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定義

萬有引(yin)力(li)定律：屬于自然科學領域(yu)定律，自然界中任何(he)兩個物(wu)(wu)體(ti)都是相(xiang)互吸(xi)引(yin)的(de)，引(yin)力(li)的(de)大小跟這兩個物(wu)(wu)體(ti)的(de)質量(liang)乘積成正比(bi)，跟它們(men)的(de)距離的(de)二次方(fang)成反比(bi)。

萬(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)定律(lv)是牛頓在1687年(nian)出版的(de)(de)(de)《自然哲學的(de)(de)(de)數學原理》一書中(zhong)首(shou)先提出的(de)(de)(de)。牛頓利用(yong)萬(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)定律(lv)不僅說明了行(xing)星運(yun)動規(gui)律(lv)，而且還(huan)指(zhi)出木(mu)星、土星的(de)(de)(de)衛星圍繞行(xing)星也有(you)(you)同樣的(de)(de)(de)運(yun)動規(gui)律(lv)。他(ta)認為月(yue)球(qiu)除了受到地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)外，還(huan)受到太(tai)陽的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)，從而解(jie)(jie)釋(shi)了月(yue)球(qiu)運(yun)動中(zhong)早(zao)已發現(xian)(xian)的(de)(de)(de)二均差(cha)，出差(cha)等；另(ling)外，他(ta)還(huan)解(jie)(jie)釋(shi)了彗星的(de)(de)(de)運(yun)動軌道(dao)和地(di)球(qiu)上的(de)(de)(de)潮汐現(xian)(xian)象。根據萬(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)定律(lv)成功(gong)地(di)預言并發現(xian)(xian)了海(hai)王星。

萬有引力定(ding)律出現后，才正式把研(yan)究天體(ti)的(de)(de)(de)運動建(jian)立(li)在力學理論的(de)(de)(de)基礎上，從而創立(li)了天體(ti)力學。簡單的(de)(de)(de)說，質量越大的(de)(de)(de)東(dong)西產生的(de)(de)(de)引力越大,這個(ge)力與(yu)兩個(ge)物體(ti)的(de)(de)(de)質量均成正比(bi)，與(yu)兩個(ge)物體(ti)間的(de)(de)(de)距離(li)平方成反比(bi)。地球的(de)(de)(de)質量產生的(de)(de)(de)引力足夠(gou)把地球上的(de)(de)(de)東(dong)西全部抓(zhua)牢。

萬有引(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)傳入(ru)中國：《自(zi)然哲(zhe)學的(de)(de)數(shu)(shu)學原(yuan)(yuan)理(li)》牛頓(dun)最重(zhong)(zhong)要的(de)(de)著(zhu)作，1687年(nian)出(chu)版(ban)(ban)。該書(shu)(shu)總結(jie)了(le)他一生中許(xu)多重(zhong)(zhong)要發現和研究(jiu)成果(guo)，其中包括上(shang)述關于(yu)物(wu)體(ti)(ti)運(yun)動的(de)(de)定(ding)律(lv)。他說，該書(shu)(shu)“所研究(jiu)的(de)(de)主要是關于(yu)重(zhong)(zhong)、輕流體(ti)(ti)抵抗力(li)(li)及其他吸引(yin)運(yun)動的(de)(de)力(li)(li)的(de)(de)狀況，所以(yi)我們研究(jiu)的(de)(de)是自(zi)然哲(zhe)學的(de)(de)數(shu)(shu)學原(yuan)(yuan)理(li)。”該書(shu)(shu)傳入(ru)中國后(hou)，中國數(shu)(shu)學家李善蘭曾(ceng)譯出(chu)一部分，但未(wei)出(chu)版(ban)(ban)，譯稿也遺失了(le)。現有的(de)(de)中譯本(ben)是數(shu)(shu)學家鄭太樸翻譯的(de)(de)，書(shu)(shu)名(ming)為《自(zi)然哲(zhe)學之(zhi)數(shu)(shu)學原(yuan)(yuan)理(li)》，1931年(nian)商(shang)務(wu)印書(shu)(shu)館初版(ban)(ban)，1957和1958年(nian)兩次重(zhong)(zhong)印。

詳細內容

萬有引力(li)等于引力(li)常量乘(cheng)以兩物體質量的(de)乘(cheng)積除以它們(men)距離的(de)平方。其中G代表引力(li)常量，其值約(yue)為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英國物理學家(jia)、化學家(jia)亨利·卡文迪許通過(guo)扭秤(cheng)實(shi)驗測得。此外，庫侖定律也可以用(yong)這(zhe)種扭秤(cheng)證明。

因為行星受到的(de)作(zuo)用力(li)和太(tai)陽受到的(de)作(zuo)用力(li)是(shi)相同大小的(de)力(li)，由這(zhe)兩個式子(zi)比較可知，k′包含了太(tai)陽的(de)質量(liang)M，k″包含了行星的(de)質量(liang)m。由此可知，這(zhe)兩個力(li)與兩個天(tian)體質量(liang)的(de)乘積(ji)成正比，它稱為萬有引力(li)。

如果引入一(yi)個新的(de)(de)常數G（稱萬有引力常數），再考慮(lv)太陽和行星的(de)(de)質(zhi)量(liang)，以(yi)及先前得出的(de)(de)4·π2，那么(me)可以(yi)表示為：萬有引力，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩(liang)(liang)個通常物體(ti)之間的(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力極其微小，我們察覺不(bu)到它，可以不(bu)予考慮。比如(ru)，兩(liang)(liang)個質量(liang)都(dou)是60千克的(de)人(ren)，相距(ju)0.5米，他(ta)們之間的(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力還不(bu)足百萬(wan)(wan)(wan)分(fen)之一牛頓，而一只螞蟻拖(tuo)動細草梗的(de)力竟(jing)是這個引(yin)力的(de)1000倍！但是，天體(ti)系(xi)統中(zhong)，由于天體(ti)的(de)質量(liang)很大(da)，萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力就起著決定(ding)性的(de)作用。在天體(ti)中(zhong)質量(liang)還算很小的(de)地球(qiu)(qiu)，對其他(ta)的(de)物體(ti)的(de)萬(wan)(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力已經(jing)具有(you)(you)巨大(da)的(de)影響，它把(ba)人(ren)類、大(da)氣和(he)所(suo)有(you)(you)地面物體(ti)束縛在地球(qiu)(qiu)上(shang)，它使(shi)月球(qiu)(qiu)和(he)人(ren)造地球(qiu)(qiu)衛星繞(rao)地球(qiu)(qiu)旋(xuan)轉而不(bu)離去。

重力

在人類航天事業興起之前，萬有(you)引力(li)早已被(bei)應用于(yu)宇(yu)(yu)宙(zhou)天體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)。重力(li)雖(sui)然早被(bei)發現，但(dan)是(shi)重力(li)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)進入宇(yu)(yu)宙(zhou)這(zhe)個領域(yu)，是(shi)航天科學(xue)帶領的(de)(de)。從地面出發進行(xing)(xing)的(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)航行(xing)(xing)的(de)(de)路上(shang)，物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)重力(li)要(yao)發生巨大變(bian)化(hua)。到達(da)目標天體(ti)(ti)(ti)(ti)或人造天體(ti)(ti)(ti)(ti)后，物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)重力(li)也會與(yu)地球上(shang)有(you)很大區別。要(yao)考慮人如(ru)(ru)何(he)耐受(shou)體(ti)(ti)(ti)(ti)重的(de)(de)巨大變(bian)化(hua)，要(yao)研究(jiu)(jiu)支(zhi)撐(cheng)物(wu)如(ru)(ru)何(he)承受(shou)物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)重量帶來的(de)(de)壓力(li)的(de)(de)巨大變(bian)化(hua)。但(dan)是(shi)重力(li)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)難于(yu)萬有(you)引力(li)。至今重力(li)的(de)(de)定義(yi)只停(ting)留在地面附近，重力(li)的(de)(de)概(gai)念也沒有(you)深入本質。重力(li)研究(jiu)(jiu)停(ting)留在下面的(de)(de)小(xiao)范圍之內。

重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)，就(jiu)是(shi)(shi)(shi)由于地(di)(di)面(mian)附(fu)近的(de)(de)(de)物(wu)體(ti)受到地(di)(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)而產(chan)生的(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)(shi)需要注意的(de)(de)(de)是(shi)(shi)(shi)，因為(wei)地(di)(di)球(qiu)(qiu)在自轉(zhuan)，除了在南(nan)(nan)極北極端點(dian)，在地(di)(di)球(qiu)(qiu)上(shang)任意一(yi)點(dian)的(de)(de)(de)物(wu)體(ti)，其重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)并(bing)不(bu)等(deng)于萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)（因為(wei)這里的(de)(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)指(zhi)(zhi)地(di)(di)球(qiu)(qiu)本身的(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)，而重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)物(wu)體(ti)本身的(de)(de)(de)質量再加上(shang)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)）。此時可看作繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)合成(cheng)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)（矢(shi)量和(he)—平行四(si)邊形(xing)法(fa)則(ze)）。由于繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)遠小于重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)，故一(yi)般就(jiu)認為(wei)重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)就(jiu)略等(deng)于萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)了，其實重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)略小于萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)，只有(you)(you)在南(nan)(nan)北極物(wu)體(ti)繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)自轉(zhuan)的(de)(de)(de)向(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)(li)(li)(li)為(wei)零時，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)才等(deng)于萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)。重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)和(he)萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)方向(xiang)不(bu)同，重(zhong)(zhong)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)豎(shu)直向(xiang)下，萬有(you)(you)引(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)指(zhi)(zhi)向(xiang)地(di)(di)心(xin)(xin)，豎(shu)直向(xiang)下和(he)指(zhi)(zhi)向(xiang)地(di)(di)心(xin)(xin)是(shi)(shi)(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)，不(bu)能(neng)混(hun)淆。

上面(mian)研究重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)方法只適(shi)用于(yu)地(di)面(mian)，宇宙航行(xing)中的(de)(de)重(zhong)力(li)(li)和宇宙中天體(ti)或(huo)人造天體(ti)上的(de)(de)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)研究，離(li)不開下面(mian)重(zhong)力(li)(li)的(de)(de)概念和定(ding)義。

在靜力學(xue)范圍內，以(yi)放(fang)置物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)支撐物(wu)(wu)或(huo)物(wu)(wu)體(ti)本身為參照物(wu)(wu)，來研(yan)究重(zhong)力能(neng)得到(dao)(dao)最(zui)好(hao)的(de)(de)保障。萬(wan)有(you)引力和(he)慣性力都是(shi)同(tong)時作用(yong)在物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)每(mei)一(yi)個微(wei)小部分，因(yin)此(ci)都能(neng)使物(wu)(wu)體(ti)獲得重(zhong)量。在沒有(you)其他的(de)(de)力具有(you)這樣的(de)(de)作用(yong)效果(guo)。因(yin)此(ci)將萬(wan)有(you)引力和(he)慣性力的(de)(de)共同(tong)作用(yong)，即(ji)它(ta)們的(de)(de)合(he)力叫做重(zhong)力。這種研(yan)究重(zhong)力得到(dao)(dao)的(de)(de)結果(guo)與上面提到(dao)(dao)在地(di)面上的(de)(de)研(yan)究方法得到(dao)(dao)的(de)(de)結果(guo)完全相同(tong)，因(yin)為地(di)球也是(shi)宇宙天體(ti)之(zhi)一(yi)。

會從(cong)這里發(fa)現，在地(di)面(mian)研究(jiu)重力(li)，怎么只考慮(lv)地(di)球的(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)，卻沒有(you)(you)考慮(lv)把(ba)地(di)球吸引(yin)(yin)(yin)得團團轉的(de)太(tai)陽的(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)和(he)其(qi)(qi)他(ta)眾星球的(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)？新(xin)的(de)概念(nian)和(he)定義能很好(hao)地(di)做出解(jie)釋(shi)。把(ba)各(ge)星球看做質(zhi)點，那(nei)么太(tai)陽的(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)和(he)其(qi)(qi)他(ta)眾星球的(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)，都(dou)分別和(he)與(yu)它們對應的(de)慣性力(li)相互抵消。因此在求地(di)面(mian)上物體的(de)重力(li)時除地(di)球萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)以外，其(qi)(qi)他(ta)的(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)可(ke)以不參與(yu)重力(li)的(de)計算。但是不加(jia)考慮(lv)是不可(ke)以的(de)。

宇宙航行中物(wu)體(ti)的(de)(de)(de)超(chao)重(zhong)(zhong)(zhong)、失重(zhong)(zhong)(zhong)現(xian)象(xiang)的(de)(de)(de)解(jie)釋(shi)和物(wu)體(ti)在其他星球上(shang)的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)計(ji)算，都可以在新定義下，用物(wu)體(ti)所受重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)(de)(de)變化(hua)或說(shuo)重(zhong)(zhong)(zhong)量的(de)(de)(de)變化(hua)來解(jie)決(jue)。這樣重(zhong)(zhong)(zhong)力(li)的(de)(de)(de)研究就會伴隨(sui)萬有引力(li)的(de)(de)(de)研究進入宇宙空間。

偉大意義

17世(shi)紀早期，人(ren)(ren)們已經能(neng)夠區(qu)分很多力，比(bi)如摩擦(ca)力、重(zhong)力、空氣阻(zu)力、電力和人(ren)(ren)力等(deng)。牛(niu)(niu)頓首次(ci)將其中一(yi)些看似不同的力準確(que)地歸結到萬(wan)有(you)引力概念里：蘋果落(luo)地，人(ren)(ren)有(you)體重(zhong)，月亮(liang)圍繞地球(qiu)轉，所有(you)這些現象都是由相(xiang)同原因(yin)引起的。牛(niu)(niu)頓的萬(wan)有(you)引力定律簡單易懂(dong)，涵蓋面(mian)廣。

萬(wan)有引力的(de)(de)發現，是17世(shi)紀(ji)自(zi)然(ran)科學(xue)最(zui)偉大(da)的(de)(de)成果之一(yi)(yi)(yi)。它把地面(mian)上(shang)的(de)(de)物(wu)體運動的(de)(de)規律(lv)(lv)和天體運動的(de)(de)規律(lv)(lv)統一(yi)(yi)(yi)了起(qi)來，對以后物(wu)理學(xue)和天文(wen)學(xue)的(de)(de)發展(zhan)具有深遠的(de)(de)影響(xiang)。它第一(yi)(yi)(yi)次揭(jie)示(shi)了自(zi)然(ran)界中一(yi)(yi)(yi)種基本相互作用的(de)(de)規律(lv)(lv)，在人類認識(shi)自(zi)然(ran)的(de)(de)歷史上(shang)樹立了一(yi)(yi)(yi)座里程碑(bei)。

牛(niu)頓的(de)(de)萬有(you)(you)引力(li)概(gai)(gai)念是所有(you)(you)科學中最實用(yong)的(de)(de)概(gai)(gai)念之一(yi)。牛(niu)頓認為萬有(you)(you)引力(li)是所有(you)(you)物質的(de)(de)基本特征，這成為大部(bu)分物理科學的(de)(de)理論基石(shi)。

發現過程

原因

牛頓發現萬有引(yin)力(li)的原因(yin)很多，主要因(yin)為以下幾點(dian)。

1.科學發展的要求：牛(niu)頓之前(qian)，有很多天文學家在對宇(yu)宙中的星球進行(xing)觀察。經(jing)過幾位(wei)天文學家的觀察記(ji)錄，到開普勒時(shi)，他對這些觀測結果進行(xing)了分析總結，得到開普勒三(san)大定(ding)律(lv)：

1.所(suo)有行(xing)星(xing)都繞(rao)太陽做橢(tuo)圓運(yun)行(xing)，太陽在所(suo)有橢(tuo)圓的公共(gong)焦點上。

2.行星的(de)向(xiang)徑(jing)在相等(deng)(deng)的(de)時間內掃過相等(deng)(deng)的(de)面積。

3.所有行(xing)星(xing)軌道半長軸的(de)三次(ci)方跟公轉周期的(de)二次(ci)方的(de)比值都相等，即r^3/T^2=k。

開普勒三定(ding)律(lv)是(shi)不容置疑的(de)(de)，但為什么會(hui)這(zhe)樣呢？是(shi)什么讓它(ta)們做(zuo)加速度(du)非(fei)零的(de)(de)運動(dong)？牛頓經過研究思考解決了這(zhe)個(ge)問(wen)題：物(wu)體之(zhi)間(jian)存在萬(wan)有引力。當然他(ta)發現萬(wan)有引力定(ding)量是(shi)一個(ge)漫長而曲折的(de)(de)過程。

2.個人(ren)原因：牛(niu)(niu)頓發(fa)現萬有(you)引力定律(lv)，雖然是科學(xue)發(fa)展的(de)要(yao)求，生產力發(fa)展的(de)原因，但我們不能(neng)忽(hu)略牛(niu)(niu)頓本人(ren)的(de)一(yi)些因素：聰明(ming)勤(qin)于思考(kao) 擁(yong)有(you)一(yi)定的(de)知(zhi)識量(liang)。據《物理學(xue)史》說：牛(niu)(niu)頓在(zai)發(fa)現萬有(you)引力定律(lv)的(de)那(nei)一(yi)段時間，廢寢忘食(shi)（每天魂不守舍，在(zai)食(shi)堂吃飯(fan)，飯(fan)碗在(zai)前，他在(zai)發(fa)呆(dai)。去食(shi)堂吃飯(fan)，卻走錯了方向。一(yi)些老師在(zai)校(xiao)園后的(de)沙灘上散步時，看見了一(yi)些古怪(guai)的(de)算式(shi)和符號）。1669年，他年僅(jin)27歲，就(jiu)擔任了劍橋(qiao)的(de)數學(xue)教授。還有(you)1672年當選為英國皇(huang)家(jia)學(xue)會(hui)會(hui)員。

過程

1666年(nian)，23歲的(de)牛頓還是(shi)劍橋(qiao)大學(xue)(xue)圣(sheng)三(san)一學(xue)(xue)院(yuan)三(san)年(nian)級的(de)學(xue)(xue)生。看到他白皙的(de)皮膚和金色的(de)長發(fa)，很多人以為(wei)他還是(shi)個孩(hai)子(zi)。他身體瘦小，沉(chen)默寡言，性格嚴(yan)肅，這使人們更加相信(xin)他還是(shi)個孩(hai)子(zi)。他那雙銳利的(de)眼睛(jing)和整(zheng)天寫滿怒氣(qi)的(de)表(biao)情更是(shi)拒(ju)人于千里之(zhi)外。

黑死病席(xi)卷了倫敦，奪走了很多人(ren)的(de)(de)(de)生命，那確實是段(duan)可怕的(de)(de)(de)日子。大學(xue)被(bei)迫關(guan)閉，像艾(ai)薩克(ke)·牛(niu)頓(dun)這樣熱衷于學(xue)術(shu)的(de)(de)(de)人(ren)只(zhi)好返(fan)回安全的(de)(de)(de)鄉(xiang)村，期待著席(xi)卷城市(shi)的(de)(de)(de)病魔(mo)早日離去。

在鄉村的(de)(de)日子里，牛頓一直被這樣的(de)(de)問題困惑(huo)：是什么力(li)(li)量驅使(shi)月球圍繞地球轉，地球圍繞太陽(yang)轉？牛頓首次認為(wei)，重力(li)(li)不僅(jin)僅(jin)是行星和恒星之間(jian)的(de)(de)作用(yong)(yong)力(li)(li)，有可能(neng)是普遍存(cun)在的(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)。他深(shen)信(xin)煉金術，認為(wei)物質之間(jian)相互(hu)吸(xi)引(yin)，這使(shi)他斷言，相互(hu)吸(xi)引(yin)力(li)(li)不但適用(yong)(yong)于碩大的(de)(de)天體之間(jian)，而且(qie)適用(yong)(yong)于各(ge)種(zhong)體積的(de)(de)物體之間(jian)。蘋果落地、雨(yu)滴降(jiang)落和行星沿著軌道圍繞太陽(yang)運行都是重力(li)(li)作用(yong)(yong)的(de)(de)結果。

人們(men)普遍認為(wei)，適用(yong)于地球的(de)自(zi)然(ran)定(ding)律與太(tai)空中(zhong)的(de)定(ding)律大相徑(jing)庭。牛頓的(de)萬有(you)引(yin)力定(ding)律沉重打擊了這一觀點，它告訴人們(men)，支(zhi)配自(zi)然(ran)和宇宙的(de)法(fa)則是很簡單(dan)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(de)基石。

當然，當時牛頓提出(chu)了(le)萬有引力(li)理論(lun)，卻未能(neng)得出(chu)萬有引力(li)的公(gong)式，因(yin)為公(gong)式中的“G”實(shi)在(zai)太小了(le)，因(yin)此他提出(chu)：F∝mM/r2。直到(dao)1798年(nian)英(ying)國物(wu)理學家卡(ka)文(wen)迪(di)許(xu)利(li)用著(zhu)名的卡(ka)文(wen)迪(di)許(xu)扭(niu)秤（即(ji)卡(ka)文(wen)迪(di)許(xu)實(shi)驗(yan)）較精(jing)確地測出(chu)了(le)引力(li)恒量(liang)的數值。

簡單含義

牛(niu)頓(dun)并不是(shi)發現(xian)了重力，他(ta)是(shi)發現(xian)重力是(shi)“萬有(you)”的。每個(ge)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)都會(hui)吸引其(qi)他(ta)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)，而這(zhe)股引力的大(da)小只跟物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)的質(zhi)量(liang)與物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)間(jian)的距離有(you)關。牛(niu)頓(dun)的萬有(you)引力定律說明，每一個(ge)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)都吸引著其(qi)他(ta)每一個(ge)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)，而兩(liang)個(ge)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)間(jian)的引力大(da)小，正(zheng)比于這(zhe)它們的質(zhi)量(liang)，會(hui)隨著兩(liang)物(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)中心(xin)連線距離的平(ping)方而遞(di)減(jian)。

牛頓為了證明只有球(qiu)(qiu)形(xing)體可(ke)把(ba)“球(qiu)(qiu)的(de)總質量集中(zhong)到球(qiu)(qiu)的(de)質心點”來代表整個球(qiu)(qiu)的(de)萬有引力(li)作(zuo)用(yong)的(de)總效果而發(fa)展了微積分(fen)。然(ran)而不管(guan)距離地球(qiu)(qiu)多(duo)遠，地球(qiu)(qiu)的(de)重(zhong)力(li)永遠不會變成零，即(ji)使你被(bei)帶到宇宙的(de)邊(bian)緣，地球(qiu)(qiu)的(de)重(zhong)力(li)還(huan)(huan)是會作(zuo)用(yong)到你身(shen)上，雖(sui)然(ran)地球(qiu)(qiu)重(zhong)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)可(ke)能(neng)會被(bei)你附(fu)近質量巨大的(de)物體所(suo)(suo)掩(yan)蓋，但(dan)它還(huan)(huan)是存在(zai)。不管(guan)是多(duo)小還(huan)(huan)是多(duo)遠，每一個物體都會受到引力(li)作(zuo)用(yong)，而且遍(bian)布整個太空(kong)，正如我們(men)所(suo)(suo)說的(de)“萬有”。

基本力

萬有(you)(you)引力(li)(li)(li)是(shi)任意兩個(ge)物體或(huo)(huo)兩個(ge)粒(li)子(zi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)與其質量乘積(ji)相關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引力(li)(li)(li)，自然(ran)界(jie)中(zhong)最普(pu)遍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)(li)，簡稱引力(li)(li)(li)。在(zai)粒(li)子(zi)物理(li)學中(zhong)則稱引力(li)(li)(li)和(he)強力(li)(li)(li)、弱(ruo)力(li)(li)(li)、電(dian)磁力(li)(li)(li)合稱4種基本相互作(zuo)用(yong)。引力(li)(li)(li)是(shi)其中(zhong)最弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種，兩個(ge)質子(zi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)萬有(you)(you)引力(li)(li)(li)只(zhi)有(you)(you)它們間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10，質子(zi)受(shou)地(di)球的(de)(de)(de)(de)(de)(de)引力(li)(li)(li)也只(zhi)有(you)(you)它在(zai)一(yi)個(ge)不(bu)(bu)強的(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)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10。因此研究粒(li)子(zi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)或(huo)(huo)粒(li)子(zi)在(zai)電(dian)子(zi)顯微鏡和(he)加速器(qi)中(zhong)運(yun)動時，都不(bu)(bu)考慮萬有(you)(you)引力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。

一(yi)般(ban)物體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)是很(hen)小的(de)(de)(de)(de)(de)，例(li)如(ru)兩(liang)個直徑為(wei)1米的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)球(qiu)，緊靠在一(yi)起時，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)只有1.14×10-3牛(niu)頓，相當于0.03克的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)小滴(di)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)重量。但地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量很(hen)大(da)，這兩(liang)個鐵(tie)球(qiu)分(fen)別受到4×102牛(niu)頓的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)球(qiu)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)，所以研(yan)究物體(ti)在地(di)球(qiu)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)場中的(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)時，通(tong)常都(dou)不(bu)考慮周圍其(qi)他物體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)。天體(ti)如(ru)太(tai)陽和地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量都(dou)很(hen)大(da)，乘積就更(geng)大(da)，巨大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)就能使(shi)龐(pang)然大(da)物繞太(tai)陽轉動(dong)。引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)就成了支(zhi)配天體(ti)運動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)唯一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種力(li)(li)。恒星的(de)(de)(de)(de)(de)形成，在高(gao)溫狀態下不(bu)彌散(san)反而逐漸(jian)收(shou)縮，最后坍(tan)縮為(wei)白矮星、中子星和黑洞(dong)，也(ye)都(dou)是由于引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)作用，因(yin)(yin)此(ci)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)也(ye)是促使(shi)天體(ti)演化的(de)(de)(de)(de)(de)重要因(yin)(yin)素(su)。

迄今為止，我們已經知道，引(yin)力(li)是一種與(yu)時空基本結構(gou)緊(jin)密關聯的(de)普適力(li)。應(ying)該(gai)視其(qi)(qi)為基本力(li)。換句話說(shuo)，我們應(ying)該(gai)用(yong)引(yin)力(li)來(lai)度(du)量其(qi)(qi)他東(dong)西(xi)，而不(bu)是用(yong)其(qi)(qi)他東(dong)西(xi)來(lai)度(du)量引(yin)力(li)。因此，在絕對意(yi)義上來(lai)說(shuo)，引(yin)力(li)不(bu)是微(wei)弱的(de)——它本來(lai)就(jiu)是這樣(yang)子的(de)。事實(shi)上，引(yin)力(li)顯(xian)得如此之微(wei)弱一直讓(rang)理(li)論物理(li)學界感到困惑。

大統一理論

萬有引力、電磁力、強相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力、弱相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力這(zhe)四種作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力是(shi)(shi)基本力。它(ta)們都(dou)是(shi)(shi)通(tong)過(guo)在(zai)粒子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)交換的(de)(de)(de)一(yi)種“傳(chuan)播(bo)子(zi)(zi)(zi)”實現的(de)(de)(de)交互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)，這(zhe)就像兩個人托排(pai)球(qiu)，通(tong)過(guo)他們之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)排(pai)球(qiu)把他們聯系在(zai)一(yi)起一(yi)樣。帶電粒子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)電磁相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)子(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)質量為零、自旋為1的(de)(de)(de)光子(zi)(zi)(zi)。 原來(lai)有學者認為，核子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)強相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)（核力）是(shi)(shi)靠π介子(zi)(zi)(zi)傳(chuan)遞的(de)(de)(de)，但(dan)由于核子(zi)(zi)(zi)和π介子(zi)(zi)(zi)都(dou)是(shi)(shi)由夸克組成的(de)(de)(de)，所以(yi)歸根(gen)結底(di)它(ta)們是(shi)(shi)夸克之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。

傳遞(di)夸克之間(jian)(jian)強(qiang)相(xiang)互作(zuo)用的(de)傳播子(zi)(zi)稱為(wei)“膠(jiao)子(zi)(zi)”。注意(yi)光(guang)子(zi)(zi)不(bu)帶(dai)(dai)電，且只有(you)一種(zhong)(zhong)(zhong)，而膠(jiao)子(zi)(zi)帶(dai)(dai)“色(se)(se)荷(he)”，分為(wei)八種(zhong)(zhong)(zhong)不(bu)同(tong)的(de)膠(jiao)子(zi)(zi)。不(bu)過它和(he)光(guang)子(zi)(zi)一樣，都是(shi)自(zi)旋(xuan)為(wei)1的(de)玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)。弱相(xiang)互作(zuo)用的(de)傳播子(zi)(zi)是(shi)“中(zhong)間(jian)(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)”，它的(de)自(zi)旋(xuan)也(ye)為(wei)1。有(you)三種(zhong)(zhong)(zhong)帶(dai)(dai)電情況：把(ba)帶(dai)(dai)有(you)正負單(dan)位電荷(he)的(de)中(zhong)間(jian)(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)記為(wei)W+、W-，把(ba)不(bu)帶(dai)(dai)電的(de)中(zhong)間(jian)(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)記為(wei)Z。1983年(nian)歐洲核子(zi)(zi)研究中(zhong)心的(de)盧(lu)比亞和(he)范德梅爾(er)(er)，在質(zhi)子(zi)(zi)-反質(zhi)子(zi)(zi)對撞機實驗中(zhong)發現了(le)這三種(zhong)(zhong)(zhong)中(zhong)間(jian)(jian)玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)，第二年(nian)即獲得諾貝爾(er)(er)獎。

在現(xian)(xian)代物理學(xue)中，能量(liang)概念(nian)比質量(liang)概念(nian)更(geng)具有(you)核心(xin)地位。這表(biao)(biao)現(xian)(xian)在許多方面(mian)。真正守恒的(de)是能量(liang)而(er)非質量(liang)。出(chu)現(xian)(xian)在各類(lei)基本方程(cheng)，如統計力(li)學(xue)的(de)波爾(er)茲曼(man)方程(cheng)，量(liang)子力(li)學(xue)的(de)薛定諤方程(cheng)和關于(yu)引力(li)的(de)愛因斯坦(tan)方程(cheng)等方程(cheng)中也是能量(liang)。而(er)質量(liang)似乎更(geng)多地與技(ji)術(shu)途(tu)徑相聯(lian)系，例如作(zuo)為龐加萊(lai)群不(bu)可約表(biao)(biao)示的(de)符號。

因此，愛因斯坦方程(cheng)提(ti)出了一項(xiang)挑戰。如果能(neng)夠用能(neng)量來解(jie)釋質量，這(zhe)將(jiang)有助于(yu)(yu)改進(jin)科學家(jia)們對于(yu)(yu)世界的描(miao)述，這(zhe)樣，構建世界所(suo)需(xu)要(yao)的構件可能(neng)變得更少(shao)。

借助于愛因(yin)斯坦定(ding)律，我們可以更(geng)好地解決或者回答牛頓所未曾解決的(de)問題：什么是(shi)質(zhi)量的(de)起源(yuan)？引(yin)力(li)與(yu)其他基(ji)本力(li)之間(jian)到底有什么關聯？

問(wen)題1：如果E=mc2，那(nei)么，質量正(zheng)比(bi)于能量。因(yin)此如果能量守(shou)恒，是不(bu)是意味著質量也守(shou)恒？然而，愛因(yin)斯坦的(de)(de)方程只能運(yun)用到靜止的(de)(de)孤立(li)的(de)(de)物體上(shang)。一般來說，兩個物體相互作用時，能量和質量不(bu)成(cheng)正(zheng)比(bi)。E=mc2根本不(bu)適用。

問題2：用(yong)無質(zhi)量的(de)構(gou)件(jian)搭建起來的(de)物(wu)體如(ru)何感知引(yin)力？牛頓(dun)定(ding)律(lv)說物(wu)體受到(dao)的(de)引(yin)力與質(zhi)量成正比，但(dan)事實上，通常(chang)被(bei)認為是(shi)零(ling)質(zhi)量的(de)光(guang)子(zi)卻會受到(dao)引(yin)力的(de)作用(yong)而發生彎曲。這(zhe)(zhe)是(shi)1919年為嚴驗(yan)證(zheng)在愛因斯坦廣義相對論(lun)所提出的(de)假設進行的(de)一次科(ke)學實觀測所證(zheng)實了的(de)。那(nei)么這(zhe)(zhe)是(shi)否意(yi)味(wei)著(zhu)光(guang)子(zi)質(zhi)量非零(ling)還是(shi)牛頓(dun)引(yin)力定(ding)律(lv)缺少普適性？

光(guang)的(de)(de)問題是(shi)(shi)一個值得(de)重視的(de)(de)首要性(xing)問題。《圣經(jing)·創世紀》中(zhong)上帝在造物的(de)(de)第一日所創造之(zhi)物便是(shi)(shi)光(guang)，上帝在圣經(jing)中(zhong)也多(duo)次把光(guang)當(dang)成自己的(de)(de)化身。光(guang)是(shi)(shi)“所有事物”中(zhong)最重要的(de)(de)元素，當(dang)然它截然不同于原子。人們本能地認為光(guang)是(shi)(shi)與物質(zhi)完全不同的(de)(de)另(ling)一類(lei)東西，是(shi)(shi)非(fei)物質(zhi)的(de)(de)甚(shen)至是(shi)(shi)精神層面的(de)(de)，這很自然。

光(guang)(guang)也(ye)的(de)(de)確表現出完全不(bu)同于可觸摸物(wu)質(zhi)的(de)(de)特性——后(hou)者是(shi)那種(zhong)你(ni)踢一(yi)下(xia)(xia)就會(hui)(hui)傷(shang)著腳趾頭或者是(shi)流過吹過你(ni)身邊的(de)(de)東西。如(ru)果你(ni)要跟(gen)費(fei)恩曼(man)例子(zi)里的(de)(de)災后(hou)遺民(min)講(jiang)授物(wu)理學(xue)，你(ni)大可告訴他們，光(guang)(guang)是(shi)物(wu)質(zhi)的(de)(de)另一(yi)種(zhong)形(xing)式，他們也(ye)會(hui)(hui)理解。你(ni)甚至可以告訴他們，光(guang)(guang)是(shi)由粒子(zi)——光(guang)(guang)子(zi)——組成的(de)(de)。光(guang)(guang)子(zi)在真空(kong)中運動(dong)速度(du)(du)很大，但是(shi)在超導狀(zhuang)態下(xia)(xia)，光(guang)(guang)運行的(de)(de)速度(du)(du)很慢，大體跟(gen)目前世(shi)界跑(pao)(pao)得最快的(de)(de)奧(ao)運會(hui)(hui)短跑(pao)(pao)冠(guan)軍的(de)(de)速度(du)(du)相(xiang)近，而且，光(guang)(guang)子(zi)在這種(zhong)狀(zhuang)態下(xia)(xia)也(ye)具有了質(zhi)量。

其次，值得提及的(de)(de)(de)是原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不是故事的(de)(de)(de)結束，它(ta)們是由(you)更基(ji)本的(de)(de)(de)構件組成(cheng)的(de)(de)(de)。因為(wei)所(suo)有的(de)(de)(de)物(wu)質都能發光(guang)，所(suo)以(yi)我(wo)(wo)們可以(yi)假設所(suo)有的(de)(de)(de)物(wu)質都是由(you)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)。原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是由(you)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)。原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)很(hen)小(xiao)，其大小(xiao)大約為(wei)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)10萬分之一(yi)，但(dan)它(ta)卻包含所(suo)有的(de)(de)(de)正電(dian)荷和(he)構成(cheng)了(le)幾乎所(suo)有的(de)(de)(de)質量。沿此思路走下去，我(wo)(wo)們將(jiang)很(hen)快將(jiang)費恩曼故事中(zhong)災(zai)后(hou)(hou)遺民引領到正確理(li)解(jie)科學的(de)(de)(de)化學和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)學的(de)(de)(de)道路上來，從(cong)而(er)重建我(wo)(wo)們的(de)(de)(de)世界。原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)因為(wei)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)和(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)的(de)(de)(de)電(dian)性吸(xi)引而(er)保持穩(wen)定。最后(hou)(hou)，原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)又由(you)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)。原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)卻由(you)另一(yi)種(zhong)力來維持，這(zhe)種(zhong)力要比電(dian)性力強大很(hen)多(duo)，但(dan)作用的(de)(de)(de)距離卻很(hen)短。這(zhe)種(zhong)對于物(wu)質認識狀態，大約是1935年前后(hou)(hou)的(de)(de)(de)情形。而(er)我(wo)(wo)們所(suo)了(le)解(jie)的(de)(de)(de)當然要大大跨越這(zhe)一(yi)時期(qi)的(de)(de)(de)知(zhi)識水準(zhun)。

1932年，詹(zhan)姆斯·查德(de)威克(ke)發現了中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)，這(zhe)是一(yi)個里程(cheng)碑。在(zai)查德(de)威克(ke)的(de)(de)(de)(de)發現之后，理解(jie)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)(de)(de)(de)道路似乎變得(de)通(tong)暢了。人們認為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)(de)(de)(de)構(gou)件已被(bei)發現，它們就(jiu)是質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)。這(zhe)是兩種重量近似的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)，而且有(you)著(zhu)類似的(de)(de)(de)(de)強相互作(zuo)用。質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)最明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)差(cha)別(bie)就(jiu)是質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)帶正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)，而中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)呈(cheng)電(dian)(dian)中(zhong)(zhong)性。此外，孤(gu)立的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)不穩定，大約會在(zai)15分(fen)鐘的(de)(de)(de)(de)壽命(ming)期限內衰變成一(yi)個質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)（加一(yi)個正(zheng)電(dian)(dian)荷(he)和(he)一(yi)個中(zhong)(zhong)微子(zi)(zi)(zi)(zi)）。將(jiang)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)簡單相加，你就(jiu)可(ke)以得(de)到不同電(dian)(dian)荷(he)數和(he)質(zhi)(zhi)(zhi)量的(de)(de)(de)(de)模型原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)，它與(yu)已知原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核(he)基本相符。

牛頓在(zai)1704年發(fa)表(biao)(biao)的(de)《光學》一書中，這樣表(biao)(biao)述了他對物質的(de)終極(ji)性質的(de)設想：

“在我看來(lai)，事實(shi)上(shang)可能是(shi)，上(shang)帝開始造(zao)物(wu)(wu)的(de)(de)時，將物(wu)(wu)質做成(cheng)了結實(shi)、沉(chen)重(zhong)、堅硬、不(bu)可入但可運動的(de)(de)微粒(li)(li)，其大小、形狀和(he)其它(ta)(ta)(ta)一些(xie)屬性以(yi)及空(kong)間上(shang)的(de)(de)比(bi)(bi)例都(dou)(dou)恰(qia)好(hao)有(you)助于他(ta)實(shi)現創造(zao)它(ta)(ta)(ta)們的(de)(de)目的(de)(de)。由于這(zhe)些(xie)原始微粒(li)(li)是(shi)些(xie)固體，所以(yi)它(ta)(ta)(ta)們比(bi)(bi)任何(he)由它(ta)(ta)(ta)們合成(cheng)的(de)(de)多孔的(de)(de)物(wu)(wu)體都(dou)(dou)要(yao)堅固得無可比(bi)(bi)擬。它(ta)(ta)(ta)們甚至堅硬得永遠不(bu)會磨損或破裂(lie)，沒有(you)任何(he)普通的(de)(de)力量能把(ba)上(shang)帝在他(ta)第(di)一次創世時他(ta)自己造(zao)出來(lai)的(de)(de)東西(xi)分開。”

物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)科(ke)學實質(zhi)(zhi)，其不可再分的(de)(de)核(he)心是(shi)質(zhi)(zhi)量(liang)。質(zhi)(zhi)量(liang)規定了(le)物(wu)質(zhi)(zhi)反抗運動的(de)(de)能力(li)(li)，也(ye)就是(shi)它(ta)的(de)(de)慣性(xing)。質(zhi)(zhi)量(liang)是(shi)不變(bian)的(de)(de)，即具有“保(bao)守性(xing)”。它(ta)可以(yi)從一個物(wu)體轉移到(dao)另一個物(wu)體，但是(shi)永遠不會增生或被消滅。對于(yu)牛頓(dun)來(lai)說，質(zhi)(zhi)量(liang)定義(yi)了(le)物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)多少。在牛頓(dun)物(wu)理(li)學中，質(zhi)(zhi)量(liang)提供了(le)力(li)(li)和(he)運動以(yi)及(ji)引(yin)力(li)(li)源之間聯系的(de)(de)橋(qiao)梁。而(er)在拉瓦錫看來(lai)，質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)穩定性(xing)及(ji)其精確的(de)(de)守恒性(xing)，則構成了(le)化學的(de)(de)基(ji)礎(chu)和(he)富有成果的(de)(de)發現指(zhi)南。

我們在化(hua)學的(de)(de)經驗(yan)表(biao)明，對所有這些(xie)復雜性給予解釋是可(ke)能的(de)(de)。也(ye)許(xu)質(zhi)子、中(zhong)子和(he)其它強子不是基(ji)本(ben)粒子。它們也(ye)許(xu)是由性質(zhi)更(geng)為簡單(dan)的(de)(de)更(geng)為基(ji)本(ben)的(de)(de)對象構成。

事實(shi)上，如果我(wo)們針對原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平上做(zuo)在(zai)(zai)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平上做(zuo)的(de)散射實(shi)驗，來(lai)研究原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)近距離碰撞下(xia)會(hui)(hui)發生什么，我(wo)們會(hui)(hui)得到(dao)同樣復雜的(de)結果：重新(xin)分(fen)布的(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)碎裂而成的(de)類新(xin)型(xing)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或(huo)(huo)處(chu)于激發態的(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)(huo)自由(you)基），換句話說，得到(dao)的(de)各種化學(xue)反(fan)(fan)應(ying)。服從簡單的(de)力定律的(de)只是(shi)基本(ben)的(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而由(you)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組成的(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不。而且在(zai)(zai)亞原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情形(xing)下(xia)，質(zhi)(zhi)(zhi)量也不守恒。如果你(ni)將質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟擊(ji)得足夠致密，你(ni)就會(hui)(hui)發現得到(dao)的(de)是(shi)更多(duo)的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有時還(huan)會(hui)(hui)伴有其它強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一(yi)個(ge)典型(xing)的(de)情形(xing)是(shi)，讓兩個(ge)高(gao)能(neng)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相互碰撞，得到(dao)卻是(shi)3個(ge)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一(yi)個(ge)反(fan)(fan)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)若(ruo)干個(ge)介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)總質(zhi)(zhi)(zhi)量會(hui)(hui)大于反(fan)(fan)應(ying)前兩個(ge)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量之和(he)(he)(he)。

光沒有(you)質(zhi)量。光不(bu)(bu)用推動(dong)就可以產生巨大的(de)(de)速(su)度從光源傳遞(di)到(dao)接受(shou)器。光很容易就可以產生（發射）或湮(yin)沒（被(bei)吸收）。光也不(bu)(bu)具(ju)備引力那(nei)樣的(de)(de)拉力。但光有(you)能(neng)量，能(neng)輕而(er)易舉地(di)被(bei)轉化并儲藏起來，例如植物的(de)(de)葉綠素(su)在(zai)光合作用下，可以把空氣中的(de)(de)二氧化碳和植物根系吸收的(de)(de)水分、礦物質(zhi)轉換(huan)成(cheng)多糖、氨(an)基酸(suan)或纖維素(su)的(de)(de)化學鍵(jian)里。在(zai)元(yuan)素(su)周(zhou)期表(biao)我們找(zhao)不(bu)(bu)到(dao)光的(de)(de)位置，而(er)這個周(zhou)期表(biao)里分布都是構(gou)成(cheng)物質(zhi)的(de)(de)各(ge)種構(gou)件。

在(zai)近(jin)代科學誕(dan)生(sheng)前的幾百(bai)年以及(ji)誕(dan)生(sheng)后(hou)的兩個半世紀里，實在(zai)分為(wei)物質和光似乎是不言(yan)自明的。物質有(you)(you)質量(liang)且守恒，光沒有(you)(you)質量(liang)。如果有(you)(you)質量(liang)物質和無(wu)(wu)質量(liang)的光始終彼此隔絕，那么物理世界(jie)就始終無(wu)(wu)法實現統一的描述。

在(zai)(zai)20世紀(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)前半葉，相(xiang)對論(lun)和量(liang)子物(wu)理(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)出現(xian)摧毀了經典物(wu)理(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)基礎。現(xian)存的(de)(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)和光的(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)幾同廢墟。這一(yi)創(chuang)新性的(de)(de)(de)(de)破壞過程(cheng)，使得(de)物(wu)理(li)學(xue)家(jia)有可能在(zai)(zai)20世紀(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)下半葉建(jian)造起一(yi)個(ge)新的(de)(de)(de)(de)更深(shen)刻的(de)(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)-光理(li)論(lun)，它(ta)將徹底破除(chu)自古以(yi)來對兩(liang)者分(fen)離(li)的(de)(de)(de)(de)認識。新的(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)認為，世界是建(jian)立在(zai)(zai)充滿以(yi)太的(de)(de)(de)(de)多(duo)層級空(kong)間基礎上的(de)(de)(de)(de)。這里(li)借用的(de)(de)(de)(de)“以(yi)太”雖然是十(shi)七世紀(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)哲學(xue)家(jia)笛卡爾(er)的(de)(de)(de)(de)概(gai)念，在(zai)(zai)十(shi)九世紀(ji)(ji)時麥克(ke)斯韋(wei)則稱之(zhi)為“場”，而在(zai)(zai)1970年代中，維爾(er)切克(ke)則將其稱之(zhi)為“網格”。

新(xin)的世界模(mo)型盡管看起(qi)來有(you)點稀奇古(gu)怪，但卻(que)非常成功而且(qie)精確。它(ta)為我們(men)提供了對普通物質質量(liang)起(qi)源的新(xin)認(ren)識。簡(jian)單來說，物質的出現于相對論、量(liang)子(zi)(zi)場論和(he)色動(dong)(dong)力學均有(you)關系(xi)——后者(zhe)是研究(jiu)支配夸克和(he)膠子(zi)(zi)行為特(te)有(you)規(gui)律的學問。如果不深入(ru)了解并熟悉(xi)地(di)運(yun)用這些(xie)概念，我們(men)就無法理解質量(liang)的起(qi)源。而且(qie)迄今為止，量(liang)子(zi)(zi)場論和(he)色動(dong)(dong)力學仍然(ran)是活躍的研究(jiu)領域，還有(you)許許多多的問題有(you)待(dai)解決。

不(bu)久(jiu)以前，人(ren)們(men)曾經認為普通物(wu)質(zhi)(zhi)的基本構件就是(shi)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)。之后，科學(xue)家(jia)們(men)又發現，普通物(wu)質(zhi)(zhi)的基本構件——質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)——內有些(xie)小東西(xi)。這些(xie)小東西(xi)叫做夸(kua)克和(he)膠子(zi)(zi)。當(dang)然，知(zhi)道它(ta)們(men)的名字并不(bu)等于告訴我們(men)他們(men)是(shi)什么，正如莎士比(bi)亞筆(bi)下的羅密歐所解釋的那樣：

“名字有什么意義(yi)？我們(men)叫(jiao)做玫瑰的東西，換(huan)個名字，還是(shi)一樣的香艷。”

但是(shi)，如果夸(kua)克和(he)(he)膠(jiao)子(zi)只(zhi)是(shi)物質內部永無(wu)止境(jing)的(de)(de)(de)(de)復雜(za)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)又(you)一層級，那么它們的(de)(de)(de)(de)名字只(zhi)不過提供(gong)一種讓人(ren)們炫耀的(de)(de)(de)(de)非流行語詞。然(ran)而夸(kua)克和(he)(he)膠(jiao)子(zi)并(bing)不“只(zhi)是(shi)又(you)一層級”。在膠(jiao)子(zi)本身被發(fa)現(xian)(xian)之前，人(ren)們已經發(fa)現(xian)(xian)了(le)描述膠(jiao)子(zi)的(de)(de)(de)(de)方程(cheng)(cheng)。1954年(nian)(nian)楊振(zhen)寧和(he)(he)羅伯特(te)·米爾斯(si)(si)發(fa)現(xian)(xian)作(zuo)(zuo)為電(dian)動力學(xue)的(de)(de)(de)(de)麥(mai)克斯(si)(si)韋方程(cheng)(cheng)組(zu)(zu)自然(ran)數(shu)學(xue)推(tui)廣的(de)(de)(de)(de)一類方程(cheng)(cheng)組(zu)(zu)，表(biao)明麥(mai)克斯(si)(si)韋方程(cheng)(cheng)組(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)自然(ran)數(shu)學(xue)推(tui)廣方程(cheng)(cheng)組(zu)(zu)支持所(suo)有已知荷的(de)(de)(de)(de)對(dui)稱性(xing)，而在楊-米爾斯(si)(si)方程(cheng)(cheng)組(zu)(zu)基(ji)礎上(shang)由(you)大衛·格羅斯(si)(si)和(he)(he)弗蘭(lan)克·維爾切(qie)克于(yu)1973年(nian)(nian)推(tui)導出了(le)適用于(yu)現(xian)(xian)實世界中強相(xiang)互作(zuo)(zuo)用膠(jiao)子(zi)方程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)(cheng)中使用了(le)三(san)種“荷”。出現(xian)(xian)在強相(xiang)互作(zuo)(zuo)用理論中的(de)(de)(de)(de)這三(san)種荷通(tong)常稱為色荷，或簡稱為荷。

在20世紀60年代(dai)初，實(shi)驗(yan)者發現了幾十種(zhong)(zhong)強子(zi)(zi)(zi)，它(ta)們的(de)質量、壽命和固有(you)的(de)自旋均(jun)不相同。其中，希格(ge)斯(si)(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)是粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)物理學標準模型(xing)預言的(de)一種(zhong)(zhong)自旋為零的(de)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)，至(zhi)今尚未在實(shi)驗(yan)中觀(guan)察到。它(ta)也是標準模型(xing)中最(zui)后一種(zhong)(zhong)未被發現的(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)。物理學家(jia)(jia)希格(ge)斯(si)(si)提出了希格(ge)斯(si)(si)機制(zhi)。在此機制(zhi)中，希格(ge)斯(si)(si)場(chang)引起自發對稱(cheng)性(xing)破缺，并將質量賦予規范傳(chuan)播子(zi)(zi)(zi)和費(fei)米子(zi)(zi)(zi)。希格(ge)斯(si)(si)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)是希格(ge)斯(si)(si)場(chang)的(de)場(chang)量子(zi)(zi)(zi)化激發，它(ta)通過自相互作用而(er)獲得質量。2012年7月2日(ri)，美國能源部(bu)下屬的(de)費(fei)米國家(jia)(jia)加速器(qi)實(shi)驗(yan)室宣布(bu)，該實(shi)驗(yan)室最(zui)新數據接近證明被稱(cheng)為“上帝粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)”的(de)希格(ge)斯(si)(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)的(de)存在。2013年3月14日(ri)，歐洲核(he)子(zi)(zi)(zi)研究組織發布(bu)新聞稿表示，先(xian)前(qian)探測到的(de)新粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)是希格(ge)斯(si)(si)玻(bo)(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)。

在粒(li)(li)(li)子(zi)物(wu)理(li)(li)(li)學里，標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)模(mo)型是一(yi)(yi)種(zhong)被廣泛(fan)接受的(de)(de)框架(jia)，可(ke)以(yi)描述強力(li)(li)(li)、弱力(li)(li)(li)及電磁力(li)(li)(li)這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)三種(zhong)基本力(li)(li)(li)及組成所有(you)物(wu)質的(de)(de)基本粒(li)(li)(li)子(zi)。由于基本粒(li)(li)(li)子(zi)和基本力(li)(li)(li)形成了(le)物(wu)理(li)(li)(li)世界，所以(yi)，除了(le)引力(li)(li)(li)以(yi)外，標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)模(mo)型可(ke)以(yi)合(he)理(li)(li)(li)解釋這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)世界中的(de)(de)大多數物(wu)理(li)(li)(li)現(xian)象。最(zui)初(chu)，標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)模(mo)型所倚賴的(de)(de)規范(fan)場論禁(jin)止基本粒(li)(li)(li)子(zi)擁(yong)有(you)質量，這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)很明顯(xian)地顯(xian)示出初(chu)始(shi)模(mo)型不夠(gou)完(wan)(wan)全。后來，物(wu)理(li)(li)(li)學者研(yan)究(jiu)出一(yi)(yi)種(zhong)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)，能夠(gou)利用對稱(cheng)性破(po)缺來賦予基本粒(li)(li)(li)子(zi)質量，同時又不會抵觸(chu)到(dao)規范(fan)場論。這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)被稱(cheng)為希(xi)格斯機(ji)(ji)(ji)制(zhi)。在所有(you)解釋質量起(qi)源的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)之中，希(xi)格斯機(ji)(ji)(ji)制(zhi)是最(zui)簡單、最(zui)被認可(ke)的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)。物(wu)理(li)(li)(li)學者已完(wan)(wan)成了(le)很多實(shi)驗，并確(que)實(shi)偵測到(dao)這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)引發(fa)的(de)(de)許多種(zhong)效應，但是他們不確(que)切(qie)了(le)解這(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)到(dao)底是怎么一(yi)(yi)回事。

標(biao)準模(mo)(mo)型(xing)(xing)給出了(le)自(zi)然界四種相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用中的(de)電磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用和弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用的(de)統一(yi)描(miao)述，但是在能量低于一(yi)定條件(jian)后(hou)，電磁相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用和弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用將呈現為(wei)不同的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用，這(zhe)被稱為(wei)電弱(ruo)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用的(de)對稱性(xing)自(zi)發(fa)破缺。希格斯粒子就(jiu)是在標(biao)準模(mo)(mo)型(xing)(xing)解釋電弱(ruo)對稱性(xing)自(zi)發(fa)破缺的(de)機制(zhi)時引入的(de)。

根據標(biao)準(zhun)模型理論，宇宙空間中(zhong)的(de)(de)各處，無論是(shi)(shi)(shi)真空中(zhong)還是(shi)(shi)(shi)空氣中(zhong)，甚至是(shi)(shi)(shi)物(wu)質的(de)(de)內(nei)部，都充滿了希(xi)格斯(si)(si)粒(li)子(zi)（希(xi)格斯(si)(si)場(chang)）。希(xi)格斯(si)(si)粒(li)子(zi)被認為是(shi)(shi)(shi)生成基(ji)本粒(li)子(zi)的(de)(de)“質量”之源(yuan)。雖然質量總是(shi)(shi)(shi)與(yu)“重(zhong)量”聯系(xi)在(zai)一(yi)起(qi)，但(dan)嚴格說起(qi)來是(shi)(shi)(shi)不一(yi)樣的(de)(de)。質量應該是(shi)(shi)(shi)反映“改變加速度的(de)(de)難易程度”的(de)(de)物(wu)理量。

為什么(me)有(you)些(xie)基本粒(li)子(zi)具(ju)有(you)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)，而(er)(er)有(you)些(xie)基本粒(li)子(zi)的質(zhi)量(liang)(liang)(liang)為零？物(wu)理學界仍(reng)在不停的探索(suo)中。而(er)(er)更加令物(wu)理學家們棘手(shou)的是，即使標(biao)準(zhun)模型理論解決了除引(yin)力(li)外的另外三種基本力(li)的統(tong)一問題，但引(yin)力(li)如何與其他三種達到大一統(tong)的局面，仍(reng)然(ran)缺少一些(xie)重(zhong)要的中間環節。另外，如果愛因斯坦提出的能量(liang)(liang)(liang)與質(zhi)量(liang)(liang)(liang)交換方程是普適(shi)而(er)(er)有(you)效的，那(nei)么(me)，質(zhi)量(liang)(liang)(liang)是否源于能量(liang)(liang)(liang)的凝聚呢(ni)？

我(wo)(wo)們(men)知道，原(yuan)子中的(de)電(dian)子可以有(you)不(bu)同(tong)的(de)軌道形(xing)狀，其自(zi)旋可有(you)不(bu)同(tong)取(qu)向，因此(ci)原(yuan)子可有(you)許多不(bu)同(tong)能(neng)(neng)態(tai)。對這些可能(neng)(neng)的(de)態(tai)的(de)研究是(shi)原(yuan)子光(guang)(guang)譜(pu)研究的(de)重要內容。我(wo)(wo)們(men)常用原(yuan)子光(guang)(guang)譜(pu)來揭示各(ge)種不(bu)同(tong)的(de)態(tai)是(shi)由(you)什么決定的(de)，來設計激(ji)光(guang)(guang)器以及(ji)許多其它事情。由(you)于原(yuan)子光(guang)(guang)譜(pu)本身的(de)重要性以及(ji)它與夸克模型有(you)千絲萬縷的(de)聯系，因此(ci)我(wo)(wo)們(men)得首先花點時間來說說光(guang)(guang)譜(pu)。

像火焰或者恒星大氣這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)熱氣體(ti)中就包含處于不同態的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)。即使(shi)是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)核相同、電(dian)子(zi)(zi)(zi)數(shu)相同的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，其電(dian)子(zi)(zi)(zi)仍(reng)然可有(you)不同軌道或不同自旋取(qu)向。這(zhe)些態有(you)不同的(de)(de)(de)(de)能(neng)量。高能(neng)態可衰變到底能(neng)態并(bing)發光(guang)。由于能(neng)量總體(ti)上是(shi)守恒的(de)(de)(de)(de)，因(yin)此(ci)發出(chu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量可通過(guo)其顏色(se)(se)來獲知，這(zhe)個(ge)能(neng)量反映了初(chu)態和終態之間的(de)(de)(de)(de)能(neng)量差。每(mei)一(yi)種(zhong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發出(chu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)都有(you)一(yi)套(tao)特征(zheng)(zheng)顏色(se)(se)分布。氫原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發出(chu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)是(shi)一(yi)組顏色(se)(se)條(tiao)紋，氦原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)發射的(de)(de)(de)(de)光(guang)澤是(shi)完全不同的(de)(de)(de)(de)另一(yi)組顏色(se)(se)條(tiao)紋，等等。物理學(xue)家(jia)(jia)和化學(xue)家(jia)(jia)將這(zhe)種(zhong)顏色(se)(se)分布成為原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)頻譜。原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)頻譜起著(zhu)標識該原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)特征(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)(de)作用，可以用來識別原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)。當(dang)你讓(rang)光(guang)線(xian)通過(guo)棱鏡從(cong)而使(shi)不同的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)分開時，得到的(de)(de)(de)(de)譜就相當(dang)于一(yi)套(tao)條(tiao)碼。

原(yuan)(yuan)子(zi)光譜在(zai)構(gou)建(jian)原(yuan)(yuan)子(zi)內部結(jie)構(gou)模(mo)型方面曾(ceng)經給予我(wo)們(men)(men)(men)很多具體的(de)(de)指向。以此為(wei)基(ji)(ji)礎(chu)，我(wo)們(men)(men)(men)再回到(dao)夸(kua)(kua)克模(mo)型上來。同樣的(de)(de)設(she)想(xiang)經過改造后再亞原(yuan)(yuan)子(zi)層面上依然有效。在(zai)原(yuan)(yuan)子(zi)層面上，電子(zi)兩個態之間的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)差相對較小(xiao)，這個能(neng)量(liang)(liang)差從原(yuan)(yuan)子(zi)總質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)來看顯得(de)微不(bu)(bu)足道(dao)(dao)。夸(kua)(kua)克模(mo)型的(de)(de)核心思想(xiang)是，夸(kua)(kua)克“原(yuan)(yuan)子(zi)”即(ji)強子(zi)的(de)(de)不(bu)(bu)同態之間的(de)(de)能(neng)差非常之大，它們(men)(men)(men)對確定(ding)強子(zi)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)起著重要作用。根據愛因斯(si)坦能(neng)量(liang)(liang)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)交換公式(shi)推導出(chu)的(de)(de)m=E/c2，我(wo)們(men)(men)(men)可以將不(bu)(bu)同質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)強子(zi)理(li)解為(wei)不(bu)(bu)同軌道(dao)(dao)模(mo)式(shi)——即(ji)不(bu)(bu)同量(liang)(liang)子(zi)態——的(de)(de)夸(kua)(kua)克系統具有不(bu)(bu)同的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)。質(zhi)(zhi)(zhi)言之，原(yuan)(yuan)子(zi)光譜是供(gong)看的(de)(de)，強子(zi)譜澤(ze)是供(gong)稱(cheng)量(liang)(liang)的(de)(de)。利(li)用這一原(yuan)(yuan)理(li)，蓋爾(er)曼和茨威格證明了，人們(men)(men)(men)可以將觀測到(dao)的(de)(de)許(xu)多不(bu)(bu)同的(de)(de)強子(zi)解釋為(wei)幾個基(ji)(ji)本夸(kua)(kua)克“夸(kua)(kua)克”的(de)(de)不(bu)(bu)同態。

然而，難以(yi)置(zhi)信的(de)是，盡管(guan)科學(xue)家們都非常渴望(wang)找(zhao)到單(dan)一(yi)的(de)夸克粒(li)子，結果卻屢屢失敗(bai)。迄(qi)今(jin)為(wei)止，人們沒有(you)觀測(ce)到任何粒(li)子具有(you)單(dan)一(yi)夸克的(de)特性。如同發明永(yong)動機的(de)失敗(bai)一(yi)樣(yang)，尋(xun)找(zhao)單(dan)個(ge)夸克的(de)失敗(bai)已經升格為(wei)一(yi)條原理：夸克禁閉原理。

當物理學(xue)家試圖用夸(kua)(kua)(kua)克來充實介子(zi)和(he)重(zhong)子(zi)的(de)(de)(de)內(nei)部結構模(mo)型，以便可(ke)以說(shuo)明它(ta)們(men)(men)(men)的(de)(de)(de)質(zhi)量時(shi)，更大的(de)(de)(de)困(kun)難出現了。即使是(shi)在(zai)(zai)最(zui)成功(gong)的(de)(de)(de)模(mo)型里，情況(kuang)似乎總是(shi)，當夸(kua)(kua)(kua)克（或(huo)反夸(kua)(kua)(kua)克）彼此(ci)(ci)靠近時(shi)，它(ta)們(men)(men)(men)幾(ji)乎從不(bu)(bu)注意到對方的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)。夸(kua)(kua)(kua)克之間的(de)(de)(de)相互作用力是(shi)如(ru)此(ci)(ci)微弱，人們(men)(men)(men)很難將它(ta)與無法發現獨立夸(kua)(kua)(kua)克的(de)(de)(de)事實調和(he)起來。如(ru)果夸(kua)(kua)(kua)克彼此(ci)(ci)接近時(shi)不(bu)(bu)在(zai)(zai)乎對方的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)，那它(ta)們(men)(men)(men)彼此(ci)(ci)遠離(li)后為(wei)什(shen)么不(bu)(bu)可(ke)以單獨存在(zai)(zai)呢？

這里可能出現了一(yi)種以前(qian)(qian)從未有(you)過的(de)(de)隨距離(li)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)(er)增(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)基本(ben)(ben)力。最初的(de)(de)夸克(ke)(ke)模(mo)型沒有(you)給出描述夸克(ke)(ke)之(zhi)間力的(de)(de)精確方程。在一(yi)方面(mian)，夸克(ke)(ke)模(mo)型頗有(you)些類似(si)于前(qian)(qian)牛(niu)頓(dun)的(de)(de)太(tai)陽系模(mo)型，或者前(qian)(qian)薛(xue)定諤/前(qian)(qian)玻爾原子模(mo)型。許多物理(li)學(xue)家，包括蓋(gai)爾曼本(ben)(ben)人，認為(wei)夸克(ke)(ke)只是(shi)一(yi)個可以成(cheng)為(wei)自然界(jie)數(shu)學(xue)描述里的(de)(de)有(you)用的(de)(de)工具，而(er)(er)不是(shi)真正意義上的(de)(de)實在的(de)(de)元素(su)。

我(wo)們知道(dao)，質(zhi)子(zi)(zi)(zi)內部的(de)物質(zhi)運動(dong)極快。在斯(si)坦福直線加速器(qi)中心，科學家實際上是采用電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)來(lai)轟擊(ji)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)，然后觀測(ce)兩(liang)者碰撞后出射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)行為。出射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)能(neng)量和(he)動(dong)量比碰撞前要少。由于能(neng)量和(he)動(dong)量整體(ti)上是守(shou)恒的(de)，因此(ci)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)失去的(de)能(neng)量可(ke)能(neng)是被(bei)虛光子(zi)(zi)(zi)帶走，并轉交給質(zhi)子(zi)(zi)(zi)。這(zhe)往往導(dao)(dao)致質(zhi)子(zi)(zi)(zi)經復雜過(guo)程而被(bei)打破(po)，由此(ci)導(dao)(dao)致了一種新的(de)實驗(yan)方法，只追(zhui)蹤電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，即(ji)只關(guan)注能(neng)量和(he)動(dong)量流。

量子(zi)(zi)(zi)理論允許我們調和關于質(zhi)子(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)(shi)什么的(de)(de)(de)兩個(ge)看似矛盾的(de)(de)(de)概念。一(yi)(yi)(yi)方面(mian)，質(zhi)子(zi)(zi)(zi)內部是(shi)(shi)(shi)動(dong)(dong)態(tai)的(de)(de)(de)，里面(mian)的(de)(de)(de)事情(qing)在(zai)不(bu)斷變(bian)化(hua)、運動(dong)(dong)著。另(ling)一(yi)(yi)(yi)方面(mian)，所有質(zhi)子(zi)(zi)(zi)隨時隨地都表現出(chu)(chu)完全相(xiang)同的(de)(de)(de)行為，也就是(shi)(shi)(shi)說(shuo)，每(mei)一(yi)(yi)(yi)個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)均給出(chu)(chu)相(xiang)同概率(lv)。如果質(zhi)子(zi)(zi)(zi)在(zai)不(bu)同的(de)(de)(de)時間里表現不(bu)一(yi)(yi)(yi)，所有的(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)怎(zen)么可能表現完全相(xiang)同的(de)(de)(de)行為？一(yi)(yi)(yi)個(ge)簡單而直觀的(de)(de)(de)解釋是(shi)(shi)(shi)，雖然每(mei)一(yi)(yi)(yi)個(ge)體(ti)概率(lv)在(zai)演化(hua)，但整體(ti)概率(lv)分布卻(que)保持不(bu)變(bian)。這(zhe)就像一(yi)(yi)(yi)條(tiao)平緩但在(zai)流動(dong)(dong)的(de)(de)(de)大(da)河，即使每(mei)一(yi)(yi)(yi)個(ge)滴水都在(zai)向前流淌，但整個(ge)河流看上去卻(que)并無變(bian)化(hua)。

在微觀尺度上大量的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)都很難被(bei)捕捉到。科學(xue)家(jia)們(men)(men)(men)把它們(men)(men)(men)叫(jiao)做(zuo)粒(li)子(zi)(zi)和反粒(li)子(zi)(zi)（或者(zhe)把反粒(li)子(zi)(zi)叫(jiao)做(zuo)虛粒(li)子(zi)(zi)）。這些(xie)虛粒(li)子(zi)(zi)出(chu)現和消失(shi)都很快，但也跑不了多遠。科學(xue)家(jia)們(men)(men)(men)只能(neng)在極短時超高分辨率(lv)的(de)(de)抓(zhua)拍中和它們(men)(men)(men)偶(ou)遇。在任何通常(chang)意義下(xia)人們(men)(men)(men)都無法見到它們(men)(men)(men)，除非我們(men)(men)(men)能(neng)提供(gong)所需的(de)(de)能(neng)量和動(dong)量來促使它們(men)(men)(men)產(chan)生。但即便如此，我們(men)(men)(men)看到的(de)(de)也不是原來未受干擾的(de)(de)虛粒(li)子(zi)(zi)——即自發產(chan)生和消失(shi)的(de)(de)那種粒(li)子(zi)(zi)。

現代生物(wu)(wu)醫學告訴我們，只有借(jie)助于更復雜(za)的生物(wu)(wu)體（宿主(zhu)），病毒才可(ke)以(yi)存活(huo)。虛(xu)粒子(zi)則遠(yuan)為(wei)脆弱(ruo)，因為(wei)它們需要外部(bu)幫助才能存在(zai)。盡(jin)管如此，它們卻在(zai)量子(zi)力學方程(cheng)里，而且根(gen)據這(zhe)些方程(cheng)，虛(xu)粒子(zi)會影響到我們看得(de)見的粒子(zi)的行為(wei)。

虛粒子總(zong)是(shi)(shi)(shi)(shi)成群(qun)地處于(yu)(yu)高速運動的狀態(tai)中(zhong)。物(wu)理學(xue)家將其稱之為虛空空間中(zhong)的實體(ti)成為一種動態(tai)介質。由于(yu)(yu)虛粒子的行(xing)為，正(zheng)(zheng)電(dian)荷(he)(he)會(hui)被部(bu)分屏蔽。也就是(shi)(shi)(shi)(shi)說，正(zheng)(zheng)電(dian)荷(he)(he)周(zhou)圍往往因(yin)為異(yi)性(xing)相吸引而裹著(zhu)一層補償性(xing)的負(fu)電(dian)荷(he)(he)。從遠(yuan)(yuan)處看(kan)，我們(men)感覺不到正(zheng)(zheng)電(dian)荷(he)(he)的全部(bu)靜電(dian)力(li)，因(yin)為有(you)部(bu)分被周(zhou)圍的負(fu)電(dian)荷(he)(he)抵(di)消了(le)。換(huan)句話說，你越(yue)是(shi)(shi)(shi)(shi)接近電(dian)荷(he)(he)有(you)效電(dian)荷(he)(he)就會(hui)越(yue)多；你越(yue)是(shi)(shi)(shi)(shi)遠(yuan)(yuan)離(li)電(dian)荷(he)(he)，它(ta)就顯得(de)越(yue)小。

在(zai)夸(kua)克(ke)模型里(li)我(wo)(wo)們(men)正(zheng)好(hao)得(de)出相(xiang)(xiang)反的(de)行為(wei)。假定(ding)夸(kua)克(ke)模型里(li)的(de)夸(kua)克(ke)在(zai)相(xiang)(xiang)互靠近(jin)時相(xiang)(xiang)互作用(yong)很(hen)弱，但如果(guo)它們(men)的(de)有效電荷在(zai)鄰近(jin)區域達到(dao)最大值時，我(wo)(wo)們(men)得(de)到(dao)的(de)只是相(xiang)(xiang)反的(de)結果(guo)。這時它們(men)彼此(ci)間的(de)距(ju)離(li)越小(xiao)，相(xiang)(xiang)互作用(yong)就會越強烈；相(xiang)(xiang)距(ju)越遠，其電荷被(bei)屏蔽得(de)越明顯(xian)，因而相(xiang)(xiang)互作用(yong)也就越弱。

量子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)(li)學(xue)(xue)起源(yuan)于1927年保(bao)羅·狄(di)拉(la)(la)克將量子(zi)(zi)(zi)理(li)(li)論應用(yong)于電(dian)磁場量子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)研究工作(zuo)。他將電(dian)荷(he)和電(dian)磁場的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)處理(li)(li)為(wei)引起能(neng)級躍遷的(de)(de)微擾，能(neng)級躍遷造成了(le)發(fa)射光(guang)子(zi)(zi)(zi)數(shu)量的(de)(de)變(bian)化，但總(zong)體上系統滿足能(neng)量和動量守恒(heng)。狄(di)拉(la)(la)克成功地(di)從第(di)一性原理(li)(li)導出(chu)了(le)愛(ai)因斯坦(tan)(tan)系數(shu)的(de)(de)形式，并證明(ming)了(le)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)玻(bo)色-愛(ai)因斯坦(tan)(tan)統計(ji)是電(dian)磁場量子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)自然結(jie)果(guo)。人(ren)們(men)發(fa)現，能(neng)夠精(jing)確描述這類(lei)過程(cheng)(cheng)是量子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)(li)學(xue)(xue)最重要的(de)(de)應用(yong)之一。另一方面，狄(di)拉(la)(la)克所(suo)(suo)發(fa)展的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對論量子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)學(xue)(xue)是量子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)前奏，狄(di)拉(la)(la)克方程(cheng)(cheng)作(zuo)為(wei)狹義相(xiang)(xiang)(xiang)對論框架下量子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)基本方程(cheng)(cheng)，所(suo)(suo)描述的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)等費(fei)米子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)旋(xuan)量場的(de)(de)正則量子(zi)(zi)(zi)化是由(you)匈牙利(li)-美國(guo)物(wu)理(li)(li)學(xue)(xue)家尤金·維格納和約(yue)爾當完成的(de)(de)。狄(di)拉(la)(la)克方程(cheng)(cheng)所(suo)(suo)預言的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)產生和湮滅(mie)過程(cheng)(cheng)能(neng)用(yong)正則量子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)語(yu)言重新(xin)加以描述。

靜態夸克模型建立之(zhi)后，在(zai)重(zhong)子(zi)(zi)質量(liang)譜和重(zhong)子(zi)(zi)磁(ci)矩方面取得了巨(ju)大(da)成功。但是(shi)，某些由(you)(you)一種夸克組成的粒子(zi)(zi)的存在(zai)，與物(wu)(wu)理學的基本假設(she)廣義(yi)泡利(li)原(yuan)理矛(mao)盾。為解決這個問題(ti)，物(wu)(wu)理學家引(yin)入(ru)(ru)了顏色(se)自由(you)(you)度，并且顏色(se)最少有(you)3種。這個時候顏色(se)還只是(shi)引(yin)入(ru)(ru)的某種量(liang)子(zi)(zi)數，并沒有(you)被認為是(shi)動力學自由(you)(you)度。

經歷了(le)十(shi)年左右的(de)(de)(de)各種(zhong)實(shi)(shi)驗，都沒(mei)有(you)在(zai)靜態(tai)夸克模型中發(fa)現分(fen)數(shu)(shu)電荷(he)的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)1/2的(de)(de)(de)夸克存(cun)在(zai)，物理學(xue)家(jia)被迫接受(shou)了(le)夸克是禁閉在(zai)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)內部(bu)(bu)的(de)(de)(de)現實(shi)(shi)。然而，美(mei)國的(de)(de)(de)斯坦福直線(xian)加速器(qi)中心SLAC在(zai)七(qi)十(shi)年代初進行了(le)一系列的(de)(de)(de)輕強(qiang)子(zi)(zi)(zi)深(shen)度(du)非(fei)彈性(xing)散(san)射實(shi)(shi)驗，發(fa)現強(qiang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)結構函數(shu)(shu)具有(you)比(bi)約肯無標度(du)性(xing)(Bjorken Scaling)。為解(jie)釋這個令(ling)人(ren)驚奇的(de)(de)(de)結果(guo)，費曼由此(ci)提出(chu)了(le)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)(zi)模型，假(jia)設強(qiang)子(zi)(zi)(zi)是由一簇自(zi)由的(de)(de)(de)沒(mei)有(you)相互作(zuo)用的(de)(de)(de)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)，就可以自(zi)然的(de)(de)(de)解(jie)釋比(bi)約肯無標度(du)性(xing)(Bjorken Scaling)。更(geng)細致(zhi)的(de)(de)(de)研究確認了(le)部(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)為1/2，并(bing)且具有(you)分(fen)數(shu)(shu)電荷(he)。

部(bu)(bu)分(fen)子模型(xing)和(he)靜(jing)態夸(kua)(kua)克(ke)(ke)(ke)模型(xing)都取得(de)了巨大成功，但是兩個(ge)模型(xing)對強子結構的(de)(de)(de)(de)描(miao)述(shu)有嚴重的(de)(de)(de)(de)沖(chong)突(tu)，具體來講就(jiu)(jiu)是夸(kua)(kua)克(ke)(ke)(ke)禁(jin)閉與部(bu)(bu)分(fen)子無相互作(zuo)用之間的(de)(de)(de)(de)沖(chong)突(tu)。這個(ge)問(wen)題的(de)(de)(de)(de)真正解(jie)決要等到(dao)漸近自由的(de)(de)(de)(de)發現。格婁斯(si)，維爾切克(ke)(ke)(ke)和(he)休·波利(li)策的(de)(de)(de)(de)計(ji)算表明(ming)，非阿貝(bei)爾規范場論中夸(kua)(kua)克(ke)(ke)(ke)相互作(zuo)用強度隨能標的(de)(de)(de)(de)增加而減(jian)弱(ruo)，部(bu)(bu)分(fen)子模型(xing)的(de)(de)(de)(de)成功正預示(shi)著存在SU（N）的(de)(de)(de)(de)規范相互作(zuo)用，N自然的(de)(de)(de)(de)就(jiu)(jiu)解(jie)釋為原先夸(kua)(kua)克(ke)(ke)(ke)模型(xing)中引入的(de)(de)(de)(de)新自由度--顏色。

色(se)(se)荷(he)(he)(he)概(gai)念的(de)(de)(de)引入和(he)(he)部分子(zi)(zi)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用實在量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)學(xue)(xue)基礎的(de)(de)(de)物理學(xue)(xue)的(de)(de)(de)突破(po)進展。物理學(xue)(xue)家們將這(zhe)(zhe)種新(xin)的(de)(de)(de)理論稱之(zhi)(zhi)為量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)學(xue)(xue)。兩者之(zhi)(zhi)間雖(sui)然有(you)(you)諸多(duo)相(xiang)似之(zhi)(zhi)處，但還是有(you)(you)如一些重要(yao)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)別(bie)：首先是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷(he)(he)(he)的(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)——由量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)學(xue)(xue)耦(ou)合(he)常數衡(heng)量(liang)(liang)——要(yao)遠遠強于(yu)光子(zi)(zi)對(dui)電(dian)荷(he)(he)(he)的(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)。其次是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)可以一種色(se)(se)荷(he)(he)(he)變換成另(ling)一種色(se)(se)荷(he)(he)(he)。量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)學(xue)(xue)和(he)(he)量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)(se)動(dong)力(li)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)第(di)三個重要(yao)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)別(bie)來(lai)自于(yu)上述第(di)二個區(qu)(qu)別(bie)的(de)(de)(de)結果。由于(yu)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷(he)(he)(he)的(de)(de)(de)存在和(he)(he)運(yun)動(dong)做出響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)，而且(qie)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)攜帶不平(ping)衡(heng)的(de)(de)(de)色(se)(se)荷(he)(he)(he)，因此膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)可以直接(jie)對(dui)另(ling)一個膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)做出響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)。這(zhe)(zhe)與(yu)光子(zi)(zi)的(de)(de)(de)情形(xing)正(zheng)好(hao)相(xiang)反。

相比之下，光(guang)子(zi)是電中性的(de)。它們相互之間完(wan)全不(bu)存在激烈的(de)相互作用。因此(ci)這些差異使得量子(zi)色(se)動力學(xue)的(de)計算(suan)(suan)結(jie)(jie)果要(yao)比得到(dao)量子(zi)電動力學(xue)的(de)計算(suan)(suan)結(jie)(jie)果更為(wei)困(kun)難。而且，由于存在導致色(se)流(liu)動的(de)各種可能性以及(ji)更多種類的(de)節點，在做這類計算(suan)(suan)時，科學(xue)家們又引入(ru)漸(jian)近自(zi)由概念。通過引入(ru)漸(jian)近自(zi)由，像噴注的(de)能量和(he)動量的(de)整體流(liu)動，都可以通過計算(suan)(suan)得到(dao)確定。

關于世(shi)界是由什(shen)么構成(cheng)的(de)(de)哲學和(he)科學思(si)考一直都在變化(hua)。許多枝節(jie)性問題仍然(ran)保留在今天最好的(de)(de)世(shi)界模型和(he)一些大(da)的(de)(de)謎團里。顯然(ran)要(yao)下結論(lun)還為時(shi)尚早(zao)。

就(jiu)自然(ran)哲學而言，我們從量(liang)子色(se)動力(li)學和漸近自由中得到的最重要的認識(shi)是(shi)(shi)，在(zai)我們認為是(shi)(shi)虛(xu)空(kong)(kong)空(kong)(kong)間(jian)的地方實(shi)際(ji)上充滿了(le)活躍(yue)的媒介，其活動鑄(zhu)就(jiu)了(le)這個世界。雖(sui)然(ran)早在(zai)大約2000年前成(cheng)書的大乘佛(fo)教的典籍《金(jin)剛經(jing)》就(jiu)曾指出“色(se)即(ji)是(shi)(shi)空(kong)(kong)，空(kong)(kong)即(ji)是(shi)(shi)色(se)”，而今現代物理學的其它發展強(qiang)化并充實(shi)了(le)這種認識(shi)。以后，當我們探索當前知識(shi)的前沿時，我們將看到“虛(xu)空(kong)(kong)”空(kong)(kong)間(jian)概念是(shi)(shi)怎樣一種豐富的動力(li)學媒介，它推動著我們不斷思考如何去(qu)實(shi)現力(li)的統(tong)一。

其實，關于空(kong)間虛(xu)無性(xing)的(de)爭(zheng)論可以追(zhui)溯(su)到現(xian)代科(ke)學的(de)前史，至少(shao)可以追(zhui)溯(su)到古希(xi)臘(la)時期。亞(ya)里士多德曾(ceng)經這樣寫(xie)道：“自然界厭惡(e)真空(kong)”，而(er)他的(de)對手原子論者(zhe)們則(ze)認為(wei)，用古羅馬詩人(ren)盧克萊修的(de)話(hua)來說，就(jiu)是(shi)(shi)“整個(ge)自然，作為(wei)自足(zu)的(de)實在，都是(shi)(shi)由(you)兩件東(dong)西組成的(de)：物體和(he)虛(xu)空(kong)，它們賴(lai)以建立，并在其中運動。”

這(zhe)種思辨性爭(zheng)論在(zai)現代科(ke)學的(de)黎明——17世紀的(de)科(ke)學革命——得到回(hui)響。笛卡爾提出，對(dui)自然世界進行科(ke)學描述的(de)基(ji)礎應建立(li)在(zai)他(ta)(ta)所謂的(de)基(ji)本性質之(zhi)上：廣延和運(yun)動。物質除了這(zhe)兩點再沒有其他(ta)(ta)屬性。他(ta)(ta)的(de)一(yi)個重要結論是：某一(yi)物質對(dui)另一(yi)物質的(de)影(ying)響唯有通過接觸才能發(fa)生。因此為了描述諸如行星的(de)運(yun)動，笛卡爾不得不引(yin)入(ru)無形空(kong)間的(de)概(gai)念——其中充滿了不可見物質。他(ta)(ta)設想空(kong)間是一(yi)種復(fu)雜的(de)充滿漩渦的(de)海洋，行星就在(zai)其中沖浪。

牛頓用(yong)(yong)(yong)他精確(que)制定(ding)的(de)(de)(de)(de)、成功的(de)(de)(de)(de)行(xing)星運(yun)動(dong)數學方程(cheng)，用(yong)(yong)(yong)他的(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)(you)引(yin)力定(ding)律(lv)，揭(jie)示了所(suo)有(you)(you)這(zhe)(zhe)些潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)復雜(za)性。但(dan)是牛頓的(de)(de)(de)(de)萬(wan)有(you)(you)引(yin)力定(ding)律(lv)并(bing)不(bu)(bu)(bu)適應于笛(di)卡爾的(de)(de)(de)(de)框架(jia)。前者假(jia)設物體(ti)間的(de)(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)可以(yi)(yi)通(tong)過(guo)(guo)一(yi)定(ding)距(ju)離來(lai)進(jin)行(xing)，不(bu)(bu)(bu)必(bi)一(yi)定(ding)要通(tong)過(guo)(guo)接觸(chu)。例如(ru)，根據牛頓定(ding)律(lv)，太陽即使不(bu)(bu)(bu)跟地球接觸(chu)，也可以(yi)(yi)對(dui)地球施加引(yin)力作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。盡管(guan)他的(de)(de)(de)(de)方程(cheng)為說明行(xing)星運(yun)動(dong)提供了一(yi)個(ge)詳細解釋，但(dan)牛頓本人(ren)對(dui)這(zhe)(zhe)種超距(ju)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)并(bing)不(bu)(bu)(bu)滿意。牛頓在(zai)1693年2月25日寫給本特利(li)的(de)(de)(de)(de)信中這(zhe)(zhe)樣(yang)說道：“一(yi)個(ge)物體(ti)可以(yi)(yi)不(bu)(bu)(bu)借助(zhu)任(ren)何其他東(dong)西(xi)穿越(yue)虛(xu)空距(ju)離而(er)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)于另一(yi)個(ge)物體(ti)，物體(ti)通(tong)過(guo)(guo)虛(xu)空進(jin)行(xing)彼此(ci)間作(zuo)用(yong)(yong)(yong)和(he)力的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)遞(di)，這(zhe)(zhe)對(dui)我來(lai)說是很(hen)荒(huang)謬的(de)(de)(de)(de)。我相信，任(ren)何有(you)(you)足夠(gou)哲學思維能力的(de)(de)(de)(de)人(ren)都不(bu)(bu)(bu)會沉溺于此(ci)。”

牛頓的(de)(de)(de)方程(cheng)發(fa)(fa)表過后(hou)大約一個(ge)半世(shi)紀的(de)(de)(de)時間里，數學(xue)家們幾乎(hu)不(bu)曾對此提(ti)出過任何(he)質疑，但詹(zhan)姆(mu)斯(si)·克(ke)拉克(ke)·麥(mai)克(ke)斯(si)韋卻發(fa)(fa)現(xian)這樣(yang)導出的(de)(de)(de)方程(cheng)不(bu)協調。1861年(nian)，麥(mai)克(ke)斯(si)韋發(fa)(fa)現(xian)，他可(ke)以(yi)通過在方程(cheng)中(zhong)引(yin)入額(e)外的(de)(de)(de)項來(lai)消除(chu)這種(zhong)不(bu)一致性，換言之，就是假定還(huan)存在著一種(zhong)新的(de)(de)(de)物理效(xiao)應(ying)。而邁克(ke)爾·法拉第此前早就發(fa)(fa)現(xian)，當(dang)磁場(chang)(chang)(chang)隨時間變化(hua)(hua)時，它們產(chan)生電(dian)場(chang)(chang)(chang)。麥(mai)克(ke)斯(si)韋為了(le)(le)解決方程(cheng)的(de)(de)(de)自洽性，不(bu)得(de)不(bu)假設存在相反的(de)(de)(de)效(xiao)應(ying)：變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)(chang)產(chan)生電(dian)場(chang)(chang)(chang)。有了(le)(le)這一添加(jia)物，場(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)概念得(de)到了(le)(le)更多的(de)(de)(de)認(ren)可(ke)和驗證：變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)(chang)產(chan)生變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)(chang)，后(hou)者反過來(lai)再產(chan)生變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)(chang)，如此便形成了(le)(le)每一種(zhong)自我更新的(de)(de)(de)循環。

麥克斯韋(wei)(wei)發現，他(ta)的(de)(de)新(xin)方(fang)(fang)程組(zu)，即(ji)廣(guang)為人知的(de)(de)麥克斯韋(wei)(wei)方(fang)(fang)程組(zu)，具有(you)純場解決(jue)方(fang)(fang)案，即(ji)場以光(guang)速在(zai)空間運動。這(zhe)一綜合的(de)(de)頂峰便是他(ta)得出(chu)的(de)(de)結論：這(zhe)些(xie)電場和磁場里(li)自我更新(xin)的(de)(de)擾動就(jiu)是光(guang)——一個有(you)待經受(shou)時間考驗的(de)(de)結論。對麥克斯韋(wei)(wei)來(lai)說，這(zhe)些(xie)充滿所有(you)空間并可以自己(ji)維(wei)持生(sheng)活的(de)(de)場正是上帝榮耀的(de)(de)一個明確(que)標志(zhi)：

“廣寬的(de)(de)(de)行星(xing)際和星(xing)際區域將不再被視為宇宙中無用的(de)(de)(de)場(chang)合(he)(he)，人們(men)不再認為造物主還沒在他(ta)的(de)(de)(de)王國里找到合(he)(he)適的(de)(de)(de)、具有多重象征的(de)(de)(de)東(dong)西來(lai)填(tian)補其(qi)中。我們(men)將發(fa)現，這(zhe)些場(chang)所(suo)已經充(chong)滿了這(zhe)種神(shen)奇的(de)(de)(de)介質。它們(men)是如此豐盈(ying)，人類沒有任何(he)力(li)量可以將其(qi)從(cong)哪(na)怕是最(zui)(zui)小的(de)(de)(de)空間上移(yi)去，或在其(qi)無窮的(de)(de)(de)連續(xu)體上留下哪(na)怕最(zui)(zui)輕微的(de)(de)(de)缺損。”

愛因斯坦對(dui)以太的(de)認識(shi)是復雜(za)而且多(duo)變(bian)。在(zai)1905年發(fa)表的(de)《論動(dong)體的(de)電(dian)動(dong)力(li)學》中這樣寫道：“引入(ru)‘光以太’將被證明是多(duo)余的(de)，因為(wei)按(an)照所要(yao)發(fa)展的(de)見(jian)解，即不(bu)需(xu)(xu)要(yao)引入(ru)一(yi)(yi)(yi)個具有特殊性(xing)質的(de)‘絕對(dui)靜止空間’，也(ye)不(bu)需(xu)(xu)要(yao)給發(fa)生電(dian)磁過程(cheng)的(de)真(zhen)空中的(de)每一(yi)(yi)(yi)點(dian)規(gui)定一(yi)(yi)(yi)個速度矢量。”

愛因斯(si)(si)坦的(de)(de)(de)(de)這一強有力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)宣示曾經讓很多物理(li)(li)(li)(li)學(xue)家困(kun)惑不已。在1905年時(shi)，物理(li)(li)(li)(li)學(xue)界(jie)面(mian)臨的(de)(de)(de)(de)問題(ti)不是沒有相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)，而是有兩個相(xiang)(xiang)互矛(mao)盾的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)。一方(fang)面(mian)是力(li)(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)服(fu)從牛(niu)頓方(fang)程(cheng)(cheng)。另(ling)一方(fang)面(mian)是電(dian)磁(ci)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)性理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)，服(fu)從麥克(ke)斯(si)(si)韋(wei)方(fang)程(cheng)(cheng)組。進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)發(fa)現，需(xu)要調整的(de)(de)(de)(de)不是新(xin)生的(de)(de)(de)(de)電(dian)磁(ci)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)，而是古老的(de)(de)(de)(de)牛(niu)頓力(li)(li)學(xue)理(li)(li)(li)(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)。在狹(xia)義(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)里，麥克(ke)斯(si)(si)韋(wei)場方(fang)程(cheng)(cheng)無需(xu)修改(gai)；相(xiang)(xiang)反，它們(men)提供了(le)(le)狹(xia)義(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)。事實上，狹(xia)義(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)思(si)想(xiang)幾乎要求充滿空間的(de)(de)(de)(de)場，也正是在這個意(yi)義(yi)上解釋了(le)(le)它們(men)為什么存在的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)(li)由(you)。

早在1899年，德國人普(pu)朗克(ke)提出(chu)(chu)了第(di)一(yi)(yi)個(ge)最終發展成(cheng)為量(liang)子(zi)(zi)力學的(de)(de)(de)(de)第(di)一(yi)(yi)個(ge)概(gai)念(nian)。普(pu)朗克(ke)提出(chu)(chu)，原子(zi)(zi)可以(yi)與電磁(ci)場交(jiao)換能(neng)量(liang)，也就是說，可以(yi)發射和(he)(he)吸(xi)收(shou)電磁(ci)輻射，譬如(ru)光(guang)，但(dan)只(zhi)能(neng)以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)(de)(de)單位(wei)量(liang)的(de)(de)(de)(de)形式，或者說以(yi)量(liang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)形式進行(xing)。但(dan)普(pu)朗克(ke)的(de)(de)(de)(de)概(gai)念(nian)愛因斯(si)(si)坦(tan)不(bu)(bu)甚滿意，他假(jia)設，不(bu)(bu)僅原子(zi)(zi)發射和(he)(he)吸(xi)收(shou)光(guang)（和(he)(he)一(yi)(yi)般的(de)(de)(de)(de)電磁(ci)輻射）是以(yi)離(li)散(san)單位(wei)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)，而且光(guang)本(ben)身(shen)就是以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)單位(wei)出(chu)(chu)現的(de)(de)(de)(de)，并(bing)且帶著離(li)散(san)單位(wei)動量(liang)傳播(bo)。有了這些(xie)擴張(zhang)，愛因斯(si)(si)坦(tan)能(neng)夠解釋(shi)更多的(de)(de)(de)(de)事(shi)實，并(bing)預(yu)言了新(xin)的(de)(de)(de)(de)現象——其中就包括他于1921年獲得諾貝爾(er)物(wu)理(li)學獎的(de)(de)(de)(de)主要工(gong)作即有關光(guang)電效(xiao)應的(de)(de)(de)(de)預(yu)言。但(dan)愛因斯(si)(si)坦(tan)明白：普(pu)朗克(ke)概(gai)念(nian)與現行(xing)物(wu)理(li)定(ding)律不(bu)(bu)相符，但(dan)有效(xiao)。現行(xing)的(de)(de)(de)(de)這些(xie)物(wu)理(li)定(ding)律一(yi)(yi)定(ding)有錯！

如(ru)果光以(yi)能(neng)量(liang)(liang)和動量(liang)(liang)包(bao)的(de)形式傳播(bo)，那么，光本身以(yi)及這些(xie)包(bao)看(kan)成是電(dian)磁粒子就(jiu)自然而(er)然了(le)。場的(de)概念(nian)可能(neng)更(geng)方(fang)(fang)便，但愛(ai)因斯(si)坦從來不是一個貪圖方(fang)(fang)便而(er)將其當(dang)成原(yuan)理的(de)物(wu)理學家(jia)。對他(ta)而(er)言，空間充滿實體的(de)概念(nian)，就(jiu)像是以(yi)無限大的(de)速度經過某(mou)物(wu)卻看(kan)到(dao)它與靜(jing)止時看(kan)到(dao)的(de)一樣。

到(dao)1920年(nian)代，愛因(yin)斯(si)(si)坦(tan)(tan)的(de)廣義(yi)相(xiang)對(dui)論(lun)問世后，他的(de)態度發(fa)生了變化。事實上，廣義(yi)相(xiang)對(dui)論(lun)更多的(de)是一個(ge)基(ji)于(yu)以(yi)太(tai)的(de)引力(li)場論(lun)。盡(jin)管(guan)如此，愛因(yin)斯(si)(si)坦(tan)(tan)從未放(fang)棄對(dui)消除電磁以(yi)太(tai)的(de)努力(li)。愛因(yin)斯(si)(si)坦(tan)(tan)本人在1920年(nian)5月(yue)5日在荷(he)蘭(lan)萊頓大(da)學的(de)演講中這樣說道：

“如果(guo)我們(men)從以太假說(shuo)(shuo)的(de)(de)(de)觀點來考慮引力(li)(li)場和電磁場，我們(men)就(jiu)會發現兩者之間有一個明顯的(de)(de)(de)不同(tong)。可(ke)以說(shuo)(shuo)沒(mei)有一種空間，也沒(mei)有任何(he)空間部(bu)分(fen)(fen)是(shi)沒(mei)有引力(li)(li)勢的(de)(de)(de)；因(yin)為這(zhe)些引力(li)(li)勢規定了空間的(de)(de)(de)度規性質，而沒(mei)有這(zhe)些度規性質則是(shi)根本無法想象(xiang)的(de)(de)(de)。引力(li)(li)場的(de)(de)(de)存在(zai)于空間的(de)(de)(de)存在(zai)是(shi)直接相關的(de)(de)(de)。但另一方(fang)面，在(zai)一部(bu)分(fen)(fen)空間內不存在(zai)電磁場則是(shi)完全可(ke)以想象(xiang)的(de)(de)(de)。”

歷史地看，狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)肇(zhao)始于電(dian)和磁(ci)的(de)(de)研究(jiu)，導致(zhi)了麥(mai)克斯韋的(de)(de)場論(lun)(lun)，但(dan)它又超越了電(dian)磁(ci)理論(lun)(lun)。它的(de)(de)本質(zhi)是對(dui)(dui)(dui)稱性假設：當你在具(ju)有(you)(you)恒定(ding)(ding)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)速度(du)的(de)(de)兩個(ge)(ge)參(can)照系考(kao)察同一物(wu)體(ti)時，物(wu)理學定(ding)(ding)律應(ying)具(ju)有(you)(you)同樣的(de)(de)形(xing)式。這一假設是一個(ge)(ge)普適(shi)性陳述，超越了其(qi)電(dian)磁(ci)根源：狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)的(de)(de)坐標變換對(dui)(dui)(dui)稱性適(shi)用(yong)于所有(you)(you)的(de)(de)物(wu)理學定(ding)(ding)律。狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論(lun)(lun)的(de)(de)一個(ge)(ge)主要的(de)(de)結果是存在有(you)(you)限的(de)(de)速度(du)：光(guang)速，即零質(zhi)量粒(li)子在真空中(zhong)的(de)(de)傳(chuan)播速度(du)。一個(ge)(ge)粒(li)子對(dui)(dui)(dui)另一個(ge)(ge)粒(li)子的(de)(de)影(ying)響不能傳(chuan)播得比光(guang)速更快。

但是(shi)牛頓的(de)(de)(de)萬有(you)引力(li)(li)定律(lv)——遙遠物體受到的(de)(de)(de)引力(li)(li)與其當(dang)前距離的(de)(de)(de)平方成反比就不服從(cong)這(zhe)(zhe)一(yi)法則，所以它與狹義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)不相(xiang)(xiang)容(rong)。事(shi)實上，“當(dang)前”這(zhe)(zhe)個概念(nian)本身(shen)就是(shi)個問(wen)題。對(dui)(dui)于靜止觀察(cha)者同(tong)時發生的(de)(de)(de)事(shi)件對(dui)(dui)以恒定速度移動(dong)的(de)(de)(de)觀察(cha)者來(lai)說將不會同(tong)時發生。愛因(yin)斯坦本人認(ren)為，推翻(fan)“當(dang)前”這(zhe)(zhe)個一(yi)般性(xing)概念(nian)，迄今為止仍然是(shi)達到狹義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)認(ren)識論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)最為困(kun)難(nan)的(de)(de)(de)一(yi)步(bu)。但是(shi)如果場(chang)服從(cong)簡單(dan)的(de)(de)(de)方程組，那么在存(cun)在有(you)限速度的(de)(de)(de)前提下，這(zhe)(zhe)種從(cong)粒子描述(shu)到場(chang)的(de)(de)(de)描述(shu)的(de)(de)(de)轉(zhuan)換就會變得富有(you)成效，這(zhe)(zhe)樣(yang)我們可以從(cong)場(chang)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)值(zhi)計算出來(lai)它們的(de)(de)(de)未來(lai)值(zhi)而不必考慮其過去的(de)(de)(de)值(zhi)。麥克斯韋(wei)電磁(ci)理論(lun)(lun)(lun)、廣(guang)義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)和量子色動(dong)力(li)(li)學都(dou)具有(you)這(zhe)(zhe)種屬(shu)性(xing)。在廣(guang)義相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)里，愛因(yin)斯坦用彎(wan)曲時空的(de)(de)(de)概念(nian)來(lai)構建他的(de)(de)(de)引力(li)(li)理論(lun)(lun)(lun)。

我(wo)們回到標(biao)準模(mo)型：W和(he)Z玻(bo)色(se)子(zi)，根(gen)據定義它(ta)們的(de)方(fang)程組，它(ta)們本(ben)應該像(xiang)光(guang)子(zi)和(he)色(se)膠子(zi)一樣都是無質(zhi)量(liang)(liang)的(de)粒(li)子(zi)。但物理學(xue)家們卻設法讓W和(he)Z玻(bo)色(se)子(zi)獲得質(zhi)量(liang)(liang)。而(er)且他們也(ye)知道(dao)，在(zai)自然界(jie)里，還有原子(zi)紅奇特的(de)物理狀態也(ye)可以使(shi)無質(zhi)量(liang)(liang)的(de)受力(li)粒(li)子(zi)獲得質(zhi)量(liang)(liang)。使(shi)受力(li)粒(li)子(zi)變(bian)重(zhong)的(de)模(mo)型是超(chao)導電性。在(zai)超(chao)導體內，光(guang)子(zi)變(bian)得沉重(zhong)。

我們知道(dao)，光(guang)子(zi)(zi)在電(dian)(dian)場和磁場中推動擾動。在超導(dao)體內，電(dian)(dian)子(zi)(zi)對電(dian)(dian)場和磁場反(fan)應強烈(lie)。電(dian)(dian)子(zi)(zi)恢復平衡(heng)的(de)能力非(fei)常(chang)強大，它們能對場的(de)運動施加一種(zhong)遲滯作用。因此在超導(dao)體內，光(guang)子(zi)(zi)不是像(xiang)通常(chang)那樣按光(guang)速運動，而是要緩慢得多。就好像(xiang)它們獲得了某種(zhong)慣性。當你(ni)研究(jiu)方(fang)程時，你(ni)會(hui)發現(xian)，超導(dao)體內慢下來的(de)光(guang)子(zi)(zi)所(suo)服從(cong)的(de)運動方(fang)程與(yu)非(fei)零質(zhi)量粒子(zi)(zi)的(de)運動方(fang)程是一樣的(de)。

質(zhi)(zhi)量(liang)一(yi)(yi)向被認為(wei)是(shi)(shi)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)確定的(de)(de)屬性(xing)，質(zhi)(zhi)言之，質(zhi)(zhi)量(liang)是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)使物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)可稱(cheng)其為(wei)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)特性(xing)。愛(ai)(ai)因斯(si)(si)坦認為(wei)宇(yu)宙應有(you)一(yi)(yi)個無論是(shi)(shi)在時(shi)間上還是(shi)(shi)在空間上都不(bu)變的(de)(de)密(mi)度。但是(shi)(shi)，引(yin)力(li)是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)普遍的(de)(de)吸引(yin)力(li)，物(wu)(wu)體都不(bu)愿意(yi)分開。引(yin)力(li)總是(shi)(shi)試圖把物(wu)(wu)體合在一(yi)(yi)起。愛(ai)(ai)因斯(si)(si)坦提出的(de)(de)E=mc2可以看作(zuo)是(shi)(shi)他對牛頓萬有(you)引(yin)力(li)定律的(de)(de)修(xiu)正。但是(shi)(shi)，如果將這(zhe)一(yi)(yi)公式轉換成m=E/c1，這(zhe)一(yi)(yi)方程的(de)(de)內在含義變成了(le)質(zhi)(zhi)量(liang)等(deng)于(yu)所(suo)具有(you)的(de)(de)能(neng)量(liang)與常速光(guang)速的(de)(de)平方之比。

量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)動(dong)力(li)學是一種非常強(qiang)大的(de)理論(lun)。通過將無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)或幾乎無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)對象諸如夸克、膠子(zi)(zi)的(de)計算能夠給出(chu)它們的(de)質(zhi)量(liang)(liang)，然(ran)而，這(zhe)也(ye)當然(ran)不(bu)是任何意義上的(de)質(zhi)量(liang)(liang)，只(zhi)是我(wo)們的(de)質(zhi)量(liang)(liang)，即組成(cheng)我(wo)們自身的(de)質(zhi)子(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)。也(ye)就是說，量(liang)(liang)子(zi)(zi)色(se)動(dong)力(li)學方程組可以從無(wu)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)輸入得到質(zhi)量(liang)(liang)的(de)輸出(chu)。那，這(zhe)是為什么？

首先是夸克的(de)(de)色(se)荷產生一(yi)種網格擾動(dong)——具體地說(shuo)，是膠子場(chang)(chang)擾動(dong)——這種擾動(dong)隨距離(li)加大(da)而增長。就像(xiang)一(yi)個奇異的(de)(de)風暴云團，它(ta)從最(zui)初的(de)(de)中心(xin)的(de)(de)一(yi)縷云煙發展成為(wei)一(yi)種不祥的(de)(de)雷暴云團。擾動(dong)場(chang)(chang)意味(wei)著將(jiang)其推(tui)向高(gao)能(neng)態。如果(guo)你(ni)持續擾動(dong)無(wu)限(xian)容(rong)量的(de)(de)場(chang)(chang)，所需的(de)(de)能(neng)量將(jiang)會變成無(wu)限(xian)大(da)。

其次(ci)是可以(yi)通過讓一個帶(dai)相(xiang)反色荷的反夸(kua)(kua)克去接近(jin)夸(kua)(kua)克來迅(xun)速(su)遏(e)制。然(ran)后，這(zhe)兩個擾(rao)動(dong)源相(xiang)互抵(di)消(xiao)并(bing)恢復平靜。如(ru)果反夸(kua)(kua)克不偏不倚(yi)地正好(hao)位于(yu)夸(kua)(kua)克的正上方(fang)，那么(me)這(zhe)種(zhong)抵(di)消(xiao)是徹底的。這(zhe)將會(hui)是膠子場的擾(rao)動(dong)最小(xiao)化：即“無”。但是徹底抵(di)消(xiao)還需(xu)要付(fu)出(chu)代價：它源自夸(kua)(kua)克和反夸(kua)(kua)克的量子力學性(xing)質。

根據海森伯的不確定性原(yuan)理，要獲得準確的粒(li)(li)(li)子位置信息，就必(bi)(bi)須(xu)讓(rang)粒(li)(li)(li)子具有很寬的動(dong)量范圍，特(te)別是要有粒(li)(li)(li)子的大(da)動(dong)量。但大(da)的動(dong)量意(yi)味著大(da)的能(neng)量。所以，更(geng)準確地(di)說(shuo)，要使(shi)粒(li)(li)(li)子局域化(hua)，就必(bi)(bi)須(xu)更(geng)多能(neng)量。

再次是我(wo)們(men)應(ying)該回到愛(ai)因斯(si)坦(tan)的質(zhi)量(liang)(liang)與能(neng)量(liang)(liang)關系方程中來考察。由于有兩種方向相反的互相競爭的作用(yong)，要消除(chu)夸(kua)克(ke)對場的擾(rao)動(dong)，同(tong)時盡量(liang)(liang)減少能(neng)量(liang)(liang)，并(bing)使反夸(kua)克(ke)局(ju)域化(hua)，所(suo)以就必須賦予反夸(kua)克(ke)相應(ying)的活動(dong)余地。這(zhe)樣雙方在彼(bi)此抵消后的總質(zhi)量(liang)(liang)不(bu)能(neng)為(wei)零，即m=E/c的平(ping)方。這(zhe)樣我(wo)們(men)從無質(zhi)量(liang)(liang)的輸入得到質(zhi)量(liang)(liang)的輸出。這(zhe)同(tong)時也是質(zhi)量(liang)(liang)的起源量(liang)(liang)子(zi)力(li)學解釋(shi)。

任意兩質點之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)萬有引(yin)(yin)力，就是組成物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)(de)(de)粒子之間(jian)通(tong)過交換“引(yin)(yin)力子”實現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)。而(er)在(zai)廣(guang)義(yi)相(xiang)對(dui)論中，物(wu)(wu)體之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)萬有引(yin)(yin)力則(ze)被認為是時(shi)空彎(wan)曲(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)現(xian)。物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)使(shi)得它周圍的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)空發生(sheng)彎(wan)曲(qu)，而(er)物(wu)(wu)體在(zai)彎(wan)曲(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)空中沿(yan)測地線(xian)運動，就自然地表(biao)(biao)現(xian)為相(xiang)互(hu)吸引(yin)(yin)。

牛頓萬有引(yin)力定(ding)律指(zhi)出：兩個(ge)質點(dian)之間的萬有引(yin)力，與它們(men)(men)的質量乘積成正比，與它們(men)(men)二者之間距離的平方成反比。它實際上是廣義相對論(lun)的引(yin)力理論(lun)在靜態(tai)弱引(yin)力場(chang)中低速運動情況下的一(yi)種(zhong)近似。

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

1913年，偉(wei)大的物理學家愛(ai)因(yin)斯坦(tan)提出了萬有(you)引力(li)場論。愛(ai)因(yin)斯坦(tan)認為(wei)任(ren)何帶(dai)有(you)質量(liang)(liang)的物體周圍都存在有(you)引力(li)場，引力(li)場是通(tong)(tong)過引力(li)波來傳播(bo)的，引力(li)波像電磁(ci)波那樣(yang)通(tong)(tong)過媒(mei)介(jie)子(zi)(zi)傳播(bo)，我們都知(zhi)道電磁(ci)波是通(tong)(tong)過光子(zi)(zi)來傳播(bo)能(neng)量(liang)(liang)的，因(yin)此它的媒(mei)介(jie)子(zi)(zi)是光子(zi)(zi)，引力(li)波在傳播(bo)能(neng)量(liang)(liang)的過程(cheng)中(zhong)，同樣(yang)有(you)媒(mei)介(jie)子(zi)(zi)的作用，愛(ai)因(yin)斯坦(tan)把這一(yi)媒(mei)介(jie)子(zi)(zi)稱之為(wei)引力(li)子(zi)(zi)。引力(li)子(zi)(zi)以光速傳播(bo)，它的質量(liang)(liang)與光子(zi)(zi)一(yi)樣(yang)為(wei)0。

經過這么多年(nian)的(de)(de)探索，人們一(yi)直沒能在宇宙中(zhong)發現(xian)它的(de)(de)蹤影，我(wo)們沒有(you)足(zu)夠的(de)(de)證據證明它的(de)(de)存(cun)在，也沒有(you)足(zu)夠的(de)(de)證據否認它的(de)(de)存(cun)在。因(yin)此，探索引力子是否存(cun)在成為科學界(jie)的(de)(de)一(yi)大難(nan)題。

雖(sui)然(ran)引(yin)力(li)(li)子(zi)在宇(yu)宙(zhou)中無處不(bu)(bu)在，但(dan)探索之(zhi)路仍然(ran)是舉(ju)步維艱。有(you)學者(zhe)認為，引(yin)力(li)(li)之(zhi)微弱(ruo)表(biao)明(ming)，其(qi)(qi)媒介子(zi)引(yin)力(li)(li)子(zi)幾乎不(bu)(bu)與其(qi)(qi)它的(de)物質發生反應，這是我們長期探測(ce)不(bu)(bu)到它的(de)原由，這個理由雖(sui)然(ran)很有(you)說(shuo)服力(li)(li)，但(dan)也不(bu)(bu)足以證明(ming)引(yin)力(li)(li)子(zi)是存在的(de)事(shi)實。

試(shi)圖(tu)找到一種更有(you)說服(fu)力(li)的(de)方法，就是證明引(yin)力(li)波(bo)的(de)存(cun)(cun)在(zai)，從而(er)間(jian)接(jie)的(de)證明引(yin)力(li)子(zi)的(de)存(cun)(cun)在(zai)。如果可以證明宇宙(zhou)中有(you)引(yin)力(li)波(bo)存(cun)(cun)在(zai)，那么引(yin)力(li)波(bo)必定(ding)有(you)與之對應的(de)媒介子(zi)引(yin)力(li)子(zi)來傳遞能量。

引(yin)(yin)力波在(zai)宇宙中是普遍存(cun)在(zai)的，星(xing)體的加速旋轉，相撞，吞并等都可以(yi)使(shi)引(yin)(yin)力場發生擾動并產生引(yin)(yin)力波，但由(you)于引(yin)(yin)力波與引(yin)(yin)力子一樣(yang)很難與其(qi)它(ta)物(wu)質發生反應(ying)，以(yi)至于至今(jin)我們無法探測它(ta)的存(cun)在(zai)，只(zhi)能間接(jie)地通過觀測行星(xing)發生引(yin)(yin)力輻(fu)射，而導致周期的變化(hua)證實它(ta)的存(cun)在(zai)。

引力(li)輻(fu)射(she)(she)是引力(li)波的另一種稱呼，它是指(zhi)引力(li)波從星體(ti)或星系中輻(fu)射(she)(she)出來的現象(xiang)，如果證(zheng)明了引力(li)輻(fu)射(she)(she)的存在(zai)就等于證(zheng)實了引力(li)波的存在(zai)。

為什么(me)這樣說(shuo)呢？

引(yin)力輻(fu)射(she)(she)是一(yi)種能量(liang)的(de)(de)(de)輻(fu)射(she)(she)。假如(ru)一(yi)個(ge)行(xing)星(xing)(xing)(xing)圍(wei)繞恒星(xing)(xing)(xing)運動(dong)(dong)，恒星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)旋轉會(hui)伴隨有引(yin)力輻(fu)射(she)(she)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)生，使得行(xing)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)運轉軌(gui)道發(fa)(fa)(fa)生變化，其(qi)主要變化特征表現在行(xing)星(xing)(xing)(xing)運動(dong)(dong)周期(qi)的(de)(de)(de)減(jian)小，如(ru)果行(xing)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)運動(dong)(dong)周期(qi)減(jian)小，那么就(jiu)能說明引(yin)力輻(fu)射(she)(she)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)生。

這一現(xian)象(xiang)在1974年，被(bei)赫爾斯和泰勒二(er)人所證實(shi)。他們(men)對(dui)脈(mo)沖雙(shuang)星PSR1913+16進行觀(guan)測，發現(xian)它們(men)的公(gong)轉周期變小率為(wei)（-2.40±0.09）×10-12，這個(ge)數值(zhi)與廣(guang)義(yi)(yi)相(xiang)對(dui)論(lun)的計算符合(he)的很好，廣(guang)義(yi)(yi)相(xiang)對(dui)論(lun)的預言值(zhi)為(wei)（-2.403±0.002）×10-12，這一點充分(fen)證明了引力輻射的存在。

引力(li)輻射的存在，意味著引力(li)波(bo)在宇宙(zhou)中是存在的，并且(qie)無所不在。同(tong)時(shi)也證明(ming)了引力(li)波(bo)的媒介子(zi)引力(li)子(zi)的存在。

通過(guo)這些論(lun)斷，可以證明引(yin)力子(zi)在(zai)宇宙中是必定存在(zai)的，只不過(guo)我們無法探測到。引(yin)力子(zi)的無法探測性，其實并不影響我們尋(xun)求量子(zi)引(yin)力理(li)論(lun)，因為(wei)量子(zi)引(yin)力理(li)論(lun)建立(li)的基礎(chu)是場，而(er)不是粒子(zi)。

廣義相對論

牛(niu)(niu)頓的(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)定(ding)律很好(hao)地解釋(shi)(shi)了(le)地面上(shang)(shang)(shang)物體(ti)(ti)所受(shou)的(de)(de)重力(li)、海洋(yang)的(de)(de)潮汐和行(xing)星(xing)與天體(ti)(ti)的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)，把天上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)和地上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)統一了(le)起來，具有(you)非常重要(yao)的(de)(de)意(yi)義。但(dan)讓牛(niu)(niu)頓感到遺憾的(de)(de)是，他一直沒能(neng)解釋(shi)(shi)清楚兩個(ge)(ge)有(you)質量的(de)(de)物體(ti)(ti)之間為什么會有(you)引(yin)力(li)？這個(ge)(ge)問(wen)題被愛因斯坦的(de)(de)廣義相對論(lun)很好(hao)地解決了(le)。

廣(guang)義相對論實(shi)際上就是(shi)關于萬(wan)有(you)引(yin)力本(ben)質的理論。它認為，一(yi)(yi)個有(you)質量的物體(ti)(ti)，會使(shi)它周圍的時(shi)空(kong)發生彎曲(qu)，在這個彎曲(qu)的時(shi)空(kong)里(li)，一(yi)(yi)切物體(ti)(ti)都(dou)將(jiang)自然地(di)沿測地(di)線（也(ye)叫做“短程線”）運(yun)動，而(er)表(biao)現(xian)為向一(yi)(yi)塊靠(kao)攏。我們看不到時(shi)空(kong)的彎曲(qu)，只(zhi)看到物體(ti)(ti)在互(hu)相靠(kao)攏，就認為它們之間存在著一(yi)(yi)種(zhong)“萬(wan)有(you)引(yin)力”，實(shi)際上物體(ti)(ti)之間表(biao)現(xian)出來的這種(zhong)萬(wan)有(you)引(yin)力，并(bing)不是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)真正的力，而(er)是(shi)時(shi)空(kong)彎曲(qu)的表(biao)現(xian)。

三維時(shi)空的(de)(de)彎(wan)曲我(wo)們(men)(men)不好(hao)想(xiang)象(xiang)，但是可以降一維（在二維平(ping)面(mian)上）做(zuo)個(ge)(ge)(ge)(ge)比喻(yu)。設(she)想(xiang)有一塊(kuai)布把(ba)它懸空展平(ping)，上面(mian)放一個(ge)(ge)(ge)(ge)小球，它就(jiu)會把(ba)布壓(ya)彎(wan)，在另(ling)一個(ge)(ge)(ge)(ge)地方再放一個(ge)(ge)(ge)(ge)小球，它也會把(ba)它周圍的(de)(de)布壓(ya)彎(wan)。我(wo)們(men)(men)看到(dao)(dao)，這兩個(ge)(ge)(ge)(ge)小球就(jiu)會自然地向一塊(kuai)靠攏(long)，這是它們(men)(men)在沿各自的(de)(de)測地線運動的(de)(de)結(jie)果。我(wo)們(men)(men)看不到(dao)(dao)布的(de)(de)彎(wan)曲，只(zhi)看到(dao)(dao)小球在向一起靠攏(long)，就(jiu)說它們(men)(men)之間有個(ge)(ge)(ge)(ge)引力(li)存在，其實它只(zhi)是時(shi)空彎(wan)曲的(de)(de)表現而(er)已。

這種解釋在水(shui)星(xing)近日點(dian)的(de)進動、光線(xian)在引(yin)力場中的(de)彎(wan)曲(qu)、引(yin)力紅移等(deng)問(wen)題上得(de)到(dao)了很(hen)好的(de)檢驗(yan)，其后在大量更精密的(de)實驗(yan)中得(de)到(dao)了進一步(bu)的(de)檢驗(yan)，與(yu)實驗(yan)符合得(de)很(hen)好。廣義相對論(lun)被認為是一種最好的(de)萬有(you)引(yin)力理論(lun)。

引力傳播速度

中國科(ke)學(xue)家測得引力(li)傳播速度(du)。

經過10多年(nian)的持續探(tan)索，中國科學家在世界上成功(gong)獲得“引(yin)力場以光速傳播”的第一個觀測證據。這項原始創新成果，實(shi)現了物理學界多年(nian)來對通過實(shi)驗或觀測獲得引(yin)力場傳播速度的期(qi)待，對引(yin)力場的理論和實(shi)驗研究(jiu)具有(you)重要意義。

中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)院地(di)質與地(di)球物理研(yan)究所26日下(xia)午(wu)在北京對外宣布，由(you)該所湯(tang)克云研(yan)究員領銜(xian)、中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)地(di)震局和中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)院大學(xue)(xue)有關(guan)科(ke)研(yan)人員組成的科(ke)學(xue)(xue)團(tuan)組，經過10多年的持續探索在實施多次(ci)日食(shi)期間的固體潮觀測(ce)后，發現現行地(di)球固體潮公(gong)式實際上暗含著(zhu)引(yin)(yin)力場以光速傳(chuan)播的假(jia)定，從而提(ti)出用固體潮測(ce)量引(yin)(yin)力傳(chuan)播速度(du)的方法。

湯克云(yun)科學團組(zu)先后(hou)實施1997年漠河日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)、2001年贊(zan)比亞日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)、2002年澳(ao)大(da)利亞日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)、2008年嘉(jia)峪關(guan)日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)、2009年上海-杭州(zhou)-湖(hu)州(zhou)日(ri)全(quan)食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)和2010年云(yun)南(nan)大(da)理(li)日(ri)環食(shi)觀(guan)測(ce)(ce)，主要是(shi)重力(li)固體潮觀(guan)測(ce)(ce)。

中國科學家們觀測研究發現：現今固體潮(chao)理論公式中隱含著引(yin)力(li)場以光速(su)傳(chuan)播(bo)的假定，進而導出引(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)速(su)度(du)方程，并找到求解引(yin)力(li)場速(su)度(du)的有(you)效方法。湯克云科學團組隨后選擇(ze)遠(yuan)離(li)太平洋、大西洋、印度(du)洋和北冰洋的西藏獅泉河站和新疆烏什站的固體潮(chao)數據作(zuo)相關校正后，代入(ru)引(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)速(su)度(du)方程，最(zui)終獲得(de)全(quan)球“引(yin)力(li)場以光速(su)傳(chuan)播(bo)”的第一個觀測證(zheng)據。

專家介紹說，牛(niu)頓(dun)(dun)的萬(wan)有引(yin)力(li)定律表(biao)明，引(yin)力(li)傳播(bo)是一種超(chao)距作用，引(yin)力(li)可(ke)以在(zai)(zai)瞬間傳播(bo)至任意遠(yuan)處(chu)，愛因斯坦則認(ren)為牛(niu)頓(dun)(dun)的超(chao)距作用應該放棄(qi)。一直(zhi)以來(lai)，整(zheng)個(ge)物理學界都在(zai)(zai)期待著通過實(shi)驗(yan)或(huo)觀(guan)測獲得引(yin)力(li)場(chang)傳播(bo)的速度，但此(ci)前均(jun)未找(zhao)到正確(que)的實(shi)驗(yan)或(huo)觀(guan)測方法(fa)。