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定義

萬有引(yin)(yin)力(li)(li)定律(lv)：屬(shu)于自然科學領域定律(lv)，自然界中任何兩(liang)(liang)個物體都是(shi)相互吸引(yin)(yin)的，引(yin)(yin)力(li)(li)的大小跟這(zhe)兩(liang)(liang)個物體的質(zhi)量乘(cheng)積(ji)成正比，跟它們的距離(li)的二次方(fang)成反比。

萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)是牛(niu)頓(dun)在1687年出版的(de)(de)(de)《自(zi)然哲學(xue)的(de)(de)(de)數學(xue)原理(li)》一書(shu)中(zhong)首先提出的(de)(de)(de)。牛(niu)頓(dun)利(li)用萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)不(bu)僅說明了(le)(le)行星(xing)運(yun)動規(gui)律(lv)，而(er)且還(huan)指出木星(xing)、土星(xing)的(de)(de)(de)衛星(xing)圍繞行星(xing)也有同樣的(de)(de)(de)運(yun)動規(gui)律(lv)。他認為月球(qiu)除了(le)(le)受到地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)外(wai)，還(huan)受到太陽的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)，從而(er)解釋了(le)(le)月球(qiu)運(yun)動中(zhong)早已發(fa)(fa)現的(de)(de)(de)二均(jun)差，出差等；另外(wai)，他還(huan)解釋了(le)(le)彗星(xing)的(de)(de)(de)運(yun)動軌道和地(di)球(qiu)上(shang)的(de)(de)(de)潮汐(xi)現象。根(gen)據萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)成(cheng)功地(di)預言并(bing)發(fa)(fa)現了(le)(le)海(hai)王星(xing)。

萬有引力定律出現后，才正式把研究天體(ti)(ti)的(de)運動建(jian)立在力學(xue)理論的(de)基礎上，從而創立了天體(ti)(ti)力學(xue)。簡單的(de)說，質(zhi)量越(yue)大的(de)東西產生的(de)引力越(yue)大,這個(ge)(ge)力與兩(liang)個(ge)(ge)物體(ti)(ti)的(de)質(zhi)量均(jun)成正比(bi)，與兩(liang)個(ge)(ge)物體(ti)(ti)間的(de)距(ju)離平(ping)方(fang)成反比(bi)。地球的(de)質(zhi)量產生的(de)引力足夠把地球上的(de)東西全部(bu)抓牢。

萬(wan)有(you)引(yin)力定(ding)律(lv)傳入中(zhong)(zhong)國(guo)：《自然(ran)(ran)哲學(xue)(xue)(xue)的(de)數(shu)學(xue)(xue)(xue)原理》牛頓最重(zhong)要的(de)著作，1687年(nian)出(chu)版(ban)。該(gai)書(shu)(shu)(shu)(shu)總(zong)結了(le)他一生中(zhong)(zhong)許(xu)多重(zhong)要發(fa)現和研究成(cheng)果，其中(zhong)(zhong)包括上述關于物體運(yun)動(dong)的(de)定(ding)律(lv)。他說(shuo)，該(gai)書(shu)(shu)(shu)(shu)“所研究的(de)主要是(shi)關于重(zhong)、輕流體抵抗力及其他吸(xi)引(yin)運(yun)動(dong)的(de)力的(de)狀況，所以我(wo)們研究的(de)是(shi)自然(ran)(ran)哲學(xue)(xue)(xue)的(de)數(shu)學(xue)(xue)(xue)原理。”該(gai)書(shu)(shu)(shu)(shu)傳入中(zhong)(zhong)國(guo)后，中(zhong)(zhong)國(guo)數(shu)學(xue)(xue)(xue)家李善(shan)蘭曾(ceng)譯出(chu)一部(bu)分(fen)，但未出(chu)版(ban)，譯稿(gao)也遺(yi)失了(le)。現有(you)的(de)中(zhong)(zhong)譯本(ben)是(shi)數(shu)學(xue)(xue)(xue)家鄭(zheng)太樸(pu)翻譯的(de)，書(shu)(shu)(shu)(shu)名為《自然(ran)(ran)哲學(xue)(xue)(xue)之數(shu)學(xue)(xue)(xue)原理》，1931年(nian)商務(wu)印書(shu)(shu)(shu)(shu)館初(chu)版(ban)，1957和1958年(nian)兩次(ci)重(zhong)印。

詳細內容

萬有引力等于(yu)引力常(chang)量乘以兩物體質量的乘積(ji)除以它們距(ju)離的平方。其(qi)(qi)中G代表引力常(chang)量，其(qi)(qi)值約(yue)為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英(ying)國物理學(xue)家、化學(xue)家亨利·卡(ka)文迪(di)許(xu)通(tong)過扭秤(cheng)實驗(yan)測得。此(ci)外，庫侖定律也可以用這種扭秤(cheng)證明。

因為行星受到(dao)的(de)作用力和太陽受到(dao)的(de)作用力是相(xiang)同(tong)大(da)小的(de)力，由這兩個(ge)式子(zi)比較可(ke)知，k′包含了(le)太陽的(de)質量(liang)M，k″包含了(le)行星的(de)質量(liang)m。由此(ci)可(ke)知，這兩個(ge)力與兩個(ge)天體質量(liang)的(de)乘(cheng)積成正比，它稱(cheng)為萬(wan)有引力。

如果引(yin)(yin)入一個新的常數G（稱萬有(you)引(yin)(yin)力常數），再考慮太陽和行(xing)星的質量，以(yi)及先前得出的4·π2，那么可(ke)以(yi)表示為：萬有(you)引(yin)(yin)力，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩個通常物體(ti)(ti)(ti)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)萬有引力(li)(li)(li)極其(qi)微(wei)小(xiao)，我(wo)們(men)察(cha)覺不(bu)(bu)到它(ta)，可以不(bu)(bu)予考慮。比如(ru)，兩個質量都是60千克的(de)(de)人(ren)，相距0.5米，他們(men)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)萬有引力(li)(li)(li)還不(bu)(bu)足(zu)百萬分之(zhi)(zhi)一牛頓，而一只螞蟻拖動細(xi)草(cao)梗的(de)(de)力(li)(li)(li)竟是這個引力(li)(li)(li)的(de)(de)1000倍！但是，天(tian)(tian)體(ti)(ti)(ti)系統中，由于天(tian)(tian)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)質量很大，萬有引力(li)(li)(li)就起著決定性(xing)的(de)(de)作用。在天(tian)(tian)體(ti)(ti)(ti)中質量還算很小(xiao)的(de)(de)地球，對其(qi)他的(de)(de)物體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)萬有引力(li)(li)(li)已經具有巨大的(de)(de)影響，它(ta)把人(ren)類、大氣(qi)和(he)所有地面物體(ti)(ti)(ti)束縛在地球上，它(ta)使月球和(he)人(ren)造地球衛(wei)星繞地球旋轉(zhuan)而不(bu)(bu)離(li)去。

重力

在人類航天(tian)事(shi)業興起之(zhi)(zhi)前(qian)，萬(wan)有引力(li)(li)早已被應用于宇(yu)宙(zhou)天(tian)體的(de)(de)研究。重(zhong)力(li)(li)雖然早被發(fa)(fa)現，但是(shi)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)研究進入宇(yu)宙(zhou)這個(ge)領域，是(shi)航天(tian)科學(xue)帶(dai)領的(de)(de)。從地(di)(di)面(mian)出發(fa)(fa)進行的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)航行的(de)(de)路上(shang)，物(wu)體受(shou)的(de)(de)重(zhong)力(li)(li)要發(fa)(fa)生巨(ju)大變(bian)化。到達(da)目標天(tian)體或(huo)人造天(tian)體后，物(wu)體受(shou)的(de)(de)重(zhong)力(li)(li)也會與地(di)(di)球上(shang)有很大區別(bie)。要考(kao)慮(lv)人如(ru)何耐受(shou)體重(zhong)的(de)(de)巨(ju)大變(bian)化，要研究支撐(cheng)物(wu)如(ru)何承(cheng)受(shou)物(wu)體重(zhong)量帶(dai)來的(de)(de)壓力(li)(li)的(de)(de)巨(ju)大變(bian)化。但是(shi)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)研究難(nan)于萬(wan)有引力(li)(li)。至(zhi)今(jin)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)定義只停(ting)留(liu)(liu)在地(di)(di)面(mian)附近，重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)概念也沒(mei)有深入本質。重(zhong)力(li)(li)研究停(ting)留(liu)(liu)在下面(mian)的(de)(de)小范圍之(zhi)(zhi)內(nei)。

重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)，就(jiu)是由于地(di)面附近(jin)的(de)物(wu)體受到地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)而產生(sheng)的(de)。但是需(xu)要注意(yi)(yi)的(de)是，因(yin)為地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)在(zai)自轉(zhuan)，除(chu)了(le)在(zai)南(nan)極北極端點(dian)，在(zai)地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)上任意(yi)(yi)一點(dian)的(de)物(wu)體，其(qi)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)并不(bu)等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)（因(yin)為這里(li)的(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)是指(zhi)(zhi)地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)本(ben)(ben)身(shen)的(de)引(yin)力(li)(li)(li)，而重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)是物(wu)體本(ben)(ben)身(shen)的(de)質量(liang)(liang)再加上萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)）。此(ci)時可(ke)看作繞地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)向(xiang)(xiang)心(xin)(xin)(xin)力(li)(li)(li)和重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)合成萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)（矢量(liang)(liang)和—平行四邊(bian)形法則(ze)）。由于繞地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)向(xiang)(xiang)心(xin)(xin)(xin)力(li)(li)(li)遠(yuan)小于重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)，故一般就(jiu)認(ren)為重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)就(jiu)略等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)了(le)，其(qi)實重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)是略小于萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)的(de)，只有(you)在(zai)南(nan)北極物(wu)體繞地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)向(xiang)(xiang)心(xin)(xin)(xin)力(li)(li)(li)為零時，重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)才等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)。重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)和萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)的(de)方向(xiang)(xiang)不(bu)同，重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)是豎(shu)直向(xiang)(xiang)下(xia)，萬(wan)(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)(li)是指(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)地(di)心(xin)(xin)(xin)，豎(shu)直向(xiang)(xiang)下(xia)和指(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)地(di)心(xin)(xin)(xin)是不(bu)同的(de)，不(bu)能混淆。

上面(mian)研究(jiu)重力的(de)方法只適(shi)用于地面(mian)，宇宙航行中的(de)重力和(he)宇宙中天體或(huo)人(ren)造天體上的(de)重力的(de)研究(jiu)，離不開下面(mian)重力的(de)概念和(he)定義(yi)。

在(zai)靜力(li)學(xue)范圍內(nei)，以放置(zhi)物(wu)(wu)體(ti)的支(zhi)撐物(wu)(wu)或(huo)物(wu)(wu)體(ti)本身(shen)為參照(zhao)物(wu)(wu)，來研(yan)(yan)究重力(li)能得(de)(de)到最好的保障。萬有(you)引力(li)和(he)慣(guan)性(xing)力(li)都是同(tong)(tong)(tong)時作用(yong)在(zai)物(wu)(wu)體(ti)的每一個微小部(bu)分(fen)，因(yin)此(ci)(ci)都能使物(wu)(wu)體(ti)獲得(de)(de)重量。在(zai)沒有(you)其他的力(li)具(ju)有(you)這樣(yang)的作用(yong)效果。因(yin)此(ci)(ci)將萬有(you)引力(li)和(he)慣(guan)性(xing)力(li)的共同(tong)(tong)(tong)作用(yong)，即它們的合力(li)叫(jiao)做重力(li)。這種研(yan)(yan)究重力(li)得(de)(de)到的結果與上面提到在(zai)地面上的研(yan)(yan)究方法得(de)(de)到的結果完(wan)全相同(tong)(tong)(tong)，因(yin)為地球也是宇宙天(tian)體(ti)之一。

會從這里(li)發現，在地(di)(di)面研究重力，怎么(me)只考(kao)(kao)慮地(di)(di)球的(de)(de)引(yin)(yin)力，卻沒有(you)考(kao)(kao)慮把地(di)(di)球吸引(yin)(yin)得團(tuan)團(tuan)轉的(de)(de)太(tai)陽(yang)的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力和其(qi)他眾星球的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力？新的(de)(de)概(gai)念和定義能很好地(di)(di)做出解釋。把各(ge)星球看(kan)做質點，那么(me)太(tai)陽(yang)的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力和其(qi)他眾星球的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力，都分別和與它(ta)們對應的(de)(de)慣性(xing)力相互抵消。因此在求地(di)(di)面上物體的(de)(de)重力時除地(di)(di)球萬有(you)引(yin)(yin)力以(yi)外，其(qi)他的(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力可以(yi)不(bu)參(can)與重力的(de)(de)計算。但是不(bu)加(jia)考(kao)(kao)慮是不(bu)可以(yi)的(de)(de)。

宇宙航行中物體的(de)(de)(de)超重(zhong)、失(shi)重(zhong)現象(xiang)的(de)(de)(de)解(jie)釋(shi)和物體在其他星球上的(de)(de)(de)重(zhong)力(li)計算，都可以在新定義下，用物體所(suo)受重(zhong)力(li)的(de)(de)(de)變化或(huo)說重(zhong)量的(de)(de)(de)變化來解(jie)決。這樣重(zhong)力(li)的(de)(de)(de)研(yan)究就(jiu)會伴隨(sui)萬有引力(li)的(de)(de)(de)研(yan)究進入宇宙空間(jian)。

偉大意義

17世紀早期，人(ren)(ren)們已經能(neng)夠區分很多力(li)，比(bi)如(ru)摩擦力(li)、重力(li)、空氣阻力(li)、電力(li)和人(ren)(ren)力(li)等(deng)。牛頓(dun)首次將其(qi)中(zhong)一些(xie)看似(si)不同(tong)(tong)的力(li)準確地(di)歸結到萬(wan)有引力(li)概念(nian)里：蘋果落地(di)，人(ren)(ren)有體重，月亮圍繞地(di)球轉，所有這些(xie)現象都是(shi)由(you)相同(tong)(tong)原因引起的。牛頓(dun)的萬(wan)有引力(li)定(ding)律簡單易懂，涵蓋面(mian)廣。

萬有(you)引力的(de)(de)發現，是17世紀自(zi)(zi)然科學最偉大的(de)(de)成(cheng)果之(zhi)一。它把地(di)面(mian)上的(de)(de)物(wu)體運(yun)動的(de)(de)規(gui)(gui)律和天(tian)體運(yun)動的(de)(de)規(gui)(gui)律統一了起來，對以后(hou)物(wu)理學和天(tian)文學的(de)(de)發展具有(you)深遠的(de)(de)影響。它第(di)一次揭(jie)示了自(zi)(zi)然界(jie)中(zhong)一種基本相互作(zuo)用(yong)的(de)(de)規(gui)(gui)律，在人類認(ren)識自(zi)(zi)然的(de)(de)歷(li)史(shi)上樹立(li)了一座里(li)程碑。

牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)的(de)(de)萬(wan)有(you)引力(li)概念是(shi)所有(you)科學(xue)中最實用的(de)(de)概念之一。牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)認為(wei)萬(wan)有(you)引力(li)是(shi)所有(you)物質的(de)(de)基本特征(zheng)，這(zhe)成為(wei)大部(bu)分(fen)物理科學(xue)的(de)(de)理論基石。

發現過程

原因

牛頓(dun)發現萬(wan)有(you)引力的原因很多，主(zhu)要因為以下幾點。

1.科學(xue)發(fa)展的要求：牛(niu)頓之(zhi)前，有很多天文(wen)學(xue)家在(zai)對宇宙中的星球進(jin)行觀(guan)(guan)察。經過幾位天文(wen)學(xue)家的觀(guan)(guan)察記錄，到開(kai)普勒時，他對這些觀(guan)(guan)測結(jie)果進(jin)行了分析總(zong)結(jie)，得到開(kai)普勒三大(da)定律：

1.所(suo)(suo)有(you)行(xing)星都繞(rao)太陽做(zuo)橢圓運行(xing)，太陽在所(suo)(suo)有(you)橢圓的(de)公(gong)共焦點上(shang)。

2.行(xing)星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積。

3.所有行星軌(gui)道半長軸的三次方(fang)跟公轉(zhuan)周(zhou)期的二次方(fang)的比值都相等，即(ji)r^3/T^2=k。

開(kai)普勒三(san)定(ding)律是不(bu)容置疑(yi)的，但(dan)為什(shen)么會(hui)這樣呢？是什(shen)么讓(rang)它們做加(jia)速(su)度非零的運動？牛頓經過研究思(si)考(kao)解(jie)決了這個問題：物體之間(jian)存在萬有(you)引力(li)。當然他發現萬有(you)引力(li)定(ding)量(liang)是一個漫長而曲(qu)折的過程(cheng)。

2.個人原(yuan)因：牛(niu)頓(dun)(dun)發現(xian)萬有引(yin)力定律，雖(sui)然是科(ke)學發展的(de)要(yao)求，生產力發展的(de)原(yuan)因，但我們不(bu)能忽(hu)略(lve)牛(niu)頓(dun)(dun)本人的(de)一些因素：聰明(ming)勤于思考(kao) 擁有一定的(de)知識(shi)量。據《物(wu)理學史》說：牛(niu)頓(dun)(dun)在(zai)(zai)發現(xian)萬有引(yin)力定律的(de)那一段時間，廢寢忘(wang)食(shi)（每天魂(hun)不(bu)守舍，在(zai)(zai)食(shi)堂吃飯(fan)，飯(fan)碗在(zai)(zai)前，他(ta)在(zai)(zai)發呆。去食(shi)堂吃飯(fan)，卻走錯(cuo)了(le)(le)方向。一些老師在(zai)(zai)校園(yuan)后的(de)沙灘上(shang)散(san)步時，看見了(le)(le)一些古(gu)怪(guai)的(de)算式(shi)和符號）。1669年(nian)，他(ta)年(nian)僅27歲，就(jiu)擔任了(le)(le)劍橋的(de)數學教授。還有1672年(nian)當(dang)選為英國(guo)皇家(jia)學會(hui)會(hui)員。

過程

1666年，23歲的(de)牛(niu)頓(dun)還(huan)是劍橋大(da)學(xue)圣三一學(xue)院三年級的(de)學(xue)生。看到他(ta)白皙的(de)皮膚和金色(se)的(de)長發，很(hen)多人以為他(ta)還(huan)是個孩子(zi)。他(ta)身(shen)體瘦小，沉默寡言，性(xing)格嚴肅，這使人們更加相(xiang)信他(ta)還(huan)是個孩子(zi)。他(ta)那(nei)雙銳利的(de)眼睛和整(zheng)天寫滿怒氣(qi)的(de)表情更是拒(ju)人于千里(li)之外。

黑死病席卷了(le)倫敦，奪(duo)走了(le)很多人的(de)生命，那確實是段可怕(pa)的(de)日子。大學被迫(po)關閉，像艾(ai)薩克·牛頓這樣熱衷于學術的(de)人只好返回安全的(de)鄉(xiang)村，期待著席卷城(cheng)市的(de)病魔早日離去。

在鄉村的(de)(de)日子里，牛頓(dun)一直被(bei)這(zhe)樣的(de)(de)問題困惑：是(shi)(shi)什(shen)么力(li)量驅使月(yue)球(qiu)(qiu)圍(wei)繞(rao)(rao)地球(qiu)(qiu)轉，地球(qiu)(qiu)圍(wei)繞(rao)(rao)太陽轉？牛頓(dun)首次認為，重(zhong)(zhong)力(li)不僅僅是(shi)(shi)行星(xing)(xing)和恒星(xing)(xing)之(zhi)間(jian)的(de)(de)作用力(li)，有可(ke)能是(shi)(shi)普遍(bian)存在的(de)(de)吸引(yin)力(li)。他深(shen)信煉金術，認為物質之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)吸引(yin)，這(zhe)使他斷言，相(xiang)互(hu)吸引(yin)力(li)不但適(shi)用于碩大的(de)(de)天體之(zhi)間(jian)，而(er)且適(shi)用于各種體積(ji)的(de)(de)物體之(zhi)間(jian)。蘋果(guo)落(luo)地、雨滴降(jiang)落(luo)和行星(xing)(xing)沿(yan)著(zhu)軌道(dao)圍(wei)繞(rao)(rao)太陽運行都(dou)是(shi)(shi)重(zhong)(zhong)力(li)作用的(de)(de)結果(guo)。

人們普遍(bian)認為，適(shi)用(yong)于地球的(de)(de)自(zi)然(ran)定(ding)律與太(tai)空(kong)中的(de)(de)定(ding)律大相徑庭。牛(niu)頓(dun)的(de)(de)萬有引(yin)力定(ding)律沉重打擊了這(zhe)一(yi)觀點(dian)，它告訴人們，支(zhi)配(pei)自(zi)然(ran)和宇宙的(de)(de)法則是很(hen)簡(jian)單的(de)(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(ji)石。

當然，當時牛頓(dun)提出了(le)萬有引(yin)力(li)(li)理論，卻未能(neng)得出萬有引(yin)力(li)(li)的公式，因為公式中(zhong)的“G”實在太(tai)小了(le)，因此他提出：F∝mM/r2。直到1798年英國物理學家卡文迪(di)(di)許利用著(zhu)名(ming)的卡文迪(di)(di)許扭秤（即卡文迪(di)(di)許實驗）較(jiao)精(jing)確地測出了(le)引(yin)力(li)(li)恒(heng)量的數值。

簡單含義

牛頓并不(bu)是(shi)(shi)發(fa)現了重力，他是(shi)(shi)發(fa)現重力是(shi)(shi)“萬(wan)有(you)(you)”的(de)。每(mei)(mei)個物(wu)體(ti)(ti)都會吸引(yin)其他物(wu)體(ti)(ti)，而這股引(yin)力的(de)大小(xiao)只跟(gen)物(wu)體(ti)(ti)的(de)質量與物(wu)體(ti)(ti)間(jian)的(de)距離有(you)(you)關。牛頓的(de)萬(wan)有(you)(you)引(yin)力定律(lv)說明，每(mei)(mei)一(yi)個物(wu)體(ti)(ti)都吸引(yin)著(zhu)其他每(mei)(mei)一(yi)個物(wu)體(ti)(ti)，而兩個物(wu)體(ti)(ti)間(jian)的(de)引(yin)力大小(xiao)，正(zheng)比于這它們的(de)質量，會隨著(zhu)兩物(wu)體(ti)(ti)中心連線距離的(de)平方而遞減。

牛頓為了(le)證明只有(you)球(qiu)(qiu)(qiu)形(xing)體(ti)可(ke)把“球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)總(zong)質(zhi)(zhi)量(liang)集中到球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)質(zhi)(zhi)心點”來(lai)代(dai)表整(zheng)(zheng)個球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)作(zuo)用的(de)總(zong)效果而發展了(le)微積(ji)分(fen)。然(ran)而不(bu)管(guan)距離(li)地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)多(duo)遠(yuan)(yuan)，地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)重力(li)永遠(yuan)(yuan)不(bu)會變成零，即(ji)使(shi)你(ni)被帶到宇(yu)宙(zhou)的(de)邊緣，地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)重力(li)還(huan)是(shi)會作(zuo)用到你(ni)身上，雖然(ran)地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)重力(li)的(de)作(zuo)用可(ke)能(neng)會被你(ni)附近質(zhi)(zhi)量(liang)巨大(da)的(de)物體(ti)所(suo)掩蓋，但(dan)它(ta)還(huan)是(shi)存(cun)在。不(bu)管(guan)是(shi)多(duo)小(xiao)還(huan)是(shi)多(duo)遠(yuan)(yuan)，每一個物體(ti)都會受(shou)到引(yin)力(li)作(zuo)用，而且遍布整(zheng)(zheng)個太空，正如我們(men)所(suo)說的(de)“萬(wan)有(you)”。

基本力

萬有引(yin)力(li)是任意兩(liang)個(ge)物體(ti)或兩(liang)個(ge)粒(li)子間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)與其(qi)質量(liang)乘積(ji)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)吸引(yin)力(li)，自然(ran)界中最普遍的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)，簡稱(cheng)(cheng)引(yin)力(li)。在(zai)粒(li)子物理學中則稱(cheng)(cheng)引(yin)力(li)和(he)強力(li)、弱力(li)、電磁(ci)(ci)力(li)合稱(cheng)(cheng)4種(zhong)基(ji)本相(xiang)互作用。引(yin)力(li)是其(qi)中最弱的(de)(de)(de)(de)(de)一種(zhong)，兩(liang)個(ge)質子間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)萬有引(yin)力(li)只(zhi)有它們間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)1/10，質子受地球的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)也只(zhi)有它在(zai)一個(ge)不強的(de)(de)(de)(de)(de)電場1000伏/米的(de)(de)(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)1/10。因此(ci)研(yan)究粒(li)子間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)作用或粒(li)子在(zai)電子顯(xian)微鏡和(he)加(jia)速(su)器(qi)中運動時，都不考慮萬有引(yin)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)作用。

一(yi)般物體(ti)(ti)之間(jian)的(de)引力(li)(li)也是(shi)(shi)很(hen)小的(de)，例如兩(liang)(liang)個(ge)直(zhi)徑為1米的(de)鐵(tie)球(qiu)(qiu)，緊靠(kao)在(zai)一(yi)起時，引力(li)(li)也只有1.14×10-3牛頓(dun)(dun)，相當于0.03克的(de)一(yi)小滴水的(de)重(zhong)量。但地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)的(de)質(zhi)量很(hen)大，這(zhe)兩(liang)(liang)個(ge)鐵(tie)球(qiu)(qiu)分別受到4×102牛頓(dun)(dun)的(de)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)引力(li)(li)，所以(yi)研究(jiu)物體(ti)(ti)在(zai)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)引力(li)(li)場中(zhong)的(de)運動(dong)時，通常(chang)都不考慮周圍其他物體(ti)(ti)的(de)引力(li)(li)。天體(ti)(ti)如太陽和地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)的(de)質(zhi)量都很(hen)大，乘積就更(geng)大，巨大的(de)引力(li)(li)就能使(shi)(shi)龐然大物繞太陽轉動(dong)。引力(li)(li)就成了(le)支(zhi)配天體(ti)(ti)運動(dong)的(de)唯一(yi)的(de)一(yi)種力(li)(li)。恒星的(de)形成，在(zai)高溫狀(zhuang)態下不彌散反而逐漸收縮，最(zui)后坍(tan)縮為白(bai)矮(ai)星、中(zhong)子星和黑洞，也都是(shi)(shi)由于引力(li)(li)的(de)作用(yong)，因(yin)此引力(li)(li)也是(shi)(shi)促(cu)使(shi)(shi)天體(ti)(ti)演化的(de)重(zhong)要因(yin)素。

迄今為止，我(wo)們(men)已經知道，引(yin)力(li)(li)(li)是(shi)一種與時空基本(ben)結(jie)構(gou)緊密(mi)關聯(lian)的(de)普適力(li)(li)(li)。應該(gai)視其為基本(ben)力(li)(li)(li)。換句(ju)話說，我(wo)們(men)應該(gai)用(yong)引(yin)力(li)(li)(li)來(lai)(lai)(lai)度量其他(ta)東西，而不是(shi)用(yong)其他(ta)東西來(lai)(lai)(lai)度量引(yin)力(li)(li)(li)。因此(ci)，在絕對意(yi)義上來(lai)(lai)(lai)說，引(yin)力(li)(li)(li)不是(shi)微弱的(de)——它本(ben)來(lai)(lai)(lai)就是(shi)這樣(yang)子的(de)。事實上，引(yin)力(li)(li)(li)顯得如此(ci)之微弱一直(zhi)讓理(li)論物(wu)理(li)學(xue)界感到困惑(huo)。

大統一理論

萬有(you)引力、電(dian)磁(ci)(ci)力、強(qiang)相互(hu)作用(yong)力、弱相互(hu)作用(yong)力這四種(zhong)作用(yong)力是(shi)基本力。它(ta)們(men)(men)(men)都是(shi)通(tong)過在粒子(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)交換的(de)(de)一種(zhong)“傳(chuan)播子(zi)”實現的(de)(de)交互(hu)作用(yong)的(de)(de)，這就像兩個人托排球，通(tong)過他們(men)(men)(men)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)排球把他們(men)(men)(men)聯(lian)系(xi)在一起(qi)一樣。帶電(dian)粒子(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)電(dian)磁(ci)(ci)相互(hu)作用(yong)的(de)(de)傳(chuan)播子(zi)是(shi)質量(liang)為(wei)零、自旋(xuan)為(wei)1的(de)(de)光子(zi)。 原來有(you)學(xue)者認為(wei)，核(he)(he)子(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)強(qiang)相互(hu)作用(yong)（核(he)(he)力）是(shi)靠(kao)π介(jie)子(zi)傳(chuan)遞的(de)(de)，但由于(yu)核(he)(he)子(zi)和π介(jie)子(zi)都是(shi)由夸(kua)克(ke)(ke)組成的(de)(de)，所以歸(gui)根結(jie)底它(ta)們(men)(men)(men)是(shi)夸(kua)克(ke)(ke)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)相互(hu)作用(yong)。

傳遞夸克之間強相互(hu)作(zuo)用的傳播子(zi)(zi)稱為(wei)“膠子(zi)(zi)”。注意光子(zi)(zi)不(bu)帶電(dian)，且只有一種，而膠子(zi)(zi)帶“色(se)荷”，分為(wei)八種不(bu)同的膠子(zi)(zi)。不(bu)過它和(he)光子(zi)(zi)一樣，都是自旋(xuan)為(wei)1的玻(bo)色(se)子(zi)(zi)。弱(ruo)相互(hu)作(zuo)用的傳播子(zi)(zi)是“中間玻(bo)色(se)子(zi)(zi)”，它的自旋(xuan)也為(wei)1。有三(san)種帶電(dian)情況：把帶有正負單位電(dian)荷的中間玻(bo)色(se)子(zi)(zi)記(ji)為(wei)W+、W-，把不(bu)帶電(dian)的中間玻(bo)色(se)子(zi)(zi)記(ji)為(wei)Z。1983年歐洲核(he)子(zi)(zi)研究中心的盧比亞和(he)范德梅爾(er)，在質(zhi)子(zi)(zi)-反質(zhi)子(zi)(zi)對撞機(ji)實驗中發現了這(zhe)三(san)種中間玻(bo)色(se)子(zi)(zi)，第二年即(ji)獲得諾貝爾(er)獎。

在現代物理學(xue)中(zhong)，能量(liang)概(gai)念(nian)比質(zhi)量(liang)概(gai)念(nian)更具有核(he)心地(di)位。這(zhe)表現在許多(duo)方(fang)(fang)面。真正守恒(heng)的(de)是能量(liang)而(er)非質(zhi)量(liang)。出(chu)現在各(ge)類基(ji)本方(fang)(fang)程，如(ru)統計力(li)學(xue)的(de)波爾(er)茲曼方(fang)(fang)程，量(liang)子力(li)學(xue)的(de)薛定諤方(fang)(fang)程和關于引力(li)的(de)愛因斯坦方(fang)(fang)程等方(fang)(fang)程中(zhong)也是能量(liang)。而(er)質(zhi)量(liang)似乎更多(duo)地(di)與(yu)技術(shu)途徑相聯系，例如(ru)作為龐加(jia)萊群不可約表示的(de)符(fu)號(hao)。

因此，愛(ai)因斯坦(tan)方(fang)程提出(chu)了一項挑戰。如果能夠(gou)用能量來解釋(shi)質(zhi)量，這將有助于改(gai)進科學家(jia)們對于世界的描述，這樣，構(gou)建世界所需要的構(gou)件(jian)可能變得更少。

借(jie)助于(yu)愛因斯坦定(ding)律，我們可(ke)以更(geng)好地解(jie)決(jue)或者回答牛頓所未曾解(jie)決(jue)的問題：什(shen)么是質量的起源？引(yin)力(li)與其他(ta)基本力(li)之間到底(di)有(you)什(shen)么關聯？

問題1：如(ru)果E=mc2，那(nei)么，質(zhi)量(liang)正(zheng)比(bi)于(yu)能量(liang)。因(yin)此如(ru)果能量(liang)守(shou)恒(heng)，是不是意味著質(zhi)量(liang)也守(shou)恒(heng)？然而，愛(ai)因(yin)斯坦(tan)的(de)方程只能運用到靜止的(de)孤立的(de)物體(ti)上。一般來說，兩個物體(ti)相互作(zuo)用時(shi)，能量(liang)和質(zhi)量(liang)不成正(zheng)比(bi)。E=mc2根本不適用。

問題2：用無質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)構件搭(da)建起來的(de)(de)物(wu)體(ti)如何感知引力？牛(niu)頓定律(lv)說(shuo)物(wu)體(ti)受到的(de)(de)引力與質(zhi)(zhi)量(liang)成正比(bi)，但事實上，通常被認為(wei)(wei)是(shi)(shi)零(ling)質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)光(guang)子卻會受到引力的(de)(de)作用而發生彎曲(qu)。這是(shi)(shi)1919年為(wei)(wei)嚴驗證在愛(ai)因斯坦廣義相對(dui)論所(suo)(suo)提(ti)出的(de)(de)假設進(jin)行的(de)(de)一次科(ke)學(xue)實觀測所(suo)(suo)證實了的(de)(de)。那么這是(shi)(shi)否意味著光(guang)子質(zhi)(zhi)量(liang)非零(ling)還是(shi)(shi)牛(niu)頓引力定律(lv)缺少普適性？

光(guang)的(de)(de)問題是(shi)(shi)一(yi)個值得重(zhong)視的(de)(de)首(shou)要性(xing)問題。《圣(sheng)經·創世紀(ji)》中(zhong)上帝(di)(di)在造物(wu)的(de)(de)第一(yi)日所創造之物(wu)便是(shi)(shi)光(guang)，上帝(di)(di)在圣(sheng)經中(zhong)也多(duo)次把光(guang)當(dang)成自(zi)己的(de)(de)化身。光(guang)是(shi)(shi)“所有事(shi)物(wu)”中(zhong)最重(zhong)要的(de)(de)元素，當(dang)然它截(jie)然不同(tong)于原子。人們(men)本能地認(ren)為光(guang)是(shi)(shi)與物(wu)質(zhi)完全不同(tong)的(de)(de)另一(yi)類東西，是(shi)(shi)非物(wu)質(zhi)的(de)(de)甚(shen)至是(shi)(shi)精神層面的(de)(de)，這很自(zi)然。

光(guang)也的(de)(de)確(que)表現出(chu)完(wan)全不(bu)同于(yu)可(ke)觸摸物(wu)質(zhi)的(de)(de)特性——后者是那種(zhong)(zhong)你踢一(yi)下就會(hui)(hui)傷著(zhu)腳(jiao)趾頭或者是流過吹過你身邊(bian)的(de)(de)東西。如(ru)果你要跟(gen)費恩曼例(li)子里的(de)(de)災后遺民(min)講授物(wu)理(li)學，你大可(ke)告訴(su)他(ta)們，光(guang)是物(wu)質(zhi)的(de)(de)另一(yi)種(zhong)(zhong)形式，他(ta)們也會(hui)(hui)理(li)解。你甚至可(ke)以告訴(su)他(ta)們，光(guang)是由粒(li)子——光(guang)子——組成(cheng)的(de)(de)。光(guang)子在真空中(zhong)運動速度很大，但是在超導狀態下，光(guang)運行(xing)的(de)(de)速度很慢(man)，大體跟(gen)目前世界跑(pao)得(de)最(zui)快的(de)(de)奧(ao)運會(hui)(hui)短跑(pao)冠(guan)軍(jun)的(de)(de)速度相近，而且，光(guang)子在這種(zhong)(zhong)狀態下也具有了質(zhi)量。

其次，值得提(ti)及的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不(bu)是(shi)故(gu)事的(de)(de)(de)(de)(de)結束，它們是(shi)由(you)更基本的(de)(de)(de)(de)(de)構件組(zu)成的(de)(de)(de)(de)(de)。因(yin)為所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質都(dou)能發(fa)光(guang)，所(suo)以我(wo)們可以假設所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質都(dou)是(shi)由(you)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)由(you)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)很小，其大(da)小大(da)約為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)10萬分之一，但它卻(que)包含所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)(dian)(dian)荷和(he)(he)構成了幾乎所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)質量。沿此思路走下去，我(wo)們將(jiang)很快將(jiang)費恩曼故(gu)事中(zhong)災(zai)后(hou)遺(yi)民引領到正(zheng)確(que)理解(jie)科(ke)學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)化學(xue)和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)道路上(shang)來(lai)，從而重建我(wo)們的(de)(de)(de)(de)(de)世界。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)因(yin)為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)性(xing)吸(xi)引而保持穩(wen)定。最后(hou)，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)又由(you)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)(he)卻(que)由(you)另一種力(li)來(lai)維持，這(zhe)種力(li)要比(bi)電(dian)(dian)(dian)性(xing)力(li)強大(da)很多，但作用的(de)(de)(de)(de)(de)距離卻(que)很短。這(zhe)種對于物(wu)質認(ren)識狀態，大(da)約是(shi)1935年(nian)前后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)情形。而我(wo)們所(suo)了解(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)當(dang)然要大(da)大(da)跨(kua)越這(zhe)一時(shi)期的(de)(de)(de)(de)(de)知識水準(zhun)。

1932年，詹姆斯(si)·查(cha)德威(wei)克發(fa)現(xian)了中子(zi)(zi)，這是一(yi)個(ge)里(li)程碑。在(zai)查(cha)德威(wei)克的(de)發(fa)現(xian)之后，理(li)解原子(zi)(zi)核(he)的(de)道(dao)路(lu)似(si)乎變得(de)通暢了。人們認為原子(zi)(zi)核(he)的(de)構件(jian)已被發(fa)現(xian)，它(ta)們就(jiu)是質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)。這是兩種重量近似(si)的(de)的(de)粒子(zi)(zi)，而(er)且有著類似(si)的(de)強相互作用。質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)的(de)最(zui)明顯的(de)差別就(jiu)是質(zhi)子(zi)(zi)帶正電(dian)荷(he)，而(er)中子(zi)(zi)呈(cheng)電(dian)中性(xing)。此外，孤立的(de)中子(zi)(zi)不穩定，大(da)約會在(zai)15分鐘的(de)壽(shou)命期(qi)限內衰變成一(yi)個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)（加一(yi)個(ge)正電(dian)荷(he)和一(yi)個(ge)中微子(zi)(zi)）。將質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)簡單(dan)相加，你就(jiu)可以得(de)到不同電(dian)荷(he)數和質(zhi)量的(de)模型原子(zi)(zi)核(he)，它(ta)與已知原子(zi)(zi)核(he)基(ji)本相符。

牛(niu)頓在1704年發表(biao)的《光學》一書中(zhong)，這樣表(biao)述(shu)了他對物質的終(zhong)極性質的設想：

“在我看來，事實上可(ke)(ke)能是(shi)，上帝開始造物的(de)(de)(de)(de)時，將(jiang)物質(zhi)做成了結實、沉重、堅硬、不可(ke)(ke)入但可(ke)(ke)運動的(de)(de)(de)(de)微(wei)粒(li)(li)，其大(da)小、形狀(zhuang)和其它一些(xie)屬性以及空間上的(de)(de)(de)(de)比(bi)例(li)都(dou)恰好有(you)助(zhu)于他實現創造它們(men)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。由于這些(xie)原(yuan)始微(wei)粒(li)(li)是(shi)些(xie)固體，所(suo)以它們(men)比(bi)任(ren)(ren)何(he)由它們(men)合成的(de)(de)(de)(de)多孔的(de)(de)(de)(de)物體都(dou)要堅固得(de)無可(ke)(ke)比(bi)擬(ni)。它們(men)甚至堅硬得(de)永遠不會磨(mo)損或破(po)裂(lie)，沒(mei)有(you)任(ren)(ren)何(he)普通的(de)(de)(de)(de)力量能把上帝在他第一次(ci)創世(shi)時他自己(ji)造出(chu)來的(de)(de)(de)(de)東西分開。”

物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)科學(xue)實(shi)質(zhi)(zhi)，其(qi)不可再分的(de)(de)(de)核心(xin)是質(zhi)(zhi)量(liang)。質(zhi)(zhi)量(liang)規定(ding)了(le)物(wu)質(zhi)(zhi)反抗運(yun)動(dong)的(de)(de)(de)能力(li)，也就(jiu)是它(ta)的(de)(de)(de)慣性。質(zhi)(zhi)量(liang)是不變的(de)(de)(de)，即具有“保(bao)守性”。它(ta)可以(yi)從一個物(wu)體轉移到另一個物(wu)體，但是永遠(yuan)不會增生(sheng)或被消滅。對于牛頓(dun)(dun)來(lai)說，質(zhi)(zhi)量(liang)定(ding)義了(le)物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)多少(shao)。在牛頓(dun)(dun)物(wu)理學(xue)中，質(zhi)(zhi)量(liang)提(ti)供了(le)力(li)和(he)運(yun)動(dong)以(yi)及(ji)(ji)引力(li)源(yuan)之間聯系的(de)(de)(de)橋梁。而在拉瓦錫看來(lai)，質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)穩定(ding)性及(ji)(ji)其(qi)精確的(de)(de)(de)守恒性，則構成(cheng)了(le)化學(xue)的(de)(de)(de)基礎(chu)和(he)富有成(cheng)果的(de)(de)(de)發現指南。

我(wo)們在化學的經驗表明，對所(suo)有這些復雜(za)性給(gei)予解釋是(shi)可能的。也許質子(zi)、中(zhong)子(zi)和其它(ta)強(qiang)子(zi)不是(shi)基(ji)本粒(li)子(zi)。它(ta)們也許是(shi)由性質更為簡單的更為基(ji)本的對象構成。

事實上(shang)，如(ru)果(guo)(guo)我(wo)們針對(dui)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)上(shang)做(zuo)在(zai)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)上(shang)做(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)散(san)射實驗，來研究(jiu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)近距(ju)離碰撞(zhuang)下會(hui)(hui)(hui)發(fa)生什么，我(wo)們會(hui)(hui)(hui)得(de)(de)到(dao)(dao)同樣復雜(za)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果(guo)(guo)：重新(xin)分(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)碎裂而(er)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)類新(xin)型分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或(huo)處(chu)于激發(fa)態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)自由基），換句話說，得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各種化學反應。服從簡單的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力定律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)只(zhi)是(shi)基本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而(er)由多個(ge)(ge)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不。而(er)且(qie)在(zai)亞原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情形(xing)下，質(zhi)量也不守恒。如(ru)果(guo)(guo)你將質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟(hong)擊得(de)(de)足夠致密，你就會(hui)(hui)(hui)發(fa)現得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)更多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有時(shi)還會(hui)(hui)(hui)伴(ban)有其它強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一(yi)個(ge)(ge)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情形(xing)是(shi)，讓兩(liang)個(ge)(ge)高(gao)能質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相互碰撞(zhuang)，得(de)(de)到(dao)(dao)卻是(shi)3個(ge)(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一(yi)個(ge)(ge)反中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)若干(gan)個(ge)(ge)介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)總質(zhi)量會(hui)(hui)(hui)大于反應前兩(liang)個(ge)(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量之(zhi)和(he)(he)。

光(guang)(guang)沒有(you)(you)質(zhi)量。光(guang)(guang)不(bu)用(yong)推動就可以(yi)產生巨(ju)大的(de)(de)速度從光(guang)(guang)源傳遞到接受(shou)器。光(guang)(guang)很(hen)容易就可以(yi)產生（發(fa)射）或(huo)湮沒（被吸(xi)收）。光(guang)(guang)也不(bu)具備引力那樣的(de)(de)拉力。但光(guang)(guang)有(you)(you)能(neng)(neng)量，能(neng)(neng)輕而(er)易舉(ju)地被轉(zhuan)化并(bing)儲藏起來，例如植(zhi)物(wu)的(de)(de)葉(xie)綠素(su)在(zai)光(guang)(guang)合作用(yong)下，可以(yi)把空氣中的(de)(de)二氧(yang)化碳(tan)和植(zhi)物(wu)根系(xi)吸(xi)收的(de)(de)水分(fen)、礦物(wu)質(zhi)轉(zhuan)換成多(duo)糖、氨基酸(suan)或(huo)纖維素(su)的(de)(de)化學鍵(jian)里(li)。在(zai)元素(su)周(zhou)期表我們找不(bu)到光(guang)(guang)的(de)(de)位置，而(er)這個周(zhou)期表里(li)分(fen)布都是構(gou)成物(wu)質(zhi)的(de)(de)各種構(gou)件。

在近代科(ke)學誕(dan)生前(qian)的(de)(de)幾百年(nian)以(yi)及誕(dan)生后的(de)(de)兩個半世紀(ji)里，實在分(fen)為物(wu)質(zhi)(zhi)和(he)光似乎(hu)是不言自明(ming)的(de)(de)。物(wu)質(zhi)(zhi)有質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)且守(shou)恒，光沒有質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。如果(guo)有質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)物(wu)質(zhi)(zhi)和(he)無(wu)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)光始終彼(bi)此隔絕(jue)，那么物(wu)理世界就(jiu)始終無(wu)法實現統一的(de)(de)描述。

在20世(shi)(shi)紀的(de)(de)(de)(de)(de)前半葉，相對論和量(liang)子物(wu)理(li)(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)出現摧毀了(le)經典物(wu)理(li)(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu)。現存的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質和光的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論幾同廢墟。這一創(chuang)新(xin)性的(de)(de)(de)(de)(de)破(po)壞過程(cheng)，使(shi)得(de)物(wu)理(li)(li)學家有可能在20世(shi)(shi)紀的(de)(de)(de)(de)(de)下半葉建造起一個新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)更深(shen)刻的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質-光理(li)(li)論，它將徹底破(po)除自古(gu)以來(lai)對兩(liang)者(zhe)分離的(de)(de)(de)(de)(de)認識。新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論認為，世(shi)(shi)界是建立在充滿(man)以太的(de)(de)(de)(de)(de)多層級(ji)空(kong)間基礎(chu)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)。這里借用的(de)(de)(de)(de)(de)“以太”雖(sui)然是十(shi)(shi)七(qi)世(shi)(shi)紀的(de)(de)(de)(de)(de)哲學家笛卡爾(er)(er)的(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念，在十(shi)(shi)九世(shi)(shi)紀時麥(mai)克斯韋則稱之(zhi)為“場”，而在1970年代中，維爾(er)(er)切(qie)克則將其稱之(zhi)為“網(wang)格”。

新(xin)(xin)的(de)世界模型盡管看(kan)起(qi)來有(you)點稀奇古(gu)怪，但卻非常成功而且(qie)精(jing)確(que)。它為我(wo)們提供了(le)對普通物質質量(liang)(liang)起(qi)源的(de)新(xin)(xin)認識。簡單來說，物質的(de)出現于相對論(lun)、量(liang)(liang)子場論(lun)和色動力(li)學均(jun)有(you)關系——后(hou)者(zhe)是研(yan)究(jiu)(jiu)支(zhi)配夸克和膠子行為特有(you)規律的(de)學問(wen)。如果(guo)不深入了(le)解并熟(shu)悉地運(yun)用這些概念，我(wo)們就無法理(li)解質量(liang)(liang)的(de)起(qi)源。而且(qie)迄今為止(zhi)，量(liang)(liang)子場論(lun)和色動力(li)學仍然是活躍(yue)的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)領域，還有(you)許(xu)許(xu)多多的(de)問(wen)題有(you)待解決。

不久以前，人(ren)們(men)(men)曾(ceng)經認為普(pu)(pu)通(tong)物質(zhi)的基(ji)本構件就(jiu)是(shi)質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)。之后，科學家(jia)們(men)(men)又發現，普(pu)(pu)通(tong)物質(zhi)的基(ji)本構件——質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)——內有(you)些小東西。這些小東西叫做夸克和膠子(zi)(zi)。當然(ran)，知(zhi)道它們(men)(men)的名字并不等于(yu)告訴我們(men)(men)他們(men)(men)是(shi)什(shen)么，正如莎士(shi)比亞筆下(xia)的羅(luo)密歐所(suo)解(jie)釋的那樣：

“名字(zi)有什么意義？我們叫做玫瑰的東(dong)西，換(huan)個名字(zi)，還是(shi)一樣的香艷。”

但是(shi)(shi)，如(ru)果夸克(ke)和膠(jiao)子只是(shi)(shi)物質(zhi)內部永無(wu)止境(jing)的(de)(de)(de)(de)復雜結構(gou)的(de)(de)(de)(de)又一(yi)層(ceng)級，那么它們(men)(men)的(de)(de)(de)(de)名字(zi)只不過(guo)提供一(yi)種(zhong)讓(rang)人(ren)們(men)(men)炫耀的(de)(de)(de)(de)非(fei)流行(xing)語詞。然(ran)而夸克(ke)和膠(jiao)子并不“只是(shi)(shi)又一(yi)層(ceng)級”。在(zai)膠(jiao)子本(ben)身被發現(xian)之前，人(ren)們(men)(men)已經發現(xian)了描述膠(jiao)子的(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)。1954年楊振寧和羅(luo)伯(bo)特(te)·米爾(er)斯發現(xian)作為電動力學的(de)(de)(de)(de)麥克(ke)斯韋方(fang)程(cheng)組自(zi)然(ran)數學推廣的(de)(de)(de)(de)一(yi)類(lei)方(fang)程(cheng)組，表明麥克(ke)斯韋方(fang)程(cheng)組的(de)(de)(de)(de)自(zi)然(ran)數學推廣方(fang)程(cheng)組支持所有(you)已知荷(he)的(de)(de)(de)(de)對稱(cheng)性，而在(zai)楊-米爾(er)斯方(fang)程(cheng)組基礎上(shang)由大衛·格羅(luo)斯和弗蘭(lan)克(ke)·維爾(er)切克(ke)于1973年推導出了適用于現(xian)實(shi)世界中(zhong)強相互作用膠(jiao)子方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)使用了三種(zhong)“荷(he)”。出現(xian)在(zai)強相互作用理論中(zhong)的(de)(de)(de)(de)這(zhe)三種(zhong)荷(he)通常(chang)稱(cheng)為色荷(he)，或簡稱(cheng)為荷(he)。

在(zai)20世紀60年代初，實(shi)驗者發現了(le)幾十種強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，它們(men)的(de)(de)質量、壽命和(he)固(gu)有的(de)(de)自旋均不相(xiang)同。其中，希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)物(wu)理學標(biao)準模型預言的(de)(de)一種自旋為(wei)零的(de)(de)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，至今尚(shang)未在(zai)實(shi)驗中觀察到(dao)。它也是(shi)標(biao)準模型中最后(hou)一種未被發現的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。物(wu)理學家(jia)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)提出了(le)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)機(ji)制(zhi)。在(zai)此機(ji)制(zhi)中，希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)場引(yin)起自發對稱(cheng)性破缺，并(bing)將質量賦予規范傳播子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)費(fei)米子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)場的(de)(de)場量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化激(ji)發，它通過自相(xiang)互作用而獲得質量。2012年7月2日，美國能(neng)源部下屬的(de)(de)費(fei)米國家(jia)加速器實(shi)驗室(shi)宣布，該實(shi)驗室(shi)最新(xin)數據接近證明(ming)被稱(cheng)為(wei)“上帝粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)。2013年3月14日，歐(ou)洲核子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)研究(jiu)組織(zhi)發布新(xin)聞稿表示，先前探測到(dao)的(de)(de)新(xin)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。

在粒(li)(li)(li)子物(wu)理(li)(li)學里(li)，標準模(mo)型(xing)是一(yi)種被廣泛接受的框架，可(ke)(ke)以描述(shu)強(qiang)力(li)(li)、弱力(li)(li)及(ji)電磁力(li)(li)這三種基(ji)(ji)(ji)本(ben)力(li)(li)及(ji)組成(cheng)(cheng)所有(you)物(wu)質的基(ji)(ji)(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子。由于基(ji)(ji)(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子和(he)基(ji)(ji)(ji)本(ben)力(li)(li)形成(cheng)(cheng)了(le)物(wu)理(li)(li)世界，所以，除了(le)引力(li)(li)以外，標準模(mo)型(xing)可(ke)(ke)以合理(li)(li)解(jie)釋(shi)這世界中的大多(duo)(duo)數物(wu)理(li)(li)現象。最(zui)初，標準模(mo)型(xing)所倚(yi)賴的規范場論禁(jin)止基(ji)(ji)(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子擁有(you)質量，這很(hen)明顯地顯示出初始(shi)模(mo)型(xing)不(bu)夠完全。后來(lai)，物(wu)理(li)(li)學者(zhe)研究(jiu)出一(yi)種機制(zhi)(zhi)，能夠利用(yong)對稱性破缺來(lai)賦予基(ji)(ji)(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子質量，同時又不(bu)會抵觸到規范場論。這機制(zhi)(zhi)被稱為希(xi)格斯(si)機制(zhi)(zhi)。在所有(you)解(jie)釋(shi)質量起源(yuan)的機制(zhi)(zhi)之中，希(xi)格斯(si)機制(zhi)(zhi)是最(zui)簡單、最(zui)被認可(ke)(ke)的一(yi)種。物(wu)理(li)(li)學者(zhe)已完成(cheng)(cheng)了(le)很(hen)多(duo)(duo)實驗(yan)，并確實偵測到這機制(zhi)(zhi)引發(fa)的許多(duo)(duo)種效(xiao)應，但(dan)是他們不(bu)確切了(le)解(jie)這機制(zhi)(zhi)到底是怎么一(yi)回事(shi)。

標(biao)準模(mo)型(xing)給出了自然界(jie)四種相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用中的(de)電(dian)磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用和弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用的(de)統(tong)一(yi)描(miao)述，但是在(zai)能量低于一(yi)定(ding)條件(jian)后，電(dian)磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用和弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用將呈(cheng)現為不同的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用，這被稱為電(dian)弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用的(de)對稱性(xing)自發破缺(que)。希格(ge)斯(si)粒子就是在(zai)標(biao)準模(mo)型(xing)解釋電(dian)弱(ruo)對稱性(xing)自發破缺(que)的(de)機(ji)制時引入的(de)。

根(gen)據標(biao)準模型理(li)論(lun)，宇(yu)宙(zhou)空間中(zhong)的(de)各處，無論(lun)是(shi)真空中(zhong)還是(shi)空氣中(zhong)，甚至(zhi)是(shi)物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)內部，都充滿(man)了希(xi)格斯(si)粒(li)(li)(li)子（希(xi)格斯(si)場）。希(xi)格斯(si)粒(li)(li)(li)子被認為是(shi)生成基本粒(li)(li)(li)子的(de)“質(zhi)(zhi)量(liang)”之源。雖然質(zhi)(zhi)量(liang)總是(shi)與“重量(liang)”聯系在一(yi)起，但(dan)嚴(yan)格說起來是(shi)不一(yi)樣的(de)。質(zhi)(zhi)量(liang)應該是(shi)反映“改變加速度(du)的(de)難易程度(du)”的(de)物(wu)理(li)量(liang)。

為什么(me)(me)有(you)些基本(ben)(ben)粒子具有(you)質(zhi)量(liang)(liang)，而(er)(er)有(you)些基本(ben)(ben)粒子的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)為零？物理學界仍在(zai)不停的(de)(de)(de)探索(suo)中。而(er)(er)更加令物理學家們棘手的(de)(de)(de)是，即使標準(zhun)模型理論解決(jue)了除(chu)引力(li)(li)外的(de)(de)(de)另(ling)外三種(zhong)基本(ben)(ben)力(li)(li)的(de)(de)(de)統一問(wen)題，但(dan)引力(li)(li)如何(he)與其他三種(zhong)達到大一統的(de)(de)(de)局面，仍然缺(que)少一些重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)中間環節。另(ling)外，如果(guo)愛(ai)因斯坦提出(chu)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)與質(zhi)量(liang)(liang)交換(huan)方程是普(pu)適而(er)(er)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)，那么(me)(me)，質(zhi)量(liang)(liang)是否源于能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)凝聚呢？

我們(men)知道，原子(zi)中的(de)(de)電子(zi)可(ke)以有(you)(you)不同(tong)的(de)(de)軌(gui)道形(xing)狀(zhuang)，其自旋可(ke)有(you)(you)不同(tong)取向，因(yin)此原子(zi)可(ke)有(you)(you)許多不同(tong)能態。對這些可(ke)能的(de)(de)態的(de)(de)研(yan)究是(shi)原子(zi)光譜(pu)研(yan)究的(de)(de)重要內容。我們(men)常用原子(zi)光譜(pu)來揭(jie)示(shi)各種不同(tong)的(de)(de)態是(shi)由什么決(jue)定(ding)的(de)(de)，來設(she)計激(ji)光器(qi)以及許多其它(ta)事情(qing)。由于(yu)原子(zi)光譜(pu)本身(shen)的(de)(de)重要性以及它(ta)與(yu)夸克模型有(you)(you)千絲萬(wan)縷的(de)(de)聯系，因(yin)此我們(men)得首先(xian)花點時間來說說光譜(pu)。

像火(huo)焰或(huo)(huo)者恒星大氣這樣的(de)(de)熱氣體(ti)中(zhong)就包(bao)含處于(yu)(yu)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)態(tai)(tai)(tai)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)。即(ji)使是(shi)(shi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核相(xiang)同(tong)(tong)(tong)(tong)、電子(zi)(zi)(zi)(zi)數(shu)相(xiang)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，其(qi)(qi)電子(zi)(zi)(zi)(zi)仍然(ran)可(ke)有(you)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)軌(gui)道或(huo)(huo)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)自旋取向(xiang)。這些態(tai)(tai)(tai)有(you)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)。高(gao)能(neng)態(tai)(tai)(tai)可(ke)衰變到底(di)能(neng)態(tai)(tai)(tai)并發光。由于(yu)(yu)能(neng)量(liang)(liang)總體(ti)上是(shi)(shi)守(shou)恒的(de)(de)，因此發出(chu)的(de)(de)光子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)可(ke)通過其(qi)(qi)顏(yan)(yan)色(se)(se)來(lai)獲(huo)知，這個能(neng)量(liang)(liang)反映了初態(tai)(tai)(tai)和終態(tai)(tai)(tai)之(zhi)間的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)差。每一(yi)種(zhong)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)發出(chu)的(de)(de)光都有(you)一(yi)套特征顏(yan)(yan)色(se)(se)分布(bu)。氫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)發出(chu)的(de)(de)光是(shi)(shi)一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)(se)條紋(wen)，氦原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)發射(she)的(de)(de)光澤是(shi)(shi)完全(quan)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)另(ling)一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)(se)條紋(wen)，等(deng)等(deng)。物理學家和化學家將這種(zhong)顏(yan)(yan)色(se)(se)分布(bu)成為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)頻(pin)譜(pu)。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)頻(pin)譜(pu)起著標識該原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)特征的(de)(de)作用(yong)，可(ke)以用(yong)來(lai)識別原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)。當(dang)你讓光線通過棱鏡從而使不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)分開時，得到的(de)(de)譜(pu)就相(xiang)當(dang)于(yu)(yu)一(yi)套條碼。

原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)在構建原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)內部結構模型(xing)方面(mian)曾經(jing)(jing)給予(yu)我們(men)很多具體的(de)(de)(de)指(zhi)向。以(yi)此為(wei)基礎，我們(men)再回到(dao)夸(kua)克(ke)模型(xing)上(shang)來(lai)。同(tong)(tong)樣的(de)(de)(de)設想經(jing)(jing)過(guo)改(gai)造后(hou)再亞原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)層面(mian)上(shang)依然有效。在原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)層面(mian)上(shang)，電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)兩個(ge)態之間的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)差(cha)(cha)相對較小，這個(ge)能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)差(cha)(cha)從原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)總質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)來(lai)看顯得微不(bu)(bu)足道(dao)。夸(kua)克(ke)模型(xing)的(de)(de)(de)核心思(si)想是(shi)，夸(kua)克(ke)“原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”即強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)態之間的(de)(de)(de)能差(cha)(cha)非常之大，它們(men)對確定強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)起著重要作用。根據愛因(yin)斯坦能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)交換公式推導出的(de)(de)(de)m=E/c2，我們(men)可以(yi)將(jiang)不(bu)(bu)同(tong)(tong)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)理(li)解(jie)為(wei)不(bu)(bu)同(tong)(tong)軌(gui)道(dao)模式——即不(bu)(bu)同(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)態——的(de)(de)(de)夸(kua)克(ke)系統(tong)具有不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)。質(zhi)言(yan)之，原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)是(shi)供看的(de)(de)(de)，強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)譜(pu)(pu)澤是(shi)供稱量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)。利(li)用這一原理(li)，蓋爾曼和茨威格證明了，人們(men)可以(yi)將(jiang)觀測到(dao)的(de)(de)(de)許(xu)多不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)解(jie)釋為(wei)幾個(ge)基本夸(kua)克(ke)“夸(kua)克(ke)”的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)態。

然而(er)，難(nan)以(yi)置信的(de)是，盡管科學家們都非常渴望找到單一的(de)夸(kua)克粒子，結果卻屢屢失(shi)敗(bai)。迄今為止，人們沒有觀測到任何粒子具有單一夸(kua)克的(de)特性。如(ru)同(tong)發明永(yong)動機的(de)失(shi)敗(bai)一樣，尋(xun)找單個(ge)夸(kua)克的(de)失(shi)敗(bai)已經升格為一條(tiao)原理：夸(kua)克禁閉原理。

當物理學家試圖用(yong)夸(kua)克(ke)來(lai)充實(shi)(shi)介子(zi)和(he)重子(zi)的(de)(de)(de)內部(bu)結構模型，以便(bian)可以說明它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)質量時，更(geng)大(da)的(de)(de)(de)困難(nan)出現了(le)。即使是(shi)在(zai)最(zui)成功的(de)(de)(de)模型里，情況似乎總是(shi)，當夸(kua)克(ke)（或反(fan)夸(kua)克(ke)）彼此靠(kao)近(jin)時，它(ta)(ta)們幾(ji)乎從不注意到(dao)對(dui)方的(de)(de)(de)存在(zai)。夸(kua)克(ke)之間的(de)(de)(de)相互作用(yong)力是(shi)如此微弱，人們很難(nan)將(jiang)它(ta)(ta)與(yu)無法發現獨(du)立(li)夸(kua)克(ke)的(de)(de)(de)事實(shi)(shi)調和(he)起來(lai)。如果夸(kua)克(ke)彼此接近(jin)時不在(zai)乎對(dui)方的(de)(de)(de)存在(zai)，那它(ta)(ta)們彼此遠離后為(wei)什么(me)不可以單獨(du)存在(zai)呢？

這(zhe)里可能出現(xian)了一種以前(qian)(qian)從未有過的(de)(de)(de)隨(sui)距離增(zeng)大而增(zeng)大的(de)(de)(de)基本力(li)。最初的(de)(de)(de)夸克(ke)模型沒有給出描述(shu)夸克(ke)之間力(li)的(de)(de)(de)精確方(fang)程。在一方(fang)面，夸克(ke)模型頗有些類(lei)似于前(qian)(qian)牛頓的(de)(de)(de)太陽系模型，或者前(qian)(qian)薛定諤/前(qian)(qian)玻爾原子模型。許多物(wu)理學(xue)家，包括蓋爾曼(man)本人，認為(wei)夸克(ke)只(zhi)是(shi)一個(ge)可以成為(wei)自然界數(shu)學(xue)描述(shu)里的(de)(de)(de)有用的(de)(de)(de)工具，而不是(shi)真正(zheng)意(yi)義上(shang)的(de)(de)(de)實在的(de)(de)(de)元素。

我們知道，質(zhi)子(zi)內(nei)部(bu)的(de)(de)物質(zhi)運動(dong)極快(kuai)。在斯(si)坦福直線(xian)加速(su)器中心，科學家實際上(shang)是(shi)采用電(dian)(dian)(dian)子(zi)來(lai)轟(hong)擊質(zhi)子(zi)，然后觀測兩(liang)者碰(peng)(peng)撞(zhuang)后出射電(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)行為(wei)。出射電(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)能(neng)量和動(dong)量比碰(peng)(peng)撞(zhuang)前(qian)要少。由于能(neng)量和動(dong)量整(zheng)體上(shang)是(shi)守恒的(de)(de)，因此(ci)電(dian)(dian)(dian)子(zi)失去的(de)(de)能(neng)量可能(neng)是(shi)被虛光子(zi)帶走，并轉交給質(zhi)子(zi)。這往(wang)往(wang)導(dao)致(zhi)質(zhi)子(zi)經(jing)復雜過程而被打破，由此(ci)導(dao)致(zhi)了一種新的(de)(de)實驗方法，只(zhi)追蹤電(dian)(dian)(dian)子(zi)，即只(zhi)關注能(neng)量和動(dong)量流。

量子(zi)(zi)理論允許(xu)我們調和關于(yu)質(zhi)子(zi)(zi)是什(shen)么的(de)(de)(de)(de)兩個(ge)看似矛盾的(de)(de)(de)(de)概(gai)(gai)念。一方(fang)面(mian)，質(zhi)子(zi)(zi)內部是動態(tai)的(de)(de)(de)(de)，里面(mian)的(de)(de)(de)(de)事情在不(bu)斷變化(hua)(hua)、運動著。另一方(fang)面(mian)，所(suo)(suo)有(you)質(zhi)子(zi)(zi)隨時隨地都表(biao)現出(chu)完全相同(tong)的(de)(de)(de)(de)行為，也就是說(shuo)，每(mei)一個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)均(jun)給出(chu)相同(tong)概(gai)(gai)率(lv)。如果(guo)質(zhi)子(zi)(zi)在不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)時間里表(biao)現不(bu)一，所(suo)(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)怎么可能表(biao)現完全相同(tong)的(de)(de)(de)(de)行為？一個(ge)簡單而直觀的(de)(de)(de)(de)解釋是，雖然每(mei)一個(ge)體概(gai)(gai)率(lv)在演化(hua)(hua)，但整體概(gai)(gai)率(lv)分(fen)布卻保持不(bu)變。這就像一條平緩但在流(liu)(liu)(liu)動的(de)(de)(de)(de)大河，即使每(mei)一個(ge)滴水都在向(xiang)前流(liu)(liu)(liu)淌，但整個(ge)河流(liu)(liu)(liu)看上去(qu)卻并無變化(hua)(hua)。

在微觀尺度上大量(liang)的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)都(dou)很(hen)難(nan)被捕(bu)捉到(dao)。科學(xue)家(jia)(jia)們(men)(men)把它(ta)們(men)(men)叫做(zuo)粒(li)(li)子(zi)和(he)(he)(he)反(fan)(fan)粒(li)(li)子(zi)（或者(zhe)把反(fan)(fan)粒(li)(li)子(zi)叫做(zuo)虛(xu)(xu)粒(li)(li)子(zi)）。這些虛(xu)(xu)粒(li)(li)子(zi)出(chu)現和(he)(he)(he)消失都(dou)很(hen)快，但也跑不了多遠(yuan)。科學(xue)家(jia)(jia)們(men)(men)只(zhi)能(neng)(neng)在極(ji)短時超高分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)抓拍中和(he)(he)(he)它(ta)們(men)(men)偶遇。在任(ren)何通常(chang)意義下人們(men)(men)都(dou)無法見到(dao)它(ta)們(men)(men)，除(chu)非我們(men)(men)能(neng)(neng)提供所需(xu)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)和(he)(he)(he)動量(liang)來促使(shi)它(ta)們(men)(men)產(chan)生。但即便如此，我們(men)(men)看到(dao)的(de)(de)(de)也不是原來未受干(gan)擾的(de)(de)(de)虛(xu)(xu)粒(li)(li)子(zi)——即自發產(chan)生和(he)(he)(he)消失的(de)(de)(de)那種粒(li)(li)子(zi)。

現代生物(wu)醫學(xue)告訴我(wo)們，只有借助于更(geng)復雜的生物(wu)體（宿主(zhu)），病毒才可以存活(huo)。虛(xu)粒子(zi)(zi)則遠為脆弱(ruo)，因為它們需要外部(bu)幫助才能存在。盡(jin)管如此，它們卻(que)在量子(zi)(zi)力學(xue)方(fang)程(cheng)里，而且根據這些方(fang)程(cheng)，虛(xu)粒子(zi)(zi)會影響到我(wo)們看得(de)見的粒子(zi)(zi)的行為。

虛(xu)粒子總(zong)是(shi)成(cheng)群地處于高速運(yun)動的(de)(de)(de)(de)(de)狀態(tai)中。物理學家將其稱之為(wei)(wei)(wei)虛(xu)空(kong)空(kong)間中的(de)(de)(de)(de)(de)實體成(cheng)為(wei)(wei)(wei)一(yi)種動態(tai)介(jie)質。由于虛(xu)粒子的(de)(de)(de)(de)(de)行為(wei)(wei)(wei)，正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)會被部(bu)分(fen)屏蔽(bi)。也(ye)就(jiu)是(shi)說，正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)周圍往往因為(wei)(wei)(wei)異性相吸引而(er)裹(guo)著一(yi)層補償性的(de)(de)(de)(de)(de)負電(dian)(dian)荷(he)。從遠處看，我(wo)們感覺(jue)不到正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)全部(bu)靜電(dian)(dian)力，因為(wei)(wei)(wei)有部(bu)分(fen)被周圍的(de)(de)(de)(de)(de)負電(dian)(dian)荷(he)抵消了。換句話(hua)說，你(ni)越(yue)是(shi)接(jie)近電(dian)(dian)荷(he)有效電(dian)(dian)荷(he)就(jiu)會越(yue)多(duo)；你(ni)越(yue)是(shi)遠離電(dian)(dian)荷(he)，它就(jiu)顯得越(yue)小(xiao)。

在(zai)夸克(ke)模型里我(wo)們正好(hao)得(de)出(chu)相(xiang)反的(de)行(xing)為。假定夸克(ke)模型里的(de)夸克(ke)在(zai)相(xiang)互(hu)靠近(jin)時相(xiang)互(hu)作用(yong)很弱，但如果它們的(de)有效(xiao)電(dian)荷在(zai)鄰近(jin)區(qu)域達到最大值(zhi)時，我(wo)們得(de)到的(de)只是相(xiang)反的(de)結果。這時它們彼此(ci)間的(de)距離越(yue)小，相(xiang)互(hu)作用(yong)就(jiu)會越(yue)強(qiang)烈；相(xiang)距越(yue)遠，其電(dian)荷被屏(ping)蔽得(de)越(yue)明(ming)顯(xian)，因而相(xiang)互(hu)作用(yong)也就(jiu)越(yue)弱。

量(liang)(liang)(liang)子(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)起源于1927年保羅·狄(di)(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)將量(liang)(liang)(liang)子(zi)理論應(ying)用(yong)(yong)于電(dian)磁場量(liang)(liang)(liang)子(zi)化的(de)(de)研究工作(zuo)。他將電(dian)荷和(he)(he)電(dian)磁場的(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)處理為引起能(neng)級(ji)躍(yue)遷的(de)(de)微(wei)擾，能(neng)級(ji)躍(yue)遷造(zao)成(cheng)了發(fa)(fa)射光(guang)子(zi)數(shu)(shu)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)變化，但總(zong)體上系(xi)統滿足能(neng)量(liang)(liang)(liang)和(he)(he)動量(liang)(liang)(liang)守(shou)恒。狄(di)(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)成(cheng)功地從第一(yi)性原理導出了愛(ai)因(yin)斯(si)坦系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)形式(shi)，并證明(ming)了光(guang)子(zi)的(de)(de)玻色-愛(ai)因(yin)斯(si)坦統計是電(dian)磁場量(liang)(liang)(liang)子(zi)化的(de)(de)自然(ran)結果。人(ren)們發(fa)(fa)現(xian)，能(neng)夠精(jing)確描述這類過程是量(liang)(liang)(liang)子(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)最重要的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)之一(yi)。另一(yi)方面，狄(di)(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)所(suo)(suo)發(fa)(fa)展的(de)(de)相(xiang)對(dui)論量(liang)(liang)(liang)子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)是量(liang)(liang)(liang)子(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)前奏，狄(di)(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)方程作(zuo)為狹義相(xiang)對(dui)論框架下(xia)量(liang)(liang)(liang)子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)基本(ben)方程，所(suo)(suo)描述的(de)(de)電(dian)子(zi)等(deng)費(fei)米子(zi)的(de)(de)旋量(liang)(liang)(liang)場的(de)(de)正則量(liang)(liang)(liang)子(zi)化是由(you)匈牙利(li)-美(mei)國物理學(xue)(xue)(xue)家(jia)尤金·維格納和(he)(he)約爾(er)當完成(cheng)的(de)(de)。狄(di)(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)方程所(suo)(suo)預言(yan)的(de)(de)粒子(zi)的(de)(de)產(chan)生和(he)(he)湮滅過程能(neng)用(yong)(yong)正則量(liang)(liang)(liang)子(zi)化的(de)(de)語言(yan)重新加以描述。

靜態夸克(ke)模型建立之(zhi)后，在(zai)重(zhong)子(zi)質量譜和(he)重(zhong)子(zi)磁矩方面取得了(le)巨(ju)大成功。但是，某(mou)些由(you)一種(zhong)夸克(ke)組(zu)成的粒(li)子(zi)的存在(zai)，與(yu)物理學(xue)的基本假(jia)設廣(guang)義泡利(li)原理矛盾。為解決這(zhe)(zhe)個問題，物理學(xue)家引入了(le)顏(yan)色自由(you)度，并且(qie)顏(yan)色最(zui)少有(you)3種(zhong)。這(zhe)(zhe)個時候顏(yan)色還(huan)只是引入的某(mou)種(zhong)量子(zi)數，并沒有(you)被(bei)認為是動力學(xue)自由(you)度。

經歷(li)了十(shi)年左右的(de)(de)(de)(de)各種實驗(yan)，都沒有在靜態(tai)夸克(ke)模(mo)(mo)型中發現分(fen)數(shu)(shu)電(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)自(zi)旋1/2的(de)(de)(de)(de)夸克(ke)存在，物理學家被迫(po)接(jie)受了夸克(ke)是禁閉在強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)內部的(de)(de)(de)(de)現實。然(ran)而，美國的(de)(de)(de)(de)斯坦福直線加速器中心(xin)SLAC在七(qi)十(shi)年代初進行了一(yi)系列的(de)(de)(de)(de)輕強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)深度(du)非彈性散射實驗(yan)，發現強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)結構函(han)數(shu)(shu)具有比約肯無(wu)標(biao)度(du)性(Bjorken Scaling)。為解釋這(zhe)個令(ling)人驚奇(qi)的(de)(de)(de)(de)結果，費曼由此提出了部分(fen)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型，假(jia)設強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)是由一(yi)簇(cu)自(zi)由的(de)(de)(de)(de)沒有相互作用的(de)(de)(de)(de)部分(fen)子(zi)(zi)組成的(de)(de)(de)(de)，就可以自(zi)然(ran)的(de)(de)(de)(de)解釋比約肯無(wu)標(biao)度(du)性(Bjorken Scaling)。更細致的(de)(de)(de)(de)研究確認了部分(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)自(zi)旋為1/2，并且具有分(fen)數(shu)(shu)電(dian)(dian)荷。

部(bu)分(fen)子(zi)模型和靜態夸(kua)克模型都取(qu)得了巨大成功(gong)，但(dan)是(shi)兩(liang)個模型對強(qiang)子(zi)結構的(de)(de)描述有嚴重的(de)(de)沖突，具體來(lai)講就是(shi)夸(kua)克禁閉(bi)與部(bu)分(fen)子(zi)無相互作(zuo)(zuo)用(yong)之間(jian)的(de)(de)沖突。這個問題的(de)(de)真(zhen)正解決要等(deng)到漸近自由的(de)(de)發(fa)現。格婁(lou)斯，維爾切克和休·波利策的(de)(de)計(ji)算表明，非阿貝(bei)爾規范(fan)場論中(zhong)夸(kua)克相互作(zuo)(zuo)用(yong)強(qiang)度隨能標(biao)的(de)(de)增加而(er)減弱，部(bu)分(fen)子(zi)模型的(de)(de)成功(gong)正預示(shi)著存(cun)在SU（N）的(de)(de)規范(fan)相互作(zuo)(zuo)用(yong)，N自然的(de)(de)就解釋為原先夸(kua)克模型中(zhong)引入的(de)(de)新自由度--顏色。

色(se)荷概念的(de)(de)(de)引入和部分子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)應用(yong)實在量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)動力(li)學(xue)基礎的(de)(de)(de)物(wu)理(li)學(xue)的(de)(de)(de)突(tu)破(po)進展。物(wu)理(li)學(xue)家們將(jiang)這(zhe)種(zhong)新的(de)(de)(de)理(li)論稱(cheng)之(zhi)為量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動力(li)學(xue)。兩(liang)者之(zhi)間(jian)雖然有諸多相似(si)之(zhi)處(chu)，但還是(shi)有如一(yi)些(xie)重(zhong)要的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)別：首先(xian)是(shi)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對色(se)荷的(de)(de)(de)響應——由量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動力(li)學(xue)耦(ou)合常數(shu)衡量(liang)(liang)(liang)——要遠遠強于(yu)(yu)光(guang)子(zi)(zi)(zi)對電(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)響應。其次是(shi)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以一(yi)種(zhong)色(se)荷變換成另(ling)(ling)一(yi)種(zhong)色(se)荷。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)動力(li)學(xue)和量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動力(li)學(xue)的(de)(de)(de)第(di)三個重(zhong)要的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)別來自于(yu)(yu)上(shang)述第(di)二個區(qu)(qu)(qu)別的(de)(de)(de)結果。由于(yu)(yu)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對色(se)荷的(de)(de)(de)存在和運動做出響應，而且(qie)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)攜帶不(bu)平衡的(de)(de)(de)色(se)荷，因(yin)此(ci)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以直(zhi)接對另(ling)(ling)一(yi)個膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)做出響應。這(zhe)與(yu)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)情形正好相反。

相比之下，光(guang)子(zi)是電中性(xing)(xing)的(de)(de)。它們相互之間完(wan)全不存在(zai)激烈(lie)的(de)(de)相互作用(yong)。因此(ci)這些差異(yi)使(shi)得量子(zi)色(se)動(dong)(dong)力學的(de)(de)計算結(jie)果(guo)要比得到量子(zi)電動(dong)(dong)力學的(de)(de)計算結(jie)果(guo)更為(wei)困難。而且，由于(yu)存在(zai)導(dao)致(zhi)色(se)流動(dong)(dong)的(de)(de)各種(zhong)可(ke)能性(xing)(xing)以(yi)及更多種(zhong)類(lei)的(de)(de)節點，在(zai)做這類(lei)計算時，科學家們又引(yin)入漸近自由概念。通過引(yin)入漸近自由，像(xiang)噴(pen)注的(de)(de)能量和動(dong)(dong)量的(de)(de)整體流動(dong)(dong)，都可(ke)以(yi)通過計算得到確定。

關于世界是由什(shen)么構成的哲學(xue)和科學(xue)思考一直(zhi)都(dou)在變化。許多枝節性(xing)問題仍(reng)然(ran)保留在今天最好(hao)的世界模型和一些(xie)大的謎團里(li)。顯然(ran)要(yao)下結論(lun)還(huan)為時尚早。

就(jiu)(jiu)自然哲學(xue)而言，我(wo)們從量子色動力學(xue)和(he)漸近自由中得(de)到(dao)的(de)最重要的(de)認(ren)識(shi)是(shi)，在(zai)我(wo)們認(ren)為是(shi)虛空(kong)(kong)空(kong)(kong)間(jian)的(de)地(di)方實際上充滿了(le)(le)活(huo)(huo)躍的(de)媒(mei)介，其(qi)活(huo)(huo)動鑄就(jiu)(jiu)了(le)(le)這(zhe)個世界(jie)。雖然早(zao)在(zai)大(da)約2000年前成(cheng)書的(de)大(da)乘佛教的(de)典(dian)籍《金剛經》就(jiu)(jiu)曾指出(chu)“色即是(shi)空(kong)(kong)，空(kong)(kong)即是(shi)色”，而今現(xian)(xian)代物理(li)學(xue)的(de)其(qi)它發展強化并充實了(le)(le)這(zhe)種(zhong)認(ren)識(shi)。以后，當(dang)我(wo)們探索當(dang)前知(zhi)識(shi)的(de)前沿時，我(wo)們將(jiang)看到(dao)“虛空(kong)(kong)”空(kong)(kong)間(jian)概念是(shi)怎樣一(yi)種(zhong)豐富(fu)的(de)動力學(xue)媒(mei)介，它推(tui)動著(zhu)我(wo)們不斷思考如何去(qu)實現(xian)(xian)力的(de)統一(yi)。

其(qi)實，關于空(kong)(kong)間虛(xu)無性的(de)爭論(lun)可以(yi)追溯(su)(su)到現代(dai)科(ke)學的(de)前史(shi)，至少可以(yi)追溯(su)(su)到古希(xi)臘時期(qi)。亞里士多德曾經(jing)這樣寫道：“自(zi)然界厭(yan)惡真空(kong)(kong)”，而他的(de)對手(shou)原(yuan)子論(lun)者(zhe)們則(ze)認為，用古羅(luo)馬(ma)詩(shi)人(ren)盧克萊修(xiu)的(de)話來說，就是“整(zheng)個自(zi)然，作為自(zi)足的(de)實在，都是由兩件東西(xi)組(zu)成的(de)：物體(ti)和虛(xu)空(kong)(kong)，它們賴以(yi)建立，并(bing)在其(qi)中運動(dong)。”

這(zhe)種思辨性(xing)爭論(lun)在現代科學的(de)(de)(de)黎明(ming)——17世紀的(de)(de)(de)科學革命——得(de)到回響。笛(di)卡爾提(ti)出，對(dui)自(zi)然世界進(jin)行科學描述的(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)應建立在他所謂的(de)(de)(de)基(ji)本性(xing)質之(zhi)上：廣(guang)延和(he)運動(dong)。物質除了這(zhe)兩點再沒有其(qi)他屬性(xing)。他的(de)(de)(de)一個重要(yao)結論(lun)是：某一物質對(dui)另(ling)一物質的(de)(de)(de)影響唯有通過接(jie)觸才能發(fa)生。因(yin)此(ci)為了描述諸(zhu)如行星的(de)(de)(de)運動(dong)，笛(di)卡爾不(bu)得(de)不(bu)引入(ru)無形空(kong)間(jian)的(de)(de)(de)概念——其(qi)中充(chong)滿了不(bu)可見物質。他設想空(kong)間(jian)是一種復雜的(de)(de)(de)充(chong)滿漩(xuan)渦的(de)(de)(de)海洋，行星就在其(qi)中沖浪(lang)。

牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)用(yong)他精確制定(ding)的(de)(de)、成(cheng)功的(de)(de)行星(xing)運動(dong)數學(xue)(xue)方程，用(yong)他的(de)(de)萬有(you)引力(li)(li)定(ding)律，揭示了所有(you)這(zhe)些潛在的(de)(de)復雜性。但是(shi)牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)的(de)(de)萬有(you)引力(li)(li)定(ding)律并(bing)不(bu)適應于(yu)笛卡(ka)爾的(de)(de)框架(jia)。前者假設物(wu)(wu)體間的(de)(de)相互作用(yong)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)一(yi)定(ding)距離(li)來進行，不(bu)必(bi)一(yi)定(ding)要通(tong)過(guo)接觸。例(li)如，根據(ju)牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)定(ding)律，太陽即(ji)使不(bu)跟地球接觸，也可(ke)以(yi)對地球施加引力(li)(li)作用(yong)。盡管他的(de)(de)方程為說(shuo)明行星(xing)運動(dong)提供了一(yi)個(ge)(ge)詳細(xi)解(jie)釋，但牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)本人(ren)對這(zhe)種(zhong)超距作用(yong)并(bing)不(bu)滿(man)意。牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)在1693年2月(yue)25日寫給本特利的(de)(de)信中(zhong)這(zhe)樣說(shuo)道：“一(yi)個(ge)(ge)物(wu)(wu)體可(ke)以(yi)不(bu)借助任(ren)何其(qi)他東西穿越虛空距離(li)而作用(yong)于(yu)另一(yi)個(ge)(ge)物(wu)(wu)體，物(wu)(wu)體通(tong)過(guo)虛空進行彼此(ci)間作用(yong)和(he)力(li)(li)的(de)(de)傳遞，這(zhe)對我來說(shuo)是(shi)很荒謬的(de)(de)。我相信，任(ren)何有(you)足夠哲學(xue)(xue)思維能(neng)力(li)(li)的(de)(de)人(ren)都不(bu)會(hui)沉溺于(yu)此(ci)。”

牛頓的(de)(de)方程(cheng)(cheng)發表過后大約(yue)一個半世紀的(de)(de)時(shi)間(jian)里，數學家們幾(ji)乎不(bu)(bu)(bu)曾對此(ci)(ci)提出過任何(he)質疑，但(dan)詹姆斯(si)·克(ke)(ke)(ke)拉(la)克(ke)(ke)(ke)·麥克(ke)(ke)(ke)斯(si)韋(wei)卻發現這(zhe)(zhe)樣導(dao)出的(de)(de)方程(cheng)(cheng)不(bu)(bu)(bu)協調。1861年(nian)，麥克(ke)(ke)(ke)斯(si)韋(wei)發現，他(ta)可以通過在方程(cheng)(cheng)中引入額(e)外的(de)(de)項來(lai)(lai)消除這(zhe)(zhe)種不(bu)(bu)(bu)一致性，換言之(zhi)，就(jiu)(jiu)是假定還存(cun)在著一種新(xin)的(de)(de)物理效(xiao)應。而邁克(ke)(ke)(ke)爾·法拉(la)第此(ci)(ci)前早(zao)就(jiu)(jiu)發現，當(dang)磁(ci)場隨時(shi)間(jian)變(bian)(bian)化(hua)時(shi)，它們產(chan)(chan)生(sheng)電(dian)場。麥克(ke)(ke)(ke)斯(si)韋(wei)為了(le)(le)(le)解決(jue)方程(cheng)(cheng)的(de)(de)自洽性，不(bu)(bu)(bu)得不(bu)(bu)(bu)假設存(cun)在相反(fan)的(de)(de)效(xiao)應：變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)磁(ci)場產(chan)(chan)生(sheng)電(dian)場。有了(le)(le)(le)這(zhe)(zhe)一添加物，場的(de)(de)概念(nian)得到(dao)了(le)(le)(le)更(geng)多的(de)(de)認可和驗(yan)證：變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)電(dian)場產(chan)(chan)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)磁(ci)場，后者反(fan)過來(lai)(lai)再產(chan)(chan)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)電(dian)場，如此(ci)(ci)便(bian)形成了(le)(le)(le)每一種自我更(geng)新(xin)的(de)(de)循環。

麥(mai)克(ke)斯韋發現，他(ta)的(de)新方程組(zu)，即廣為人(ren)知的(de)麥(mai)克(ke)斯韋方程組(zu)，具有純(chun)場(chang)(chang)解決方案，即場(chang)(chang)以光速在空(kong)間(jian)運動。這一(yi)綜(zong)合的(de)頂(ding)峰便是(shi)他(ta)得出(chu)的(de)結(jie)論(lun)：這些電(dian)場(chang)(chang)和磁場(chang)(chang)里自我更新的(de)擾動就是(shi)光——一(yi)個有待經受(shou)時(shi)間(jian)考驗(yan)的(de)結(jie)論(lun)。對麥(mai)克(ke)斯韋來說，這些充(chong)滿所有空(kong)間(jian)并(bing)可以自己維持生活(huo)的(de)場(chang)(chang)正是(shi)上帝(di)榮耀的(de)一(yi)個明確標志：

“廣寬(kuan)的(de)(de)行星(xing)際(ji)和星(xing)際(ji)區域將(jiang)不再(zai)被視為(wei)宇宙中(zhong)無(wu)用的(de)(de)場合(he)，人們(men)不再(zai)認為(wei)造(zao)物主還(huan)沒(mei)在(zai)他(ta)的(de)(de)王國(guo)里找到合(he)適的(de)(de)、具有多(duo)重象征(zheng)的(de)(de)東西來(lai)填補其中(zhong)。我(wo)們(men)將(jiang)發現(xian)，這些場所已經充滿了這種神奇的(de)(de)介質。它們(men)是如此豐(feng)盈，人類沒(mei)有任何力(li)量(liang)可以將(jiang)其從哪(na)怕(pa)是最小(xiao)的(de)(de)空間上移去，或(huo)在(zai)其無(wu)窮的(de)(de)連(lian)續體上留下哪(na)怕(pa)最輕(qing)微的(de)(de)缺(que)損。”

愛因斯坦對(dui)以(yi)太(tai)的(de)(de)認識是(shi)復(fu)雜而(er)且多變。在1905年發(fa)表的(de)(de)《論(lun)動體(ti)的(de)(de)電(dian)動力學》中這樣寫(xie)道(dao)：“引入‘光以(yi)太(tai)’將(jiang)被證明是(shi)多余的(de)(de)，因為(wei)按照所要(yao)發(fa)展(zhan)的(de)(de)見解，即(ji)不需要(yao)引入一(yi)個(ge)具有特殊性質的(de)(de)‘絕對(dui)靜止空(kong)間’，也(ye)不需要(yao)給發(fa)生電(dian)磁過(guo)程的(de)(de)真空(kong)中的(de)(de)每(mei)一(yi)點規定一(yi)個(ge)速(su)度矢(shi)量。”

愛因斯(si)坦(tan)的(de)(de)這(zhe)一(yi)強(qiang)有力的(de)(de)宣示(shi)曾經讓很多物(wu)理(li)(li)學家困惑不已。在1905年時，物(wu)理(li)(li)學界面(mian)(mian)臨(lin)的(de)(de)問題不是(shi)(shi)沒有相(xiang)(xiang)對性理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，而是(shi)(shi)有兩個(ge)相(xiang)(xiang)互矛盾的(de)(de)相(xiang)(xiang)對性理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)。一(yi)方(fang)(fang)面(mian)(mian)是(shi)(shi)力學的(de)(de)相(xiang)(xiang)對性理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)服從牛頓(dun)(dun)方(fang)(fang)程。另一(yi)方(fang)(fang)面(mian)(mian)是(shi)(shi)電磁(ci)的(de)(de)相(xiang)(xiang)對性理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，服從麥克斯(si)韋(wei)方(fang)(fang)程組(zu)。進一(yi)步(bu)的(de)(de)研究發現，需要調整的(de)(de)不是(shi)(shi)新(xin)生的(de)(de)電磁(ci)理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，而是(shi)(shi)古老(lao)的(de)(de)牛頓(dun)(dun)力學理(li)(li)論(lun)(lun)(lun)。在狹義(yi)相(xiang)(xiang)對論(lun)(lun)(lun)里，麥克斯(si)韋(wei)場方(fang)(fang)程無需修改；相(xiang)(xiang)反，它(ta)們提供了(le)狹義(yi)相(xiang)(xiang)對論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)基(ji)礎。事實上(shang)，狹義(yi)相(xiang)(xiang)對論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)思想(xiang)幾乎要求充(chong)滿空間的(de)(de)場，也正是(shi)(shi)在這(zhe)個(ge)意義(yi)上(shang)解釋了(le)它(ta)們為(wei)什么存在的(de)(de)理(li)(li)由(you)。

早在1899年，德國人普(pu)朗(lang)克(ke)提出了第(di)一個(ge)最終發(fa)展成為量(liang)子(zi)(zi)力學的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)一個(ge)概念。普(pu)朗(lang)克(ke)提出，原子(zi)(zi)可以與(yu)電磁場交換能量(liang)，也(ye)就(jiu)是(shi)說，可以發(fa)射和(he)吸收電磁輻射，譬如光(guang)，但(dan)只能以離(li)(li)散(san)(san)(san)的(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)位(wei)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)形式，或者說以量(liang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)形式進(jin)(jin)行。但(dan)普(pu)朗(lang)克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)概念愛(ai)(ai)因斯(si)坦不甚滿意，他(ta)假設，不僅原子(zi)(zi)發(fa)射和(he)吸收光(guang)（和(he)一般(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)電磁輻射）是(shi)以離(li)(li)散(san)(san)(san)單(dan)位(wei)進(jin)(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)，而且(qie)(qie)光(guang)本身就(jiu)是(shi)以離(li)(li)散(san)(san)(san)的(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)單(dan)位(wei)出現的(de)(de)(de)(de)(de)，并且(qie)(qie)帶(dai)著(zhu)離(li)(li)散(san)(san)(san)單(dan)位(wei)動(dong)量(liang)傳播。有(you)了這些擴張，愛(ai)(ai)因斯(si)坦能夠解釋更多的(de)(de)(de)(de)(de)事實，并預(yu)言了新的(de)(de)(de)(de)(de)現象——其中就(jiu)包括(kuo)他(ta)于1921年獲(huo)得諾貝爾(er)物理(li)學獎的(de)(de)(de)(de)(de)主要工作即(ji)有(you)關光(guang)電效(xiao)應的(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)言。但(dan)愛(ai)(ai)因斯(si)坦明(ming)白：普(pu)朗(lang)克(ke)概念與(yu)現行物理(li)定(ding)(ding)(ding)律(lv)不相符，但(dan)有(you)效(xiao)。現行的(de)(de)(de)(de)(de)這些物理(li)定(ding)(ding)(ding)律(lv)一定(ding)(ding)(ding)有(you)錯！

如果光以能(neng)量和動(dong)量包(bao)的形式傳播，那么，光本身(shen)以及這些(xie)包(bao)看成(cheng)是(shi)(shi)電磁粒子就自然(ran)而然(ran)了。場的概念(nian)可能(neng)更方(fang)便，但愛因斯坦從來不是(shi)(shi)一個貪圖方(fang)便而將其當(dang)成(cheng)原理的物(wu)(wu)理學家。對他而言，空(kong)間充滿實體的概念(nian)，就像(xiang)是(shi)(shi)以無限(xian)大的速度經過某物(wu)(wu)卻(que)看到它與(yu)靜止時看到的一樣。

到1920年代，愛(ai)因(yin)斯坦的(de)(de)廣義相(xiang)對論(lun)問世(shi)后，他(ta)的(de)(de)態度(du)發生了變(bian)化。事實上，廣義相(xiang)對論(lun)更多的(de)(de)是一(yi)個基(ji)于以(yi)太的(de)(de)引(yin)力(li)場論(lun)。盡管如此，愛(ai)因(yin)斯坦從(cong)未放棄對消除電(dian)磁以(yi)太的(de)(de)努力(li)。愛(ai)因(yin)斯坦本人(ren)在(zai)1920年5月5日在(zai)荷蘭萊頓(dun)大(da)學的(de)(de)演(yan)講中(zhong)這樣說道：

“如果我(wo)們從(cong)以(yi)太假說的(de)(de)觀點來考慮引(yin)(yin)力(li)場(chang)(chang)和電(dian)(dian)磁(ci)場(chang)(chang)，我(wo)們就會發現兩(liang)者之間(jian)有(you)一(yi)(yi)個(ge)明(ming)顯的(de)(de)不同。可以(yi)說沒有(you)一(yi)(yi)種(zhong)空間(jian)，也沒有(you)任何空間(jian)部分是沒有(you)引(yin)(yin)力(li)勢的(de)(de)；因為這些引(yin)(yin)力(li)勢規定了(le)空間(jian)的(de)(de)度(du)規性質，而沒有(you)這些度(du)規性質則(ze)是根本(ben)無法想(xiang)(xiang)象的(de)(de)。引(yin)(yin)力(li)場(chang)(chang)的(de)(de)存在于空間(jian)的(de)(de)存在是直(zhi)接相(xiang)關的(de)(de)。但另一(yi)(yi)方面，在一(yi)(yi)部分空間(jian)內(nei)不存在電(dian)(dian)磁(ci)場(chang)(chang)則(ze)是完全可以(yi)想(xiang)(xiang)象的(de)(de)。”

歷史(shi)地看，狹義相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)(lun)(lun)肇始于電(dian)和(he)磁(ci)的(de)(de)(de)研究，導致了麥克斯韋(wei)的(de)(de)(de)場論(lun)(lun)(lun)，但它又超越(yue)了電(dian)磁(ci)理(li)論(lun)(lun)(lun)。它的(de)(de)(de)本質(zhi)是(shi)對(dui)稱性假(jia)設：當你(ni)在(zai)具(ju)有恒(heng)定(ding)相(xiang)(xiang)對(dui)速度的(de)(de)(de)兩(liang)個(ge)參照系(xi)考察同(tong)(tong)一物(wu)體時，物(wu)理(li)學定(ding)律應具(ju)有同(tong)(tong)樣的(de)(de)(de)形式。這一假(jia)設是(shi)一個(ge)普適性陳(chen)述，超越(yue)了其(qi)電(dian)磁(ci)根(gen)源(yuan)：狹義相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)坐(zuo)標變換對(dui)稱性適用(yong)于所有的(de)(de)(de)物(wu)理(li)學定(ding)律。狹義相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)一個(ge)主(zhu)要的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)是(shi)存在(zai)有限的(de)(de)(de)速度：光速，即(ji)零(ling)質(zhi)量(liang)粒(li)子在(zai)真空中的(de)(de)(de)傳播(bo)速度。一個(ge)粒(li)子對(dui)另一個(ge)粒(li)子的(de)(de)(de)影響不能傳播(bo)得比光速更快。

但是牛頓(dun)的(de)(de)(de)(de)萬有引力(li)定律——遙遠物體(ti)受(shou)到的(de)(de)(de)(de)引力(li)與其當前距(ju)離的(de)(de)(de)(de)平方(fang)成(cheng)反比就(jiu)不(bu)服從(cong)這一法則，所以(yi)它(ta)與狹義相對(dui)(dui)(dui)論(lun)不(bu)相容。事(shi)實上，“當前”這個概念本(ben)(ben)身就(jiu)是個問(wen)題(ti)。對(dui)(dui)(dui)于(yu)靜止(zhi)觀察者同時(shi)發(fa)生的(de)(de)(de)(de)事(shi)件對(dui)(dui)(dui)以(yi)恒定速度(du)移動的(de)(de)(de)(de)觀察者來(lai)說將(jiang)不(bu)會同時(shi)發(fa)生。愛(ai)因斯坦本(ben)(ben)人認為，推翻“當前”這個一般性概念，迄今為止(zhi)仍然是達到狹義相對(dui)(dui)(dui)論(lun)認識(shi)論(lun)的(de)(de)(de)(de)最(zui)為困難的(de)(de)(de)(de)一步。但是如(ru)果(guo)場(chang)服從(cong)簡單的(de)(de)(de)(de)方(fang)程組，那么在存(cun)在有限速度(du)的(de)(de)(de)(de)前提(ti)下(xia)，這種(zhong)從(cong)粒子描(miao)(miao)述(shu)到場(chang)的(de)(de)(de)(de)描(miao)(miao)述(shu)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)換就(jiu)會變得富(fu)有成(cheng)效，這樣我們(men)可以(yi)從(cong)場(chang)的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)值計算出來(lai)它(ta)們(men)的(de)(de)(de)(de)未(wei)來(lai)值而不(bu)必(bi)考慮其過去的(de)(de)(de)(de)值。麥(mai)克斯韋電磁理論(lun)、廣義相對(dui)(dui)(dui)論(lun)和量子色動力(li)學都具有這種(zhong)屬性。在廣義相對(dui)(dui)(dui)論(lun)里(li)，愛(ai)因斯坦用彎曲時(shi)空的(de)(de)(de)(de)概念來(lai)構(gou)建他(ta)的(de)(de)(de)(de)引力(li)理論(lun)。

我們回到標(biao)準模型(xing)：W和Z玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)，根(gen)據定義(yi)它們的(de)方程組，它們本應該(gai)像光子(zi)(zi)(zi)(zi)和色膠子(zi)(zi)(zi)(zi)一樣都是無質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)。但物理學家們卻設法讓W和Z玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)獲得(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量。而且他們也(ye)知道(dao)，在(zai)自然界里，還有原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)紅奇特(te)的(de)物理狀態也(ye)可(ke)以使(shi)無質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)受(shou)力粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)獲得(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量。使(shi)受(shou)力粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)變重(zhong)的(de)模型(xing)是超(chao)導(dao)電(dian)性。在(zai)超(chao)導(dao)體內，光子(zi)(zi)(zi)(zi)變得(de)沉(chen)重(zhong)。

我們知(zhi)道(dao)，光子在(zai)電(dian)場和磁場中推(tui)動(dong)(dong)(dong)擾動(dong)(dong)(dong)。在(zai)超導(dao)體(ti)內(nei)，電(dian)子對電(dian)場和磁場反(fan)應強(qiang)(qiang)烈。電(dian)子恢(hui)復平衡的(de)能(neng)力(li)非(fei)常強(qiang)(qiang)大，它們能(neng)對場的(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)施加一種遲(chi)滯作(zuo)用。因此在(zai)超導(dao)體(ti)內(nei)，光子不是(shi)像(xiang)通(tong)常那樣按光速(su)運(yun)動(dong)(dong)(dong)，而(er)是(shi)要(yao)緩(huan)慢得多。就好像(xiang)它們獲得了(le)某種慣性。當你研究方(fang)程(cheng)時，你會發(fa)現，超導(dao)體(ti)內(nei)慢下來的(de)光子所服從的(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)程(cheng)與非(fei)零質量粒子的(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)程(cheng)是(shi)一樣的(de)。

質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)一(yi)向(xiang)被認為是(shi)(shi)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)一(yi)種(zhong)確(que)定(ding)(ding)的(de)(de)屬性，質(zhi)(zhi)(zhi)言(yan)之(zhi)，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)使物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)可稱其為物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)特性。愛(ai)因斯坦(tan)認為宇(yu)宙應有一(yi)個(ge)無論是(shi)(shi)在(zai)時間上還(huan)是(shi)(shi)在(zai)空間上都不變(bian)的(de)(de)密度。但是(shi)(shi)，引力(li)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)普遍(bian)的(de)(de)吸引力(li)，物(wu)(wu)體(ti)都不愿(yuan)意分開。引力(li)總是(shi)(shi)試圖把(ba)物(wu)(wu)體(ti)合(he)在(zai)一(yi)起。愛(ai)因斯坦(tan)提出的(de)(de)E=mc2可以看作是(shi)(shi)他對牛頓(dun)萬有引力(li)定(ding)(ding)律的(de)(de)修正。但是(shi)(shi)，如果將(jiang)這(zhe)一(yi)公式轉換成(cheng)m=E/c1，這(zhe)一(yi)方(fang)程的(de)(de)內在(zai)含義變(bian)成(cheng)了質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)等于所具有的(de)(de)能量(liang)與常速光速的(de)(de)平方(fang)之(zhi)比。

量子(zi)(zi)色(se)動力學是一種非常(chang)強大的(de)(de)理論。通(tong)過將無質(zhi)量或(huo)幾乎無質(zhi)量的(de)(de)對象諸如夸克、膠子(zi)(zi)的(de)(de)計算(suan)能夠給出(chu)它們的(de)(de)質(zhi)量，然(ran)而，這(zhe)(zhe)也當然(ran)不是任何意義上的(de)(de)質(zhi)量，只是我們的(de)(de)質(zhi)量，即組成(cheng)我們自身(shen)的(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)的(de)(de)質(zhi)量。也就(jiu)是說，量子(zi)(zi)色(se)動力學方程組可(ke)以(yi)從無質(zhi)量的(de)(de)輸入得(de)到質(zhi)量的(de)(de)輸出(chu)。那(nei)，這(zhe)(zhe)是為什(shen)么？

首先是(shi)夸克的(de)色荷產生一(yi)(yi)種(zhong)網格擾(rao)動(dong)——具體地說(shuo)，是(shi)膠子場擾(rao)動(dong)——這種(zhong)擾(rao)動(dong)隨(sui)距離加(jia)大而增(zeng)長。就像一(yi)(yi)個奇異的(de)風暴(bao)云團，它從最初的(de)中心的(de)一(yi)(yi)縷云煙發展成為一(yi)(yi)種(zhong)不祥的(de)雷暴(bao)云團。擾(rao)動(dong)場意味著(zhu)將其推(tui)向高(gao)能(neng)態。如果你持續擾(rao)動(dong)無限(xian)容量的(de)場，所需的(de)能(neng)量將會變(bian)成無限(xian)大。

其次是(shi)可以(yi)通過讓一個帶(dai)相反色荷的(de)反夸克(ke)去接近夸克(ke)來迅(xun)速(su)遏制。然后，這(zhe)兩(liang)個擾(rao)動(dong)(dong)源(yuan)相互抵(di)消并恢復平靜。如(ru)果反夸克(ke)不偏不倚地正好位于(yu)夸克(ke)的(de)正上方，那么這(zhe)種抵(di)消是(shi)徹底(di)的(de)。這(zhe)將(jiang)會是(shi)膠子場的(de)擾(rao)動(dong)(dong)最小化：即(ji)“無(wu)”。但是(shi)徹底(di)抵(di)消還需要付出代價(jia)：它源(yuan)自夸克(ke)和(he)反夸克(ke)的(de)量(liang)子力學(xue)性(xing)質。

根據海森伯(bo)的(de)(de)不(bu)確定性(xing)原(yuan)理，要獲(huo)得(de)準確的(de)(de)粒子(zi)位置信息，就必須讓粒子(zi)具有很寬的(de)(de)動量(liang)范(fan)圍，特別(bie)是要有粒子(zi)的(de)(de)大動量(liang)。但(dan)大的(de)(de)動量(liang)意味(wei)著大的(de)(de)能(neng)量(liang)。所以，更準確地說，要使(shi)粒子(zi)局域化，就必須更多能(neng)量(liang)。

再次(ci)是我們(men)應(ying)該(gai)回到愛因斯(si)坦的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)與(yu)能(neng)量(liang)關(guan)系方(fang)程中來(lai)考察。由于(yu)有兩種(zhong)方(fang)向相(xiang)反(fan)(fan)的(de)互相(xiang)競(jing)爭的(de)作用，要消除夸(kua)克對(dui)場的(de)擾(rao)動(dong)(dong)，同時(shi)盡量(liang)減少能(neng)量(liang)，并使反(fan)(fan)夸(kua)克局域(yu)化，所以就必須賦予(yu)反(fan)(fan)夸(kua)克相(xiang)應(ying)的(de)活動(dong)(dong)余(yu)地(di)。這(zhe)(zhe)樣雙方(fang)在彼此抵消后的(de)總質(zhi)(zhi)量(liang)不能(neng)為零(ling)，即(ji)m=E/c的(de)平方(fang)。這(zhe)(zhe)樣我們(men)從無(wu)質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)輸入得(de)到質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)輸出。這(zhe)(zhe)同時(shi)也是質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)起源(yuan)量(liang)子力(li)學解釋。

任(ren)意(yi)兩質點之(zhi)間的萬有引(yin)力(li)，就(jiu)是組成物(wu)質的粒子(zi)之(zhi)間通過交換“引(yin)力(li)子(zi)”實現(xian)的。而在(zai)廣義相(xiang)(xiang)對(dui)論中，物(wu)體之(zhi)間的萬有引(yin)力(li)則被認為是時空彎曲的表(biao)現(xian)。物(wu)質的存在(zai)使(shi)得它周圍的時空發生彎曲，而物(wu)體在(zai)彎曲的時空中沿測地(di)線運動，就(jiu)自然地(di)表(biao)現(xian)為相(xiang)(xiang)互(hu)吸引(yin)。

牛(niu)頓(dun)萬有引力(li)定律指出：兩個(ge)質點(dian)之間(jian)(jian)的(de)萬有引力(li)，與(yu)它(ta)們的(de)質量乘積成正比，與(yu)它(ta)們二者之間(jian)(jian)距離的(de)平方(fang)成反比。它(ta)實際上是廣義相對論的(de)引力(li)理論在靜態弱(ruo)引力(li)場中低速運動(dong)情況下的(de)一種近(jin)似。

萬(wan)有引力(li)傳(chuan)播的媒介子——“引力(li)子”

1913年，偉大的(de)物理(li)學家愛因(yin)(yin)斯坦提出了(le)萬有(you)(you)引(yin)力(li)場(chang)論(lun)。愛因(yin)(yin)斯坦認為(wei)任(ren)何帶有(you)(you)質量(liang)(liang)(liang)的(de)物體(ti)周(zhou)圍都存在(zai)有(you)(you)引(yin)力(li)場(chang)，引(yin)力(li)場(chang)是(shi)(shi)(shi)通過(guo)引(yin)力(li)波來傳播(bo)(bo)(bo)的(de)，引(yin)力(li)波像電(dian)磁(ci)波那樣(yang)通過(guo)媒(mei)介(jie)(jie)(jie)(jie)子(zi)傳播(bo)(bo)(bo)，我們(men)都知道電(dian)磁(ci)波是(shi)(shi)(shi)通過(guo)光(guang)子(zi)來傳播(bo)(bo)(bo)能量(liang)(liang)(liang)的(de)，因(yin)(yin)此它(ta)的(de)媒(mei)介(jie)(jie)(jie)(jie)子(zi)是(shi)(shi)(shi)光(guang)子(zi)，引(yin)力(li)波在(zai)傳播(bo)(bo)(bo)能量(liang)(liang)(liang)的(de)過(guo)程中，同(tong)樣(yang)有(you)(you)媒(mei)介(jie)(jie)(jie)(jie)子(zi)的(de)作用(yong)，愛因(yin)(yin)斯坦把這(zhe)一(yi)媒(mei)介(jie)(jie)(jie)(jie)子(zi)稱之為(wei)引(yin)力(li)子(zi)。引(yin)力(li)子(zi)以光(guang)速傳播(bo)(bo)(bo)，它(ta)的(de)質量(liang)(liang)(liang)與光(guang)子(zi)一(yi)樣(yang)為(wei)0。

經過(guo)這么多年的(de)探索(suo)(suo)，人們一直沒能在(zai)宇宙中發現它(ta)的(de)蹤影，我們沒有足(zu)夠的(de)證(zheng)據證(zheng)明它(ta)的(de)存(cun)在(zai)，也沒有足(zu)夠的(de)證(zheng)據否認它(ta)的(de)存(cun)在(zai)。因此，探索(suo)(suo)引力子是(shi)否存(cun)在(zai)成為科學界的(de)一大難(nan)題。

雖然(ran)引(yin)力(li)子(zi)在宇宙中(zhong)無處不(bu)(bu)在，但(dan)探索之路(lu)仍(reng)然(ran)是(shi)舉(ju)步維艱。有學者認為(wei)，引(yin)力(li)之微弱表明(ming)，其媒介子(zi)引(yin)力(li)子(zi)幾乎不(bu)(bu)與其它(ta)的(de)物質發生(sheng)反應，這是(shi)我們(men)長(chang)期探測不(bu)(bu)到它(ta)的(de)原(yuan)由，這個(ge)理由雖然(ran)很有說服力(li)，但(dan)也不(bu)(bu)足以證明(ming)引(yin)力(li)子(zi)是(shi)存在的(de)事實。

試(shi)圖找(zhao)到(dao)一種更有說(shuo)服力(li)的方法，就是證明(ming)(ming)引力(li)波(bo)的存(cun)在(zai)(zai)，從而間接的證明(ming)(ming)引力(li)子(zi)(zi)的存(cun)在(zai)(zai)。如果可以證明(ming)(ming)宇(yu)宙中有引力(li)波(bo)存(cun)在(zai)(zai)，那么引力(li)波(bo)必(bi)定(ding)有與之對應的媒(mei)介子(zi)(zi)引力(li)子(zi)(zi)來傳遞能量。

引力(li)(li)(li)波(bo)在(zai)宇宙中是普遍存在(zai)的，星(xing)體的加速(su)旋轉，相(xiang)撞，吞并等都可以使引力(li)(li)(li)場發生(sheng)擾(rao)動并產生(sheng)引力(li)(li)(li)波(bo)，但由于引力(li)(li)(li)波(bo)與引力(li)(li)(li)子一樣(yang)很(hen)難(nan)與其(qi)它物質發生(sheng)反應，以至(zhi)于至(zhi)今我們無法探測它的存在(zai)，只能間接地通過觀測行星(xing)發生(sheng)引力(li)(li)(li)輻射，而導致(zhi)周期的變化(hua)證實它的存在(zai)。

引(yin)力(li)(li)輻射(she)是(shi)引(yin)力(li)(li)波的(de)另(ling)一(yi)種稱(cheng)呼，它是(shi)指引(yin)力(li)(li)波從星體或(huo)星系中輻射(she)出來的(de)現(xian)象，如(ru)果證明了引(yin)力(li)(li)輻射(she)的(de)存在(zai)就等于證實了引(yin)力(li)(li)波的(de)存在(zai)。

為什(shen)么(me)這樣說呢？

引力輻(fu)射是(shi)一(yi)種能量的輻(fu)射。假如一(yi)個行星(xing)圍繞(rao)恒星(xing)運(yun)動，恒星(xing)的旋轉會伴隨有引力輻(fu)射的發生，使得行星(xing)的運(yun)轉軌道發生變化，其主要變化特征表現在行星(xing)運(yun)動周期的減(jian)小，如果行星(xing)的運(yun)動周期減(jian)小，那么就能說明(ming)引力輻(fu)射的發生。

這一現象在1974年，被赫爾斯和泰勒二人所證實(shi)。他們對(dui)(dui)脈(mo)沖(chong)雙星PSR1913+16進行(xing)觀測(ce)，發現它們的公轉周期變小率為(wei)（-2.40±0.09）×10-12，這個數(shu)值與廣義相對(dui)(dui)論的計算符合的很好，廣義相對(dui)(dui)論的預言(yan)值為(wei)（-2.403±0.002）×10-12，這一點充分證明了引力輻(fu)射的存(cun)在。

引(yin)(yin)力輻射(she)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)，意味著引(yin)(yin)力波在(zai)(zai)(zai)宇宙中是(shi)存(cun)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)，并且(qie)無所不在(zai)(zai)(zai)。同時(shi)也證明了(le)引(yin)(yin)力波的(de)(de)(de)媒介(jie)子引(yin)(yin)力子的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)。

通過這些論斷，可以(yi)證明引力子(zi)在宇宙中是(shi)(shi)必(bi)定存(cun)在的，只(zhi)不(bu)過我(wo)(wo)們無法探測(ce)到(dao)。引力子(zi)的無法探測(ce)性(xing)，其實并不(bu)影響我(wo)(wo)們尋求量(liang)子(zi)引力理(li)論，因為量(liang)子(zi)引力理(li)論建立的基礎是(shi)(shi)場，而不(bu)是(shi)(shi)粒子(zi)。

廣義相對論

牛頓的(de)(de)萬有(you)引力(li)定律很(hen)好(hao)地(di)解(jie)釋了地(di)面上物體所受(shou)的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)、海(hai)洋的(de)(de)潮汐和行星與天(tian)體的(de)(de)運(yun)動，把天(tian)上的(de)(de)運(yun)動和地(di)上的(de)(de)運(yun)動統一了起來(lai)，具有(you)非常重(zhong)(zhong)要的(de)(de)意義(yi)(yi)。但讓(rang)牛頓感(gan)到遺憾的(de)(de)是，他一直沒能解(jie)釋清楚兩個(ge)有(you)質量的(de)(de)物體之間為什(shen)么會有(you)引力(li)？這個(ge)問(wen)題被愛因斯坦的(de)(de)廣義(yi)(yi)相對論很(hen)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)了。

廣義相對論(lun)(lun)實際上就(jiu)是(shi)關(guan)于萬有引力(li)本質(zhi)的(de)(de)理論(lun)(lun)。它(ta)認為(wei)，一(yi)個(ge)有質(zhi)量的(de)(de)物體，會使它(ta)周(zhou)圍的(de)(de)時(shi)(shi)空發生彎(wan)曲(qu)，在這(zhe)個(ge)彎(wan)曲(qu)的(de)(de)時(shi)(shi)空里，一(yi)切(qie)物體都將自然地(di)(di)沿測地(di)(di)線（也叫做“短程線”）運動，而表(biao)現為(wei)向一(yi)塊靠(kao)攏(long)。我們看(kan)(kan)不到時(shi)(shi)空的(de)(de)彎(wan)曲(qu)，只看(kan)(kan)到物體在互相靠(kao)攏(long)，就(jiu)認為(wei)它(ta)們之間(jian)存在著一(yi)種(zhong)(zhong)“萬有引力(li)”，實際上物體之間(jian)表(biao)現出(chu)來的(de)(de)這(zhe)種(zhong)(zhong)萬有引力(li)，并不是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)真正的(de)(de)力(li)，而是(shi)時(shi)(shi)空彎(wan)曲(qu)的(de)(de)表(biao)現。

三(san)維時(shi)空(kong)的(de)彎(wan)曲(qu)我(wo)們不好想象，但是可以降一(yi)(yi)(yi)維（在(zai)二維平面(mian)上(shang)）做個(ge)比喻。設想有(you)一(yi)(yi)(yi)塊布把它懸空(kong)展平，上(shang)面(mian)放一(yi)(yi)(yi)個(ge)小球，它就會把布壓彎(wan)，在(zai)另一(yi)(yi)(yi)個(ge)地方再放一(yi)(yi)(yi)個(ge)小球，它也會把它周圍的(de)布壓彎(wan)。我(wo)們看(kan)到(dao)，這兩個(ge)小球就會自(zi)(zi)然地向一(yi)(yi)(yi)塊靠攏(long)，這是它們在(zai)沿各自(zi)(zi)的(de)測地線運動的(de)結果。我(wo)們看(kan)不到(dao)布的(de)彎(wan)曲(qu)，只看(kan)到(dao)小球在(zai)向一(yi)(yi)(yi)起靠攏(long)，就說它們之間(jian)有(you)個(ge)引力存在(zai)，其實(shi)它只是時(shi)空(kong)彎(wan)曲(qu)的(de)表現而已。

這種解釋在(zai)水星近日點的(de)進(jin)動(dong)、光線在(zai)引(yin)力(li)場(chang)中的(de)彎曲、引(yin)力(li)紅移等問(wen)題上得到了(le)很好(hao)的(de)檢(jian)驗，其后(hou)在(zai)大(da)量(liang)更精密(mi)的(de)實(shi)驗中得到了(le)進(jin)一步的(de)檢(jian)驗，與(yu)實(shi)驗符合得很好(hao)。廣義(yi)相(xiang)對論被認為(wei)是一種最好(hao)的(de)萬有引(yin)力(li)理論。

引力傳播速度

中國科學家測得(de)引力傳播速度。

經(jing)過10多年的持續探(tan)索，中國科學(xue)家在世界上成功(gong)獲得(de)“引力場以光速傳播”的第一個觀測(ce)證(zheng)據。這項(xiang)原始(shi)創新成果，實(shi)現了物理(li)學(xue)界多年來對通過實(shi)驗(yan)或觀測(ce)獲得(de)引力場傳播速度的期待，對引力場的理(li)論(lun)和(he)實(shi)驗(yan)研(yan)究具(ju)有重(zhong)要意義。

中(zhong)國科學(xue)院地(di)質(zhi)與(yu)地(di)球(qiu)物理(li)研究所26日下午在(zai)北京對外(wai)宣布，由該所湯(tang)克云研究員(yuan)領銜、中(zhong)國地(di)震局和中(zhong)國科學(xue)院大學(xue)有關科研人員(yuan)組成的(de)科學(xue)團組，經過(guo)10多(duo)年的(de)持續(xu)探索在(zai)實施多(duo)次日食期間的(de)固(gu)體(ti)潮觀測后，發現現行地(di)球(qiu)固(gu)體(ti)潮公式實際(ji)上暗(an)含著引力場以光速傳(chuan)播的(de)假定，從而提(ti)出(chu)用固(gu)體(ti)潮測量引力傳(chuan)播速度的(de)方法。

湯(tang)克云科學團組(zu)先后實(shi)施(shi)1997年(nian)(nian)漠河日全食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)、2001年(nian)(nian)贊比亞(ya)日全食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)、2002年(nian)(nian)澳大(da)利亞(ya)日全食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)、2008年(nian)(nian)嘉峪關日全食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)、2009年(nian)(nian)上海(hai)-杭州(zhou)-湖州(zhou)日全食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)和2010年(nian)(nian)云南大(da)理(li)日環食(shi)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)，主(zhu)要是重力固體潮觀(guan)(guan)(guan)測(ce)。

中(zhong)國科(ke)學家們(men)觀(guan)(guan)測研究發現：現今固體潮(chao)理論公(gong)式中(zhong)隱含著引(yin)力(li)(li)場以光速(su)(su)傳播的(de)假(jia)定，進而導出(chu)引(yin)力(li)(li)傳播速(su)(su)度(du)方程，并找(zhao)到求解引(yin)力(li)(li)場速(su)(su)度(du)的(de)有效方法。湯克云(yun)科(ke)學團組(zu)隨后(hou)選擇遠離太平(ping)洋、大西洋、印(yin)度(du)洋和北冰洋的(de)西藏(zang)獅泉河(he)站(zhan)和新疆(jiang)烏什(shen)站(zhan)的(de)固體潮(chao)數據作相(xiang)關校(xiao)正后(hou)，代(dai)入引(yin)力(li)(li)傳播速(su)(su)度(du)方程，最終獲得全球“引(yin)力(li)(li)場以光速(su)(su)傳播”的(de)第一個觀(guan)(guan)測證據。

專(zhuan)家介紹說，牛(niu)頓的萬有引(yin)力(li)定(ding)律(lv)表(biao)明(ming)，引(yin)力(li)傳播是一種超距(ju)作用(yong)，引(yin)力(li)可以在瞬間(jian)傳播至任意遠處(chu)，愛因斯坦則認為牛(niu)頓的超距(ju)作用(yong)應該放棄。一直以來，整個物理(li)學(xue)界都在期(qi)待著通過實(shi)驗或觀測獲得引(yin)力(li)場傳播的速度，但此(ci)前均未(wei)找到正(zheng)確(que)的實(shi)驗或觀測方法。