萬有引力定律：屬于(yu)自(zi)然(ran)科學領域定律，自(zi)然(ran)界中任何兩(liang)個物體(ti)都是相(xiang)互吸引的(de)，引力的(de)大(da)小跟這兩(liang)個物體(ti)的(de)質(zhi)量乘積成(cheng)正比，跟它(ta)們(men)的(de)距離(li)的(de)二次方成(cheng)反比。
萬有(you)引(yin)力定(ding)律是牛頓在1687年出(chu)版的《自然哲學的數學原理》一(yi)書中(zhong)首先(xian)提(ti)出(chu)的。牛頓利用萬有(you)引(yin)力定(ding)律不僅說明了(le)行星運(yun)動規(gui)律，而(er)且還(huan)(huan)指出(chu)木星、土星的衛星圍(wei)繞行星也有(you)同樣的運(yun)動規(gui)律。他(ta)(ta)認為月球除(chu)了(le)受到地球的引(yin)力外，還(huan)(huan)受到太陽的引(yin)力，從而(er)解釋了(le)月球運(yun)動中(zhong)早(zao)已發(fa)現(xian)的二(er)均差(cha)，出(chu)差(cha)等；另外，他(ta)(ta)還(huan)(huan)解釋了(le)彗星的運(yun)動軌(gui)道(dao)和地球上的潮汐(xi)現(xian)象。根據萬有(you)引(yin)力定(ding)律成功地預言(yan)并發(fa)現(xian)了(le)海王星。
萬有(you)引(yin)(yin)力定(ding)律(lv)出現后，才正式(shi)把研究天(tian)體(ti)的(de)(de)運動建立在力學(xue)理論的(de)(de)基(ji)礎上，從(cong)而創(chuang)立了天(tian)體(ti)力學(xue)。簡單的(de)(de)說(shuo)，質量(liang)越大的(de)(de)東(dong)西產生的(de)(de)引(yin)(yin)力越大,這個(ge)力與(yu)兩個(ge)物體(ti)的(de)(de)質量(liang)均成(cheng)正比(bi)(bi)，與(yu)兩個(ge)物體(ti)間的(de)(de)距(ju)離平方成(cheng)反比(bi)(bi)。地(di)球的(de)(de)質量(liang)產生的(de)(de)引(yin)(yin)力足夠把地(di)球上的(de)(de)東(dong)西全部抓(zhua)牢(lao)。
萬(wan)有引力(li)(li)定(ding)律傳(chuan)(chuan)入(ru)中(zhong)(zhong)國：《自然(ran)哲學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)數學(xue)(xue)(xue)原理(li)》牛頓最(zui)重(zhong)要的(de)(de)(de)著(zhu)作，1687年(nian)出版(ban)。該(gai)(gai)書(shu)總結了(le)他一(yi)生(sheng)中(zhong)(zhong)許多(duo)重(zhong)要發(fa)現(xian)和研(yan)究(jiu)成果，其(qi)中(zhong)(zhong)包括上述(shu)關于物(wu)體(ti)運動的(de)(de)(de)定(ding)律。他說，該(gai)(gai)書(shu)“所研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)主(zhu)要是關于重(zhong)、輕流體(ti)抵抗力(li)(li)及其(qi)他吸引運動的(de)(de)(de)力(li)(li)的(de)(de)(de)狀況，所以我們研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)是自然(ran)哲學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)數學(xue)(xue)(xue)原理(li)。”該(gai)(gai)書(shu)傳(chuan)(chuan)入(ru)中(zhong)(zhong)國后，中(zhong)(zhong)國數學(xue)(xue)(xue)家(jia)李善(shan)蘭(lan)曾(ceng)譯(yi)出一(yi)部分(fen)，但未(wei)出版(ban)，譯(yi)稿(gao)也遺失了(le)。現(xian)有的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)譯(yi)本(ben)是數學(xue)(xue)(xue)家(jia)鄭太樸翻譯(yi)的(de)(de)(de)，書(shu)名為(wei)《自然(ran)哲學(xue)(xue)(xue)之數學(xue)(xue)(xue)原理(li)》，1931年(nian)商務印書(shu)館初版(ban)，1957和1958年(nian)兩次(ci)重(zhong)印。
萬(wan)有引(yin)(yin)力等于引(yin)(yin)力常(chang)(chang)量(liang)乘以(yi)兩物體質量(liang)的乘積除以(yi)它們距離的平(ping)方。其中G代(dai)表引(yin)(yin)力常(chang)(chang)量(liang)，其值約(yue)為(wei)(wei)6.67×10-11 N·m2/kg2，為(wei)(wei)英國物理學家、化(hua)學家亨利·卡文迪(di)許(xu)通過扭秤實驗測得。此外(wai)，庫侖定律也可(ke)以(yi)用這種扭秤證(zheng)明。
因為行星(xing)(xing)受到(dao)的(de)作(zuo)用力和太陽(yang)受到(dao)的(de)作(zuo)用力是相同大小的(de)力，由這兩(liang)個式子比較可知(zhi)，k′包含(han)了(le)太陽(yang)的(de)質量M，k″包含(han)了(le)行星(xing)(xing)的(de)質量m。由此可知(zhi)，這兩(liang)個力與(yu)兩(liang)個天體(ti)質量的(de)乘積成正(zheng)比，它稱為萬有引力。
如果引(yin)入(ru)一(yi)個(ge)新的常數G（稱萬(wan)(wan)有引(yin)力常數），再考慮太陽(yang)和行星的質(zhi)量(liang)，以及(ji)先(xian)前得出的4·π2，那么可以表(biao)示為(wei)：萬(wan)(wan)有引(yin)力，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。
兩個(ge)通常(chang)物(wu)體(ti)(ti)之(zhi)間(jian)的萬有(you)(you)(you)引力(li)(li)極其微小，我們察覺不(bu)(bu)到它，可以不(bu)(bu)予考慮。比(bi)如，兩個(ge)質(zhi)量(liang)都是60千克(ke)的人(ren)，相距0.5米，他們之(zhi)間(jian)的萬有(you)(you)(you)引力(li)(li)還不(bu)(bu)足百萬分之(zhi)一(yi)牛頓，而一(yi)只螞蟻拖動細(xi)草梗的力(li)(li)竟是這個(ge)引力(li)(li)的1000倍！但是，天(tian)(tian)體(ti)(ti)系統中，由于(yu)天(tian)(tian)體(ti)(ti)的質(zhi)量(liang)很大(da)，萬有(you)(you)(you)引力(li)(li)就起著決(jue)定性的作用。在天(tian)(tian)體(ti)(ti)中質(zhi)量(liang)還算(suan)很小的地球，對(dui)其他的物(wu)體(ti)(ti)的萬有(you)(you)(you)引力(li)(li)已經具有(you)(you)(you)巨大(da)的影響，它把人(ren)類、大(da)氣和(he)所有(you)(you)(you)地面物(wu)體(ti)(ti)束縛在地球上，它使月球和(he)人(ren)造(zao)地球衛星繞地球旋轉而不(bu)(bu)離去。
在(zai)人類航(hang)(hang)天(tian)(tian)事業興起之(zhi)前，萬有(you)(you)引力早已被應用于宇(yu)(yu)宙天(tian)(tian)體的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究。重力雖然早被發(fa)現，但是重力的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究進(jin)入(ru)宇(yu)(yu)宙這個領(ling)域，是航(hang)(hang)天(tian)(tian)科學(xue)帶領(ling)的(de)(de)(de)(de)(de)。從地面出發(fa)進(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙航(hang)(hang)行的(de)(de)(de)(de)(de)路上，物(wu)體受的(de)(de)(de)(de)(de)重力要(yao)發(fa)生巨大(da)變化(hua)。到達目標天(tian)(tian)體或人造(zao)天(tian)(tian)體后，物(wu)體受的(de)(de)(de)(de)(de)重力也會與地球上有(you)(you)很大(da)區別。要(yao)考慮(lv)人如(ru)何耐受體重的(de)(de)(de)(de)(de)巨大(da)變化(hua)，要(yao)研(yan)究支撐物(wu)如(ru)何承受物(wu)體重量帶來的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)(de)巨大(da)變化(hua)。但是重力的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究難于萬有(you)(you)引力。至今重力的(de)(de)(de)(de)(de)定義(yi)只(zhi)停留(liu)在(zai)地面附近，重力的(de)(de)(de)(de)(de)概念(nian)也沒有(you)(you)深入(ru)本質。重力研(yan)究停留(liu)在(zai)下面的(de)(de)(de)(de)(de)小范圍之(zhi)內(nei)。
重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，就(jiu)是(shi)(shi)由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)地(di)(di)(di)面(mian)附近的(de)(de)(de)物體受(shou)到地(di)(di)(di)球(qiu)的(de)(de)(de)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)而產生的(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)需要(yao)注意的(de)(de)(de)是(shi)(shi)，因為(wei)(wei)地(di)(di)(di)球(qiu)在(zai)自轉，除了在(zai)南(nan)極北(bei)極端點，在(zai)地(di)(di)(di)球(qiu)上(shang)任意一(yi)點的(de)(de)(de)物體，其重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)并不等(deng)于(yu)(yu)(yu)(yu)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)（因為(wei)(wei)這里的(de)(de)(de)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指地(di)(di)(di)球(qiu)本(ben)身的(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，而重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)物體本(ben)身的(de)(de)(de)質量再加上(shang)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)）。此(ci)時可(ke)看(kan)作繞(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)合成(cheng)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)（矢量和(he)—平(ping)行四邊形法則）。由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)繞(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)自轉的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)遠(yuan)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)(yu)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，故一(yi)般就(jiu)認為(wei)(wei)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)就(jiu)略等(deng)于(yu)(yu)(yu)(yu)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)了，其實重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)略小(xiao)于(yu)(yu)(yu)(yu)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)，只有(you)(you)(you)(you)在(zai)南(nan)北(bei)極物體繞(rao)地(di)(di)(di)球(qiu)自轉的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)為(wei)(wei)零時，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)才等(deng)于(yu)(yu)(yu)(yu)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)方向(xiang)不同，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)豎直(zhi)向(xiang)下，萬有(you)(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指向(xiang)地(di)(di)(di)心(xin)(xin)，豎直(zhi)向(xiang)下和(he)指向(xiang)地(di)(di)(di)心(xin)(xin)是(shi)(shi)不同的(de)(de)(de)，不能混淆。
上面(mian)研究(jiu)重(zhong)(zhong)力的(de)方法只(zhi)適用于地(di)面(mian)，宇宙(zhou)航行中的(de)重(zhong)(zhong)力和宇宙(zhou)中天體或(huo)人造天體上的(de)重(zhong)(zhong)力的(de)研究(jiu)，離不開下面(mian)重(zhong)(zhong)力的(de)概(gai)念和定義(yi)。
在靜力(li)(li)學(xue)范圍(wei)內(nei)，以放置物體(ti)的支撐(cheng)物或物體(ti)本身(shen)為參照物，來研究重(zhong)力(li)(li)能得到(dao)最(zui)好的保障(zhang)。萬有引力(li)(li)和慣(guan)性力(li)(li)都(dou)是同時作(zuo)用(yong)(yong)在物體(ti)的每(mei)一個微小(xiao)部(bu)分，因此都(dou)能使物體(ti)獲得重(zhong)量(liang)。在沒有其他(ta)的力(li)(li)具有這(zhe)樣(yang)的作(zuo)用(yong)(yong)效(xiao)果(guo)。因此將萬有引力(li)(li)和慣(guan)性力(li)(li)的共同作(zuo)用(yong)(yong)，即它(ta)們的合力(li)(li)叫做重(zhong)力(li)(li)。這(zhe)種研究重(zhong)力(li)(li)得到(dao)的結果(guo)與上面(mian)提(ti)到(dao)在地(di)面(mian)上的研究方法得到(dao)的結果(guo)完全(quan)相同，因為地(di)球也(ye)是宇宙(zhou)天(tian)體(ti)之一。
會從這里發現，在地(di)面(mian)研究(jiu)重(zhong)力(li)，怎么(me)只考(kao)慮(lv)(lv)地(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)，卻沒有考(kao)慮(lv)(lv)把(ba)地(di)球(qiu)(qiu)吸引(yin)(yin)得團(tuan)團(tuan)轉的(de)(de)(de)(de)(de)太(tai)陽的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)和其(qi)他(ta)眾星(xing)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)？新的(de)(de)(de)(de)(de)概念和定義能(neng)很(hen)好地(di)做出解釋。把(ba)各星(xing)球(qiu)(qiu)看做質點(dian)，那么(me)太(tai)陽的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)和其(qi)他(ta)眾星(xing)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)，都分別和與(yu)它們對應的(de)(de)(de)(de)(de)慣性力(li)相(xiang)互抵(di)消。因此在求地(di)面(mian)上物體的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)力(li)時除地(di)球(qiu)(qiu)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)以外，其(qi)他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有引(yin)(yin)力(li)可以不參與(yu)重(zhong)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)計算。但是不加(jia)考(kao)慮(lv)(lv)是不可以的(de)(de)(de)(de)(de)。
宇宙航行中物體(ti)的(de)超重(zhong)、失(shi)重(zhong)現象的(de)解(jie)(jie)釋和物體(ti)在其他(ta)星球(qiu)上的(de)重(zhong)力(li)(li)計算，都(dou)可(ke)以(yi)在新(xin)定義下，用物體(ti)所受重(zhong)力(li)(li)的(de)變(bian)化或說重(zhong)量的(de)變(bian)化來解(jie)(jie)決。這樣(yang)重(zhong)力(li)(li)的(de)研(yan)究(jiu)就會伴隨萬有(you)引(yin)力(li)(li)的(de)研(yan)究(jiu)進(jin)入宇宙空(kong)間。
17世(shi)紀早期，人們已經能夠(gou)區分很(hen)多力(li)(li)，比如摩(mo)擦力(li)(li)、重力(li)(li)、空氣(qi)阻力(li)(li)、電力(li)(li)和(he)人力(li)(li)等。牛(niu)頓首(shou)次將其中一些看似不同(tong)的力(li)(li)準確地(di)歸(gui)結到(dao)萬有(you)引力(li)(li)概念里：蘋果落地(di)，人有(you)體重，月亮圍繞地(di)球轉，所有(you)這些現象都是由相同(tong)原因引起的。牛(niu)頓的萬有(you)引力(li)(li)定律簡(jian)單易懂(dong)，涵蓋面廣。
萬有引力的(de)(de)(de)(de)發現，是17世紀(ji)自然科(ke)學(xue)最偉大的(de)(de)(de)(de)成果之一(yi)(yi)。它(ta)把地面上的(de)(de)(de)(de)物體運(yun)動的(de)(de)(de)(de)規律(lv)和天體運(yun)動的(de)(de)(de)(de)規律(lv)統一(yi)(yi)了(le)(le)起來(lai)，對以后物理學(xue)和天文(wen)學(xue)的(de)(de)(de)(de)發展具(ju)有深(shen)遠的(de)(de)(de)(de)影響。它(ta)第一(yi)(yi)次揭示了(le)(le)自然界中(zhong)一(yi)(yi)種基本相互作用的(de)(de)(de)(de)規律(lv)，在人類認識自然的(de)(de)(de)(de)歷史上樹立了(le)(le)一(yi)(yi)座里程碑。
牛(niu)頓的萬(wan)有引(yin)力(li)(li)概念是(shi)所有科(ke)(ke)學中最實用的概念之一。牛(niu)頓認為萬(wan)有引(yin)力(li)(li)是(shi)所有物質的基本特征，這成為大部分物理科(ke)(ke)學的理論基石。
原因
牛頓發現萬有引(yin)力的(de)原因很多，主要因為以下幾點。
1.科(ke)學(xue)發展的(de)要求：牛頓(dun)之(zhi)前，有很多天文(wen)學(xue)家(jia)在對(dui)宇(yu)宙中的(de)星球進行(xing)觀察。經(jing)過幾(ji)位天文(wen)學(xue)家(jia)的(de)觀察記(ji)錄，到(dao)開普勒時，他對(dui)這些觀測(ce)結果進行(xing)了(le)分(fen)析(xi)總結，得到(dao)開普勒三(san)大(da)定律：
1.所有行星都繞太陽做橢圓運行，太陽在所有橢圓的公共焦點上。
2.行星的向(xiang)徑在相等的時間內掃過相等的面(mian)積。
3.所有行(xing)星軌道半長軸的(de)三(san)次方跟公轉(zhuan)周期的(de)二次方的(de)比值都相等，即r^3/T^2=k。
開普勒三定(ding)律是不容置疑的，但為什么(me)(me)會這(zhe)樣(yang)呢？是什么(me)(me)讓它們做加速度非(fei)零的運(yun)動？牛頓經過研究(jiu)思考解決了這(zhe)個(ge)問題：物體之(zhi)間存在萬(wan)有引力。當(dang)然他(ta)發現萬(wan)有引力定(ding)量是一個(ge)漫長而曲(qu)折的過程。
2.個人(ren)原(yuan)因：牛(niu)頓(dun)發現萬(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)定律，雖然(ran)是科(ke)學(xue)發展的(de)要(yao)求，生產力(li)(li)發展的(de)原(yuan)因，但我們不(bu)能忽略牛(niu)頓(dun)本人(ren)的(de)一些因素：聰明勤于思(si)考(kao) 擁(yong)有(you)(you)(you)一定的(de)知識量。據《物理(li)學(xue)史(shi)》說：牛(niu)頓(dun)在(zai)(zai)(zai)發現萬(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)定律的(de)那一段時間，廢寢忘食(shi)(shi)(shi)（每(mei)天(tian)魂不(bu)守舍，在(zai)(zai)(zai)食(shi)(shi)(shi)堂(tang)吃飯(fan)，飯(fan)碗在(zai)(zai)(zai)前，他在(zai)(zai)(zai)發呆(dai)。去食(shi)(shi)(shi)堂(tang)吃飯(fan)，卻走錯了(le)方向。一些老師在(zai)(zai)(zai)校園(yuan)后的(de)沙灘(tan)上散步時，看見了(le)一些古怪的(de)算式和(he)符號）。1669年(nian)，他年(nian)僅27歲，就(jiu)擔任了(le)劍(jian)橋(qiao)的(de)數學(xue)教授。還有(you)(you)(you)1672年(nian)當選(xuan)為英國皇家學(xue)會(hui)會(hui)員。
過程
1666年，23歲的牛(niu)頓還(huan)是劍橋大(da)學圣三一學院(yuan)三年級的學生。看到他白皙的皮膚(fu)和金色的長發，很多人以為他還(huan)是個孩(hai)子(zi)。他身體瘦小，沉默寡(gua)言，性格嚴肅，這使人們更(geng)(geng)加相(xiang)信他還(huan)是個孩(hai)子(zi)。他那雙(shuang)銳利的眼睛和整天寫滿怒氣的表情更(geng)(geng)是拒(ju)人于千里之外(wai)。
黑死病(bing)席(xi)卷了倫敦，奪(duo)走了很多人的(de)(de)生命，那(nei)確實是段(duan)可(ke)怕的(de)(de)日子(zi)。大學(xue)被迫(po)關閉，像艾(ai)薩克·牛(niu)頓這樣熱衷于學(xue)術(shu)的(de)(de)人只(zhi)好(hao)返回安全的(de)(de)鄉村，期待(dai)著席(xi)卷城市(shi)的(de)(de)病(bing)魔早日離(li)去。
在鄉村的(de)(de)日子里(li)，牛頓一直被這樣的(de)(de)問題困惑：是什么(me)力量驅使(shi)月球圍繞地(di)球轉，地(di)球圍繞太(tai)陽(yang)轉？牛頓首次認(ren)為，重力不(bu)僅僅是行星和(he)恒星之間的(de)(de)作用(yong)(yong)力，有可能是普遍存在的(de)(de)吸引(yin)力。他深信煉金術，認(ren)為物(wu)質(zhi)之間相(xiang)互(hu)(hu)吸引(yin)，這使(shi)他斷言，相(xiang)互(hu)(hu)吸引(yin)力不(bu)但適(shi)用(yong)(yong)于碩(shuo)大的(de)(de)天體之間，而且(qie)適(shi)用(yong)(yong)于各(ge)種體積的(de)(de)物(wu)體之間。蘋果落(luo)(luo)地(di)、雨滴降落(luo)(luo)和(he)行星沿著軌道圍繞太(tai)陽(yang)運行都是重力作用(yong)(yong)的(de)(de)結果。
人(ren)(ren)們普(pu)遍認為，適用于地球的(de)自然定律與太(tai)空中的(de)定律大相徑(jing)庭。牛頓的(de)萬有引(yin)力(li)定律沉重打(da)擊了(le)這一觀點，它告訴人(ren)(ren)們，支配自然和(he)宇(yu)宙的(de)法則是很(hen)簡單的(de)。
牛頓推動了引力定律的發展，指出萬有引力不僅僅是星體的特征，也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學定律之一，萬有引力定律及其數學公式已成為整個物理學的基石。
當(dang)然，當(dang)時牛(niu)頓(dun)提(ti)出(chu)了萬有引(yin)力(li)理(li)(li)論，卻未(wei)能得出(chu)萬有引(yin)力(li)的公式(shi)，因(yin)為公式(shi)中(zhong)的“G”實在太小了，因(yin)此他(ta)提(ti)出(chu)：F∝mM/r2。直(zhi)到1798年英國(guo)物理(li)(li)學家卡(ka)文(wen)迪許利用著(zhu)名的卡(ka)文(wen)迪許扭秤（即卡(ka)文(wen)迪許實驗）較精確(que)地測出(chu)了引(yin)力(li)恒量(liang)的數值(zhi)。
牛頓并不是(shi)發現(xian)了(le)重力(li)，他(ta)是(shi)發現(xian)重力(li)是(shi)“萬有”的(de)(de)。每(mei)個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)都(dou)會吸引其他(ta)物(wu)體(ti)(ti)，而這股引力(li)的(de)(de)大(da)小(xiao)只跟物(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)質量與物(wu)體(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)距離(li)有關。牛頓的(de)(de)萬有引力(li)定律說明，每(mei)一個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)都(dou)吸引著其他(ta)每(mei)一個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)，而兩個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)引力(li)大(da)小(xiao)，正(zheng)比于這它們的(de)(de)質量，會隨著兩物(wu)體(ti)(ti)中心連線距離(li)的(de)(de)平(ping)方(fang)而遞減。
牛頓(dun)為(wei)了證(zheng)明只有(you)球形體(ti)可(ke)(ke)把“球的(de)(de)(de)總質量(liang)集(ji)中到(dao)(dao)球的(de)(de)(de)質心點”來代表整個球的(de)(de)(de)萬有(you)引力作用(yong)的(de)(de)(de)總效果而(er)發展了微積分。然而(er)不(bu)管距離地(di)(di)球多遠，地(di)(di)球的(de)(de)(de)重力永遠不(bu)會變成(cheng)零(ling)，即使你(ni)被帶(dai)到(dao)(dao)宇宙的(de)(de)(de)邊(bian)緣，地(di)(di)球的(de)(de)(de)重力還(huan)是(shi)會作用(yong)到(dao)(dao)你(ni)身上，雖然地(di)(di)球重力的(de)(de)(de)作用(yong)可(ke)(ke)能會被你(ni)附近質量(liang)巨(ju)大的(de)(de)(de)物體(ti)所掩蓋，但它還(huan)是(shi)存在。不(bu)管是(shi)多小還(huan)是(shi)多遠，每一個物體(ti)都會受(shou)到(dao)(dao)引力作用(yong)，而(er)且(qie)遍布(bu)整個太空，正如我們所說的(de)(de)(de)“萬有(you)”。
萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)任意兩個(ge)(ge)物體或兩個(ge)(ge)粒(li)(li)(li)子間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)與其質(zhi)量乘積相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)，自(zi)然界中最普遍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)(li)(li)，簡稱(cheng)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)。在(zai)粒(li)(li)(li)子物理(li)學中則稱(cheng)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)和(he)強力(li)(li)(li)(li)、弱力(li)(li)(li)(li)、電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)合稱(cheng)4種(zhong)基(ji)本相(xiang)互(hu)作用。引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)其中最弱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)，兩個(ge)(ge)質(zhi)子間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)只有它們間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10，質(zhi)子受地(di)球的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)也只有它在(zai)一(yi)個(ge)(ge)不(bu)強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)場1000伏(fu)/米(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10。因此研究粒(li)(li)(li)子間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用或粒(li)(li)(li)子在(zai)電(dian)子顯微鏡和(he)加(jia)速器(qi)中運動時，都(dou)不(bu)考慮(lv)萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用。
一般物(wu)體(ti)(ti)之間的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)也是很(hen)小的(de)(de)(de)，例如(ru)兩個直(zhi)徑為(wei)1米的(de)(de)(de)鐵球(qiu)(qiu)，緊靠在一起時(shi)，引(yin)(yin)力(li)(li)也只有1.14×10-3牛(niu)頓，相當于(yu)(yu)0.03克(ke)的(de)(de)(de)一小滴水的(de)(de)(de)重量(liang)。但地(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)很(hen)大，這兩個鐵球(qiu)(qiu)分別(bie)受到4×102牛(niu)頓的(de)(de)(de)地(di)球(qiu)(qiu)引(yin)(yin)力(li)(li)，所以(yi)研究物(wu)體(ti)(ti)在地(di)球(qiu)(qiu)引(yin)(yin)力(li)(li)場中的(de)(de)(de)運動(dong)時(shi)，通常都不考(kao)慮周圍其他物(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)。天體(ti)(ti)如(ru)太陽和(he)地(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)都很(hen)大，乘(cheng)積就更大，巨(ju)大的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)就能使龐(pang)然大物(wu)繞太陽轉動(dong)。引(yin)(yin)力(li)(li)就成了支配(pei)天體(ti)(ti)運動(dong)的(de)(de)(de)唯(wei)一的(de)(de)(de)一種力(li)(li)。恒星的(de)(de)(de)形成，在高溫狀(zhuang)態下(xia)不彌散反而逐漸收縮，最后坍縮為(wei)白矮(ai)星、中子星和(he)黑(hei)洞(dong)，也都是由于(yu)(yu)引(yin)(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)作用，因此引(yin)(yin)力(li)(li)也是促(cu)使天體(ti)(ti)演化的(de)(de)(de)重要因素。
迄今(jin)為(wei)止，我(wo)們已經知(zhi)道，引力(li)(li)是(shi)一(yi)種與時空基(ji)本結構(gou)緊密關聯的(de)普適力(li)(li)。應該視其為(wei)基(ji)本力(li)(li)。換句話說，我(wo)們應該用(yong)引力(li)(li)來(lai)(lai)度量(liang)其他(ta)東西，而不是(shi)用(yong)其他(ta)東西來(lai)(lai)度量(liang)引力(li)(li)。因此，在絕對意(yi)義上來(lai)(lai)說，引力(li)(li)不是(shi)微弱(ruo)(ruo)的(de)——它本來(lai)(lai)就是(shi)這樣子(zi)的(de)。事實上，引力(li)(li)顯得如此之微弱(ruo)(ruo)一(yi)直讓理論物理學(xue)界感到困惑。
萬(wan)有(you)引力(li)(li)(li)、電(dian)磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)、強相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)力(li)(li)(li)、弱相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)力(li)(li)(li)這四種作(zuo)用(yong)(yong)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)基本力(li)(li)(li)。它(ta)們都(dou)是(shi)(shi)(shi)通過在粒子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間交(jiao)換的(de)一(yi)種“傳播子(zi)(zi)(zi)”實現的(de)交(jiao)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)，這就像兩(liang)個人托排球，通過他們之(zhi)間的(de)排球把他們聯系在一(yi)起一(yi)樣。帶電(dian)粒子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間電(dian)磁(ci)(ci)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)傳播子(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)(shi)質量為(wei)(wei)零(ling)、自旋為(wei)(wei)1的(de)光子(zi)(zi)(zi)。 原來(lai)有(you)學者認為(wei)(wei)，核子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間的(de)強相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)（核力(li)(li)(li)）是(shi)(shi)(shi)靠(kao)π介子(zi)(zi)(zi)傳遞(di)的(de)，但(dan)由于(yu)核子(zi)(zi)(zi)和π介子(zi)(zi)(zi)都(dou)是(shi)(shi)(shi)由夸克組成的(de)，所以歸根結底它(ta)們是(shi)(shi)(shi)夸克之(zhi)間的(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。
傳遞夸克之間(jian)強相(xiang)互作用(yong)的(de)(de)(de)傳播子(zi)稱為“膠子(zi)”。注意光子(zi)不(bu)帶(dai)電，且只(zhi)有(you)一種(zhong)(zhong)，而膠子(zi)帶(dai)“色(se)(se)荷(he)(he)”，分為八種(zhong)(zhong)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)膠子(zi)。不(bu)過(guo)它和光子(zi)一樣，都是自旋為1的(de)(de)(de)玻(bo)色(se)(se)子(zi)。弱(ruo)相(xiang)互作用(yong)的(de)(de)(de)傳播子(zi)是“中(zhong)間(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)”，它的(de)(de)(de)自旋也為1。有(you)三種(zhong)(zhong)帶(dai)電情況：把帶(dai)有(you)正負單位電荷(he)(he)的(de)(de)(de)中(zhong)間(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)記(ji)為W+、W-，把不(bu)帶(dai)電的(de)(de)(de)中(zhong)間(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)記(ji)為Z。1983年歐(ou)洲核子(zi)研究中(zhong)心的(de)(de)(de)盧比亞和范德(de)梅爾，在質(zhi)子(zi)-反質(zhi)子(zi)對撞機實(shi)驗中(zhong)發現了(le)這三種(zhong)(zhong)中(zhong)間(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)，第二年即獲得諾(nuo)貝爾獎。
在現(xian)(xian)代物理學中(zhong)(zhong)，能(neng)量(liang)(liang)概(gai)念比質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)概(gai)念更具(ju)有(you)核心地位。這(zhe)表現(xian)(xian)在許多方(fang)(fang)面。真正守恒的(de)(de)(de)是能(neng)量(liang)(liang)而非質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。出現(xian)(xian)在各類基本方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)，如統(tong)計(ji)力學的(de)(de)(de)波爾茲曼方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)，量(liang)(liang)子力學的(de)(de)(de)薛定諤方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)和關于引(yin)力的(de)(de)(de)愛因斯(si)坦方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)等(deng)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)也是能(neng)量(liang)(liang)。而質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)似乎更多地與技術(shu)途徑相聯系，例如作為龐(pang)加(jia)萊群不可約表示的(de)(de)(de)符(fu)號。
因此，愛因斯坦方程提出了一(yi)項挑戰。如果能(neng)夠用(yong)能(neng)量來解釋質量，這(zhe)將(jiang)有助(zhu)于改進科學家們對于世(shi)(shi)界的(de)描述(shu)，這(zhe)樣，構建(jian)世(shi)(shi)界所需要的(de)構件(jian)可(ke)能(neng)變得更少。
借助于愛因斯坦定律，我們(men)可(ke)以更(geng)好(hao)地解決(jue)或者回答牛頓所未曾(ceng)解決(jue)的問(wen)題：什么(me)是質量的起源(yuan)？引力與(yu)其他基本(ben)力之間到底有什么(me)關聯？
問題1：如果E=mc2，那(nei)么(me)，質量正(zheng)比(bi)于能量。因此如果能量守恒，是不(bu)是意味著質量也守恒？然(ran)而，愛因斯坦的(de)(de)方程(cheng)只能運用到(dao)靜(jing)止的(de)(de)孤立的(de)(de)物體(ti)上(shang)。一(yi)般來說，兩個物體(ti)相(xiang)互作用時，能量和質量不(bu)成正(zheng)比(bi)。E=mc2根本不(bu)適用。
問(wen)題2：用(yong)無質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)構件(jian)搭建(jian)起來的(de)(de)(de)物(wu)體(ti)如(ru)何(he)感知引(yin)力(li)(li)(li)？牛頓定(ding)律說物(wu)體(ti)受(shou)到的(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)與(yu)質(zhi)量(liang)(liang)成正比，但事實(shi)(shi)上，通常被認為是零質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)光子(zi)(zi)卻(que)會受(shou)到引(yin)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)作用(yong)而發生(sheng)彎曲。這(zhe)是1919年為嚴驗(yan)證(zheng)在(zai)愛因(yin)斯(si)坦(tan)廣義相對(dui)論所(suo)提出(chu)的(de)(de)(de)假設進行的(de)(de)(de)一次科(ke)學實(shi)(shi)觀(guan)測所(suo)證(zheng)實(shi)(shi)了的(de)(de)(de)。那么(me)這(zhe)是否(fou)意味著(zhu)光子(zi)(zi)質(zhi)量(liang)(liang)非(fei)零還是牛頓引(yin)力(li)(li)(li)定(ding)律缺少(shao)普適性？
光(guang)(guang)(guang)的(de)問題是(shi)一(yi)個(ge)值得重視的(de)首要性問題。《圣經·創(chuang)世紀》中(zhong)(zhong)上帝(di)在(zai)造物(wu)的(de)第一(yi)日所(suo)創(chuang)造之物(wu)便是(shi)光(guang)(guang)(guang)，上帝(di)在(zai)圣經中(zhong)(zhong)也多次把光(guang)(guang)(guang)當成自(zi)己的(de)化(hua)身。光(guang)(guang)(guang)是(shi)“所(suo)有(you)事(shi)物(wu)”中(zhong)(zhong)最(zui)重要的(de)元素，當然(ran)它截然(ran)不(bu)同于原子。人們(men)本能地認為光(guang)(guang)(guang)是(shi)與物(wu)質(zhi)完全不(bu)同的(de)另一(yi)類東西，是(shi)非物(wu)質(zhi)的(de)甚至是(shi)精神層面的(de)，這(zhe)很自(zi)然(ran)。
光(guang)也的(de)確表現出完全(quan)不同于可(ke)觸摸物(wu)(wu)質的(de)特性——后者是(shi)(shi)那種(zhong)你(ni)踢一(yi)下就會傷著腳趾頭(tou)或者是(shi)(shi)流過吹過你(ni)身邊(bian)的(de)東西(xi)。如(ru)果你(ni)要跟費恩(en)曼例子(zi)(zi)里的(de)災(zai)后遺民講(jiang)授物(wu)(wu)理學，你(ni)大可(ke)告(gao)(gao)訴(su)他(ta)們，光(guang)是(shi)(shi)物(wu)(wu)質的(de)另一(yi)種(zhong)形(xing)式，他(ta)們也會理解。你(ni)甚至可(ke)以(yi)告(gao)(gao)訴(su)他(ta)們，光(guang)是(shi)(shi)由粒子(zi)(zi)——光(guang)子(zi)(zi)——組成的(de)。光(guang)子(zi)(zi)在(zai)真空中運(yun)(yun)動(dong)速度(du)很(hen)大，但(dan)是(shi)(shi)在(zai)超導狀態(tai)下，光(guang)運(yun)(yun)行的(de)速度(du)很(hen)慢，大體跟目前(qian)世界跑(pao)得最快的(de)奧運(yun)(yun)會短跑(pao)冠軍(jun)的(de)速度(du)相近，而且，光(guang)子(zi)(zi)在(zai)這種(zhong)狀態(tai)下也具有了質量。
其次，值得(de)提及的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)不是(shi)故事(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)結束(shu)，它們(men)(men)(men)是(shi)由(you)更基本的(de)(de)(de)(de)(de)構件組成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。因為所(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質都能發光，所(suo)以我(wo)們(men)(men)(men)可(ke)以假設所(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質都是(shi)由(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)光子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)由(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)和(he)(he)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)很(hen)(hen)小，其大(da)小大(da)約為原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)10萬分之一，但它卻包含所(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)和(he)(he)構成(cheng)(cheng)了(le)幾乎所(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)質量。沿此思路走下去，我(wo)們(men)(men)(men)將很(hen)(hen)快將費(fei)恩曼故事(shi)中災后遺(yi)民引領(ling)到(dao)正(zheng)確理(li)解(jie)科學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學(xue)(xue)和(he)(he)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)道路上來，從而(er)(er)(er)重建(jian)我(wo)們(men)(men)(men)的(de)(de)(de)(de)(de)世界(jie)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)因為原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)和(he)(he)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)性吸引而(er)(er)(er)保持(chi)(chi)穩(wen)定(ding)。最后，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)又由(you)質子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)(cheng)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)卻由(you)另一種(zhong)力來維持(chi)(chi)，這(zhe)(zhe)種(zhong)力要比(bi)電(dian)(dian)性力強(qiang)大(da)很(hen)(hen)多，但作用的(de)(de)(de)(de)(de)距離卻很(hen)(hen)短。這(zhe)(zhe)種(zhong)對于(yu)物(wu)質認識狀態，大(da)約是(shi)1935年前后的(de)(de)(de)(de)(de)情形。而(er)(er)(er)我(wo)們(men)(men)(men)所(suo)了(le)解(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)當然要大(da)大(da)跨(kua)越這(zhe)(zhe)一時期的(de)(de)(de)(de)(de)知(zhi)識水準(zhun)。
1932年，詹姆斯(si)·查德威(wei)克(ke)發(fa)現(xian)了中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)(ge)里程(cheng)碑。在查德威(wei)克(ke)的發(fa)現(xian)之后，理解原子(zi)(zi)(zi)核的道路似(si)(si)乎變(bian)得通暢(chang)了。人們認為原子(zi)(zi)(zi)核的構(gou)件已被(bei)發(fa)現(xian)，它們就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)質子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)。這(zhe)是(shi)兩種重量近似(si)(si)的的粒子(zi)(zi)(zi)，而且(qie)有(you)著類似(si)(si)的強相互作用。質子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)的最明顯的差(cha)別就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)質子(zi)(zi)(zi)帶正電(dian)荷，而中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)呈電(dian)中(zhong)(zhong)(zhong)性。此外，孤立的中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)不穩定(ding)，大約會(hui)在15分鐘的壽命期限內衰變(bian)成一(yi)個(ge)(ge)(ge)質子(zi)(zi)(zi)（加一(yi)個(ge)(ge)(ge)正電(dian)荷和(he)一(yi)個(ge)(ge)(ge)中(zhong)(zhong)(zhong)微子(zi)(zi)(zi)）。將質子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)簡單相加，你就(jiu)(jiu)(jiu)可以(yi)得到不同電(dian)荷數和(he)質量的模型原子(zi)(zi)(zi)核，它與已知原子(zi)(zi)(zi)核基(ji)本相符。
牛(niu)頓在(zai)1704年發表的(de)(de)《光學》一書中，這樣(yang)表述了他對物質的(de)(de)終極(ji)性質的(de)(de)設想：
“在我看來，事實(shi)上可能(neng)是，上帝開始造(zao)物(wu)(wu)的(de)(de)時，將(jiang)物(wu)(wu)質(zhi)做成了結實(shi)、沉(chen)重、堅(jian)(jian)硬(ying)、不可入但可運動(dong)的(de)(de)微粒，其大小、形狀和其它(ta)一些(xie)屬性以及空間上的(de)(de)比例(li)都(dou)恰好有(you)助于他實(shi)現創造(zao)它(ta)們的(de)(de)目的(de)(de)。由于這些(xie)原始微粒是些(xie)固體(ti)，所以它(ta)們比任何由它(ta)們合成的(de)(de)多孔的(de)(de)物(wu)(wu)體(ti)都(dou)要堅(jian)(jian)固得無可比擬。它(ta)們甚至堅(jian)(jian)硬(ying)得永遠(yuan)不會磨(mo)損(sun)或破裂，沒有(you)任何普通的(de)(de)力量能(neng)把(ba)上帝在他第一次創世時他自己造(zao)出來的(de)(de)東西分開。”
物質(zhi)的(de)(de)(de)科學實質(zhi)，其(qi)不可再分(fen)的(de)(de)(de)核心是(shi)(shi)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)。質(zhi)量(liang)(liang)(liang)規定了(le)物質(zhi)反抗(kang)運動的(de)(de)(de)能力，也就是(shi)(shi)它的(de)(de)(de)慣性。質(zhi)量(liang)(liang)(liang)是(shi)(shi)不變的(de)(de)(de)，即具有(you)“保守(shou)(shou)性”。它可以從一個(ge)物體轉移到另(ling)一個(ge)物體，但是(shi)(shi)永遠不會(hui)增生或被(bei)消滅。對于牛頓來(lai)說，質(zhi)量(liang)(liang)(liang)定義了(le)物質(zhi)的(de)(de)(de)多少(shao)。在牛頓物理(li)學中，質(zhi)量(liang)(liang)(liang)提供了(le)力和(he)運動以及引力源(yuan)之間聯系(xi)的(de)(de)(de)橋(qiao)梁。而在拉(la)瓦錫看來(lai)，質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)穩定性及其(qi)精確的(de)(de)(de)守(shou)(shou)恒性，則(ze)構成(cheng)了(le)化(hua)學的(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)和(he)富有(you)成(cheng)果的(de)(de)(de)發現指南。
我(wo)們在化學(xue)的(de)經驗表明，對所有(you)這些復(fu)雜性給予解釋是可能的(de)。也許質子(zi)、中(zhong)子(zi)和其它強子(zi)不是基(ji)本粒子(zi)。它們也許是由性質更為(wei)簡單(dan)的(de)更為(wei)基(ji)本的(de)對象構成。
事實上，如(ru)(ru)果我們針對原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水(shui)平(ping)上做在(zai)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水(shui)平(ping)上做的(de)(de)散射實驗，來研究原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)近距離(li)碰(peng)(peng)撞下會(hui)發生(sheng)什么，我們會(hui)得(de)到(dao)同(tong)樣復雜的(de)(de)結果：重新(xin)分(fen)(fen)(fen)布的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)碎裂而(er)成的(de)(de)類新(xin)型分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或(huo)處(chu)于(yu)激發態的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)自由(you)基），換句(ju)話說，得(de)到(dao)的(de)(de)各種化學反(fan)應。服(fu)從簡(jian)單的(de)(de)力定律的(de)(de)只是(shi)(shi)基本(ben)的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而(er)由(you)多(duo)(duo)個電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組成的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不。而(er)且在(zai)亞原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情形下，質(zhi)(zhi)量(liang)也不守(shou)恒。如(ru)(ru)果你將質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟擊得(de)足(zu)夠致密(mi)，你就會(hui)發現得(de)到(dao)的(de)(de)是(shi)(shi)更(geng)多(duo)(duo)的(de)(de)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有時還會(hui)伴(ban)有其它強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一(yi)個典型的(de)(de)情形是(shi)(shi)，讓兩個高能質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相互碰(peng)(peng)撞，得(de)到(dao)卻是(shi)(shi)3個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一(yi)個反(fan)中子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)若干(gan)個介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)總質(zhi)(zhi)量(liang)會(hui)大于(yu)反(fan)應前兩個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)之和(he)。
光(guang)(guang)(guang)(guang)沒(mei)有(you)質(zhi)(zhi)量。光(guang)(guang)(guang)(guang)不用(yong)推動就(jiu)可(ke)以(yi)產生(sheng)巨(ju)大的速度從光(guang)(guang)(guang)(guang)源傳遞到接受器。光(guang)(guang)(guang)(guang)很容易就(jiu)可(ke)以(yi)產生(sheng)（發射）或湮沒(mei)（被吸(xi)(xi)收(shou)）。光(guang)(guang)(guang)(guang)也不具備引力那樣的拉力。但光(guang)(guang)(guang)(guang)有(you)能量，能輕而易舉地被轉化并儲藏起來，例如(ru)植物(wu)(wu)的葉綠素(su)在光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用(yong)下，可(ke)以(yi)把空氣(qi)中(zhong)的二氧化碳和植物(wu)(wu)根系吸(xi)(xi)收(shou)的水(shui)分、礦物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)轉換成(cheng)多糖、氨基酸或纖維素(su)的化學鍵里。在元素(su)周期(qi)表我們找不到光(guang)(guang)(guang)(guang)的位置(zhi)，而這個(ge)周期(qi)表里分布都(dou)是構(gou)成(cheng)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的各(ge)種構(gou)件。
在(zai)近代(dai)科學誕(dan)生(sheng)前的幾百(bai)年以及誕(dan)生(sheng)后的兩個半世(shi)紀里，實在(zai)分為物(wu)(wu)質和(he)光似乎是不(bu)言自明的。物(wu)(wu)質有(you)質量(liang)(liang)且守恒，光沒有(you)質量(liang)(liang)。如果有(you)質量(liang)(liang)物(wu)(wu)質和(he)無(wu)質量(liang)(liang)的光始終彼此(ci)隔絕(jue)，那么物(wu)(wu)理世(shi)界(jie)就始終無(wu)法(fa)實現統一的描述。
在(zai)20世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)前半(ban)葉(xie)，相(xiang)對論和(he)(he)量子(zi)物(wu)(wu)理學的(de)(de)(de)(de)出現(xian)摧毀了經典物(wu)(wu)理學的(de)(de)(de)(de)基礎。現(xian)存的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)和(he)(he)光的(de)(de)(de)(de)理論幾(ji)同(tong)廢墟(xu)。這一創新(xin)(xin)性的(de)(de)(de)(de)破壞過(guo)程，使得(de)物(wu)(wu)理學家有可(ke)能在(zai)20世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)下半(ban)葉(xie)建造起一個新(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)更深(shen)刻的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)-光理論，它將徹底破除自古以來(lai)對兩者分離的(de)(de)(de)(de)認(ren)識。新(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)理論認(ren)為，世(shi)界是建立在(zai)充滿以太(tai)的(de)(de)(de)(de)多(duo)層級空間基礎上的(de)(de)(de)(de)。這里借用的(de)(de)(de)(de)“以太(tai)”雖(sui)然是十(shi)七世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)哲學家笛卡(ka)爾的(de)(de)(de)(de)概(gai)念，在(zai)十(shi)九世(shi)紀時麥克斯韋則(ze)稱(cheng)之(zhi)為“場”，而(er)在(zai)1970年代中，維爾切克則(ze)將其稱(cheng)之(zhi)為“網格”。
新的(de)(de)世界(jie)模型盡管看起來(lai)有(you)點稀(xi)奇古怪，但卻非常成功而(er)且精確。它為(wei)我們提供了(le)對(dui)普(pu)通物(wu)質質量起源的(de)(de)新認識(shi)。簡單來(lai)說(shuo)，物(wu)質的(de)(de)出現于(yu)相(xiang)對(dui)論(lun)、量子場(chang)論(lun)和(he)(he)色動(dong)力學均有(you)關(guan)系——后者是(shi)研(yan)究支(zhi)配夸克和(he)(he)膠子行(xing)為(wei)特有(you)規律(lv)的(de)(de)學問。如果不(bu)深入了(le)解并熟(shu)悉地運(yun)用(yong)這(zhe)些概念，我們就無(wu)法理解質量的(de)(de)起源。而(er)且迄今(jin)為(wei)止，量子場(chang)論(lun)和(he)(he)色動(dong)力學仍然(ran)是(shi)活躍的(de)(de)研(yan)究領域(yu)，還有(you)許許多多的(de)(de)問題有(you)待解決。
不(bu)久以前(qian)，人們(men)(men)曾經認為普通(tong)物質的(de)基(ji)本構件就是(shi)質子和(he)(he)中子。之后(hou)，科學家(jia)們(men)(men)又發現(xian)，普通(tong)物質的(de)基(ji)本構件——質子和(he)(he)中子——內有些(xie)小東西。這些(xie)小東西叫做夸克和(he)(he)膠子。當然，知道(dao)它(ta)們(men)(men)的(de)名字并不(bu)等于告(gao)訴我們(men)(men)他們(men)(men)是(shi)什(shen)么，正如莎士比亞筆下的(de)羅(luo)密歐所解釋的(de)那樣：
“名字有什么(me)意(yi)義？我們叫做玫瑰的東西(xi)，換個名字，還是一樣的香艷(yan)。”
但是(shi)，如果夸克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)只是(shi)物質內部永無止境的(de)復雜結構的(de)又一(yi)層(ceng)級，那么它們的(de)名字只不(bu)過提供一(yi)種讓人們炫(xuan)耀的(de)非(fei)流行語詞。然(ran)而夸克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)并不(bu)“只是(shi)又一(yi)層(ceng)級”。在膠(jiao)子(zi)本身被發(fa)現(xian)之(zhi)前，人們已經發(fa)現(xian)了描述膠(jiao)子(zi)的(de)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)。1954年楊振寧和(he)羅伯(bo)特·米爾斯(si)(si)發(fa)現(xian)作(zuo)為(wei)(wei)電動力學(xue)的(de)麥克(ke)斯(si)(si)韋(wei)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)自然(ran)數學(xue)推(tui)廣(guang)(guang)的(de)一(yi)類方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)，表明麥克(ke)斯(si)(si)韋(wei)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)的(de)自然(ran)數學(xue)推(tui)廣(guang)(guang)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)支持所有(you)已知荷(he)的(de)對(dui)稱性，而在楊-米爾斯(si)(si)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)基礎上由大衛(wei)·格羅斯(si)(si)和(he)弗(fu)蘭克(ke)·維爾切克(ke)于1973年推(tui)導出了適用于現(xian)實(shi)世(shi)界中(zhong)(zhong)強(qiang)相(xiang)互作(zuo)用膠(jiao)子(zi)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)使用了三種“荷(he)”。出現(xian)在強(qiang)相(xiang)互作(zuo)用理論中(zhong)(zhong)的(de)這三種荷(he)通常稱為(wei)(wei)色荷(he)，或簡稱為(wei)(wei)荷(he)。
在(zai)20世(shi)紀(ji)60年(nian)代初，實驗(yan)者發現了(le)幾(ji)十(shi)種強子(zi)(zi)，它(ta)們的(de)(de)質量(liang)(liang)、壽命和固(gu)有的(de)(de)自(zi)(zi)旋均不相同(tong)。其(qi)中(zhong)，希(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)是(shi)粒(li)(li)子(zi)(zi)物理(li)(li)學(xue)標(biao)(biao)準模(mo)型(xing)預言(yan)的(de)(de)一種自(zi)(zi)旋為零(ling)的(de)(de)玻(bo)色(se)子(zi)(zi)，至今尚(shang)未在(zai)實驗(yan)中(zhong)觀察到。它(ta)也(ye)是(shi)標(biao)(biao)準模(mo)型(xing)中(zhong)最(zui)后(hou)一種未被(bei)發現的(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)。物理(li)(li)學(xue)家希(xi)格(ge)斯提(ti)出了(le)希(xi)格(ge)斯機制(zhi)。在(zai)此機制(zhi)中(zhong)，希(xi)格(ge)斯場引起(qi)自(zi)(zi)發對稱(cheng)性破(po)缺，并(bing)將(jiang)質量(liang)(liang)賦予規范傳(chuan)播子(zi)(zi)和費米子(zi)(zi)。希(xi)格(ge)斯粒(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)希(xi)格(ge)斯場的(de)(de)場量(liang)(liang)子(zi)(zi)化激發，它(ta)通過自(zi)(zi)相互作用(yong)而(er)獲得質量(liang)(liang)。2012年(nian)7月2日(ri)，美國能源部下(xia)屬(shu)的(de)(de)費米國家加(jia)速器實驗(yan)室(shi)宣布，該實驗(yan)室(shi)最(zui)新(xin)(xin)數據接近證明(ming)被(bei)稱(cheng)為“上帝(di)粒(li)(li)子(zi)(zi)”的(de)(de)希(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)。2013年(nian)3月14日(ri)，歐洲核子(zi)(zi)研究組(zu)織發布新(xin)(xin)聞稿表示(shi)，先前探測(ce)到的(de)(de)新(xin)(xin)粒(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)希(xi)格(ge)斯玻(bo)色(se)子(zi)(zi)。
在(zai)粒(li)(li)(li)子(zi)物(wu)理(li)(li)學(xue)(xue)里，標準模(mo)(mo)型(xing)是一(yi)種(zhong)被(bei)廣(guang)泛接受的(de)(de)(de)框架，可以(yi)(yi)描(miao)述(shu)強力(li)、弱力(li)及電磁力(li)這(zhe)三種(zhong)基(ji)本(ben)力(li)及組(zu)成(cheng)所有物(wu)質的(de)(de)(de)基(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子(zi)。由于基(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子(zi)和(he)基(ji)本(ben)力(li)形成(cheng)了物(wu)理(li)(li)世(shi)界，所以(yi)(yi)，除(chu)了引(yin)(yin)力(li)以(yi)(yi)外，標準模(mo)(mo)型(xing)可以(yi)(yi)合理(li)(li)解(jie)釋這(zhe)世(shi)界中的(de)(de)(de)大(da)多(duo)數(shu)物(wu)理(li)(li)現(xian)象。最(zui)初(chu)，標準模(mo)(mo)型(xing)所倚賴的(de)(de)(de)規范場論禁止(zhi)基(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子(zi)擁有質量，這(zhe)很明顯(xian)(xian)地顯(xian)(xian)示出(chu)初(chu)始模(mo)(mo)型(xing)不夠完全。后來(lai)，物(wu)理(li)(li)學(xue)(xue)者(zhe)(zhe)研究(jiu)出(chu)一(yi)種(zhong)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)，能夠利用對稱(cheng)性破缺來(lai)賦予基(ji)本(ben)粒(li)(li)(li)子(zi)質量，同時又不會抵觸到(dao)規范場論。這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)稱(cheng)為(wei)希格斯(si)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)。在(zai)所有解(jie)釋質量起源的(de)(de)(de)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)之中，希格斯(si)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)是最(zui)簡單、最(zui)被(bei)認可的(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)。物(wu)理(li)(li)學(xue)(xue)者(zhe)(zhe)已完成(cheng)了很多(duo)實驗，并(bing)確實偵測到(dao)這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)引(yin)(yin)發的(de)(de)(de)許(xu)多(duo)種(zhong)效應，但是他們不確切了解(jie)這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)到(dao)底是怎么(me)一(yi)回事。
標準模型給出(chu)了自然(ran)界(jie)四種相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)中(zhong)的(de)(de)電磁(ci)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)和弱(ruo)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)的(de)(de)統一描(miao)述，但是在(zai)能(neng)量低于一定(ding)條件后，電磁(ci)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)和弱(ruo)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)將呈現為(wei)不(bu)同(tong)的(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)，這被稱為(wei)電弱(ruo)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作用(yong)的(de)(de)對(dui)稱性自發破缺(que)。希(xi)格斯粒子就是在(zai)標準模型解釋電弱(ruo)對(dui)稱性自發破缺(que)的(de)(de)機制(zhi)時引(yin)入的(de)(de)。
根據標準模型理論，宇(yu)宙空間中的(de)(de)各處，無論是(shi)真(zhen)空中還是(shi)空氣中，甚至是(shi)物質的(de)(de)內(nei)部，都(dou)充滿了希格(ge)斯(si)粒(li)子(zi)（希格(ge)斯(si)場）。希格(ge)斯(si)粒(li)子(zi)被認為(wei)是(shi)生成基(ji)本(ben)粒(li)子(zi)的(de)(de)“質量”之源。雖(sui)然質量總(zong)是(shi)與(yu)“重量”聯系在一起(qi)，但嚴格(ge)說起(qi)來是(shi)不一樣(yang)的(de)(de)。質量應該是(shi)反映“改(gai)變加速度的(de)(de)難易程度”的(de)(de)物理量。
為什么有些(xie)基本(ben)粒子具(ju)有質(zhi)量(liang)，而有些(xie)基本(ben)粒子的(de)質(zhi)量(liang)為零？物理(li)學界仍在(zai)不停的(de)探索(suo)中。而更加令(ling)物理(li)學家們(men)棘(ji)手(shou)的(de)是(shi)，即使(shi)標準模(mo)型理(li)論解(jie)決了除引力外(wai)的(de)另(ling)外(wai)三(san)種基本(ben)力的(de)統一(yi)(yi)問(wen)題(ti)，但引力如何與其(qi)他(ta)三(san)種達到大一(yi)(yi)統的(de)局(ju)面(mian)，仍然缺少一(yi)(yi)些(xie)重要的(de)中間環(huan)節。另(ling)外(wai)，如果愛因斯坦提出的(de)能量(liang)與質(zhi)量(liang)交換方程(cheng)是(shi)普適而有效(xiao)的(de)，那么，質(zhi)量(liang)是(shi)否(fou)源于(yu)能量(liang)的(de)凝聚(ju)呢？
我們知道，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)中的(de)(de)(de)(de)(de)電子(zi)(zi)可(ke)以有不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)軌道形狀，其(qi)自旋可(ke)有不同(tong)取向，因此(ci)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)可(ke)有許多不同(tong)能態(tai)(tai)。對這(zhe)些可(ke)能的(de)(de)(de)(de)(de)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)研究是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)研究的(de)(de)(de)(de)(de)重要內(nei)容。我們常用(yong)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)來揭示各(ge)種不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)態(tai)(tai)是(shi)由什(shen)么決定的(de)(de)(de)(de)(de)，來設計激光(guang)器以及(ji)許多其(qi)它事情。由于原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)重要性以及(ji)它與夸克模型有千絲萬縷的(de)(de)(de)(de)(de)聯系，因此(ci)我們得首先花點(dian)時間來說說光(guang)譜(pu)。
像火焰(yan)或者恒星大氣(qi)這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)熱氣(qi)體中(zhong)就包含處于不同(tong)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。即使(shi)是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核相(xiang)同(tong)、電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)數(shu)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，其(qi)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)仍然(ran)可有不同(tong)軌道(dao)或不同(tong)自旋取向(xiang)。這(zhe)(zhe)些(xie)態(tai)(tai)有不同(tong)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)。高(gao)能(neng)(neng)態(tai)(tai)可衰(shuai)變到底能(neng)(neng)態(tai)(tai)并發(fa)(fa)光(guang)。由于能(neng)(neng)量(liang)總體上是(shi)守恒的(de)(de)(de)(de)，因此發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)可通(tong)(tong)過其(qi)顏(yan)色(se)來獲知(zhi)，這(zhe)(zhe)個能(neng)(neng)量(liang)反映了初(chu)態(tai)(tai)和終(zhong)態(tai)(tai)之間的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)差。每一(yi)種(zhong)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)(de)光(guang)都有一(yi)套特征顏(yan)色(se)分布。氫原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)(de)光(guang)是(shi)一(yi)組顏(yan)色(se)條紋，氦原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)(fa)射的(de)(de)(de)(de)光(guang)澤是(shi)完全不同(tong)的(de)(de)(de)(de)另一(yi)組顏(yan)色(se)條紋，等(deng)等(deng)。物理學家和化學家將這(zhe)(zhe)種(zhong)顏(yan)色(se)分布成(cheng)為原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)頻(pin)譜。原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)譜起著標識該(gai)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)特征的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用，可以用來識別(bie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。當(dang)你讓光(guang)線通(tong)(tong)過棱(leng)鏡(jing)從而使(shi)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)分開(kai)時(shi)，得到的(de)(de)(de)(de)譜就相(xiang)當(dang)于一(yi)套條碼。
原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光(guang)譜在構建(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)內部結構模型方(fang)面曾經給(gei)予(yu)我們(men)很多(duo)(duo)具(ju)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)指向。以此為(wei)基礎，我們(men)再回(hui)到(dao)夸克(ke)(ke)(ke)模型上(shang)來。同(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)想經過改造后再亞原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層面上(shang)依(yi)然有(you)效。在原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層面上(shang)，電(dian)子(zi)(zi)(zi)兩(liang)個(ge)態(tai)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)差相對(dui)較(jiao)小，這(zhe)個(ge)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)差從原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)總質量(liang)(liang)(liang)來看顯得微不足道(dao)。夸克(ke)(ke)(ke)模型的(de)(de)(de)(de)(de)核心(xin)思想是，夸克(ke)(ke)(ke)“原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)”即強子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)態(tai)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)差非常之大，它們(men)對(dui)確(que)定強子(zi)(zi)(zi)質量(liang)(liang)(liang)起著重(zhong)要作用(yong)。根據愛因斯(si)坦能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)質量(liang)(liang)(liang)交(jiao)換(huan)公式推(tui)導(dao)出的(de)(de)(de)(de)(de)m=E/c2，我們(men)可(ke)以將(jiang)不同(tong)質量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)理(li)(li)解(jie)為(wei)不同(tong)軌道(dao)模式——即不同(tong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態(tai)——的(de)(de)(de)(de)(de)夸克(ke)(ke)(ke)系統具(ju)有(you)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)。質言(yan)之，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光(guang)譜是供看的(de)(de)(de)(de)(de)，強子(zi)(zi)(zi)譜澤是供稱量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)。利用(yong)這(zhe)一原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)(li)，蓋爾曼和茨威格證明了，人們(men)可(ke)以將(jiang)觀測到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)許(xu)多(duo)(duo)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)解(jie)釋為(wei)幾個(ge)基本夸克(ke)(ke)(ke)“夸克(ke)(ke)(ke)”的(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)態(tai)。
然而(er)，難(nan)以置(zhi)信的是，盡管(guan)科學家們都非常渴望找(zhao)到(dao)單一(yi)(yi)的夸(kua)克粒子(zi)，結果卻屢屢失敗(bai)。迄今為(wei)止(zhi)，人們沒有觀測到(dao)任何粒子(zi)具有單一(yi)(yi)夸(kua)克的特性。如同發明(ming)永動機的失敗(bai)一(yi)(yi)樣(yang)，尋找(zhao)單個夸(kua)克的失敗(bai)已(yi)經升格為(wei)一(yi)(yi)條原理：夸(kua)克禁(jin)閉原理。
當(dang)物理學家試圖用(yong)夸克(ke)來充(chong)實介子和重子的(de)(de)內(nei)部結構模型，以便可以說明它(ta)們(men)(men)的(de)(de)質量時，更大(da)的(de)(de)困難出現(xian)了。即使是(shi)在(zai)(zai)最成功的(de)(de)模型里(li)，情況似(si)乎總是(shi)，當(dang)夸克(ke)（或反夸克(ke)）彼(bi)此(ci)靠近(jin)時，它(ta)們(men)(men)幾(ji)乎從不注意(yi)到(dao)對(dui)方的(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)。夸克(ke)之間(jian)的(de)(de)相互作用(yong)力(li)是(shi)如(ru)此(ci)微弱，人們(men)(men)很難將它(ta)與(yu)無法發(fa)現(xian)獨立夸克(ke)的(de)(de)事實調和起來。如(ru)果(guo)夸克(ke)彼(bi)此(ci)接(jie)近(jin)時不在(zai)(zai)乎對(dui)方的(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，那它(ta)們(men)(men)彼(bi)此(ci)遠離后為(wei)什么不可以單(dan)獨存(cun)在(zai)(zai)呢？
這里(li)可能(neng)出現了一種以(yi)前(qian)(qian)從未(wei)有(you)(you)過的隨距(ju)離增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da)的基本力(li)。最初的夸(kua)克(ke)模型(xing)沒(mei)有(you)(you)給出描(miao)述夸(kua)克(ke)之間力(li)的精確方(fang)程。在(zai)一方(fang)面，夸(kua)克(ke)模型(xing)頗有(you)(you)些(xie)類似于前(qian)(qian)牛頓的太(tai)陽系模型(xing)，或者(zhe)前(qian)(qian)薛定諤(e)/前(qian)(qian)玻爾原子模型(xing)。許多物理(li)學家，包(bao)括(kuo)蓋爾曼本人，認(ren)為(wei)夸(kua)克(ke)只(zhi)是(shi)一個可以(yi)成為(wei)自然界(jie)數(shu)學描(miao)述里(li)的有(you)(you)用的工(gong)具，而不是(shi)真正意義上(shang)的實(shi)在(zai)的元素。
我們知(zhi)道，質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)內部的(de)物質(zhi)(zhi)運動極快。在斯(si)坦福直線加速(su)器中心，科學(xue)家實際上是(shi)采(cai)用電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)來轟擊質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)，然后觀測兩(liang)者碰撞(zhuang)后出射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)行為(wei)。出射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)能(neng)(neng)量和(he)動量比碰撞(zhuang)前要少。由于能(neng)(neng)量和(he)動量整體上是(shi)守恒的(de)，因此(ci)(ci)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)失去(qu)的(de)能(neng)(neng)量可能(neng)(neng)是(shi)被(bei)虛光子(zi)(zi)(zi)帶走，并轉(zhuan)交給質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)。這往往導致質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)經復雜(za)過程而(er)被(bei)打(da)破，由此(ci)(ci)導致了一種新(xin)的(de)實驗方法，只追蹤電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，即只關注能(neng)(neng)量和(he)動量流。
量子(zi)(zi)(zi)理(li)論允(yun)許我們調和關于(yu)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)是(shi)什(shen)么(me)的(de)(de)(de)(de)(de)兩個(ge)看似矛盾的(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念。一(yi)(yi)方面，質(zhi)子(zi)(zi)(zi)內部是(shi)動態的(de)(de)(de)(de)(de)，里面的(de)(de)(de)(de)(de)事情在(zai)不(bu)斷變(bian)化、運(yun)動著。另一(yi)(yi)方面，所(suo)有質(zhi)子(zi)(zi)(zi)隨(sui)時隨(sui)地都表(biao)現出完(wan)全(quan)相同的(de)(de)(de)(de)(de)行為，也就是(shi)說(shuo)，每一(yi)(yi)個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)均(jun)給出相同概(gai)率(lv)。如果質(zhi)子(zi)(zi)(zi)在(zai)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)時間里表(biao)現不(bu)一(yi)(yi)，所(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)怎(zen)么(me)可(ke)能表(biao)現完(wan)全(quan)相同的(de)(de)(de)(de)(de)行為？一(yi)(yi)個(ge)簡單而直觀(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)解釋是(shi)，雖(sui)然每一(yi)(yi)個(ge)體概(gai)率(lv)在(zai)演化，但整體概(gai)率(lv)分(fen)布卻保持不(bu)變(bian)。這就像(xiang)一(yi)(yi)條平緩但在(zai)流動的(de)(de)(de)(de)(de)大河(he)，即使每一(yi)(yi)個(ge)滴水(shui)都在(zai)向前流淌，但整個(ge)河(he)流看上(shang)去卻并無變(bian)化。
在微觀(guan)尺度上(shang)大(da)量(liang)的粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)都(dou)很(hen)難(nan)被捕捉到(dao)。科學家(jia)們(men)把(ba)它們(men)叫(jiao)做粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)（或者把(ba)反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)叫(jiao)做虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)）。這些虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)出現和(he)(he)消失都(dou)很(hen)快，但也跑(pao)不了多遠(yuan)。科學家(jia)們(men)只能(neng)在極短時超高分(fen)辨(bian)率的抓拍中和(he)(he)它們(men)偶(ou)遇。在任(ren)何通(tong)常意義下人們(men)都(dou)無法見到(dao)它們(men)，除非我們(men)能(neng)提供所需的能(neng)量(liang)和(he)(he)動(dong)量(liang)來促使它們(men)產生。但即便如此，我們(men)看到(dao)的也不是原來未受干擾(rao)的虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)——即自發(fa)產生和(he)(he)消失的那種粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)。
現代(dai)生物醫(yi)學告訴我(wo)(wo)們，只有(you)借(jie)助(zhu)于更(geng)復雜的生物體（宿主），病毒才可以存活。虛(xu)粒(li)子則遠(yuan)為脆弱，因(yin)為它們需要外(wai)部幫助(zhu)才能存在(zai)。盡(jin)管(guan)如此，它們卻在(zai)量子力學方程里，而且根據這些方程，虛(xu)粒(li)子會影響到我(wo)(wo)們看得見的粒(li)子的行為。
虛粒子總是成群地處于高速(su)運動的狀態(tai)(tai)中。物理學家將其稱之為(wei)虛空空間(jian)中的實體成為(wei)一種動態(tai)(tai)介質。由(you)于虛粒子的行為(wei)，正(zheng)電(dian)荷(he)(he)會(hui)被部分屏(ping)蔽。也(ye)就(jiu)(jiu)(jiu)是說，正(zheng)電(dian)荷(he)(he)周圍往往因為(wei)異性相吸(xi)引而裹著(zhu)一層補償性的負(fu)(fu)電(dian)荷(he)(he)。從遠處看(kan)，我們感覺不到正(zheng)電(dian)荷(he)(he)的全(quan)部靜電(dian)力，因為(wei)有(you)部分被周圍的負(fu)(fu)電(dian)荷(he)(he)抵消了(le)。換句話說，你越(yue)(yue)是接近(jin)電(dian)荷(he)(he)有(you)效電(dian)荷(he)(he)就(jiu)(jiu)(jiu)會(hui)越(yue)(yue)多；你越(yue)(yue)是遠離電(dian)荷(he)(he)，它就(jiu)(jiu)(jiu)顯(xian)得越(yue)(yue)小。
在(zai)夸(kua)克(ke)(ke)(ke)模型里(li)我(wo)們(men)正好得(de)出相(xiang)(xiang)反的(de)行為。假定夸(kua)克(ke)(ke)(ke)模型里(li)的(de)夸(kua)克(ke)(ke)(ke)在(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)靠近時(shi)(shi)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用很弱，但如果它們(men)的(de)有效(xiao)電荷在(zai)鄰近區域達到最大(da)值時(shi)(shi)，我(wo)們(men)得(de)到的(de)只是相(xiang)(xiang)反的(de)結果。這(zhe)時(shi)(shi)它們(men)彼此間的(de)距離越(yue)小，相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用就會(hui)越(yue)強烈(lie)；相(xiang)(xiang)距越(yue)遠，其電荷被屏蔽得(de)越(yue)明顯(xian)，因而相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用也就越(yue)弱。
量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動(dong)力學(xue)(xue)(xue)起源于1927年保羅(luo)·狄(di)(di)(di)拉(la)克將量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)理(li)論應(ying)用(yong)(yong)于電(dian)磁場(chang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究工作。他將電(dian)荷和(he)電(dian)磁場(chang)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)處理(li)為引(yin)起能(neng)級(ji)躍遷的(de)(de)(de)(de)微擾，能(neng)級(ji)躍遷造成了(le)(le)發(fa)(fa)射光子(zi)(zi)(zi)數(shu)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)，但(dan)總體上系統滿足能(neng)量(liang)(liang)(liang)和(he)動(dong)量(liang)(liang)(liang)守恒。狄(di)(di)(di)拉(la)克成功地(di)從(cong)第一(yi)性原理(li)導出了(le)(le)愛因(yin)斯坦系數(shu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式，并證明了(le)(le)光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)玻色-愛因(yin)斯坦統計是(shi)電(dian)磁場(chang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)自然結果。人們發(fa)(fa)現，能(neng)夠精(jing)確描述這類過(guo)程是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動(dong)力學(xue)(xue)(xue)最重要的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)之一(yi)。另一(yi)方(fang)(fang)面，狄(di)(di)(di)拉(la)克所(suo)發(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對論量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)(xue)是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動(dong)力學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)前奏，狄(di)(di)(di)拉(la)克方(fang)(fang)程作為狹義相(xiang)(xiang)對論框架下量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)基本方(fang)(fang)程，所(suo)描述的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)等費米(mi)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)旋量(liang)(liang)(liang)場(chang)的(de)(de)(de)(de)正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)是(shi)由匈牙利-美國物理(li)學(xue)(xue)(xue)家尤金·維格納和(he)約爾當完成的(de)(de)(de)(de)。狄(di)(di)(di)拉(la)克方(fang)(fang)程所(suo)預言(yan)的(de)(de)(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)產生和(he)湮(yin)滅過(guo)程能(neng)用(yong)(yong)正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)語(yu)言(yan)重新加以描述。
靜態夸克(ke)模型(xing)建立之后，在重(zhong)子質量(liang)譜和(he)重(zhong)子磁矩方面取(qu)得了巨大成(cheng)功。但是，某(mou)(mou)些由一種(zhong)夸克(ke)組成(cheng)的粒子的存在，與物理(li)學的基本假設(she)廣義泡(pao)利原理(li)矛盾。為(wei)解決這(zhe)個(ge)問題，物理(li)學家引(yin)入了顏色(se)自由度，并且(qie)顏色(se)最(zui)少有3種(zhong)。這(zhe)個(ge)時候(hou)顏色(se)還只(zhi)是引(yin)入的某(mou)(mou)種(zhong)量(liang)子數，并沒有被(bei)認(ren)為(wei)是動力(li)學自由度。
經歷了十年左右的(de)(de)各種實(shi)(shi)驗，都(dou)沒有在(zai)靜態夸克模型(xing)中發(fa)現分數(shu)電(dian)荷(he)的(de)(de)自旋1/2的(de)(de)夸克存在(zai)，物理學家被迫接受了夸克是禁閉在(zai)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)內部(bu)的(de)(de)現實(shi)(shi)。然而，美國的(de)(de)斯坦福直線加速器中心SLAC在(zai)七十年代初進行了一系列的(de)(de)輕強(qiang)子(zi)(zi)(zi)深度非彈性(xing)散射實(shi)(shi)驗，發(fa)現強(qiang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)結構函數(shu)具有比約肯無標度性(xing)(Bjorken Scaling)。為解釋這個令人驚(jing)奇(qi)的(de)(de)結果，費曼(man)由(you)(you)此提出(chu)了部(bu)分子(zi)(zi)(zi)模型(xing)，假設強(qiang)子(zi)(zi)(zi)是由(you)(you)一簇(cu)自由(you)(you)的(de)(de)沒有相互作用的(de)(de)部(bu)分子(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)，就可以(yi)自然的(de)(de)解釋比約肯無標度性(xing)(Bjorken Scaling)。更細致的(de)(de)研究確認(ren)了部(bu)分子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)自旋為1/2，并且具有分數(shu)電(dian)荷(he)。
部分(fen)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型(xing)和(he)(he)靜態夸克(ke)模(mo)(mo)型(xing)都取(qu)得了巨大成功(gong)，但是兩個模(mo)(mo)型(xing)對強(qiang)子(zi)(zi)結構的(de)(de)描(miao)述有嚴重(zhong)的(de)(de)沖突，具(ju)體來講就(jiu)是夸克(ke)禁(jin)閉與(yu)部分(fen)子(zi)(zi)無相(xiang)互作(zuo)用之間的(de)(de)沖突。這個問(wen)題的(de)(de)真正(zheng)解決要等到漸近自(zi)(zi)由(you)的(de)(de)發現。格婁斯，維爾切克(ke)和(he)(he)休·波利策的(de)(de)計算表明，非阿貝爾規范場(chang)論中夸克(ke)相(xiang)互作(zuo)用強(qiang)度(du)隨(sui)能標的(de)(de)增加而減弱，部分(fen)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)成功(gong)正(zheng)預示著(zhu)存在SU（N）的(de)(de)規范相(xiang)互作(zuo)用，N自(zi)(zi)然的(de)(de)就(jiu)解釋為原先夸克(ke)模(mo)(mo)型(xing)中引入的(de)(de)新自(zi)(zi)由(you)度(du)--顏色。
色(se)(se)(se)荷(he)概念的(de)引入和(he)部分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)應(ying)用實在量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電動(dong)(dong)力(li)學(xue)基礎的(de)物理(li)學(xue)的(de)突破進展(zhan)。物理(li)學(xue)家們將(jiang)這(zhe)種(zhong)新的(de)理(li)論(lun)稱之(zhi)為量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)色(se)(se)(se)動(dong)(dong)力(li)學(xue)。兩者之(zhi)間(jian)雖然有諸多(duo)相似之(zhi)處(chu)，但還是(shi)(shi)有如一(yi)(yi)些重要的(de)區別：首先是(shi)(shi)膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對色(se)(se)(se)荷(he)的(de)響應(ying)——由量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)色(se)(se)(se)動(dong)(dong)力(li)學(xue)耦合常數衡量(liang)(liang)(liang)——要遠遠強(qiang)于光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對電荷(he)的(de)響應(ying)。其(qi)次是(shi)(shi)膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)可(ke)以(yi)一(yi)(yi)種(zhong)色(se)(se)(se)荷(he)變換(huan)成另一(yi)(yi)種(zhong)色(se)(se)(se)荷(he)。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電動(dong)(dong)力(li)學(xue)和(he)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)色(se)(se)(se)動(dong)(dong)力(li)學(xue)的(de)第三個重要的(de)區別來自于上述第二個區別的(de)結果。由于膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對色(se)(se)(se)荷(he)的(de)存(cun)在和(he)運(yun)動(dong)(dong)做出(chu)響應(ying)，而(er)且膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)攜帶不平(ping)衡的(de)色(se)(se)(se)荷(he)，因此膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)可(ke)以(yi)直接(jie)對另一(yi)(yi)個膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)做出(chu)響應(ying)。這(zhe)與光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)情形正好相反。
相比(bi)之下，光(guang)子(zi)是電(dian)中性(xing)的(de)(de)。它們相互(hu)之間完(wan)全不存在激(ji)烈的(de)(de)相互(hu)作用。因(yin)此這些差異使得量(liang)子(zi)色動力(li)學的(de)(de)計(ji)算結果(guo)要比(bi)得到量(liang)子(zi)電(dian)動力(li)學的(de)(de)計(ji)算結果(guo)更為困(kun)難。而且，由(you)于存在導致色流動的(de)(de)各種(zhong)可能性(xing)以及(ji)更多種(zhong)類(lei)的(de)(de)節(jie)點(dian)，在做這類(lei)計(ji)算時，科(ke)學家們又引入漸(jian)近(jin)自由(you)概念(nian)。通(tong)(tong)過(guo)引入漸(jian)近(jin)自由(you)，像噴注的(de)(de)能量(liang)和動量(liang)的(de)(de)整體流動，都可以通(tong)(tong)過(guo)計(ji)算得到確(que)定。
關于世界是(shi)由什么構(gou)成的(de)(de)哲學(xue)和(he)科(ke)學(xue)思考一直都在變化。許(xu)多枝(zhi)節性問題(ti)仍然保留在今天(tian)最好的(de)(de)世界模型(xing)和(he)一些(xie)大(da)的(de)(de)謎團里。顯然要下結論還(huan)為時尚早。
就(jiu)自(zi)然哲學而(er)言，我們從量子(zi)色動力學和漸近自(zi)由(you)中得到的(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)認(ren)識(shi)是，在(zai)我們認(ren)為是虛空空間的(de)(de)(de)地(di)方實(shi)(shi)際上充滿了(le)活躍(yue)的(de)(de)(de)媒介，其活動鑄就(jiu)了(le)這(zhe)個世(shi)界。雖(sui)然早在(zai)大約(yue)2000年前(qian)(qian)成書(shu)的(de)(de)(de)大乘(cheng)佛教的(de)(de)(de)典籍《金(jin)剛經》就(jiu)曾指(zhi)出“色即是空，空即是色”，而(er)今現代物(wu)理學的(de)(de)(de)其它發(fa)展(zhan)強(qiang)化并充實(shi)(shi)了(le)這(zhe)種認(ren)識(shi)。以(yi)后(hou)，當我們探索當前(qian)(qian)知識(shi)的(de)(de)(de)前(qian)(qian)沿時，我們將看到“虛空”空間概念是怎樣一種豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)動力學媒介，它推動著(zhu)我們不斷思(si)考如何(he)去實(shi)(shi)現力的(de)(de)(de)統一。
其實，關于空(kong)間虛無(wu)性(xing)的(de)(de)(de)爭論(lun)可以(yi)追(zhui)溯到現(xian)代科學的(de)(de)(de)前史，至少可以(yi)追(zhui)溯到古(gu)希臘時期。亞里(li)士(shi)多德(de)曾經這樣(yang)寫道：“自然(ran)界厭惡(e)真空(kong)”，而他的(de)(de)(de)對手原子(zi)論(lun)者(zhe)們則認為，用(yong)古(gu)羅(luo)馬詩人(ren)盧克萊(lai)修的(de)(de)(de)話來說，就是“整個(ge)自然(ran)，作為自足的(de)(de)(de)實在，都是由兩(liang)件(jian)東西組成的(de)(de)(de)：物體和(he)虛空(kong)，它們賴以(yi)建立，并在其中運動(dong)。”
這種(zhong)思辨性(xing)爭論(lun)在(zai)現(xian)代科(ke)(ke)學(xue)的(de)(de)(de)黎明——17世紀的(de)(de)(de)科(ke)(ke)學(xue)革命——得到回(hui)響。笛卡爾(er)提出，對自然世界進行科(ke)(ke)學(xue)描(miao)述的(de)(de)(de)基(ji)礎應建立在(zai)他所謂的(de)(de)(de)基(ji)本性(xing)質之上：廣延和運動。物質除了(le)這兩(liang)點再沒有其他屬性(xing)。他的(de)(de)(de)一個(ge)重要結(jie)論(lun)是：某一物質對另一物質的(de)(de)(de)影響唯有通過(guo)接觸才能發生。因此為了(le)描(miao)述諸(zhu)如行星(xing)(xing)的(de)(de)(de)運動，笛卡爾(er)不(bu)得不(bu)引(yin)入無形空間的(de)(de)(de)概(gai)念(nian)——其中(zhong)充滿了(le)不(bu)可(ke)見物質。他設(she)想空間是一種(zhong)復雜的(de)(de)(de)充滿漩渦(wo)的(de)(de)(de)海洋(yang)，行星(xing)(xing)就在(zai)其中(zhong)沖浪(lang)。
牛(niu)頓用他精確制定的(de)(de)(de)(de)、成功的(de)(de)(de)(de)行(xing)星(xing)運動(dong)數學方(fang)程，用他的(de)(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)定律，揭示了所(suo)有(you)這些(xie)潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)復雜性(xing)。但是牛(niu)頓的(de)(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)定律并(bing)(bing)不(bu)(bu)適應于(yu)笛卡爾(er)的(de)(de)(de)(de)框架。前者假設物體(ti)間(jian)的(de)(de)(de)(de)相互作用可以(yi)通過(guo)一(yi)定距離(li)來(lai)進行(xing)，不(bu)(bu)必一(yi)定要通過(guo)接觸。例如，根據牛(niu)頓定律，太陽即使不(bu)(bu)跟地球接觸，也可以(yi)對(dui)(dui)地球施加引(yin)力(li)作用。盡(jin)管他的(de)(de)(de)(de)方(fang)程為說(shuo)明(ming)行(xing)星(xing)運動(dong)提供了一(yi)個(ge)詳細解釋，但牛(niu)頓本人對(dui)(dui)這種超(chao)距作用并(bing)(bing)不(bu)(bu)滿(man)意(yi)。牛(niu)頓在(zai)1693年2月25日寫(xie)給本特利的(de)(de)(de)(de)信中這樣說(shuo)道(dao)：“一(yi)個(ge)物體(ti)可以(yi)不(bu)(bu)借助任何其他東(dong)西(xi)穿越(yue)虛空距離(li)而作用于(yu)另一(yi)個(ge)物體(ti)，物體(ti)通過(guo)虛空進行(xing)彼此間(jian)作用和力(li)的(de)(de)(de)(de)傳遞，這對(dui)(dui)我(wo)來(lai)說(shuo)是很(hen)荒謬的(de)(de)(de)(de)。我(wo)相信，任何有(you)足(zu)夠(gou)哲學思維能力(li)的(de)(de)(de)(de)人都(dou)不(bu)(bu)會沉溺于(yu)此。”
牛頓的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)發(fa)表過(guo)(guo)后大約一(yi)(yi)(yi)個半世紀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間里，數學家們幾乎不(bu)(bu)(bu)(bu)曾對此提出過(guo)(guo)任何質疑，但詹姆斯(si)·克(ke)拉克(ke)·麥克(ke)斯(si)韋卻(que)發(fa)現這樣(yang)導出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)不(bu)(bu)(bu)(bu)協調。1861年，麥克(ke)斯(si)韋發(fa)現，他可以(yi)通過(guo)(guo)在(zai)方(fang)程(cheng)中引(yin)入額外的(de)(de)(de)(de)(de)(de)項來消除(chu)這種不(bu)(bu)(bu)(bu)一(yi)(yi)(yi)致性(xing)，換言之，就是假定還存在(zai)著一(yi)(yi)(yi)種新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物理效應。而邁(mai)克(ke)爾(er)·法拉第此前早就發(fa)現，當(dang)磁場(chang)隨時(shi)間變(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)時(shi)，它們產(chan)生電場(chang)。麥克(ke)斯(si)韋為了(le)(le)(le)解決方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)洽性(xing)，不(bu)(bu)(bu)(bu)得不(bu)(bu)(bu)(bu)假設(she)存在(zai)相反的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效應：變(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁場(chang)產(chan)生電場(chang)。有了(le)(le)(le)這一(yi)(yi)(yi)添加物，場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念得到(dao)了(le)(le)(le)更(geng)(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)認可和(he)驗證：變(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電場(chang)產(chan)生變(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁場(chang)，后者(zhe)反過(guo)(guo)來再產(chan)生變(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電場(chang)，如此便形(xing)成了(le)(le)(le)每一(yi)(yi)(yi)種自(zi)我更(geng)(geng)新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)循環。
麥克(ke)(ke)斯韋(wei)發現，他的(de)新(xin)方程(cheng)組，即廣為(wei)人知的(de)麥克(ke)(ke)斯韋(wei)方程(cheng)組，具有純(chun)場解(jie)決方案，即場以(yi)光速在空間運動。這一綜(zong)合的(de)頂峰便是他得出的(de)結論(lun)：這些電場和磁場里自我(wo)更(geng)新(xin)的(de)擾動就是光——一個(ge)有待經受時間考驗(yan)的(de)結論(lun)。對(dui)麥克(ke)(ke)斯韋(wei)來說，這些充(chong)滿(man)所有空間并(bing)可以(yi)自己維(wei)持生活的(de)場正是上帝榮耀的(de)一個(ge)明確標志：
“廣寬的(de)(de)(de)(de)行(xing)星際和(he)星際區域將(jiang)不再(zai)被視(shi)為宇宙(zhou)中(zhong)無用的(de)(de)(de)(de)場合，人們(men)不再(zai)認為造物(wu)主還沒(mei)(mei)在(zai)他的(de)(de)(de)(de)王國(guo)里(li)找到(dao)合適的(de)(de)(de)(de)、具有多重象征(zheng)的(de)(de)(de)(de)東(dong)西來填補其(qi)中(zhong)。我們(men)將(jiang)發現，這些場所已經充滿了這種神(shen)奇的(de)(de)(de)(de)介質。它們(men)是如此豐盈(ying)，人類(lei)沒(mei)(mei)有任何(he)力量(liang)可(ke)以將(jiang)其(qi)從哪怕(pa)是最小的(de)(de)(de)(de)空間上移去，或(huo)在(zai)其(qi)無窮(qiong)的(de)(de)(de)(de)連續體上留下哪怕(pa)最輕微的(de)(de)(de)(de)缺損。”
愛因斯坦(tan)對以太(tai)的(de)(de)(de)(de)認識是復(fu)雜而且多變。在(zai)1905年發(fa)表(biao)的(de)(de)(de)(de)《論動體的(de)(de)(de)(de)電(dian)動力學》中(zhong)這樣寫道：“引(yin)入‘光以太(tai)’將被證明(ming)是多余的(de)(de)(de)(de)，因為按照所要(yao)(yao)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)見解，即不需要(yao)(yao)引(yin)入一個具(ju)有特殊性質的(de)(de)(de)(de)‘絕對靜止空(kong)間’，也不需要(yao)(yao)給發(fa)生(sheng)電(dian)磁過(guo)程的(de)(de)(de)(de)真空(kong)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)每一點規定一個速度矢量。”
愛因斯(si)坦的(de)這一(yi)強有(you)力的(de)宣示曾經讓很多(duo)物理(li)(li)(li)(li)(li)學(xue)家(jia)困(kun)惑不已。在(zai)1905年(nian)時，物理(li)(li)(li)(li)(li)學(xue)界面臨的(de)問題不是(shi)沒有(you)相(xiang)對性(xing)理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)，而(er)是(shi)有(you)兩個(ge)(ge)相(xiang)互(hu)矛盾(dun)的(de)相(xiang)對性(xing)理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)。一(yi)方(fang)(fang)(fang)(fang)面是(shi)力學(xue)的(de)相(xiang)對性(xing)理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)服從牛頓方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)。另一(yi)方(fang)(fang)(fang)(fang)面是(shi)電(dian)磁的(de)相(xiang)對性(xing)理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)，服從麥克(ke)斯(si)韋(wei)(wei)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)組(zu)。進一(yi)步的(de)研(yan)究發現，需要(yao)調整的(de)不是(shi)新生的(de)電(dian)磁理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)，而(er)是(shi)古老的(de)牛頓力學(xue)理(li)(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)。在(zai)狹(xia)義相(xiang)對論(lun)(lun)里，麥克(ke)斯(si)韋(wei)(wei)場(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)無需修改；相(xiang)反，它們提供了(le)狹(xia)義相(xiang)對論(lun)(lun)的(de)基礎。事實上，狹(xia)義相(xiang)對論(lun)(lun)的(de)思想幾乎要(yao)求充滿空間的(de)場(chang)，也正是(shi)在(zai)這個(ge)(ge)意義上解釋了(le)它們為什么存(cun)在(zai)的(de)理(li)(li)(li)(li)(li)由。
早在1899年(nian)，德國人普(pu)(pu)朗克(ke)提(ti)出了(le)第(di)一個(ge)最終發展成為(wei)量(liang)子(zi)力學的(de)(de)(de)第(di)一個(ge)概念。普(pu)(pu)朗克(ke)提(ti)出，原(yuan)(yuan)子(zi)可以(yi)(yi)與電(dian)磁場交換能量(liang)，也就(jiu)是(shi)說(shuo)，可以(yi)(yi)發射和(he)吸(xi)收(shou)電(dian)磁輻射，譬(pi)如光(guang)，但(dan)(dan)只能以(yi)(yi)離散(san)的(de)(de)(de)單(dan)位(wei)量(liang)的(de)(de)(de)形(xing)式，或(huo)者說(shuo)以(yi)(yi)量(liang)子(zi)的(de)(de)(de)形(xing)式進行(xing)。但(dan)(dan)普(pu)(pu)朗克(ke)的(de)(de)(de)概念愛因斯(si)坦(tan)不甚滿意，他假設，不僅原(yuan)(yuan)子(zi)發射和(he)吸(xi)收(shou)光(guang)（和(he)一般的(de)(de)(de)電(dian)磁輻射）是(shi)以(yi)(yi)離散(san)單(dan)位(wei)進行(xing)的(de)(de)(de)，而且光(guang)本身就(jiu)是(shi)以(yi)(yi)離散(san)的(de)(de)(de)能量(liang)單(dan)位(wei)出現(xian)的(de)(de)(de)，并且帶(dai)著離散(san)單(dan)位(wei)動(dong)量(liang)傳播。有(you)(you)了(le)這(zhe)些擴張，愛因斯(si)坦(tan)能夠解釋更(geng)多的(de)(de)(de)事實，并預言(yan)了(le)新(xin)的(de)(de)(de)現(xian)象——其中就(jiu)包括(kuo)他于(yu)1921年(nian)獲得諾貝爾物(wu)理學獎的(de)(de)(de)主要工作即有(you)(you)關光(guang)電(dian)效應的(de)(de)(de)預言(yan)。但(dan)(dan)愛因斯(si)坦(tan)明(ming)白：普(pu)(pu)朗克(ke)概念與現(xian)行(xing)物(wu)理定律不相符，但(dan)(dan)有(you)(you)效。現(xian)行(xing)的(de)(de)(de)這(zhe)些物(wu)理定律一定有(you)(you)錯！
如果(guo)光(guang)以能量(liang)(liang)和動量(liang)(liang)包(bao)(bao)的(de)形式傳播，那么，光(guang)本(ben)身以及這些包(bao)(bao)看(kan)成(cheng)是電(dian)磁粒子就自然(ran)而(er)然(ran)了。場的(de)概念可能更方便，但愛(ai)因斯(si)坦從(cong)來不是一個貪(tan)圖方便而(er)將其當成(cheng)原(yuan)理(li)的(de)物理(li)學家。對他而(er)言(yan)，空間充滿實體的(de)概念，就像是以無限(xian)大的(de)速度(du)經(jing)過(guo)某物卻看(kan)到它(ta)與靜止時看(kan)到的(de)一樣。
到1920年代，愛(ai)(ai)因(yin)斯坦的廣義相對論問世后，他的態度發(fa)生(sheng)了(le)變(bian)化。事實(shi)上，廣義相對論更多的是一個基于以太(tai)的引力場論。盡管(guan)如此，愛(ai)(ai)因(yin)斯坦從未放棄(qi)對消除電(dian)磁以太(tai)的努力。愛(ai)(ai)因(yin)斯坦本(ben)人(ren)在1920年5月5日在荷蘭(lan)萊頓大(da)學(xue)的演講中(zhong)這樣說道：
“如果我們(men)從以太假(jia)說的(de)(de)(de)觀點來考(kao)慮引(yin)力場和電磁(ci)(ci)場，我們(men)就會發現兩者之間(jian)(jian)有一(yi)個明顯的(de)(de)(de)不同。可以說沒有一(yi)種(zhong)空間(jian)(jian)，也沒有任何(he)空間(jian)(jian)部(bu)分(fen)是沒有引(yin)力勢的(de)(de)(de)；因為這些引(yin)力勢規(gui)定了空間(jian)(jian)的(de)(de)(de)度規(gui)性質，而沒有這些度規(gui)性質則是根本無法想象的(de)(de)(de)。引(yin)力場的(de)(de)(de)存在(zai)于空間(jian)(jian)的(de)(de)(de)存在(zai)是直接相關的(de)(de)(de)。但另一(yi)方(fang)面，在(zai)一(yi)部(bu)分(fen)空間(jian)(jian)內不存在(zai)電磁(ci)(ci)場則是完(wan)全可以想象的(de)(de)(de)。”
歷史地看，狹(xia)義相(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論肇(zhao)始于電(dian)和(he)磁的(de)研(yan)究(jiu)，導致了(le)(le)麥克斯韋的(de)場(chang)論，但它又超越了(le)(le)電(dian)磁理論。它的(de)本(ben)質是(shi)(shi)對(dui)(dui)(dui)(dui)稱性假(jia)設：當你(ni)在具有恒定相(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)速(su)度的(de)兩個參照系考察同一(yi)(yi)物(wu)體時，物(wu)理學定律應具有同樣的(de)形式(shi)。這(zhe)一(yi)(yi)假(jia)設是(shi)(shi)一(yi)(yi)個普適性陳(chen)述(shu)，超越了(le)(le)其電(dian)磁根(gen)源：狹(xia)義相(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論的(de)坐標(biao)變換對(dui)(dui)(dui)(dui)稱性適用(yong)于所有的(de)物(wu)理學定律。狹(xia)義相(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)論的(de)一(yi)(yi)個主要的(de)結果是(shi)(shi)存在有限的(de)速(su)度：光(guang)速(su)，即(ji)零質量粒(li)子(zi)在真(zhen)空中(zhong)的(de)傳播速(su)度。一(yi)(yi)個粒(li)子(zi)對(dui)(dui)(dui)(dui)另一(yi)(yi)個粒(li)子(zi)的(de)影(ying)響不能傳播得比光(guang)速(su)更(geng)快。
但是牛頓的(de)(de)(de)萬有引(yin)力(li)定(ding)律(lv)——遙遠物體受(shou)到(dao)的(de)(de)(de)引(yin)力(li)與其當前距離的(de)(de)(de)平方(fang)成反比就不(bu)服從(cong)這(zhe)(zhe)一(yi)法則，所以(yi)(yi)它(ta)與狹(xia)義相(xiang)對論(lun)(lun)不(bu)相(xiang)容。事實上，“當前”這(zhe)(zhe)個概念本身就是個問題(ti)。對于靜止(zhi)觀察(cha)者(zhe)同時(shi)發生的(de)(de)(de)事件對以(yi)(yi)恒定(ding)速度移動的(de)(de)(de)觀察(cha)者(zhe)來(lai)說將不(bu)會(hui)同時(shi)發生。愛(ai)因斯坦(tan)本人(ren)認(ren)為(wei)，推翻“當前”這(zhe)(zhe)個一(yi)般性(xing)概念，迄今為(wei)止(zhi)仍然是達到(dao)狹(xia)義相(xiang)對論(lun)(lun)認(ren)識(shi)論(lun)(lun)的(de)(de)(de)最為(wei)困難(nan)的(de)(de)(de)一(yi)步(bu)。但是如果場服從(cong)簡單的(de)(de)(de)方(fang)程組，那么在(zai)存在(zai)有限(xian)速度的(de)(de)(de)前提下，這(zhe)(zhe)種從(cong)粒子(zi)描述到(dao)場的(de)(de)(de)描述的(de)(de)(de)轉換就會(hui)變得(de)富有成效(xiao)，這(zhe)(zhe)樣我們可以(yi)(yi)從(cong)場的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)計算出來(lai)它(ta)們的(de)(de)(de)未來(lai)值(zhi)(zhi)而不(bu)必考慮其過去的(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)。麥(mai)克斯韋電磁理論(lun)(lun)、廣(guang)義相(xiang)對論(lun)(lun)和量子(zi)色(se)動力(li)學都具有這(zhe)(zhe)種屬性(xing)。在(zai)廣(guang)義相(xiang)對論(lun)(lun)里，愛(ai)因斯坦(tan)用彎曲時(shi)空的(de)(de)(de)概念來(lai)構(gou)建他的(de)(de)(de)引(yin)力(li)理論(lun)(lun)。
我們(men)回到標準模(mo)型(xing)：W和Z玻色子(zi)，根(gen)據定(ding)義它(ta)們(men)的(de)方(fang)程(cheng)組，它(ta)們(men)本應該(gai)像光子(zi)和色膠(jiao)子(zi)一樣都是無質(zhi)(zhi)量的(de)粒子(zi)。但(dan)物理(li)(li)學家們(men)卻設法讓W和Z玻色子(zi)獲得質(zhi)(zhi)量。而且他(ta)們(men)也(ye)知道，在自(zi)然界里，還有原子(zi)紅(hong)奇特的(de)物理(li)(li)狀態也(ye)可以使無質(zhi)(zhi)量的(de)受力粒子(zi)獲得質(zhi)(zhi)量。使受力粒子(zi)變重的(de)模(mo)型(xing)是超導電性(xing)。在超導體內，光子(zi)變得沉重。
我們(men)(men)知(zhi)道，光(guang)子在(zai)電場(chang)(chang)和磁場(chang)(chang)中(zhong)推動(dong)擾動(dong)。在(zai)超(chao)(chao)導體內(nei)，電子對電場(chang)(chang)和磁場(chang)(chang)反應(ying)強(qiang)(qiang)烈。電子恢復平衡(heng)的能力非常強(qiang)(qiang)大，它們(men)(men)能對場(chang)(chang)的運(yun)(yun)動(dong)施加一種(zhong)遲滯作用(yong)。因此(ci)在(zai)超(chao)(chao)導體內(nei)，光(guang)子不是像通常那(nei)樣按光(guang)速運(yun)(yun)動(dong)，而是要緩慢(man)得多(duo)。就好像它們(men)(men)獲得了(le)某(mou)種(zhong)慣性(xing)。當你(ni)研(yan)究方程時，你(ni)會發現，超(chao)(chao)導體內(nei)慢(man)下來的光(guang)子所服(fu)從的運(yun)(yun)動(dong)方程與非零質(zhi)量粒子的運(yun)(yun)動(dong)方程是一樣的。
質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)一(yi)向(xiang)被認為(wei)是物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)一(yi)種確(que)定的(de)(de)(de)屬性(xing)，質(zhi)(zhi)(zhi)言之(zhi)(zhi)，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)是一(yi)種使物質(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)(ke)稱其為(wei)物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)特(te)性(xing)。愛因斯(si)坦認為(wei)宇宙應(ying)有(you)(you)一(yi)個(ge)無論是在(zai)時間(jian)上(shang)還是在(zai)空(kong)間(jian)上(shang)都不變(bian)的(de)(de)(de)密度。但是，引(yin)力(li)(li)是一(yi)種普遍的(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)，物體都不愿意分開(kai)。引(yin)力(li)(li)總是試圖把物體合在(zai)一(yi)起(qi)。愛因斯(si)坦提出(chu)的(de)(de)(de)E=mc2可(ke)(ke)以看作是他對牛頓(dun)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)定律(lv)的(de)(de)(de)修正。但是，如(ru)果將這一(yi)公式轉換成(cheng)m=E/c1，這一(yi)方程的(de)(de)(de)內在(zai)含義變(bian)成(cheng)了(le)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)等(deng)于所具(ju)有(you)(you)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)與常速光速的(de)(de)(de)平方之(zhi)(zhi)比。
量子(zi)(zi)色動力學是一(yi)種非常強大的(de)(de)理論(lun)。通過將無(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)量或(huo)幾乎無(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)(de)對象諸(zhu)如夸克(ke)、膠子(zi)(zi)的(de)(de)計算能夠給(gei)出它們(men)的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量，然而，這也(ye)當然不是任何意義上的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量，只是我們(men)的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量，即組成我們(men)自身的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量。也(ye)就是說(shuo)，量子(zi)(zi)色動力學方(fang)程組可以從無(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)(de)輸(shu)入得到質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)(de)輸(shu)出。那，這是為什么？
首先是(shi)夸克的色荷產生(sheng)一(yi)(yi)種網格擾(rao)動(dong)(dong)——具體地(di)說，是(shi)膠子(zi)場(chang)擾(rao)動(dong)(dong)——這(zhe)種擾(rao)動(dong)(dong)隨距離加大而增(zeng)長。就像一(yi)(yi)個奇異(yi)的風(feng)暴(bao)云(yun)(yun)團(tuan)，它從最初的中(zhong)心的一(yi)(yi)縷云(yun)(yun)煙發展成(cheng)為一(yi)(yi)種不祥的雷(lei)暴(bao)云(yun)(yun)團(tuan)。擾(rao)動(dong)(dong)場(chang)意味(wei)著將其(qi)推(tui)向高能態(tai)。如(ru)果你持(chi)續(xu)擾(rao)動(dong)(dong)無(wu)限容量的場(chang)，所需(xu)的能量將會變成(cheng)無(wu)限大。
其次(ci)是(shi)可以通過讓一(yi)個(ge)帶(dai)相(xiang)反色荷(he)的(de)(de)反夸(kua)克(ke)(ke)去接(jie)近夸(kua)克(ke)(ke)來迅速遏制(zhi)。然后，這兩(liang)個(ge)擾(rao)動(dong)源(yuan)相(xiang)互(hu)抵消(xiao)(xiao)并恢復(fu)平靜。如(ru)果反夸(kua)克(ke)(ke)不偏不倚地正(zheng)好位于夸(kua)克(ke)(ke)的(de)(de)正(zheng)上方，那么這種(zhong)抵消(xiao)(xiao)是(shi)徹底(di)的(de)(de)。這將會是(shi)膠(jiao)子場的(de)(de)擾(rao)動(dong)最小化：即“無”。但是(shi)徹底(di)抵消(xiao)(xiao)還需要(yao)付出代價：它源(yuan)自夸(kua)克(ke)(ke)和反夸(kua)克(ke)(ke)的(de)(de)量(liang)子力(li)學性質。
根據海(hai)森伯的不(bu)確(que)(que)定性(xing)原(yuan)理(li)，要(yao)(yao)獲得(de)準確(que)(que)的粒(li)子(zi)位置(zhi)信息，就(jiu)必須(xu)讓(rang)粒(li)子(zi)具有很寬的動(dong)量(liang)范圍，特別(bie)是要(yao)(yao)有粒(li)子(zi)的大動(dong)量(liang)。但大的動(dong)量(liang)意味著大的能(neng)量(liang)。所以(yi)，更準確(que)(que)地(di)說，要(yao)(yao)使粒(li)子(zi)局域化，就(jiu)必須(xu)更多能(neng)量(liang)。
再(zai)次是我們應(ying)該回到愛因斯坦的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)與能量(liang)(liang)關(guan)系方(fang)程中來考察。由于有兩(liang)種方(fang)向相(xiang)(xiang)反的(de)互相(xiang)(xiang)競爭的(de)作用，要消除夸克對場(chang)的(de)擾(rao)動，同時(shi)盡(jin)量(liang)(liang)減少能量(liang)(liang)，并使反夸克局(ju)域(yu)化(hua)，所以就必須賦予反夸克相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)活動余地。這樣(yang)(yang)雙方(fang)在彼此(ci)抵消后的(de)總質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)不能為零，即m=E/c的(de)平方(fang)。這樣(yang)(yang)我們從(cong)無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)輸入得(de)到質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)輸出(chu)。這同時(shi)也是質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)起源(yuan)量(liang)(liang)子力學解釋。
任意兩(liang)質點之間的(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力，就是組成(cheng)物(wu)質的(de)(de)粒子(zi)之間通過(guo)交換“引(yin)(yin)(yin)力子(zi)”實(shi)現的(de)(de)。而在廣義相對論中，物(wu)體(ti)(ti)之間的(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力則被認為是時空(kong)彎(wan)曲的(de)(de)表(biao)現。物(wu)質的(de)(de)存在使得它周圍的(de)(de)時空(kong)發生彎(wan)曲，而物(wu)體(ti)(ti)在彎(wan)曲的(de)(de)時空(kong)中沿測地線運(yun)動(dong)，就自然地表(biao)現為相互吸引(yin)(yin)(yin)。
牛頓萬有(you)引(yin)(yin)力定律指出：兩個質點之間(jian)的(de)萬有(you)引(yin)(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)平方成反(fan)比(bi)。它實際上是廣義(yi)相對論(lun)的(de)引(yin)(yin)力理(li)論(lun)在靜(jing)態弱引(yin)(yin)力場中低速(su)運動(dong)情況(kuang)下的(de)一種近似。
萬有引力(li)傳播(bo)的媒介子——“引力(li)子”
1913年，偉大的(de)物理(li)學家愛因斯坦(tan)提出了萬有(you)引(yin)力場(chang)論。愛因斯坦(tan)認為(wei)任何(he)帶有(you)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)物體周(zhou)圍都(dou)存在有(you)引(yin)力場(chang)，引(yin)力場(chang)是通(tong)過(guo)引(yin)力波(bo)(bo)來(lai)傳(chuan)播的(de)，引(yin)力波(bo)(bo)像電(dian)磁(ci)波(bo)(bo)那(nei)樣(yang)通(tong)過(guo)媒(mei)介子(zi)(zi)傳(chuan)播，我們都(dou)知(zhi)道電(dian)磁(ci)波(bo)(bo)是通(tong)過(guo)光子(zi)(zi)來(lai)傳(chuan)播能量(liang)(liang)的(de)，因此它的(de)媒(mei)介子(zi)(zi)是光子(zi)(zi)，引(yin)力波(bo)(bo)在傳(chuan)播能量(liang)(liang)的(de)過(guo)程中，同樣(yang)有(you)媒(mei)介子(zi)(zi)的(de)作用，愛因斯坦(tan)把這一媒(mei)介子(zi)(zi)稱之為(wei)引(yin)力子(zi)(zi)。引(yin)力子(zi)(zi)以光速(su)傳(chuan)播，它的(de)質(zhi)量(liang)(liang)與光子(zi)(zi)一樣(yang)為(wei)0。
經過這么(me)多年的(de)(de)探(tan)索，人們一(yi)直沒能(neng)在(zai)宇宙中發現(xian)它的(de)(de)蹤影，我們沒有足夠的(de)(de)證(zheng)據證(zheng)明它的(de)(de)存(cun)在(zai)，也沒有足夠的(de)(de)證(zheng)據否認它的(de)(de)存(cun)在(zai)。因此，探(tan)索引力(li)子是否存(cun)在(zai)成為(wei)科學界的(de)(de)一(yi)大難題。
雖(sui)然引力(li)子在宇宙中(zhong)無處不在，但探(tan)索(suo)之(zhi)路仍然是舉步維艱(jian)。有(you)學者認(ren)為，引力(li)之(zhi)微弱表明，其媒(mei)介子引力(li)子幾乎(hu)不與其它的物質發生反(fan)應，這(zhe)是我們長期探(tan)測(ce)不到它的原由，這(zhe)個理由雖(sui)然很有(you)說服力(li)，但也(ye)不足以(yi)證明引力(li)子是存在的事實。
試圖找到一種(zhong)更(geng)有說服力(li)的(de)(de)方法，就是(shi)證明引(yin)(yin)力(li)波(bo)的(de)(de)存在，從而間接的(de)(de)證明引(yin)(yin)力(li)子的(de)(de)存在。如(ru)果可(ke)以(yi)證明宇(yu)宙中有引(yin)(yin)力(li)波(bo)存在，那么引(yin)(yin)力(li)波(bo)必定有與之對應(ying)的(de)(de)媒(mei)介子引(yin)(yin)力(li)子來傳遞能(neng)量。
引(yin)(yin)力(li)(li)波(bo)在宇宙中是普(pu)遍存在的，星體的加速旋轉，相撞，吞并等都可以使引(yin)(yin)力(li)(li)場(chang)發生擾動并產生引(yin)(yin)力(li)(li)波(bo)，但(dan)由于(yu)引(yin)(yin)力(li)(li)波(bo)與引(yin)(yin)力(li)(li)子一樣很(hen)難與其它(ta)物質發生反(fan)應，以至于(yu)至今我們無法探測(ce)它(ta)的存在，只能(neng)間(jian)接地通過觀測(ce)行星發生引(yin)(yin)力(li)(li)輻射，而(er)導(dao)致周期的變化證(zheng)實(shi)它(ta)的存在。
引力輻射(she)(she)是引力波的(de)(de)另一種稱呼(hu)，它(ta)是指引力波從星體或星系中輻射(she)(she)出來的(de)(de)現象，如果(guo)證明了引力輻射(she)(she)的(de)(de)存在(zai)就等于證實了引力波的(de)(de)存在(zai)。
為什么這(zhe)樣(yang)說呢(ni)？
引(yin)力輻(fu)射是一種能(neng)量(liang)的(de)輻(fu)射。假如(ru)一個行星(xing)(xing)圍(wei)繞恒(heng)星(xing)(xing)運動(dong)，恒(heng)星(xing)(xing)的(de)旋(xuan)轉會(hui)伴隨有引(yin)力輻(fu)射的(de)發(fa)生(sheng)(sheng)，使得(de)行星(xing)(xing)的(de)運轉軌道發(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)(hua)，其主要變(bian)化(hua)(hua)特征(zheng)表現在行星(xing)(xing)運動(dong)周期的(de)減小，如(ru)果行星(xing)(xing)的(de)運動(dong)周期減小，那么(me)就能(neng)說明(ming)引(yin)力輻(fu)射的(de)發(fa)生(sheng)(sheng)。
這一現象在1974年，被赫爾斯(si)和泰(tai)勒二人所證實。他們對脈沖雙(shuang)星(xing)PSR1913+16進行觀(guan)測，發現它們的(de)公轉周期變小率為（-2.40±0.09）×10-12，這個(ge)數值與廣(guang)義相(xiang)對論的(de)計算符合的(de)很好，廣(guang)義相(xiang)對論的(de)預言值為（-2.403±0.002）×10-12，這一點(dian)充(chong)分證明(ming)了引力輻射的(de)存在。
引(yin)力輻(fu)射(she)的存在(zai)(zai)，意味著引(yin)力波(bo)在(zai)(zai)宇宙(zhou)中是存在(zai)(zai)的，并且無所不在(zai)(zai)。同時(shi)也證明了引(yin)力波(bo)的媒介子引(yin)力子的存在(zai)(zai)。
通過(guo)這些論斷，可以證明引力(li)子在(zai)宇宙中是(shi)(shi)必(bi)定存在(zai)的，只不過(guo)我(wo)們無法探(tan)(tan)測(ce)到。引力(li)子的無法探(tan)(tan)測(ce)性，其(qi)實并不影響我(wo)們尋求量子引力(li)理論，因為(wei)量子引力(li)理論建立的基礎是(shi)(shi)場，而不是(shi)(shi)粒子。
牛頓(dun)的(de)(de)萬有引(yin)力(li)(li)定律很好(hao)(hao)地(di)解釋了地(di)面上(shang)物體所(suo)受的(de)(de)重(zhong)力(li)(li)、海(hai)洋的(de)(de)潮(chao)汐和(he)行星與天體的(de)(de)運(yun)動，把天上(shang)的(de)(de)運(yun)動和(he)地(di)上(shang)的(de)(de)運(yun)動統一了起來，具有非(fei)常重(zhong)要的(de)(de)意義。但讓牛頓(dun)感(gan)到遺憾的(de)(de)是，他一直沒能解釋清楚兩個(ge)有質(zhi)量的(de)(de)物體之(zhi)間為什么會(hui)有引(yin)力(li)(li)？這個(ge)問(wen)題被愛(ai)因斯坦(tan)的(de)(de)廣義相對論很好(hao)(hao)地(di)解決了。
廣(guang)義相對論(lun)實際上就是關于萬有(you)引(yin)力本質(zhi)的(de)理論(lun)。它認為(wei)，一(yi)個有(you)質(zhi)量的(de)物體，會(hui)使(shi)它周圍的(de)時空(kong)發生(sheng)彎(wan)曲(qu)，在這個彎(wan)曲(qu)的(de)時空(kong)里(li)，一(yi)切(qie)物體都將(jiang)自(zi)然地(di)沿測地(di)線（也(ye)叫做“短程線”）運動，而表(biao)現為(wei)向一(yi)塊靠(kao)(kao)攏(long)。我們看(kan)不(bu)到時空(kong)的(de)彎(wan)曲(qu)，只看(kan)到物體在互相靠(kao)(kao)攏(long)，就認為(wei)它們之間(jian)存(cun)在著一(yi)種(zhong)“萬有(you)引(yin)力”，實際上物體之間(jian)表(biao)現出來的(de)這種(zhong)萬有(you)引(yin)力，并不(bu)是一(yi)種(zhong)真正的(de)力，而是時空(kong)彎(wan)曲(qu)的(de)表(biao)現。
三維(wei)時空的彎(wan)曲(qu)我們(men)不好(hao)想象，但是可以降一(yi)維(wei)（在二維(wei)平面上）做個(ge)比喻。設(she)想有一(yi)塊(kuai)布(bu)把它(ta)懸(xuan)空展平，上面放一(yi)個(ge)小(xiao)(xiao)球，它(ta)就(jiu)會(hui)把布(bu)壓(ya)彎(wan)，在另(ling)一(yi)個(ge)地(di)(di)方再放一(yi)個(ge)小(xiao)(xiao)球，它(ta)也會(hui)把它(ta)周(zhou)圍的布(bu)壓(ya)彎(wan)。我們(men)看到(dao)，這(zhe)兩個(ge)小(xiao)(xiao)球就(jiu)會(hui)自然地(di)(di)向一(yi)塊(kuai)靠攏(long)，這(zhe)是它(ta)們(men)在沿各自的測地(di)(di)線運動的結果。我們(men)看不到(dao)布(bu)的彎(wan)曲(qu)，只看到(dao)小(xiao)(xiao)球在向一(yi)起靠攏(long)，就(jiu)說它(ta)們(men)之間(jian)有個(ge)引力(li)存在，其實它(ta)只是時空彎(wan)曲(qu)的表現而(er)已。
這種解釋(shi)在水星近日點的(de)進動、光(guang)線在引力(li)場中的(de)彎曲、引力(li)紅移(yi)等(deng)問題上得到(dao)了(le)很好(hao)(hao)的(de)檢驗(yan)，其(qi)后在大量(liang)更精(jing)密的(de)實驗(yan)中得到(dao)了(le)進一步的(de)檢驗(yan)，與實驗(yan)符合得很好(hao)(hao)。廣義相對論(lun)被認為是一種最好(hao)(hao)的(de)萬有引力(li)理論(lun)。
中(zhong)國科(ke)學(xue)家(jia)測得引力傳播速度。
經過(guo)10多年(nian)的(de)(de)持續探索，中國(guo)科學家在(zai)世界上成功獲得(de)“引力場以光速(su)傳播(bo)”的(de)(de)第一個(ge)觀測證(zheng)據(ju)。這項原始創(chuang)新成果，實(shi)現(xian)了物理學界多年(nian)來對(dui)通過(guo)實(shi)驗或(huo)觀測獲得(de)引力場傳播(bo)速(su)度(du)的(de)(de)期待(dai)，對(dui)引力場的(de)(de)理論和實(shi)驗研究具(ju)有重(zhong)要意(yi)義。
中國(guo)科(ke)學院地(di)(di)質與地(di)(di)球物理研究所26日(ri)下午在北(bei)京對外宣布(bu)，由(you)該所湯克云研究員領銜、中國(guo)地(di)(di)震局和(he)中國(guo)科(ke)學院大學有關科(ke)研人員組(zu)成的(de)科(ke)學團組(zu)，經過10多(duo)年的(de)持續探(tan)索在實施多(duo)次日(ri)食期間的(de)固體(ti)潮觀測(ce)后，發現(xian)現(xian)行地(di)(di)球固體(ti)潮公式實際上暗含著引(yin)力場(chang)以光速(su)傳播的(de)假定，從而(er)提出用固體(ti)潮測(ce)量(liang)引(yin)力傳播速(su)度的(de)方法。
湯(tang)克云科學(xue)團組先后實施1997年(nian)漠(mo)河日全食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)、2001年(nian)贊比亞日全食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)、2002年(nian)澳大利亞日全食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)、2008年(nian)嘉(jia)峪關日全食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)、2009年(nian)上海-杭州(zhou)-湖州(zhou)日全食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)和(he)2010年(nian)云南大理(li)日環(huan)食(shi)觀(guan)(guan)測(ce)，主要是重力固(gu)體潮觀(guan)(guan)測(ce)。
中國科(ke)學家(jia)們觀(guan)測研究(jiu)發現(xian)：現(xian)今(jin)固(gu)體潮理論公式中隱含著引力場以光速傳(chuan)播(bo)的(de)假(jia)定，進而導出引力傳(chuan)播(bo)速度(du)方程，并(bing)找到(dao)求解(jie)引力場速度(du)的(de)有效方法。湯(tang)克云科(ke)學團組隨后選擇(ze)遠(yuan)離(li)太平洋、大(da)西(xi)洋、印度(du)洋和北冰洋的(de)西(xi)藏獅泉河(he)站和新疆烏什(shen)站的(de)固(gu)體潮數據(ju)(ju)作相關校正后，代入(ru)引力傳(chuan)播(bo)速度(du)方程，最終獲(huo)得全球“引力場以光速傳(chuan)播(bo)”的(de)第(di)一個觀(guan)測證(zheng)據(ju)(ju)。
專(zhuan)家介紹(shao)說，牛頓的(de)萬有(you)引(yin)(yin)力(li)定律表明(ming)，引(yin)(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)是一種超(chao)距作(zuo)(zuo)用，引(yin)(yin)力(li)可(ke)以(yi)在瞬間傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)至任意(yi)遠(yuan)處(chu)，愛因斯坦則認為牛頓的(de)超(chao)距作(zuo)(zuo)用應該放棄。一直以(yi)來，整個(ge)物理學界(jie)都(dou)在期待(dai)著通過實驗或(huo)觀(guan)測獲(huo)得引(yin)(yin)力(li)場傳(chuan)播(bo)(bo)(bo)的(de)速度，但(dan)此前均未找(zhao)到正確的(de)實驗或(huo)觀(guan)測方法。
歲月靜好
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