第八章 基本粒子和自然的力
亞里斯多德相信宇宙中的所有物質由4種基本元素即土、氣、火和水組成。有兩種力作用在這些元素上：重力，這是指土和水往下沈的趨勢；浮力，這是指氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。
亞里斯多德相信物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊。即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而幾個希臘人，例如德謨凱瑞特，則堅持物質具有固有的顆粒性，而且認為每一件東西都是由大量的各種不同型別的原子組成。爭論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。但是1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的，這一事實可以用由原子聚合一起形成稱作分子的個體來解釋。然而，直到20世紀初這兩個學派的爭論才以原子論者的勝利而告終。愛因史坦提供了其中一個重要的物理學證據。1905年，在他關於狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在發表的另一篇文章裏指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中塵埃小顆粒的無規則隨機運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。
當時就有人懷疑，這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院的研究員湯姆森演示了一種稱為電子的物質體子存在的證據。電子具有的品質比最輕原子的一千分之一還小。他使用了一種和現代電視映像管相類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲發射出電子，由於它們帶負電荷，可用電場將其朝一個塗磷光物質的螢幕加速。電子一打到螢幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子一定是從原子本身釋放出來的。紐西蘭物理學家恩斯特·拉塞福在1911年最後證明了物質的原子確實具有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它公轉的一些電子組成。他分析從放射性原子釋放出的帶正電荷的α粒子和原子碰撞會引起偏轉的方式，從而推出這一結論。
最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫作質子的粒子組成。質子是由希臘文中表達「第一」的詞演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，1932年拉塞福在劍橋的一位同事詹姆士·查德威克發現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的品質但不帶電荷。查德威克因這個發現獲得諾貝爾獎，並被選為劍橋龔維爾和基斯學院院長。後來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員將許多已占據位置多年的老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；我在這場爭論尾聲的1965年才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。
直到大約30年以前，人們還以為質子和中子是「基本」粒子。但是，質子和另外的質子或電子高速碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為誇克。由於對誇克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源於詹姆士·喬伊斯神秘的引語：「ThreequarksforMusterMark！」誇克這個字應發誇脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通常和拉克相押韻。
存在有幾種不同型別的誇克——有六種「味」，這些味我們分別稱之為上、下、奇、粲、底和頂。20世紀60年代起人們就知道前三種誇克，1974年才發現魅夸克，1977年和1995年分別發現底誇克和頂誇克。每種味都帶有三種「色」，即紅、綠和藍。構成的粒子，但所有這些都具有大得多的品質，並非常快地衰變成質子和中子。
現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在於什麽是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由於光波波長比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去「看」一個原子的部份。我們必須用某些波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波，粒子的能量越高，則其對應的波的波長越短。所以，我們能對這個問題給出的最好的回答，取決於我們裝置中的粒子能量有多高，因為這決定了我們能看到的尺度有多小。這些粒子的能量通常用叫作電子伏特的單位來測量。19世紀，當人們知道使用的粒子能量只是由化學反應——諸如燃燒——產生的幾個電子伏特的低能量時，大家以為原子即是最小的單位。在拉塞福的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏特的能量。更晚的時代，我們獲悉如何使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬，然後是幾十億電子伏特的能量。這樣我們知道，30年之前以為是「基本」的粒子，事實上是由更小的粒子組成。如果我們利用更高的能量時，是否會發現這些粒子是由更小的粒子組成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論上的原因，相信我們已經擁有，或者說接近擁有自然的終極構件的知識。
用上一章討論的波粒二象性，包括光和重力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。這些粒子有一種稱為自旋的性質。考慮自旋的一個方法是將粒子想象成圍繞著一個軸自轉的小陀螺。然而，這可能會引起誤會，因為量子力學告訴我們，粒子並沒有任何輪廓分明的軸。粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什麽樣子的。一個自旋為0的粒子像一個點：從任何方向看都一樣。另一方面，自旋為1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的。只有把它轉過一整圈，它看起來便一樣。類似地，把更高自旋的粒子轉了整圈的更小的部份後，它看起來便一樣。所有這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事實是，把有些粒子轉過一圈後，它仍然顯得不同：你必須使其轉兩整圈！這樣的粒子就說具有1/2的自旋。
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：自旋為1/2的粒子，它們組成宇宙中的物質；自旋為0、1和2的粒子，正如我們將要看到的，它們在物質體子之間產生力。物質體子服從所謂的包立不相容原理。這是奧地利物理學家沃夫岡·包立在1925年發現的，他因此而獲得1945年的諾貝爾獎。他是個原型的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城市裏的實驗出毛病！包立不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在於相同的態中，也就是說，在不確定性原理給出的限制下，它們不能同時具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關鍵的，因為它解釋了為何物質體子，在自旋為0、1和2的粒子產生的力的影響下，不會塌縮成密度非常高的狀態的原因：如果物質體子幾乎處在相同的位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在於相同的位置。如果世界在沒有不相容原理的情形下創生，誇克將不會形成分離的輪廓分明的質子和中子，進而這些也不可能和電子形成分離的輪廓分明的原子。它們全部都會塌縮形成大致均勻的稠密的「湯」。
直到保羅·狄拉克在1928年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1/2的粒子有了正確的理解。狄拉克後來被選為劍橋的盧卡斯數學教授。也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反自身，註意不要握手！否則，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多是一個極端重要的問題，我將會在本章的後部份回到這問題上來。
在量子力學中，所有物質體子之間的力或交互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子攜帶。所發生的是，物質體子——譬如電子或誇克——發出攜帶力的粒子。這個發射引起的反彈，改變了物質體子的速度。攜帶力的粒子然後和另一個物質體子碰撞並且被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同這兩個物質體子之間存在過一個力。攜帶力的粒子不服從包立不相容原理，這是它們的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限制，這樣它們就可以引起很強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的品質，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子本身品質為零，力就是長程的了。因為在物質體子之間交換的攜帶力的粒子，不像「實」粒子那樣可以用粒子探測器檢測到，所以稱為虛粒子。然而，因為它們具有可測量的效應，即它們引起了物質體子之間的力，所以我們知道它們存在。自旋為0、1或2的粒子在某些情況下也作為實粒子存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出經典物理學家稱為波動形式，例如光波和重力波的東西。當物質體子以交換攜帶力的虛粒子的形式而交互作用時，它們有時就可以被發射出來。
攜帶力的粒子按照其強度以及與其交互作用的粒子可以分成4個種類。必須強調指出，這種將力劃分成4種是人為的；它僅僅是為了便於建立部份理論，而並不別具深意。大部份物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將4種力解釋為一個單獨的力的不同方面。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最近，將4種力中的3種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這一章描述這些內容。而關於統一余下的另一種力即重力的問題將留到以後。
第一種力是重力，這種力是萬有的，也就是說，每一個粒子都因它的品質或能量而感受到重力。重力比其他3種力都弱得多。它是如此之弱，它若不具有兩個特別的性質，我們根本就不可能註意到：它能作用到大距離去，以及它總是吸引的。這意味著，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，單獨粒子之間的非常弱的重力都能疊加起來而產生相當大的力量。其他3種力要麽是短程的，要麽時而吸引時而排斥，所以它們傾向於相互抵消。以量子力學的方法來看待重力場，人們把兩個物質體子之間的力描述成由稱作重力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有品質，所以攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的重力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的重力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球圍繞著太陽公轉！實重力子構成了經典物理學家稱之為重力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以至於還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子倍。然而，存在兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是相互排斥的，而異種電荷之間的力則是相互吸引的。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。這樣，由於單獨粒子之間的吸重力和排斥力幾乎全被抵消了，因此兩個物體之間凈的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子圍繞著原子的核公轉，正如同重力使得地球圍繞著太陽公轉一樣。人們將電磁吸重力描繪成是由於交換大量稱作光子的無品質的自旋為1的虛粒子引起的。重復一下，這裏交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌域轉變到另一個離核更近的允許軌域時，釋放能量並且發射出實光子——如果其波長適當，則作為可見光可被肉眼觀察到，或可用諸如照相底版的光子探測器觀察到。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌域移動到較遠的軌域。這樣光子的能量被消耗掉，它也就被吸收了。
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第三種力稱為弱核力。它負責放射性現象，並只作用於自旋為1/2的所有物質體子，而對諸如光子、重力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿伯達斯·莎拉姆和哈佛的史蒂芬·拜因貝魯克提出了弱作用和電磁作用的統一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與大約100年前馬克士威統一電學和磁學相提並論。他們提出，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重向量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們稱作W+，這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地捲動著。但是隨著輪子變慢下來，球的能量減小，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個裏去。換言之，在低能下球可以存在於37種不同的狀態。如果由於某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會以為存在37種不同型別的球！
在拜因貝魯克—莎拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下粒子能量要比這低，粒子之間的對稱被破壞了。W+、W﹣和Z得到了大的品質，使之攜帶的力變成非常短程。莎拉姆和拜因貝魯克提出此理論時，很少人相信他們，因為加速器還未強大到將粒子加速到產生實的W+、W﹣和Z粒子所需的100吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裏，在較低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，使他們和同在哈佛的謝爾登·格拉肖一起獲得1979年的諾貝爾物理學獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN
第四種力是強核力。它將質子和中子中的誇克束縛在一起，並將原子核中的質子和中子束縛在一起。人們相信，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它只能與自身以及與誇克交互作用。強核力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於誇克有顏色。這樣的結合體構成了稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為誇克和反誇克會相互湮滅而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團，其疊加起來的顏色必須是白色的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的誇克或膠子，這事實使得將誇克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一種叫作漸近自由的性質，它使得誇克和膠子成為意義明確的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將誇克緊緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，強作用力在高能量下變得弱得多，誇克和膠子的行為就幾乎像自由粒子那樣。圖5.2是一張顯示一個高能質子和一個高能反質子碰撞的照片。
統一電磁力和弱核力的成功，使人們多次試圖將這兩種力和強核力合並在所謂的大統一理論也會根本上都變成一樣，這樣導致了另一種統一。
大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1000萬億吉電子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，而計劃建造的機器的能量可升到幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太陽系一樣大——這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裏直接檢驗大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢驗它在低能量下的推論。
其中最有趣的預言是，構成通常物質的大部份品質的質子能夠自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。之所以可能，其原因在於，在大統一能量下，誇克和反電子之間沒有本質的不同。在正常情況下一個質子中的三個誇克沒有足夠能量轉變成反電子，由於不確定性原理意味著質子中誇克的能量不可能嚴格不變，其中一個誇克會非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉變。這樣質子就要衰變。誇克要得到足夠能量的機率是如此之低，至少要等待100萬億億億。
人們進行了一系列實驗，可惜沒有得到任何質子或中子衰變的確實證據。有一個實驗是在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裏進行的年。這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精致的大統一理論預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。
盡管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子，或更簡單地說，誇克的產生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然的方式——誇克並不比反誇克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，進而由誇克構成。除了少數由物理學家在大型粒子加速器中產生的以外，不存在由反誇克構成的反質子和反中子。從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中的所有物質也是這樣：除了少數當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的放射線。許多粒子在那裏和它們的反粒子相碰撞、相互湮滅並釋放出高能放射線。
我們沒有直接的證據，表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但兩者必居其一，在單一的宇宙中不能有混合，否則，我們又會觀察到大量由湮滅產生的放射線。因此，我們相信，所有的星系是由誇克而不是反誇克構成；看來，一些星系為物質，而另一些星系為反物質也是難以置信的。
為什麽誇克比反誇克多這麽多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只余下一個充滿放射線而幾乎沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恒星和行星。慶幸的是，大統一理論可以解釋，盡管甚至剛開始時兩者數量相等，為何現在宇宙中誇克比反誇克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許誇克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反誇克變成電子，電子和反電子變成反誇克和誇克。在極早期宇宙有一時期是如此之熱，粒子能量高到足以發生這些轉變。但是，它為何使誇克比反誇克多呢？原因在於，物理定律對於粒子和反粒子不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫作C、P和T的對稱。C
有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取映像還有時間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。但是，克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且采用映像，但不反演時間方向，則宇宙的行為不相同。所以，如果人們反演時間方向，物理學定律必須改變——它們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：隨著時間前進，宇宙膨脹——如果它往後倒退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反誇克，這些力將更多的反電子變成誇克。然後，隨著宇宙膨脹並冷卻下來，反誇克就和誇克湮滅，但由於已有的誇克比反誇克多，少量過剩的誇克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自身。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後余下的誇克數目，甚至不知是誇克還是反誇克余下。
大統一理論不包括重力。在我們處理基本粒子或原子問題時這關系不大，因為重力是如此之弱，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質體子，重力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麽正是重力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恒星大小的物體，重力的吸引會超過所有其他的力，並使恒星塌縮。我在20世紀70年代的工作是集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的塌縮和圍繞它們的強大的重力場產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量子重力論形態的一瞥。
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