ri)點的進動(dong)、光線在(zai)引力(li)(li)場中(zhong)的彎(wan)曲、引力(li)(li)紅(hong)移等問題上得(de)到(dao)了很(hen)好(hao)的檢(jian)驗(yan)，其后在(zai)大量(liang)更精(jing)密(mi)的實驗(yan)中(zhong)得(de)到(dao)了進一步(bu)的檢(jian)驗(yan)，與實驗(yan)符合得(de)很(hen)好(hao)。廣(guang)義相對論被認為是一種最好(hao)的萬有(you)引力(li)(li)理論。
中國科學家(jia)測得引力傳播速度。
經(jing)過10多年的(de)(de)持續探索，中(zhong)國科學家(jia)在世界上成功獲(huo)(huo)得(de)“引(yin)力(li)場(chang)(chang)以光(guang)速傳播”的(de)(de)第一(yi)個(ge)觀測(ce)證據。這項原始(shi)創新成果，實(shi)現了物理學界多年來對通過實(shi)驗或觀測(ce)獲(huo)(huo)得(de)引(yin)力(li)場(chang)(chang)傳播速度(du)的(de)(de)期待(dai)，對引(yin)力(li)場(chang)(chang)的(de)(de)理論和實(shi)驗研究(jiu)具(ju)有(you)重要(yao)意義。
中(zhong)國(guo)科學院地質(zhi)與地球物理研(yan)究所(suo)26日(ri)下午在北京對(dui)外宣布(bu)，由該所(suo)湯(tang)克(ke)云研(yan)究員(yuan)領銜、中(zhong)國(guo)地震局和中(zhong)國(guo)科學院大學有關科研(yan)人員(yuan)組(zu)成的科學團(tuan)組(zu)，經過10多年(nian)的持續探(tan)索在實施多次日(ri)食期間的固體(ti)潮觀測(ce)后，發現現行地球固體(ti)潮公(gong)式實際上暗(an)含(han)著引(yin)力(li)場(chang)以(yi)光速傳(chuan)播(bo)(bo)的假(jia)定，從而提出(chu)用固體(ti)潮測(ce)量引(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)(bo)速度的方(fang)法。
湯(tang)克(ke)云(yun)科(ke)學團組(zu)先后實(shi)施(shi)1997年漠河日(ri)全(quan)食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測、2001年贊比亞日(ri)全(quan)食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測、2002年澳大利(li)亞日(ri)全(quan)食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測、2008年嘉(jia)峪關日(ri)全(quan)食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測、2009年上(shang)海-杭州-湖州日(ri)全(quan)食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測和2010年云(yun)南大理日(ri)環食(shi)(shi)觀(guan)(guan)(guan)測，主要是重力固體潮觀(guan)(guan)(guan)測。
中(zhong)國科學(xue)家們觀(guan)測研究(jiu)發現：現今固體潮(chao)理論公式(shi)中(zhong)隱含著引(yin)力(li)場以光速(su)傳(chuan)播的(de)假定(ding)，進而導出引(yin)力(li)傳(chuan)播速(su)度(du)方(fang)程，并找到求解引(yin)力(li)場速(su)度(du)的(de)有(you)效方(fang)法。湯克云科學(xue)團組隨(sui)后選擇遠離太平(ping)洋(yang)(yang)(yang)、大西洋(yang)(yang)(yang)、印(yin)度(du)洋(yang)(yang)(yang)和北冰洋(yang)(yang)(yang)的(de)西藏(zang)獅泉河站和新(xin)疆烏什站的(de)固體潮(chao)數據(ju)作(zuo)相關校正(zheng)后，代入引(yin)力(li)傳(chuan)播速(su)度(du)方(fang)程，最終(zhong)獲得全球“引(yin)力(li)場以光速(su)傳(chuan)播”的(de)第一(yi)個(ge)觀(guan)測證據(ju)。
專(zhuan)家介(jie)紹說，牛頓的萬有引力定律表明，引力傳(chuan)播是一種超(chao)距作用(yong)，引力可以在(zai)瞬間傳(chuan)播至任意遠處，愛因斯(si)坦則認為牛頓的超(chao)距作用(yong)應該(gai)放(fang)棄。一直以來，整(zheng)個物理學界都(dou)在(zai)期待著通過實驗或觀(guan)測獲得引力場傳(chuan)播的速度，但此前均未找(zhao)到(dao)正(zheng)確的實驗或觀(guan)測方法。
歲月靜好
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