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定義

萬有引(yin)力定律：屬于自然(ran)科學領域定律，自然(ran)界中任何兩個物體都是相互吸引(yin)的，引(yin)力的大小(xiao)跟這兩個物體的質量乘積(ji)成(cheng)正比，跟它們的距離的二次(ci)方(fang)成(cheng)反(fan)比。

萬有引(yin)力(li)定(ding)(ding)律(lv)(lv)是牛頓在1687年出版的(de)《自(zi)然哲(zhe)學的(de)數學原理(li)》一(yi)書中(zhong)首先提出的(de)。牛頓利用萬有引(yin)力(li)定(ding)(ding)律(lv)(lv)不僅說明了行星運動(dong)規律(lv)(lv)，而(er)且還指出木星、土星的(de)衛(wei)星圍繞行星也有同樣的(de)運動(dong)規律(lv)(lv)。他認為月(yue)球(qiu)除了受到地球(qiu)的(de)引(yin)力(li)外，還受到太陽的(de)引(yin)力(li)，從而(er)解釋(shi)了月(yue)球(qiu)運動(dong)中(zhong)早已發現(xian)的(de)二(er)均差，出差等(deng)；另(ling)外，他還解釋(shi)了彗星的(de)運動(dong)軌道和地球(qiu)上的(de)潮汐現(xian)象(xiang)。根據(ju)萬有引(yin)力(li)定(ding)(ding)律(lv)(lv)成功地預言并發現(xian)了海王星。

萬(wan)有引(yin)力定(ding)律出(chu)現后，才正式把(ba)研究天體(ti)的(de)(de)(de)運動(dong)建立(li)(li)在力學理論(lun)的(de)(de)(de)基礎上，從而創立(li)(li)了天體(ti)力學。簡(jian)單的(de)(de)(de)說，質量(liang)越(yue)大的(de)(de)(de)東西(xi)產生(sheng)的(de)(de)(de)引(yin)力越(yue)大,這個力與(yu)兩個物體(ti)的(de)(de)(de)質量(liang)均成(cheng)(cheng)正比，與(yu)兩個物體(ti)間的(de)(de)(de)距(ju)離平方成(cheng)(cheng)反(fan)比。地球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)質量(liang)產生(sheng)的(de)(de)(de)引(yin)力足夠把(ba)地球(qiu)(qiu)上的(de)(de)(de)東西(xi)全部(bu)抓牢。

萬有引力定律(lv)傳入中(zhong)國(guo)(guo)：《自(zi)然哲(zhe)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)數(shu)學(xue)(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)(li)》牛頓(dun)最重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)著(zhu)作(zuo)，1687年(nian)出版。該書(shu)總(zong)結了他一生(sheng)中(zhong)許(xu)多重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)發(fa)現(xian)和研(yan)究(jiu)成果，其中(zhong)包括上述關于(yu)物體(ti)運動的(de)(de)(de)(de)定律(lv)。他說，該書(shu)“所研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)主要(yao)(yao)是(shi)關于(yu)重(zhong)(zhong)、輕流體(ti)抵(di)抗力及其他吸引運動的(de)(de)(de)(de)力的(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)況，所以(yi)我們研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)是(shi)自(zi)然哲(zhe)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)數(shu)學(xue)(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)(li)。”該書(shu)傳入中(zhong)國(guo)(guo)后，中(zhong)國(guo)(guo)數(shu)學(xue)(xue)(xue)家李善蘭曾譯(yi)(yi)出一部分，但(dan)未出版，譯(yi)(yi)稿也遺(yi)失了。現(xian)有的(de)(de)(de)(de)中(zhong)譯(yi)(yi)本是(shi)數(shu)學(xue)(xue)(xue)家鄭太(tai)樸翻(fan)譯(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)，書(shu)名為(wei)《自(zi)然哲(zhe)學(xue)(xue)(xue)之數(shu)學(xue)(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)(li)》，1931年(nian)商務印書(shu)館初版，1957和1958年(nian)兩次重(zhong)(zhong)印。

詳細內容

萬有引力(li)等于引力(li)常量乘(cheng)(cheng)以兩物體(ti)質量的(de)乘(cheng)(cheng)積除以它(ta)們距(ju)離的(de)平方。其中G代表引力(li)常量，其值約為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英(ying)國物理學(xue)家(jia)、化(hua)學(xue)家(jia)亨利·卡文迪許通過(guo)扭(niu)秤(cheng)實驗測得。此外，庫侖定律也(ye)可以用這種扭(niu)秤(cheng)證明。

因為行星受(shou)到的(de)作用(yong)力和太陽受(shou)到的(de)作用(yong)力是相同大小的(de)力，由(you)(you)這(zhe)兩(liang)(liang)個式子比較可(ke)知(zhi)，k′包(bao)(bao)含了(le)(le)太陽的(de)質(zhi)(zhi)量M，k″包(bao)(bao)含了(le)(le)行星的(de)質(zhi)(zhi)量m。由(you)(you)此可(ke)知(zhi)，這(zhe)兩(liang)(liang)個力與兩(liang)(liang)個天體(ti)質(zhi)(zhi)量的(de)乘積成(cheng)正比，它(ta)稱為萬有引力。

如果引入一個(ge)新(xin)的常(chang)(chang)數(shu)(shu)G（稱萬有引力(li)(li)常(chang)(chang)數(shu)(shu)），再考慮(lv)太陽(yang)和行星(xing)的質量(liang)，以(yi)(yi)及先前得出的4·π2，那(nei)么可以(yi)(yi)表(biao)示(shi)為：萬有引力(li)(li)，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩(liang)個(ge)通常物(wu)體之間的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力極其(qi)微小(xiao)，我(wo)們察覺(jue)不到(dao)它，可以不予考慮。比如，兩(liang)個(ge)質量(liang)都(dou)是60千(qian)克的(de)(de)(de)人，相距0.5米，他們之間的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力還(huan)不足(zu)百(bai)萬(wan)(wan)分之一牛頓，而一只螞蟻(yi)拖(tuo)動細草(cao)梗的(de)(de)(de)力竟是這(zhe)個(ge)引(yin)力的(de)(de)(de)1000倍！但是，天(tian)體系統中，由(you)于天(tian)體的(de)(de)(de)質量(liang)很大，萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力就起著決定性的(de)(de)(de)作用。在(zai)天(tian)體中質量(liang)還(huan)算很小(xiao)的(de)(de)(de)地(di)(di)球(qiu)，對(dui)其(qi)他的(de)(de)(de)物(wu)體的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力已經具有(you)(you)巨大的(de)(de)(de)影響，它把人類、大氣和所有(you)(you)地(di)(di)面(mian)物(wu)體束縛在(zai)地(di)(di)球(qiu)上，它使月球(qiu)和人造地(di)(di)球(qiu)衛星繞地(di)(di)球(qiu)旋轉而不離去(qu)。

重力

在(zai)人類航(hang)天(tian)(tian)(tian)事業興起之(zhi)前(qian)，萬有引(yin)力(li)早(zao)(zao)已被(bei)應用于宇(yu)(yu)宙(zhou)天(tian)(tian)(tian)體(ti)(ti)的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)。重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)雖(sui)然早(zao)(zao)被(bei)發現(xian)，但是重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)進入宇(yu)(yu)宙(zhou)這個領域，是航(hang)天(tian)(tian)(tian)科學(xue)帶領的(de)。從(cong)地面(mian)出(chu)發進行的(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)航(hang)行的(de)路上，物體(ti)(ti)受的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)要發生巨大(da)變(bian)化。到達目標(biao)天(tian)(tian)(tian)體(ti)(ti)或(huo)人造天(tian)(tian)(tian)體(ti)(ti)后，物體(ti)(ti)受的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)也(ye)會與(yu)地球上有很大(da)區(qu)別(bie)。要考(kao)慮人如(ru)何耐受體(ti)(ti)重(zhong)(zhong)(zhong)的(de)巨大(da)變(bian)化，要研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)支撐(cheng)物如(ru)何承受物體(ti)(ti)重(zhong)(zhong)(zhong)量帶來(lai)的(de)壓(ya)力(li)的(de)巨大(da)變(bian)化。但是重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)難于萬有引(yin)力(li)。至今(jin)重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)定義(yi)只停(ting)留在(zai)地面(mian)附近，重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)概念也(ye)沒(mei)有深入本質。重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)停(ting)留在(zai)下(xia)面(mian)的(de)小范圍之(zhi)內。

重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)，就是(shi)由于地(di)(di)(di)面附近的(de)(de)(de)物(wu)體受到地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)而(er)(er)產生(sheng)的(de)(de)(de)。但是(shi)需(xu)要注意的(de)(de)(de)是(shi)，因(yin)為(wei)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)在(zai)自(zi)轉(zhuan)，除了在(zai)南極北(bei)極端點(dian)，在(zai)地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)上(shang)任意一點(dian)的(de)(de)(de)物(wu)體，其(qi)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)并(bing)不等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)（因(yin)為(wei)這里的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)指地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)，而(er)(er)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)物(wu)體本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)質量(liang)再加上(shang)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)）。此(ci)時可看作(zuo)繞地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)合成萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)（矢量(liang)和(he)—平行四(si)邊(bian)形法則）。由于繞地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自(zi)轉(zhuan)的(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)遠小于重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)，故一般就認為(wei)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)就略等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)了，其(qi)實重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)略小于萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)，只有(you)(you)在(zai)南北(bei)極物(wu)體繞地(di)(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自(zi)轉(zhuan)的(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)為(wei)零時，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)才等于萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)。重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)方向(xiang)不同，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)豎直向(xiang)下(xia)，萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)指向(xiang)地(di)(di)(di)心，豎直向(xiang)下(xia)和(he)指向(xiang)地(di)(di)(di)心是(shi)不同的(de)(de)(de)，不能混淆。

上面(mian)研(yan)究重(zhong)力的方法只(zhi)適用于地面(mian)，宇宙(zhou)航行(xing)中(zhong)的重(zhong)力和(he)宇宙(zhou)中(zhong)天體或(huo)人(ren)造天體上的重(zhong)力的研(yan)究，離不開(kai)下(xia)面(mian)重(zhong)力的概念和(he)定義。

在(zai)(zai)(zai)靜力(li)(li)學范(fan)圍內(nei)，以放(fang)置物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)支撐物(wu)(wu)或物(wu)(wu)體(ti)本(ben)身為參照物(wu)(wu)，來研究重(zhong)(zhong)力(li)(li)能得(de)到(dao)最好的(de)(de)保障。萬有引力(li)(li)和(he)慣(guan)性(xing)力(li)(li)都(dou)是同時作用在(zai)(zai)(zai)物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)每一個(ge)微小部分(fen)，因此(ci)都(dou)能使物(wu)(wu)體(ti)獲(huo)得(de)重(zhong)(zhong)量。在(zai)(zai)(zai)沒有其他的(de)(de)力(li)(li)具有這樣的(de)(de)作用效果(guo)。因此(ci)將萬有引力(li)(li)和(he)慣(guan)性(xing)力(li)(li)的(de)(de)共同作用，即它們的(de)(de)合力(li)(li)叫做重(zhong)(zhong)力(li)(li)。這種研究重(zhong)(zhong)力(li)(li)得(de)到(dao)的(de)(de)結果(guo)與上面提到(dao)在(zai)(zai)(zai)地面上的(de)(de)研究方(fang)法得(de)到(dao)的(de)(de)結果(guo)完全相(xiang)同，因為地球也是宇宙天(tian)體(ti)之一。

會從這里發現(xian)，在地(di)(di)面(mian)研究(jiu)重力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，怎么(me)只考慮(lv)地(di)(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，卻沒有(you)(you)考慮(lv)把(ba)地(di)(di)球(qiu)(qiu)吸引(yin)(yin)得(de)團團轉的(de)(de)太(tai)陽的(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)其他眾星(xing)(xing)球(qiu)(qiu)的(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)？新的(de)(de)概念和(he)定義能(neng)很好地(di)(di)做出解(jie)釋。把(ba)各星(xing)(xing)球(qiu)(qiu)看做質點，那么(me)太(tai)陽的(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)其他眾星(xing)(xing)球(qiu)(qiu)的(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，都分別和(he)與它們對應的(de)(de)慣(guan)性力(li)(li)(li)(li)(li)(li)相互抵消。因此(ci)在求地(di)(di)面(mian)上物體的(de)(de)重力(li)(li)(li)(li)(li)(li)時除地(di)(di)球(qiu)(qiu)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)以外，其他的(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)可以不參與重力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)計(ji)算(suan)。但是(shi)不加考慮(lv)是(shi)不可以的(de)(de)。

宇(yu)宙(zhou)(zhou)航行中物體的(de)(de)超重(zhong)、失重(zhong)現象的(de)(de)解(jie)釋和物體在其他星球上的(de)(de)重(zhong)力(li)計算，都可以在新(xin)定義下，用物體所受重(zhong)力(li)的(de)(de)變化(hua)或說(shuo)重(zhong)量的(de)(de)變化(hua)來解(jie)決。這(zhe)樣(yang)重(zhong)力(li)的(de)(de)研究就會伴隨萬(wan)有引力(li)的(de)(de)研究進入(ru)宇(yu)宙(zhou)(zhou)空間。

偉大意義

17世紀早期，人們已經能夠區分很多力(li)(li)，比(bi)如摩(mo)擦力(li)(li)、重(zhong)力(li)(li)、空氣阻(zu)力(li)(li)、電力(li)(li)和人力(li)(li)等。牛頓首次將(jiang)其中一(yi)些看(kan)似不同的(de)力(li)(li)準確地歸結到萬有(you)引力(li)(li)概念里：蘋果落(luo)地，人有(you)體重(zhong)，月(yue)亮圍繞地球轉，所(suo)有(you)這些現(xian)象都(dou)是由相同原因引起的(de)。牛頓的(de)萬有(you)引力(li)(li)定律簡單(dan)易懂，涵蓋(gai)面廣。

萬有(you)(you)引力的(de)(de)(de)發現，是17世紀自然科學最偉大的(de)(de)(de)成果(guo)之(zhi)一(yi)。它(ta)把(ba)地面上的(de)(de)(de)物體運(yun)動的(de)(de)(de)規(gui)律(lv)和(he)天體運(yun)動的(de)(de)(de)規(gui)律(lv)統一(yi)了起(qi)來，對以后(hou)物理學和(he)天文學的(de)(de)(de)發展具有(you)(you)深(shen)遠的(de)(de)(de)影(ying)響。它(ta)第(di)一(yi)次揭示了自然界中一(yi)種基本相互作用的(de)(de)(de)規(gui)律(lv)，在人(ren)類認識自然的(de)(de)(de)歷史上樹立(li)了一(yi)座里程碑(bei)。

牛(niu)頓(dun)的萬有引力(li)概念是所有科(ke)學(xue)中最實用的概念之一。牛(niu)頓(dun)認(ren)為(wei)(wei)萬有引力(li)是所有物(wu)質的基(ji)本特征，這(zhe)成為(wei)(wei)大部分(fen)物(wu)理科(ke)學(xue)的理論基(ji)石。

發現過程

原因

牛頓發現萬有引力的原因(yin)很多，主(zhu)要因(yin)為以下幾點。

1.科學發展(zhan)的(de)要求：牛頓之前，有(you)很多(duo)天(tian)文學家在(zai)對宇宙中的(de)星球進行(xing)觀察(cha)。經過幾位天(tian)文學家的(de)觀察(cha)記錄，到開普(pu)勒時(shi)，他對這些(xie)觀測結果進行(xing)了分析(xi)總結，得到開普(pu)勒三大定律：

1.所(suo)有行星(xing)都繞太陽做橢(tuo)圓運(yun)行，太陽在所(suo)有橢(tuo)圓的(de)公(gong)共焦點上。

2.行(xing)星(xing)的向徑(jing)在相等的時(shi)間內掃過相等的面積。

3.所(suo)有(you)行星(xing)軌道半長軸的三(san)次方跟公轉周期的二(er)次方的比值都相等，即r^3/T^2=k。

開普勒三定(ding)(ding)律(lv)是(shi)(shi)不容置疑的(de)，但為什(shen)么會這樣呢？是(shi)(shi)什(shen)么讓它們做加速(su)度非零的(de)運(yun)動？牛(niu)頓經過研究(jiu)思(si)考解決了這個(ge)問題(ti)：物體(ti)之間存在萬有引(yin)力。當(dang)然他發(fa)現(xian)萬有引(yin)力定(ding)(ding)量是(shi)(shi)一個(ge)漫(man)長而曲折的(de)過程。

2.個人原(yuan)因(yin)：牛(niu)頓發現(xian)萬(wan)有(you)(you)引力(li)(li)定律，雖然是科學發展(zhan)的(de)(de)(de)要求，生(sheng)產力(li)(li)發展(zhan)的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)，但(dan)我們不能(neng)忽略牛(niu)頓本人的(de)(de)(de)一(yi)(yi)些因(yin)素：聰(cong)明(ming)勤于思考 擁(yong)有(you)(you)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)知識量。據《物理學史》說：牛(niu)頓在(zai)發現(xian)萬(wan)有(you)(you)引力(li)(li)定律的(de)(de)(de)那一(yi)(yi)段時(shi)間，廢寢忘(wang)食（每天(tian)魂不守(shou)舍(she)，在(zai)食堂(tang)(tang)吃飯，飯碗在(zai)前，他(ta)在(zai)發呆(dai)。去(qu)食堂(tang)(tang)吃飯，卻走錯了(le)方向(xiang)。一(yi)(yi)些老師(shi)在(zai)校園后的(de)(de)(de)沙(sha)灘上散步(bu)時(shi)，看見(jian)了(le)一(yi)(yi)些古怪的(de)(de)(de)算(suan)式(shi)和(he)符號）。1669年，他(ta)年僅27歲，就擔任了(le)劍橋的(de)(de)(de)數學教授(shou)。還有(you)(you)1672年當選為英國皇家學會會員。

過程

1666年，23歲的(de)(de)牛(niu)頓還是劍(jian)橋大學圣三(san)一學院三(san)年級的(de)(de)學生。看到他白皙的(de)(de)皮膚和金色(se)的(de)(de)長發，很多人(ren)(ren)以為他還是個孩(hai)子。他身體(ti)瘦小，沉默寡(gua)言(yan)，性格嚴肅，這使人(ren)(ren)們更(geng)加相信他還是個孩(hai)子。他那雙(shuang)銳利(li)的(de)(de)眼睛和整天寫滿怒氣的(de)(de)表情(qing)更(geng)是拒人(ren)(ren)于千里之(zhi)外。

黑死病席卷了(le)倫(lun)敦，奪走了(le)很多(duo)人(ren)的(de)生命，那確實是段可怕的(de)日(ri)子。大學(xue)被迫關閉，像艾薩克·牛頓這樣(yang)熱衷于(yu)學(xue)術的(de)人(ren)只好返回安全的(de)鄉村(cun)，期待著席卷城(cheng)市的(de)病魔早(zao)日(ri)離去。

在鄉村的(de)(de)日子里，牛頓一(yi)直被這樣的(de)(de)問題困惑：是什么力量驅使(shi)月球(qiu)(qiu)圍(wei)繞地球(qiu)(qiu)轉(zhuan)，地球(qiu)(qiu)圍(wei)繞太陽轉(zhuan)？牛頓首次認為(wei)，重力不僅(jin)僅(jin)是行(xing)星(xing)(xing)和(he)恒星(xing)(xing)之間(jian)的(de)(de)作(zuo)用(yong)力，有可能是普遍存在的(de)(de)吸引力。他深信煉金術，認為(wei)物質(zhi)之間(jian)相互吸引，這使(shi)他斷(duan)言，相互吸引力不但適(shi)用(yong)于碩大(da)的(de)(de)天體之間(jian)，而且(qie)適(shi)用(yong)于各種(zhong)體積的(de)(de)物體之間(jian)。蘋果落地、雨滴降(jiang)落和(he)行(xing)星(xing)(xing)沿著軌道圍(wei)繞太陽運行(xing)都是重力作(zuo)用(yong)的(de)(de)結果。

人(ren)們普遍(bian)認(ren)為，適用于地(di)球(qiu)的(de)自然(ran)定律(lv)(lv)與太空中的(de)定律(lv)(lv)大相徑(jing)庭。牛頓的(de)萬有(you)引(yin)力(li)定律(lv)(lv)沉重(zhong)打擊了這一觀點，它告訴人(ren)們，支配自然(ran)和宇宙的(de)法(fa)則是(shi)很簡單的(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)的基石。

當然，當時牛頓提出(chu)了萬有引(yin)(yin)力理(li)論(lun)，卻(que)未能得出(chu)萬有引(yin)(yin)力的(de)公(gong)式，因為公(gong)式中的(de)“G”實(shi)(shi)在太(tai)小了，因此他提出(chu)：F∝mM/r2。直到(dao)1798年英國物(wu)理(li)學家卡文(wen)迪(di)許(xu)利用著名的(de)卡文(wen)迪(di)許(xu)扭秤(cheng)（即卡文(wen)迪(di)許(xu)實(shi)(shi)驗）較(jiao)精確地測出(chu)了引(yin)(yin)力恒量(liang)的(de)數值。

簡單含義

牛頓并不是(shi)(shi)發現了重(zhong)(zhong)力(li)(li)，他(ta)是(shi)(shi)發現重(zhong)(zhong)力(li)(li)是(shi)(shi)“萬(wan)有”的。每(mei)個(ge)(ge)物(wu)(wu)體(ti)都(dou)會(hui)吸引(yin)(yin)其他(ta)物(wu)(wu)體(ti)，而(er)這股引(yin)(yin)力(li)(li)的大小只跟(gen)物(wu)(wu)體(ti)的質量與物(wu)(wu)體(ti)間(jian)的距(ju)離有關(guan)。牛頓的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)定律說(shuo)明(ming)，每(mei)一個(ge)(ge)物(wu)(wu)體(ti)都(dou)吸引(yin)(yin)著其他(ta)每(mei)一個(ge)(ge)物(wu)(wu)體(ti)，而(er)兩(liang)個(ge)(ge)物(wu)(wu)體(ti)間(jian)的引(yin)(yin)力(li)(li)大小，正比于這它們的質量，會(hui)隨(sui)著兩(liang)物(wu)(wu)體(ti)中(zhong)心連線距(ju)離的平方而(er)遞減(jian)。

牛頓(dun)為了證明只有(you)球形體可(ke)(ke)把“球的(de)(de)總質(zhi)量(liang)集中到(dao)球的(de)(de)質(zhi)心點”來代(dai)表整個球的(de)(de)萬有(you)引力(li)作(zuo)用(yong)的(de)(de)總效果而(er)發展了微(wei)積分。然而(er)不管(guan)距離(li)地球多遠(yuan)，地球的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)永遠(yuan)不會變(bian)成(cheng)零，即使你被帶到(dao)宇宙的(de)(de)邊緣，地球的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)還(huan)(huan)是會作(zuo)用(yong)到(dao)你身上，雖然地球重(zhong)(zhong)力(li)的(de)(de)作(zuo)用(yong)可(ke)(ke)能會被你附近質(zhi)量(liang)巨(ju)大的(de)(de)物體所掩蓋，但它還(huan)(huan)是存在(zai)。不管(guan)是多小還(huan)(huan)是多遠(yuan)，每一個物體都會受到(dao)引力(li)作(zuo)用(yong)，而(er)且(qie)遍布整個太(tai)空，正如我們所說(shuo)的(de)(de)“萬有(you)”。

基本力

萬有引(yin)力(li)(li)是任意兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)物(wu)體或(huo)兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)粒子間的(de)(de)與其質量乘積相(xiang)關的(de)(de)吸引(yin)力(li)(li)，自(zi)然界中最普遍的(de)(de)力(li)(li)，簡稱引(yin)力(li)(li)。在粒子物(wu)理學中則稱引(yin)力(li)(li)和強(qiang)力(li)(li)、弱力(li)(li)、電磁力(li)(li)合稱4種(zhong)基本相(xiang)互(hu)作用。引(yin)力(li)(li)是其中最弱的(de)(de)一種(zhong)，兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)質子間的(de)(de)萬有引(yin)力(li)(li)只有它(ta)們間的(de)(de)電磁力(li)(li)的(de)(de)1/10，質子受地球的(de)(de)引(yin)力(li)(li)也只有它(ta)在一個(ge)(ge)不強(qiang)的(de)(de)電場1000伏/米的(de)(de)電磁力(li)(li)的(de)(de)1/10。因此研究粒子間的(de)(de)作用或(huo)粒子在電子顯微鏡和加速器中運動時，都不考慮萬有引(yin)力(li)(li)的(de)(de)作用。

一(yi)般物體(ti)之間的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)也是(shi)很小的(de)(de)(de)(de)，例如(ru)兩個直徑為(wei)1米的(de)(de)(de)(de)鐵球，緊靠在(zai)一(yi)起時(shi)，引(yin)(yin)力(li)也只有1.14×10-3牛(niu)頓，相(xiang)當于0.03克的(de)(de)(de)(de)一(yi)小滴水的(de)(de)(de)(de)重(zhong)量(liang)。但地(di)球的(de)(de)(de)(de)質量(liang)很大，這(zhe)兩個鐵球分別受到(dao)4×102牛(niu)頓的(de)(de)(de)(de)地(di)球引(yin)(yin)力(li)，所以(yi)研究物體(ti)在(zai)地(di)球引(yin)(yin)力(li)場中的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)(dong)時(shi)，通(tong)常都不(bu)考慮周圍其他物體(ti)的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)。天(tian)體(ti)如(ru)太(tai)陽和地(di)球的(de)(de)(de)(de)質量(liang)都很大，乘積就更大，巨大的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)就能使龐然大物繞(rao)太(tai)陽轉動(dong)(dong)(dong)。引(yin)(yin)力(li)就成了(le)支配天(tian)體(ti)運動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)唯一(yi)的(de)(de)(de)(de)一(yi)種力(li)。恒星的(de)(de)(de)(de)形成，在(zai)高溫狀態(tai)下不(bu)彌散(san)反而逐漸收縮(suo)，最后(hou)坍縮(suo)為(wei)白矮星、中子星和黑洞，也都是(shi)由于引(yin)(yin)力(li)的(de)(de)(de)(de)作用，因(yin)此(ci)引(yin)(yin)力(li)也是(shi)促使天(tian)體(ti)演化的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要因(yin)素。

迄今為(wei)止，我們已(yi)經知道，引(yin)(yin)力(li)(li)(li)是(shi)一種與時空基(ji)本(ben)結構緊密關聯的(de)普適力(li)(li)(li)。應該(gai)視其為(wei)基(ji)本(ben)力(li)(li)(li)。換(huan)句話說，我們應該(gai)用引(yin)(yin)力(li)(li)(li)來度量其他東西，而(er)不是(shi)用其他東西來度量引(yin)(yin)力(li)(li)(li)。因此，在絕對意義上來說，引(yin)(yin)力(li)(li)(li)不是(shi)微弱(ruo)的(de)——它本(ben)來就是(shi)這樣子的(de)。事(shi)實上，引(yin)(yin)力(li)(li)(li)顯得如此之微弱(ruo)一直讓(rang)理論物理學(xue)界感到困惑(huo)。

大統一理論

萬有引力(li)(li)、電磁(ci)(ci)力(li)(li)、強(qiang)(qiang)相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)、弱相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)這(zhe)四種(zhong)(zhong)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)是基本力(li)(li)。它們(men)都是通(tong)過(guo)在粒子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)交換的(de)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)“傳播子(zi)”實現的(de)交互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)，這(zhe)就像兩(liang)個(ge)人托(tuo)排球，通(tong)過(guo)他們(men)之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)的(de)排球把(ba)他們(men)聯系(xi)在一(yi)(yi)起一(yi)(yi)樣。帶電粒子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)電磁(ci)(ci)相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)傳播子(zi)是質量(liang)為(wei)零(ling)、自(zi)旋為(wei)1的(de)光子(zi)。 原來有學(xue)者認為(wei)，核(he)子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)的(de)強(qiang)(qiang)相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)（核(he)力(li)(li)）是靠π介子(zi)傳遞(di)的(de)，但由(you)(you)于(yu)核(he)子(zi)和(he)π介子(zi)都是由(you)(you)夸(kua)克(ke)組成的(de)，所以歸(gui)根結(jie)底它們(men)是夸(kua)克(ke)之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)的(de)相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)。

傳(chuan)遞夸克之間強相互(hu)(hu)作用的(de)(de)傳(chuan)播子(zi)(zi)(zi)稱(cheng)為(wei)“膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)”。注意光子(zi)(zi)(zi)不(bu)帶電(dian)，且只有(you)一種，而膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)帶“色(se)(se)荷”，分(fen)為(wei)八種不(bu)同的(de)(de)膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)。不(bu)過它和(he)光子(zi)(zi)(zi)一樣，都(dou)是自(zi)旋為(wei)1的(de)(de)玻(bo)(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)(zi)。弱(ruo)相互(hu)(hu)作用的(de)(de)傳(chuan)播子(zi)(zi)(zi)是“中(zhong)(zhong)(zhong)間玻(bo)(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)(zi)”，它的(de)(de)自(zi)旋也為(wei)1。有(you)三種帶電(dian)情(qing)況(kuang)：把帶有(you)正負單位電(dian)荷的(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間玻(bo)(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)(zi)記(ji)為(wei)W+、W-，把不(bu)帶電(dian)的(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間玻(bo)(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)(zi)記(ji)為(wei)Z。1983年(nian)歐洲核(he)子(zi)(zi)(zi)研(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)(zhong)心的(de)(de)盧比亞和(he)范德(de)梅(mei)爾，在質子(zi)(zi)(zi)-反質子(zi)(zi)(zi)對撞機實驗中(zhong)(zhong)(zhong)發現了這(zhe)三種中(zhong)(zhong)(zhong)間玻(bo)(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)(zi)，第二(er)年(nian)即獲得(de)諾貝爾獎。

在現代物理學(xue)(xue)中(zhong)，能量(liang)概念比質(zhi)量(liang)概念更(geng)具有核(he)心地位。這(zhe)表(biao)現在許多方(fang)面。真正(zheng)守(shou)恒的是(shi)能量(liang)而(er)非質(zhi)量(liang)。出現在各類基本方(fang)程(cheng)，如統計(ji)力學(xue)(xue)的波爾茲(zi)曼(man)方(fang)程(cheng)，量(liang)子(zi)力學(xue)(xue)的薛定諤(e)方(fang)程(cheng)和關于引(yin)力的愛因斯(si)坦方(fang)程(cheng)等方(fang)程(cheng)中(zhong)也是(shi)能量(liang)。而(er)質(zhi)量(liang)似乎更(geng)多地與技術(shu)途徑相聯系，例如作為(wei)龐(pang)加萊(lai)群不可約表(biao)示的符號。

因此，愛因斯坦方程提出了一項挑戰。如果能夠用能量來解釋質量，這將有助(zhu)于(yu)改進科(ke)學家們(men)對于(yu)世界的(de)(de)描述(shu)，這樣，構建世界所需要的(de)(de)構件可能變得更少(shao)。

借助于愛因斯坦定律，我們可以更好(hao)地(di)解決(jue)或者回答(da)牛頓(dun)所(suo)未曾解決(jue)的問題(ti)：什么是質量的起源？引力與其他基本力之(zhi)間到底有什么關聯(lian)？

問題(ti)1：如果E=mc2，那么，質(zhi)量(liang)(liang)正(zheng)比于(yu)能(neng)量(liang)(liang)。因此如果能(neng)量(liang)(liang)守恒(heng)，是(shi)不是(shi)意味著質(zhi)量(liang)(liang)也守恒(heng)？然而，愛(ai)因斯坦的(de)方(fang)程只能(neng)運用(yong)到靜止的(de)孤立的(de)物體上。一(yi)般來說，兩個物體相互作(zuo)用(yong)時，能(neng)量(liang)(liang)和質(zhi)量(liang)(liang)不成正(zheng)比。E=mc2根本(ben)不適用(yong)。

問題2：用無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)構(gou)件搭(da)建起(qi)來的(de)物體如何感(gan)知(zhi)引(yin)力(li)？牛頓定(ding)律說(shuo)物體受到(dao)的(de)引(yin)力(li)與質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)成(cheng)正(zheng)比，但(dan)事實(shi)(shi)上，通常被認為是零(ling)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)光子卻會受到(dao)引(yin)力(li)的(de)作用而(er)發生彎曲(qu)。這是1919年為嚴(yan)驗(yan)證(zheng)在愛因(yin)斯坦廣義相對(dui)論所提(ti)出的(de)假設(she)進行(xing)的(de)一次科學實(shi)(shi)觀測所證(zheng)實(shi)(shi)了的(de)。那么這是否意味著(zhu)光子質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)非零(ling)還是牛頓引(yin)力(li)定(ding)律缺少普(pu)適(shi)性(xing)？

光(guang)(guang)的(de)問(wen)題(ti)是一個(ge)值得重視的(de)首要性(xing)問(wen)題(ti)。《圣經(jing)·創(chuang)世紀(ji)》中(zhong)上帝(di)在(zai)造物的(de)第一日所創(chuang)造之(zhi)物便是光(guang)(guang)，上帝(di)在(zai)圣經(jing)中(zhong)也多次把光(guang)(guang)當成自己的(de)化身。光(guang)(guang)是“所有(you)事物”中(zhong)最重要的(de)元素(su)，當然它截然不(bu)同于原子。人們本能地認為光(guang)(guang)是與物質(zhi)完全不(bu)同的(de)另一類東(dong)西(xi)，是非物質(zhi)的(de)甚至是精神層面(mian)的(de)，這很(hen)自然。

光(guang)也的(de)(de)確表現(xian)出完全不同于可觸摸物質(zhi)的(de)(de)特性——后(hou)者是(shi)(shi)那種你(ni)(ni)踢一下就(jiu)會傷著腳趾頭或者是(shi)(shi)流過(guo)吹(chui)過(guo)你(ni)(ni)身邊的(de)(de)東西。如(ru)果(guo)你(ni)(ni)要跟費恩曼例子(zi)(zi)里的(de)(de)災后(hou)遺民講授物理學，你(ni)(ni)大(da)可告(gao)訴他(ta)們，光(guang)是(shi)(shi)物質(zhi)的(de)(de)另一種形式，他(ta)們也會理解。你(ni)(ni)甚至可以告(gao)訴他(ta)們，光(guang)是(shi)(shi)由粒子(zi)(zi)——光(guang)子(zi)(zi)——組成的(de)(de)。光(guang)子(zi)(zi)在(zai)真(zhen)空中運動速度(du)很(hen)大(da)，但是(shi)(shi)在(zai)超導狀態下，光(guang)運行的(de)(de)速度(du)很(hen)慢，大(da)體跟目前世界跑(pao)得最快的(de)(de)奧運會短跑(pao)冠軍的(de)(de)速度(du)相近，而且，光(guang)子(zi)(zi)在(zai)這種狀態下也具有(you)了質(zhi)量。

其次(ci)，值得提及的(de)(de)(de)是(shi)(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不是(shi)(shi)故事(shi)的(de)(de)(de)結束，它(ta)們是(shi)(shi)由(you)(you)更基本的(de)(de)(de)構件組(zu)(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)。因為所(suo)有(you)的(de)(de)(de)物質(zhi)(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)(zhi)都是(shi)(shi)由(you)(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)由(you)(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核和電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核很(hen)小，其大小大約為原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)10萬分之(zhi)一(yi)，但它(ta)卻(que)包(bao)含所(suo)有(you)的(de)(de)(de)正電(dian)(dian)(dian)荷(he)和構成(cheng)了幾乎所(suo)有(you)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)。沿此思路(lu)(lu)走下去，我(wo)們將很(hen)快將費恩曼(man)故事(shi)中(zhong)(zhong)災后遺民引領到正確理(li)解科學(xue)的(de)(de)(de)化學(xue)和電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)學(xue)的(de)(de)(de)道路(lu)(lu)上來，從而重建我(wo)們的(de)(de)(de)世界。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)因為原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核和電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)性(xing)吸(xi)引而保持穩定。最后，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核又由(you)(you)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)(zu)成(cheng)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核卻(que)由(you)(you)另一(yi)種力來維持，這(zhe)種力要比電(dian)(dian)(dian)性(xing)力強大很(hen)多，但作用的(de)(de)(de)距離卻(que)很(hen)短(duan)。這(zhe)種對于物質(zhi)(zhi)認識狀態，大約是(shi)(shi)1935年前后的(de)(de)(de)情形(xing)。而我(wo)們所(suo)了解的(de)(de)(de)當然(ran)要大大跨越這(zhe)一(yi)時(shi)期的(de)(de)(de)知識水準(zhun)。

1932年，詹(zhan)姆斯·查德威(wei)克發(fa)現(xian)了中(zhong)子(zi)(zi)(zi)，這是一個里程碑。在查德威(wei)克的(de)(de)(de)(de)發(fa)現(xian)之后(hou)，理解原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)的(de)(de)(de)(de)道路(lu)似乎變得通(tong)暢了。人們(men)認為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)的(de)(de)(de)(de)構件(jian)已被發(fa)現(xian)，它們(men)就(jiu)是質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)。這是兩種(zhong)重(zhong)量近似的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)，而(er)且有著(zhu)類似的(de)(de)(de)(de)強相互作用(yong)。質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)最明顯的(de)(de)(de)(de)差別就(jiu)是質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)帶(dai)正(zheng)電荷(he)，而(er)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)呈(cheng)電中(zhong)性。此外，孤立的(de)(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)不(bu)穩定，大約會在15分鐘的(de)(de)(de)(de)壽命期限內衰變成一個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)（加(jia)一個正(zheng)電荷(he)和(he)(he)(he)一個中(zhong)微子(zi)(zi)(zi)）。將(jiang)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)簡(jian)單相加(jia)，你就(jiu)可以得到不(bu)同(tong)電荷(he)數和(he)(he)(he)質(zhi)(zhi)量的(de)(de)(de)(de)模型原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)，它與已知原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)(he)基(ji)本相符。

牛頓在1704年(nian)發表(biao)(biao)的(de)(de)《光學(xue)》一書中，這樣表(biao)(biao)述(shu)了(le)他(ta)對物質(zhi)的(de)(de)終極性(xing)質(zhi)的(de)(de)設(she)想：

“在我看來(lai)，事實上(shang)可(ke)(ke)能是，上(shang)帝(di)開始造(zao)物的時，將(jiang)物質做(zuo)成(cheng)了結實、沉重、堅硬(ying)、不可(ke)(ke)入(ru)但可(ke)(ke)運動的微粒(li)，其大(da)小、形狀和其它(ta)一(yi)些屬性以(yi)及空間(jian)上(shang)的比(bi)例都(dou)恰(qia)好有助(zhu)于他實現(xian)創(chuang)造(zao)它(ta)們的目的。由于這些原始微粒(li)是些固體，所以(yi)它(ta)們比(bi)任何(he)由它(ta)們合成(cheng)的多(duo)孔(kong)的物體都(dou)要堅固得無可(ke)(ke)比(bi)擬(ni)。它(ta)們甚至堅硬(ying)得永遠不會磨損或破裂，沒有任何(he)普通(tong)的力量(liang)能把上(shang)帝(di)在他第一(yi)次創(chuang)世時他自(zi)己(ji)造(zao)出來(lai)的東(dong)西分開。”

物質(zhi)的(de)(de)(de)科學實質(zhi)，其不(bu)可(ke)再分(fen)的(de)(de)(de)核心是質(zhi)量(liang)。質(zhi)量(liang)規定了(le)物質(zhi)反抗運動的(de)(de)(de)能(neng)力(li)，也就是它(ta)的(de)(de)(de)慣(guan)性(xing)(xing)。質(zhi)量(liang)是不(bu)變的(de)(de)(de)，即具有“保(bao)守性(xing)(xing)”。它(ta)可(ke)以(yi)從一個(ge)(ge)物體(ti)轉(zhuan)移(yi)到另一個(ge)(ge)物體(ti)，但是永(yong)遠不(bu)會增生或(huo)被消滅。對于牛頓來說(shuo)，質(zhi)量(liang)定義了(le)物質(zhi)的(de)(de)(de)多(duo)少。在牛頓物理(li)學中(zhong)，質(zhi)量(liang)提供了(le)力(li)和(he)運動以(yi)及引(yin)力(li)源之間聯系的(de)(de)(de)橋梁。而在拉瓦錫看來，質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)及其精確的(de)(de)(de)守恒(heng)性(xing)(xing)，則構成了(le)化學的(de)(de)(de)基礎和(he)富有成果(guo)的(de)(de)(de)發(fa)現指南。

我們在化學(xue)的經驗表明(ming)，對(dui)所有這些復雜性給予解釋(shi)是可能(neng)的。也許質子(zi)(zi)、中子(zi)(zi)和其它(ta)強(qiang)子(zi)(zi)不是基(ji)本粒子(zi)(zi)。它(ta)們也許是由性質更(geng)(geng)為簡單的更(geng)(geng)為基(ji)本的對(dui)象(xiang)構成。

事(shi)實上，如(ru)果(guo)我們針對原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平上做在質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平上做的(de)(de)散(san)射實驗，來(lai)研究原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在近距離碰(peng)撞下會(hui)發生(sheng)什(shen)么，我們會(hui)得到(dao)同樣復雜的(de)(de)結果(guo)：重新(xin)(xin)分(fen)(fen)布的(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)碎(sui)裂而成的(de)(de)類新(xin)(xin)型分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或處(chu)于(yu)激發態的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或自由基(ji)），換句話(hua)說，得到(dao)的(de)(de)各種化學反(fan)(fan)應。服從簡單的(de)(de)力定(ding)律的(de)(de)只是基(ji)本的(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)，而由多個(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)組成的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不。而且(qie)在亞原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情形下，質(zhi)(zhi)量(liang)也(ye)不守恒。如(ru)果(guo)你將質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟擊得足夠致密，你就(jiu)會(hui)發現得到(dao)的(de)(de)是更多的(de)(de)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有(you)(you)時還(huan)會(hui)伴有(you)(you)其它強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一個(ge)(ge)(ge)典(dian)型的(de)(de)情形是，讓兩(liang)個(ge)(ge)(ge)高能質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相互碰(peng)撞，得到(dao)卻是3個(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一個(ge)(ge)(ge)反(fan)(fan)中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)若干個(ge)(ge)(ge)介(jie)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)總質(zhi)(zhi)量(liang)會(hui)大于(yu)反(fan)(fan)應前兩(liang)個(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)之和(he)。

光(guang)(guang)沒(mei)有(you)質量(liang)。光(guang)(guang)不用推動(dong)就可(ke)以產(chan)(chan)生(sheng)巨大(da)的(de)(de)速度(du)從光(guang)(guang)源傳(chuan)遞到接受器。光(guang)(guang)很(hen)容易就可(ke)以產(chan)(chan)生(sheng)（發射）或湮沒(mei)（被吸收）。光(guang)(guang)也不具備(bei)引(yin)力那樣的(de)(de)拉力。但光(guang)(guang)有(you)能量(liang)，能輕(qing)而易舉地被轉化并儲藏起來，例如植(zhi)物的(de)(de)葉綠(lv)素在光(guang)(guang)合作用下(xia)，可(ke)以把空氣中的(de)(de)二氧化碳(tan)和植(zhi)物根系吸收的(de)(de)水(shui)分(fen)(fen)、礦(kuang)物質轉換成(cheng)多糖(tang)、氨基(ji)酸(suan)或纖維(wei)素的(de)(de)化學鍵里。在元素周期表我們(men)找不到光(guang)(guang)的(de)(de)位置(zhi)，而這個周期表里分(fen)(fen)布都是構(gou)(gou)成(cheng)物質的(de)(de)各種構(gou)(gou)件。

在(zai)近代(dai)科(ke)學誕(dan)生(sheng)前的幾(ji)百(bai)年以及(ji)誕(dan)生(sheng)后的兩個半(ban)世紀里，實(shi)在(zai)分為物質(zhi)(zhi)和(he)光(guang)似(si)乎是不(bu)言自明的。物質(zhi)(zhi)有質(zhi)(zhi)量(liang)且(qie)守恒(heng)，光(guang)沒有質(zhi)(zhi)量(liang)。如果有質(zhi)(zhi)量(liang)物質(zhi)(zhi)和(he)無(wu)質(zhi)(zhi)量(liang)的光(guang)始(shi)(shi)終(zhong)彼此(ci)隔絕(jue)，那么物理世界就(jiu)始(shi)(shi)終(zhong)無(wu)法實(shi)現統一(yi)的描述。

在(zai)20世(shi)(shi)(shi)紀的前半葉(xie)(xie)，相對(dui)論(lun)和量子物理(li)(li)學(xue)的出現摧毀(hui)了經典物理(li)(li)學(xue)的基(ji)礎(chu)。現存的物質和光的理(li)(li)論(lun)幾同廢(fei)墟。這(zhe)一創新(xin)性的破壞過程，使得物理(li)(li)學(xue)家(jia)有(you)可能在(zai)20世(shi)(shi)(shi)紀的下半葉(xie)(xie)建造起一個新(xin)的更深刻(ke)的物質-光理(li)(li)論(lun)，它將(jiang)(jiang)徹底(di)破除自古(gu)以(yi)來(lai)對(dui)兩者分離的認識。新(xin)的理(li)(li)論(lun)認為，世(shi)(shi)(shi)界是建立(li)在(zai)充滿以(yi)太的多層級空間(jian)基(ji)礎(chu)上的。這(zhe)里(li)借用的“以(yi)太”雖(sui)然是十七世(shi)(shi)(shi)紀的哲學(xue)家(jia)笛卡爾的概念，在(zai)十九世(shi)(shi)(shi)紀時麥克斯韋則稱(cheng)之為“場”，而(er)在(zai)1970年代中(zhong)，維爾切克則將(jiang)(jiang)其(qi)稱(cheng)之為“網格”。

新的(de)世界模型盡管看起(qi)來有點稀奇(qi)古怪，但卻非常成功而且精確。它為我們提供(gong)了對普通物(wu)質質量(liang)(liang)起(qi)源的(de)新認(ren)識。簡單(dan)來說，物(wu)質的(de)出現于相對論、量(liang)(liang)子(zi)(zi)場論和色動力學(xue)均有關系(xi)——后(hou)者是研究(jiu)支(zhi)配夸克和膠子(zi)(zi)行為特有規律(lv)的(de)學(xue)問。如果不深(shen)入(ru)了解并熟悉地運(yun)用這些(xie)概念，我們就(jiu)無法理解質量(liang)(liang)的(de)起(qi)源。而且迄今為止，量(liang)(liang)子(zi)(zi)場論和色動力學(xue)仍(reng)然(ran)是活躍的(de)研究(jiu)領(ling)域(yu)，還(huan)有許(xu)許(xu)多(duo)多(duo)的(de)問題(ti)有待解決。

不久以前，人們曾經認(ren)為(wei)普通物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)基(ji)本構(gou)(gou)件就是質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)。之后，科學家(jia)們又發現，普通物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)基(ji)本構(gou)(gou)件——質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)——內有些(xie)小東西。這(zhe)些(xie)小東西叫(jiao)做夸(kua)克和(he)膠子(zi)(zi)(zi)。當然，知道它們的(de)名字并(bing)不等于告(gao)訴我們他們是什么，正如莎士比亞筆下的(de)羅密歐所解釋的(de)那樣：

“名字(zi)有什(shen)么意(yi)義(yi)？我(wo)們叫做玫(mei)瑰的東西，換個名字(zi)，還是一(yi)樣的香艷(yan)。”

但(dan)是(shi)，如果夸(kua)克和(he)膠子(zi)只是(shi)物質內部永無止(zhi)境的(de)(de)復雜(za)結構的(de)(de)又一(yi)(yi)層級，那(nei)么它們(men)(men)的(de)(de)名字只不過提供一(yi)(yi)種讓人(ren)們(men)(men)炫耀的(de)(de)非流行語詞。然(ran)而(er)夸(kua)克和(he)膠子(zi)并不“只是(shi)又一(yi)(yi)層級”。在膠子(zi)本身被發現之前，人(ren)們(men)(men)已經(jing)發現了描(miao)述膠子(zi)的(de)(de)方(fang)程(cheng)。1954年楊(yang)振(zhen)寧和(he)羅伯(bo)特·米(mi)爾(er)斯(si)發現作(zuo)為電動力學的(de)(de)麥克斯(si)韋方(fang)程(cheng)組(zu)自然(ran)數(shu)學推(tui)廣的(de)(de)一(yi)(yi)類(lei)方(fang)程(cheng)組(zu)，表明麥克斯(si)韋方(fang)程(cheng)組(zu)的(de)(de)自然(ran)數(shu)學推(tui)廣方(fang)程(cheng)組(zu)支持所有已知荷(he)的(de)(de)對稱性，而(er)在楊(yang)-米(mi)爾(er)斯(si)方(fang)程(cheng)組(zu)基礎上由(you)大(da)衛(wei)·格(ge)羅斯(si)和(he)弗(fu)蘭克·維(wei)爾(er)切(qie)克于1973年推(tui)導(dao)出了適用于現實世界(jie)中強相互作(zuo)用膠子(zi)方(fang)程(cheng)的(de)(de)過程(cheng)中使用了三種“荷(he)”。出現在強相互作(zuo)用理論中的(de)(de)這三種荷(he)通(tong)常稱為色荷(he)，或(huo)簡稱為荷(he)。

在(zai)20世紀(ji)60年代初，實(shi)驗者發現了幾十種強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)，它們的(de)(de)質(zhi)量(liang)、壽(shou)命和(he)固有的(de)(de)自(zi)旋均(jun)不相(xiang)同。其中，希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)物(wu)理學(xue)標(biao)準模(mo)(mo)型預(yu)言的(de)(de)一種自(zi)旋為零(ling)的(de)(de)玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)，至(zhi)今(jin)尚未在(zai)實(shi)驗中觀察到。它也是(shi)標(biao)準模(mo)(mo)型中最(zui)后(hou)一種未被發現的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)。物(wu)理學(xue)家(jia)希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯提出了希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯機(ji)制。在(zai)此(ci)機(ji)制中，希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯場(chang)(chang)引起自(zi)發對稱(cheng)性破缺(que)，并將質(zhi)量(liang)賦予規(gui)范傳播子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)費米子(zi)(zi)(zi)(zi)。希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯粒子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯場(chang)(chang)的(de)(de)場(chang)(chang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化激發，它通過自(zi)相(xiang)互作用而獲得質(zhi)量(liang)。2012年7月(yue)2日，美國能源部下屬的(de)(de)費米國家(jia)加速器實(shi)驗室宣(xuan)布(bu)，該實(shi)驗室最(zui)新(xin)(xin)數據接近證明被稱(cheng)為“上帝粒子(zi)(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)。2013年3月(yue)14日，歐洲核子(zi)(zi)(zi)(zi)研究組(zu)織發布(bu)新(xin)(xin)聞稿表(biao)示，先前探測到的(de)(de)新(xin)(xin)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)希(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)。

在粒子(zi)(zi)(zi)物(wu)理學(xue)里，標(biao)(biao)準模(mo)(mo)型(xing)(xing)是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)被廣(guang)泛接受的(de)(de)框(kuang)架(jia)，可以(yi)(yi)描述強力(li)、弱力(li)及(ji)電磁力(li)這(zhe)三種(zhong)基(ji)(ji)本(ben)力(li)及(ji)組成所有物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)基(ji)(ji)本(ben)粒子(zi)(zi)(zi)。由于基(ji)(ji)本(ben)粒子(zi)(zi)(zi)和基(ji)(ji)本(ben)力(li)形成了物(wu)理世(shi)界，所以(yi)(yi)，除了引力(li)以(yi)(yi)外，標(biao)(biao)準模(mo)(mo)型(xing)(xing)可以(yi)(yi)合理解釋這(zhe)世(shi)界中的(de)(de)大(da)多數物(wu)理現象。最初，標(biao)(biao)準模(mo)(mo)型(xing)(xing)所倚(yi)賴的(de)(de)規(gui)(gui)范場(chang)論禁止基(ji)(ji)本(ben)粒子(zi)(zi)(zi)擁有質(zhi)(zhi)量，這(zhe)很明顯地顯示出(chu)初始模(mo)(mo)型(xing)(xing)不夠完全(quan)。后來(lai)，物(wu)理學(xue)者研究出(chu)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)，能(neng)夠利用對稱(cheng)性破缺來(lai)賦予(yu)基(ji)(ji)本(ben)粒子(zi)(zi)(zi)質(zhi)(zhi)量，同時又不會抵觸到(dao)(dao)規(gui)(gui)范場(chang)論。這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)被稱(cheng)為希(xi)格斯機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)。在所有解釋質(zhi)(zhi)量起源的(de)(de)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)之(zhi)中，希(xi)格斯機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)是最簡單、最被認可的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)。物(wu)理學(xue)者已完成了很多實驗(yan)，并確(que)實偵(zhen)測到(dao)(dao)這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)引發的(de)(de)許(xu)多種(zhong)效應，但是他們不確(que)切了解這(zhe)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)到(dao)(dao)底是怎(zen)么一(yi)(yi)(yi)回事。

標準模型(xing)給出了(le)自然界四種(zhong)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用中(zhong)的(de)電磁相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用和(he)弱(ruo)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用的(de)統一(yi)描述(shu)，但是(shi)在能(neng)量低(di)于一(yi)定條件后(hou)，電磁相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用和(he)弱(ruo)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用將(jiang)呈現為不同的(de)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用，這被稱為電弱(ruo)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用的(de)對稱性自發破缺。希格斯粒子(zi)就是(shi)在標準模型(xing)解釋電弱(ruo)對稱性自發破缺的(de)機制時引(yin)入的(de)。

根(gen)據標準模型(xing)理論，宇(yu)宙空間中的(de)各處，無論是真空中還是空氣中，甚至是物(wu)質(zhi)的(de)內部，都充滿了希格斯(si)(si)粒子(zi)（希格斯(si)(si)場(chang)）。希格斯(si)(si)粒子(zi)被認為是生(sheng)成基本粒子(zi)的(de)“質(zhi)量(liang)”之源。雖(sui)然質(zhi)量(liang)總(zong)是與“重量(liang)”聯系在一起，但嚴格說起來是不一樣的(de)。質(zhi)量(liang)應該是反映“改變(bian)加(jia)速(su)度(du)(du)的(de)難(nan)易程度(du)(du)”的(de)物(wu)理量(liang)。

為什(shen)么(me)有些基(ji)本粒子具有質(zhi)量(liang)，而有些基(ji)本粒子的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)為零(ling)？物理學界(jie)仍(reng)在(zai)不停的(de)(de)(de)探(tan)索中。而更加令物理學家(jia)們棘手的(de)(de)(de)是，即(ji)使標準模型理論解決(jue)了除引力外的(de)(de)(de)另外三種基(ji)本力的(de)(de)(de)統(tong)一問題(ti)，但引力如何與(yu)其他(ta)三種達到大一統(tong)的(de)(de)(de)局面，仍(reng)然(ran)缺(que)少(shao)一些重要的(de)(de)(de)中間環(huan)節。另外，如果愛因(yin)斯坦提出的(de)(de)(de)能量(liang)與(yu)質(zhi)量(liang)交(jiao)換(huan)方(fang)程是普適而有效的(de)(de)(de)，那么(me)，質(zhi)量(liang)是否源于能量(liang)的(de)(de)(de)凝(ning)聚呢？

我們(men)知道，原(yuan)子中的(de)(de)(de)電子可(ke)以有(you)(you)(you)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)軌道形(xing)狀，其自(zi)旋可(ke)有(you)(you)(you)不(bu)同(tong)取向，因(yin)此(ci)原(yuan)子可(ke)有(you)(you)(you)許多不(bu)同(tong)能態(tai)。對這些可(ke)能的(de)(de)(de)態(tai)的(de)(de)(de)研究是(shi)原(yuan)子光譜(pu)研究的(de)(de)(de)重(zhong)要內容。我們(men)常用原(yuan)子光譜(pu)來(lai)揭(jie)示各種不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)態(tai)是(shi)由(you)什么(me)決定的(de)(de)(de)，來(lai)設計激光器以及(ji)許多其它(ta)事情。由(you)于原(yuan)子光譜(pu)本身的(de)(de)(de)重(zhong)要性(xing)以及(ji)它(ta)與夸克(ke)模型有(you)(you)(you)千絲萬縷(lv)的(de)(de)(de)聯系(xi)，因(yin)此(ci)我們(men)得首先(xian)花(hua)點時間來(lai)說說光譜(pu)。

像火焰或(huo)者恒星(xing)大氣(qi)這(zhe)樣的(de)(de)(de)熱氣(qi)體中就包含處于(yu)(yu)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)。即使是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)核相同(tong)(tong)(tong)、電子(zi)(zi)(zi)數(shu)相同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，其電子(zi)(zi)(zi)仍然可有(you)(you)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)軌道(dao)或(huo)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)自旋取向。這(zhe)些態(tai)(tai)有(you)(you)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量。高能(neng)(neng)態(tai)(tai)可衰變到底能(neng)(neng)態(tai)(tai)并發光。由于(yu)(yu)能(neng)(neng)量總體上是(shi)守(shou)恒的(de)(de)(de)，因此(ci)發出的(de)(de)(de)光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量可通過其顏(yan)(yan)色(se)來(lai)獲知，這(zhe)個(ge)能(neng)(neng)量反映了(le)初(chu)態(tai)(tai)和終態(tai)(tai)之間的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量差。每一(yi)種原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發出的(de)(de)(de)光都有(you)(you)一(yi)套特征顏(yan)(yan)色(se)分(fen)布(bu)。氫原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發出的(de)(de)(de)光是(shi)一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)條紋，氦原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發射的(de)(de)(de)光澤是(shi)完全不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)另一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)條紋，等等。物(wu)理學(xue)(xue)家和化學(xue)(xue)家將這(zhe)種顏(yan)(yan)色(se)分(fen)布(bu)成為原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)頻譜(pu)。原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)頻譜(pu)起(qi)著標識該原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)特征的(de)(de)(de)作用(yong)，可以用(yong)來(lai)識別原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)。當(dang)你讓光線(xian)通過棱鏡從而(er)使不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)分(fen)開時，得到的(de)(de)(de)譜(pu)就相當(dang)于(yu)(yu)一(yi)套條碼。

原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)光譜(pu)在(zai)構建原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)內部結構模(mo)型方面曾經給予我們很多具體的(de)(de)(de)(de)指向。以此為基礎，我們再回到夸(kua)克(ke)模(mo)型上(shang)來。同(tong)(tong)(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)設想經過改造后(hou)再亞(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)層面上(shang)依然有(you)效(xiao)。在(zai)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)層面上(shang)，電子(zi)(zi)兩個態之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)差相對(dui)較小，這(zhe)個能量(liang)(liang)差從原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)總質量(liang)(liang)來看顯得微(wei)不(bu)(bu)足道(dao)。夸(kua)克(ke)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)核心思想是(shi)，夸(kua)克(ke)“原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)”即強(qiang)(qiang)(qiang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)態之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)能差非(fei)常之(zhi)大，它們對(dui)確定強(qiang)(qiang)(qiang)子(zi)(zi)質量(liang)(liang)起(qi)著重要作用(yong)。根據愛因斯坦能量(liang)(liang)質量(liang)(liang)交(jiao)換公(gong)式(shi)推導出的(de)(de)(de)(de)m=E/c2，我們可(ke)以將不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)質量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)子(zi)(zi)理解(jie)為不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)軌道(dao)模(mo)式(shi)——即不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)量(liang)(liang)子(zi)(zi)態——的(de)(de)(de)(de)夸(kua)克(ke)系統具有(you)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)。質言之(zhi)，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)光譜(pu)是(shi)供看的(de)(de)(de)(de)，強(qiang)(qiang)(qiang)子(zi)(zi)譜(pu)澤是(shi)供稱量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)。利用(yong)這(zhe)一原(yuan)(yuan)(yuan)理，蓋爾曼和茨(ci)威(wei)格證明(ming)了，人們可(ke)以將觀測到的(de)(de)(de)(de)許多不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)子(zi)(zi)解(jie)釋為幾個基本夸(kua)克(ke)“夸(kua)克(ke)”的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)態。

然(ran)而，難以置信的(de)是，盡管(guan)科學家們都非(fei)常渴望找(zhao)到單一的(de)夸克(ke)粒子(zi)，結果卻屢(lv)屢(lv)失敗(bai)。迄今為(wei)止，人們沒有觀測到任(ren)何粒子(zi)具有單一夸克(ke)的(de)特(te)性(xing)。如同發明永動機的(de)失敗(bai)一樣，尋(xun)找(zhao)單個夸克(ke)的(de)失敗(bai)已經升格為(wei)一條(tiao)原(yuan)理：夸克(ke)禁閉原(yuan)理。

當物(wu)理(li)學家試圖用(yong)夸(kua)克(ke)(ke)來充(chong)實介子和重子的(de)內部結構(gou)模型，以(yi)(yi)便可(ke)以(yi)(yi)說明它們的(de)質量時(shi)，更大的(de)困難(nan)(nan)出(chu)現了。即使是(shi)在(zai)(zai)最成功的(de)模型里，情況(kuang)似乎總是(shi)，當夸(kua)克(ke)(ke)（或反夸(kua)克(ke)(ke)）彼(bi)此(ci)靠(kao)近時(shi)，它們幾(ji)乎從不(bu)注(zhu)意(yi)到對(dui)方的(de)存在(zai)(zai)。夸(kua)克(ke)(ke)之(zhi)間的(de)相互作用(yong)力是(shi)如(ru)此(ci)微弱，人們很難(nan)(nan)將(jiang)它與(yu)無法發現獨立夸(kua)克(ke)(ke)的(de)事實調和起來。如(ru)果夸(kua)克(ke)(ke)彼(bi)此(ci)接近時(shi)不(bu)在(zai)(zai)乎對(dui)方的(de)存在(zai)(zai)，那它們彼(bi)此(ci)遠離后(hou)為什么不(bu)可(ke)以(yi)(yi)單獨存在(zai)(zai)呢？

這里可能出(chu)現了(le)一(yi)種以前(qian)從(cong)未有(you)過的(de)隨距(ju)離增大而增大的(de)基本力。最初(chu)的(de)夸(kua)(kua)克模(mo)型(xing)(xing)(xing)沒有(you)給出(chu)描述夸(kua)(kua)克之間力的(de)精確方程。在一(yi)方面，夸(kua)(kua)克模(mo)型(xing)(xing)(xing)頗有(you)些類似于前(qian)牛頓(dun)的(de)太陽系模(mo)型(xing)(xing)(xing)，或者前(qian)薛(xue)定諤/前(qian)玻爾(er)原子模(mo)型(xing)(xing)(xing)。許多物理學家，包括蓋爾(er)曼本人，認為夸(kua)(kua)克只是(shi)一(yi)個可以成為自(zi)然界(jie)數學描述里的(de)有(you)用的(de)工具(ju)，而不(bu)是(shi)真正(zheng)意義上(shang)的(de)實在的(de)元素。

我們(men)知(zhi)道，質(zhi)(zhi)子(zi)內部的(de)(de)(de)物質(zhi)(zhi)運(yun)動極快(kuai)。在斯坦福直線加速器中心，科學家實(shi)際(ji)上(shang)是采用電(dian)(dian)子(zi)來轟擊質(zhi)(zhi)子(zi)，然后觀測兩者碰撞(zhuang)后出射電(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)(de)行為。出射電(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)和(he)動量(liang)(liang)比碰撞(zhuang)前要少。由于能(neng)量(liang)(liang)和(he)動量(liang)(liang)整體上(shang)是守恒的(de)(de)(de)，因此電(dian)(dian)子(zi)失去的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)可能(neng)是被虛光(guang)子(zi)帶走(zou)，并轉交給質(zhi)(zhi)子(zi)。這往往導致質(zhi)(zhi)子(zi)經復雜過程而被打破，由此導致了一(yi)種新的(de)(de)(de)實(shi)驗方法(fa)，只追蹤電(dian)(dian)子(zi)，即只關(guan)注能(neng)量(liang)(liang)和(he)動量(liang)(liang)流。

量子(zi)(zi)(zi)理論(lun)允許(xu)我(wo)們調和關于質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)是(shi)什么的(de)兩個看(kan)似矛盾的(de)概(gai)念(nian)。一(yi)(yi)方面(mian)，質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)內部是(shi)動(dong)態的(de)，里(li)面(mian)的(de)事(shi)情在不斷變化、運(yun)動(dong)著。另一(yi)(yi)方面(mian)，所(suo)有(you)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)隨時(shi)(shi)隨地都表(biao)現出(chu)完全(quan)相同(tong)(tong)的(de)行為(wei)，也(ye)就(jiu)是(shi)說，每(mei)一(yi)(yi)個質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)均給出(chu)相同(tong)(tong)概(gai)率(lv)。如果質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)在不同(tong)(tong)的(de)時(shi)(shi)間(jian)里(li)表(biao)現不一(yi)(yi)，所(suo)有(you)的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)怎么可能表(biao)現完全(quan)相同(tong)(tong)的(de)行為(wei)？一(yi)(yi)個簡單而直(zhi)觀(guan)的(de)解釋是(shi)，雖然每(mei)一(yi)(yi)個體(ti)概(gai)率(lv)在演化，但(dan)(dan)(dan)整(zheng)體(ti)概(gai)率(lv)分(fen)布卻保持不變。這就(jiu)像一(yi)(yi)條平緩(huan)但(dan)(dan)(dan)在流動(dong)的(de)大(da)河(he)，即使每(mei)一(yi)(yi)個滴(di)水都在向前流淌(tang)，但(dan)(dan)(dan)整(zheng)個河(he)流看(kan)上去卻并(bing)無變化。

在微觀尺度上大量的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)都很難被(bei)捕(bu)捉到(dao)。科學家們(men)把(ba)它(ta)們(men)叫做(zuo)粒(li)子(zi)(zi)和(he)反粒(li)子(zi)(zi)（或者把(ba)反粒(li)子(zi)(zi)叫做(zuo)虛(xu)粒(li)子(zi)(zi)）。這些虛(xu)粒(li)子(zi)(zi)出現和(he)消失都很快(kuai)，但(dan)也(ye)跑不(bu)了多遠。科學家們(men)只能在極短時超(chao)高分(fen)辨率的(de)(de)抓拍(pai)中和(he)它(ta)們(men)偶遇。在任(ren)何(he)通常(chang)意義(yi)下人們(men)都無(wu)法(fa)見(jian)到(dao)它(ta)們(men)，除非我們(men)能提供所需(xu)的(de)(de)能量和(he)動量來促使它(ta)們(men)產生。但(dan)即(ji)便如此，我們(men)看(kan)到(dao)的(de)(de)也(ye)不(bu)是原(yuan)來未受干擾的(de)(de)虛(xu)粒(li)子(zi)(zi)——即(ji)自發產生和(he)消失的(de)(de)那種粒(li)子(zi)(zi)。

現(xian)代生(sheng)物醫學(xue)告訴我們，只有(you)借助于更復雜的(de)生(sheng)物體（宿主(zhu)），病毒才可(ke)以存活。虛(xu)粒子(zi)則(ze)遠(yuan)為(wei)脆弱，因(yin)為(wei)它們需(xu)要外部幫助才能存在(zai)。盡管如此(ci)，它們卻在(zai)量子(zi)力學(xue)方程(cheng)里(li)，而且根據這些方程(cheng)，虛(xu)粒子(zi)會影響(xiang)到我們看得見(jian)的(de)粒子(zi)的(de)行為(wei)。

虛粒子總(zong)是成群地處(chu)于高(gao)速運動的(de)狀態中。物理學家將其稱之為(wei)虛空空間中的(de)實體成為(wei)一種動態介質。由于虛粒子的(de)行為(wei)，正電(dian)(dian)荷(he)會被部(bu)分屏蔽(bi)。也就(jiu)是說(shuo)，正電(dian)(dian)荷(he)周圍往(wang)往(wang)因為(wei)異性(xing)(xing)相吸引而裹著一層(ceng)補償性(xing)(xing)的(de)負電(dian)(dian)荷(he)。從遠處(chu)看，我們感覺不到正電(dian)(dian)荷(he)的(de)全部(bu)靜電(dian)(dian)力，因為(wei)有(you)部(bu)分被周圍的(de)負電(dian)(dian)荷(he)抵消了。換句話說(shuo)，你越是接近電(dian)(dian)荷(he)有(you)效(xiao)電(dian)(dian)荷(he)就(jiu)會越多；你越是遠離電(dian)(dian)荷(he)，它(ta)就(jiu)顯(xian)得越小(xiao)。

在(zai)(zai)(zai)夸克(ke)模型(xing)里我(wo)們(men)(men)正(zheng)好得出相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)行(xing)為。假定夸克(ke)模型(xing)里的(de)夸克(ke)在(zai)(zai)(zai)相(xiang)(xiang)互靠近時相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)很弱，但如果它們(men)(men)的(de)有(you)效(xiao)電荷(he)在(zai)(zai)(zai)鄰近區域(yu)達到(dao)最大(da)值時，我(wo)們(men)(men)得到(dao)的(de)只是相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)結果。這時它們(men)(men)彼(bi)此(ci)間的(de)距離越小，相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)就會越強(qiang)烈(lie)；相(xiang)(xiang)距越遠，其電荷(he)被屏蔽得越明顯，因而(er)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)也就越弱。

量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學起(qi)源于1927年保羅·狄拉(la)克(ke)將量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)理(li)(li)論應用(yong)于電(dian)(dian)磁(ci)(ci)場量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)研究工作(zuo)。他(ta)將電(dian)(dian)荷和(he)(he)(he)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)相互作(zuo)用(yong)處理(li)(li)為引起(qi)能(neng)(neng)級(ji)躍(yue)遷(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)微擾，能(neng)(neng)級(ji)躍(yue)遷(qian)造成了(le)發(fa)(fa)射光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)數(shu)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)，但總體(ti)上系統(tong)滿足能(neng)(neng)量(liang)(liang)和(he)(he)(he)動量(liang)(liang)守恒。狄拉(la)克(ke)成功地從第一(yi)性原理(li)(li)導出(chu)了(le)愛(ai)因(yin)斯坦系數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)式，并證明了(le)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)玻色-愛(ai)因(yin)斯坦統(tong)計是(shi)(shi)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)場量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)自然結(jie)果。人們發(fa)(fa)現，能(neng)(neng)夠精確描述(shu)這類過程(cheng)是(shi)(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學最重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)之一(yi)。另一(yi)方(fang)面，狄拉(la)克(ke)所發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)相對(dui)論量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學是(shi)(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)前奏，狄拉(la)克(ke)方(fang)程(cheng)作(zuo)為狹義相對(dui)論框架下量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本(ben)方(fang)程(cheng)，所描述(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等(deng)費(fei)米子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)旋量(liang)(liang)場的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)則(ze)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)是(shi)(shi)由匈牙利(li)-美國物理(li)(li)學家尤金(jin)·維格納和(he)(he)(he)約爾(er)當完成的(de)(de)(de)(de)(de)。狄拉(la)克(ke)方(fang)程(cheng)所預言的(de)(de)(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)產生和(he)(he)(he)湮(yin)滅過程(cheng)能(neng)(neng)用(yong)正(zheng)則(ze)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)語言重新加以描述(shu)。

靜態夸克(ke)模型建立之(zhi)后，在(zai)(zai)重子(zi)質(zhi)量(liang)譜和重子(zi)磁(ci)矩方面取得(de)了巨大(da)成功。但是(shi)，某(mou)些由(you)一種(zhong)夸克(ke)組成的(de)(de)粒子(zi)的(de)(de)存在(zai)(zai)，與物理(li)學的(de)(de)基本假設廣義泡(pao)利原理(li)矛(mao)盾。為解決這個(ge)(ge)問題，物理(li)學家(jia)引(yin)入了顏(yan)色自由(you)度，并且顏(yan)色最少有3種(zhong)。這個(ge)(ge)時候(hou)顏(yan)色還只是(shi)引(yin)入的(de)(de)某(mou)種(zhong)量(liang)子(zi)數(shu)，并沒(mei)有被認為是(shi)動力學自由(you)度。

經歷了(le)十年左右的(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)實(shi)驗，都沒有(you)在(zai)靜態(tai)夸克(ke)模(mo)型(xing)中發現(xian)(xian)分(fen)數電(dian)荷的(de)(de)(de)自(zi)旋1/2的(de)(de)(de)夸克(ke)存在(zai)，物(wu)理學家被迫接(jie)受(shou)了(le)夸克(ke)是禁閉在(zai)強(qiang)(qiang)子內(nei)部的(de)(de)(de)現(xian)(xian)實(shi)。然而(er)，美(mei)國的(de)(de)(de)斯坦(tan)福直線加速器中心SLAC在(zai)七十年代初(chu)進行(xing)了(le)一(yi)系列的(de)(de)(de)輕強(qiang)(qiang)子深度(du)(du)非彈性散射(she)實(shi)驗，發現(xian)(xian)強(qiang)(qiang)子的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構函數具有(you)比約(yue)肯(ken)無標度(du)(du)性(Bjorken Scaling)。為(wei)解(jie)釋這個令人驚(jing)奇的(de)(de)(de)結(jie)(jie)果，費曼(man)由此(ci)提出了(le)部分(fen)子模(mo)型(xing)，假設強(qiang)(qiang)子是由一(yi)簇自(zi)由的(de)(de)(de)沒有(you)相(xiang)互作用(yong)的(de)(de)(de)部分(fen)子組成的(de)(de)(de)，就(jiu)可以自(zi)然的(de)(de)(de)解(jie)釋比約(yue)肯(ken)無標度(du)(du)性(Bjorken Scaling)。更細致的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)確(que)認(ren)了(le)部分(fen)子的(de)(de)(de)自(zi)旋為(wei)1/2，并且具有(you)分(fen)數電(dian)荷。

部分子(zi)模(mo)型和靜態(tai)夸克(ke)(ke)模(mo)型都取得了巨(ju)大成功(gong)，但是兩個(ge)模(mo)型對強(qiang)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)(de)描述有嚴重的(de)(de)沖(chong)突，具體來講就是夸克(ke)(ke)禁閉與部分子(zi)無相(xiang)互(hu)作(zuo)用之(zhi)間(jian)的(de)(de)沖(chong)突。這個(ge)問題的(de)(de)真正(zheng)(zheng)解決要等到漸近自由的(de)(de)發現。格婁斯，維爾切克(ke)(ke)和休(xiu)·波利(li)策的(de)(de)計算表明，非阿貝爾規(gui)范場論中(zhong)(zhong)夸克(ke)(ke)相(xiang)互(hu)作(zuo)用強(qiang)度隨能標的(de)(de)增(zeng)加而減弱，部分子(zi)模(mo)型的(de)(de)成功(gong)正(zheng)(zheng)預(yu)示著存在(zai)SU（N）的(de)(de)規(gui)范相(xiang)互(hu)作(zuo)用，N自然的(de)(de)就解釋為原先夸克(ke)(ke)模(mo)型中(zhong)(zhong)引入的(de)(de)新自由度--顏色。

色(se)(se)荷(he)概念的(de)(de)(de)引入和(he)部分子(zi)(zi)的(de)(de)(de)應用實在量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)基(ji)礎(chu)的(de)(de)(de)物(wu)理學(xue)(xue)的(de)(de)(de)突(tu)破進展。物(wu)理學(xue)(xue)家們將這(zhe)種新的(de)(de)(de)理論稱之為(wei)量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)。兩者之間(jian)雖然有諸多相(xiang)似之處(chu)，但還是有如一(yi)些重要(yao)的(de)(de)(de)區別：首先是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷(he)的(de)(de)(de)響應——由(you)量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)耦合(he)常數衡量(liang)(liang)——要(yao)遠遠強于(yu)(yu)光子(zi)(zi)對(dui)電(dian)荷(he)的(de)(de)(de)響應。其次是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)可(ke)以一(yi)種色(se)(se)荷(he)變換成另一(yi)種色(se)(se)荷(he)。量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)和(he)量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)第三個(ge)重要(yao)的(de)(de)(de)區別來(lai)自于(yu)(yu)上述第二個(ge)區別的(de)(de)(de)結果(guo)。由(you)于(yu)(yu)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷(he)的(de)(de)(de)存在和(he)運動做出響應，而且膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)攜(xie)帶不平衡的(de)(de)(de)色(se)(se)荷(he)，因此(ci)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)可(ke)以直接對(dui)另一(yi)個(ge)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)做出響應。這(zhe)與光子(zi)(zi)的(de)(de)(de)情形正好(hao)相(xiang)反。

相(xiang)(xiang)(xiang)比之(zhi)下，光子是(shi)電中性的(de)(de)。它(ta)們相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)之(zhi)間完(wan)全不存(cun)在激烈的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作用。因此這些差異使得(de)(de)量子色動(dong)力學(xue)(xue)的(de)(de)計算結(jie)果要比得(de)(de)到量子電動(dong)力學(xue)(xue)的(de)(de)計算結(jie)果更為困(kun)難(nan)。而(er)且，由(you)于存(cun)在導致色流動(dong)的(de)(de)各種可能(neng)性以及更多種類(lei)的(de)(de)節點，在做這類(lei)計算時，科學(xue)(xue)家們又引(yin)入漸(jian)近自(zi)(zi)由(you)概念。通過引(yin)入漸(jian)近自(zi)(zi)由(you)，像噴(pen)注的(de)(de)能(neng)量和動(dong)量的(de)(de)整體流動(dong)，都可以通過計算得(de)(de)到確(que)定。

關(guan)于世(shi)界是(shi)由什么構成的哲學(xue)和(he)(he)科(ke)學(xue)思考一直都在變(bian)化。許多枝節性問題仍然(ran)保留在今(jin)天最好的世(shi)界模型(xing)和(he)(he)一些大的謎團里(li)。顯然(ran)要下結(jie)論還為(wei)時尚早(zao)。

就(jiu)自(zi)然(ran)哲學而言，我們(men)從(cong)量(liang)子色(se)(se)動(dong)力學和漸近自(zi)由(you)中(zhong)得到(dao)的(de)最重要(yao)的(de)認識是(shi)(shi)，在我們(men)認為(wei)是(shi)(shi)虛空(kong)空(kong)間(jian)的(de)地方實際上充滿了活(huo)躍的(de)媒介(jie)(jie)，其(qi)活(huo)動(dong)鑄就(jiu)了這個(ge)世界(jie)。雖然(ran)早在大(da)約2000年前成書(shu)的(de)大(da)乘佛教的(de)典籍《金剛經》就(jiu)曾指出“色(se)(se)即是(shi)(shi)空(kong)，空(kong)即是(shi)(shi)色(se)(se)”，而今現(xian)代(dai)物理學的(de)其(qi)它發展(zhan)強化并充實了這種(zhong)認識。以后(hou)，當我們(men)探索當前知識的(de)前沿時，我們(men)將(jiang)看到(dao)“虛空(kong)”空(kong)間(jian)概念是(shi)(shi)怎樣一種(zhong)豐(feng)富的(de)動(dong)力學媒介(jie)(jie)，它推動(dong)著我們(men)不(bu)斷(duan)思考如何去實現(xian)力的(de)統一。

其實，關(guan)于空(kong)(kong)間虛(xu)無性的爭論可以追溯(su)到現代科(ke)學(xue)的前(qian)史，至少可以追溯(su)到古(gu)希臘時期。亞(ya)里士多德曾經這樣(yang)寫道(dao)：“自然界厭惡真空(kong)(kong)”，而他的對手原子(zi)論者們則認為，用古(gu)羅馬詩人盧克萊(lai)修的話(hua)來說，就是(shi)“整個(ge)自然，作為自足的實在(zai)，都是(shi)由兩件(jian)東西組成的：物體和虛(xu)空(kong)(kong)，它們賴(lai)以建立，并在(zai)其中運動(dong)。”

這種思辨性(xing)爭論(lun)在現代科學的(de)(de)黎明——17世紀的(de)(de)科學革命——得(de)到(dao)回響。笛卡爾提(ti)出，對自然(ran)世界進行(xing)科學描述的(de)(de)基礎應建(jian)立(li)在他所謂的(de)(de)基本性(xing)質之(zhi)上：廣(guang)延和運動(dong)。物(wu)質除(chu)了這兩點再沒有(you)其他屬性(xing)。他的(de)(de)一個重(zhong)要結論(lun)是：某(mou)一物(wu)質對另一物(wu)質的(de)(de)影響唯有(you)通過接觸才能(neng)發(fa)生。因此(ci)為了描述諸如行(xing)星的(de)(de)運動(dong)，笛卡爾不(bu)得(de)不(bu)引入無形空間(jian)的(de)(de)概念——其中充(chong)滿(man)了不(bu)可見物(wu)質。他設想空間(jian)是一種復雜的(de)(de)充(chong)滿(man)漩渦(wo)的(de)(de)海洋，行(xing)星就在其中沖(chong)浪。

牛(niu)頓(dun)用(yong)(yong)他(ta)精確制定(ding)(ding)的(de)、成功的(de)行(xing)(xing)星運動(dong)數學方程(cheng)，用(yong)(yong)他(ta)的(de)萬有引(yin)力(li)(li)(li)定(ding)(ding)律(lv)，揭示了(le)所有這些潛在(zai)的(de)復(fu)雜性(xing)。但是牛(niu)頓(dun)的(de)萬有引(yin)力(li)(li)(li)定(ding)(ding)律(lv)并不(bu)適應于笛卡爾的(de)框架。前者假設物體(ti)間的(de)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)可以(yi)通過(guo)一(yi)定(ding)(ding)距(ju)(ju)離來進行(xing)(xing)，不(bu)必(bi)一(yi)定(ding)(ding)要通過(guo)接觸(chu)。例如，根(gen)據牛(niu)頓(dun)定(ding)(ding)律(lv)，太陽即(ji)使不(bu)跟地(di)球接觸(chu)，也可以(yi)對(dui)地(di)球施加引(yin)力(li)(li)(li)作(zuo)用(yong)(yong)。盡管他(ta)的(de)方程(cheng)為說明(ming)行(xing)(xing)星運動(dong)提供了(le)一(yi)個(ge)詳細解(jie)釋(shi)，但牛(niu)頓(dun)本人對(dui)這種超距(ju)(ju)作(zuo)用(yong)(yong)并不(bu)滿(man)意。牛(niu)頓(dun)在(zai)1693年2月25日(ri)寫給本特利的(de)信中這樣說道：“一(yi)個(ge)物體(ti)可以(yi)不(bu)借助任(ren)何(he)其他(ta)東西(xi)穿越虛(xu)空(kong)距(ju)(ju)離而作(zuo)用(yong)(yong)于另一(yi)個(ge)物體(ti)，物體(ti)通過(guo)虛(xu)空(kong)進行(xing)(xing)彼此間作(zuo)用(yong)(yong)和力(li)(li)(li)的(de)傳(chuan)遞，這對(dui)我(wo)來說是很荒謬的(de)。我(wo)相(xiang)信，任(ren)何(he)有足(zu)夠哲(zhe)學思(si)維能(neng)力(li)(li)(li)的(de)人都不(bu)會沉(chen)溺于此。”

牛頓的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)發(fa)表(biao)過后大約一(yi)(yi)個(ge)半世紀的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間里，數學家們幾乎(hu)不曾對此(ci)(ci)提出過任(ren)何質疑，但詹姆(mu)斯·克拉克·麥克斯韋(wei)卻發(fa)現(xian)(xian)這(zhe)樣導出的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)不協調。1861年，麥克斯韋(wei)發(fa)現(xian)(xian)，他可(ke)以(yi)通過在(zai)方(fang)程(cheng)中(zhong)引入額(e)外的(de)(de)(de)(de)(de)項(xiang)來消除這(zhe)種(zhong)不一(yi)(yi)致性，換(huan)言之(zhi)，就(jiu)是假(jia)定還存在(zai)著一(yi)(yi)種(zhong)新的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)效應。而邁克爾·法拉第此(ci)(ci)前(qian)早就(jiu)發(fa)現(xian)(xian)，當磁場(chang)隨(sui)時(shi)間變(bian)化(hua)(hua)時(shi)，它們產生(sheng)電場(chang)。麥克斯韋(wei)為了解(jie)決方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)自洽性，不得(de)不假(jia)設存在(zai)相反的(de)(de)(de)(de)(de)效應：變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場(chang)產生(sheng)電場(chang)。有了這(zhe)一(yi)(yi)添加物(wu)，場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)概念得(de)到了更多的(de)(de)(de)(de)(de)認(ren)可(ke)和驗證：變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)電場(chang)產生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場(chang)，后者反過來再(zai)產生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)電場(chang)，如此(ci)(ci)便形(xing)成了每一(yi)(yi)種(zhong)自我更新的(de)(de)(de)(de)(de)循環。

麥(mai)克斯(si)韋發現，他(ta)的(de)(de)新方(fang)程(cheng)組，即廣為人知的(de)(de)麥(mai)克斯(si)韋方(fang)程(cheng)組，具有(you)純場(chang)(chang)解決方(fang)案，即場(chang)(chang)以光(guang)速在(zai)空(kong)間運動。這一(yi)(yi)綜合的(de)(de)頂峰便是他(ta)得出的(de)(de)結(jie)論：這些(xie)電場(chang)(chang)和(he)磁場(chang)(chang)里自(zi)我(wo)更(geng)新的(de)(de)擾(rao)動就(jiu)是光(guang)——一(yi)(yi)個有(you)待經受時間考驗的(de)(de)結(jie)論。對麥(mai)克斯(si)韋來說，這些(xie)充滿所有(you)空(kong)間并可以自(zi)己維持生活的(de)(de)場(chang)(chang)正(zheng)是上帝榮耀的(de)(de)一(yi)(yi)個明確標(biao)志：

“廣寬(kuan)的行星際和星際區域將(jiang)不再(zai)被視為宇(yu)宙中(zhong)無(wu)用的場(chang)合(he)，人(ren)(ren)們不再(zai)認為造物主(zhu)還沒(mei)在他(ta)的王國里找到合(he)適的、具有多重象(xiang)征(zheng)的東西來(lai)填補其(qi)中(zhong)。我們將(jiang)發現，這些場(chang)所已經充滿了(le)這種神奇的介質。它們是如此豐盈，人(ren)(ren)類沒(mei)有任何力量可以將(jiang)其(qi)從哪怕(pa)是最(zui)小的空間上(shang)移去，或在其(qi)無(wu)窮的連續(xu)體上(shang)留下哪怕(pa)最(zui)輕微的缺損。”

愛因斯坦對(dui)以(yi)太(tai)的(de)(de)認識是(shi)復(fu)雜(za)而(er)且(qie)多(duo)變(bian)。在1905年(nian)發(fa)表的(de)(de)《論動(dong)體(ti)的(de)(de)電(dian)動(dong)力學》中這樣寫道：“引入(ru)‘光以(yi)太(tai)’將(jiang)被(bei)證明(ming)是(shi)多(duo)余的(de)(de)，因為按照(zhao)所要發(fa)展的(de)(de)見解，即不(bu)需要引入(ru)一(yi)個具有特殊性質(zhi)的(de)(de)‘絕對(dui)靜(jing)止空(kong)間(jian)’，也不(bu)需要給發(fa)生電(dian)磁過程的(de)(de)真空(kong)中的(de)(de)每一(yi)點規定一(yi)個速度(du)矢量(liang)。”

愛(ai)因斯坦的(de)(de)(de)(de)這一強有(you)(you)力的(de)(de)(de)(de)宣示曾(ceng)經讓很多物(wu)理(li)(li)(li)(li)學(xue)家困惑不(bu)已。在(zai)1905年時，物(wu)理(li)(li)(li)(li)學(xue)界(jie)面(mian)臨的(de)(de)(de)(de)問題不(bu)是(shi)(shi)沒有(you)(you)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，而是(shi)(shi)有(you)(you)兩個相(xiang)(xiang)互矛盾的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)。一方(fang)(fang)面(mian)是(shi)(shi)力學(xue)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)服(fu)從(cong)牛頓方(fang)(fang)程(cheng)。另(ling)一方(fang)(fang)面(mian)是(shi)(shi)電磁(ci)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，服(fu)從(cong)麥克斯韋方(fang)(fang)程(cheng)組。進一步的(de)(de)(de)(de)研(yan)究發現，需(xu)要調整(zheng)的(de)(de)(de)(de)不(bu)是(shi)(shi)新生的(de)(de)(de)(de)電磁(ci)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)，而是(shi)(shi)古老的(de)(de)(de)(de)牛頓力學(xue)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)。在(zai)狹義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)里，麥克斯韋場方(fang)(fang)程(cheng)無需(xu)修改；相(xiang)(xiang)反，它們提供了(le)狹義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)基礎。事實上，狹義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)思(si)想幾乎要求充滿(man)空間的(de)(de)(de)(de)場，也正是(shi)(shi)在(zai)這個意義上解(jie)釋了(le)它們為(wei)什么存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)(li)由。

早(zao)在1899年(nian)，德國人普朗(lang)克(ke)提出了(le)第(di)一(yi)個最終發(fa)展成(cheng)為(wei)量(liang)子(zi)力學(xue)的(de)第(di)一(yi)個概念(nian)。普朗(lang)克(ke)提出，原(yuan)子(zi)可以(yi)(yi)(yi)與電(dian)磁場交換能(neng)量(liang)，也就是(shi)(shi)說，可以(yi)(yi)(yi)發(fa)射(she)和(he)吸收電(dian)磁輻射(she)，譬如光(guang)，但只能(neng)以(yi)(yi)(yi)離(li)散的(de)單(dan)(dan)位量(liang)的(de)形式，或者說以(yi)(yi)(yi)量(liang)子(zi)的(de)形式進行(xing)。但普朗(lang)克(ke)的(de)概念(nian)愛(ai)因(yin)斯(si)坦(tan)不甚滿(man)意，他假設(she)，不僅(jin)原(yuan)子(zi)發(fa)射(she)和(he)吸收光(guang)（和(he)一(yi)般的(de)電(dian)磁輻射(she)）是(shi)(shi)以(yi)(yi)(yi)離(li)散單(dan)(dan)位進行(xing)的(de)，而且(qie)光(guang)本身(shen)就是(shi)(shi)以(yi)(yi)(yi)離(li)散的(de)能(neng)量(liang)單(dan)(dan)位出現的(de)，并(bing)(bing)且(qie)帶(dai)著離(li)散單(dan)(dan)位動量(liang)傳(chuan)播。有(you)了(le)這些擴張，愛(ai)因(yin)斯(si)坦(tan)能(neng)夠解釋更多(duo)的(de)事實，并(bing)(bing)預言了(le)新的(de)現象——其中就包(bao)括他于1921年(nian)獲得諾(nuo)貝爾(er)物理學(xue)獎的(de)主要工作即有(you)關光(guang)電(dian)效應的(de)預言。但愛(ai)因(yin)斯(si)坦(tan)明白：普朗(lang)克(ke)概念(nian)與現行(xing)物理定(ding)律不相符，但有(you)效。現行(xing)的(de)這些物理定(ding)律一(yi)定(ding)有(you)錯！

如果光以(yi)能(neng)量(liang)和(he)動(dong)量(liang)包的形(xing)式傳播(bo)，那么，光本身以(yi)及這些包看(kan)成是(shi)電磁粒子就自然(ran)而然(ran)了。場的概念可能(neng)更方便(bian)，但愛(ai)因斯(si)坦從(cong)來不是(shi)一個貪圖方便(bian)而將其當成原理的物(wu)理學家。對他而言，空間(jian)充(chong)滿實體(ti)的概念，就像(xiang)是(shi)以(yi)無(wu)限(xian)大的速度經過(guo)某物(wu)卻(que)看(kan)到它與靜止時看(kan)到的一樣。

到1920年(nian)代(dai)，愛因(yin)斯坦的廣義相對論問世后，他的態(tai)度發生(sheng)了變化。事實上，廣義相對論更多的是一個基(ji)于以太(tai)的引力場論。盡(jin)管如(ru)此，愛因(yin)斯坦從未放棄對消(xiao)除(chu)電(dian)磁以太(tai)的努力。愛因(yin)斯坦本人在1920年(nian)5月5日在荷蘭萊頓(dun)大學(xue)的演(yan)講(jiang)中這樣說道：

“如果我們從以太假說的(de)(de)觀(guan)點來考慮引(yin)力(li)場(chang)和電磁場(chang)，我們就會發(fa)現兩者之間(jian)(jian)有(you)(you)一個明(ming)顯的(de)(de)不同。可以說沒有(you)(you)一種空(kong)間(jian)(jian)，也沒有(you)(you)任何空(kong)間(jian)(jian)部分是沒有(you)(you)引(yin)力(li)勢的(de)(de)；因為這些引(yin)力(li)勢規定了(le)空(kong)間(jian)(jian)的(de)(de)度規性質，而沒有(you)(you)這些度規性質則是根本無法想象的(de)(de)。引(yin)力(li)場(chang)的(de)(de)存在(zai)于空(kong)間(jian)(jian)的(de)(de)存在(zai)是直接相關的(de)(de)。但另一方面(mian)，在(zai)一部分空(kong)間(jian)(jian)內不存在(zai)電磁場(chang)則是完全可以想象的(de)(de)。”

歷史地看，狹(xia)義(yi)相對(dui)(dui)論(lun)肇始于電和磁(ci)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究，導致了(le)麥克斯韋的(de)(de)(de)(de)場論(lun)，但(dan)它又超(chao)越了(le)電磁(ci)理論(lun)。它的(de)(de)(de)(de)本質(zhi)是(shi)對(dui)(dui)稱性假(jia)設：當你在具有(you)恒(heng)定(ding)相對(dui)(dui)速(su)度的(de)(de)(de)(de)兩個(ge)(ge)參照(zhao)系考察同一(yi)物體時，物理學定(ding)律應具有(you)同樣的(de)(de)(de)(de)形式(shi)。這一(yi)假(jia)設是(shi)一(yi)個(ge)(ge)普適性陳述，超(chao)越了(le)其電磁(ci)根(gen)源：狹(xia)義(yi)相對(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)(de)坐標變換對(dui)(dui)稱性適用(yong)于所有(you)的(de)(de)(de)(de)物理學定(ding)律。狹(xia)義(yi)相對(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)結(jie)果(guo)是(shi)存(cun)在有(you)限的(de)(de)(de)(de)速(su)度：光速(su)，即零質(zhi)量粒(li)子在真(zhen)空(kong)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)傳播速(su)度。一(yi)個(ge)(ge)粒(li)子對(dui)(dui)另一(yi)個(ge)(ge)粒(li)子的(de)(de)(de)(de)影(ying)響不能傳播得比光速(su)更(geng)快。

但是牛頓的(de)(de)(de)萬有引力(li)定律——遙遠物體受到(dao)的(de)(de)(de)引力(li)與(yu)(yu)其當前距離的(de)(de)(de)平方成(cheng)(cheng)反(fan)比就不服從(cong)這(zhe)一法則(ze)，所以(yi)它(ta)與(yu)(yu)狹(xia)義(yi)相(xiang)對論(lun)不相(xiang)容。事(shi)實(shi)上，“當前”這(zhe)個概念本(ben)身就是個問(wen)題。對于靜止(zhi)觀(guan)察者(zhe)同時(shi)發生(sheng)的(de)(de)(de)事(shi)件對以(yi)恒定速(su)度移動的(de)(de)(de)觀(guan)察者(zhe)來(lai)說將不會同時(shi)發生(sheng)。愛因(yin)斯坦(tan)本(ben)人認為，推(tui)翻“當前”這(zhe)個一般(ban)性(xing)概念，迄今(jin)為止(zhi)仍然是達(da)到(dao)狹(xia)義(yi)相(xiang)對論(lun)認識(shi)論(lun)的(de)(de)(de)最(zui)為困難(nan)的(de)(de)(de)一步。但是如果場(chang)(chang)服從(cong)簡單的(de)(de)(de)方程組(zu)，那么(me)在存在有限速(su)度的(de)(de)(de)前提下(xia)，這(zhe)種(zhong)(zhong)從(cong)粒子描述(shu)到(dao)場(chang)(chang)的(de)(de)(de)描述(shu)的(de)(de)(de)轉換就會變得富(fu)有成(cheng)(cheng)效，這(zhe)樣(yang)我們(men)可以(yi)從(cong)場(chang)(chang)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)值(zhi)計算出(chu)來(lai)它(ta)們(men)的(de)(de)(de)未(wei)來(lai)值(zhi)而不必考慮其過去的(de)(de)(de)值(zhi)。麥克斯韋(wei)電磁(ci)理論(lun)、廣(guang)義(yi)相(xiang)對論(lun)和量(liang)子色(se)動力(li)學都具有這(zhe)種(zhong)(zhong)屬性(xing)。在廣(guang)義(yi)相(xiang)對論(lun)里(li)，愛因(yin)斯坦(tan)用(yong)彎(wan)曲(qu)時(shi)空的(de)(de)(de)概念來(lai)構(gou)建他(ta)的(de)(de)(de)引力(li)理論(lun)。

我們回到標準(zhun)模型：W和Z玻(bo)色子(zi)，根據(ju)定義它(ta)(ta)們的(de)(de)方(fang)程(cheng)組，它(ta)(ta)們本應(ying)該像光(guang)子(zi)和色膠子(zi)一樣都是(shi)無(wu)質(zhi)量的(de)(de)粒子(zi)。但物理學家們卻設法讓W和Z玻(bo)色子(zi)獲得(de)質(zhi)量。而且他們也(ye)知道，在(zai)自然(ran)界里，還有原子(zi)紅奇特(te)的(de)(de)物理狀態也(ye)可以(yi)使(shi)無(wu)質(zhi)量的(de)(de)受力粒子(zi)獲得(de)質(zhi)量。使(shi)受力粒子(zi)變重的(de)(de)模型是(shi)超導電性。在(zai)超導體內，光(guang)子(zi)變得(de)沉重。

我(wo)們知道，光子在(zai)電場(chang)(chang)和磁場(chang)(chang)中推動(dong)擾動(dong)。在(zai)超導體內(nei)，電子對電場(chang)(chang)和磁場(chang)(chang)反應強(qiang)烈。電子恢復(fu)平衡的(de)(de)能力(li)非(fei)常強(qiang)大，它(ta)們能對場(chang)(chang)的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)施(shi)加(jia)一種(zhong)(zhong)遲滯作用。因此(ci)在(zai)超導體內(nei)，光子不是像(xiang)通(tong)常那樣按光速運(yun)(yun)動(dong)，而是要緩(huan)慢(man)得多。就好(hao)像(xiang)它(ta)們獲得了(le)某(mou)種(zhong)(zhong)慣(guan)性。當你(ni)研究方(fang)程時，你(ni)會發(fa)現，超導體內(nei)慢(man)下來的(de)(de)光子所(suo)服從的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)方(fang)程與非(fei)零質量粒子的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)方(fang)程是一樣的(de)(de)。

質量一(yi)(yi)向被認為是(shi)(shi)(shi)物(wu)質的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)確定的(de)(de)屬性，質言之，質量是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)使物(wu)質可稱其為物(wu)質的(de)(de)特性。愛因斯坦(tan)認為宇宙應有(you)一(yi)(yi)個無(wu)論是(shi)(shi)(shi)在時間(jian)上(shang)還是(shi)(shi)(shi)在空間(jian)上(shang)都不變的(de)(de)密度。但(dan)是(shi)(shi)(shi)，引力(li)(li)是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)普遍的(de)(de)吸引力(li)(li)，物(wu)體(ti)(ti)都不愿意分(fen)開。引力(li)(li)總(zong)是(shi)(shi)(shi)試(shi)圖把物(wu)體(ti)(ti)合在一(yi)(yi)起。愛因斯坦(tan)提出的(de)(de)E=mc2可以看作是(shi)(shi)(shi)他對牛(niu)頓萬有(you)引力(li)(li)定律的(de)(de)修正。但(dan)是(shi)(shi)(shi)，如果將這(zhe)一(yi)(yi)公式轉(zhuan)換成m=E/c1，這(zhe)一(yi)(yi)方程的(de)(de)內在含義(yi)變成了質量等于所(suo)具(ju)有(you)的(de)(de)能量與常速光速的(de)(de)平方之比。

量(liang)(liang)子色動(dong)力學(xue)是一種非常強大的(de)(de)理論。通(tong)過將無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)或幾乎無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)對象諸如夸克、膠子的(de)(de)計算能夠給(gei)出它們的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)，然而，這也當然不是任何意(yi)義上的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)，只是我(wo)們的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)，即組成我(wo)們自身(shen)的(de)(de)質(zhi)(zhi)子和中子的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。也就(jiu)是說(shuo)，量(liang)(liang)子色動(dong)力學(xue)方程組可以(yi)從無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)輸入得到(dao)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)輸出。那，這是為什么？

首先是夸克(ke)的(de)色荷產生一(yi)(yi)種網格擾動——具(ju)體(ti)地說，是膠(jiao)子場擾動——這種擾動隨(sui)距離加(jia)大而增(zeng)長。就像一(yi)(yi)個(ge)奇異的(de)風暴云團，它從最初的(de)中心的(de)一(yi)(yi)縷云煙發展(zhan)成為一(yi)(yi)種不祥的(de)雷暴云團。擾動場意味著將其推向高能態(tai)。如果你持(chi)續擾動無限容量的(de)場，所需的(de)能量將會變(bian)成無限大。

其次是(shi)可以(yi)通過讓一個(ge)帶(dai)相反色荷(he)的(de)(de)反夸(kua)克去(qu)接近夸(kua)克來(lai)迅速遏(e)制。然(ran)后(hou)，這(zhe)兩(liang)個(ge)擾(rao)動源相互抵(di)消并恢(hui)復平靜。如(ru)果反夸(kua)克不偏(pian)不倚地(di)正好位于夸(kua)克的(de)(de)正上(shang)方，那么(me)這(zhe)種抵(di)消是(shi)徹底的(de)(de)。這(zhe)將(jiang)會是(shi)膠(jiao)子(zi)場的(de)(de)擾(rao)動最(zui)小化：即(ji)“無”。但是(shi)徹底抵(di)消還需要付出(chu)代價：它源自夸(kua)克和反夸(kua)克的(de)(de)量子(zi)力學性質。

根據海(hai)森伯的(de)(de)(de)不(bu)確定(ding)性(xing)原理，要(yao)(yao)獲得準(zhun)確的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)位置信息，就必須(xu)(xu)讓粒(li)(li)子(zi)(zi)具有很寬的(de)(de)(de)動量范圍，特別是要(yao)(yao)有粒(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)大動量。但大的(de)(de)(de)動量意味(wei)著大的(de)(de)(de)能(neng)量。所(suo)以(yi)，更準(zhun)確地說，要(yao)(yao)使粒(li)(li)子(zi)(zi)局域(yu)化(hua)，就必須(xu)(xu)更多(duo)能(neng)量。

再次是(shi)我們(men)應該回到愛因斯坦的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)與能量(liang)(liang)(liang)(liang)關系(xi)方(fang)程中來考察。由(you)于有兩種方(fang)向相(xiang)反的(de)互相(xiang)競爭(zheng)的(de)作用，要消(xiao)除夸(kua)克對場的(de)擾動(dong)，同時盡量(liang)(liang)(liang)(liang)減(jian)少能量(liang)(liang)(liang)(liang)，并使(shi)反夸(kua)克局域化，所以(yi)就(jiu)必須賦予反夸(kua)克相(xiang)應的(de)活(huo)動(dong)余地。這樣(yang)(yang)雙方(fang)在彼(bi)此抵消(xiao)后的(de)總(zong)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)不能為零，即m=E/c的(de)平方(fang)。這樣(yang)(yang)我們(men)從無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)輸入得到質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)輸出。這同時也是(shi)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)起源量(liang)(liang)(liang)(liang)子力學解釋(shi)。

任意兩質點(dian)之間(jian)的(de)萬有(you)引(yin)力(li)(li)，就是組成物質的(de)粒子(zi)之間(jian)通過交(jiao)換“引(yin)力(li)(li)子(zi)”實現(xian)(xian)的(de)。而(er)在廣(guang)義相對論中，物體(ti)之間(jian)的(de)萬有(you)引(yin)力(li)(li)則被認為(wei)是時(shi)空彎(wan)(wan)曲(qu)的(de)表現(xian)(xian)。物質的(de)存在使得它周圍(wei)的(de)時(shi)空發(fa)生彎(wan)(wan)曲(qu)，而(er)物體(ti)在彎(wan)(wan)曲(qu)的(de)時(shi)空中沿測地線運動，就自然地表現(xian)(xian)為(wei)相互吸引(yin)。

牛頓萬(wan)有引(yin)力定律指出(chu)：兩個質點(dian)之間(jian)的(de)萬(wan)有引(yin)力，與(yu)它們的(de)質量乘積成正比(bi)，與(yu)它們二者之間(jian)距離的(de)平(ping)方成反比(bi)。它實際(ji)上是廣義(yi)相對論的(de)引(yin)力理(li)論在靜態弱引(yin)力場中低(di)速運動情況(kuang)下的(de)一(yi)種近似。

萬有引力(li)傳播的媒介(jie)子(zi)——“引力(li)子(zi)”

1913年，偉(wei)大的(de)(de)(de)物理學家愛因(yin)(yin)斯坦提出(chu)了萬有(you)引(yin)力(li)場(chang)論(lun)。愛因(yin)(yin)斯坦認為任何(he)帶有(you)質量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)物體(ti)周圍都(dou)存在(zai)有(you)引(yin)力(li)場(chang)，引(yin)力(li)場(chang)是(shi)通(tong)(tong)過(guo)引(yin)力(li)波(bo)來傳播(bo)的(de)(de)(de)，引(yin)力(li)波(bo)像(xiang)電磁波(bo)那樣通(tong)(tong)過(guo)媒介子(zi)(zi)傳播(bo)，我們都(dou)知道電磁波(bo)是(shi)通(tong)(tong)過(guo)光(guang)子(zi)(zi)來傳播(bo)能量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)，因(yin)(yin)此(ci)它(ta)的(de)(de)(de)媒介子(zi)(zi)是(shi)光(guang)子(zi)(zi)，引(yin)力(li)波(bo)在(zai)傳播(bo)能量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中，同樣有(you)媒介子(zi)(zi)的(de)(de)(de)作用(yong)，愛因(yin)(yin)斯坦把這一(yi)媒介子(zi)(zi)稱(cheng)之為引(yin)力(li)子(zi)(zi)。引(yin)力(li)子(zi)(zi)以光(guang)速(su)傳播(bo)，它(ta)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)與光(guang)子(zi)(zi)一(yi)樣為0。

經(jing)過這么多年(nian)的(de)(de)探索，人們(men)(men)一直沒(mei)能(neng)在宇宙中發現它的(de)(de)蹤影，我們(men)(men)沒(mei)有(you)足夠的(de)(de)證(zheng)據(ju)證(zheng)明它的(de)(de)存在，也沒(mei)有(you)足夠的(de)(de)證(zheng)據(ju)否認(ren)它的(de)(de)存在。因此，探索引力子是否存在成(cheng)為科學界(jie)的(de)(de)一大難題。

雖然(ran)引(yin)力(li)(li)子(zi)在宇宙中無處(chu)不(bu)(bu)在，但探索之(zhi)(zhi)路(lu)仍然(ran)是(shi)舉步維(wei)艱。有(you)學者認為(wei)，引(yin)力(li)(li)之(zhi)(zhi)微(wei)弱(ruo)表明(ming)，其(qi)媒介子(zi)引(yin)力(li)(li)子(zi)幾乎不(bu)(bu)與其(qi)它(ta)的物質發生(sheng)反應，這(zhe)是(shi)我們(men)長期探測不(bu)(bu)到它(ta)的原(yuan)由，這(zhe)個理由雖然(ran)很有(you)說服(fu)力(li)(li)，但也(ye)不(bu)(bu)足以證明(ming)引(yin)力(li)(li)子(zi)是(shi)存在的事(shi)實。

試圖找到(dao)一種更(geng)有說服(fu)力(li)的(de)方法(fa)，就是證(zheng)明引(yin)力(li)波的(de)存(cun)(cun)在(zai)，從(cong)而(er)間接的(de)證(zheng)明引(yin)力(li)子(zi)的(de)存(cun)(cun)在(zai)。如果可以證(zheng)明宇宙中有引(yin)力(li)波存(cun)(cun)在(zai)，那(nei)么引(yin)力(li)波必(bi)定(ding)有與之對(dui)應的(de)媒介子(zi)引(yin)力(li)子(zi)來傳遞能量(liang)。

引力波(bo)在(zai)宇宙中是(shi)普遍存在(zai)的，星(xing)體的加速旋(xuan)轉(zhuan)，相撞，吞(tun)并等都可以使(shi)引力場發(fa)生擾(rao)動并產生引力波(bo)，但(dan)由于引力波(bo)與引力子(zi)一樣很難與其它物質發(fa)生反應，以至于至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(fa)生引力輻(fu)射(she)，而導致周(zhou)期的變(bian)化證(zheng)實它的存在(zai)。

引(yin)(yin)力輻(fu)射是(shi)引(yin)(yin)力波(bo)(bo)的(de)(de)另一種稱呼(hu)，它是(shi)指引(yin)(yin)力波(bo)(bo)從星(xing)體(ti)或星(xing)系(xi)中輻(fu)射出(chu)來的(de)(de)現象，如果證明了(le)(le)引(yin)(yin)力輻(fu)射的(de)(de)存在就等于證實了(le)(le)引(yin)(yin)力波(bo)(bo)的(de)(de)存在。

為什么這(zhe)樣說呢？

引(yin)力(li)(li)輻射是一種(zhong)能(neng)量的(de)輻射。假如一個行(xing)星(xing)(xing)圍繞恒星(xing)(xing)運動(dong)，恒星(xing)(xing)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)會伴隨有引(yin)力(li)(li)輻射的(de)發生，使得(de)行(xing)星(xing)(xing)的(de)運轉(zhuan)軌道發生變化(hua)，其主(zhu)要變化(hua)特征表現在行(xing)星(xing)(xing)運動(dong)周(zhou)(zhou)期(qi)的(de)減小，如果(guo)行(xing)星(xing)(xing)的(de)運動(dong)周(zhou)(zhou)期(qi)減小，那么(me)就能(neng)說明(ming)引(yin)力(li)(li)輻射的(de)發生。

這(zhe)一(yi)現(xian)象在(zai)1974年(nian)，被赫爾斯和泰(tai)勒二人所證(zheng)實。他(ta)們(men)(men)對(dui)脈沖雙星PSR1913+16進(jin)行觀(guan)測，發(fa)現(xian)它們(men)(men)的公轉周期變小率為（-2.40±0.09）×10-12，這(zhe)個數(shu)值與(yu)廣(guang)義(yi)相對(dui)論的計算符合的很好，廣(guang)義(yi)相對(dui)論的預言(yan)值為（-2.403±0.002）×10-12，這(zhe)一(yi)點(dian)充分證(zheng)明了(le)引(yin)力輻(fu)射的存在(zai)。

引(yin)(yin)力輻射的(de)存在(zai)(zai)，意味著引(yin)(yin)力波在(zai)(zai)宇宙中是(shi)存在(zai)(zai)的(de)，并且無所不在(zai)(zai)。同時也證明了(le)引(yin)(yin)力波的(de)媒介子引(yin)(yin)力子的(de)存在(zai)(zai)。

通(tong)過(guo)這些論(lun)斷，可以證明(ming)引力子(zi)(zi)在(zai)(zai)宇宙中是(shi)必定(ding)存在(zai)(zai)的，只不過(guo)我們無法(fa)(fa)探(tan)(tan)測到。引力子(zi)(zi)的無法(fa)(fa)探(tan)(tan)測性，其實并(bing)不影響我們尋求量子(zi)(zi)引力理(li)論(lun)，因為量子(zi)(zi)引力理(li)論(lun)建立的基(ji)礎是(shi)場，而不是(shi)粒子(zi)(zi)。

廣義相對論

牛(niu)頓的(de)(de)萬有(you)引(yin)力定律很好地(di)解釋(shi)了地(di)面上物體(ti)所受(shou)的(de)(de)重力、海洋(yang)的(de)(de)潮汐和行星與天(tian)體(ti)的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)，把(ba)天(tian)上的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)和地(di)上的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)統一了起來，具有(you)非常重要的(de)(de)意義。但讓牛(niu)頓感到遺憾(han)的(de)(de)是，他一直沒能解釋(shi)清楚兩(liang)個(ge)有(you)質量的(de)(de)物體(ti)之(zhi)間為什么會有(you)引(yin)力？這個(ge)問(wen)題被(bei)愛因(yin)斯坦的(de)(de)廣義相對論很好地(di)解決了。

廣義相(xiang)對(dui)論實(shi)際(ji)上(shang)就是(shi)關于萬有引(yin)(yin)力(li)(li)本質(zhi)的(de)(de)(de)(de)理論。它認為，一(yi)(yi)個(ge)有質(zhi)量的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)體，會使它周(zhou)圍(wei)的(de)(de)(de)(de)時(shi)空(kong)發(fa)生(sheng)彎曲，在這(zhe)個(ge)彎曲的(de)(de)(de)(de)時(shi)空(kong)里，一(yi)(yi)切物(wu)(wu)體都(dou)將自然地沿測地線(xian)（也叫做(zuo)“短程線(xian)”）運動，而表現(xian)為向一(yi)(yi)塊靠攏。我們看不到(dao)(dao)時(shi)空(kong)的(de)(de)(de)(de)彎曲，只看到(dao)(dao)物(wu)(wu)體在互相(xiang)靠攏，就認為它們之間存在著一(yi)(yi)種(zhong)“萬有引(yin)(yin)力(li)(li)”，實(shi)際(ji)上(shang)物(wu)(wu)體之間表現(xian)出(chu)來的(de)(de)(de)(de)這(zhe)種(zhong)萬有引(yin)(yin)力(li)(li)，并(bing)不是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)真正的(de)(de)(de)(de)力(li)(li)，而是(shi)時(shi)空(kong)彎曲的(de)(de)(de)(de)表現(xian)。

三維時空的(de)彎曲我(wo)們(men)不(bu)好想象(xiang)，但是可以(yi)降一(yi)維（在(zai)(zai)(zai)二維平(ping)面上）做個(ge)(ge)比(bi)喻。設想有(you)一(yi)塊(kuai)布把(ba)它(ta)(ta)懸空展平(ping)，上面放一(yi)個(ge)(ge)小(xiao)球，它(ta)(ta)就(jiu)會(hui)(hui)把(ba)布壓(ya)彎，在(zai)(zai)(zai)另一(yi)個(ge)(ge)地方再放一(yi)個(ge)(ge)小(xiao)球，它(ta)(ta)也會(hui)(hui)把(ba)它(ta)(ta)周圍的(de)布壓(ya)彎。我(wo)們(men)看(kan)到(dao)，這兩個(ge)(ge)小(xiao)球就(jiu)會(hui)(hui)自然地向一(yi)塊(kuai)靠(kao)攏(long)(long)，這是它(ta)(ta)們(men)在(zai)(zai)(zai)沿各自的(de)測地線(xian)運動的(de)結果。我(wo)們(men)看(kan)不(bu)到(dao)布的(de)彎曲，只看(kan)到(dao)小(xiao)球在(zai)(zai)(zai)向一(yi)起靠(kao)攏(long)(long)，就(jiu)說(shuo)它(ta)(ta)們(men)之間有(you)個(ge)(ge)引力存在(zai)(zai)(zai)，其實它(ta)(ta)只是時空彎曲的(de)表(biao)現而已。

這種解釋在(zai)水星近日點(dian)的進動、光(guang)線在(zai)引力(li)場中(zhong)的彎(wan)曲、引力(li)紅移(yi)等問題上得到了很(hen)好(hao)(hao)的檢(jian)(jian)驗(yan)(yan)，其后在(zai)大量(liang)更精密的實(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)得到了進一(yi)步(bu)的檢(jian)(jian)驗(yan)(yan)，與實(shi)驗(yan)(yan)符合(he)得很(hen)好(hao)(hao)。廣義相對論被認為是一(yi)種最好(hao)(hao)的萬(wan)有引力(li)理論。

引力傳播速度

中國(guo)科(ke)學家(jia)測得引力(li)傳播(bo)速度。

經過10多年的持續探索，中國科學(xue)家在(zai)世(shi)界上成(cheng)功(gong)獲得“引力(li)場(chang)以光速(su)傳(chuan)播”的第一(yi)個觀測(ce)證據。這項原始創新成(cheng)果，實現了物理學(xue)界多年來對(dui)通過實驗或觀測(ce)獲得引力(li)場(chang)傳(chuan)播速(su)度的期待，對(dui)引力(li)場(chang)的理論和實驗研究具有重(zhong)要(yao)意(yi)義。

中國(guo)科學(xue)院(yuan)地質與地球(qiu)物理研究所26日下(xia)午在北(bei)京對外宣(xuan)布(bu)，由該所湯克云研究員(yuan)領銜(xian)、中國(guo)地震局和中國(guo)科學(xue)院(yuan)大(da)學(xue)有關科研人(ren)員(yuan)組(zu)成(cheng)的科學(xue)團(tuan)組(zu)，經過10多(duo)年的持續(xu)探索在實施多(duo)次日食期間(jian)的固體潮(chao)(chao)觀測后，發現現行(xing)地球(qiu)固體潮(chao)(chao)公式(shi)實際上暗含(han)著引力場(chang)以光速(su)傳(chuan)播的假定(ding)，從而提出用(yong)固體潮(chao)(chao)測量引力傳(chuan)播速(su)度的方法(fa)。

湯克(ke)云科學團組先后實施1997年(nian)漠(mo)河日全(quan)食(shi)觀(guan)(guan)測、2001年(nian)贊比(bi)亞日全(quan)食(shi)觀(guan)(guan)測、2002年(nian)澳大利亞日全(quan)食(shi)觀(guan)(guan)測、2008年(nian)嘉峪關(guan)日全(quan)食(shi)觀(guan)(guan)測、2009年(nian)上海-杭州-湖州日全(quan)食(shi)觀(guan)(guan)測和2010年(nian)云南大理日環食(shi)觀(guan)(guan)測，主要是重力固體潮觀(guan)(guan)測。

中(zhong)國(guo)科學家(jia)們觀測研究發現(xian)：現(xian)今(jin)固(gu)體潮(chao)理論(lun)公式中(zhong)隱含著引(yin)力(li)場(chang)以光速(su)傳播(bo)的(de)假定(ding)，進而導出引(yin)力(li)傳播(bo)速(su)度(du)(du)方(fang)(fang)程，并找到求解引(yin)力(li)場(chang)速(su)度(du)(du)的(de)有(you)效方(fang)(fang)法。湯克(ke)云科學團組隨(sui)后選擇遠離太平洋(yang)、大(da)西(xi)洋(yang)、印度(du)(du)洋(yang)和北冰(bing)洋(yang)的(de)西(xi)藏獅泉河站和新(xin)疆烏什(shen)站的(de)固(gu)體潮(chao)數據(ju)作相(xiang)關校正后，代入引(yin)力(li)傳播(bo)速(su)度(du)(du)方(fang)(fang)程，最終獲得全球“引(yin)力(li)場(chang)以光速(su)傳播(bo)”的(de)第一(yi)個(ge)觀測證據(ju)。

專家介紹說(shuo)，牛頓(dun)的萬有引(yin)力(li)(li)定律表明(ming)，引(yin)力(li)(li)傳(chuan)播是(shi)一種超(chao)距(ju)作用，引(yin)力(li)(li)可(ke)以(yi)在(zai)瞬間傳(chuan)播至(zhi)任意遠處(chu)，愛(ai)因斯坦則認(ren)為(wei)牛頓(dun)的超(chao)距(ju)作用應(ying)該放棄(qi)。一直(zhi)以(yi)來，整個物理學界都在(zai)期待著通過(guo)實驗(yan)或觀測獲得引(yin)力(li)(li)場傳(chuan)播的速度(du)，但此前均未找到(dao)正確的實驗(yan)或觀測方法(fa)。