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定義

萬有引(yin)力定(ding)律：屬于自然科學領域(yu)定(ding)律，自然界中任何兩(liang)個(ge)物體都(dou)是相互吸引(yin)的(de)(de)(de)，引(yin)力的(de)(de)(de)大小跟(gen)這兩(liang)個(ge)物體的(de)(de)(de)質量乘積(ji)成(cheng)正比(bi)，跟(gen)它們的(de)(de)(de)距離(li)的(de)(de)(de)二次方(fang)成(cheng)反比(bi)。

萬(wan)有引力(li)定律是(shi)牛(niu)頓在1687年出(chu)版的(de)(de)(de)《自然哲學的(de)(de)(de)數學原理》一(yi)書中首先提出(chu)的(de)(de)(de)。牛(niu)頓利用萬(wan)有引力(li)定律不僅(jin)說明了(le)行星(xing)運動規(gui)律，而(er)且還指出(chu)木星(xing)、土星(xing)的(de)(de)(de)衛星(xing)圍繞(rao)行星(xing)也(ye)有同(tong)樣的(de)(de)(de)運動規(gui)律。他認為月球(qiu)(qiu)除了(le)受(shou)(shou)到(dao)地(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)引力(li)外(wai)，還受(shou)(shou)到(dao)太陽的(de)(de)(de)引力(li)，從而(er)解釋(shi)(shi)了(le)月球(qiu)(qiu)運動中早已發現的(de)(de)(de)二均差，出(chu)差等(deng)；另外(wai)，他還解釋(shi)(shi)了(le)彗星(xing)的(de)(de)(de)運動軌道和(he)地(di)球(qiu)(qiu)上的(de)(de)(de)潮(chao)汐現象。根據萬(wan)有引力(li)定律成(cheng)功地(di)預言并發現了(le)海王星(xing)。

萬(wan)有引力(li)定律(lv)出現后，才正式把研究(jiu)天(tian)體的(de)(de)(de)運動建立在力(li)學理論的(de)(de)(de)基礎上(shang)，從而創立了(le)天(tian)體力(li)學。簡單(dan)的(de)(de)(de)說，質量越大(da)的(de)(de)(de)東西(xi)產生的(de)(de)(de)引力(li)越大(da),這個(ge)力(li)與兩個(ge)物體的(de)(de)(de)質量均(jun)成(cheng)正比，與兩個(ge)物體間的(de)(de)(de)距離平方成(cheng)反比。地球的(de)(de)(de)質量產生的(de)(de)(de)引力(li)足(zu)夠把地球上(shang)的(de)(de)(de)東西(xi)全部抓牢。

萬有(you)引(yin)力定律(lv)傳入中國(guo)：《自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)的(de)數(shu)(shu)學(xue)原理(li)》牛頓(dun)最重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)(yao)的(de)著作(zuo)，1687年出版(ban)。該(gai)書(shu)總(zong)結了他一生中許多重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)(yao)發(fa)現(xian)和研究(jiu)成果，其(qi)(qi)中包(bao)括上述關(guan)于(yu)物體(ti)運動的(de)定律(lv)。他說(shuo)，該(gai)書(shu)“所研究(jiu)的(de)主要(yao)(yao)(yao)是關(guan)于(yu)重(zhong)(zhong)、輕流體(ti)抵抗力及其(qi)(qi)他吸(xi)引(yin)運動的(de)力的(de)狀況，所以我們研究(jiu)的(de)是自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)的(de)數(shu)(shu)學(xue)原理(li)。”該(gai)書(shu)傳入中國(guo)后(hou)，中國(guo)數(shu)(shu)學(xue)家(jia)李善蘭曾譯出一部分，但(dan)未(wei)出版(ban)，譯稿也遺失(shi)了。現(xian)有(you)的(de)中譯本是數(shu)(shu)學(xue)家(jia)鄭(zheng)太樸翻譯的(de)，書(shu)名為《自(zi)(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)之數(shu)(shu)學(xue)原理(li)》，1931年商(shang)務印(yin)書(shu)館初(chu)版(ban)，1957和1958年兩(liang)次重(zhong)(zhong)印(yin)。

詳細內容

萬有引(yin)力(li)(li)等于引(yin)力(li)(li)常量乘以(yi)兩物體(ti)質量的(de)乘積除以(yi)它們(men)距離(li)的(de)平方。其(qi)(qi)中G代表(biao)引(yin)力(li)(li)常量，其(qi)(qi)值約為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英國(guo)物理學家(jia)、化學家(jia)亨利·卡文迪許通過扭秤(cheng)實驗測得。此(ci)外(wai)，庫侖定律也可以(yi)用(yong)這種扭秤(cheng)證明。

因為(wei)行(xing)星受(shou)到的(de)(de)(de)作用力(li)和太陽受(shou)到的(de)(de)(de)作用力(li)是相(xiang)同大(da)小(xiao)的(de)(de)(de)力(li)，由這兩(liang)個(ge)式(shi)子比(bi)較可知，k′包含(han)了太陽的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)M，k″包含(han)了行(xing)星的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)m。由此可知，這兩(liang)個(ge)力(li)與兩(liang)個(ge)天(tian)體質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)乘(cheng)積成正比(bi)，它稱為(wei)萬有(you)引力(li)。

如果(guo)引入一(yi)個新的(de)(de)常(chang)數G（稱萬(wan)有引力(li)常(chang)數），再考慮太(tai)陽和行星的(de)(de)質量，以及先前得出的(de)(de)4·π2，那(nei)么可以表示為：萬(wan)有引力(li)，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩(liang)(liang)個通常(chang)物(wu)體(ti)之間的(de)萬(wan)有(you)(you)引力極(ji)其(qi)微小，我們(men)(men)察覺不到它(ta)(ta)，可以不予考慮。比(bi)如，兩(liang)(liang)個質量(liang)(liang)都是(shi)60千克的(de)人(ren)，相(xiang)距0.5米(mi)，他們(men)(men)之間的(de)萬(wan)有(you)(you)引力還(huan)不足(zu)百萬(wan)分之一牛頓，而(er)一只螞(ma)蟻(yi)拖動細草梗的(de)力竟是(shi)這個引力的(de)1000倍！但(dan)是(shi)，天體(ti)系統中，由于天體(ti)的(de)質量(liang)(liang)很(hen)大(da)(da)，萬(wan)有(you)(you)引力就起著決定性的(de)作(zuo)用。在天體(ti)中質量(liang)(liang)還(huan)算很(hen)小的(de)地(di)球(qiu)，對其(qi)他的(de)物(wu)體(ti)的(de)萬(wan)有(you)(you)引力已經具(ju)有(you)(you)巨大(da)(da)的(de)影響，它(ta)(ta)把人(ren)類、大(da)(da)氣和所有(you)(you)地(di)面物(wu)體(ti)束縛在地(di)球(qiu)上，它(ta)(ta)使(shi)月球(qiu)和人(ren)造(zao)地(di)球(qiu)衛(wei)星繞(rao)地(di)球(qiu)旋轉(zhuan)而(er)不離去。

重力

在(zai)人類航天(tian)事業興起(qi)之(zhi)前，萬有(you)(you)引力(li)(li)早(zao)已被(bei)應用于宇(yu)宙天(tian)體的(de)(de)(de)研究。重(zhong)力(li)(li)雖然(ran)早(zao)被(bei)發(fa)現(xian)，但(dan)是(shi)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)研究進(jin)(jin)入宇(yu)宙這個領(ling)域，是(shi)航天(tian)科學帶領(ling)的(de)(de)(de)。從地(di)(di)面出發(fa)進(jin)(jin)行(xing)的(de)(de)(de)宇(yu)宙航行(xing)的(de)(de)(de)路上，物(wu)體受的(de)(de)(de)重(zhong)力(li)(li)要發(fa)生巨大(da)(da)變化。到達目標天(tian)體或人造天(tian)體后(hou)，物(wu)體受的(de)(de)(de)重(zhong)力(li)(li)也會與地(di)(di)球上有(you)(you)很大(da)(da)區別。要考(kao)慮人如(ru)何耐受體重(zhong)的(de)(de)(de)巨大(da)(da)變化，要研究支撐物(wu)如(ru)何承受物(wu)體重(zhong)量帶來的(de)(de)(de)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)巨大(da)(da)變化。但(dan)是(shi)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)研究難于萬有(you)(you)引力(li)(li)。至今重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)定義只停(ting)留在(zai)地(di)(di)面附近，重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)(de)概(gai)念也沒有(you)(you)深(shen)入本質。重(zhong)力(li)(li)研究停(ting)留在(zai)下面的(de)(de)(de)小(xiao)范圍之(zhi)內。

重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)，就(jiu)(jiu)是(shi)(shi)由于(yu)地(di)(di)(di)面附(fu)近的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)體(ti)(ti)受到地(di)(di)(di)球的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)而產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)需要注(zhu)意的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，因(yin)為(wei)(wei)地(di)(di)(di)球在自轉，除了在南極(ji)北極(ji)端點(dian)，在地(di)(di)(di)球上任意一(yi)點(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)體(ti)(ti)，其重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)并不(bu)等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)（因(yin)為(wei)(wei)這(zhe)里的(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指地(di)(di)(di)球本身的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)，而重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)物(wu)體(ti)(ti)本身的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量再加上萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)）。此時(shi)可看(kan)作繞(rao)地(di)(di)(di)球的(de)(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)力(li)(li)(li)(li)和(he)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)合成萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)（矢(shi)量和(he)—平行四邊形法則）。由于(yu)繞(rao)地(di)(di)(di)球自轉的(de)(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)力(li)(li)(li)(li)遠小(xiao)于(yu)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)，故一(yi)般就(jiu)(jiu)認為(wei)(wei)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)就(jiu)(jiu)略(lve)等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)了，其實重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)略(lve)小(xiao)于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)，只有(you)(you)(you)在南北極(ji)物(wu)體(ti)(ti)繞(rao)地(di)(di)(di)球自轉的(de)(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)力(li)(li)(li)(li)為(wei)(wei)零時(shi)，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)才(cai)等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)。重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)和(he)萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)不(bu)同(tong)，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)豎直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)下，萬(wan)(wan)有(you)(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指向(xiang)(xiang)(xiang)地(di)(di)(di)心(xin)，豎直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)下和(he)指向(xiang)(xiang)(xiang)地(di)(di)(di)心(xin)是(shi)(shi)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)，不(bu)能混(hun)淆。

上面研究重力的(de)(de)方法只(zhi)適用于(yu)地(di)面，宇(yu)宙(zhou)航行(xing)中(zhong)的(de)(de)重力和宇(yu)宙(zhou)中(zhong)天(tian)體或(huo)人(ren)造天(tian)體上的(de)(de)重力的(de)(de)研究，離不開(kai)下面重力的(de)(de)概念(nian)和定義。

在(zai)(zai)靜力(li)學(xue)范圍內，以放置(zhi)物(wu)(wu)(wu)體(ti)的(de)支撐物(wu)(wu)(wu)或物(wu)(wu)(wu)體(ti)本身(shen)為參照物(wu)(wu)(wu)，來研究(jiu)(jiu)重力(li)能(neng)得到(dao)最好的(de)保障。萬(wan)有(you)引力(li)和慣性力(li)都是同時(shi)作用在(zai)(zai)物(wu)(wu)(wu)體(ti)的(de)每一個微小部(bu)分，因此(ci)都能(neng)使物(wu)(wu)(wu)體(ti)獲(huo)得重量。在(zai)(zai)沒(mei)有(you)其他的(de)力(li)具有(you)這樣的(de)作用效果(guo)。因此(ci)將萬(wan)有(you)引力(li)和慣性力(li)的(de)共同作用，即它(ta)們的(de)合(he)力(li)叫做重力(li)。這種研究(jiu)(jiu)重力(li)得到(dao)的(de)結果(guo)與(yu)上面提到(dao)在(zai)(zai)地(di)面上的(de)研究(jiu)(jiu)方法得到(dao)的(de)結果(guo)完全相同，因為地(di)球也(ye)是宇宙天(tian)體(ti)之(zhi)一。

會從這里發現，在地(di)(di)面(mian)研究重力(li)(li)(li)(li)，怎么只考(kao)慮地(di)(di)球(qiu)(qiu)的引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)，卻沒有考(kao)慮把(ba)地(di)(di)球(qiu)(qiu)吸引(yin)(yin)得團團轉的太陽的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)其他(ta)眾(zhong)星球(qiu)(qiu)的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)？新(xin)的概(gai)念和(he)(he)定義能很好地(di)(di)做(zuo)出(chu)解釋。把(ba)各星球(qiu)(qiu)看(kan)做(zuo)質點，那么太陽的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)和(he)(he)其他(ta)眾(zhong)星球(qiu)(qiu)的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)，都分(fen)別和(he)(he)與它們對應的慣性力(li)(li)(li)(li)相互抵消。因此(ci)在求(qiu)地(di)(di)面(mian)上物體的重力(li)(li)(li)(li)時除地(di)(di)球(qiu)(qiu)萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)以(yi)外，其他(ta)的萬(wan)有引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)可以(yi)不參與重力(li)(li)(li)(li)的計算。但是不加考(kao)慮是不可以(yi)的。

宇宙航行中物(wu)(wu)體(ti)的超(chao)重(zhong)、失重(zhong)現象的解釋和物(wu)(wu)體(ti)在(zai)其(qi)他星球上的重(zhong)力計算，都(dou)可以在(zai)新定義(yi)下，用(yong)物(wu)(wu)體(ti)所受重(zhong)力的變(bian)化或(huo)說重(zhong)量的變(bian)化來解決。這樣重(zhong)力的研究就(jiu)會伴隨萬有引(yin)力的研究進入宇宙空間。

偉大意義

17世紀早期，人們已經(jing)能夠區分很多力(li)，比如摩擦力(li)、重力(li)、空氣阻(zu)力(li)、電力(li)和(he)人力(li)等。牛頓(dun)首次將其(qi)中一(yi)些看似不(bu)同(tong)的力(li)準確地(di)歸(gui)結到萬(wan)(wan)有引(yin)力(li)概念里：蘋果落地(di)，人有體重，月亮圍(wei)繞地(di)球轉(zhuan)，所有這些現象都是由相同(tong)原因引(yin)起的。牛頓(dun)的萬(wan)(wan)有引(yin)力(li)定律簡單易(yi)懂，涵(han)蓋面(mian)廣。

萬有(you)引力的(de)(de)發現(xian)，是(shi)17世紀自(zi)(zi)(zi)然(ran)科學最偉大(da)的(de)(de)成果之一(yi)(yi)。它把地面上的(de)(de)物體(ti)運動的(de)(de)規(gui)律和天(tian)體(ti)運動的(de)(de)規(gui)律統(tong)一(yi)(yi)了起來(lai)，對以后物理學和天(tian)文學的(de)(de)發展具(ju)有(you)深遠(yuan)的(de)(de)影(ying)響。它第一(yi)(yi)次(ci)揭示了自(zi)(zi)(zi)然(ran)界中一(yi)(yi)種基本相互作(zuo)用的(de)(de)規(gui)律，在人類(lei)認識自(zi)(zi)(zi)然(ran)的(de)(de)歷史上樹立了一(yi)(yi)座里程(cheng)碑(bei)。

牛(niu)頓(dun)的(de)萬有(you)引力概念是(shi)(shi)所(suo)(suo)有(you)科學中(zhong)最(zui)實用的(de)概念之一(yi)。牛(niu)頓(dun)認為萬有(you)引力是(shi)(shi)所(suo)(suo)有(you)物(wu)質的(de)基本(ben)特(te)征，這成為大部分物(wu)理(li)科學的(de)理(li)論(lun)基石。

發現過程

原因

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

1.科學(xue)(xue)發展的要(yao)求：牛頓之(zhi)前(qian)，有很多天文(wen)學(xue)(xue)家在對(dui)宇宙中的星球進行(xing)觀察(cha)。經過幾(ji)位天文(wen)學(xue)(xue)家的觀察(cha)記錄，到開普勒(le)時，他對(dui)這(zhe)些(xie)觀測結(jie)(jie)果進行(xing)了分析(xi)總結(jie)(jie)，得到開普勒(le)三(san)大定(ding)律：

1.所有行星(xing)都繞(rao)太(tai)陽(yang)做橢圓運行，太(tai)陽(yang)在所有橢圓的公共焦點上。

2.行星的向徑在相(xiang)等(deng)(deng)的時(shi)間內(nei)掃過(guo)相(xiang)等(deng)(deng)的面積。

3.所有行星軌(gui)道(dao)半長軸的三(san)次(ci)方跟公轉(zhuan)周期的二(er)次(ci)方的比(bi)值都相(xiang)等，即r^3/T^2=k。

開普勒三定(ding)律(lv)是(shi)不(bu)容(rong)置疑的(de)(de)，但為什(shen)么會這(zhe)樣呢？是(shi)什(shen)么讓它們(men)做(zuo)加速度非零的(de)(de)運動？牛頓經過研(yan)究(jiu)思考解決了(le)這(zhe)個(ge)問題：物體之間存在萬有引力(li)。當(dang)然他發現萬有引力(li)定(ding)量是(shi)一個(ge)漫長(chang)而曲(qu)折的(de)(de)過程(cheng)。

2.個人(ren)原(yuan)因：牛(niu)頓發現萬有引力定(ding)律，雖然是科學(xue)(xue)發展的(de)(de)(de)(de)要求，生產力發展的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因，但我們(men)不能(neng)忽(hu)略牛(niu)頓本人(ren)的(de)(de)(de)(de)一(yi)些(xie)(xie)因素：聰明勤(qin)于(yu)思考 擁有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)知識量。據《物理學(xue)(xue)史》說(shuo)：牛(niu)頓在發現萬有引力定(ding)律的(de)(de)(de)(de)那一(yi)段時(shi)間，廢(fei)寢忘食(shi)（每天魂不守舍(she)，在食(shi)堂吃飯(fan)，飯(fan)碗在前(qian)，他(ta)在發呆。去食(shi)堂吃飯(fan)，卻(que)走錯(cuo)了(le)(le)方(fang)向(xiang)。一(yi)些(xie)(xie)老師在校園后的(de)(de)(de)(de)沙(sha)灘(tan)上散(san)步(bu)時(shi)，看見了(le)(le)一(yi)些(xie)(xie)古怪的(de)(de)(de)(de)算(suan)式和(he)符號）。1669年，他(ta)年僅27歲(sui)，就擔任了(le)(le)劍(jian)橋的(de)(de)(de)(de)數學(xue)(xue)教授(shou)。還有1672年當選為英(ying)國皇家學(xue)(xue)會(hui)(hui)會(hui)(hui)員(yuan)。

過程

1666年，23歲的(de)(de)牛頓還(huan)是劍橋大學圣三一學院(yuan)三年級(ji)的(de)(de)學生。看到他白皙的(de)(de)皮(pi)膚和金色的(de)(de)長發，很多人以為他還(huan)是個孩子。他身體(ti)瘦小，沉默寡言，性格嚴肅，這使人們(men)更加相(xiang)信他還(huan)是個孩子。他那(nei)雙銳利的(de)(de)眼睛和整天(tian)寫(xie)滿怒氣的(de)(de)表(biao)情更是拒(ju)人于千里之(zhi)外(wai)。

黑(hei)死(si)病席卷了(le)倫(lun)敦，奪走了(le)很多人的(de)生命(ming)，那確實(shi)是段可怕的(de)日子。大學(xue)被迫(po)關閉，像(xiang)艾薩克(ke)·牛頓這樣(yang)熱(re)衷于學(xue)術的(de)人只好返回安全的(de)鄉村，期待著席卷城(cheng)市的(de)病魔(mo)早日離去。

在鄉村的(de)日子里(li)，牛頓(dun)一直被這(zhe)樣的(de)問題困惑：是什么力量驅使月球(qiu)圍繞(rao)(rao)地(di)球(qiu)轉(zhuan)，地(di)球(qiu)圍繞(rao)(rao)太(tai)陽轉(zhuan)？牛頓(dun)首次認為，重(zhong)力不(bu)僅僅是行星和恒星之(zhi)間的(de)作(zuo)用(yong)(yong)力，有可能是普遍存在的(de)吸(xi)引力。他深信煉金術(shu)，認為物(wu)質之(zhi)間相(xiang)互吸(xi)引，這(zhe)使他斷(duan)言，相(xiang)互吸(xi)引力不(bu)但(dan)適(shi)用(yong)(yong)于(yu)碩大的(de)天體之(zhi)間，而且適(shi)用(yong)(yong)于(yu)各種體積的(de)物(wu)體之(zhi)間。蘋果落地(di)、雨滴降落和行星沿著軌道圍繞(rao)(rao)太(tai)陽運行都是重(zhong)力作(zuo)用(yong)(yong)的(de)結果。

人們普遍認為(wei)，適(shi)用于地球的自然定律(lv)與(yu)太空中的定律(lv)大相徑庭。牛頓的萬有(you)引力定律(lv)沉重打擊了(le)這一觀點(dian)，它告訴人們，支配(pei)自然和宇宙的法則是很簡單的。

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(de)基石(shi)。

當(dang)然，當(dang)時牛頓提出(chu)(chu)了萬有引力(li)(li)理(li)論，卻未(wei)能得出(chu)(chu)萬有引力(li)(li)的公式(shi)，因為公式(shi)中的“G”實在太小了，因此他提出(chu)(chu)：F∝mM/r2。直到(dao)1798年(nian)英國(guo)物理(li)學(xue)家卡文(wen)(wen)迪(di)許利用著名(ming)的卡文(wen)(wen)迪(di)許扭秤（即卡文(wen)(wen)迪(di)許實驗）較精確地測(ce)出(chu)(chu)了引力(li)(li)恒量的數值。

簡單含義

牛(niu)頓(dun)并不(bu)是發現了(le)重力(li)，他(ta)是發現重力(li)是“萬有(you)”的(de)(de)(de)。每個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)(ti)都會(hui)吸引其他(ta)物(wu)體(ti)(ti)(ti)，而(er)這股引力(li)的(de)(de)(de)大小(xiao)只跟(gen)物(wu)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)與物(wu)體(ti)(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)(de)距離有(you)關(guan)。牛(niu)頓(dun)的(de)(de)(de)萬有(you)引力(li)定律(lv)說明，每一(yi)個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)(ti)都吸引著其他(ta)每一(yi)個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)(ti)，而(er)兩個(ge)(ge)物(wu)體(ti)(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)(de)引力(li)大小(xiao)，正比于這它們的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)，會(hui)隨著兩物(wu)體(ti)(ti)(ti)中心連(lian)線距離的(de)(de)(de)平方而(er)遞(di)減。

牛頓為了證明只有(you)(you)球形體可把“球的(de)總質(zhi)量集中到球的(de)質(zhi)心點”來代(dai)表整(zheng)個球的(de)萬有(you)(you)引力作(zuo)(zuo)用的(de)總效果而發(fa)展了微積(ji)分。然而不(bu)(bu)管(guan)距離地(di)球多(duo)(duo)遠(yuan)(yuan)，地(di)球的(de)重(zhong)力永遠(yuan)(yuan)不(bu)(bu)會(hui)變成(cheng)零，即(ji)使你被帶到宇(yu)宙的(de)邊緣，地(di)球的(de)重(zhong)力還(huan)是(shi)會(hui)作(zuo)(zuo)用到你身上，雖然地(di)球重(zhong)力的(de)作(zuo)(zuo)用可能會(hui)被你附近質(zhi)量巨大的(de)物體所掩蓋(gai)，但它還(huan)是(shi)存在(zai)。不(bu)(bu)管(guan)是(shi)多(duo)(duo)小還(huan)是(shi)多(duo)(duo)遠(yuan)(yuan)，每(mei)一個物體都會(hui)受到引力作(zuo)(zuo)用，而且遍(bian)布整(zheng)個太空，正如我們所說的(de)“萬有(you)(you)”。

基本力

萬(wan)有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是任(ren)意兩(liang)(liang)個(ge)物(wu)(wu)體(ti)或(huo)兩(liang)(liang)個(ge)粒(li)子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)與其質量乘積相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)，自然界中(zhong)最(zui)普遍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)(li)(li)(li)，簡稱(cheng)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)。在(zai)粒(li)子(zi)(zi)物(wu)(wu)理學(xue)中(zhong)則(ze)稱(cheng)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)和強(qiang)力(li)(li)(li)(li)(li)、弱力(li)(li)(li)(li)(li)、電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)合稱(cheng)4種基本相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是其中(zhong)最(zui)弱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種，兩(liang)(liang)個(ge)質子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)只有(you)它們間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10，質子(zi)(zi)受地球的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)也只有(you)它在(zai)一(yi)(yi)個(ge)不強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)場1000伏/米的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10。因此研(yan)究粒(li)子(zi)(zi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)或(huo)粒(li)子(zi)(zi)在(zai)電(dian)子(zi)(zi)顯微鏡和加速(su)器中(zhong)運動(dong)時，都不考慮萬(wan)有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)。

一般物(wu)(wu)體之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)(ye)是很(hen)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如(ru)兩(liang)個(ge)直(zhi)徑為1米的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)，緊靠在一起時，引(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)(ye)只(zhi)有1.14×10-3牛頓，相當于0.03克的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一小滴水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重量(liang)(liang)。但地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)(liang)很(hen)大(da)，這兩(liang)個(ge)鐵(tie)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)分別受到4×102牛頓的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)引(yin)(yin)力(li)(li)，所以研究物(wu)(wu)體在地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)引(yin)(yin)力(li)(li)場中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運動時，通常都不(bu)考慮(lv)周圍(wei)其(qi)他物(wu)(wu)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)。天體如(ru)太陽(yang)和(he)地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)(liang)都很(hen)大(da)，乘積就(jiu)更大(da)，巨大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)就(jiu)能使龐然大(da)物(wu)(wu)繞太陽(yang)轉動。引(yin)(yin)力(li)(li)就(jiu)成了支配天體運動的(de)(de)(de)(de)(de)(de)唯一的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一種力(li)(li)。恒星(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成，在高溫狀態下不(bu)彌散反而逐漸(jian)收縮(suo)，最(zui)后坍縮(suo)為白(bai)矮星(xing)、中(zhong)子星(xing)和(he)黑洞，也(ye)(ye)都是由于引(yin)(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用，因此(ci)引(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)(ye)是促(cu)使天體演化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要因素。

迄今為(wei)止(zhi)，我們(men)已經知(zhi)道，引(yin)(yin)力(li)(li)(li)是一種與時空基本結構緊(jin)密(mi)關聯的(de)普適力(li)(li)(li)。應(ying)該(gai)視其為(wei)基本力(li)(li)(li)。換(huan)句話說，我們(men)應(ying)該(gai)用(yong)(yong)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)來度量其他東西，而不(bu)是用(yong)(yong)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(bu)是微弱(ruo)的(de)——它本來就是這樣子的(de)。事實上，引(yin)(yin)力(li)(li)(li)顯得如此之(zhi)微弱(ruo)一直讓理論物(wu)理學界感到困惑。

大統一理論

萬有引(yin)力(li)、電(dian)(dian)磁力(li)、強相(xiang)互(hu)(hu)作用力(li)、弱相(xiang)互(hu)(hu)作用力(li)這(zhe)四種作用力(li)是基本力(li)。它們(men)(men)都(dou)是通過(guo)在粒子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間交(jiao)換的(de)(de)(de)一種“傳(chuan)播子(zi)(zi)”實現的(de)(de)(de)交(jiao)互(hu)(hu)作用的(de)(de)(de)，這(zhe)就像(xiang)兩個人(ren)托排(pai)球(qiu)(qiu)，通過(guo)他(ta)們(men)(men)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)排(pai)球(qiu)(qiu)把他(ta)們(men)(men)聯(lian)系在一起一樣(yang)。帶電(dian)(dian)粒子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間電(dian)(dian)磁相(xiang)互(hu)(hu)作用的(de)(de)(de)傳(chuan)播子(zi)(zi)是質(zhi)量為零、自旋為1的(de)(de)(de)光子(zi)(zi)。 原來有學(xue)者認(ren)為，核(he)(he)子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)強相(xiang)互(hu)(hu)作用（核(he)(he)力(li)）是靠π介子(zi)(zi)傳(chuan)遞的(de)(de)(de)，但由于核(he)(he)子(zi)(zi)和π介子(zi)(zi)都(dou)是由夸克組成(cheng)的(de)(de)(de)，所以(yi)歸根(gen)結(jie)底它們(men)(men)是夸克之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作用。

傳遞(di)夸克之(zhi)間(jian)強相互作(zuo)用(yong)的(de)(de)傳播子稱為(wei)“膠子”。注意光(guang)子不(bu)帶(dai)(dai)電(dian)(dian)，且只有一(yi)種，而膠子帶(dai)(dai)“色(se)(se)(se)荷(he)”，分為(wei)八(ba)種不(bu)同的(de)(de)膠子。不(bu)過(guo)它(ta)(ta)和光(guang)子一(yi)樣，都(dou)是自旋為(wei)1的(de)(de)玻色(se)(se)(se)子。弱相互作(zuo)用(yong)的(de)(de)傳播子是“中間(jian)玻色(se)(se)(se)子”，它(ta)(ta)的(de)(de)自旋也為(wei)1。有三(san)種帶(dai)(dai)電(dian)(dian)情況：把帶(dai)(dai)有正(zheng)負單位電(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)中間(jian)玻色(se)(se)(se)子記為(wei)W+、W-，把不(bu)帶(dai)(dai)電(dian)(dian)的(de)(de)中間(jian)玻色(se)(se)(se)子記為(wei)Z。1983年歐洲核子研究中心的(de)(de)盧比(bi)亞和范德梅爾(er)，在質子-反質子對撞機實驗(yan)中發現了(le)這三(san)種中間(jian)玻色(se)(se)(se)子，第二(er)年即獲得諾貝爾(er)獎。

在現代物(wu)理學(xue)中(zhong)，能量(liang)概念比質量(liang)概念更(geng)具有核心地位。這表(biao)現在許多方(fang)(fang)面。真正守恒(heng)的(de)是能量(liang)而非質量(liang)。出(chu)現在各類(lei)基本方(fang)(fang)程，如(ru)統計力學(xue)的(de)波(bo)爾茲曼方(fang)(fang)程，量(liang)子力學(xue)的(de)薛定諤方(fang)(fang)程和(he)關于(yu)引力的(de)愛因斯坦方(fang)(fang)程等方(fang)(fang)程中(zhong)也是能量(liang)。而質量(liang)似乎更(geng)多地與技術途徑相聯系(xi)，例如(ru)作為龐加萊群不可(ke)約(yue)表(biao)示的(de)符(fu)號。

因此，愛因斯坦方程提出(chu)了一項挑戰。如(ru)果能(neng)(neng)(neng)夠用能(neng)(neng)(neng)量來解釋質量，這將有助于(yu)改進科(ke)學家們(men)對于(yu)世(shi)界的(de)描述，這樣，構(gou)建世(shi)界所需要的(de)構(gou)件可能(neng)(neng)(neng)變得(de)更少。

借(jie)助于愛(ai)因斯坦定(ding)律(lv)，我們可以更好(hao)地(di)解(jie)決(jue)或(huo)者回答牛頓所未(wei)曾解(jie)決(jue)的(de)問題：什么(me)是(shi)質(zhi)量的(de)起源？引力(li)與(yu)其(qi)他基(ji)本力(li)之間到底有什么(me)關聯？

問題1：如果E=mc2，那(nei)么，質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)正比于能量(liang)(liang)。因此如果能量(liang)(liang)守恒，是不是意(yi)味著質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)也守恒？然而，愛因斯坦的(de)(de)方程(cheng)只(zhi)能運用到靜止的(de)(de)孤立的(de)(de)物體(ti)上。一般(ban)來說，兩個物體(ti)相(xiang)互作用時，能量(liang)(liang)和質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)不成正比。E=mc2根本不適用。

問題(ti)2：用無質(zhi)量的(de)(de)(de)(de)構件搭建起來的(de)(de)(de)(de)物體如何感知引(yin)力(li)(li)？牛(niu)頓(dun)定律(lv)(lv)說(shuo)物體受到的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)與質(zhi)量成正(zheng)比，但事實上(shang)，通(tong)常被認(ren)為(wei)是零質(zhi)量的(de)(de)(de)(de)光(guang)子卻會受到引(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作用而發生彎曲。這是1919年為(wei)嚴(yan)驗證(zheng)在(zai)愛因(yin)斯坦(tan)廣(guang)義相對論所提出的(de)(de)(de)(de)假(jia)設進行的(de)(de)(de)(de)一次科學實觀測(ce)所證(zheng)實了的(de)(de)(de)(de)。那(nei)么這是否意味著(zhu)光(guang)子質(zhi)量非零還(huan)是牛(niu)頓(dun)引(yin)力(li)(li)定律(lv)(lv)缺少普適性(xing)？

光的(de)(de)問(wen)題是(shi)一個(ge)值得(de)重視(shi)的(de)(de)首要性問(wen)題。《圣經·創世紀》中(zhong)上(shang)(shang)帝(di)在造物(wu)(wu)的(de)(de)第一日所創造之物(wu)(wu)便是(shi)光，上(shang)(shang)帝(di)在圣經中(zhong)也多次把(ba)光當成自己的(de)(de)化(hua)身(shen)。光是(shi)“所有(you)事物(wu)(wu)”中(zhong)最重要的(de)(de)元素(su)，當然(ran)它截然(ran)不(bu)同(tong)于原子(zi)。人(ren)們本能(neng)地認為(wei)光是(shi)與(yu)物(wu)(wu)質完全不(bu)同(tong)的(de)(de)另一類(lei)東西，是(shi)非物(wu)(wu)質的(de)(de)甚(shen)至是(shi)精(jing)神層面的(de)(de)，這很自然(ran)。

光(guang)也的(de)確(que)表現出完全(quan)不同于可(ke)(ke)觸摸(mo)物質的(de)特性——后(hou)(hou)者是(shi)(shi)那種你(ni)踢一下就(jiu)會傷著腳趾頭或者是(shi)(shi)流過吹過你(ni)身邊(bian)的(de)東西(xi)。如果你(ni)要跟費恩曼例子里的(de)災后(hou)(hou)遺(yi)民講授(shou)物理(li)學，你(ni)大(da)可(ke)(ke)告訴他們，光(guang)是(shi)(shi)物質的(de)另(ling)一種形式，他們也會理(li)解。你(ni)甚至(zhi)可(ke)(ke)以告訴他們，光(guang)是(shi)(shi)由粒子——光(guang)子——組(zu)成的(de)。光(guang)子在真空中運(yun)動速(su)度很(hen)大(da)，但(dan)是(shi)(shi)在超導狀態下，光(guang)運(yun)行的(de)速(su)度很(hen)慢，大(da)體(ti)跟目前(qian)世(shi)界(jie)跑(pao)得最快的(de)奧(ao)運(yun)會短跑(pao)冠軍的(de)速(su)度相近，而且，光(guang)子在這種狀態下也具有了質量。

其次，值(zhi)得(de)提及(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)是原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)不是故事(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)結束，它們(men)是由更基本的(de)(de)(de)(de)(de)構件組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。因(yin)為(wei)所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)物質(zhi)都能發光，所(suo)(suo)以我(wo)們(men)可以假設(she)所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)物質(zhi)都是由原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和光子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)是由原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核和電子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核很(hen)(hen)小(xiao)，其大(da)(da)小(xiao)大(da)(da)約(yue)為(wei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)10萬分之(zhi)一(yi)，但它卻(que)包含所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)電荷和構成(cheng)(cheng)了(le)幾乎所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量。沿(yan)此思路(lu)走(zou)下去，我(wo)們(men)將(jiang)很(hen)(hen)快將(jiang)費恩曼故事(shi)中災后遺(yi)民引(yin)領到正(zheng)確理(li)解科學的(de)(de)(de)(de)(de)化學和電子(zi)(zi)學的(de)(de)(de)(de)(de)道路(lu)上來，從而重建(jian)我(wo)們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)世(shi)界。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)因(yin)為(wei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核和電子(zi)(zi)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)電性(xing)吸引(yin)而保(bao)持穩定(ding)。最后，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核又由質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)(cheng)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核卻(que)由另一(yi)種(zhong)力來維持，這種(zhong)力要比電性(xing)力強大(da)(da)很(hen)(hen)多，但作用的(de)(de)(de)(de)(de)距離卻(que)很(hen)(hen)短。這種(zhong)對(dui)于(yu)物質(zhi)認識狀(zhuang)態，大(da)(da)約(yue)是1935年前后的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)形。而我(wo)們(men)所(suo)(suo)了(le)解的(de)(de)(de)(de)(de)當然要大(da)(da)大(da)(da)跨越這一(yi)時期的(de)(de)(de)(de)(de)知識水準。

1932年，詹姆斯(si)·查德威克發(fa)現了(le)中(zhong)子(zi)，這是(shi)一(yi)個里程碑。在查德威克的發(fa)現之(zhi)后，理解原(yuan)子(zi)核的道路似(si)乎(hu)變(bian)得通暢了(le)。人們認為原(yuan)子(zi)核的構件已被發(fa)現，它們就是(shi)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)。這是(shi)兩種重量近似(si)的的粒子(zi)，而且(qie)有(you)著類(lei)似(si)的強相互(hu)作用。質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)的最(zui)明(ming)顯(xian)的差(cha)別就是(shi)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)帶正電(dian)荷，而中(zhong)子(zi)呈電(dian)中(zhong)性(xing)。此(ci)外，孤立的中(zhong)子(zi)不(bu)穩(wen)定(ding)，大約會(hui)在15分鐘的壽(shou)命期限內衰變(bian)成一(yi)個質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)（加一(yi)個正電(dian)荷和一(yi)個中(zhong)微子(zi)）。將(jiang)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)簡單相加，你就可以得到不(bu)同電(dian)荷數(shu)和質(zhi)(zhi)(zhi)量的模型原(yuan)子(zi)核，它與已知原(yuan)子(zi)核基本相符。

牛頓在1704年發表的《光學》一書中，這樣表述了他對物質(zhi)(zhi)的終(zhong)極(ji)性質(zhi)(zhi)的設想：

“在(zai)我看(kan)來(lai)，事實上(shang)可(ke)能(neng)是，上(shang)帝開(kai)始造物的(de)時(shi)，將物質做成(cheng)了(le)結實、沉重、堅(jian)硬、不(bu)可(ke)入但可(ke)運動的(de)微粒(li)，其(qi)(qi)大小、形(xing)狀和其(qi)(qi)它(ta)一(yi)些(xie)(xie)屬(shu)性(xing)以及空(kong)間上(shang)的(de)比例(li)都(dou)恰好有(you)助(zhu)于(yu)他(ta)實現創造它(ta)們的(de)目(mu)的(de)。由于(yu)這些(xie)(xie)原始微粒(li)是些(xie)(xie)固體(ti)，所以它(ta)們比任何(he)由它(ta)們合成(cheng)的(de)多孔的(de)物體(ti)都(dou)要堅(jian)固得(de)(de)無可(ke)比擬。它(ta)們甚(shen)至堅(jian)硬得(de)(de)永遠不(bu)會磨損或破裂(lie)，沒有(you)任何(he)普通的(de)力(li)量能(neng)把上(shang)帝在(zai)他(ta)第一(yi)次創世時(shi)他(ta)自己造出來(lai)的(de)東西分開(kai)。”

物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)科學實質(zhi)(zhi)(zhi)，其不可(ke)再分的(de)(de)核心是(shi)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)規定(ding)了物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)反抗運動的(de)(de)能(neng)力，也就是(shi)它的(de)(de)慣(guan)性。質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)是(shi)不變的(de)(de)，即(ji)具有“保守(shou)性”。它可(ke)以(yi)從一個物(wu)體轉移(yi)到另一個物(wu)體，但是(shi)永遠不會增生或被消滅。對(dui)于牛(niu)頓來(lai)說(shuo)，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)定(ding)義了物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)多(duo)少(shao)。在牛(niu)頓物(wu)理學中，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)提供了力和運動以(yi)及引力源之間聯系的(de)(de)橋梁。而在拉瓦錫看來(lai)，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)穩定(ding)性及其精確(que)的(de)(de)守(shou)恒性，則構成了化(hua)學的(de)(de)基礎和富(fu)有成果(guo)的(de)(de)發現指南。

我們在化學的(de)經驗表明，對所有(you)這些(xie)復(fu)雜性(xing)給予解釋是可能的(de)。也許(xu)質子(zi)、中子(zi)和其它(ta)(ta)強子(zi)不(bu)是基本粒子(zi)。它(ta)(ta)們也許(xu)是由性(xing)質更(geng)為簡(jian)單(dan)的(de)更(geng)為基本的(de)對象構成。

事實上，如果我(wo)們(men)針(zhen)對原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)上做(zuo)(zuo)在質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)上做(zuo)(zuo)的(de)(de)(de)(de)散(san)射實驗，來研究原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在近距離(li)碰(peng)撞下會(hui)(hui)發(fa)生什么(me)，我(wo)們(men)會(hui)(hui)得到(dao)同樣復雜的(de)(de)(de)(de)結果：重新(xin)分布的(de)(de)(de)(de)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)碎裂而成的(de)(de)(de)(de)類新(xin)型分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或處于激發(fa)態的(de)(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或自由(you)基(ji)），換句話說，得到(dao)的(de)(de)(de)(de)各種化學反(fan)應。服從(cong)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)力定律的(de)(de)(de)(de)只是(shi)基(ji)本的(de)(de)(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而由(you)多個(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組成的(de)(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則(ze)不(bu)。而且在亞原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情(qing)形下，質量(liang)也不(bu)守恒(heng)。如果你將質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟(hong)擊得足夠致密，你就(jiu)會(hui)(hui)發(fa)現(xian)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)是(shi)更多的(de)(de)(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有時還(huan)會(hui)(hui)伴有其它(ta)強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一(yi)個(ge)(ge)(ge)典型的(de)(de)(de)(de)情(qing)形是(shi)，讓兩個(ge)(ge)(ge)高能質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相(xiang)互碰(peng)撞，得到(dao)卻是(shi)3個(ge)(ge)(ge)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)反(fan)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)若干(gan)個(ge)(ge)(ge)介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)總質量(liang)會(hui)(hui)大于反(fan)應前兩個(ge)(ge)(ge)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)之(zhi)和(he)。

光(guang)(guang)沒有質(zhi)量。光(guang)(guang)不(bu)用推動就(jiu)可以(yi)(yi)產(chan)生巨(ju)大的(de)速度(du)從光(guang)(guang)源傳遞到接受器。光(guang)(guang)很容(rong)易就(jiu)可以(yi)(yi)產(chan)生（發(fa)射）或湮沒（被吸收(shou)）。光(guang)(guang)也不(bu)具(ju)備(bei)引力(li)那樣(yang)的(de)拉力(li)。但光(guang)(guang)有能(neng)量，能(neng)輕而易舉(ju)地被轉(zhuan)化(hua)并儲藏起來，例如植(zhi)物(wu)(wu)的(de)葉綠素(su)在光(guang)(guang)合作用下，可以(yi)(yi)把(ba)空氣(qi)中的(de)二氧化(hua)碳和(he)植(zhi)物(wu)(wu)根系吸收(shou)的(de)水分、礦物(wu)(wu)質(zhi)轉(zhuan)換成多糖(tang)、氨基酸(suan)或纖(xian)維素(su)的(de)化(hua)學鍵里。在元(yuan)素(su)周(zhou)期表我們找(zhao)不(bu)到光(guang)(guang)的(de)位置(zhi)，而這個周(zhou)期表里分布都是構(gou)成物(wu)(wu)質(zhi)的(de)各種構(gou)件。

在近代科(ke)學誕(dan)生(sheng)前的幾百年以及(ji)誕(dan)生(sheng)后的兩個半世紀里(li)，實(shi)在分為(wei)物(wu)質(zhi)和光(guang)似乎是不言(yan)自(zi)明的。物(wu)質(zhi)有(you)質(zhi)量(liang)(liang)且守恒，光(guang)沒有(you)質(zhi)量(liang)(liang)。如果有(you)質(zhi)量(liang)(liang)物(wu)質(zhi)和無質(zhi)量(liang)(liang)的光(guang)始(shi)(shi)終彼此隔絕(jue)，那(nei)么(me)物(wu)理世界(jie)就(jiu)始(shi)(shi)終無法實(shi)現統一的描述。

在(zai)(zai)20世(shi)紀(ji)(ji)(ji)的(de)(de)前半葉，相對論和(he)量(liang)子物(wu)理學(xue)的(de)(de)出現(xian)摧毀了經(jing)典(dian)物(wu)理學(xue)的(de)(de)基礎。現(xian)存的(de)(de)物(wu)質和(he)光(guang)的(de)(de)理論幾同廢墟。這(zhe)一創新性的(de)(de)破(po)壞過程(cheng)，使得物(wu)理學(xue)家有可能在(zai)(zai)20世(shi)紀(ji)(ji)(ji)的(de)(de)下半葉建(jian)造起(qi)一個新的(de)(de)更深刻的(de)(de)物(wu)質-光(guang)理論，它(ta)將徹底破(po)除(chu)自(zi)古以來對兩者分(fen)離的(de)(de)認識(shi)。新的(de)(de)理論認為，世(shi)界是(shi)(shi)建(jian)立在(zai)(zai)充滿以太的(de)(de)多(duo)層級空間基礎上的(de)(de)。這(zhe)里(li)借用的(de)(de)“以太”雖然是(shi)(shi)十(shi)七世(shi)紀(ji)(ji)(ji)的(de)(de)哲學(xue)家笛卡爾的(de)(de)概(gai)念(nian)，在(zai)(zai)十(shi)九世(shi)紀(ji)(ji)(ji)時麥克斯韋(wei)則稱之為“場”，而在(zai)(zai)1970年代(dai)中，維爾切(qie)克則將其稱之為“網格”。

新的(de)(de)世界模型盡管看起來有(you)點稀(xi)奇古怪(guai)，但卻非常成功而且精確(que)。它為(wei)我(wo)們提供了對(dui)普(pu)通物質質量起源(yuan)的(de)(de)新認識。簡單來說，物質的(de)(de)出(chu)現于相對(dui)論(lun)、量子場論(lun)和色動(dong)力學均有(you)關系——后(hou)者是研究(jiu)支配夸克和膠子行為(wei)特有(you)規律的(de)(de)學問。如果不深入了解(jie)并熟悉地運用(yong)這些概念(nian)，我(wo)們就無法理(li)解(jie)質量的(de)(de)起源(yuan)。而且迄今(jin)為(wei)止，量子場論(lun)和色動(dong)力學仍(reng)然是活(huo)躍(yue)的(de)(de)研究(jiu)領(ling)域，還有(you)許許多多的(de)(de)問題有(you)待解(jie)決。

不(bu)久以前，人們曾(ceng)經認為(wei)普通物質(zhi)的(de)基(ji)本構件就是(shi)(shi)質(zhi)子(zi)和(he)中子(zi)。之后，科學家(jia)們又發現，普通物質(zhi)的(de)基(ji)本構件——質(zhi)子(zi)和(he)中子(zi)——內有些小東西。這些小東西叫(jiao)做(zuo)夸克和(he)膠子(zi)。當(dang)然(ran)，知道它們的(de)名字并(bing)不(bu)等于(yu)告訴我們他們是(shi)(shi)什么，正如莎士比亞筆下的(de)羅密歐所解釋的(de)那(nei)樣：

“名字有什么(me)意(yi)義？我們叫做(zuo)玫瑰(gui)的東西，換個名字，還是(shi)一樣的香艷。”

但是，如(ru)果夸克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)只(zhi)是物質內部(bu)永無止境的(de)(de)(de)復(fu)雜結(jie)構的(de)(de)(de)又(you)一(yi)層(ceng)級，那(nei)么它們(men)的(de)(de)(de)名(ming)字只(zhi)不過提(ti)供一(yi)種讓人(ren)們(men)炫耀的(de)(de)(de)非(fei)流(liu)行語(yu)詞。然(ran)而夸克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)并不“只(zhi)是又(you)一(yi)層(ceng)級”。在膠(jiao)子(zi)本(ben)身被發現(xian)(xian)(xian)之前，人(ren)們(men)已(yi)經發現(xian)(xian)(xian)了描述(shu)膠(jiao)子(zi)的(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)。1954年(nian)楊振寧和(he)羅(luo)伯特·米爾(er)斯發現(xian)(xian)(xian)作(zuo)為電動(dong)力學(xue)的(de)(de)(de)麥克(ke)斯韋方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)自(zi)(zi)然(ran)數(shu)學(xue)推(tui)廣(guang)的(de)(de)(de)一(yi)類(lei)方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)，表明麥克(ke)斯韋方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)的(de)(de)(de)自(zi)(zi)然(ran)數(shu)學(xue)推(tui)廣(guang)方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)支持所(suo)有已(yi)知荷的(de)(de)(de)對稱性，而在楊-米爾(er)斯方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)組(zu)基礎(chu)上由(you)大(da)衛·格羅(luo)斯和(he)弗(fu)蘭克(ke)·維(wei)爾(er)切克(ke)于1973年(nian)推(tui)導出了適用(yong)于現(xian)(xian)(xian)實世界(jie)中(zhong)強(qiang)相(xiang)互作(zuo)用(yong)膠(jiao)子(zi)方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)使用(yong)了三種“荷”。出現(xian)(xian)(xian)在強(qiang)相(xiang)互作(zuo)用(yong)理論中(zhong)的(de)(de)(de)這三種荷通常稱為色荷，或簡(jian)稱為荷。

在(zai)(zai)20世紀60年代初，實(shi)驗者發(fa)現了(le)幾(ji)十種強子(zi)(zi)(zi)，它們的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)、壽(shou)命和固有的(de)(de)(de)自(zi)(zi)旋均不相同。其中(zhong)，希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)玻色子(zi)(zi)(zi)是粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)物(wu)理學(xue)標(biao)準(zhun)模型(xing)預言的(de)(de)(de)一種自(zi)(zi)旋為(wei)零的(de)(de)(de)玻色子(zi)(zi)(zi)，至今尚未在(zai)(zai)實(shi)驗中(zhong)觀察(cha)到。它也是標(biao)準(zhun)模型(xing)中(zhong)最(zui)后一種未被發(fa)現的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)。物(wu)理學(xue)家希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)提(ti)出了(le)希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)機制(zhi)。在(zai)(zai)此機制(zhi)中(zhong)，希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)場引起自(zi)(zi)發(fa)對(dui)稱性破缺，并(bing)將質(zhi)量(liang)賦予規范傳播(bo)子(zi)(zi)(zi)和費米子(zi)(zi)(zi)。希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)是希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)場的(de)(de)(de)場量(liang)子(zi)(zi)(zi)化激發(fa)，它通過(guo)自(zi)(zi)相互作用而獲得質(zhi)量(liang)。2012年7月2日，美國(guo)能源部下屬的(de)(de)(de)費米國(guo)家加速器實(shi)驗室宣布，該(gai)實(shi)驗室最(zui)新數據(ju)接近(jin)證(zheng)明被稱為(wei)“上帝粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)(de)希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)玻色子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)。2013年3月14日，歐洲核子(zi)(zi)(zi)研究組織(zhi)發(fa)布新聞稿表示，先(xian)前探測到的(de)(de)(de)新粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)是希(xi)(xi)格(ge)(ge)(ge)(ge)斯(si)(si)玻色子(zi)(zi)(zi)。

在(zai)粒(li)子物(wu)理(li)學里，標準模(mo)型是(shi)(shi)一種被(bei)廣泛接受的(de)(de)框架，可(ke)以(yi)描述強力、弱力及(ji)電磁力這(zhe)三種基(ji)(ji)本力及(ji)組成(cheng)所(suo)有物(wu)質(zhi)的(de)(de)基(ji)(ji)本粒(li)子。由于基(ji)(ji)本粒(li)子和基(ji)(ji)本力形(xing)成(cheng)了物(wu)理(li)世界，所(suo)以(yi)，除了引力以(yi)外(wai)，標準模(mo)型可(ke)以(yi)合理(li)解釋這(zhe)世界中的(de)(de)大多數(shu)物(wu)理(li)現象。最初，標準模(mo)型所(suo)倚賴的(de)(de)規(gui)范場(chang)論禁止基(ji)(ji)本粒(li)子擁(yong)有質(zhi)量，這(zhe)很(hen)明顯地(di)顯示出(chu)初始模(mo)型不(bu)(bu)夠完(wan)全。后來(lai)，物(wu)理(li)學者(zhe)研究出(chu)一種機(ji)制(zhi)，能夠利用對稱性(xing)破缺來(lai)賦予基(ji)(ji)本粒(li)子質(zhi)量，同時又不(bu)(bu)會抵觸到(dao)(dao)(dao)規(gui)范場(chang)論。這(zhe)機(ji)制(zhi)被(bei)稱為(wei)希格(ge)(ge)斯機(ji)制(zhi)。在(zai)所(suo)有解釋質(zhi)量起源(yuan)的(de)(de)機(ji)制(zhi)之中，希格(ge)(ge)斯機(ji)制(zhi)是(shi)(shi)最簡單(dan)、最被(bei)認(ren)可(ke)的(de)(de)一種。物(wu)理(li)學者(zhe)已完(wan)成(cheng)了很(hen)多實驗，并(bing)確實偵(zhen)測到(dao)(dao)(dao)這(zhe)機(ji)制(zhi)引發的(de)(de)許多種效應，但是(shi)(shi)他(ta)們不(bu)(bu)確切(qie)了解這(zhe)機(ji)制(zhi)到(dao)(dao)(dao)底是(shi)(shi)怎么一回事。

標準(zhun)模(mo)型給(gei)出了自(zi)然(ran)界四種(zhong)相互(hu)作用(yong)(yong)中的(de)電(dian)(dian)磁相互(hu)作用(yong)(yong)和弱相互(hu)作用(yong)(yong)的(de)統一描述，但是(shi)在(zai)能量低于(yu)一定條件后，電(dian)(dian)磁相互(hu)作用(yong)(yong)和弱相互(hu)作用(yong)(yong)將呈現(xian)為不同(tong)的(de)相互(hu)作用(yong)(yong)，這被稱為電(dian)(dian)弱相互(hu)作用(yong)(yong)的(de)對(dui)稱性自(zi)發破缺。希格斯粒子(zi)就是(shi)在(zai)標準(zhun)模(mo)型解釋電(dian)(dian)弱對(dui)稱性自(zi)發破缺的(de)機(ji)制時(shi)引入的(de)。

根據標準(zhun)模(mo)型理(li)論，宇宙(zhou)空間中(zhong)(zhong)的(de)(de)各處，無論是真空中(zhong)(zhong)還是空氣中(zhong)(zhong)，甚至(zhi)是物質的(de)(de)內部，都充滿了希(xi)格(ge)斯粒子(zi)（希(xi)格(ge)斯場）。希(xi)格(ge)斯粒子(zi)被認為(wei)是生成基本粒子(zi)的(de)(de)“質量(liang)”之源。雖然(ran)質量(liang)總是與“重量(liang)”聯系在一(yi)(yi)起，但嚴格(ge)說起來是不一(yi)(yi)樣的(de)(de)。質量(liang)應(ying)該是反(fan)映“改(gai)變加(jia)速度(du)的(de)(de)難易程度(du)”的(de)(de)物理(li)量(liang)。

為(wei)什(shen)么有(you)(you)些基(ji)本粒子(zi)具有(you)(you)質量(liang)，而有(you)(you)些基(ji)本粒子(zi)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)為(wei)零？物理(li)學(xue)界仍在不停的(de)(de)(de)(de)探索(suo)中。而更加(jia)令物理(li)學(xue)家們棘手的(de)(de)(de)(de)是，即(ji)使(shi)標準模型理(li)論解決(jue)了除引力(li)(li)外(wai)的(de)(de)(de)(de)另(ling)外(wai)三種基(ji)本力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)統一問題，但引力(li)(li)如何(he)與(yu)其他三種達(da)到大一統的(de)(de)(de)(de)局(ju)面，仍然缺(que)少一些重要的(de)(de)(de)(de)中間(jian)環(huan)節。另(ling)外(wai)，如果愛因斯坦提(ti)出的(de)(de)(de)(de)能量(liang)與(yu)質量(liang)交換方程是普(pu)適而有(you)(you)效的(de)(de)(de)(de)，那(nei)么，質量(liang)是否(fou)源于(yu)能量(liang)的(de)(de)(de)(de)凝聚呢？

我們知(zhi)道(dao)，原子(zi)(zi)中的(de)(de)電子(zi)(zi)可以(yi)(yi)有不同的(de)(de)軌道(dao)形狀(zhuang)，其(qi)自旋可有不同取(qu)向，因(yin)此(ci)原子(zi)(zi)可有許多不同能態。對這些(xie)可能的(de)(de)態的(de)(de)研究是(shi)原子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)研究的(de)(de)重要內容。我們常(chang)用原子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)來揭示各種不同的(de)(de)態是(shi)由什(shen)么(me)決定(ding)的(de)(de)，來設計激(ji)光(guang)器(qi)以(yi)(yi)及(ji)許多其(qi)它(ta)事情。由于原子(zi)(zi)光(guang)譜(pu)本身的(de)(de)重要性以(yi)(yi)及(ji)它(ta)與夸克模型有千(qian)絲萬(wan)縷(lv)的(de)(de)聯系，因(yin)此(ci)我們得首先花點時(shi)間來說說光(guang)譜(pu)。

像火焰或(huo)者恒(heng)星大氣這(zhe)樣的(de)(de)(de)熱氣體中就(jiu)包含處(chu)于(yu)不(bu)同(tong)(tong)態的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)。即使是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)核相同(tong)(tong)、電子(zi)數相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，其電子(zi)仍然可有不(bu)同(tong)(tong)軌道或(huo)不(bu)同(tong)(tong)自旋(xuan)取(qu)向(xiang)。這(zhe)些態有不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)能(neng)量。高能(neng)態可衰變到(dao)底能(neng)態并(bing)發光。由于(yu)能(neng)量總體上是(shi)守恒(heng)的(de)(de)(de)，因此發出(chu)的(de)(de)(de)光子(zi)的(de)(de)(de)能(neng)量可通過其顏(yan)色(se)來獲知，這(zhe)個能(neng)量反映了初態和(he)終態之間的(de)(de)(de)能(neng)量差(cha)。每一種原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)發出(chu)的(de)(de)(de)光都有一套特征顏(yan)色(se)分(fen)布。氫(qing)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)發出(chu)的(de)(de)(de)光是(shi)一組顏(yan)色(se)條紋，氦原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)發射的(de)(de)(de)光澤是(shi)完全(quan)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)另一組顏(yan)色(se)條紋，等等。物理學(xue)家和(he)化學(xue)家將這(zhe)種顏(yan)色(se)分(fen)布成為原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)頻譜(pu)。原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)(de)頻譜(pu)起著標識(shi)該原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)特征的(de)(de)(de)作用，可以用來識(shi)別原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)。當(dang)你讓光線通過棱鏡從而使不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)顏(yan)色(se)分(fen)開(kai)時，得到(dao)的(de)(de)(de)譜(pu)就(jiu)相當(dang)于(yu)一套條碼。

原(yuan)(yuan)子(zi)光譜在(zai)(zai)構(gou)建(jian)原(yuan)(yuan)子(zi)內部結構(gou)模(mo)型(xing)方(fang)面曾經給予我們(men)很多具(ju)體的(de)(de)(de)指(zhi)向。以此為(wei)基(ji)礎，我們(men)再回到夸克(ke)模(mo)型(xing)上來。同(tong)(tong)(tong)樣的(de)(de)(de)設想(xiang)經過改造后再亞原(yuan)(yuan)子(zi)層面上依然有效。在(zai)(zai)原(yuan)(yuan)子(zi)層面上，電(dian)子(zi)兩個態之間的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)差(cha)相(xiang)對較小，這個能(neng)量(liang)(liang)(liang)差(cha)從原(yuan)(yuan)子(zi)總(zong)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)來看顯得微不(bu)(bu)足道。夸克(ke)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)核心思想(xiang)是(shi)，夸克(ke)“原(yuan)(yuan)子(zi)”即強(qiang)子(zi)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)態之間的(de)(de)(de)能(neng)差(cha)非(fei)常之大，它們(men)對確定(ding)強(qiang)子(zi)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)起著重要(yao)作用。根據愛因(yin)斯坦能(neng)量(liang)(liang)(liang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)交換(huan)公式推導出的(de)(de)(de)m=E/c2，我們(men)可以將不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)強(qiang)子(zi)理(li)解為(wei)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)軌道模(mo)式——即不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)態——的(de)(de)(de)夸克(ke)系統具(ju)有不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)。質(zhi)言(yan)之，原(yuan)(yuan)子(zi)光譜是(shi)供看的(de)(de)(de)，強(qiang)子(zi)譜澤是(shi)供稱量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)。利用這一原(yuan)(yuan)理(li)，蓋爾曼和茨威(wei)格證明了，人們(men)可以將觀測(ce)到的(de)(de)(de)許多不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)強(qiang)子(zi)解釋為(wei)幾(ji)個基(ji)本夸克(ke)“夸克(ke)”的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)態。

然而，難(nan)以(yi)置(zhi)信的(de)(de)是，盡管科學家們(men)都(dou)非常渴(ke)望(wang)找到(dao)單一(yi)(yi)的(de)(de)夸(kua)克粒(li)(li)子，結果卻屢(lv)屢(lv)失(shi)敗(bai)。迄今(jin)為止(zhi)，人們(men)沒(mei)有觀測(ce)到(dao)任何(he)粒(li)(li)子具有單一(yi)(yi)夸(kua)克的(de)(de)特性。如同發明(ming)永動機(ji)的(de)(de)失(shi)敗(bai)一(yi)(yi)樣，尋找單個夸(kua)克的(de)(de)失(shi)敗(bai)已經(jing)升格為一(yi)(yi)條原理(li)：夸(kua)克禁(jin)閉原理(li)。

當(dang)物(wu)理學(xue)家(jia)試(shi)圖用夸(kua)克(ke)來充實介(jie)子和(he)重子的(de)(de)內(nei)部結構模型(xing)，以(yi)便可以(yi)說明它們(men)的(de)(de)質(zhi)量時(shi)，更大(da)的(de)(de)困(kun)難(nan)出現(xian)了。即(ji)使是在最(zui)成功的(de)(de)模型(xing)里，情(qing)況似(si)乎總是，當(dang)夸(kua)克(ke)（或反夸(kua)克(ke)）彼(bi)(bi)此(ci)靠(kao)近(jin)時(shi)，它們(men)幾乎從(cong)不(bu)注意到(dao)對方(fang)(fang)的(de)(de)存在。夸(kua)克(ke)之間(jian)的(de)(de)相互作用力(li)是如此(ci)微弱，人們(men)很(hen)難(nan)將它與(yu)無法發現(xian)獨立夸(kua)克(ke)的(de)(de)事實調(diao)和(he)起來。如果夸(kua)克(ke)彼(bi)(bi)此(ci)接近(jin)時(shi)不(bu)在乎對方(fang)(fang)的(de)(de)存在，那它們(men)彼(bi)(bi)此(ci)遠離后為什么不(bu)可以(yi)單(dan)獨存在呢？

這里可能出現了一(yi)(yi)種以前從未有(you)過的(de)隨(sui)距離增大而(er)增大的(de)基本力。最初的(de)夸克(ke)模(mo)型沒有(you)給出描述(shu)(shu)夸克(ke)之(zhi)間力的(de)精(jing)確方(fang)(fang)程。在(zai)一(yi)(yi)方(fang)(fang)面，夸克(ke)模(mo)型頗有(you)些類(lei)似(si)于前牛(niu)頓的(de)太陽(yang)系模(mo)型，或者前薛定諤/前玻(bo)爾(er)原子(zi)模(mo)型。許(xu)多物理學(xue)家(jia)，包括(kuo)蓋爾(er)曼本人，認(ren)為夸克(ke)只(zhi)是(shi)(shi)一(yi)(yi)個可以成為自(zi)然界(jie)數(shu)學(xue)描述(shu)(shu)里的(de)有(you)用的(de)工具，而(er)不是(shi)(shi)真正意義上(shang)的(de)實在(zai)的(de)元素。

我們知道，質(zhi)子(zi)內(nei)部(bu)的(de)物(wu)質(zhi)運動(dong)(dong)極快。在斯坦(tan)福(fu)直(zhi)線加速器中心，科學(xue)家實際(ji)上是(shi)采(cai)用電(dian)子(zi)來轟擊質(zhi)子(zi)，然后(hou)觀(guan)測(ce)兩者(zhe)碰(peng)撞后(hou)出射電(dian)子(zi)的(de)行(xing)為。出射電(dian)子(zi)的(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)和動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)(liang)比碰(peng)撞前要少(shao)。由于能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)和動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)(liang)整體上是(shi)守(shou)恒的(de)，因此電(dian)子(zi)失去的(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)可能(neng)是(shi)被虛光(guang)子(zi)帶走，并轉交給質(zhi)子(zi)。這(zhe)往(wang)往(wang)導致質(zhi)子(zi)經復(fu)雜(za)過程而被打(da)破，由此導致了(le)一種新的(de)實驗(yan)方法，只追蹤電(dian)子(zi)，即(ji)只關注能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)和動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)(liang)流。

量子(zi)理論允許我們調(diao)和關于質子(zi)是(shi)什么的(de)兩個(ge)(ge)看(kan)似矛盾的(de)概(gai)念。一(yi)方(fang)面(mian)，質子(zi)內部是(shi)動(dong)態(tai)的(de)，里面(mian)的(de)事情在不(bu)斷變化、運動(dong)著。另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，所有(you)(you)質子(zi)隨(sui)時隨(sui)地都表現(xian)出完全相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)的(de)行為(wei)(wei)，也就是(shi)說(shuo)，每一(yi)個(ge)(ge)質子(zi)均給出相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)概(gai)率。如(ru)果質子(zi)在不(bu)同(tong)的(de)時間里表現(xian)不(bu)一(yi)，所有(you)(you)的(de)質子(zi)怎么可(ke)能表現(xian)完全相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)的(de)行為(wei)(wei)？一(yi)個(ge)(ge)簡(jian)單而直觀的(de)解釋是(shi)，雖(sui)然(ran)每一(yi)個(ge)(ge)體(ti)概(gai)率在演(yan)化，但整(zheng)體(ti)概(gai)率分布卻保持(chi)不(bu)變。這就像一(yi)條(tiao)平緩但在流動(dong)的(de)大河(he)，即使每一(yi)個(ge)(ge)滴水都在向前流淌，但整(zheng)個(ge)(ge)河(he)流看(kan)上去卻并無變化。

在(zai)微觀尺度上大量(liang)(liang)的粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)都(dou)很難被(bei)捕捉到(dao)。科學家(jia)們(men)(men)把它(ta)(ta)們(men)(men)叫做粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)(he)反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)（或者把反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)叫做虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)）。這(zhe)些虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)出(chu)現(xian)和(he)(he)(he)(he)消失(shi)都(dou)很快，但也跑不了(le)多遠。科學家(jia)們(men)(men)只能(neng)在(zai)極短(duan)時超高分辨(bian)率的抓拍中(zhong)和(he)(he)(he)(he)它(ta)(ta)們(men)(men)偶(ou)遇。在(zai)任何通常意義下(xia)人(ren)們(men)(men)都(dou)無(wu)法(fa)見(jian)到(dao)它(ta)(ta)們(men)(men)，除(chu)非(fei)我(wo)們(men)(men)能(neng)提(ti)供所(suo)需的能(neng)量(liang)(liang)和(he)(he)(he)(he)動量(liang)(liang)來(lai)促(cu)使它(ta)(ta)們(men)(men)產生。但即便如此(ci)，我(wo)們(men)(men)看到(dao)的也不是(shi)原來(lai)未(wei)受干擾的虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)——即自發產生和(he)(he)(he)(he)消失(shi)的那種粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)。

現代(dai)生(sheng)物醫學告訴我們，只有借助于更復雜的生(sheng)物體（宿主），病毒(du)才可以存(cun)活。虛粒子(zi)則遠為脆弱(ruo)，因為它們需要外部幫(bang)助才能存(cun)在。盡管如此，它們卻在量子(zi)力學方程里(li)，而且根(gen)據這些方程，虛粒子(zi)會影響到我們看得見的粒子(zi)的行為。

虛(xu)粒子總是成群地處于高速運動(dong)的狀態中。物理學家將其稱之為虛(xu)空空間中的實體成為一(yi)種動(dong)態介質(zhi)。由于虛(xu)粒子的行為，正電(dian)荷(he)(he)會(hui)被部(bu)分(fen)屏蔽(bi)。也就是說(shuo)(shuo)，正電(dian)荷(he)(he)周(zhou)圍往(wang)往(wang)因為異性相(xiang)吸引而(er)裹著一(yi)層(ceng)補償性的負電(dian)荷(he)(he)。從遠處看，我們感覺不到(dao)正電(dian)荷(he)(he)的全部(bu)靜(jing)電(dian)力，因為有(you)部(bu)分(fen)被周(zhou)圍的負電(dian)荷(he)(he)抵消了。換句話說(shuo)(shuo)，你(ni)越(yue)是接近電(dian)荷(he)(he)有(you)效(xiao)電(dian)荷(he)(he)就會(hui)越(yue)多；你(ni)越(yue)是遠離電(dian)荷(he)(he)，它就顯得越(yue)小。

在(zai)(zai)夸(kua)克模型里(li)我(wo)們正(zheng)好得出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)(fan)的(de)行(xing)為。假定夸(kua)克模型里(li)的(de)夸(kua)克在(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)靠(kao)近時相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)很弱，但如(ru)果它們的(de)有效電(dian)(dian)荷(he)在(zai)(zai)鄰近區域達到最大值時，我(wo)們得到的(de)只是相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)(fan)的(de)結(jie)果。這時它們彼此間(jian)的(de)距離越(yue)小，相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)就(jiu)會越(yue)強烈；相(xiang)(xiang)(xiang)距越(yue)遠，其電(dian)(dian)荷(he)被屏蔽得越(yue)明顯(xian)，因(yin)而相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)也就(jiu)越(yue)弱。

量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學(xue)起源于1927年保羅·狄拉克將量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)理論(lun)應用于電(dian)(dian)磁(ci)場量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)研究工(gong)作(zuo)。他(ta)將電(dian)(dian)荷和電(dian)(dian)磁(ci)場的(de)(de)相互作(zuo)用處理為引起能級躍(yue)遷的(de)(de)微擾，能級躍(yue)遷造成(cheng)(cheng)了發(fa)射(she)光子(zi)(zi)(zi)數量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)變化，但總體上系(xi)統(tong)滿足(zu)能量(liang)(liang)(liang)和動量(liang)(liang)(liang)守恒。狄拉克成(cheng)(cheng)功(gong)地從第一性原理導出了愛因斯坦系(xi)數的(de)(de)形式，并證明了光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)玻(bo)色-愛因斯坦統(tong)計是(shi)電(dian)(dian)磁(ci)場量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)自然(ran)結果。人(ren)們(men)發(fa)現，能夠精確描述(shu)這(zhe)類過程(cheng)是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學(xue)最重(zhong)要的(de)(de)應用之(zhi)一。另(ling)一方(fang)面，狄拉克所(suo)發(fa)展的(de)(de)相對論(lun)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力(li)學(xue)的(de)(de)前奏，狄拉克方(fang)程(cheng)作(zuo)為狹義(yi)相對論(lun)框架下量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)的(de)(de)基本方(fang)程(cheng)，所(suo)描述(shu)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)等費米子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)旋量(liang)(liang)(liang)場的(de)(de)正則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化是(shi)由匈(xiong)牙利-美國(guo)物理學(xue)家尤金·維格納和約爾當完成(cheng)(cheng)的(de)(de)。狄拉克方(fang)程(cheng)所(suo)預言的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)產(chan)生和湮滅過程(cheng)能用正則量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)語(yu)言重(zhong)新加以描述(shu)。

靜態夸(kua)克模(mo)型建(jian)立之后，在重(zhong)(zhong)子質(zhi)量譜和重(zhong)(zhong)子磁矩方面取得了(le)巨大成(cheng)功。但是(shi)，某些由(you)(you)一(yi)種夸(kua)克組成(cheng)的粒子的存在，與(yu)物(wu)理(li)學的基(ji)本假設(she)廣義泡利(li)原理(li)矛(mao)盾。為解決這(zhe)個(ge)(ge)問題，物(wu)理(li)學家引(yin)入(ru)了(le)顏(yan)色(se)自(zi)由(you)(you)度(du)，并且顏(yan)色(se)最少有3種。這(zhe)個(ge)(ge)時候顏(yan)色(se)還只(zhi)是(shi)引(yin)入(ru)的某種量子數，并沒有被認為是(shi)動(dong)力(li)學自(zi)由(you)(you)度(du)。

經歷了(le)(le)十年左右的(de)(de)(de)(de)各種實(shi)驗(yan)，都沒有(you)在(zai)靜(jing)態夸(kua)克(ke)模(mo)型(xing)(xing)中發現(xian)分(fen)(fen)(fen)數電荷(he)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋1/2的(de)(de)(de)(de)夸(kua)克(ke)存在(zai)，物理學家被迫接(jie)受了(le)(le)夸(kua)克(ke)是禁閉(bi)在(zai)強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)內部的(de)(de)(de)(de)現(xian)實(shi)。然而(er)，美國的(de)(de)(de)(de)斯坦福(fu)直線加(jia)速(su)器中心SLAC在(zai)七十年代初(chu)進行了(le)(le)一系列的(de)(de)(de)(de)輕強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)深度非(fei)彈性(xing)散射實(shi)驗(yan)，發現(xian)強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構函數具(ju)有(you)比(bi)約肯無標度性(xing)(Bjorken Scaling)。為解釋(shi)這(zhe)個令人驚奇的(de)(de)(de)(de)結(jie)果，費曼由此(ci)提出了(le)(le)部分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)模(mo)型(xing)(xing)，假(jia)設強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)是由一簇自(zi)(zi)(zi)由的(de)(de)(de)(de)沒有(you)相互(hu)作用(yong)的(de)(de)(de)(de)部分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)組成的(de)(de)(de)(de)，就可以自(zi)(zi)(zi)然的(de)(de)(de)(de)解釋(shi)比(bi)約肯無標度性(xing)(Bjorken Scaling)。更細致(zhi)的(de)(de)(de)(de)研究確認(ren)了(le)(le)部分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋為1/2，并且具(ju)有(you)分(fen)(fen)(fen)數電荷(he)。

部分(fen)(fen)子(zi)(zi)模型(xing)和靜態夸(kua)(kua)克(ke)(ke)模型(xing)都取得(de)了巨大成功，但是兩(liang)個模型(xing)對(dui)強子(zi)(zi)結(jie)構的(de)(de)描述(shu)有嚴重(zhong)的(de)(de)沖突，具體來講(jiang)就是夸(kua)(kua)克(ke)(ke)禁(jin)閉與部分(fen)(fen)子(zi)(zi)無相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用之(zhi)間的(de)(de)沖突。這個問題的(de)(de)真正解決要等到漸近(jin)自(zi)由的(de)(de)發(fa)現。格婁斯，維爾(er)切克(ke)(ke)和休·波利策的(de)(de)計算(suan)表明，非阿貝爾(er)規范(fan)場論中夸(kua)(kua)克(ke)(ke)相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用強度隨能(neng)標的(de)(de)增加而減弱，部分(fen)(fen)子(zi)(zi)模型(xing)的(de)(de)成功正預示著存在(zai)SU（N）的(de)(de)規范(fan)相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用，N自(zi)然的(de)(de)就解釋為原先夸(kua)(kua)克(ke)(ke)模型(xing)中引入的(de)(de)新自(zi)由度--顏色。

色(se)(se)荷(he)概念的(de)(de)引入和(he)(he)部分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)應(ying)用實在量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)基礎的(de)(de)物理學(xue)(xue)的(de)(de)突破進展。物理學(xue)(xue)家(jia)們將這種新的(de)(de)理論(lun)稱之為量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)。兩者之間雖然有(you)諸多(duo)相(xiang)似之處(chu)，但還是有(you)如一(yi)些重要(yao)的(de)(de)區別：首先是膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)色(se)(se)荷(he)的(de)(de)響應(ying)——由量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)耦合常數衡量(liang)(liang)(liang)——要(yao)遠遠強于(yu)光子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)電(dian)荷(he)的(de)(de)響應(ying)。其次(ci)是膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以(yi)一(yi)種色(se)(se)荷(he)變換成另一(yi)種色(se)(se)荷(he)。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)和(he)(he)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)第(di)三個(ge)(ge)重要(yao)的(de)(de)區別來自于(yu)上述第(di)二(er)個(ge)(ge)區別的(de)(de)結(jie)果。由于(yu)膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)色(se)(se)荷(he)的(de)(de)存在和(he)(he)運動(dong)做出響應(ying)，而且膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)攜(xie)帶(dai)不(bu)平(ping)衡的(de)(de)色(se)(se)荷(he)，因此膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以(yi)直接(jie)對(dui)(dui)另一(yi)個(ge)(ge)膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)做出響應(ying)。這與光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)情(qing)形正好(hao)相(xiang)反。

相(xiang)比之(zhi)下(xia)，光子是(shi)電中性的(de)(de)。它們相(xiang)互之(zhi)間(jian)完(wan)全不存在(zai)激(ji)烈的(de)(de)相(xiang)互作用(yong)。因此這些(xie)差異使得量子色動(dong)(dong)力(li)學的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)結果要比得到量子電動(dong)(dong)力(li)學的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)結果更為困難。而且，由(you)于存在(zai)導致(zhi)色流動(dong)(dong)的(de)(de)各種可能性以及更多種類(lei)的(de)(de)節點，在(zai)做(zuo)這類(lei)計(ji)(ji)算(suan)時，科學家(jia)們又(you)引入漸(jian)近自由(you)概念。通(tong)過(guo)引入漸(jian)近自由(you)，像噴注的(de)(de)能量和動(dong)(dong)量的(de)(de)整體流動(dong)(dong)，都可以通(tong)過(guo)計(ji)(ji)算(suan)得到確定。

關于世界是由什么(me)構(gou)成的哲學和科學思考一直都在變(bian)化。許多枝節性問題仍然(ran)保留在今(jin)天最好的世界模型和一些大的謎(mi)團里(li)。顯然(ran)要下結(jie)論還(huan)為時尚早(zao)。

就(jiu)自然(ran)哲學而言，我(wo)們(men)從(cong)量(liang)子(zi)色(se)(se)(se)動(dong)(dong)力(li)學和(he)漸近自由中得到的(de)(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)(de)認識(shi)(shi)是(shi)(shi)，在我(wo)們(men)認為是(shi)(shi)虛(xu)(xu)空(kong)(kong)空(kong)(kong)間的(de)(de)(de)(de)地(di)方實(shi)(shi)際上(shang)充(chong)滿(man)了(le)活躍的(de)(de)(de)(de)媒介，其活動(dong)(dong)鑄(zhu)就(jiu)了(le)這個世界。雖然(ran)早在大約2000年前成書的(de)(de)(de)(de)大乘佛(fo)教(jiao)的(de)(de)(de)(de)典(dian)籍(ji)《金剛(gang)經》就(jiu)曾指出“色(se)(se)(se)即(ji)是(shi)(shi)空(kong)(kong)，空(kong)(kong)即(ji)是(shi)(shi)色(se)(se)(se)”，而今現(xian)代物理學的(de)(de)(de)(de)其它(ta)發展(zhan)強化并(bing)充(chong)實(shi)(shi)了(le)這種認識(shi)(shi)。以(yi)后(hou)，當(dang)我(wo)們(men)探索當(dang)前知識(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)前沿時，我(wo)們(men)將看到“虛(xu)(xu)空(kong)(kong)”空(kong)(kong)間概念是(shi)(shi)怎(zen)樣一種豐富的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)學媒介，它(ta)推(tui)動(dong)(dong)著我(wo)們(men)不斷思考如何去實(shi)(shi)現(xian)力(li)的(de)(de)(de)(de)統(tong)一。

其(qi)實，關于空(kong)間虛無性的(de)爭(zheng)論可(ke)(ke)以追(zhui)(zhui)溯(su)到(dao)現代科學的(de)前史，至少可(ke)(ke)以追(zhui)(zhui)溯(su)到(dao)古(gu)希(xi)臘時(shi)期(qi)。亞里士多(duo)德曾經這(zhe)樣寫道：“自然界厭惡真空(kong)”，而他的(de)對手原子論者們(men)則(ze)認為(wei)，用(yong)古(gu)羅馬詩人盧克萊修的(de)話來說，就是(shi)“整個自然，作為(wei)自足的(de)實在，都是(shi)由兩件(jian)東西組成的(de)：物體和(he)虛空(kong)，它們(men)賴以建(jian)立，并在其(qi)中(zhong)運動。”

這種思(si)辨性爭論在現代科學的(de)(de)黎明——17世紀(ji)的(de)(de)科學革命(ming)——得到回(hui)響(xiang)。笛卡(ka)爾提出(chu)，對(dui)自然世界進行(xing)科學描述的(de)(de)基礎應(ying)建立(li)在他(ta)所謂的(de)(de)基本性質之(zhi)上：廣延和運(yun)動。物質除了這兩點(dian)再沒有(you)其(qi)(qi)他(ta)屬性。他(ta)的(de)(de)一個重(zhong)要(yao)結(jie)論是：某(mou)一物質對(dui)另一物質的(de)(de)影響(xiang)唯有(you)通過接(jie)觸才(cai)能發(fa)生。因此為(wei)了描述諸如行(xing)星的(de)(de)運(yun)動，笛卡(ka)爾不(bu)(bu)得不(bu)(bu)引(yin)入無形(xing)空(kong)間的(de)(de)概念——其(qi)(qi)中充(chong)滿(man)了不(bu)(bu)可見物質。他(ta)設想空(kong)間是一種復雜的(de)(de)充(chong)滿(man)漩渦(wo)的(de)(de)海洋，行(xing)星就(jiu)在其(qi)(qi)中沖浪。

牛頓(dun)用他精確制定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)、成功的(de)(de)(de)(de)(de)(de)行星(xing)運動數學方(fang)程(cheng)，用他的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)定(ding)(ding)律(lv)，揭示了(le)所有(you)這些潛(qian)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)復雜(za)性(xing)。但是牛頓(dun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)定(ding)(ding)律(lv)并不適應于笛(di)卡(ka)爾的(de)(de)(de)(de)(de)(de)框架。前者假設物(wu)體(ti)(ti)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相互作用可以(yi)通過一定(ding)(ding)距離(li)來進(jin)行，不必一定(ding)(ding)要(yao)通過接觸。例如，根據牛頓(dun)定(ding)(ding)律(lv)，太(tai)陽即使不跟地球接觸，也可以(yi)對地球施加引(yin)(yin)力(li)作用。盡管(guan)他的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)程(cheng)為說(shuo)(shuo)明行星(xing)運動提供了(le)一個(ge)詳細解釋，但牛頓(dun)本人(ren)對這種超距作用并不滿意。牛頓(dun)在1693年2月25日寫(xie)給本特利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)中這樣說(shuo)(shuo)道：“一個(ge)物(wu)體(ti)(ti)可以(yi)不借助任何其他東西穿越(yue)虛空(kong)距離(li)而作用于另一個(ge)物(wu)體(ti)(ti)，物(wu)體(ti)(ti)通過虛空(kong)進(jin)行彼此間作用和力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)傳遞，這對我來說(shuo)(shuo)是很荒謬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。我相信(xin)，任何有(you)足夠(gou)哲(zhe)學思維(wei)能力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)都(dou)不會(hui)沉(chen)溺于此。”

牛頓的(de)方程發(fa)表過(guo)后大約一個半世紀(ji)的(de)時(shi)(shi)間(jian)里，數(shu)學家們幾乎不(bu)曾對此(ci)提出過(guo)任(ren)何質疑，但(dan)詹姆斯·克(ke)拉克(ke)·麥克(ke)斯韋卻(que)發(fa)現(xian)這(zhe)樣(yang)導(dao)出的(de)方程不(bu)協調(diao)。1861年，麥克(ke)斯韋發(fa)現(xian)，他(ta)可(ke)以通過(guo)在方程中引入(ru)額外(wai)的(de)項(xiang)來消除這(zhe)種不(bu)一致性，換言之(zhi)，就(jiu)是假定還存(cun)在著(zhu)一種新的(de)物(wu)理效(xiao)(xiao)應(ying)。而邁克(ke)爾·法拉第此(ci)前(qian)早就(jiu)發(fa)現(xian)，當磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)隨時(shi)(shi)間(jian)變(bian)化(hua)時(shi)(shi)，它們產(chan)生電場(chang)(chang)(chang)(chang)。麥克(ke)斯韋為了(le)(le)解決方程的(de)自洽性，不(bu)得不(bu)假設存(cun)在相(xiang)反的(de)效(xiao)(xiao)應(ying)：變(bian)化(hua)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)產(chan)生電場(chang)(chang)(chang)(chang)。有了(le)(le)這(zhe)一添加(jia)物(wu)，場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)概念得到了(le)(le)更多的(de)認可(ke)和驗證：變(bian)化(hua)的(de)電場(chang)(chang)(chang)(chang)產(chan)生變(bian)化(hua)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)，后者反過(guo)來再(zai)產(chan)生變(bian)化(hua)的(de)電場(chang)(chang)(chang)(chang)，如此(ci)便形成了(le)(le)每(mei)一種自我更新的(de)循環。

麥(mai)克(ke)斯(si)韋發現，他(ta)的新(xin)方程組，即廣(guang)為人知的麥(mai)克(ke)斯(si)韋方程組，具(ju)有純場(chang)解決方案，即場(chang)以光速在空間運動。這一(yi)綜合(he)的頂(ding)峰便是(shi)他(ta)得出的結(jie)論(lun)：這些電場(chang)和磁場(chang)里自(zi)(zi)我更新(xin)的擾動就是(shi)光——一(yi)個(ge)有待經受時間考驗的結(jie)論(lun)。對麥(mai)克(ke)斯(si)韋來說，這些充滿所有空間并可以自(zi)(zi)己維持生活的場(chang)正是(shi)上帝榮耀的一(yi)個(ge)明(ming)確標志：

“廣寬的(de)(de)行星際(ji)和(he)星際(ji)區(qu)域將不再(zai)被視為(wei)宇(yu)宙中無用的(de)(de)場合，人們不再(zai)認為(wei)造物主(zhu)還沒在他(ta)的(de)(de)王國里找到合適的(de)(de)、具有多重象征的(de)(de)東西(xi)來填補其中。我(wo)們將發現(xian)，這(zhe)些場所已經充滿了(le)這(zhe)種(zhong)神奇的(de)(de)介質(zhi)。它們是(shi)如此豐盈，人類沒有任何力量(liang)可以將其從哪怕是(shi)最小的(de)(de)空間上(shang)移去，或在其無窮的(de)(de)連續(xu)體上(shang)留(liu)下(xia)哪怕最輕微的(de)(de)缺(que)損。”

愛(ai)因斯坦對(dui)以太(tai)的(de)(de)(de)認識(shi)是復雜而且多變。在1905年發表(biao)的(de)(de)(de)《論動(dong)體的(de)(de)(de)電動(dong)力學》中(zhong)這樣寫(xie)道：“引入‘光以太(tai)’將被證明是多余的(de)(de)(de)，因為按照所要(yao)(yao)發展的(de)(de)(de)見解，即(ji)不(bu)需(xu)要(yao)(yao)引入一(yi)個具(ju)有特殊(shu)性質的(de)(de)(de)‘絕對(dui)靜止(zhi)空間’，也不(bu)需(xu)要(yao)(yao)給發生(sheng)電磁過程的(de)(de)(de)真空中(zhong)的(de)(de)(de)每一(yi)點規定一(yi)個速度矢量。”

愛因斯坦的(de)(de)(de)(de)這一(yi)(yi)強有(you)力的(de)(de)(de)(de)宣示曾經讓很(hen)多物理(li)(li)學(xue)家困惑不(bu)已。在(zai)(zai)1905年(nian)時，物理(li)(li)學(xue)界面(mian)臨(lin)的(de)(de)(de)(de)問題不(bu)是(shi)(shi)沒有(you)相(xiang)(xiang)(xiang)對性(xing)理(li)(li)論(lun)，而是(shi)(shi)有(you)兩個(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)互矛盾的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對性(xing)理(li)(li)論(lun)。一(yi)(yi)方面(mian)是(shi)(shi)力學(xue)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對性(xing)理(li)(li)論(lun)服(fu)從牛(niu)頓方程。另一(yi)(yi)方面(mian)是(shi)(shi)電磁的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對性(xing)理(li)(li)論(lun)，服(fu)從麥克斯韋方程組。進一(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)研究發現，需(xu)要調整的(de)(de)(de)(de)不(bu)是(shi)(shi)新生(sheng)的(de)(de)(de)(de)電磁理(li)(li)論(lun)，而是(shi)(shi)古老的(de)(de)(de)(de)牛(niu)頓力學(xue)理(li)(li)論(lun)。在(zai)(zai)狹義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)(xiang)對論(lun)里(li)，麥克斯韋場方程無(wu)需(xu)修改；相(xiang)(xiang)(xiang)反，它們提供了(le)狹義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)(xiang)對論(lun)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)。事實(shi)上，狹義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)(xiang)對論(lun)的(de)(de)(de)(de)思想幾(ji)乎要求充滿空(kong)間的(de)(de)(de)(de)場，也正是(shi)(shi)在(zai)(zai)這個(ge)意義(yi)(yi)上解釋了(le)它們為什么(me)存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)由。

早在1899年，德國(guo)人普(pu)(pu)(pu)朗(lang)(lang)克(ke)提出了(le)第一個最終發(fa)展成(cheng)為量(liang)(liang)子力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)第一個概(gai)念(nian)。普(pu)(pu)(pu)朗(lang)(lang)克(ke)提出，原(yuan)子可(ke)以(yi)(yi)與電磁(ci)場交換(huan)能(neng)量(liang)(liang)，也就(jiu)是(shi)說，可(ke)以(yi)(yi)發(fa)射(she)和(he)吸收電磁(ci)輻(fu)射(she)，譬如光，但(dan)只能(neng)以(yi)(yi)離(li)散的(de)(de)(de)(de)(de)單位(wei)(wei)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)形式，或者說以(yi)(yi)量(liang)(liang)子的(de)(de)(de)(de)(de)形式進(jin)行。但(dan)普(pu)(pu)(pu)朗(lang)(lang)克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念(nian)愛因斯坦不甚滿意(yi)，他(ta)假設(she)，不僅原(yuan)子發(fa)射(she)和(he)吸收光（和(he)一般的(de)(de)(de)(de)(de)電磁(ci)輻(fu)射(she)）是(shi)以(yi)(yi)離(li)散單位(wei)(wei)進(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)，而且光本身就(jiu)是(shi)以(yi)(yi)離(li)散的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)單位(wei)(wei)出現(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)，并且帶著離(li)散單位(wei)(wei)動(dong)量(liang)(liang)傳播(bo)。有(you)了(le)這些(xie)擴(kuo)張，愛因斯坦能(neng)夠解(jie)釋更多的(de)(de)(de)(de)(de)事實，并預言(yan)了(le)新的(de)(de)(de)(de)(de)現(xian)(xian)(xian)象(xiang)——其中就(jiu)包括他(ta)于1921年獲得諾(nuo)貝爾物理(li)學(xue)獎的(de)(de)(de)(de)(de)主要工作(zuo)即有(you)關光電效應的(de)(de)(de)(de)(de)預言(yan)。但(dan)愛因斯坦明白：普(pu)(pu)(pu)朗(lang)(lang)克(ke)概(gai)念(nian)與現(xian)(xian)(xian)行物理(li)定(ding)律不相符(fu)，但(dan)有(you)效。現(xian)(xian)(xian)行的(de)(de)(de)(de)(de)這些(xie)物理(li)定(ding)律一定(ding)有(you)錯！

如果光(guang)以(yi)能(neng)(neng)量(liang)(liang)和動量(liang)(liang)包的(de)(de)(de)形式傳播，那么，光(guang)本(ben)身(shen)以(yi)及這些包看(kan)成是(shi)(shi)電磁粒子就自(zi)然而然了。場的(de)(de)(de)概念可(ke)能(neng)(neng)更方(fang)便，但(dan)愛因(yin)斯坦從來不是(shi)(shi)一個貪圖方(fang)便而將其當(dang)成原理(li)(li)的(de)(de)(de)物(wu)理(li)(li)學家。對(dui)他而言，空間充滿實體的(de)(de)(de)概念，就像是(shi)(shi)以(yi)無限大的(de)(de)(de)速(su)度經過某物(wu)卻看(kan)到它與靜(jing)止時看(kan)到的(de)(de)(de)一樣。

到1920年代，愛(ai)(ai)因斯(si)坦(tan)的(de)(de)廣(guang)義相對(dui)論(lun)問世后(hou)，他的(de)(de)態度發生了變化。事(shi)實上，廣(guang)義相對(dui)論(lun)更多(duo)的(de)(de)是一個基于以(yi)太的(de)(de)引力場論(lun)。盡管如此(ci)，愛(ai)(ai)因斯(si)坦(tan)從未放棄對(dui)消除電磁以(yi)太的(de)(de)努力。愛(ai)(ai)因斯(si)坦(tan)本人在1920年5月5日在荷(he)蘭萊頓(dun)大學的(de)(de)演講中這樣說(shuo)道：

“如果我(wo)們從以(yi)太(tai)假說(shuo)的(de)(de)觀點來考慮(lv)引(yin)(yin)力(li)場(chang)和電磁場(chang)，我(wo)們就(jiu)會(hui)發現兩者之間(jian)有(you)一(yi)個明顯的(de)(de)不(bu)同。可以(yi)說(shuo)沒有(you)一(yi)種空(kong)間(jian)，也沒有(you)任何空(kong)間(jian)部分是(shi)沒有(you)引(yin)(yin)力(li)勢(shi)的(de)(de)；因為這些引(yin)(yin)力(li)勢(shi)規定了空(kong)間(jian)的(de)(de)度規性質，而沒有(you)這些度規性質則(ze)是(shi)根本無法(fa)想象的(de)(de)。引(yin)(yin)力(li)場(chang)的(de)(de)存在(zai)于空(kong)間(jian)的(de)(de)存在(zai)是(shi)直接相(xiang)關的(de)(de)。但另一(yi)方面(mian)，在(zai)一(yi)部分空(kong)間(jian)內不(bu)存在(zai)電磁場(chang)則(ze)是(shi)完全可以(yi)想象的(de)(de)。”

歷史地(di)看，狹義相對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)肇始于(yu)電(dian)和磁的(de)(de)(de)研究，導致了(le)麥克斯韋的(de)(de)(de)場論(lun)，但它(ta)又超(chao)越(yue)了(le)電(dian)磁理(li)論(lun)。它(ta)的(de)(de)(de)本質(zhi)是(shi)(shi)對(dui)(dui)(dui)(dui)稱性(xing)假設(she)：當你在(zai)具有恒(heng)定(ding)相對(dui)(dui)(dui)(dui)速度的(de)(de)(de)兩個(ge)參照系(xi)考察同一(yi)物體時，物理(li)學(xue)定(ding)律應具有同樣的(de)(de)(de)形式(shi)。這一(yi)假設(she)是(shi)(shi)一(yi)個(ge)普適性(xing)陳述，超(chao)越(yue)了(le)其電(dian)磁根源：狹義相對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)坐標變(bian)換對(dui)(dui)(dui)(dui)稱性(xing)適用于(yu)所有的(de)(de)(de)物理(li)學(xue)定(ding)律。狹義相對(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)主要的(de)(de)(de)結果是(shi)(shi)存在(zai)有限的(de)(de)(de)速度：光速，即(ji)零質(zhi)量粒子在(zai)真(zhen)空中的(de)(de)(de)傳播速度。一(yi)個(ge)粒子對(dui)(dui)(dui)(dui)另(ling)一(yi)個(ge)粒子的(de)(de)(de)影響不能(neng)傳播得比光速更快。

但(dan)是(shi)牛頓的(de)(de)萬(wan)有(you)引(yin)力(li)定律——遙(yao)遠物體(ti)受到(dao)的(de)(de)引(yin)力(li)與其當前(qian)距離的(de)(de)平方成(cheng)反比就不服從(cong)這(zhe)(zhe)一(yi)法則，所以它與狹義相(xiang)對(dui)論(lun)不相(xiang)容。事實上，“當前(qian)”這(zhe)(zhe)個(ge)概念本身就是(shi)個(ge)問題。對(dui)于靜止觀察者同時發生的(de)(de)事件對(dui)以恒(heng)定速度移動(dong)的(de)(de)觀察者來說(shuo)將不會同時發生。愛因斯(si)(si)坦(tan)(tan)本人(ren)認為，推(tui)翻“當前(qian)”這(zhe)(zhe)個(ge)一(yi)般性(xing)(xing)概念，迄今為止仍然(ran)是(shi)達到(dao)狹義相(xiang)對(dui)論(lun)認識論(lun)的(de)(de)最為困難的(de)(de)一(yi)步(bu)。但(dan)是(shi)如果場(chang)(chang)服從(cong)簡(jian)單的(de)(de)方程組，那么(me)在存(cun)在有(you)限速度的(de)(de)前(qian)提下，這(zhe)(zhe)種從(cong)粒子描(miao)述到(dao)場(chang)(chang)的(de)(de)描(miao)述的(de)(de)轉換就會變得富有(you)成(cheng)效，這(zhe)(zhe)樣我(wo)們(men)可以從(cong)場(chang)(chang)的(de)(de)的(de)(de)值計算(suan)出(chu)來它們(men)的(de)(de)未(wei)來值而不必考(kao)慮其過(guo)去(qu)的(de)(de)值。麥克斯(si)(si)韋電(dian)磁理(li)論(lun)、廣(guang)義相(xiang)對(dui)論(lun)和量(liang)子色動(dong)力(li)學(xue)都具有(you)這(zhe)(zhe)種屬性(xing)(xing)。在廣(guang)義相(xiang)對(dui)論(lun)里(li)，愛因斯(si)(si)坦(tan)(tan)用(yong)彎(wan)曲時空的(de)(de)概念來構建他(ta)的(de)(de)引(yin)力(li)理(li)論(lun)。

我(wo)們(men)回到(dao)標準(zhun)模型：W和Z玻色子，根(gen)據定義它們(men)的(de)方程組，它們(men)本應該像光子和色膠子一樣都是(shi)無質量(liang)的(de)粒(li)子。但(dan)物理(li)學家(jia)們(men)卻設法讓W和Z玻色子獲得質量(liang)。而(er)且他(ta)們(men)也(ye)知道，在(zai)自然界里(li)，還(huan)有原子紅奇特的(de)物理(li)狀態(tai)也(ye)可以使(shi)無質量(liang)的(de)受力粒(li)子獲得質量(liang)。使(shi)受力粒(li)子變(bian)重的(de)模型是(shi)超導(dao)電(dian)性。在(zai)超導(dao)體內，光子變(bian)得沉重。

我們知(zhi)道，光(guang)(guang)子(zi)(zi)在電(dian)場(chang)(chang)和磁(ci)場(chang)(chang)中推動(dong)(dong)擾動(dong)(dong)。在超導體(ti)(ti)內，電(dian)子(zi)(zi)對電(dian)場(chang)(chang)和磁(ci)場(chang)(chang)反應(ying)強烈。電(dian)子(zi)(zi)恢復平衡的(de)(de)能(neng)力非(fei)常強大，它(ta)(ta)們能(neng)對場(chang)(chang)的(de)(de)運動(dong)(dong)施(shi)加一(yi)(yi)種(zhong)遲滯作用(yong)。因(yin)此在超導體(ti)(ti)內，光(guang)(guang)子(zi)(zi)不(bu)是像通(tong)常那樣(yang)按(an)光(guang)(guang)速運動(dong)(dong)，而是要緩(huan)慢(man)得(de)(de)多。就好像它(ta)(ta)們獲得(de)(de)了某種(zhong)慣性。當你研究方(fang)程時，你會(hui)發(fa)現，超導體(ti)(ti)內慢(man)下來的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)(zi)所(suo)服從的(de)(de)運動(dong)(dong)方(fang)程與非(fei)零質量(liang)粒子(zi)(zi)的(de)(de)運動(dong)(dong)方(fang)程是一(yi)(yi)樣(yang)的(de)(de)。

質量(liang)一(yi)向被認為(wei)是(shi)物質的一(yi)種(zhong)確定的屬性(xing)，質言(yan)之，質量(liang)是(shi)一(yi)種(zhong)使物質可稱其為(wei)物質的特性(xing)。愛(ai)因斯坦認為(wei)宇宙應有(you)一(yi)個無論是(shi)在(zai)時間(jian)上(shang)還是(shi)在(zai)空間(jian)上(shang)都不(bu)(bu)變(bian)的密(mi)度。但(dan)是(shi)，引(yin)力是(shi)一(yi)種(zhong)普遍的吸引(yin)力，物體(ti)都不(bu)(bu)愿意分開。引(yin)力總(zong)是(shi)試圖把物體(ti)合(he)在(zai)一(yi)起。愛(ai)因斯坦提出的E=mc2可以看作是(shi)他對牛頓萬(wan)有(you)引(yin)力定律的修正(zheng)。但(dan)是(shi)，如果將這(zhe)一(yi)公式(shi)轉換成(cheng)m=E/c1，這(zhe)一(yi)方程的內在(zai)含義(yi)變(bian)成(cheng)了質量(liang)等于所(suo)具有(you)的能量(liang)與常速光速的平方之比。

量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)色動力學是(shi)(shi)一(yi)種非(fei)常強(qiang)大的(de)理論。通過(guo)將無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)或幾乎無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)對(dui)象諸如夸(kua)克、膠子(zi)(zi)的(de)計(ji)算(suan)能夠(gou)給出它們(men)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)，然而，這也當然不是(shi)(shi)任何意義(yi)上(shang)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)，只是(shi)(shi)我(wo)們(men)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)，即(ji)組成我(wo)們(men)自身的(de)質(zhi)子(zi)(zi)和中子(zi)(zi)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)。也就是(shi)(shi)說，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)色動力學方程組可以從無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)輸(shu)入得到(dao)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)輸(shu)出。那，這是(shi)(shi)為什么？

首先是夸克的(de)(de)色(se)荷(he)產生一種(zhong)網格擾動(dong)(dong)——具體地說，是膠(jiao)子場擾動(dong)(dong)——這種(zhong)擾動(dong)(dong)隨距離加大(da)而(er)增長(chang)。就像(xiang)一個奇異的(de)(de)風暴(bao)云(yun)團(tuan)，它從最初的(de)(de)中心的(de)(de)一縷云(yun)煙發展成為一種(zhong)不祥的(de)(de)雷暴(bao)云(yun)團(tuan)。擾動(dong)(dong)場意(yi)味著將其推(tui)向高能態。如(ru)果(guo)你持(chi)續擾動(dong)(dong)無限容量的(de)(de)場，所需的(de)(de)能量將會變成無限大(da)。

其次(ci)是(shi)可以通(tong)過讓(rang)一個(ge)帶相反(fan)色荷的(de)(de)(de)反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)去接近(jin)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)來迅(xun)速遏制。然后，這(zhe)兩個(ge)擾(rao)(rao)動源相互抵消(xiao)并恢(hui)復平靜。如果(guo)反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)不偏不倚地正(zheng)(zheng)好位(wei)于夸(kua)(kua)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)上方，那么(me)這(zhe)種抵消(xiao)是(shi)徹(che)底的(de)(de)(de)。這(zhe)將會是(shi)膠子場的(de)(de)(de)擾(rao)(rao)動最小化：即“無”。但是(shi)徹(che)底抵消(xiao)還(huan)需要付(fu)出代價：它(ta)源自夸(kua)(kua)克(ke)(ke)和反(fan)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)量(liang)子力學(xue)性質。

根(gen)據(ju)海森(sen)伯的(de)不(bu)確定性(xing)原(yuan)理(li)，要(yao)獲得準(zhun)確的(de)粒(li)(li)子(zi)位置信息(xi)，就(jiu)必須讓粒(li)(li)子(zi)具有(you)很寬的(de)動量范圍，特別是要(yao)有(you)粒(li)(li)子(zi)的(de)大(da)動量。但大(da)的(de)動量意味著大(da)的(de)能(neng)量。所以，更準(zhun)確地(di)說，要(yao)使粒(li)(li)子(zi)局域(yu)化(hua)，就(jiu)必須更多能(neng)量。

再次是我(wo)們(men)應該回到(dao)(dao)愛(ai)因斯坦(tan)的質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)與(yu)能(neng)量(liang)(liang)關系(xi)方(fang)程中(zhong)來考(kao)察。由于有兩種方(fang)向(xiang)相(xiang)反的互(hu)相(xiang)競爭的作用，要消除夸(kua)克(ke)對場的擾動，同(tong)(tong)時(shi)盡量(liang)(liang)減少能(neng)量(liang)(liang)，并使反夸(kua)克(ke)局(ju)域化，所以(yi)就必須賦予反夸(kua)克(ke)相(xiang)應的活動余地。這(zhe)樣(yang)雙(shuang)方(fang)在彼此抵消后(hou)的總質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)不能(neng)為零，即m=E/c的平方(fang)。這(zhe)樣(yang)我(wo)們(men)從無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的輸(shu)(shu)入得到(dao)(dao)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的輸(shu)(shu)出。這(zhe)同(tong)(tong)時(shi)也(ye)是質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的起源量(liang)(liang)子(zi)力學解釋。

任(ren)意(yi)兩(liang)質(zhi)(zhi)點之(zhi)間的萬(wan)有(you)引力，就是組(zu)成(cheng)物(wu)質(zhi)(zhi)的粒子之(zhi)間通過交換“引力子”實現的。而(er)(er)在(zai)廣義相(xiang)(xiang)對論中，物(wu)體之(zhi)間的萬(wan)有(you)引力則被認為(wei)是時空彎曲的表現。物(wu)質(zhi)(zhi)的存在(zai)使(shi)得它周圍的時空發生彎曲，而(er)(er)物(wu)體在(zai)彎曲的時空中沿測地線運動(dong)，就自然地表現為(wei)相(xiang)(xiang)互吸引。

牛(niu)頓萬(wan)有引力定律指出：兩個(ge)質點之間(jian)的(de)(de)萬(wan)有引力，與(yu)它們(men)的(de)(de)質量乘積成(cheng)正比，與(yu)它們(men)二(er)者之間(jian)距離的(de)(de)平方(fang)成(cheng)反比。它實際上是(shi)廣義相對論的(de)(de)引力理論在靜態(tai)弱引力場中(zhong)低速運動情況下的(de)(de)一種近似。

萬有引力傳播的媒介子——“引力子”

1913年，偉(wei)大的(de)(de)(de)物理(li)學(xue)家愛因(yin)(yin)斯(si)坦(tan)提(ti)出了(le)萬(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)論(lun)。愛因(yin)(yin)斯(si)坦(tan)認為(wei)任何帶有(you)(you)質量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)物體(ti)周圍都存在有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)，引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)是通過(guo)引(yin)(yin)(yin)力(li)波(bo)來(lai)(lai)傳(chuan)(chuan)播(bo)的(de)(de)(de)，引(yin)(yin)(yin)力(li)波(bo)像電磁波(bo)那(nei)樣(yang)(yang)通過(guo)媒(mei)介(jie)(jie)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)播(bo)，我們都知道電磁波(bo)是通過(guo)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)來(lai)(lai)傳(chuan)(chuan)播(bo)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)，因(yin)(yin)此它的(de)(de)(de)媒(mei)介(jie)(jie)子(zi)(zi)是光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，引(yin)(yin)(yin)力(li)波(bo)在傳(chuan)(chuan)播(bo)能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)過(guo)程中，同樣(yang)(yang)有(you)(you)媒(mei)介(jie)(jie)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)作用，愛因(yin)(yin)斯(si)坦(tan)把這一媒(mei)介(jie)(jie)子(zi)(zi)稱(cheng)之為(wei)引(yin)(yin)(yin)力(li)子(zi)(zi)。引(yin)(yin)(yin)力(li)子(zi)(zi)以光(guang)(guang)(guang)速傳(chuan)(chuan)播(bo)，它的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)與光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)一樣(yang)(yang)為(wei)0。

經過這么多年的(de)探索，人們一(yi)(yi)直沒能在(zai)宇(yu)宙中發現它(ta)的(de)蹤影，我們沒有足夠(gou)的(de)證據(ju)證明(ming)它(ta)的(de)存在(zai)，也沒有足夠(gou)的(de)證據(ju)否認它(ta)的(de)存在(zai)。因此，探索引力子是否存在(zai)成為科(ke)學界的(de)一(yi)(yi)大難(nan)題。

雖然(ran)引(yin)力(li)(li)子(zi)(zi)在(zai)宇宙(zhou)中無處(chu)不(bu)(bu)在(zai)，但探(tan)索(suo)之路仍然(ran)是(shi)舉步(bu)維艱。有學者(zhe)認為，引(yin)力(li)(li)之微(wei)弱(ruo)表(biao)明，其媒介子(zi)(zi)引(yin)力(li)(li)子(zi)(zi)幾乎不(bu)(bu)與其它的(de)物質發生反(fan)應，這(zhe)是(shi)我們長期探(tan)測不(bu)(bu)到它的(de)原由，這(zhe)個理由雖然(ran)很(hen)有說服力(li)(li)，但也不(bu)(bu)足以(yi)證明引(yin)力(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)存在(zai)的(de)事實。

試圖找到一種更有說(shuo)服力(li)(li)的(de)(de)方(fang)法，就是證明(ming)引力(li)(li)波(bo)的(de)(de)存在，從而間接的(de)(de)證明(ming)引力(li)(li)子(zi)的(de)(de)存在。如(ru)果可以證明(ming)宇宙中有引力(li)(li)波(bo)存在，那么(me)引力(li)(li)波(bo)必(bi)定有與之(zhi)對應的(de)(de)媒介子(zi)引力(li)(li)子(zi)來(lai)傳遞能量(liang)。

引力(li)(li)(li)波在宇宙中是普遍存(cun)在的(de)(de)，星(xing)體的(de)(de)加(jia)速旋(xuan)轉，相撞，吞并(bing)等都(dou)可以使(shi)引力(li)(li)(li)場發生(sheng)擾動并(bing)產生(sheng)引力(li)(li)(li)波，但(dan)由于引力(li)(li)(li)波與(yu)引力(li)(li)(li)子(zi)一樣(yang)很難與(yu)其它物質發生(sheng)反應(ying)，以至(zhi)于至(zhi)今我們無法探測它的(de)(de)存(cun)在，只(zhi)能間接地通(tong)過觀測行星(xing)發生(sheng)引力(li)(li)(li)輻射，而導致(zhi)周期的(de)(de)變化證實(shi)它的(de)(de)存(cun)在。

引(yin)力(li)輻(fu)射是引(yin)力(li)波的(de)(de)另一種稱(cheng)呼，它是指引(yin)力(li)波從星體(ti)或星系中輻(fu)射出來的(de)(de)現(xian)象，如果證明了(le)引(yin)力(li)輻(fu)射的(de)(de)存在就(jiu)等于證實了(le)引(yin)力(li)波的(de)(de)存在。

為什(shen)么這樣說(shuo)呢？

引(yin)(yin)力(li)輻射是一(yi)種能(neng)量的(de)輻射。假如一(yi)個(ge)行(xing)星(xing)(xing)圍繞恒星(xing)(xing)運(yun)(yun)動，恒星(xing)(xing)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)會(hui)伴隨(sui)有引(yin)(yin)力(li)輻射的(de)發生，使得行(xing)星(xing)(xing)的(de)運(yun)(yun)轉(zhuan)軌道發生變化，其主要變化特征表(biao)現在行(xing)星(xing)(xing)運(yun)(yun)動周期的(de)減(jian)小，如果行(xing)星(xing)(xing)的(de)運(yun)(yun)動周期減(jian)小，那(nei)么就能(neng)說明引(yin)(yin)力(li)輻射的(de)發生。

這一現(xian)象在1974年，被赫爾斯和泰(tai)勒(le)二人所證實。他們(men)對(dui)脈沖雙星PSR1913+16進行觀測(ce)，發(fa)現(xian)它們(men)的(de)(de)公轉周期變小率(lv)為（-2.40±0.09）×10-12，這個數值(zhi)與廣義相對(dui)論的(de)(de)計(ji)算符合(he)的(de)(de)很好，廣義相對(dui)論的(de)(de)預言值(zhi)為（-2.403±0.002）×10-12，這一點充分(fen)證明了引力(li)輻射的(de)(de)存在。

引(yin)(yin)力(li)輻(fu)射的存在(zai)(zai)，意(yi)味(wei)著(zhu)引(yin)(yin)力(li)波(bo)(bo)在(zai)(zai)宇宙中是存在(zai)(zai)的，并且無(wu)所不在(zai)(zai)。同時也證明了(le)引(yin)(yin)力(li)波(bo)(bo)的媒(mei)介(jie)子(zi)引(yin)(yin)力(li)子(zi)的存在(zai)(zai)。

通過這些論(lun)斷(duan)，可(ke)以證明引(yin)(yin)力(li)子(zi)在宇宙中是(shi)必定(ding)存(cun)在的(de)，只不過我們(men)(men)無法(fa)探測到。引(yin)(yin)力(li)子(zi)的(de)無法(fa)探測性，其實并不影響我們(men)(men)尋求量(liang)子(zi)引(yin)(yin)力(li)理(li)論(lun)，因(yin)為(wei)量(liang)子(zi)引(yin)(yin)力(li)理(li)論(lun)建立的(de)基礎(chu)是(shi)場，而不是(shi)粒(li)子(zi)。

廣義相對論

牛頓(dun)的(de)萬有(you)引(yin)力定律很好(hao)地解(jie)釋(shi)了地面上物體所受(shou)的(de)重力、海洋的(de)潮(chao)汐和行星與天體的(de)運(yun)動，把天上的(de)運(yun)動和地上的(de)運(yun)動統(tong)一了起來，具有(you)非常重要的(de)意義。但讓牛頓(dun)感到遺憾(han)的(de)是，他一直沒能解(jie)釋(shi)清楚兩個有(you)質量(liang)的(de)物體之間(jian)為什么會(hui)有(you)引(yin)力？這個問題被愛因斯坦的(de)廣義相對(dui)論(lun)很好(hao)地解(jie)決(jue)了。

廣義相對(dui)論實(shi)(shi)際(ji)(ji)上就是關于(yu)萬有(you)引(yin)力本(ben)質的(de)(de)理論。它(ta)(ta)認為，一(yi)(yi)個有(you)質量的(de)(de)物(wu)體，會使它(ta)(ta)周圍的(de)(de)時(shi)空(kong)發生彎(wan)曲(qu)，在這個彎(wan)曲(qu)的(de)(de)時(shi)空(kong)里，一(yi)(yi)切物(wu)體都將(jiang)自然(ran)地沿測地線（也叫做“短程線”）運(yun)動，而表現(xian)為向一(yi)(yi)塊靠攏(long)。我們看不到(dao)時(shi)空(kong)的(de)(de)彎(wan)曲(qu)，只看到(dao)物(wu)體在互(hu)相靠攏(long)，就認為它(ta)(ta)們之間(jian)存在著(zhu)一(yi)(yi)種“萬有(you)引(yin)力”，實(shi)(shi)際(ji)(ji)上物(wu)體之間(jian)表現(xian)出來的(de)(de)這種萬有(you)引(yin)力，并(bing)不是一(yi)(yi)種真正的(de)(de)力，而是時(shi)空(kong)彎(wan)曲(qu)的(de)(de)表現(xian)。

三維(wei)時空的(de)彎(wan)曲我們(men)(men)不(bu)好想象，但是(shi)(shi)可以降(jiang)一維(wei)（在二(er)維(wei)平(ping)面上(shang)）做個(ge)比喻。設想有一塊(kuai)(kuai)布(bu)把(ba)(ba)它(ta)(ta)懸空展平(ping)，上(shang)面放一個(ge)小(xiao)球(qiu)，它(ta)(ta)就會把(ba)(ba)布(bu)壓彎(wan)，在另一個(ge)地方再放一個(ge)小(xiao)球(qiu)，它(ta)(ta)也會把(ba)(ba)它(ta)(ta)周圍的(de)布(bu)壓彎(wan)。我們(men)(men)看(kan)到，這(zhe)兩個(ge)小(xiao)球(qiu)就會自然地向一塊(kuai)(kuai)靠攏，這(zhe)是(shi)(shi)它(ta)(ta)們(men)(men)在沿各自的(de)測地線運動(dong)的(de)結(jie)果。我們(men)(men)看(kan)不(bu)到布(bu)的(de)彎(wan)曲，只看(kan)到小(xiao)球(qiu)在向一起靠攏，就說它(ta)(ta)們(men)(men)之間有個(ge)引力存在，其實它(ta)(ta)只是(shi)(shi)時空彎(wan)曲的(de)表現而已。

這種解(jie)釋(shi)在水星近日點的進動、光(guang)線在引(yin)力(li)場中的彎曲(qu)、引(yin)力(li)紅移等問題上得到了很好的檢驗(yan)，其后(hou)在大量更精(jing)密的實驗(yan)中得到了進一步的檢驗(yan)，與實驗(yan)符合(he)得很好。廣義相對(dui)論被認為是(shi)一種最(zui)好的萬有(you)引(yin)力(li)理論。

引力傳播速度

中(zhong)國科學家測得引力(li)傳播速度。

經(jing)過(guo)10多年(nian)的(de)持(chi)續探(tan)索，中(zhong)國科學家(jia)在世界(jie)上成功(gong)獲得(de)“引力(li)(li)場以光速傳播(bo)”的(de)第一個觀(guan)(guan)測證據。這項原始創新(xin)成果，實(shi)(shi)現了物理學界(jie)多年(nian)來對通過(guo)實(shi)(shi)驗或觀(guan)(guan)測獲得(de)引力(li)(li)場傳播(bo)速度的(de)期待，對引力(li)(li)場的(de)理論(lun)和實(shi)(shi)驗研究具(ju)有重要意義。

中國(guo)科學院(yuan)地質(zhi)與地球(qiu)物理研究所26日下午(wu)在北京(jing)對(dui)外宣布(bu)，由該所湯克云研究員領銜、中國(guo)地震局和(he)中國(guo)科學院(yuan)大學有關科研人(ren)員組(zu)成的科學團組(zu)，經過10多年的持續探索在實施多次(ci)日食期間的固體(ti)潮(chao)觀測后(hou)，發現(xian)現(xian)行(xing)地球(qiu)固體(ti)潮(chao)公式(shi)實際上暗含著引(yin)力場以光速(su)傳播(bo)的假(jia)定，從(cong)而提(ti)出用固體(ti)潮(chao)測量引(yin)力傳播(bo)速(su)度的方法。

湯(tang)克云(yun)科學團組先(xian)后實施(shi)1997年(nian)(nian)(nian)漠河日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測、2001年(nian)(nian)(nian)贊比亞日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測、2002年(nian)(nian)(nian)澳大利亞日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測、2008年(nian)(nian)(nian)嘉峪關日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測、2009年(nian)(nian)(nian)上海-杭州-湖州日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測和(he)2010年(nian)(nian)(nian)云(yun)南大理日(ri)環食(shi)觀(guan)測，主要是重(zhong)力固體(ti)潮觀(guan)測。

中國科(ke)學(xue)家們觀測(ce)研(yan)究發(fa)現：現今固體潮(chao)理論公式中隱含著引(yin)力場(chang)以光速(su)傳(chuan)播的假定(ding)，進而導出引(yin)力傳(chuan)播速(su)度方(fang)(fang)程，并找到(dao)求(qiu)解引(yin)力場(chang)速(su)度的有效(xiao)方(fang)(fang)法。湯克云(yun)科(ke)學(xue)團(tuan)組隨后選擇遠離(li)太平洋(yang)、大西洋(yang)、印度洋(yang)和北冰洋(yang)的西藏獅泉(quan)河站和新疆烏(wu)什站的固體潮(chao)數據作相關校正后，代入(ru)引(yin)力傳(chuan)播速(su)度方(fang)(fang)程，最終(zhong)獲得全球“引(yin)力場(chang)以光速(su)傳(chuan)播”的第(di)一個觀測(ce)證(zheng)據。

專家介紹說，牛頓的(de)萬有引(yin)力(li)定律表明，引(yin)力(li)傳(chuan)播是一(yi)種超距(ju)作用，引(yin)力(li)可(ke)以在(zai)瞬(shun)間傳(chuan)播至(zhi)任意(yi)遠(yuan)處，愛因斯坦則認為牛頓的(de)超距(ju)作用應該放(fang)棄。一(yi)直以來，整個(ge)物理學(xue)界都在(zai)期待著通過實驗(yan)或觀(guan)測獲(huo)得引(yin)力(li)場傳(chuan)播的(de)速度，但此前(qian)均未找到正確的(de)實驗(yan)或觀(guan)測方法(fa)。