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定義

萬有(you)引(yin)力定(ding)律：屬于(yu)自然(ran)科學領域定(ding)律，自然(ran)界中任(ren)何(he)兩個物體都(dou)是相(xiang)互(hu)吸引(yin)的(de)(de)，引(yin)力的(de)(de)大(da)小跟這兩個物體的(de)(de)質量乘積成正比，跟它們的(de)(de)距離的(de)(de)二次方成反(fan)比。

萬有(you)引(yin)(yin)力(li)定律是(shi)牛頓(dun)在1687年出(chu)版的(de)(de)(de)《自然哲學的(de)(de)(de)數學原理(li)》一書中(zhong)首先(xian)提出(chu)的(de)(de)(de)。牛頓(dun)利用(yong)萬有(you)引(yin)(yin)力(li)定律不(bu)僅說明了(le)行(xing)星運動(dong)規(gui)律，而(er)且還(huan)指(zhi)出(chu)木星、土星的(de)(de)(de)衛星圍繞行(xing)星也有(you)同樣的(de)(de)(de)運動(dong)規(gui)律。他認為月球除了(le)受(shou)到地(di)球的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)外，還(huan)受(shou)到太陽(yang)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)，從而(er)解(jie)釋了(le)月球運動(dong)中(zhong)早已發現(xian)的(de)(de)(de)二均差，出(chu)差等；另外，他還(huan)解(jie)釋了(le)彗星的(de)(de)(de)運動(dong)軌道和地(di)球上的(de)(de)(de)潮汐現(xian)象。根據萬有(you)引(yin)(yin)力(li)定律成功(gong)地(di)預言并發現(xian)了(le)海王(wang)星。

萬有引力(li)(li)定律出現(xian)后，才正(zheng)式(shi)把(ba)研究(jiu)天體(ti)的(de)(de)(de)運動建立在力(li)(li)學理論的(de)(de)(de)基礎上，從而(er)創(chuang)立了(le)天體(ti)力(li)(li)學。簡單的(de)(de)(de)說，質量(liang)越大的(de)(de)(de)東西(xi)(xi)產(chan)生的(de)(de)(de)引力(li)(li)越大,這個力(li)(li)與(yu)兩個物體(ti)的(de)(de)(de)質量(liang)均(jun)成(cheng)正(zheng)比(bi)，與(yu)兩個物體(ti)間的(de)(de)(de)距離(li)平方成(cheng)反比(bi)。地球的(de)(de)(de)質量(liang)產(chan)生的(de)(de)(de)引力(li)(li)足夠把(ba)地球上的(de)(de)(de)東西(xi)(xi)全部抓牢。

萬有引(yin)力定律(lv)(lv)傳(chuan)(chuan)入中(zhong)國：《自(zi)然(ran)(ran)(ran)哲(zhe)學(xue)的數(shu)學(xue)原(yuan)理(li)》牛頓最重(zhong)(zhong)要的著(zhu)作(zuo)，1687年出(chu)版。該(gai)書總(zong)結了他(ta)一生中(zhong)許多重(zhong)(zhong)要發現(xian)和研究(jiu)成果，其中(zhong)包(bao)括(kuo)上述(shu)關于物(wu)體運(yun)動的定律(lv)(lv)。他(ta)說，該(gai)書“所研究(jiu)的主(zhu)要是(shi)(shi)關于重(zhong)(zhong)、輕流體抵抗力及其他(ta)吸引(yin)運(yun)動的力的狀(zhuang)況，所以我(wo)們研究(jiu)的是(shi)(shi)自(zi)然(ran)(ran)(ran)哲(zhe)學(xue)的數(shu)學(xue)原(yuan)理(li)。”該(gai)書傳(chuan)(chuan)入中(zhong)國后，中(zhong)國數(shu)學(xue)家(jia)(jia)李善蘭曾譯(yi)出(chu)一部(bu)分(fen)，但未出(chu)版，譯(yi)稿也遺失了。現(xian)有的中(zhong)譯(yi)本(ben)是(shi)(shi)數(shu)學(xue)家(jia)(jia)鄭太樸翻(fan)譯(yi)的，書名(ming)為《自(zi)然(ran)(ran)(ran)哲(zhe)學(xue)之數(shu)學(xue)原(yuan)理(li)》，1931年商務印書館初(chu)版，1957和1958年兩次重(zhong)(zhong)印。

詳細內容

萬有(you)引力等于引力常量(liang)乘(cheng)以兩物(wu)體(ti)質(zhi)量(liang)的乘(cheng)積除以它們距離的平方。其中G代(dai)表引力常量(liang)，其值約(yue)為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英(ying)國物(wu)理學家(jia)、化學家(jia)亨利·卡文(wen)迪許通過扭秤實驗測得。此(ci)外(wai)，庫侖定律(lv)也可以用這種扭秤證明。

因為行星(xing)受(shou)到的作(zuo)用力(li)(li)和(he)太陽(yang)受(shou)到的作(zuo)用力(li)(li)是相(xiang)同大小的力(li)(li)，由(you)這兩(liang)個式子比(bi)較可(ke)知，k′包(bao)含(han)了(le)太陽(yang)的質(zhi)(zhi)量M，k″包(bao)含(han)了(le)行星(xing)的質(zhi)(zhi)量m。由(you)此可(ke)知，這兩(liang)個力(li)(li)與兩(liang)個天體質(zhi)(zhi)量的乘(cheng)積成正比(bi)，它稱為萬有(you)引力(li)(li)。

如果引入(ru)一個(ge)新的(de)常(chang)數G（稱萬有引力(li)常(chang)數），再(zai)考慮太陽(yang)和行星的(de)質量，以及先前得出(chu)的(de)4·π2，那么可以表示為：萬有引力(li)，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩(liang)個通常物體(ti)(ti)之(zhi)間的(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)(li)極其微小(xiao)，我們察覺不到它，可以(yi)不予考慮(lv)。比如，兩(liang)個質(zhi)量都是(shi)60千克的(de)(de)(de)人，相距0.5米，他們之(zhi)間的(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)(li)還不足百(bai)萬分之(zhi)一牛頓，而一只螞蟻(yi)拖動細(xi)草梗的(de)(de)(de)力(li)(li)竟(jing)是(shi)這個引(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)1000倍！但是(shi)，天(tian)體(ti)(ti)系(xi)統中(zhong)，由于天(tian)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)質(zhi)量很大(da)，萬有(you)引(yin)力(li)(li)就起著決定性(xing)的(de)(de)(de)作用。在天(tian)體(ti)(ti)中(zhong)質(zhi)量還算很小(xiao)的(de)(de)(de)地球，對其他的(de)(de)(de)物體(ti)(ti)的(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)(li)已經具有(you)巨大(da)的(de)(de)(de)影響，它把人類、大(da)氣和所有(you)地面物體(ti)(ti)束縛在地球上，它使月球和人造地球衛星繞地球旋(xuan)轉(zhuan)而不離去。

重力

在人類航天(tian)(tian)事業興起之前，萬(wan)有引力(li)(li)早已被(bei)應用于宇(yu)宙(zhou)天(tian)(tian)體(ti)的(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究。重(zhong)(zhong)力(li)(li)雖然早被(bei)發現，但(dan)(dan)是(shi)重(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究進(jin)入宇(yu)宙(zhou)這個(ge)領域，是(shi)航天(tian)(tian)科(ke)學帶(dai)領的(de)(de)。從地(di)面出(chu)發進(jin)行(xing)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)航行(xing)的(de)(de)路上，物(wu)(wu)體(ti)受(shou)的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)(li)要發生巨(ju)大(da)變化。到達目標天(tian)(tian)體(ti)或人造(zao)天(tian)(tian)體(ti)后，物(wu)(wu)體(ti)受(shou)的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)(li)也(ye)會與地(di)球上有很(hen)大(da)區(qu)別。要考慮(lv)人如何(he)耐受(shou)體(ti)重(zhong)(zhong)的(de)(de)巨(ju)大(da)變化，要研(yan)(yan)(yan)究支撐物(wu)(wu)如何(he)承(cheng)受(shou)物(wu)(wu)體(ti)重(zhong)(zhong)量(liang)帶(dai)來的(de)(de)壓力(li)(li)的(de)(de)巨(ju)大(da)變化。但(dan)(dan)是(shi)重(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究難(nan)于萬(wan)有引力(li)(li)。至今重(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)定(ding)義只(zhi)停(ting)留在地(di)面附近(jin)，重(zhong)(zhong)力(li)(li)的(de)(de)概念也(ye)沒有深入本質。重(zhong)(zhong)力(li)(li)研(yan)(yan)(yan)究停(ting)留在下面的(de)(de)小范(fan)圍之內。

重(zhong)力(li)(li)(li)(li)，就是(shi)(shi)由于(yu)地(di)面附近的(de)(de)(de)(de)物體(ti)受到地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)而產(chan)生的(de)(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)需要注意(yi)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，因為(wei)地(di)球(qiu)在自(zi)(zi)轉，除了在南(nan)極北極端點(dian)，在地(di)球(qiu)上任意(yi)一點(dian)的(de)(de)(de)(de)物體(ti)，其(qi)(qi)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)并(bing)不等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)（因為(wei)這里的(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指(zhi)地(di)球(qiu)本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)，而重(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)物體(ti)本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)質量再加上萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)）。此(ci)時可(ke)看作繞地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)和(he)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)合(he)成(cheng)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)（矢量和(he)—平行四邊形法則）。由于(yu)繞地(di)球(qiu)自(zi)(zi)轉的(de)(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)遠(yuan)小于(yu)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)，故一般就認為(wei)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)就略等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)了，其(qi)(qi)實(shi)重(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)略小于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)，只(zhi)有(you)(you)在南(nan)北極物體(ti)繞地(di)球(qiu)自(zi)(zi)轉的(de)(de)(de)(de)向(xiang)心力(li)(li)(li)(li)為(wei)零時，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)才等于(yu)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)。重(zhong)力(li)(li)(li)(li)和(he)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)不同，重(zhong)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)豎直向(xiang)下，萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)指(zhi)向(xiang)地(di)心，豎直向(xiang)下和(he)指(zhi)向(xiang)地(di)心是(shi)(shi)不同的(de)(de)(de)(de)，不能混淆。

上(shang)面(mian)研究重(zhong)(zhong)力(li)的(de)方法只適用于(yu)地面(mian)，宇宙(zhou)航行中的(de)重(zhong)(zhong)力(li)和宇宙(zhou)中天體(ti)或人造天體(ti)上(shang)的(de)重(zhong)(zhong)力(li)的(de)研究，離不(bu)開下面(mian)重(zhong)(zhong)力(li)的(de)概念和定義。

在靜力(li)學范圍內，以(yi)放置物(wu)體(ti)(ti)(ti)的(de)支撐物(wu)或物(wu)體(ti)(ti)(ti)本身為(wei)參照物(wu)，來研究(jiu)重力(li)能(neng)得(de)到(dao)最好(hao)的(de)保(bao)障(zhang)。萬(wan)有(you)(you)引力(li)和慣(guan)性(xing)力(li)都是同時作(zuo)用(yong)在物(wu)體(ti)(ti)(ti)的(de)每一個(ge)微小部分，因此都能(neng)使(shi)物(wu)體(ti)(ti)(ti)獲得(de)重量。在沒有(you)(you)其他的(de)力(li)具有(you)(you)這樣的(de)作(zuo)用(yong)效果(guo)。因此將(jiang)萬(wan)有(you)(you)引力(li)和慣(guan)性(xing)力(li)的(de)共同作(zuo)用(yong)，即它們的(de)合(he)力(li)叫做(zuo)重力(li)。這種研究(jiu)重力(li)得(de)到(dao)的(de)結果(guo)與上面提到(dao)在地(di)面上的(de)研究(jiu)方法得(de)到(dao)的(de)結果(guo)完(wan)全相同，因為(wei)地(di)球也是宇宙天體(ti)(ti)(ti)之(zhi)一。

會從這里(li)發現，在地(di)(di)面研究(jiu)重力(li)，怎(zen)么(me)只(zhi)考(kao)慮(lv)地(di)(di)球的(de)引(yin)力(li)，卻沒有考(kao)慮(lv)把(ba)地(di)(di)球吸(xi)引(yin)得(de)團團轉的(de)太陽(yang)的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)和(he)其他(ta)眾(zhong)星(xing)球的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)？新(xin)的(de)概念(nian)和(he)定義能很(hen)好(hao)地(di)(di)做出(chu)解釋。把(ba)各星(xing)球看做質點，那么(me)太陽(yang)的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)和(he)其他(ta)眾(zhong)星(xing)球的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)，都(dou)分別和(he)與它(ta)們(men)對應的(de)慣(guan)性力(li)相(xiang)互抵消。因此在求地(di)(di)面上物體的(de)重力(li)時除地(di)(di)球萬(wan)有引(yin)力(li)以外，其他(ta)的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)可以不(bu)(bu)(bu)參與重力(li)的(de)計算。但是(shi)(shi)不(bu)(bu)(bu)加考(kao)慮(lv)是(shi)(shi)不(bu)(bu)(bu)可以的(de)。

宇宙(zhou)航行中物體的(de)超重(zhong)、失(shi)重(zhong)現象的(de)解釋(shi)和(he)物體在其他(ta)星球(qiu)上的(de)重(zhong)力計算，都可以在新定義下(xia)，用物體所受重(zhong)力的(de)變(bian)化或說重(zhong)量的(de)變(bian)化來解決。這樣重(zhong)力的(de)研究就會伴隨萬(wan)有(you)引(yin)力的(de)研究進(jin)入宇宙(zhou)空間。

偉大意義

17世紀早期，人們已經能夠區分很多(duo)力(li)(li)，比(bi)如摩擦力(li)(li)、重力(li)(li)、空氣阻力(li)(li)、電力(li)(li)和人力(li)(li)等。牛(niu)頓(dun)首(shou)次將其中一些(xie)看似不同(tong)的力(li)(li)準確地(di)歸(gui)結(jie)到萬有引(yin)(yin)力(li)(li)概念里(li)：蘋果落地(di)，人有體重，月亮圍繞地(di)球轉(zhuan)，所有這(zhe)些(xie)現象都是由相同(tong)原(yuan)因引(yin)(yin)起的。牛(niu)頓(dun)的萬有引(yin)(yin)力(li)(li)定律(lv)簡單(dan)易懂，涵蓋面廣。

萬有(you)引力的發現，是17世紀自然科學(xue)最偉(wei)大(da)的成(cheng)果之一(yi)(yi)。它(ta)把地面(mian)上的物體運(yun)動的規律和天(tian)體運(yun)動的規律統一(yi)(yi)了(le)(le)起來，對以后物理學(xue)和天(tian)文學(xue)的發展具有(you)深遠(yuan)的影響(xiang)。它(ta)第一(yi)(yi)次揭示了(le)(le)自然界中一(yi)(yi)種基(ji)本(ben)相互作用的規律，在(zai)人(ren)類認識自然的歷史上樹立了(le)(le)一(yi)(yi)座里程(cheng)碑(bei)。

牛(niu)頓的(de)(de)萬有(you)引力概(gai)念是(shi)所(suo)有(you)科學(xue)中最實用(yong)的(de)(de)概(gai)念之一。牛(niu)頓認為萬有(you)引力是(shi)所(suo)有(you)物質的(de)(de)基本(ben)特征，這成為大部(bu)分物理科學(xue)的(de)(de)理論(lun)基石。

發現過程

原因

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

1.科(ke)學發(fa)展的要求(qiu)：牛頓(dun)之前(qian)，有很多天文(wen)(wen)學家(jia)在(zai)對(dui)(dui)宇宙中(zhong)的星球進行(xing)觀(guan)察。經過幾位(wei)天文(wen)(wen)學家(jia)的觀(guan)察記錄，到(dao)開(kai)普勒(le)時，他對(dui)(dui)這些觀(guan)測結果進行(xing)了分析總(zong)結，得到(dao)開(kai)普勒(le)三(san)大定律：

1.所有行星都繞太(tai)陽做橢圓(yuan)運(yun)行，太(tai)陽在(zai)所有橢圓(yuan)的公共焦點上。

2.行星的向徑在相等的時間內掃過(guo)相等的面積。

3.所有(you)行(xing)星軌道半長軸的(de)三次(ci)方跟(gen)公轉周期的(de)二次(ci)方的(de)比(bi)值都相等(deng)，即r^3/T^2=k。

開普勒三(san)定律(lv)是不容置疑的(de)，但為什(shen)么(me)會這樣(yang)呢？是什(shen)么(me)讓它們做加速(su)度非零的(de)運動？牛頓經過(guo)研(yan)究思(si)考解決了這個(ge)問(wen)題(ti)：物體之(zhi)間存在(zai)萬有(you)引力。當然他發(fa)現萬有(you)引力定量是一個(ge)漫長而(er)曲折的(de)過(guo)程。

2.個人(ren)原因：牛頓(dun)發(fa)現(xian)萬有(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)，雖然是科學發(fa)展(zhan)的(de)要求，生產力(li)(li)發(fa)展(zhan)的(de)原因，但(dan)我(wo)們不(bu)能忽略牛頓(dun)本(ben)人(ren)的(de)一些因素：聰明勤(qin)于思考 擁(yong)有(you)(you)(you)一定(ding)的(de)知識(shi)量。據《物理學史(shi)》說：牛頓(dun)在(zai)發(fa)現(xian)萬有(you)(you)(you)引(yin)力(li)(li)定(ding)律(lv)的(de)那一段時間，廢寢忘食（每天魂不(bu)守(shou)舍，在(zai)食堂(tang)吃(chi)飯(fan)，飯(fan)碗(wan)在(zai)前，他在(zai)發(fa)呆。去(qu)食堂(tang)吃(chi)飯(fan)，卻走(zou)錯了(le)(le)方(fang)向。一些老(lao)師在(zai)校園后的(de)沙灘上散步(bu)時，看見(jian)了(le)(le)一些古怪的(de)算式(shi)和符號）。1669年，他年僅27歲，就擔任了(le)(le)劍橋的(de)數學教授(shou)。還有(you)(you)(you)1672年當選為(wei)英(ying)國皇家學會會員。

過程

1666年，23歲(sui)的(de)(de)(de)牛頓還是(shi)(shi)劍橋大學(xue)(xue)圣三(san)一學(xue)(xue)院三(san)年級的(de)(de)(de)學(xue)(xue)生(sheng)。看(kan)到他(ta)白皙的(de)(de)(de)皮(pi)膚和金色(se)的(de)(de)(de)長發(fa)，很多人以為(wei)他(ta)還是(shi)(shi)個(ge)孩子(zi)。他(ta)身體(ti)瘦小，沉默寡言，性格(ge)嚴(yan)肅，這使人們更加(jia)相信他(ta)還是(shi)(shi)個(ge)孩子(zi)。他(ta)那(nei)雙銳利的(de)(de)(de)眼睛和整天寫滿怒氣的(de)(de)(de)表(biao)情更是(shi)(shi)拒(ju)人于千里之外(wai)。

黑死病席卷了(le)倫敦，奪(duo)走了(le)很多(duo)人的(de)(de)生命，那確實(shi)是段可(ke)怕的(de)(de)日子(zi)。大學被迫關閉，像艾薩(sa)克·牛頓這樣熱衷于(yu)學術的(de)(de)人只(zhi)好返回安全(quan)的(de)(de)鄉村(cun)，期(qi)待著席卷城市的(de)(de)病魔(mo)早(zao)日離去。

在鄉村的(de)日子(zi)里(li)，牛(niu)頓一直被這(zhe)樣的(de)問(wen)題困惑：是什么力量驅使(shi)(shi)月(yue)球(qiu)圍(wei)繞(rao)地(di)球(qiu)轉(zhuan)(zhuan)，地(di)球(qiu)圍(wei)繞(rao)太陽(yang)轉(zhuan)(zhuan)？牛(niu)頓首次認(ren)(ren)為，重力不僅僅是行(xing)星(xing)(xing)和(he)恒星(xing)(xing)之(zhi)間的(de)作用(yong)力，有(you)可能是普(pu)遍存(cun)在的(de)吸(xi)引(yin)(yin)力。他深信煉(lian)金術(shu)，認(ren)(ren)為物(wu)質之(zhi)間相互(hu)吸(xi)引(yin)(yin)，這(zhe)使(shi)(shi)他斷言，相互(hu)吸(xi)引(yin)(yin)力不但適用(yong)于碩大(da)的(de)天體(ti)(ti)之(zhi)間，而且適用(yong)于各種體(ti)(ti)積的(de)物(wu)體(ti)(ti)之(zhi)間。蘋果落地(di)、雨滴降(jiang)落和(he)行(xing)星(xing)(xing)沿著軌道圍(wei)繞(rao)太陽(yang)運行(xing)都是重力作用(yong)的(de)結(jie)果。

人們普遍認(ren)為，適用于地球的自(zi)然定律與太(tai)空中的定律大相(xiang)徑(jing)庭。牛頓(dun)的萬(wan)有引力定律沉(chen)重打擊了這(zhe)一觀點，它(ta)告訴(su)人們，支配(pei)自(zi)然和宇宙的法則是很(hen)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基(ji)石。

當然，當時牛頓(dun)提出了(le)萬有(you)(you)引(yin)力理(li)(li)論(lun)，卻未能得出萬有(you)(you)引(yin)力的公(gong)式，因(yin)為公(gong)式中的“G”實(shi)在太小了(le)，因(yin)此他(ta)提出：F∝mM/r2。直到1798年(nian)英(ying)國物理(li)(li)學家(jia)卡(ka)文迪許(xu)(xu)利用著名的卡(ka)文迪許(xu)(xu)扭秤（即(ji)卡(ka)文迪許(xu)(xu)實(shi)驗(yan)）較精確地測(ce)出了(le)引(yin)力恒量的數值。

簡單含義

牛頓并不是發(fa)現了重(zhong)力(li)(li)(li)，他(ta)是發(fa)現重(zhong)力(li)(li)(li)是“萬(wan)有”的(de)。每(mei)(mei)個物(wu)(wu)體(ti)都會(hui)吸引(yin)其(qi)他(ta)物(wu)(wu)體(ti)，而這股引(yin)力(li)(li)(li)的(de)大小只跟物(wu)(wu)體(ti)的(de)質量與(yu)物(wu)(wu)體(ti)間(jian)的(de)距離有關。牛頓的(de)萬(wan)有引(yin)力(li)(li)(li)定律說明，每(mei)(mei)一(yi)個物(wu)(wu)體(ti)都吸引(yin)著其(qi)他(ta)每(mei)(mei)一(yi)個物(wu)(wu)體(ti)，而兩個物(wu)(wu)體(ti)間(jian)的(de)引(yin)力(li)(li)(li)大小，正比于(yu)這它們的(de)質量，會(hui)隨著兩物(wu)(wu)體(ti)中心連(lian)線(xian)距離的(de)平方(fang)而遞減。

牛頓為了(le)證(zheng)明只(zhi)有球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)形體可(ke)把“球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)總質量集中到(dao)(dao)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)質心點”來代(dai)表整個(ge)(ge)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)萬(wan)有引力(li)作(zuo)用(yong)的(de)(de)總效(xiao)果而發(fa)展(zhan)了(le)微(wei)積(ji)分。然(ran)而不管(guan)距離(li)地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)多(duo)遠，地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)永遠不會(hui)變成零，即使你(ni)被帶到(dao)(dao)宇宙的(de)(de)邊緣，地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)重(zhong)(zhong)力(li)還是(shi)(shi)會(hui)作(zuo)用(yong)到(dao)(dao)你(ni)身上，雖然(ran)地球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)重(zhong)(zhong)力(li)的(de)(de)作(zuo)用(yong)可(ke)能會(hui)被你(ni)附近質量巨大的(de)(de)物(wu)體所(suo)掩蓋，但它還是(shi)(shi)存在。不管(guan)是(shi)(shi)多(duo)小還是(shi)(shi)多(duo)遠，每一個(ge)(ge)物(wu)體都(dou)會(hui)受到(dao)(dao)引力(li)作(zuo)用(yong)，而且遍布整個(ge)(ge)太空，正如我們(men)所(suo)說的(de)(de)“萬(wan)有”。

基本力

萬有(you)引(yin)(yin)力(li)(li)是(shi)(shi)任意兩個物(wu)體或兩個粒(li)子(zi)間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)與其質量(liang)乘積相(xiang)(xiang)關的(de)(de)(de)吸引(yin)(yin)力(li)(li)，自然界中(zhong)最普遍的(de)(de)(de)力(li)(li)，簡稱引(yin)(yin)力(li)(li)。在(zai)粒(li)子(zi)物(wu)理(li)學(xue)中(zhong)則稱引(yin)(yin)力(li)(li)和(he)強力(li)(li)、弱力(li)(li)、電(dian)(dian)磁(ci)力(li)(li)合稱4種(zhong)基本(ben)相(xiang)(xiang)互作用(yong)。引(yin)(yin)力(li)(li)是(shi)(shi)其中(zhong)最弱的(de)(de)(de)一種(zhong)，兩個質子(zi)間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)(yin)力(li)(li)只有(you)它們間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)磁(ci)力(li)(li)的(de)(de)(de)1/10，質子(zi)受(shou)地(di)球的(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)(li)也只有(you)它在(zai)一個不(bu)強的(de)(de)(de)電(dian)(dian)場1000伏/米的(de)(de)(de)電(dian)(dian)磁(ci)力(li)(li)的(de)(de)(de)1/10。因此研究(jiu)粒(li)子(zi)間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)作用(yong)或粒(li)子(zi)在(zai)電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡(jing)和(he)加速器中(zhong)運動時，都不(bu)考慮萬有(you)引(yin)(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)作用(yong)。

一(yi)(yi)般物(wu)(wu)體之間的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)也(ye)是(shi)很小的(de)(de)(de)(de)，例如(ru)兩個直徑為1米的(de)(de)(de)(de)鐵球(qiu)，緊靠在一(yi)(yi)起時(shi)，引(yin)(yin)力(li)也(ye)只有1.14×10-3牛頓，相當(dang)于0.03克的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)小滴水的(de)(de)(de)(de)重(zhong)量(liang)。但地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)很大(da)，這兩個鐵球(qiu)分別受到4×102牛頓的(de)(de)(de)(de)地(di)球(qiu)引(yin)(yin)力(li)，所以研究物(wu)(wu)體在地(di)球(qiu)引(yin)(yin)力(li)場中的(de)(de)(de)(de)運(yun)動時(shi)，通常都(dou)(dou)不(bu)考慮(lv)周圍其他物(wu)(wu)體的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)。天體如(ru)太陽(yang)和地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)都(dou)(dou)很大(da)，乘積就(jiu)(jiu)更大(da)，巨大(da)的(de)(de)(de)(de)引(yin)(yin)力(li)就(jiu)(jiu)能使龐然大(da)物(wu)(wu)繞太陽(yang)轉(zhuan)動。引(yin)(yin)力(li)就(jiu)(jiu)成了支配天體運(yun)動的(de)(de)(de)(de)唯一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種力(li)。恒(heng)星(xing)的(de)(de)(de)(de)形成，在高溫狀(zhuang)態下不(bu)彌散反而(er)逐漸收縮(suo)，最后(hou)坍縮(suo)為白矮星(xing)、中子星(xing)和黑洞，也(ye)都(dou)(dou)是(shi)由于引(yin)(yin)力(li)的(de)(de)(de)(de)作用，因(yin)此(ci)引(yin)(yin)力(li)也(ye)是(shi)促使天體演化的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素。

迄今為止，我(wo)們已(yi)經知道(dao)，引(yin)力(li)是一種與時(shi)空基本(ben)結構緊密(mi)關聯的普適力(li)。應(ying)該視其為基本(ben)力(li)。換(huan)句話說，我(wo)們應(ying)該用(yong)引(yin)力(li)來(lai)(lai)度量(liang)其他東(dong)西，而(er)不是用(yong)其他東(dong)西來(lai)(lai)度量(liang)引(yin)力(li)。因(yin)此，在(zai)絕對意義上來(lai)(lai)說，引(yin)力(li)不是微(wei)弱的——它本(ben)來(lai)(lai)就是這樣子(zi)的。事實(shi)上，引(yin)力(li)顯得如此之微(wei)弱一直(zhi)讓(rang)理論物理學界感(gan)到(dao)困(kun)惑。

大統一理論

萬有引力(li)(li)、電磁力(li)(li)、強相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)力(li)(li)、弱相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)力(li)(li)這(zhe)四種作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)力(li)(li)是(shi)(shi)(shi)基(ji)本(ben)力(li)(li)。它們都(dou)是(shi)(shi)(shi)通(tong)(tong)過在粒子之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)交換(huan)的一(yi)種“傳(chuan)播(bo)(bo)子”實現的交互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的，這(zhe)就像兩個人托(tuo)排球，通(tong)(tong)過他們之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的排球把他們聯系在一(yi)起一(yi)樣。帶電粒子之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)電磁相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的傳(chuan)播(bo)(bo)子是(shi)(shi)(shi)質量為(wei)零、自旋為(wei)1的光子。 原(yuan)來有學者認為(wei)，核(he)子之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的強相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)（核(he)力(li)(li)）是(shi)(shi)(shi)靠(kao)π介子傳(chuan)遞的，但由于核(he)子和(he)π介子都(dou)是(shi)(shi)(shi)由夸克組成的，所以(yi)歸根(gen)結底它們是(shi)(shi)(shi)夸克之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的相互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)。

傳遞夸克之間(jian)強(qiang)相互(hu)作用的(de)(de)(de)傳播子(zi)(zi)稱為“膠子(zi)(zi)”。注意光子(zi)(zi)不帶(dai)(dai)電，且只有(you)一種(zhong)，而膠子(zi)(zi)帶(dai)(dai)“色(se)(se)(se)荷(he)”，分為八種(zhong)不同的(de)(de)(de)膠子(zi)(zi)。不過它和光子(zi)(zi)一樣，都是自(zi)旋為1的(de)(de)(de)玻(bo)(bo)色(se)(se)(se)子(zi)(zi)。弱相互(hu)作用的(de)(de)(de)傳播子(zi)(zi)是“中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)玻(bo)(bo)色(se)(se)(se)子(zi)(zi)”，它的(de)(de)(de)自(zi)旋也為1。有(you)三種(zhong)帶(dai)(dai)電情況(kuang)：把帶(dai)(dai)有(you)正負(fu)單位電荷(he)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)玻(bo)(bo)色(se)(se)(se)子(zi)(zi)記為W+、W-，把不帶(dai)(dai)電的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)玻(bo)(bo)色(se)(se)(se)子(zi)(zi)記為Z。1983年歐洲(zhou)核子(zi)(zi)研究中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)心的(de)(de)(de)盧比亞和范德梅爾(er)，在質(zhi)子(zi)(zi)-反(fan)質(zhi)子(zi)(zi)對撞機實驗(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)發現了這(zhe)三種(zhong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)玻(bo)(bo)色(se)(se)(se)子(zi)(zi)，第二年即獲得諾貝(bei)爾(er)獎(jiang)。

在(zai)現代物理學中，能量(liang)(liang)概(gai)念比(bi)質(zhi)量(liang)(liang)概(gai)念更(geng)具有核心(xin)地(di)(di)位。這表現在(zai)許多方面。真正守恒的(de)(de)(de)是能量(liang)(liang)而非質(zhi)量(liang)(liang)。出(chu)現在(zai)各類基本方程(cheng)，如統計力(li)(li)學的(de)(de)(de)波(bo)爾茲(zi)曼方程(cheng)，量(liang)(liang)子力(li)(li)學的(de)(de)(de)薛定諤方程(cheng)和(he)關于引力(li)(li)的(de)(de)(de)愛(ai)因斯坦方程(cheng)等(deng)方程(cheng)中也(ye)是能量(liang)(liang)。而質(zhi)量(liang)(liang)似乎更(geng)多地(di)(di)與(yu)技(ji)術途徑相(xiang)聯系，例如作為龐加萊群不(bu)可約表示的(de)(de)(de)符(fu)號(hao)。

因(yin)(yin)此，愛因(yin)(yin)斯坦方程提出了一項挑戰。如(ru)果能夠用能量來解釋質量，這(zhe)將有助于(yu)改進科學(xue)家(jia)們對(dui)于(yu)世界的描述，這(zhe)樣，構建(jian)世界所需(xu)要的構件可能變得更少。

借助于愛因斯坦定(ding)律(lv)，我們可以更(geng)好地解決或者回答牛頓所未曾解決的問題：什(shen)么是質(zhi)量的起源？引力與(yu)其他基本力之間到底有什(shen)么關(guan)聯？

問題(ti)1：如(ru)果E=mc2，那么，質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)正比于(yu)能量(liang)(liang)。因此如(ru)果能量(liang)(liang)守恒(heng)，是(shi)不(bu)是(shi)意味著質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)也(ye)守恒(heng)？然而，愛因斯坦的(de)方程只能運用到(dao)靜止(zhi)的(de)孤(gu)立的(de)物體(ti)上。一般來說，兩個物體(ti)相互作用時(shi)，能量(liang)(liang)和質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)不(bu)成正比。E=mc2根(gen)本不(bu)適用。

問題2：用(yong)無質(zhi)量(liang)的構件搭建起來的物體如何感(gan)知引(yin)(yin)力(li)？牛頓(dun)定律說物體受到的引(yin)(yin)力(li)與質(zhi)量(liang)成正比，但事實(shi)上，通常被認為(wei)是(shi)零質(zhi)量(liang)的光(guang)子卻會(hui)受到引(yin)(yin)力(li)的作用(yong)而發生彎曲(qu)。這是(shi)1919年為(wei)嚴驗證(zheng)在愛(ai)因斯坦廣義相對論所提出(chu)的假設進行的一次科學(xue)實(shi)觀測(ce)所證(zheng)實(shi)了的。那么這是(shi)否(fou)意味著光(guang)子質(zhi)量(liang)非零還是(shi)牛頓(dun)引(yin)(yin)力(li)定律缺少普適性(xing)？

光的(de)(de)(de)問(wen)題是(shi)一個值得(de)重視(shi)的(de)(de)(de)首(shou)要性(xing)問(wen)題。《圣經(jing)·創(chuang)世紀》中上帝在造(zao)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)第一日(ri)所(suo)創(chuang)造(zao)之物(wu)(wu)便是(shi)光，上帝在圣經(jing)中也(ye)多次把光當(dang)成自己的(de)(de)(de)化(hua)身。光是(shi)“所(suo)有事(shi)物(wu)(wu)”中最(zui)重要的(de)(de)(de)元素，當(dang)然它(ta)截然不(bu)同于原子。人們本能地認為光是(shi)與物(wu)(wu)質完全不(bu)同的(de)(de)(de)另(ling)一類東西，是(shi)非物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)甚至(zhi)是(shi)精(jing)神層面的(de)(de)(de)，這很自然。

光也(ye)的(de)(de)確表現出完全不(bu)同于可觸(chu)摸(mo)物(wu)質(zhi)的(de)(de)特性——后(hou)者是那種你(ni)踢一下就(jiu)會(hui)傷著腳趾頭或者是流過吹(chui)過你(ni)身(shen)邊的(de)(de)東西(xi)。如(ru)果你(ni)要跟費(fei)恩曼(man)例(li)子(zi)(zi)里的(de)(de)災后(hou)遺民講授物(wu)理學，你(ni)大可告(gao)訴他(ta)們(men)，光是物(wu)質(zhi)的(de)(de)另一種形式，他(ta)們(men)也(ye)會(hui)理解。你(ni)甚至可以告(gao)訴他(ta)們(men)，光是由粒子(zi)(zi)——光子(zi)(zi)——組(zu)成的(de)(de)。光子(zi)(zi)在真空(kong)中運(yun)動速(su)度很大，但是在超導(dao)狀態下，光運(yun)行的(de)(de)速(su)度很慢，大體跟目前(qian)世(shi)界跑得(de)最(zui)快的(de)(de)奧運(yun)會(hui)短(duan)跑冠(guan)軍的(de)(de)速(su)度相近，而且，光子(zi)(zi)在這種狀態下也(ye)具有了質(zhi)量。

其次，值得(de)提(ti)及的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)不(bu)是(shi)故事(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)結束，它們(men)是(shi)由(you)更基本的(de)(de)(de)(de)(de)構(gou)件組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。因為(wei)所(suo)(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)物質(zhi)都能發光(guang)，所(suo)(suo)以我(wo)們(men)可(ke)以假設所(suo)(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)物質(zhi)都是(shi)由(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)由(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核和(he)(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核很(hen)小(xiao)，其大(da)(da)(da)小(xiao)大(da)(da)(da)約為(wei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)10萬分之一(yi)(yi)，但它卻(que)包含所(suo)(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)荷和(he)(he)(he)構(gou)成(cheng)了(le)幾乎所(suo)(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)。沿(yan)此(ci)思路走下(xia)去，我(wo)們(men)將很(hen)快將費恩曼故事(shi)中災后(hou)遺民引領到(dao)正(zheng)確理解科學的(de)(de)(de)(de)(de)化學和(he)(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)學的(de)(de)(de)(de)(de)道路上來，從而(er)重建我(wo)們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)世界。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)因為(wei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核和(he)(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)性吸引而(er)保持穩定。最后(hou)，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核又由(you)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)組成(cheng)。原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)核卻(que)由(you)另一(yi)(yi)種(zhong)力來維持，這種(zhong)力要(yao)比電(dian)性力強(qiang)大(da)(da)(da)很(hen)多，但作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)距離卻(que)很(hen)短(duan)。這種(zhong)對于(yu)物質(zhi)認識狀(zhuang)態(tai)，大(da)(da)(da)約是(shi)1935年前后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)形。而(er)我(wo)們(men)所(suo)(suo)了(le)解的(de)(de)(de)(de)(de)當然要(yao)大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)跨越這一(yi)(yi)時期的(de)(de)(de)(de)(de)知識水(shui)準。

1932年，詹姆斯·查德(de)威克發現了中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，這是(shi)(shi)(shi)一(yi)個(ge)里程碑。在(zai)查德(de)威克的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發現之后，理(li)解原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)道路似乎變(bian)得(de)(de)通暢(chang)了。人(ren)們認為原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)(de)(de)(de)(de)構件已(yi)被發現，它們就是(shi)(shi)(shi)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這是(shi)(shi)(shi)兩種重量近似的(de)(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，而(er)且有著(zhu)類似的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強相互作用。質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)別就是(shi)(shi)(shi)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)帶正電荷，而(er)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)呈電中(zhong)(zhong)性。此外(wai)，孤立的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不穩定(ding)，大(da)約會在(zai)15分鐘的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壽命(ming)期限內衰變(bian)成一(yi)個(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（加(jia)一(yi)個(ge)正電荷和(he)一(yi)個(ge)中(zhong)(zhong)微(wei)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)）。將質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)簡(jian)單相加(jia)，你(ni)就可以(yi)得(de)(de)到不同電荷數和(he)質(zhi)(zhi)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)模型原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，它與已(yi)知原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核基本相符。

牛頓在1704年發表的(de)(de)《光學》一(yi)書(shu)中，這樣表述了他對物質的(de)(de)終極性質的(de)(de)設想：

“在我(wo)看來(lai)，事(shi)實上(shang)可能是，上(shang)帝(di)開始(shi)造物的(de)(de)時，將(jiang)物質做(zuo)成(cheng)了結實、沉重(zhong)、堅硬、不(bu)可入但(dan)可運動(dong)的(de)(de)微粒，其大小、形(xing)狀和其它(ta)一(yi)些(xie)屬性以(yi)(yi)及空(kong)間上(shang)的(de)(de)比(bi)例都(dou)恰好(hao)有助于(yu)(yu)他(ta)實現創造它(ta)們(men)的(de)(de)目的(de)(de)。由于(yu)(yu)這些(xie)原始(shi)微粒是些(xie)固體，所(suo)以(yi)(yi)它(ta)們(men)比(bi)任(ren)何由它(ta)們(men)合成(cheng)的(de)(de)多孔的(de)(de)物體都(dou)要堅固得(de)無可比(bi)擬。它(ta)們(men)甚至堅硬得(de)永遠不(bu)會磨(mo)損或破裂，沒有任(ren)何普通的(de)(de)力(li)量能把上(shang)帝(di)在他(ta)第一(yi)次創世時他(ta)自(zi)己造出來(lai)的(de)(de)東西分(fen)開。”

物(wu)(wu)質(zhi)的(de)科學(xue)實質(zhi)，其不可再(zai)分(fen)的(de)核心是質(zhi)量(liang)。質(zhi)量(liang)規定了(le)(le)(le)物(wu)(wu)質(zhi)反抗(kang)運動(dong)的(de)能力，也就是它(ta)(ta)的(de)慣性。質(zhi)量(liang)是不變(bian)的(de)，即具有“保守性”。它(ta)(ta)可以從一個物(wu)(wu)體轉移到另(ling)一個物(wu)(wu)體，但是永遠(yuan)不會增生或(huo)被消(xiao)滅。對于(yu)牛頓來說(shuo)，質(zhi)量(liang)定義(yi)了(le)(le)(le)物(wu)(wu)質(zhi)的(de)多少。在(zai)牛頓物(wu)(wu)理學(xue)中，質(zhi)量(liang)提供了(le)(le)(le)力和運動(dong)以及引力源(yuan)之(zhi)間聯系的(de)橋梁。而在(zai)拉瓦錫看來，質(zhi)量(liang)的(de)穩(wen)定性及其精確的(de)守恒性，則構成(cheng)了(le)(le)(le)化學(xue)的(de)基礎和富有成(cheng)果的(de)發現指南。

我們(men)在化學(xue)的(de)(de)經驗表明，對(dui)所(suo)有這些復雜性給予解(jie)釋是可能(neng)的(de)(de)。也許質子、中子和其它強子不是基(ji)本粒子。它們(men)也許是由性質更為簡單的(de)(de)更為基(ji)本的(de)(de)對(dui)象構成。

事(shi)實上，如果我們(men)針(zhen)對原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)(ping)上做在質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水平(ping)(ping)上做的(de)(de)散射實驗(yan)，來研究原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在近距離碰撞下會(hui)發生什么(me)，我們(men)會(hui)得到同樣復(fu)雜的(de)(de)結果：重新(xin)分(fen)(fen)(fen)布的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和碎裂而成(cheng)的(de)(de)類新(xin)型分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或(huo)處(chu)于(yu)激發態(tai)的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)自由(you)基(ji)(ji)），換句話(hua)說(shuo)，得到的(de)(de)各(ge)種化學反應。服從簡單(dan)的(de)(de)力定律的(de)(de)只是(shi)基(ji)(ji)本的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而由(you)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組成(cheng)的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不。而且在亞原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情(qing)形下，質(zhi)量(liang)也不守(shou)恒(heng)。如果你將質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟擊(ji)得足夠致密，你就會(hui)發現得到的(de)(de)是(shi)更多(duo)的(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有(you)時還會(hui)伴有(you)其它強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一(yi)個(ge)典型的(de)(de)情(qing)形是(shi)，讓兩個(ge)高能質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相互(hu)碰撞，得到卻是(shi)3個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一(yi)個(ge)反中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和若干個(ge)介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)總質(zhi)量(liang)會(hui)大于(yu)反應前(qian)兩個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)質(zhi)量(liang)之和。

光(guang)(guang)(guang)沒有(you)質(zhi)量。光(guang)(guang)(guang)不用推(tui)動(dong)就可(ke)以產(chan)生巨大的(de)速度從光(guang)(guang)(guang)源傳遞到接(jie)受器。光(guang)(guang)(guang)很容易(yi)就可(ke)以產(chan)生（發射）或(huo)湮(yin)沒（被吸收）。光(guang)(guang)(guang)也不具備引(yin)力那樣的(de)拉力。但(dan)光(guang)(guang)(guang)有(you)能量，能輕而易(yi)舉地被轉化并儲藏(zang)起來，例如植物的(de)葉綠(lv)素(su)在光(guang)(guang)(guang)合(he)作用下，可(ke)以把空氣中的(de)二(er)氧化碳和植物根(gen)系(xi)吸收的(de)水分、礦物質(zhi)轉換(huan)成(cheng)多糖、氨基酸或(huo)纖維素(su)的(de)化學鍵(jian)里。在元素(su)周期表我們找不到光(guang)(guang)(guang)的(de)位(wei)置，而這個(ge)周期表里分布都是構(gou)成(cheng)物質(zhi)的(de)各(ge)種構(gou)件(jian)。

在(zai)近代科學(xue)誕(dan)生前(qian)的幾(ji)百年以及(ji)誕(dan)生后的兩個半世紀里(li)，實在(zai)分為物質和光似乎(hu)是不言自明的。物質有質量且守恒，光沒(mei)有質量。如果有質量物質和無質量的光始(shi)終(zhong)彼此隔絕，那么(me)物理(li)世界就始(shi)終(zhong)無法(fa)實現統(tong)一(yi)的描述。

在(zai)(zai)20世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)前半葉，相對論(lun)(lun)和量子物(wu)(wu)理學的(de)(de)(de)(de)出(chu)現摧毀了經典物(wu)(wu)理學的(de)(de)(de)(de)基礎。現存(cun)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質和光的(de)(de)(de)(de)理論(lun)(lun)幾同廢墟。這(zhe)一創(chuang)新性的(de)(de)(de)(de)破(po)壞過程，使得物(wu)(wu)理學家有(you)可能在(zai)(zai)20世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)下半葉建(jian)造起一個新的(de)(de)(de)(de)更深刻的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質-光理論(lun)(lun)，它將徹底(di)破(po)除自(zi)古以來(lai)對兩者(zhe)分離(li)的(de)(de)(de)(de)認識。新的(de)(de)(de)(de)理論(lun)(lun)認為，世(shi)界是建(jian)立(li)在(zai)(zai)充滿以太的(de)(de)(de)(de)多層級空(kong)間基礎上的(de)(de)(de)(de)。這(zhe)里借用(yong)的(de)(de)(de)(de)“以太”雖然是十七世(shi)紀的(de)(de)(de)(de)哲學家笛(di)卡爾的(de)(de)(de)(de)概念(nian)，在(zai)(zai)十九世(shi)紀時麥克斯(si)韋則稱之為“場”，而在(zai)(zai)1970年(nian)代中，維爾切(qie)克則將其稱之為“網格(ge)”。

新的(de)世界模型盡管(guan)看(kan)起來有(you)(you)點稀奇古怪，但卻非常成功而(er)且精確(que)。它為我們提供(gong)了(le)對(dui)普通物(wu)質(zhi)質(zhi)量(liang)起源的(de)新認識(shi)。簡單(dan)來說(shuo)，物(wu)質(zhi)的(de)出現于相對(dui)論、量(liang)子(zi)場論和色動(dong)力學(xue)均有(you)(you)關系(xi)——后者是研究支配夸克(ke)和膠子(zi)行(xing)為特有(you)(you)規律的(de)學(xue)問。如果(guo)不深入了(le)解并(bing)熟悉(xi)地運用這些概念(nian)，我們就(jiu)無(wu)法(fa)理(li)解質(zhi)量(liang)的(de)起源。而(er)且迄今為止，量(liang)子(zi)場論和色動(dong)力學(xue)仍然(ran)是活躍的(de)研究領域，還有(you)(you)許(xu)許(xu)多(duo)多(duo)的(de)問題(ti)有(you)(you)待(dai)解決(jue)。

不(bu)久(jiu)以前，人們(men)曾經認為普通物質(zhi)的基本(ben)構(gou)件(jian)就(jiu)是質(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)。之后，科(ke)學家們(men)又發現，普通物質(zhi)的基本(ben)構(gou)件(jian)——質(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)——內有些小東西(xi)。這些小東西(xi)叫做(zuo)夸克和膠子(zi)。當然，知道它們(men)的名(ming)字并不(bu)等于告訴我們(men)他們(men)是什么，正如莎(sha)士比亞(ya)筆下的羅密(mi)歐所(suo)解釋的那樣：

“名字有什么意義？我(wo)們(men)叫做玫瑰的東西，換(huan)個名字，還是一樣的香(xiang)艷。”

但是，如(ru)果夸(kua)克和膠(jiao)(jiao)子只(zhi)是物質內部永(yong)無(wu)止(zhi)境的(de)(de)復雜(za)結構的(de)(de)又(you)一層級，那么它(ta)們的(de)(de)名(ming)字(zi)只(zhi)不過提供一種(zhong)(zhong)讓人(ren)(ren)們炫耀的(de)(de)非流行語詞。然(ran)而夸(kua)克和膠(jiao)(jiao)子并不“只(zhi)是又(you)一層級”。在(zai)膠(jiao)(jiao)子本身被發現(xian)之前(qian)，人(ren)(ren)們已經(jing)發現(xian)了描述(shu)膠(jiao)(jiao)子的(de)(de)方(fang)(fang)程。1954年楊(yang)振寧和羅伯(bo)特(te)·米爾斯(si)發現(xian)作為電動力學(xue)的(de)(de)麥克斯(si)韋(wei)(wei)方(fang)(fang)程組自(zi)然(ran)數學(xue)推(tui)廣的(de)(de)一類方(fang)(fang)程組，表明(ming)麥克斯(si)韋(wei)(wei)方(fang)(fang)程組的(de)(de)自(zi)然(ran)數學(xue)推(tui)廣方(fang)(fang)程組支持所(suo)有已知荷(he)的(de)(de)對稱性，而在(zai)楊(yang)-米爾斯(si)方(fang)(fang)程組基(ji)礎上由大衛·格(ge)羅斯(si)和弗蘭(lan)克·維(wei)爾切克于(yu)1973年推(tui)導出了適用于(yu)現(xian)實(shi)世界中強(qiang)相互(hu)(hu)作用膠(jiao)(jiao)子方(fang)(fang)程的(de)(de)過程中使用了三種(zhong)(zhong)“荷(he)”。出現(xian)在(zai)強(qiang)相互(hu)(hu)作用理論中的(de)(de)這(zhe)三種(zhong)(zhong)荷(he)通常稱為色荷(he)，或簡稱為荷(he)。

在20世紀(ji)60年(nian)代(dai)初(chu)，實驗者(zhe)發現了幾十(shi)種強(qiang)子(zi)，它們的(de)質量(liang)、壽命和(he)固有的(de)自(zi)旋(xuan)均不(bu)相(xiang)同。其中(zhong)，希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)玻色(se)子(zi)是粒(li)子(zi)物理(li)學標(biao)準(zhun)模型(xing)預(yu)言的(de)一種自(zi)旋(xuan)為零的(de)玻色(se)子(zi)，至今尚未在實驗中(zhong)觀察到。它也(ye)是標(biao)準(zhun)模型(xing)中(zhong)最(zui)后(hou)一種未被(bei)發現的(de)粒(li)子(zi)。物理(li)學家(jia)希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)提(ti)出了希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)機(ji)(ji)制。在此機(ji)(ji)制中(zhong)，希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)場引(yin)起自(zi)發對稱(cheng)性(xing)破缺，并(bing)將質量(liang)賦予規(gui)范傳播子(zi)和(he)費米(mi)子(zi)。希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)粒(li)子(zi)是希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)場的(de)場量(liang)子(zi)化激發，它通過自(zi)相(xiang)互(hu)作用而獲(huo)得質量(liang)。2012年(nian)7月2日(ri)(ri)，美(mei)國能源部下屬的(de)費米(mi)國家(jia)加(jia)速(su)器實驗室宣(xuan)布，該實驗室最(zui)新(xin)(xin)數據接近證明被(bei)稱(cheng)為“上帝粒(li)子(zi)”的(de)希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)玻色(se)子(zi)的(de)存在。2013年(nian)3月14日(ri)(ri)，歐洲核子(zi)研究組織(zhi)發布新(xin)(xin)聞稿表示，先前(qian)探測到的(de)新(xin)(xin)粒(li)子(zi)是希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)玻色(se)子(zi)。

在粒(li)(li)(li)子(zi)物(wu)理(li)(li)(li)學(xue)里，標準(zhun)模型是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)被(bei)廣泛接受的(de)框架，可(ke)以描述強力(li)(li)(li)、弱力(li)(li)(li)及(ji)電磁(ci)力(li)(li)(li)這(zhe)三(san)種(zhong)(zhong)基(ji)本力(li)(li)(li)及(ji)組成(cheng)所有物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)基(ji)本粒(li)(li)(li)子(zi)。由于(yu)基(ji)本粒(li)(li)(li)子(zi)和基(ji)本力(li)(li)(li)形成(cheng)了(le)物(wu)理(li)(li)(li)世界，所以，除了(le)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)以外，標準(zhun)模型可(ke)以合理(li)(li)(li)解(jie)(jie)釋(shi)這(zhe)世界中(zhong)(zhong)的(de)大多數(shu)物(wu)理(li)(li)(li)現象(xiang)。最(zui)初(chu)，標準(zhun)模型所倚賴的(de)規(gui)范場論禁止基(ji)本粒(li)(li)(li)子(zi)擁有質(zhi)(zhi)量，這(zhe)很明顯(xian)地顯(xian)示出(chu)初(chu)始模型不夠(gou)完全。后來(lai)，物(wu)理(li)(li)(li)學(xue)者研究出(chu)一(yi)種(zhong)(zhong)機(ji)制(zhi)(zhi)，能夠(gou)利用對稱(cheng)性破缺(que)來(lai)賦予基(ji)本粒(li)(li)(li)子(zi)質(zhi)(zhi)量，同時又不會抵觸(chu)到規(gui)范場論。這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)被(bei)稱(cheng)為希格(ge)斯(si)機(ji)制(zhi)(zhi)。在所有解(jie)(jie)釋(shi)質(zhi)(zhi)量起源的(de)機(ji)制(zhi)(zhi)之中(zhong)(zhong)，希格(ge)斯(si)機(ji)制(zhi)(zhi)是(shi)最(zui)簡單(dan)、最(zui)被(bei)認可(ke)的(de)一(yi)種(zhong)(zhong)。物(wu)理(li)(li)(li)學(xue)者已完成(cheng)了(le)很多實(shi)驗(yan)，并確實(shi)偵(zhen)測到這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)引(yin)(yin)發(fa)的(de)許多種(zhong)(zhong)效應，但(dan)是(shi)他們(men)不確切(qie)了(le)解(jie)(jie)這(zhe)機(ji)制(zhi)(zhi)到底是(shi)怎么一(yi)回事。

標準模(mo)型給出了自然界(jie)四種相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)中的(de)電磁相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)和(he)弱(ruo)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)統一描述，但是(shi)在能量低于一定條(tiao)件后，電磁相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)和(he)弱(ruo)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)將呈現為(wei)(wei)不同的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)，這被稱(cheng)為(wei)(wei)電弱(ruo)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)對稱(cheng)性自發破缺。希格斯粒子就(jiu)是(shi)在標準模(mo)型解釋電弱(ruo)對稱(cheng)性自發破缺的(de)機(ji)制時引(yin)入的(de)。

根(gen)據標準模型理(li)論，宇宙(zhou)空間(jian)中的各處(chu)，無論是真空中還是空氣中，甚至是物質(zhi)的內部，都(dou)充滿了希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)(si)粒子（希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)(si)場(chang)）。希(xi)(xi)格(ge)(ge)斯(si)(si)粒子被(bei)認為(wei)是生成(cheng)基本粒子的“質(zhi)量(liang)”之源。雖然(ran)質(zhi)量(liang)總是與“重量(liang)”聯系在一起，但嚴格(ge)(ge)說(shuo)起來是不一樣的。質(zhi)量(liang)應該是反映“改變加速度的難(nan)易程度”的物理(li)量(liang)。

為(wei)什么有(you)(you)些(xie)基本粒(li)子(zi)具有(you)(you)質量(liang)(liang)(liang)，而有(you)(you)些(xie)基本粒(li)子(zi)的(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)為(wei)零？物理學界仍(reng)在不(bu)停的(de)(de)探索中。而更(geng)加(jia)令(ling)物理學家(jia)們棘手的(de)(de)是(shi)，即(ji)使標(biao)準模(mo)型理論解決了除引力外的(de)(de)另外三(san)種基本力的(de)(de)統(tong)一問題，但引力如何(he)與其他三(san)種達到大一統(tong)的(de)(de)局面，仍(reng)然缺(que)少一些(xie)重要的(de)(de)中間環(huan)節。另外，如果愛(ai)因斯坦提出的(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)與質量(liang)(liang)(liang)交(jiao)換方程是(shi)普適而有(you)(you)效的(de)(de)，那么，質量(liang)(liang)(liang)是(shi)否源于能量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)凝聚呢？

我(wo)們知道，原(yuan)(yuan)子中的(de)電子可以有(you)不同(tong)的(de)軌道形(xing)狀，其自旋可有(you)不同(tong)取向(xiang)，因此原(yuan)(yuan)子可有(you)許多不同(tong)能態(tai)。對這(zhe)些可能的(de)態(tai)的(de)研究是原(yuan)(yuan)子光(guang)譜(pu)研究的(de)重要(yao)(yao)內(nei)容。我(wo)們常(chang)用原(yuan)(yuan)子光(guang)譜(pu)來(lai)揭示各種(zhong)不同(tong)的(de)態(tai)是由(you)什么決(jue)定的(de)，來(lai)設計激光(guang)器以及許多其它(ta)事情(qing)。由(you)于原(yuan)(yuan)子光(guang)譜(pu)本身的(de)重要(yao)(yao)性以及它(ta)與夸(kua)克模型有(you)千絲萬縷的(de)聯系，因此我(wo)們得首(shou)先(xian)花點時間來(lai)說(shuo)說(shuo)光(guang)譜(pu)。

像火(huo)焰或者(zhe)恒星大(da)氣這樣的(de)(de)熱氣體中就(jiu)包(bao)含處于(yu)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)態(tai)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)。即使(shi)是(shi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核相(xiang)(xiang)同(tong)(tong)(tong)(tong)、電子(zi)(zi)(zi)數(shu)相(xiang)(xiang)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)，其電子(zi)(zi)(zi)仍然可有不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)軌道(dao)或不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)自旋取向(xiang)。這些態(tai)有不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)。高能(neng)(neng)(neng)態(tai)可衰(shuai)變到(dao)底(di)能(neng)(neng)(neng)態(tai)并發(fa)光(guang)。由(you)于(yu)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)總體上是(shi)守恒的(de)(de)，因此(ci)發(fa)出(chu)的(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)可通過(guo)其顏(yan)(yan)色(se)來(lai)獲(huo)知，這個能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)反映了初態(tai)和(he)終態(tai)之(zhi)間的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)差。每(mei)一(yi)種原(yuan)子(zi)(zi)(zi)發(fa)出(chu)的(de)(de)光(guang)都(dou)有一(yi)套(tao)特征顏(yan)(yan)色(se)分(fen)布。氫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)發(fa)出(chu)的(de)(de)光(guang)是(shi)一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)條紋(wen)，氦原(yuan)子(zi)(zi)(zi)發(fa)射的(de)(de)光(guang)澤是(shi)完全不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)另一(yi)組顏(yan)(yan)色(se)條紋(wen)，等(deng)等(deng)。物理學(xue)家(jia)和(he)化學(xue)家(jia)將這種顏(yan)(yan)色(se)分(fen)布成(cheng)為原(yuan)子(zi)(zi)(zi)頻譜(pu)。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)頻譜(pu)起著標識該原(yuan)子(zi)(zi)(zi)特征的(de)(de)作用(yong)，可以用(yong)來(lai)識別原(yuan)子(zi)(zi)(zi)。當你讓光(guang)線通過(guo)棱(leng)鏡從而使(shi)不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)分(fen)開時，得到(dao)的(de)(de)譜(pu)就(jiu)相(xiang)(xiang)當于(yu)一(yi)套(tao)條碼。

原(yuan)子(zi)(zi)光(guang)譜在構建(jian)原(yuan)子(zi)(zi)內(nei)部結(jie)構模型(xing)(xing)方面曾經給予我們很多(duo)具(ju)體(ti)的指向。以此(ci)為基(ji)礎，我們再回到夸(kua)(kua)克(ke)模型(xing)(xing)上來(lai)。同(tong)樣(yang)的設(she)想經過(guo)改(gai)造后再亞原(yuan)子(zi)(zi)層面上依然有效(xiao)。在原(yuan)子(zi)(zi)層面上，電子(zi)(zi)兩個態之(zhi)(zhi)間(jian)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)差(cha)相對(dui)較(jiao)小，這個能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)差(cha)從(cong)原(yuan)子(zi)(zi)總(zong)質量(liang)(liang)(liang)(liang)來(lai)看(kan)顯得微不(bu)(bu)(bu)足道。夸(kua)(kua)克(ke)模型(xing)(xing)的核(he)心思想是(shi)，夸(kua)(kua)克(ke)“原(yuan)子(zi)(zi)”即(ji)強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)的不(bu)(bu)(bu)同(tong)態之(zhi)(zhi)間(jian)的能(neng)差(cha)非常(chang)之(zhi)(zhi)大(da)，它們對(dui)確定強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)質量(liang)(liang)(liang)(liang)起著(zhu)重要作用。根據愛(ai)因斯坦(tan)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)質量(liang)(liang)(liang)(liang)交(jiao)換公式推導出的m=E/c2，我們可(ke)以將不(bu)(bu)(bu)同(tong)質量(liang)(liang)(liang)(liang)的強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)理解(jie)為不(bu)(bu)(bu)同(tong)軌道模式——即(ji)不(bu)(bu)(bu)同(tong)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)態——的夸(kua)(kua)克(ke)系統(tong)具(ju)有不(bu)(bu)(bu)同(tong)的能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)。質言之(zhi)(zhi)，原(yuan)子(zi)(zi)光(guang)譜是(shi)供看(kan)的，強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)譜澤是(shi)供稱量(liang)(liang)(liang)(liang)的。利用這一原(yuan)理，蓋爾曼(man)和(he)茨(ci)威格(ge)證(zheng)明(ming)了，人們可(ke)以將觀測到的許多(duo)不(bu)(bu)(bu)同(tong)的強(qiang)(qiang)子(zi)(zi)解(jie)釋(shi)為幾個基(ji)本(ben)夸(kua)(kua)克(ke)“夸(kua)(kua)克(ke)”的不(bu)(bu)(bu)同(tong)態。

然而，難以置信(xin)的(de)(de)(de)是，盡管科學(xue)家們(men)都非(fei)常渴望找到(dao)單一(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)夸(kua)克(ke)粒子，結(jie)果卻屢(lv)屢(lv)失(shi)(shi)敗(bai)。迄今為(wei)止(zhi)，人們(men)沒有(you)觀測(ce)到(dao)任(ren)何(he)粒子具有(you)單一(yi)(yi)(yi)夸(kua)克(ke)的(de)(de)(de)特性。如(ru)同發明永動機的(de)(de)(de)失(shi)(shi)敗(bai)一(yi)(yi)(yi)樣(yang)，尋找單個夸(kua)克(ke)的(de)(de)(de)失(shi)(shi)敗(bai)已經(jing)升(sheng)格為(wei)一(yi)(yi)(yi)條原(yuan)理：夸(kua)克(ke)禁閉原(yuan)理。

當物理(li)學家試(shi)圖用(yong)(yong)夸(kua)克(ke)(ke)來充實(shi)(shi)介子(zi)和重子(zi)的(de)(de)內部結(jie)構模型，以(yi)(yi)便(bian)可以(yi)(yi)說明它們(men)的(de)(de)質量(liang)時(shi)(shi)，更大的(de)(de)困難(nan)出現(xian)了。即使是(shi)在(zai)(zai)最成功的(de)(de)模型里，情況似乎(hu)總(zong)是(shi)，當夸(kua)克(ke)(ke)（或反夸(kua)克(ke)(ke)）彼(bi)此(ci)靠近時(shi)(shi)，它們(men)幾乎(hu)從不注意到對(dui)方的(de)(de)存在(zai)(zai)。夸(kua)克(ke)(ke)之間的(de)(de)相互作用(yong)(yong)力是(shi)如此(ci)微弱(ruo)，人(ren)們(men)很難(nan)將它與(yu)無法發(fa)現(xian)獨(du)立(li)夸(kua)克(ke)(ke)的(de)(de)事實(shi)(shi)調和起來。如果夸(kua)克(ke)(ke)彼(bi)此(ci)接近時(shi)(shi)不在(zai)(zai)乎(hu)對(dui)方的(de)(de)存在(zai)(zai)，那(nei)它們(men)彼(bi)此(ci)遠離后為(wei)什么(me)不可以(yi)(yi)單(dan)獨(du)存在(zai)(zai)呢？

這里(li)可(ke)能出現了一種以前從未有(you)(you)(you)過的(de)隨距離(li)增(zeng)大而(er)增(zeng)大的(de)基(ji)本(ben)力。最初的(de)夸(kua)(kua)克(ke)模(mo)型(xing)沒有(you)(you)(you)給(gei)出描述(shu)夸(kua)(kua)克(ke)之(zhi)間力的(de)精確方程。在一方面，夸(kua)(kua)克(ke)模(mo)型(xing)頗有(you)(you)(you)些類似于前牛頓的(de)太陽系模(mo)型(xing)，或者前薛(xue)定(ding)諤/前玻(bo)爾原子模(mo)型(xing)。許(xu)多物(wu)理學家，包括蓋爾曼本(ben)人，認為夸(kua)(kua)克(ke)只是一個(ge)可(ke)以成(cheng)為自然(ran)界數學描述(shu)里(li)的(de)有(you)(you)(you)用(yong)的(de)工具，而(er)不是真(zhen)正意(yi)義上的(de)實在的(de)元素(su)。

我們知道，質子(zi)內(nei)部的(de)(de)(de)物(wu)質運動(dong)極(ji)快。在斯坦(tan)福直線加速器(qi)中心(xin)，科(ke)學(xue)家實(shi)際上是(shi)(shi)采用電(dian)子(zi)來(lai)轟擊質子(zi)，然后觀測兩者碰(peng)撞后出射電(dian)子(zi)的(de)(de)(de)行為。出射電(dian)子(zi)的(de)(de)(de)能量和(he)動(dong)量比碰(peng)撞前要少。由于能量和(he)動(dong)量整(zheng)體上是(shi)(shi)守恒的(de)(de)(de)，因(yin)此電(dian)子(zi)失(shi)去的(de)(de)(de)能量可能是(shi)(shi)被(bei)虛光子(zi)帶走，并轉(zhuan)交給(gei)質子(zi)。這(zhe)往往導(dao)致質子(zi)經(jing)復雜過程而被(bei)打(da)破，由此導(dao)致了(le)一種新的(de)(de)(de)實(shi)驗方法，只(zhi)追蹤(zong)電(dian)子(zi)，即只(zhi)關注(zhu)能量和(he)動(dong)量流。

量子(zi)理(li)論允許(xu)我們調(diao)和(he)關(guan)于質(zhi)子(zi)是什么(me)(me)的(de)兩個(ge)看(kan)似矛盾的(de)概念。一(yi)(yi)方面(mian)，質(zhi)子(zi)內部是動(dong)態(tai)的(de)，里面(mian)的(de)事(shi)情(qing)在不斷變(bian)化、運動(dong)著。另一(yi)(yi)方面(mian)，所(suo)(suo)有(you)質(zhi)子(zi)隨時(shi)隨地都表(biao)現出完(wan)全相同(tong)的(de)行為，也(ye)就是說(shuo)，每一(yi)(yi)個(ge)質(zhi)子(zi)均給出相同(tong)概率。如果質(zhi)子(zi)在不同(tong)的(de)時(shi)間里表(biao)現不一(yi)(yi)，所(suo)(suo)有(you)的(de)質(zhi)子(zi)怎么(me)(me)可能表(biao)現完(wan)全相同(tong)的(de)行為？一(yi)(yi)個(ge)簡單而直觀的(de)解釋(shi)是，雖然每一(yi)(yi)個(ge)體概率在演化，但整(zheng)體概率分布卻保(bao)持不變(bian)。這就像(xiang)一(yi)(yi)條平緩但在流(liu)動(dong)的(de)大河(he)(he)，即使(shi)每一(yi)(yi)個(ge)滴(di)水都在向(xiang)前流(liu)淌(tang)，但整(zheng)個(ge)河(he)(he)流(liu)看(kan)上去卻并無變(bian)化。

在微(wei)觀尺度上(shang)大量(liang)的(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)都(dou)很(hen)難被捕(bu)捉到(dao)。科(ke)學(xue)家(jia)(jia)們把它(ta)們叫做粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)(he)反粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或者把反粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)叫做虛(xu)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)）。這(zhe)些虛(xu)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)出現和(he)(he)消失都(dou)很(hen)快，但也跑不了多遠(yuan)。科(ke)學(xue)家(jia)(jia)們只能在極短時(shi)超(chao)高(gao)分辨(bian)率的(de)抓拍(pai)中(zhong)和(he)(he)它(ta)們偶遇(yu)。在任(ren)何(he)通常意義下人們都(dou)無(wu)法見到(dao)它(ta)們，除(chu)非(fei)我們能提供所需的(de)能量(liang)和(he)(he)動量(liang)來促使它(ta)們產(chan)生(sheng)。但即便如此，我們看(kan)到(dao)的(de)也不是原來未受干擾的(de)虛(xu)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)——即自(zi)發產(chan)生(sheng)和(he)(he)消失的(de)那種(zhong)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。

現代生物醫學告訴我們(men)，只(zhi)有(you)借助于(yu)更復雜的(de)生物體(ti)（宿主），病毒才(cai)可以存活。虛粒(li)子(zi)則遠為脆(cui)弱(ruo)，因為它們(men)需要外部幫助才(cai)能存在。盡管如此，它們(men)卻在量子(zi)力學方程(cheng)(cheng)里(li)，而且根據這些方程(cheng)(cheng)，虛粒(li)子(zi)會影響到我們(men)看(kan)得見(jian)的(de)粒(li)子(zi)的(de)行為。

虛(xu)粒子(zi)總是(shi)成群地處(chu)于高速運動的狀態中。物理學家(jia)將(jiang)其稱之為(wei)虛(xu)空空間中的實體成為(wei)一種動態介質。由于虛(xu)粒子(zi)的行為(wei)，正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)會(hui)被部(bu)分屏蔽。也(ye)就是(shi)說(shuo)，正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)周(zhou)圍往往因為(wei)異性(xing)(xing)相吸引而(er)裹著一層補(bu)償性(xing)(xing)的負電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)。從遠處(chu)看，我(wo)們感覺不(bu)到正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)的全部(bu)靜(jing)電(dian)(dian)(dian)力，因為(wei)有部(bu)分被周(zhou)圍的負電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)抵消(xiao)了。換句(ju)話說(shuo)，你越(yue)是(shi)接(jie)近(jin)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)有效電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)就會(hui)越(yue)多；你越(yue)是(shi)遠離(li)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)(he)，它就顯得越(yue)小。

在(zai)夸(kua)克(ke)模型里我(wo)(wo)們(men)正好得出相反(fan)的(de)行為。假定夸(kua)克(ke)模型里的(de)夸(kua)克(ke)在(zai)相互靠近時相互作用(yong)很弱，但(dan)如果(guo)它們(men)的(de)有效電荷在(zai)鄰近區(qu)域(yu)達到(dao)最大(da)值時，我(wo)(wo)們(men)得到(dao)的(de)只是相反(fan)的(de)結(jie)果(guo)。這時它們(men)彼此間的(de)距(ju)(ju)離越(yue)小，相互作用(yong)就(jiu)會(hui)越(yue)強烈；相距(ju)(ju)越(yue)遠，其電荷被屏蔽得越(yue)明(ming)顯(xian)，因而相互作用(yong)也(ye)就(jiu)越(yue)弱。

量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)電動(dong)力(li)學(xue)起(qi)源于1927年保羅·狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)將量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)理(li)(li)論應(ying)用(yong)(yong)(yong)于電磁場量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)化的(de)(de)研究工作(zuo)。他將電荷(he)和電磁場的(de)(de)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)處理(li)(li)為引起(qi)能級躍(yue)遷的(de)(de)微擾，能級躍(yue)遷造(zao)成了(le)發射光子(zi)(zi)數(shu)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)變化，但總體(ti)上系統滿(man)足能量(liang)(liang)(liang)(liang)和動(dong)量(liang)(liang)(liang)(liang)守恒。狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)成功(gong)地從第一性原理(li)(li)導出(chu)了(le)愛(ai)因斯坦系數(shu)的(de)(de)形式，并證明(ming)了(le)光子(zi)(zi)的(de)(de)玻(bo)色-愛(ai)因斯坦統計是(shi)電磁場量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)化的(de)(de)自然結果。人們發現，能夠精確描(miao)述這類過(guo)程是(shi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)電動(dong)力(li)學(xue)最重(zhong)要的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)之一。另一方(fang)(fang)面(mian)，狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)所(suo)(suo)發展的(de)(de)相對論量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)力(li)學(xue)是(shi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)電動(dong)力(li)學(xue)的(de)(de)前奏，狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)(fang)程作(zuo)為狹(xia)義相對論框架下量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)力(li)學(xue)的(de)(de)基本方(fang)(fang)程，所(suo)(suo)描(miao)述的(de)(de)電子(zi)(zi)等費米(mi)子(zi)(zi)的(de)(de)旋(xuan)量(liang)(liang)(liang)(liang)場的(de)(de)正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)化是(shi)由匈牙利(li)-美國物理(li)(li)學(xue)家尤(you)金·維(wei)格納(na)和約爾當完成的(de)(de)。狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)(fang)程所(suo)(suo)預(yu)言的(de)(de)粒子(zi)(zi)的(de)(de)產(chan)生和湮滅過(guo)程能用(yong)(yong)(yong)正(zheng)則量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)化的(de)(de)語言重(zhong)新加以描(miao)述。

靜態夸克模型建立之后(hou)，在重子(zi)質量譜和重子(zi)磁矩方面取得(de)了巨大成(cheng)功。但是(shi)(shi)(shi)，某些由(you)(you)一種夸克組成(cheng)的(de)粒子(zi)的(de)存(cun)在，與物理學(xue)的(de)基本假(jia)設廣義泡利原理矛(mao)盾。為(wei)解決這個(ge)問題，物理學(xue)家引(yin)入(ru)了顏(yan)色(se)自由(you)(you)度，并且(qie)顏(yan)色(se)最少有3種。這個(ge)時候顏(yan)色(se)還只是(shi)(shi)(shi)引(yin)入(ru)的(de)某種量子(zi)數，并沒有被認為(wei)是(shi)(shi)(shi)動力學(xue)自由(you)(you)度。

經歷了(le)十(shi)年左右(you)的各種實驗，都(dou)沒(mei)有在靜(jing)態夸克模(mo)型中(zhong)發(fa)現(xian)分(fen)(fen)數(shu)電(dian)荷(he)的自(zi)旋1/2的夸克存(cun)在，物理學家(jia)被迫接(jie)受(shou)了(le)夸克是(shi)禁閉在強子(zi)內部(bu)(bu)(bu)的現(xian)實。然而，美國的斯坦福(fu)直線加速器中(zhong)心SLAC在七(qi)十(shi)年代初進行(xing)了(le)一(yi)系列的輕(qing)強子(zi)深度(du)非彈性散射實驗，發(fa)現(xian)強子(zi)的結構函(han)數(shu)具(ju)有比約肯無標(biao)度(du)性(Bjorken Scaling)。為解釋這(zhe)個令(ling)人驚奇的結果，費(fei)曼由此提出了(le)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)子(zi)模(mo)型，假設(she)強子(zi)是(shi)由一(yi)簇自(zi)由的沒(mei)有相互作用的部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)子(zi)組成的，就可以自(zi)然的解釋比約肯無標(biao)度(du)性(Bjorken Scaling)。更(geng)細致的研(yan)究(jiu)確認了(le)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)子(zi)的自(zi)旋為1/2，并且具(ju)有分(fen)(fen)數(shu)電(dian)荷(he)。

部分(fen)子(zi)模(mo)型和(he)靜態夸(kua)(kua)克模(mo)型都取得了巨大成功，但是兩個(ge)模(mo)型對(dui)強子(zi)結構(gou)的(de)(de)描述有嚴重的(de)(de)沖(chong)突，具體(ti)來講(jiang)就是夸(kua)(kua)克禁閉與(yu)部分(fen)子(zi)無相(xiang)互作用之間的(de)(de)沖(chong)突。這個(ge)問題的(de)(de)真正解決要等到漸近自(zi)由的(de)(de)發現。格婁斯(si)，維(wei)爾切克和(he)休·波(bo)利策(ce)的(de)(de)計算(suan)表明，非阿貝(bei)爾規范場(chang)論中(zhong)夸(kua)(kua)克相(xiang)互作用強度隨能(neng)標(biao)的(de)(de)增加(jia)而減弱(ruo)，部分(fen)子(zi)模(mo)型的(de)(de)成功正預示著存(cun)在SU（N）的(de)(de)規范相(xiang)互作用，N自(zi)然(ran)的(de)(de)就解釋(shi)為原先(xian)夸(kua)(kua)克模(mo)型中(zhong)引入的(de)(de)新自(zi)由度--顏色。

色(se)(se)荷概(gai)念的(de)(de)(de)(de)引(yin)入和(he)部分子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用實在(zai)(zai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)基礎的(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)突破進展(zhan)。物(wu)理(li)學(xue)(xue)(xue)家們將這種(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)稱之為量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)。兩(liang)者之間雖然有諸多相似之處，但還是(shi)有如一(yi)些(xie)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)區別(bie)(bie)：首先是(shi)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)——由(you)(you)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)耦(ou)合常數衡量(liang)(liang)(liang)——要(yao)遠遠強于光(guang)子(zi)(zi)(zi)對(dui)電(dian)荷的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)。其次是(shi)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可(ke)以(yi)一(yi)種(zhong)色(se)(se)荷變換成另(ling)一(yi)種(zhong)色(se)(se)荷。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)和(he)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)(se)動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)第(di)三(san)個(ge)(ge)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)區別(bie)(bie)來自于上述第(di)二個(ge)(ge)區別(bie)(bie)的(de)(de)(de)(de)結果(guo)。由(you)(you)于膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)色(se)(se)荷的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)和(he)運動做出響(xiang)應(ying)(ying)，而且膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)攜帶不平衡的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)荷，因此膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可(ke)以(yi)直接對(dui)另(ling)一(yi)個(ge)(ge)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)做出響(xiang)應(ying)(ying)。這與(yu)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)情形正好(hao)相反。

相(xiang)比(bi)之下，光子是電(dian)中性的。它(ta)們相(xiang)互之間(jian)完全(quan)不(bu)存在(zai)(zai)(zai)激烈(lie)的相(xiang)互作用。因此這(zhe)些差(cha)異(yi)使(shi)得量(liang)子色(se)動力學的計算(suan)結果要比(bi)得到量(liang)子電(dian)動力學的計算(suan)結果更(geng)為困難。而且，由(you)于存在(zai)(zai)(zai)導(dao)致(zhi)色(se)流動的各種可(ke)能性以(yi)及(ji)更(geng)多種類的節點，在(zai)(zai)(zai)做這(zhe)類計算(suan)時(shi)，科學家們又引入(ru)漸近自由(you)概念。通過引入(ru)漸近自由(you)，像噴注的能量(liang)和(he)動量(liang)的整(zheng)體流動，都可(ke)以(yi)通過計算(suan)得到確定。

關于世界是由什么構成的哲學(xue)和科學(xue)思考一直都(dou)在變化。許多枝(zhi)節性問題仍(reng)然(ran)保留在今天最(zui)好的世界模型(xing)和一些大的謎團(tuan)里。顯然(ran)要下(xia)結論還為時尚早(zao)。

就(jiu)自然哲學(xue)而言，我(wo)們從量子色動(dong)力(li)學(xue)和漸近自由(you)中得到的(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)認識(shi)(shi)是(shi)，在(zai)我(wo)們認為(wei)是(shi)虛空(kong)空(kong)間的(de)(de)(de)地方(fang)實際上充滿了活(huo)躍(yue)的(de)(de)(de)媒介(jie)，其活(huo)動(dong)鑄(zhu)就(jiu)了這個世界(jie)。雖然早在(zai)大約2000年前(qian)成書的(de)(de)(de)大乘佛(fo)教的(de)(de)(de)典(dian)籍《金(jin)剛(gang)經(jing)》就(jiu)曾指出(chu)“色即(ji)是(shi)空(kong)，空(kong)即(ji)是(shi)色”，而今現代物理(li)學(xue)的(de)(de)(de)其它發(fa)展強化并充實了這種(zhong)認識(shi)(shi)。以后，當我(wo)們探(tan)索當前(qian)知識(shi)(shi)的(de)(de)(de)前(qian)沿時，我(wo)們將(jiang)看到“虛空(kong)”空(kong)間概(gai)念是(shi)怎樣一(yi)種(zhong)豐富(fu)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)學(xue)媒介(jie)，它推(tui)動(dong)著我(wo)們不斷思(si)考如何去實現力(li)的(de)(de)(de)統(tong)一(yi)。

其實，關(guan)于空(kong)(kong)間虛無性(xing)的爭論可以(yi)追溯(su)到(dao)現(xian)代科(ke)學(xue)的前史(shi)，至少可以(yi)追溯(su)到(dao)古(gu)希臘時期。亞里士多德曾經這樣(yang)寫道：“自然界(jie)厭惡真空(kong)(kong)”，而他的對(dui)手原子論者(zhe)們則(ze)認為，用(yong)古(gu)羅馬詩人盧克萊修的話來(lai)說，就是“整(zheng)個(ge)自然，作為自足的實在(zai)，都是由(you)兩(liang)件東西組成的：物體和虛空(kong)(kong)，它們賴以(yi)建(jian)立，并在(zai)其中運動。”

這(zhe)種(zhong)思辨性爭論(lun)在現代科學的黎明——17世紀的科學革(ge)命——得到回響(xiang)。笛卡(ka)爾提出(chu)，對自然世界進行(xing)科學描述(shu)的基(ji)礎(chu)應建立在他所謂(wei)的基(ji)本性質(zhi)之上(shang)：廣延(yan)和(he)運(yun)動。物(wu)質(zhi)除了(le)這(zhe)兩點再(zai)沒有(you)其(qi)他屬性。他的一個重(zhong)要(yao)結論(lun)是：某一物(wu)質(zhi)對另(ling)一物(wu)質(zhi)的影(ying)響(xiang)唯有(you)通(tong)過接觸才能發生。因此為了(le)描述(shu)諸如(ru)行(xing)星的運(yun)動，笛卡(ka)爾不得不引入無形空(kong)間(jian)的概念——其(qi)中充滿了(le)不可見物(wu)質(zhi)。他設想空(kong)間(jian)是一種(zhong)復(fu)雜(za)的充滿漩渦的海洋，行(xing)星就在其(qi)中沖浪。

牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)他精確(que)制定的(de)(de)(de)(de)、成功的(de)(de)(de)(de)行(xing)星(xing)運動數學(xue)方(fang)程，用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)他的(de)(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)定律，揭(jie)示了所有(you)這(zhe)些潛(qian)在的(de)(de)(de)(de)復雜性。但是牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)的(de)(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力(li)定律并不(bu)(bu)適應于笛卡爾的(de)(de)(de)(de)框架。前者假設物體(ti)間的(de)(de)(de)(de)相互作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)可以通(tong)(tong)過(guo)一(yi)(yi)(yi)定距(ju)離來(lai)進(jin)行(xing)，不(bu)(bu)必一(yi)(yi)(yi)定要通(tong)(tong)過(guo)接(jie)觸。例(li)如(ru)，根據牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)定律，太(tai)陽即(ji)使不(bu)(bu)跟地(di)球接(jie)觸，也可以對地(di)球施加引(yin)力(li)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)。盡管他的(de)(de)(de)(de)方(fang)程為說明行(xing)星(xing)運動提供了一(yi)(yi)(yi)個(ge)詳細解釋，但牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)本(ben)(ben)人(ren)對這(zhe)種(zhong)超距(ju)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)并不(bu)(bu)滿意。牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)在1693年(nian)2月25日寫給本(ben)(ben)特利(li)的(de)(de)(de)(de)信(xin)中(zhong)這(zhe)樣(yang)說道(dao)：“一(yi)(yi)(yi)個(ge)物體(ti)可以不(bu)(bu)借助任何(he)其他東西穿越虛空距(ju)離而作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)于另(ling)一(yi)(yi)(yi)個(ge)物體(ti)，物體(ti)通(tong)(tong)過(guo)虛空進(jin)行(xing)彼此間作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)和(he)力(li)的(de)(de)(de)(de)傳遞，這(zhe)對我(wo)來(lai)說是很荒謬的(de)(de)(de)(de)。我(wo)相信(xin)，任何(he)有(you)足夠哲(zhe)學(xue)思(si)維(wei)能力(li)的(de)(de)(de)(de)人(ren)都不(bu)(bu)會(hui)沉溺(ni)于此。”

牛頓的(de)方(fang)程發表過后(hou)(hou)大約一(yi)個半(ban)世紀的(de)時(shi)間(jian)里(li)，數學家們(men)幾乎不曾對此提(ti)出(chu)過任何質疑，但詹姆斯·克(ke)拉克(ke)·麥克(ke)斯韋卻發現這樣導出(chu)的(de)方(fang)程不協調(diao)。1861年，麥克(ke)斯韋發現，他可以通(tong)過在(zai)方(fang)程中引入額外(wai)的(de)項來(lai)消除這種不一(yi)致(zhi)性，換言(yan)之，就是假定還存在(zai)著一(yi)種新的(de)物理效應。而邁克(ke)爾·法拉第此前早就發現，當磁(ci)場隨時(shi)間(jian)變(bian)化時(shi)，它(ta)們(men)產(chan)生(sheng)電(dian)場。麥克(ke)斯韋為了(le)解決方(fang)程的(de)自(zi)洽性，不得(de)不假設(she)存在(zai)相(xiang)反(fan)的(de)效應：變(bian)化的(de)磁(ci)場產(chan)生(sheng)電(dian)場。有了(le)這一(yi)添加(jia)物，場的(de)概念得(de)到(dao)了(le)更(geng)(geng)多(duo)的(de)認可和驗證：變(bian)化的(de)電(dian)場產(chan)生(sheng)變(bian)化的(de)磁(ci)場，后(hou)(hou)者反(fan)過來(lai)再產(chan)生(sheng)變(bian)化的(de)電(dian)場，如此便形成了(le)每一(yi)種自(zi)我更(geng)(geng)新的(de)循環。

麥克(ke)斯韋發現(xian)，他的(de)(de)新方程(cheng)組，即(ji)廣為(wei)人(ren)知的(de)(de)麥克(ke)斯韋方程(cheng)組，具有純場(chang)解決(jue)方案(an)，即(ji)場(chang)以(yi)光速(su)在(zai)空間運動。這一(yi)(yi)綜合的(de)(de)頂峰便是(shi)他得(de)出的(de)(de)結(jie)(jie)論(lun)：這些(xie)電場(chang)和磁場(chang)里自我更新的(de)(de)擾動就(jiu)是(shi)光——一(yi)(yi)個有待經(jing)受時(shi)間考驗的(de)(de)結(jie)(jie)論(lun)。對(dui)麥克(ke)斯韋來說，這些(xie)充(chong)滿所有空間并可(ke)以(yi)自己維持(chi)生活(huo)的(de)(de)場(chang)正是(shi)上帝榮耀的(de)(de)一(yi)(yi)個明確標(biao)志：

“廣寬的(de)(de)行星際和星際區域將(jiang)不(bu)再被視為(wei)宇宙中無(wu)用的(de)(de)場合，人(ren)們不(bu)再認為(wei)造物主還沒(mei)(mei)在他(ta)的(de)(de)王國里找到合適的(de)(de)、具有(you)多重象征的(de)(de)東西來(lai)填補(bu)其中。我們將(jiang)發(fa)現，這(zhe)些(xie)場所(suo)已經充滿了這(zhe)種神奇(qi)的(de)(de)介質。它們是(shi)如此豐盈(ying)，人(ren)類(lei)沒(mei)(mei)有(you)任何力量可以將(jiang)其從(cong)哪怕(pa)是(shi)最(zui)小的(de)(de)空間(jian)上(shang)(shang)移去，或在其無(wu)窮的(de)(de)連續體上(shang)(shang)留(liu)下(xia)哪怕(pa)最(zui)輕微的(de)(de)缺損。”

愛因(yin)斯坦對以太的(de)認(ren)識是(shi)復雜而且多(duo)(duo)變。在1905年發表的(de)《論動(dong)體的(de)電動(dong)力學》中這樣寫道：“引(yin)入(ru)‘光以太’將被證(zheng)明是(shi)多(duo)(duo)余的(de)，因(yin)為按照所要(yao)(yao)發展(zhan)的(de)見解，即不需要(yao)(yao)引(yin)入(ru)一(yi)個具有特殊(shu)性質的(de)‘絕對靜止空(kong)間’，也不需要(yao)(yao)給(gei)發生(sheng)電磁過程的(de)真空(kong)中的(de)每一(yi)點規(gui)定一(yi)個速度矢量。”

愛(ai)因斯(si)坦的(de)(de)(de)這一強有(you)(you)力的(de)(de)(de)宣示曾(ceng)經(jing)讓很多物(wu)理(li)學(xue)家(jia)困(kun)惑不(bu)已(yi)。在1905年時，物(wu)理(li)學(xue)界(jie)面臨(lin)的(de)(de)(de)問題不(bu)是(shi)沒有(you)(you)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)論(lun)，而(er)是(shi)有(you)(you)兩個相(xiang)(xiang)(xiang)互矛盾的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)論(lun)。一方(fang)(fang)(fang)面是(shi)力學(xue)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)論(lun)服(fu)從牛(niu)頓(dun)方(fang)(fang)(fang)程。另一方(fang)(fang)(fang)面是(shi)電磁的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)性(xing)理(li)論(lun)，服(fu)從麥克斯(si)韋(wei)方(fang)(fang)(fang)程組。進(jin)一步(bu)的(de)(de)(de)研究發現，需(xu)要(yao)調整(zheng)的(de)(de)(de)不(bu)是(shi)新生的(de)(de)(de)電磁理(li)論(lun)，而(er)是(shi)古老(lao)的(de)(de)(de)牛(niu)頓(dun)力學(xue)理(li)論(lun)。在狹(xia)義相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)里，麥克斯(si)韋(wei)場(chang)方(fang)(fang)(fang)程無需(xu)修改；相(xiang)(xiang)(xiang)反，它們提(ti)供(gong)了狹(xia)義相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)。事(shi)實上，狹(xia)義相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)論(lun)的(de)(de)(de)思想幾乎(hu)要(yao)求充(chong)滿空(kong)間的(de)(de)(de)場(chang)，也正是(shi)在這個意義上解釋了它們為(wei)什么存在的(de)(de)(de)理(li)由。

早在1899年，德國人普朗(lang)克(ke)提出了第一個最終發展成(cheng)為量(liang)子(zi)力學(xue)(xue)的(de)(de)(de)第一個概念。普朗(lang)克(ke)提出，原(yuan)子(zi)可以(yi)與電(dian)(dian)磁場交換能量(liang)，也就是(shi)說，可以(yi)發射(she)和吸收電(dian)(dian)磁輻射(she)，譬如光，但(dan)(dan)只能以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)(de)單位(wei)量(liang)的(de)(de)(de)形式，或者說以(yi)量(liang)子(zi)的(de)(de)(de)形式進(jin)行(xing)。但(dan)(dan)普朗(lang)克(ke)的(de)(de)(de)概念愛因斯坦(tan)不甚滿意，他(ta)假設，不僅原(yuan)子(zi)發射(she)和吸收光（和一般的(de)(de)(de)電(dian)(dian)磁輻射(she)）是(shi)以(yi)離(li)散(san)單位(wei)進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)，而(er)且光本身就是(shi)以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)(de)能量(liang)單位(wei)出現(xian)的(de)(de)(de)，并且帶著離(li)散(san)單位(wei)動量(liang)傳播。有了這(zhe)些擴張(zhang)，愛因斯坦(tan)能夠解釋更(geng)多的(de)(de)(de)事實，并預言(yan)了新的(de)(de)(de)現(xian)象——其中就包括他(ta)于1921年獲得諾貝(bei)爾物(wu)理學(xue)(xue)獎的(de)(de)(de)主要工作即(ji)有關光電(dian)(dian)效應的(de)(de)(de)預言(yan)。但(dan)(dan)愛因斯坦(tan)明白：普朗(lang)克(ke)概念與現(xian)行(xing)物(wu)理定律(lv)不相符，但(dan)(dan)有效。現(xian)行(xing)的(de)(de)(de)這(zhe)些物(wu)理定律(lv)一定有錯！

如果(guo)光以(yi)能量(liang)和(he)動量(liang)包的(de)(de)形式(shi)傳播(bo)，那么，光本身以(yi)及這(zhe)些(xie)包看成是電磁粒子就自然而然了(le)。場的(de)(de)概念可能更方便，但愛(ai)因斯坦從來不是一(yi)個貪圖方便而將其當成原理的(de)(de)物理學家(jia)。對他而言，空間充滿實體的(de)(de)概念，就像是以(yi)無(wu)限(xian)大(da)的(de)(de)速度經過某物卻看到(dao)它與靜止時(shi)看到(dao)的(de)(de)一(yi)樣。

到1920年代，愛(ai)(ai)(ai)因斯坦的(de)(de)廣義相對(dui)論問世后，他(ta)的(de)(de)態度發生了變化。事實上，廣義相對(dui)論更(geng)多的(de)(de)是一個基于(yu)以(yi)太的(de)(de)引力場論。盡管如此，愛(ai)(ai)(ai)因斯坦從未放棄對(dui)消除(chu)電磁以(yi)太的(de)(de)努力。愛(ai)(ai)(ai)因斯坦本(ben)人在1920年5月5日在荷(he)蘭萊(lai)頓(dun)大學(xue)的(de)(de)演講中這樣(yang)說道：

“如果(guo)我們(men)(men)從以(yi)(yi)太假說的觀點來(lai)考慮(lv)引(yin)力(li)場和電磁(ci)場，我們(men)(men)就會(hui)發現兩者之(zhi)間有(you)(you)一(yi)個明(ming)顯(xian)的不同。可以(yi)(yi)說沒有(you)(you)一(yi)種空間，也(ye)沒有(you)(you)任何空間部(bu)分是沒有(you)(you)引(yin)力(li)勢(shi)的；因為這(zhe)些(xie)引(yin)力(li)勢(shi)規(gui)定了空間的度規(gui)性質，而沒有(you)(you)這(zhe)些(xie)度規(gui)性質則是根本(ben)無(wu)法想(xiang)(xiang)象(xiang)的。引(yin)力(li)場的存在于空間的存在是直(zhi)接相關的。但(dan)另一(yi)方面，在一(yi)部(bu)分空間內(nei)不存在電磁(ci)場則是完全可以(yi)(yi)想(xiang)(xiang)象(xiang)的。”

歷(li)史(shi)地看，狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論肇始于電和磁(ci)的(de)(de)(de)研究，導致了(le)(le)麥(mai)克斯韋的(de)(de)(de)場論，但它(ta)(ta)又超越了(le)(le)電磁(ci)理(li)論。它(ta)(ta)的(de)(de)(de)本(ben)質是(shi)對(dui)(dui)(dui)稱(cheng)性(xing)假(jia)設(she)(she)：當(dang)你在具有恒定(ding)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)速度的(de)(de)(de)兩個(ge)(ge)參照系(xi)考察同(tong)一(yi)(yi)(yi)(yi)物(wu)(wu)體時(shi)，物(wu)(wu)理(li)學定(ding)律(lv)應具有同(tong)樣的(de)(de)(de)形式。這一(yi)(yi)(yi)(yi)假(jia)設(she)(she)是(shi)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)普適性(xing)陳述，超越了(le)(le)其電磁(ci)根(gen)源(yuan)：狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論的(de)(de)(de)坐標變換對(dui)(dui)(dui)稱(cheng)性(xing)適用于所有的(de)(de)(de)物(wu)(wu)理(li)學定(ding)律(lv)。狹義(yi)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)論的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)主要的(de)(de)(de)結果是(shi)存在有限(xian)的(de)(de)(de)速度：光速，即零質量(liang)粒(li)子在真空中的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播(bo)速度。一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)粒(li)子對(dui)(dui)(dui)另(ling)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)粒(li)子的(de)(de)(de)影響不(bu)能傳(chuan)(chuan)播(bo)得比(bi)光速更快(kuai)。

但是(shi)牛(niu)頓的(de)(de)(de)萬有引力(li)定律——遙(yao)遠(yuan)物體受到的(de)(de)(de)引力(li)與其(qi)(qi)當前(qian)(qian)距離(li)的(de)(de)(de)平方成反比就不服(fu)從(cong)(cong)這(zhe)(zhe)(zhe)一法(fa)則，所以(yi)它(ta)與狹(xia)義相對(dui)(dui)論(lun)不相容。事實(shi)上，“當前(qian)(qian)”這(zhe)(zhe)(zhe)個概(gai)念(nian)(nian)本身(shen)就是(shi)個問題。對(dui)(dui)于靜止觀(guan)察(cha)者同(tong)時發(fa)生的(de)(de)(de)事件對(dui)(dui)以(yi)恒定速度移動(dong)的(de)(de)(de)觀(guan)察(cha)者來(lai)(lai)說(shuo)將不會同(tong)時發(fa)生。愛因斯(si)(si)坦(tan)本人認為，推翻(fan)“當前(qian)(qian)”這(zhe)(zhe)(zhe)個一般(ban)性概(gai)念(nian)(nian)，迄今為止仍(reng)然是(shi)達到狹(xia)義相對(dui)(dui)論(lun)認識(shi)論(lun)的(de)(de)(de)最為困(kun)難(nan)的(de)(de)(de)一步(bu)。但是(shi)如果場服(fu)從(cong)(cong)簡單的(de)(de)(de)方程(cheng)組，那么在存在有限速度的(de)(de)(de)前(qian)(qian)提下，這(zhe)(zhe)(zhe)種從(cong)(cong)粒子描述(shu)到場的(de)(de)(de)描述(shu)的(de)(de)(de)轉換就會變得富有成效，這(zhe)(zhe)(zhe)樣我們可以(yi)從(cong)(cong)場的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)值計算出來(lai)(lai)它(ta)們的(de)(de)(de)未來(lai)(lai)值而不必考(kao)慮其(qi)(qi)過去的(de)(de)(de)值。麥克斯(si)(si)韋(wei)電(dian)磁(ci)理(li)論(lun)、廣義相對(dui)(dui)論(lun)和量子色動(dong)力(li)學(xue)都具有這(zhe)(zhe)(zhe)種屬性。在廣義相對(dui)(dui)論(lun)里(li)，愛因斯(si)(si)坦(tan)用彎曲時空的(de)(de)(de)概(gai)念(nian)(nian)來(lai)(lai)構建(jian)他的(de)(de)(de)引力(li)理(li)論(lun)。

我們(men)回(hui)到標準(zhun)模(mo)型：W和Z玻色子(zi)(zi)(zi)，根據定(ding)義(yi)它(ta)們(men)的(de)方程組，它(ta)們(men)本應(ying)該像光(guang)子(zi)(zi)(zi)和色膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)一樣都是無(wu)質量(liang)的(de)粒子(zi)(zi)(zi)。但(dan)物理(li)學家(jia)們(men)卻設法讓W和Z玻色子(zi)(zi)(zi)獲得質量(liang)。而且他們(men)也知道，在(zai)自然界(jie)里，還有原子(zi)(zi)(zi)紅(hong)奇(qi)特(te)的(de)物理(li)狀態也可以使無(wu)質量(liang)的(de)受(shou)力粒子(zi)(zi)(zi)獲得質量(liang)。使受(shou)力粒子(zi)(zi)(zi)變重的(de)模(mo)型是超導(dao)電性。在(zai)超導(dao)體內，光(guang)子(zi)(zi)(zi)變得沉(chen)重。

我們(men)知道，光子(zi)(zi)在電場(chang)和(he)磁場(chang)中推動(dong)擾動(dong)。在超(chao)(chao)導(dao)體(ti)內，電子(zi)(zi)對電場(chang)和(he)磁場(chang)反應強烈。電子(zi)(zi)恢(hui)復平(ping)衡的(de)(de)能(neng)力非常強大，它(ta)們(men)能(neng)對場(chang)的(de)(de)運動(dong)施加一(yi)種(zhong)遲(chi)滯作用。因(yin)此在超(chao)(chao)導(dao)體(ti)內，光子(zi)(zi)不是(shi)像(xiang)(xiang)通常那樣(yang)按光速(su)運動(dong)，而是(shi)要(yao)緩(huan)慢得(de)多。就好像(xiang)(xiang)它(ta)們(men)獲得(de)了某種(zhong)慣性。當你研究(jiu)方程時，你會(hui)發(fa)現，超(chao)(chao)導(dao)體(ti)內慢下(xia)來的(de)(de)光子(zi)(zi)所服從的(de)(de)運動(dong)方程與非零質量粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)運動(dong)方程是(shi)一(yi)樣(yang)的(de)(de)。

質(zhi)(zhi)(zhi)量一向被(bei)認為(wei)是(shi)(shi)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)(zhong)確定(ding)的(de)(de)(de)(de)屬性，質(zhi)(zhi)(zhi)言之，質(zhi)(zhi)(zhi)量是(shi)(shi)一種(zhong)(zhong)使物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)可稱(cheng)其(qi)為(wei)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)特性。愛因(yin)斯坦認為(wei)宇(yu)宙應有(you)一個無論是(shi)(shi)在(zai)時間(jian)上還是(shi)(shi)在(zai)空間(jian)上都(dou)不變的(de)(de)(de)(de)密(mi)度。但是(shi)(shi)，引力(li)(li)是(shi)(shi)一種(zhong)(zhong)普遍的(de)(de)(de)(de)吸(xi)引力(li)(li)，物(wu)體都(dou)不愿(yuan)意(yi)分(fen)開。引力(li)(li)總是(shi)(shi)試圖把物(wu)體合(he)在(zai)一起。愛因(yin)斯坦提出(chu)的(de)(de)(de)(de)E=mc2可以看作是(shi)(shi)他對牛頓萬有(you)引力(li)(li)定(ding)律的(de)(de)(de)(de)修正。但是(shi)(shi)，如果將(jiang)這(zhe)一公(gong)式轉換成(cheng)m=E/c1，這(zhe)一方(fang)(fang)程的(de)(de)(de)(de)內在(zai)含(han)義變成(cheng)了質(zhi)(zhi)(zhi)量等于(yu)所具有(you)的(de)(de)(de)(de)能量與常速光速的(de)(de)(de)(de)平方(fang)(fang)之比。

量子(zi)色動(dong)力學(xue)是一種非常強大的(de)(de)(de)理論。通過將無質(zhi)量或幾乎無質(zhi)量的(de)(de)(de)對(dui)象諸如夸(kua)克、膠子(zi)的(de)(de)(de)計算能夠給(gei)出(chu)它們的(de)(de)(de)質(zhi)量，然而，這(zhe)(zhe)也當然不是任何意義(yi)上的(de)(de)(de)質(zhi)量，只(zhi)是我(wo)們的(de)(de)(de)質(zhi)量，即組(zu)成我(wo)們自身(shen)的(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)和中(zhong)子(zi)的(de)(de)(de)質(zhi)量。也就是說(shuo)，量子(zi)色動(dong)力學(xue)方(fang)程組(zu)可以從(cong)無質(zhi)量的(de)(de)(de)輸入得到質(zhi)量的(de)(de)(de)輸出(chu)。那，這(zhe)(zhe)是為(wei)什么？

首先(xian)是夸克的(de)色荷產生(sheng)一(yi)(yi)種網格擾(rao)(rao)動——具體地說，是膠子場擾(rao)(rao)動——這(zhe)種擾(rao)(rao)動隨(sui)距離加大而(er)增(zeng)長。就(jiu)像一(yi)(yi)個(ge)奇(qi)異的(de)風暴(bao)(bao)云團(tuan)，它(ta)從(cong)最(zui)初的(de)中心的(de)一(yi)(yi)縷云煙發展成(cheng)為一(yi)(yi)種不祥(xiang)的(de)雷(lei)暴(bao)(bao)云團(tuan)。擾(rao)(rao)動場意味著將(jiang)其推向高能(neng)(neng)態。如(ru)果你持續(xu)擾(rao)(rao)動無(wu)限(xian)容量的(de)場，所需的(de)能(neng)(neng)量將(jiang)會變成(cheng)無(wu)限(xian)大。

其次是(shi)可以通(tong)過讓一個帶相反(fan)色(se)荷的(de)反(fan)夸(kua)克(ke)(ke)去接近夸(kua)克(ke)(ke)來迅速遏制。然后(hou)，這兩個擾動源相互抵消并恢復(fu)平靜(jing)。如果反(fan)夸(kua)克(ke)(ke)不偏(pian)不倚地正好位于(yu)夸(kua)克(ke)(ke)的(de)正上方(fang)，那么這種(zhong)抵消是(shi)徹底的(de)。這將會是(shi)膠子場(chang)的(de)擾動最小化(hua)：即“無”。但是(shi)徹底抵消還需要付出(chu)代價(jia)：它(ta)源自夸(kua)克(ke)(ke)和反(fan)夸(kua)克(ke)(ke)的(de)量子力學性質。

根據(ju)海森(sen)伯(bo)的(de)(de)(de)不確(que)定性原理，要獲得(de)準確(que)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)位置信息(xi)，就必須(xu)讓粒(li)子(zi)具有(you)很寬的(de)(de)(de)動量范圍，特別是要有(you)粒(li)子(zi)的(de)(de)(de)大(da)動量。但大(da)的(de)(de)(de)動量意味著(zhu)大(da)的(de)(de)(de)能量。所以(yi)，更(geng)準確(que)地說，要使粒(li)子(zi)局域化，就必須(xu)更(geng)多能量。

再次是我(wo)們應(ying)該回(hui)到愛因斯(si)坦的質(zhi)量(liang)與能量(liang)關(guan)系(xi)方程中來考察(cha)。由于有(you)兩(liang)種方向相反(fan)的互(hu)相競爭的作用，要消(xiao)除夸(kua)(kua)(kua)克對場的擾動(dong)，同時盡量(liang)減少能量(liang)，并使反(fan)夸(kua)(kua)(kua)克局(ju)域化，所以就必須賦予反(fan)夸(kua)(kua)(kua)克相應(ying)的活動(dong)余地(di)。這樣雙方在彼此抵消(xiao)后的總(zong)質(zhi)量(liang)不能為零，即m=E/c的平方。這樣我(wo)們從無質(zhi)量(liang)的輸(shu)(shu)入得(de)到質(zhi)量(liang)的輸(shu)(shu)出。這同時也是質(zhi)量(liang)的起源量(liang)子力(li)學解釋。

任意兩質(zhi)點之間的(de)萬有引(yin)力，就是(shi)組成物(wu)質(zhi)的(de)粒子之間通過交換“引(yin)力子”實(shi)現(xian)的(de)。而在廣義(yi)相對論中，物(wu)體之間的(de)萬有引(yin)力則被認為是(shi)時(shi)空彎(wan)曲(qu)的(de)表現(xian)。物(wu)質(zhi)的(de)存在使(shi)得(de)它周圍的(de)時(shi)空發(fa)生彎(wan)曲(qu)，而物(wu)體在彎(wan)曲(qu)的(de)時(shi)空中沿測地(di)線運動(dong)，就自然(ran)地(di)表現(xian)為相互吸引(yin)。

牛頓萬有(you)引(yin)力(li)(li)定律指出(chu)：兩(liang)個(ge)質點之(zhi)間(jian)的萬有(you)引(yin)力(li)(li)，與(yu)(yu)它們的質量(liang)乘(cheng)積成正比，與(yu)(yu)它們二者之(zhi)間(jian)距(ju)離的平方(fang)成反比。它實際上是廣義相對論的引(yin)力(li)(li)理(li)論在(zai)靜態弱引(yin)力(li)(li)場中低速運(yun)動情況下(xia)的一種(zhong)近似。

萬有引(yin)力傳播的媒介(jie)子——“引(yin)力子”

1913年，偉大的(de)(de)(de)物理學(xue)家愛因斯(si)坦提出了萬有引(yin)力(li)場論。愛因斯(si)坦認(ren)為(wei)任何帶有質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)物體(ti)周圍都存在(zai)有引(yin)力(li)場，引(yin)力(li)場是通過(guo)(guo)引(yin)力(li)波(bo)(bo)來(lai)傳(chuan)播(bo)的(de)(de)(de)，引(yin)力(li)波(bo)(bo)像電磁(ci)波(bo)(bo)那樣通過(guo)(guo)媒介(jie)(jie)子(zi)(zi)傳(chuan)播(bo)，我們都知(zhi)道(dao)電磁(ci)波(bo)(bo)是通過(guo)(guo)光子(zi)(zi)來(lai)傳(chuan)播(bo)能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)，因此它的(de)(de)(de)媒介(jie)(jie)子(zi)(zi)是光子(zi)(zi)，引(yin)力(li)波(bo)(bo)在(zai)傳(chuan)播(bo)能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程中，同(tong)樣有媒介(jie)(jie)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)作用，愛因斯(si)坦把這一媒介(jie)(jie)子(zi)(zi)稱(cheng)之為(wei)引(yin)力(li)子(zi)(zi)。引(yin)力(li)子(zi)(zi)以(yi)光速傳(chuan)播(bo)，它的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)與(yu)光子(zi)(zi)一樣為(wei)0。

經過這么多年的(de)探索，人們(men)一直(zhi)沒(mei)能在宇宙(zhou)中發(fa)現(xian)它(ta)的(de)蹤影，我們(men)沒(mei)有足(zu)夠的(de)證(zheng)據(ju)證(zheng)明(ming)它(ta)的(de)存(cun)在，也沒(mei)有足(zu)夠的(de)證(zheng)據(ju)否(fou)認(ren)它(ta)的(de)存(cun)在。因此，探索引力子是否(fou)存(cun)在成為科學界的(de)一大(da)難題。

雖然引力子在(zai)宇宙中無(wu)處不(bu)(bu)在(zai)，但(dan)探索之(zhi)路仍然是舉步維艱。有學者認為，引力之(zhi)微弱表明，其媒介子引力子幾乎不(bu)(bu)與其它(ta)的物(wu)質發生反應，這是我們(men)長(chang)期探測不(bu)(bu)到(dao)它(ta)的原由，這個理由雖然很(hen)有說(shuo)服(fu)力，但(dan)也不(bu)(bu)足以(yi)證明引力子是存在(zai)的事實。

試圖(tu)找到一(yi)種更有(you)說服力(li)(li)(li)的方法，就是證明引(yin)(yin)力(li)(li)(li)波的存在，從而間(jian)接的證明引(yin)(yin)力(li)(li)(li)子的存在。如果(guo)可以證明宇宙中有(you)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)波存在，那么引(yin)(yin)力(li)(li)(li)波必(bi)定有(you)與之(zhi)對(dui)應的媒介子引(yin)(yin)力(li)(li)(li)子來傳遞(di)能量。

引力(li)波(bo)(bo)在宇宙中是(shi)普遍(bian)存(cun)在的(de)，星體的(de)加速旋轉，相撞，吞并(bing)(bing)等都(dou)可以使引力(li)場發(fa)(fa)生擾動并(bing)(bing)產生引力(li)波(bo)(bo)，但由于引力(li)波(bo)(bo)與(yu)引力(li)子一(yi)樣(yang)很難(nan)與(yu)其它(ta)物(wu)質發(fa)(fa)生反應(ying)，以至(zhi)于至(zhi)今(jin)我們無(wu)法探測它(ta)的(de)存(cun)在，只能(neng)間接地(di)通過(guo)觀(guan)測行星發(fa)(fa)生引力(li)輻射，而導致周期的(de)變化證(zheng)實它(ta)的(de)存(cun)在。

引力輻射(she)是引力波的(de)另(ling)一(yi)種稱(cheng)呼，它是指引力波從星體或星系中(zhong)輻射(she)出來的(de)現象，如果(guo)證明了引力輻射(she)的(de)存在就等于證實了引力波的(de)存在。

為什么(me)這樣說呢？

引(yin)力(li)輻(fu)射是(shi)一(yi)種能量的(de)輻(fu)射。假如一(yi)個(ge)行(xing)星圍繞恒(heng)星運動，恒(heng)星的(de)旋轉會伴隨有引(yin)力(li)輻(fu)射的(de)發生，使得行(xing)星的(de)運轉軌道(dao)發生變化(hua)，其主要變化(hua)特征表(biao)現(xian)在行(xing)星運動周期的(de)減小(xiao)，如果(guo)行(xing)星的(de)運動周期減小(xiao)，那么就能說明引(yin)力(li)輻(fu)射的(de)發生。

這(zhe)一(yi)(yi)現(xian)象在(zai)1974年(nian)，被赫爾斯和(he)泰勒二(er)人所證(zheng)實(shi)。他們對脈沖雙星PSR1913+16進行觀(guan)測，發(fa)現(xian)它們的公轉周(zhou)期(qi)變小率為（-2.40±0.09）×10-12，這(zhe)個數值與廣(guang)義(yi)相對論(lun)的計(ji)算符合的很好，廣(guang)義(yi)相對論(lun)的預(yu)言值為（-2.403±0.002）×10-12，這(zhe)一(yi)(yi)點充分證(zheng)明了引力輻(fu)射的存在(zai)。

引力(li)(li)輻射的(de)存在(zai)，意味著引力(li)(li)波(bo)在(zai)宇(yu)宙中是存在(zai)的(de)，并且(qie)無(wu)所不在(zai)。同時(shi)也證明了引力(li)(li)波(bo)的(de)媒介子引力(li)(li)子的(de)存在(zai)。

通(tong)過這些論斷(duan)，可以(yi)證明引力(li)子(zi)在宇(yu)宙中是必定存(cun)在的，只(zhi)不過我們無法探測(ce)(ce)到。引力(li)子(zi)的無法探測(ce)(ce)性，其實并不影響我們尋求(qiu)量(liang)子(zi)引力(li)理論，因為(wei)量(liang)子(zi)引力(li)理論建立的基礎是場(chang)，而(er)不是粒子(zi)。

廣義相對論

牛頓的(de)(de)萬有引力(li)定律很好地(di)(di)解(jie)釋(shi)了地(di)(di)面上(shang)(shang)物(wu)體(ti)所受的(de)(de)重力(li)、海洋(yang)的(de)(de)潮汐(xi)和行星與(yu)天(tian)體(ti)的(de)(de)運(yun)動(dong)，把(ba)天(tian)上(shang)(shang)的(de)(de)運(yun)動(dong)和地(di)(di)上(shang)(shang)的(de)(de)運(yun)動(dong)統一(yi)(yi)了起來，具有非常重要的(de)(de)意義(yi)。但(dan)讓牛頓感到遺憾的(de)(de)是，他一(yi)(yi)直沒能解(jie)釋(shi)清楚兩個有質量(liang)的(de)(de)物(wu)體(ti)之(zhi)間為什么會有引力(li)？這個問題被愛因(yin)斯坦的(de)(de)廣義(yi)相(xiang)對論很好地(di)(di)解(jie)決了。

廣(guang)義相對論(lun)實際上就是(shi)關于萬有(you)引力(li)本質的(de)理論(lun)。它認為(wei)，一(yi)個(ge)有(you)質量的(de)物(wu)體，會(hui)使它周(zhou)圍的(de)時空(kong)(kong)發(fa)生彎(wan)曲，在這個(ge)彎(wan)曲的(de)時空(kong)(kong)里(li)，一(yi)切物(wu)體都將自(zi)然地(di)沿(yan)測(ce)地(di)線（也叫做“短程線”）運動(dong)，而表(biao)(biao)現為(wei)向一(yi)塊靠(kao)攏。我們(men)看不到(dao)(dao)時空(kong)(kong)的(de)彎(wan)曲，只看到(dao)(dao)物(wu)體在互相靠(kao)攏，就認為(wei)它們(men)之間存在著(zhu)一(yi)種“萬有(you)引力(li)”，實際上物(wu)體之間表(biao)(biao)現出來的(de)這種萬有(you)引力(li)，并不是(shi)一(yi)種真正(zheng)的(de)力(li)，而是(shi)時空(kong)(kong)彎(wan)曲的(de)表(biao)(biao)現。

三(san)維時空(kong)的(de)(de)彎曲(qu)我們(men)(men)(men)不(bu)好想象，但是可以(yi)降一(yi)(yi)維（在二維平(ping)面上(shang)）做(zuo)個(ge)比(bi)喻。設(she)想有一(yi)(yi)塊布把(ba)(ba)它(ta)(ta)懸空(kong)展平(ping)，上(shang)面放(fang)一(yi)(yi)個(ge)小(xiao)(xiao)球(qiu)(qiu)，它(ta)(ta)就會把(ba)(ba)布壓彎，在另一(yi)(yi)個(ge)地(di)方(fang)再放(fang)一(yi)(yi)個(ge)小(xiao)(xiao)球(qiu)(qiu)，它(ta)(ta)也會把(ba)(ba)它(ta)(ta)周圍的(de)(de)布壓彎。我們(men)(men)(men)看(kan)到(dao)，這兩個(ge)小(xiao)(xiao)球(qiu)(qiu)就會自然地(di)向一(yi)(yi)塊靠(kao)攏，這是它(ta)(ta)們(men)(men)(men)在沿各自的(de)(de)測地(di)線(xian)運動的(de)(de)結果。我們(men)(men)(men)看(kan)不(bu)到(dao)布的(de)(de)彎曲(qu)，只看(kan)到(dao)小(xiao)(xiao)球(qiu)(qiu)在向一(yi)(yi)起靠(kao)攏，就說它(ta)(ta)們(men)(men)(men)之間有個(ge)引力存在，其(qi)實它(ta)(ta)只是時空(kong)彎曲(qu)的(de)(de)表現而已。

這(zhe)種(zhong)解釋在(zai)水星(xing)近日(ri)點的進動、光線在(zai)引力場中的彎曲、引力紅移等問題上(shang)得到了很好的檢驗(yan)(yan)，其(qi)后在(zai)大量更精密的實驗(yan)(yan)中得到了進一步的檢驗(yan)(yan)，與實驗(yan)(yan)符合得很好。廣義相(xiang)對論被認為是一種(zhong)最(zui)好的萬有引力理論。

引力傳播速度

中(zhong)國科學家測得引力傳播(bo)速(su)度。

經過(guo)10多年(nian)的持(chi)續探索(suo)，中國科學(xue)(xue)家(jia)在世(shi)界上成(cheng)功獲(huo)得“引(yin)力(li)場以(yi)光(guang)速傳播”的第一個觀測(ce)證據。這項原始創新(xin)成(cheng)果，實(shi)現了物理學(xue)(xue)界多年(nian)來對通過(guo)實(shi)驗(yan)或觀測(ce)獲(huo)得引(yin)力(li)場傳播速度(du)的期(qi)待，對引(yin)力(li)場的理論和(he)實(shi)驗(yan)研究(jiu)具有(you)重要(yao)意義。

中(zhong)國科(ke)學(xue)院(yuan)地(di)質與地(di)球物(wu)理研(yan)究所26日下午在北京對外宣布，由該所湯克云研(yan)究員(yuan)領銜(xian)、中(zhong)國地(di)震局和中(zhong)國科(ke)學(xue)院(yuan)大學(xue)有關(guan)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)組成的(de)科(ke)學(xue)團組，經過10多年(nian)的(de)持續(xu)探索在實施多次日食期間的(de)固體潮(chao)觀測(ce)(ce)后，發現(xian)(xian)現(xian)(xian)行地(di)球固體潮(chao)公式(shi)實際上(shang)暗含著引(yin)力場以光(guang)速(su)傳播(bo)的(de)假定，從而提出(chu)用固體潮(chao)測(ce)(ce)量引(yin)力傳播(bo)速(su)度的(de)方(fang)法。

湯克(ke)云(yun)科(ke)學(xue)團組先后(hou)實施1997年(nian)漠河日全(quan)(quan)食(shi)觀(guan)測、2001年(nian)贊比亞日全(quan)(quan)食(shi)觀(guan)測、2002年(nian)澳(ao)大(da)利亞日全(quan)(quan)食(shi)觀(guan)測、2008年(nian)嘉峪關日全(quan)(quan)食(shi)觀(guan)測、2009年(nian)上海-杭州-湖州日全(quan)(quan)食(shi)觀(guan)測和2010年(nian)云(yun)南大(da)理(li)日環食(shi)觀(guan)測，主(zhu)要是重力固體(ti)潮(chao)觀(guan)測。

中國科(ke)學家們觀測(ce)研究發現：現今(jin)固體(ti)潮(chao)理論(lun)公式中隱含著(zhu)引(yin)力(li)場(chang)以光速(su)傳(chuan)播(bo)(bo)的假定，進而導出引(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)(bo)速(su)度(du)方程，并找(zhao)到求解(jie)引(yin)力(li)場(chang)速(su)度(du)的有效方法。湯(tang)克云科(ke)學團組(zu)隨后選擇遠離(li)太平洋(yang)(yang)(yang)、大西洋(yang)(yang)(yang)、印度(du)洋(yang)(yang)(yang)和北冰洋(yang)(yang)(yang)的西藏獅泉(quan)河站(zhan)和新(xin)疆烏什站(zhan)的固體(ti)潮(chao)數據作相(xiang)關校正后，代(dai)入引(yin)力(li)傳(chuan)播(bo)(bo)速(su)度(du)方程，最終獲得全(quan)球“引(yin)力(li)場(chang)以光速(su)傳(chuan)播(bo)(bo)”的第一個觀測(ce)證據。

專家介(jie)紹說，牛(niu)頓(dun)的(de)萬有引(yin)(yin)力(li)定律(lv)表明(ming)，引(yin)(yin)力(li)傳(chuan)播是一(yi)種超距(ju)作用，引(yin)(yin)力(li)可以在瞬(shun)間傳(chuan)播至任意(yi)遠處(chu)，愛因斯坦(tan)則認(ren)為牛(niu)頓(dun)的(de)超距(ju)作用應該放棄。一(yi)直以來(lai)，整個物理學(xue)界都在期待著(zhu)通過(guo)實(shi)驗或觀(guan)測獲(huo)得引(yin)(yin)力(li)場(chang)傳(chuan)播的(de)速度，但(dan)此前(qian)均未找到正確的(de)實(shi)驗或觀(guan)測方法。