萬有引(yin)力(li)(li)定(ding)律：屬于自然科學領域定(ding)律，自然界中任何(he)兩(liang)個物體都是相互吸引(yin)的(de)，引(yin)力(li)(li)的(de)大小跟這兩(liang)個物體的(de)質量乘積成(cheng)正(zheng)比(bi)，跟它們(men)的(de)距離的(de)二(er)次方成(cheng)反比(bi)。
萬(wan)有引力(li)定(ding)律(lv)是(shi)牛頓在1687年(nian)出版的《自然哲學的數學原理》一書中(zhong)首先提出的。牛頓利用萬(wan)有引力(li)定(ding)律(lv)不僅(jin)說明(ming)了(le)(le)行(xing)星(xing)(xing)運(yun)(yun)動規(gui)律(lv)，而且還(huan)指出木星(xing)(xing)、土星(xing)(xing)的衛星(xing)(xing)圍繞行(xing)星(xing)(xing)也有同樣的運(yun)(yun)動規(gui)律(lv)。他(ta)認為月球(qiu)除了(le)(le)受(shou)到(dao)地球(qiu)的引力(li)外(wai)，還(huan)受(shou)到(dao)太陽的引力(li)，從而解釋了(le)(le)月球(qiu)運(yun)(yun)動中(zhong)早已發現(xian)的二(er)均差(cha)，出差(cha)等；另外(wai)，他(ta)還(huan)解釋了(le)(le)彗星(xing)(xing)的運(yun)(yun)動軌道和地球(qiu)上的潮(chao)汐現(xian)象。根據萬(wan)有引力(li)定(ding)律(lv)成功地預言并發現(xian)了(le)(le)海王星(xing)(xing)。
萬有引(yin)力定律(lv)出現后，才(cai)正(zheng)式把研究天體的(de)(de)(de)運(yun)動建立在力學理論的(de)(de)(de)基礎上，從而創(chuang)立了天體力學。簡單的(de)(de)(de)說，質量越(yue)(yue)大的(de)(de)(de)東西(xi)產(chan)生的(de)(de)(de)引(yin)力越(yue)(yue)大,這個(ge)力與兩個(ge)物體的(de)(de)(de)質量均成正(zheng)比，與兩個(ge)物體間的(de)(de)(de)距離平方成反(fan)比。地(di)球的(de)(de)(de)質量產(chan)生的(de)(de)(de)引(yin)力足夠把地(di)球上的(de)(de)(de)東西(xi)全部抓牢。
萬有引(yin)力定律傳(chuan)(chuan)入中國：《自然哲(zhe)學(xue)(xue)的數學(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)》牛(niu)頓最(zui)重(zhong)(zhong)要的著作(zuo)，1687年出(chu)(chu)版。該書(shu)(shu)(shu)總結了他一生(sheng)中許多(duo)重(zhong)(zhong)要發現和研(yan)究(jiu)(jiu)成果，其中包括上述關于(yu)物體運動的定律。他說(shuo)，該書(shu)(shu)(shu)“所研(yan)究(jiu)(jiu)的主要是關于(yu)重(zhong)(zhong)、輕流體抵抗力及其他吸(xi)引(yin)運動的力的狀況，所以我們研(yan)究(jiu)(jiu)的是自然哲(zhe)學(xue)(xue)的數學(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)。”該書(shu)(shu)(shu)傳(chuan)(chuan)入中國后，中國數學(xue)(xue)家李(li)善蘭曾譯出(chu)(chu)一部分，但未出(chu)(chu)版，譯稿也遺失了。現有的中譯本是數學(xue)(xue)家鄭太樸(pu)翻譯的，書(shu)(shu)(shu)名為《自然哲(zhe)學(xue)(xue)之數學(xue)(xue)原(yuan)(yuan)理(li)》，1931年商務印書(shu)(shu)(shu)館初版，1957和1958年兩(liang)次重(zhong)(zhong)印。
萬有(you)引力(li)等于引力(li)常量(liang)(liang)乘以兩物體(ti)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)乘積(ji)除(chu)以它們距(ju)離的(de)平方。其(qi)中G代表(biao)引力(li)常量(liang)(liang)，其(qi)值約為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英國(guo)物理學家、化學家亨(heng)利·卡文迪許通過扭(niu)秤(cheng)實驗測得。此外，庫(ku)侖定律也可(ke)以用這種扭(niu)秤(cheng)證明(ming)。
因為行星受到(dao)的(de)(de)作(zuo)用力(li)和太陽受到(dao)的(de)(de)作(zuo)用力(li)是相(xiang)同大小的(de)(de)力(li)，由這(zhe)兩個式子比較可(ke)(ke)知(zhi)，k′包含(han)了太陽的(de)(de)質量(liang)M，k″包含(han)了行星的(de)(de)質量(liang)m。由此可(ke)(ke)知(zhi)，這(zhe)兩個力(li)與兩個天體質量(liang)的(de)(de)乘積(ji)成正比，它(ta)稱為萬有引(yin)力(li)。
如果引入(ru)一個新的(de)(de)(de)常(chang)數G（稱萬有引力(li)常(chang)數），再考(kao)慮太陽和(he)行星的(de)(de)(de)質量，以及(ji)先前得出的(de)(de)(de)4·π2，那么可(ke)以表示(shi)為：萬有引力(li)，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。
兩個通常物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)極其微(wei)小(xiao)，我們察覺不(bu)到它，可以不(bu)予考慮。比如，兩個質量(liang)都是(shi)60千克的(de)(de)(de)(de)人，相距(ju)0.5米(mi)，他們之間(jian)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)還不(bu)足百萬(wan)(wan)分之一(yi)牛(niu)頓，而(er)一(yi)只(zhi)螞蟻拖動細草梗的(de)(de)(de)(de)力(li)(li)竟是(shi)這個引(yin)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)1000倍！但(dan)是(shi)，天體(ti)(ti)(ti)(ti)系統中，由于天體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)很(hen)大(da)，萬(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)就起(qi)著(zhu)決(jue)定性的(de)(de)(de)(de)作用(yong)。在天體(ti)(ti)(ti)(ti)中質量(liang)還算很(hen)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)地球(qiu)(qiu)，對其他的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)引(yin)力(li)(li)已經具有(you)巨大(da)的(de)(de)(de)(de)影響，它把(ba)人類、大(da)氣和(he)所(suo)有(you)地面(mian)物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)束縛在地球(qiu)(qiu)上，它使(shi)月球(qiu)(qiu)和(he)人造地球(qiu)(qiu)衛星繞地球(qiu)(qiu)旋(xuan)轉而(er)不(bu)離去(qu)。
在人(ren)類航(hang)天(tian)事業(ye)興起之前，萬有引力早已被(bei)(bei)應用于宇宙(zhou)天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)。重(zhong)力雖(sui)然早被(bei)(bei)發(fa)現(xian)，但是重(zhong)力的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)進入(ru)宇宙(zhou)這個領域(yu)，是航(hang)天(tian)科學帶領的(de)(de)(de)(de)。從地面(mian)出發(fa)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)宇宙(zhou)航(hang)行(xing)的(de)(de)(de)(de)路上，物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)力要(yao)發(fa)生巨(ju)大(da)變化(hua)。到(dao)達目標天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)或人(ren)造天(tian)體(ti)(ti)(ti)(ti)后，物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)受(shou)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)力也會與地球上有很大(da)區別。要(yao)考(kao)慮人(ren)如何耐受(shou)體(ti)(ti)(ti)(ti)重(zhong)的(de)(de)(de)(de)巨(ju)大(da)變化(hua)，要(yao)研究(jiu)支撐物(wu)(wu)如何承受(shou)物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)重(zhong)量帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)巨(ju)大(da)變化(hua)。但是重(zhong)力的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)難于萬有引力。至今(jin)重(zhong)力的(de)(de)(de)(de)定義只停(ting)留(liu)在地面(mian)附(fu)近，重(zhong)力的(de)(de)(de)(de)概念(nian)也沒有深入(ru)本質。重(zhong)力研究(jiu)停(ting)留(liu)在下面(mian)的(de)(de)(de)(de)小范圍之內。
重力(li)(li)，就是(shi)由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)地(di)(di)面附近(jin)的(de)物體(ti)(ti)受(shou)到地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)而產生的(de)。但是(shi)需(xu)要注(zhu)意的(de)是(shi)，因為地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)在自(zi)(zi)轉(zhuan)，除了在南(nan)極(ji)北極(ji)端(duan)點，在地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)上任意一(yi)點的(de)物體(ti)(ti)，其重力(li)(li)并(bing)不(bu)等于(yu)(yu)(yu)(yu)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)（因為這(zhe)里的(de)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)是(shi)指(zhi)地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)本身的(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)，而重力(li)(li)是(shi)物體(ti)(ti)本身的(de)質量再加上萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)）。此時可看作繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)和重力(li)(li)合成萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)（矢量和—平(ping)行四邊(bian)形法則）。由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自(zi)(zi)轉(zhuan)的(de)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)遠小于(yu)(yu)(yu)(yu)重力(li)(li)，故一(yi)般(ban)就認(ren)為重力(li)(li)就略(lve)等于(yu)(yu)(yu)(yu)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)了，其實(shi)重力(li)(li)是(shi)略(lve)小于(yu)(yu)(yu)(yu)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)的(de)，只有(you)(you)(you)(you)(you)在南(nan)北極(ji)物體(ti)(ti)繞地(di)(di)球(qiu)(qiu)(qiu)自(zi)(zi)轉(zhuan)的(de)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)心(xin)(xin)力(li)(li)為零時，重力(li)(li)才(cai)等于(yu)(yu)(yu)(yu)萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)。重力(li)(li)和萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)的(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)不(bu)同(tong)，重力(li)(li)是(shi)豎直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)下，萬(wan)(wan)(wan)(wan)有(you)(you)(you)(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)是(shi)指(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)地(di)(di)心(xin)(xin)，豎直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)下和指(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)地(di)(di)心(xin)(xin)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)，不(bu)能(neng)混淆。
上(shang)面(mian)(mian)研究重(zhong)(zhong)力(li)的方法只適用(yong)于地面(mian)(mian)，宇宙航行中的重(zhong)(zhong)力(li)和宇宙中天體或人造天體上(shang)的重(zhong)(zhong)力(li)的研究，離(li)不開下面(mian)(mian)重(zhong)(zhong)力(li)的概(gai)念和定義。
在(zai)靜力(li)(li)學范(fan)圍內(nei)，以(yi)放置(zhi)物(wu)體的支撐物(wu)或物(wu)體本身為參(can)照(zhao)物(wu)，來研究重(zhong)(zhong)力(li)(li)能得(de)到(dao)最好的保(bao)障。萬有引力(li)(li)和慣性力(li)(li)都是同時作用(yong)(yong)在(zai)物(wu)體的每一(yi)個微小部分，因(yin)此都能使物(wu)體獲(huo)得(de)重(zhong)(zhong)量(liang)。在(zai)沒有其他的力(li)(li)具(ju)有這(zhe)樣的作用(yong)(yong)效果(guo)(guo)。因(yin)此將萬有引力(li)(li)和慣性力(li)(li)的共同作用(yong)(yong)，即它(ta)們的合(he)力(li)(li)叫(jiao)做重(zhong)(zhong)力(li)(li)。這(zhe)種研究重(zhong)(zhong)力(li)(li)得(de)到(dao)的結果(guo)(guo)與上面提到(dao)在(zai)地面上的研究方法(fa)得(de)到(dao)的結果(guo)(guo)完全相同，因(yin)為地球也是宇宙天體之(zhi)一(yi)。
會從這里發現，在地(di)(di)(di)(di)面(mian)研究重力(li)，怎么只考慮(lv)地(di)(di)(di)(di)球的(de)(de)(de)引(yin)力(li)，卻沒有(you)(you)考慮(lv)把地(di)(di)(di)(di)球吸引(yin)得(de)團(tuan)團(tuan)轉的(de)(de)(de)太陽(yang)的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)和其(qi)他(ta)眾(zhong)星球的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)？新的(de)(de)(de)概念和定義能很好(hao)地(di)(di)(di)(di)做出(chu)解釋。把各星球看做質點(dian)，那么太陽(yang)的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)和其(qi)他(ta)眾(zhong)星球的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)，都分別和與(yu)它們對應的(de)(de)(de)慣性力(li)相互抵消。因此在求地(di)(di)(di)(di)面(mian)上物(wu)體的(de)(de)(de)重力(li)時除地(di)(di)(di)(di)球萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)以外(wai)，其(qi)他(ta)的(de)(de)(de)萬(wan)(wan)有(you)(you)引(yin)力(li)可(ke)以不參與(yu)重力(li)的(de)(de)(de)計算。但(dan)是不加考慮(lv)是不可(ke)以的(de)(de)(de)。
宇宙(zhou)航(hang)行(xing)中(zhong)物(wu)體(ti)的(de)超重(zhong)、失重(zhong)現象的(de)解釋和物(wu)體(ti)在其他星球上的(de)重(zhong)力(li)(li)計算，都可以在新定義下，用物(wu)體(ti)所(suo)受重(zhong)力(li)(li)的(de)變化(hua)或說(shuo)重(zhong)量的(de)變化(hua)來解決。這(zhe)樣重(zhong)力(li)(li)的(de)研究就會伴隨萬有引力(li)(li)的(de)研究進入宇宙(zhou)空(kong)間(jian)。
17世紀早(zao)期(qi)，人(ren)(ren)們已經能夠區分很多力(li)，比如摩擦力(li)、重力(li)、空氣(qi)阻力(li)、電力(li)和(he)人(ren)(ren)力(li)等(deng)。牛頓(dun)首次將其中一些(xie)看似不(bu)同的力(li)準(zhun)確地(di)(di)歸(gui)結(jie)到萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)概(gai)念里：蘋果落地(di)(di)，人(ren)(ren)有(you)體(ti)重，月亮圍繞地(di)(di)球轉，所有(you)這些(xie)現(xian)象都是(shi)由相同原因引(yin)(yin)起的。牛頓(dun)的萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力(li)定(ding)律(lv)簡單易懂，涵蓋(gai)面(mian)廣。
萬有(you)(you)引力的發現(xian)，是(shi)17世紀自(zi)然科學(xue)最偉(wei)大的成果之(zhi)一(yi)(yi)。它把地(di)面上的物體運(yun)動的規(gui)律(lv)和天體運(yun)動的規(gui)律(lv)統一(yi)(yi)了(le)起(qi)來，對以后物理學(xue)和天文學(xue)的發展具有(you)(you)深遠的影響。它第一(yi)(yi)次揭示了(le)自(zi)然界中一(yi)(yi)種(zhong)基本相互作用的規(gui)律(lv)，在人類(lei)認識自(zi)然的歷史上樹立了(le)一(yi)(yi)座里程碑。
牛頓(dun)的萬有(you)引力概念是所有(you)科學中(zhong)最實用的概念之一(yi)。牛頓(dun)認為萬有(you)引力是所有(you)物(wu)質的基(ji)(ji)本(ben)特(te)征，這成為大(da)部分物(wu)理(li)科學的理(li)論基(ji)(ji)石。
原因
牛(niu)頓發現萬有引(yin)力(li)的原因很多(duo)，主要因為以下幾點。
1.科學發展的要(yao)求(qiu)：牛頓之前，有很多天文學家在對(dui)宇宙(zhou)中的星(xing)球進行(xing)觀察(cha)。經過幾位天文學家的觀察(cha)記(ji)錄，到開普勒時，他對(dui)這(zhe)些(xie)觀測(ce)結(jie)果(guo)進行(xing)了分(fen)析總(zong)結(jie)，得到開普勒三大定(ding)律：
1.所(suo)(suo)有行(xing)星都繞太陽做橢圓(yuan)運(yun)行(xing)，太陽在所(suo)(suo)有橢圓(yuan)的公(gong)共焦點(dian)上。
2.行星(xing)的(de)向徑在(zai)相(xiang)等的(de)時間(jian)內掃過相(xiang)等的(de)面(mian)積(ji)。
3.所有(you)行星軌道半(ban)長(chang)軸的(de)三次方(fang)跟公轉周期的(de)二次方(fang)的(de)比值(zhi)都相(xiang)等，即r^3/T^2=k。
開(kai)普(pu)勒三定律是不容置疑的，但(dan)為什么(me)會這樣呢？是什么(me)讓它們做加速度非零(ling)的運動？牛(niu)頓經過(guo)研(yan)究(jiu)思考解決了這個問題：物體之間(jian)存在萬(wan)有引力。當然(ran)他發(fa)現萬(wan)有引力定量是一個漫長而曲(qu)折的過(guo)程。
2.個人(ren)原(yuan)因(yin)(yin)：牛頓(dun)(dun)發(fa)(fa)現萬有(you)引(yin)力定律(lv)，雖然是科學發(fa)(fa)展(zhan)的(de)要求，生產(chan)力發(fa)(fa)展(zhan)的(de)原(yuan)因(yin)(yin)，但我們不(bu)能忽略牛頓(dun)(dun)本人(ren)的(de)一些因(yin)(yin)素：聰明勤于思(si)考 擁有(you)一定的(de)知識量。據《物(wu)理學史》說：牛頓(dun)(dun)在(zai)發(fa)(fa)現萬有(you)引(yin)力定律(lv)的(de)那(nei)一段時(shi)間，廢寢(qin)忘(wang)食(shi)（每天魂不(bu)守舍，在(zai)食(shi)堂吃(chi)飯(fan)，飯(fan)碗在(zai)前，他在(zai)發(fa)(fa)呆。去食(shi)堂吃(chi)飯(fan)，卻走錯了方向。一些老師在(zai)校園(yuan)后的(de)沙灘(tan)上散(san)步時(shi)，看見了一些古(gu)怪(guai)的(de)算式和符(fu)號）。1669年(nian)，他年(nian)僅27歲，就擔任了劍橋的(de)數(shu)學教授。還有(you)1672年(nian)當選為(wei)英國皇家學會會員。
過程
1666年(nian)，23歲的(de)(de)(de)牛頓還是劍橋大(da)學(xue)(xue)圣三一學(xue)(xue)院三年(nian)級的(de)(de)(de)學(xue)(xue)生。看到(dao)他(ta)(ta)白皙的(de)(de)(de)皮膚和金色的(de)(de)(de)長發，很多人以為(wei)他(ta)(ta)還是個孩子(zi)。他(ta)(ta)身體瘦小(xiao)，沉默(mo)寡言，性(xing)格嚴肅，這使人們更加相信他(ta)(ta)還是個孩子(zi)。他(ta)(ta)那雙(shuang)銳利的(de)(de)(de)眼睛和整(zheng)天(tian)寫滿怒氣的(de)(de)(de)表情更是拒人于(yu)千里(li)之外。
黑死病席(xi)卷了倫敦，奪走了很多人的(de)生命，那確實(shi)是段可怕(pa)的(de)日(ri)子(zi)。大學被迫關(guan)閉(bi)，像艾薩克(ke)·牛頓(dun)這樣熱(re)衷于學術的(de)人只好返回安全的(de)鄉(xiang)村，期待著席(xi)卷城市(shi)的(de)病魔早日(ri)離去。
在(zai)鄉村的(de)(de)日子里(li)，牛頓一直被這(zhe)樣的(de)(de)問題困惑(huo)：是什么力(li)量驅使月球(qiu)(qiu)圍(wei)繞(rao)地(di)球(qiu)(qiu)轉(zhuan)，地(di)球(qiu)(qiu)圍(wei)繞(rao)太陽(yang)轉(zhuan)？牛頓首(shou)次認為(wei)，重(zhong)力(li)不僅(jin)僅(jin)是行(xing)星(xing)和(he)恒星(xing)之(zhi)間(jian)的(de)(de)作(zuo)用(yong)力(li)，有可能是普(pu)遍存在(zai)的(de)(de)吸(xi)引力(li)。他深信煉金術，認為(wei)物(wu)質之(zhi)間(jian)相互(hu)吸(xi)引，這(zhe)使他斷(duan)言，相互(hu)吸(xi)引力(li)不但適用(yong)于(yu)碩大(da)的(de)(de)天體之(zhi)間(jian)，而且適用(yong)于(yu)各種體積的(de)(de)物(wu)體之(zhi)間(jian)。蘋果落地(di)、雨(yu)滴降(jiang)落和(he)行(xing)星(xing)沿著軌道(dao)圍(wei)繞(rao)太陽(yang)運(yun)行(xing)都(dou)是重(zhong)力(li)作(zuo)用(yong)的(de)(de)結果。
人們(men)普遍認為，適用于地球的(de)自然定律與(yu)太空中的(de)定律大相(xiang)徑庭。牛(niu)頓(dun)的(de)萬有引力定律沉重打擊了這(zhe)一觀點，它告(gao)訴人們(men)，支配自然和宇宙的(de)法則是很簡單的(de)。
牛頓推動了引力定律的發展，指出萬有引力不僅僅是星體的特征，也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學定律之一，萬有引力定律及其數學公式已成為整個物理學的基(ji)石。
當然，當時(shi)牛頓提(ti)出了(le)萬(wan)(wan)有(you)引力理論，卻未能得出萬(wan)(wan)有(you)引力的公式(shi)，因為公式(shi)中的“G”實在太小了(le)，因此他(ta)提(ti)出：F∝mM/r2。直到1798年英(ying)國物(wu)理學(xue)家(jia)卡(ka)(ka)文(wen)迪(di)許(xu)(xu)利用著(zhu)名的卡(ka)(ka)文(wen)迪(di)許(xu)(xu)扭秤（即(ji)卡(ka)(ka)文(wen)迪(di)許(xu)(xu)實驗）較精(jing)確(que)地(di)測出了(le)引力恒量的數值。
牛頓并不是(shi)發(fa)現(xian)(xian)了重(zhong)力(li)，他(ta)是(shi)發(fa)現(xian)(xian)重(zhong)力(li)是(shi)“萬(wan)有”的。每(mei)(mei)個(ge)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)都會(hui)吸引(yin)其他(ta)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)，而(er)這股引(yin)力(li)的大小只跟物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)的質量與(yu)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)間的距離有關。牛頓的萬(wan)有引(yin)力(li)定律說明，每(mei)(mei)一個(ge)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)都吸引(yin)著其他(ta)每(mei)(mei)一個(ge)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)，而(er)兩(liang)個(ge)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)間的引(yin)力(li)大小，正比(bi)于(yu)這它們(men)的質量，會(hui)隨著兩(liang)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)中心連(lian)線距離的平方(fang)而(er)遞減。
牛頓為了證明(ming)只有(you)球(qiu)(qiu)(qiu)形體可把(ba)“球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)總質(zhi)量集(ji)中到(dao)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)質(zhi)心點(dian)”來代表整(zheng)個(ge)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)萬有(you)引力(li)作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)總效果而發展了微積分。然而不管距(ju)離地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)多(duo)遠，地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)重(zhong)力(li)永(yong)遠不會(hui)變(bian)成零(ling)，即(ji)使你被帶(dai)到(dao)宇宙(zhou)的(de)(de)(de)邊緣，地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)重(zhong)力(li)還是(shi)會(hui)作(zuo)(zuo)用(yong)到(dao)你身上，雖然地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)重(zhong)力(li)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)可能會(hui)被你附近質(zhi)量巨大的(de)(de)(de)物體所(suo)(suo)掩蓋，但它還是(shi)存在。不管是(shi)多(duo)小還是(shi)多(duo)遠，每一(yi)個(ge)物體都會(hui)受(shou)到(dao)引力(li)作(zuo)(zuo)用(yong)，而且遍布整(zheng)個(ge)太空，正如我們所(suo)(suo)說的(de)(de)(de)“萬有(you)”。
萬有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是任意兩個(ge)物體(ti)或兩個(ge)粒(li)子(zi)間(jian)的(de)與其(qi)質量乘積相關的(de)吸引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，自然界中(zhong)最(zui)普遍的(de)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，簡(jian)稱(cheng)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)。在粒(li)子(zi)物理學中(zhong)則稱(cheng)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和強(qiang)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、弱力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)(li)合稱(cheng)4種基本相互作用(yong)。引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是其(qi)中(zhong)最(zui)弱的(de)一種，兩個(ge)質子(zi)間(jian)的(de)萬有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)只有(you)它們間(jian)的(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)1/10，質子(zi)受地球的(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)也(ye)只有(you)它在一個(ge)不強(qiang)的(de)電(dian)場1000伏/米的(de)電(dian)磁力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)1/10。因此研究粒(li)子(zi)間(jian)的(de)作用(yong)或粒(li)子(zi)在電(dian)子(zi)顯微鏡和加速器中(zhong)運動時，都不考慮萬有(you)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)作用(yong)。
一(yi)般(ban)物(wu)體之間(jian)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)也(ye)是很小(xiao)的(de)(de)(de)，例如(ru)(ru)兩(liang)個直(zhi)徑(jing)為1米的(de)(de)(de)鐵球，緊靠在(zai)(zai)一(yi)起(qi)時，引(yin)(yin)(yin)力(li)也(ye)只有1.14×10-3牛(niu)頓(dun)(dun)，相當于(yu)(yu)0.03克的(de)(de)(de)一(yi)小(xiao)滴(di)水的(de)(de)(de)重(zhong)量(liang)。但地(di)球的(de)(de)(de)質量(liang)很大，這兩(liang)個鐵球分(fen)別受(shou)到(dao)4×102牛(niu)頓(dun)(dun)的(de)(de)(de)地(di)球引(yin)(yin)(yin)力(li)，所(suo)以研究物(wu)體在(zai)(zai)地(di)球引(yin)(yin)(yin)力(li)場(chang)中的(de)(de)(de)運動時，通常都不(bu)(bu)考慮周圍其他物(wu)體的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)。天體如(ru)(ru)太(tai)陽和(he)地(di)球的(de)(de)(de)質量(liang)都很大，乘積就(jiu)(jiu)更大，巨大的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)就(jiu)(jiu)能(neng)使龐然大物(wu)繞(rao)太(tai)陽轉動。引(yin)(yin)(yin)力(li)就(jiu)(jiu)成了支配天體運動的(de)(de)(de)唯一(yi)的(de)(de)(de)一(yi)種力(li)。恒星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)形成，在(zai)(zai)高溫狀態下不(bu)(bu)彌散(san)反而逐漸收縮(suo)，最后坍縮(suo)為白矮星(xing)(xing)(xing)、中子(zi)星(xing)(xing)(xing)和(he)黑洞，也(ye)都是由于(yu)(yu)引(yin)(yin)(yin)力(li)的(de)(de)(de)作用，因此(ci)引(yin)(yin)(yin)力(li)也(ye)是促使天體演(yan)化的(de)(de)(de)重(zhong)要因素(su)。
迄今為止，我們已經知道，引力(li)(li)(li)是(shi)(shi)一種與時空基(ji)本結構緊密關(guan)聯的普適力(li)(li)(li)。應該視其為基(ji)本力(li)(li)(li)。換句話說，我們應該用引力(li)(li)(li)來度量其他(ta)東西(xi)，而不是(shi)(shi)用其他(ta)東西(xi)來度量引力(li)(li)(li)。因(yin)此，在絕對意(yi)義上(shang)來說，引力(li)(li)(li)不是(shi)(shi)微弱的——它(ta)本來就是(shi)(shi)這樣子的。事(shi)實(shi)上(shang)，引力(li)(li)(li)顯(xian)得如此之微弱一直(zhi)讓理論(lun)物理學界感到困(kun)惑。
萬有引力(li)(li)、電(dian)磁(ci)(ci)力(li)(li)、強相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用力(li)(li)、弱相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用力(li)(li)這(zhe)四種(zhong)作(zuo)(zuo)用力(li)(li)是(shi)(shi)基本力(li)(li)。它們(men)都是(shi)(shi)通(tong)過(guo)在粒(li)子(zi)之間交換的(de)(de)一(yi)種(zhong)“傳播子(zi)”實現(xian)的(de)(de)交互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用的(de)(de)，這(zhe)就像兩個人托排(pai)球，通(tong)過(guo)他(ta)們(men)之間的(de)(de)排(pai)球把他(ta)們(men)聯系在一(yi)起一(yi)樣。帶電(dian)粒(li)子(zi)之間電(dian)磁(ci)(ci)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用的(de)(de)傳播子(zi)是(shi)(shi)質量(liang)為零、自旋(xuan)為1的(de)(de)光子(zi)。 原來有學(xue)者(zhe)認為，核子(zi)之間的(de)(de)強相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用（核力(li)(li)）是(shi)(shi)靠π介子(zi)傳遞的(de)(de)，但由于(yu)核子(zi)和π介子(zi)都是(shi)(shi)由夸(kua)克組成的(de)(de)，所以歸根結底(di)它們(men)是(shi)(shi)夸(kua)克之間的(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用。
傳(chuan)(chuan)遞夸克(ke)之間(jian)(jian)強相(xiang)互作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)稱為(wei)“膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”。注意光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)不帶(dai)(dai)電(dian)(dian)(dian)，且只有一種(zhong)，而膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)帶(dai)(dai)“色荷”，分為(wei)八種(zhong)不同的(de)(de)(de)膠子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。不過它(ta)(ta)和光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)一樣，都是自旋為(wei)1的(de)(de)(de)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。弱(ruo)相(xiang)互作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是“中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”，它(ta)(ta)的(de)(de)(de)自旋也為(wei)1。有三種(zhong)帶(dai)(dai)電(dian)(dian)(dian)情(qing)況：把帶(dai)(dai)有正負(fu)單位(wei)電(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)記(ji)為(wei)W+、W-，把不帶(dai)(dai)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)記(ji)為(wei)Z。1983年歐洲核(he)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)研究中(zhong)(zhong)(zhong)心的(de)(de)(de)盧比亞(ya)和范德梅爾，在質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)-反質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對撞機(ji)實驗中(zhong)(zhong)(zhong)發現了這三種(zhong)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，第二年即(ji)獲得(de)諾(nuo)貝(bei)爾獎(jiang)。
在現(xian)代物理學中(zhong)，能(neng)量概念(nian)(nian)比質量概念(nian)(nian)更具(ju)有核心地(di)位。這(zhe)表現(xian)在許多(duo)方面。真正守(shou)恒的(de)(de)(de)是能(neng)量而非(fei)質量。出現(xian)在各類基本方程(cheng)，如(ru)統(tong)計力(li)學的(de)(de)(de)波爾(er)茲曼方程(cheng)，量子力(li)學的(de)(de)(de)薛(xue)定諤方程(cheng)和關于(yu)引力(li)的(de)(de)(de)愛因斯坦(tan)方程(cheng)等方程(cheng)中(zhong)也是能(neng)量。而質量似乎更多(duo)地(di)與技(ji)術(shu)途徑相聯系(xi)，例如(ru)作(zuo)為龐加萊群不可(ke)約表示的(de)(de)(de)符號。
因此，愛因斯坦方(fang)程提出了(le)一項(xiang)挑戰。如果能夠(gou)用能量(liang)來(lai)解釋(shi)質(zhi)量(liang)，這(zhe)將(jiang)有助于改進科學家(jia)們對于世界的描述，這(zhe)樣，構建(jian)世界所(suo)需要的構件可(ke)能變得更(geng)少。
借助(zhu)于愛因斯坦定律，我(wo)們可以更好地解(jie)決或(huo)者回(hui)答(da)牛頓所未(wei)曾解(jie)決的問題：什么(me)是(shi)質(zhi)量(liang)的起源？引力與(yu)其他基本力之間到底(di)有什么(me)關(guan)聯？
問題1：如果E=mc2，那么，質(zhi)(zhi)量正比于能(neng)量。因(yin)此如果能(neng)量守恒，是不是意(yi)味(wei)著質(zhi)(zhi)量也守恒？然(ran)而，愛因(yin)斯坦的方程只能(neng)運用到靜(jing)止的孤立(li)的物(wu)體上。一般來說，兩個(ge)物(wu)體相互作(zuo)用時，能(neng)量和質(zhi)(zhi)量不成(cheng)正比。E=mc2根本(ben)不適用。
問題2：用無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的構件搭建(jian)起來的物體如何感知引力(li)(li)？牛頓定律(lv)說(shuo)物體受(shou)到的引力(li)(li)與質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)成正比，但事實上，通常被(bei)認為是(shi)零(ling)(ling)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的光子(zi)卻會受(shou)到引力(li)(li)的作(zuo)用而發生彎曲。這(zhe)是(shi)1919年為嚴驗(yan)證在愛因斯坦廣義相對論(lun)所提出的假設進行(xing)的一次(ci)科學實觀測所證實了的。那么這(zhe)是(shi)否意味著光子(zi)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)非零(ling)(ling)還是(shi)牛頓引力(li)(li)定律(lv)缺(que)少普(pu)適(shi)性(xing)？
光(guang)的問題是(shi)(shi)(shi)(shi)一(yi)個值得重視(shi)的首(shou)要性問題。《圣(sheng)(sheng)經(jing)·創(chuang)世紀》中上帝在(zai)造物(wu)的第一(yi)日(ri)所創(chuang)造之物(wu)便是(shi)(shi)(shi)(shi)光(guang)，上帝在(zai)圣(sheng)(sheng)經(jing)中也多次(ci)把光(guang)當成自己的化身。光(guang)是(shi)(shi)(shi)(shi)“所有(you)事物(wu)”中最(zui)重要的元素，當然(ran)它(ta)截然(ran)不(bu)同于原子。人們(men)本能(neng)地認為光(guang)是(shi)(shi)(shi)(shi)與物(wu)質完全不(bu)同的另一(yi)類(lei)東西，是(shi)(shi)(shi)(shi)非物(wu)質的甚至是(shi)(shi)(shi)(shi)精神(shen)層面的，這(zhe)很自然(ran)。
光(guang)(guang)也(ye)的(de)確表現出完(wan)全不同于可(ke)觸摸物質的(de)特性——后(hou)者(zhe)(zhe)是那(nei)種(zhong)(zhong)你(ni)(ni)踢(ti)一(yi)下(xia)就會(hui)(hui)傷著腳趾頭或(huo)者(zhe)(zhe)是流(liu)過吹過你(ni)(ni)身邊(bian)的(de)東西。如果你(ni)(ni)要跟費恩曼例子(zi)(zi)里的(de)災后(hou)遺(yi)民講授物理學，你(ni)(ni)大可(ke)告(gao)訴他們，光(guang)(guang)是物質的(de)另一(yi)種(zhong)(zhong)形式，他們也(ye)會(hui)(hui)理解。你(ni)(ni)甚至(zhi)可(ke)以告(gao)訴他們，光(guang)(guang)是由粒子(zi)(zi)——光(guang)(guang)子(zi)(zi)——組(zu)成(cheng)的(de)。光(guang)(guang)子(zi)(zi)在真空(kong)中運(yun)動速度(du)很大，但是在超(chao)導狀(zhuang)(zhuang)態下(xia)，光(guang)(guang)運(yun)行的(de)速度(du)很慢，大體跟目前(qian)世界(jie)跑(pao)得最快的(de)奧運(yun)會(hui)(hui)短跑(pao)冠軍(jun)的(de)速度(du)相近，而且，光(guang)(guang)子(zi)(zi)在這種(zhong)(zhong)狀(zhuang)(zhuang)態下(xia)也(ye)具有了質量。
其次，值得提(ti)及的(de)(de)(de)(de)是原(yuan)子(zi)(zi)不是故(gu)事的(de)(de)(de)(de)結束，它們(men)是由更(geng)基本的(de)(de)(de)(de)構件組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。因為所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)都能(neng)發光，所(suo)以(yi)我(wo)們(men)可以(yi)假設所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)都是由原(yuan)子(zi)(zi)和(he)(he)光子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。原(yuan)子(zi)(zi)是由原(yuan)子(zi)(zi)核和(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。原(yuan)子(zi)(zi)核很小，其大(da)(da)(da)小大(da)(da)(da)約為原(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)10萬分之一，但它卻(que)(que)包含所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)正電(dian)荷和(he)(he)構成(cheng)了(le)幾乎(hu)所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量。沿此(ci)思路走(zou)下去，我(wo)們(men)將(jiang)很快將(jiang)費恩曼故(gu)事中(zhong)災(zai)后遺民(min)引領到正確(que)理解(jie)科學的(de)(de)(de)(de)化學和(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)學的(de)(de)(de)(de)道路上來，從而重建我(wo)們(men)的(de)(de)(de)(de)世界。原(yuan)子(zi)(zi)因為原(yuan)子(zi)(zi)核和(he)(he)電(dian)子(zi)(zi)之間的(de)(de)(de)(de)電(dian)性吸引而保持穩(wen)定。最(zui)后，原(yuan)子(zi)(zi)核又由質(zhi)子(zi)(zi)和(he)(he)中(zhong)子(zi)(zi)組(zu)成(cheng)。原(yuan)子(zi)(zi)核卻(que)(que)由另一種力(li)來維(wei)持，這(zhe)(zhe)種力(li)要比電(dian)性力(li)強大(da)(da)(da)很多，但作用的(de)(de)(de)(de)距離卻(que)(que)很短。這(zhe)(zhe)種對于物(wu)(wu)質(zhi)認(ren)識狀態，大(da)(da)(da)約是1935年前后的(de)(de)(de)(de)情形。而我(wo)們(men)所(suo)了(le)解(jie)的(de)(de)(de)(de)當然要大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)跨越這(zhe)(zhe)一時期的(de)(de)(de)(de)知(zhi)識水準。
1932年，詹姆斯·查(cha)德威克發(fa)現(xian)了(le)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)，這是一(yi)個(ge)里程碑。在查(cha)德威克的(de)發(fa)現(xian)之(zhi)后，理解(jie)原子(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)道路似乎變得通暢了(le)。人們認(ren)為原子(zi)(zi)(zi)核(he)的(de)構(gou)件已被發(fa)現(xian)，它們就是質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)。這是兩種重量近似的(de)的(de)粒子(zi)(zi)(zi)，而(er)且有著類似的(de)強相互作用。質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)的(de)最明顯的(de)差別就是質(zhi)子(zi)(zi)(zi)帶(dai)正電荷(he)，而(er)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)呈電中(zhong)(zhong)(zhong)性(xing)。此外(wai)，孤立的(de)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)不穩定(ding)，大(da)約會在15分鐘(zhong)的(de)壽命期限內衰變成一(yi)個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)（加一(yi)個(ge)正電荷(he)和(he)一(yi)個(ge)中(zhong)(zhong)(zhong)微子(zi)(zi)(zi)）。將質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)簡單相加，你就可以得到不同電荷(he)數和(he)質(zhi)量的(de)模型原子(zi)(zi)(zi)核(he)，它與已知原子(zi)(zi)(zi)核(he)基本相符。
牛(niu)頓在1704年發表(biao)的(de)《光學》一(yi)書中，這樣(yang)表(biao)述了他對物質的(de)終極性質的(de)設想：
“在我看(kan)來(lai)，事實(shi)上(shang)可能是(shi)，上(shang)帝開(kai)始造物的(de)(de)時，將物質(zhi)做成了結實(shi)、沉(chen)重(zhong)、堅硬(ying)、不(bu)可入但可運(yun)動的(de)(de)微粒，其(qi)大小、形狀和(he)其(qi)它一些屬(shu)性以及空間上(shang)的(de)(de)比例都(dou)恰好(hao)有助于(yu)他(ta)實(shi)現創造它們的(de)(de)目的(de)(de)。由于(yu)這些原始微粒是(shi)些固(gu)體(ti)，所以它們比任何由它們合成的(de)(de)多孔的(de)(de)物體(ti)都(dou)要堅固(gu)得無可比擬。它們甚至堅硬(ying)得永遠不(bu)會(hui)磨損或破裂，沒有任何普通的(de)(de)力(li)量能把上(shang)帝在他(ta)第(di)一次創世(shi)時他(ta)自己造出來(lai)的(de)(de)東西分開(kai)。”
物(wu)質(zhi)的(de)(de)科學(xue)實質(zhi)，其不(bu)可(ke)(ke)再分的(de)(de)核心是質(zhi)量(liang)。質(zhi)量(liang)規(gui)定(ding)了(le)物(wu)質(zhi)反抗運動(dong)的(de)(de)能力，也就是它的(de)(de)慣性。質(zhi)量(liang)是不(bu)變的(de)(de)，即具有“保(bao)守性”。它可(ke)(ke)以從一個物(wu)體轉移到另一個物(wu)體，但是永遠不(bu)會增生(sheng)或被消(xiao)滅(mie)。對于牛頓來(lai)說，質(zhi)量(liang)定(ding)義了(le)物(wu)質(zhi)的(de)(de)多(duo)少。在(zai)牛頓物(wu)理學(xue)中，質(zhi)量(liang)提供了(le)力和(he)運動(dong)以及(ji)引力源之(zhi)間聯系的(de)(de)橋梁。而在(zai)拉(la)瓦錫看來(lai)，質(zhi)量(liang)的(de)(de)穩定(ding)性及(ji)其精確(que)的(de)(de)守恒性，則構成(cheng)了(le)化學(xue)的(de)(de)基(ji)礎和(he)富有成(cheng)果的(de)(de)發現指南。
我(wo)們在化學的經驗(yan)表明，對(dui)所有(you)這些(xie)復雜性給予(yu)解(jie)釋是(shi)可能的。也許質子、中子和(he)其(qi)它強子不是(shi)基(ji)本(ben)粒子。它們也許是(shi)由(you)性質更為(wei)簡單的更為(wei)基(ji)本(ben)的對(dui)象構成。
事實上(shang)，如果(guo)我們針(zhen)對原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水(shui)平上(shang)做在(zai)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)水(shui)平上(shang)做的(de)(de)(de)(de)(de)散射實驗(yan)，來(lai)研究原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)近距離(li)碰撞(zhuang)下會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)什么，我們會(hui)(hui)得(de)(de)到(dao)(dao)同樣復雜的(de)(de)(de)(de)(de)結果(guo)：重新(xin)分布的(de)(de)(de)(de)(de)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)碎裂而(er)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)類新(xin)型(xing)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)（或(huo)處于(yu)激(ji)發(fa)態的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)、離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)自由基），換句話(hua)說，得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)各種化學反(fan)應。服(fu)從簡單的(de)(de)(de)(de)(de)力定律的(de)(de)(de)(de)(de)只是基本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核，而(er)由多個(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)則不(bu)。而(er)且在(zai)亞(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)情形(xing)下，質(zhi)(zhi)量也不(bu)守恒(heng)。如果(guo)你(ni)將質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)轟擊得(de)(de)足夠(gou)致密，你(ni)就會(hui)(hui)發(fa)現得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)是更多的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，有時還會(hui)(hui)伴有其它(ta)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。一個(ge)(ge)(ge)典型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)情形(xing)是，讓兩個(ge)(ge)(ge)高能(neng)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)相(xiang)互碰撞(zhuang)，得(de)(de)到(dao)(dao)卻(que)是3個(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，一個(ge)(ge)(ge)反(fan)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)若干個(ge)(ge)(ge)介子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這些粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)總(zong)質(zhi)(zhi)量會(hui)(hui)大于(yu)反(fan)應前兩個(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量之和(he)。
光(guang)沒(mei)有質量(liang)。光(guang)不用推(tui)動就可(ke)以(yi)產生巨大的(de)速度從光(guang)源傳遞到(dao)接(jie)受器(qi)。光(guang)很容易(yi)(yi)就可(ke)以(yi)產生（發射(she)）或湮沒(mei)（被吸(xi)收）。光(guang)也不具備引力那樣的(de)拉力。但光(guang)有能量(liang)，能輕而易(yi)(yi)舉地(di)被轉(zhuan)化(hua)并(bing)儲藏起來(lai)，例如植(zhi)物的(de)葉(xie)綠素在光(guang)合作用下，可(ke)以(yi)把空氣中(zhong)的(de)二(er)氧化(hua)碳和植(zhi)物根(gen)系吸(xi)收的(de)水(shui)分(fen)、礦物質轉(zhuan)換成多糖、氨基酸或纖維素的(de)化(hua)學鍵里(li)。在元(yuan)素周期(qi)表(biao)我們找(zhao)不到(dao)光(guang)的(de)位置，而這個周期(qi)表(biao)里(li)分(fen)布都是構成物質的(de)各(ge)種構件。
在(zai)近(jin)代科學(xue)誕生(sheng)前的(de)幾百年以及(ji)誕生(sheng)后(hou)的(de)兩個(ge)半世(shi)紀里，實在(zai)分為物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)和光(guang)(guang)似乎是不言(yan)自(zi)明的(de)。物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)有質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)且(qie)守(shou)恒，光(guang)(guang)沒有質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)。如果有質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)和無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)光(guang)(guang)始終(zhong)彼此隔絕，那(nei)么(me)物(wu)(wu)理世(shi)界就(jiu)始終(zhong)無法實現(xian)統(tong)一的(de)描述。
在20世(shi)(shi)紀(ji)(ji)的(de)(de)前(qian)半(ban)葉(xie)，相對(dui)論和量子物(wu)理(li)學的(de)(de)出現摧毀了經典物(wu)理(li)學的(de)(de)基礎。現存的(de)(de)物(wu)質(zhi)和光(guang)的(de)(de)理(li)論幾同(tong)廢墟。這(zhe)一(yi)創新性的(de)(de)破壞過程，使(shi)得(de)物(wu)理(li)學家有可(ke)能在20世(shi)(shi)紀(ji)(ji)的(de)(de)下半(ban)葉(xie)建(jian)造起一(yi)個新的(de)(de)更深刻的(de)(de)物(wu)質(zhi)-光(guang)理(li)論，它(ta)將(jiang)徹(che)底破除自古以來對(dui)兩者分離的(de)(de)認識(shi)。新的(de)(de)理(li)論認為，世(shi)(shi)界是(shi)建(jian)立在充(chong)滿以太的(de)(de)多層級空間基礎上的(de)(de)。這(zhe)里借用的(de)(de)“以太”雖(sui)然(ran)是(shi)十七世(shi)(shi)紀(ji)(ji)的(de)(de)哲學家笛卡爾(er)的(de)(de)概念，在十九世(shi)(shi)紀(ji)(ji)時麥(mai)克斯韋則稱(cheng)之為“場”，而在1970年(nian)代中，維爾(er)切克則將(jiang)其稱(cheng)之為“網格”。
新的(de)(de)世界模型盡管(guan)看起來(lai)有(you)點稀奇古怪，但卻非常成(cheng)功(gong)而且(qie)精確。它(ta)為我(wo)們提供了(le)對普通物質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量起源(yuan)的(de)(de)新認識。簡單來(lai)說，物質(zhi)(zhi)的(de)(de)出現于相對論、量子場(chang)論和色動(dong)力學均(jun)有(you)關系——后者(zhe)是(shi)(shi)研究支(zhi)配夸克(ke)和膠子行為特有(you)規律(lv)的(de)(de)學問。如(ru)果不深入了(le)解并熟悉地運用這些(xie)概念，我(wo)們就無法理(li)解質(zhi)(zhi)量的(de)(de)起源(yuan)。而且(qie)迄今為止，量子場(chang)論和色動(dong)力學仍然是(shi)(shi)活躍的(de)(de)研究領域，還有(you)許許多多的(de)(de)問題有(you)待解決(jue)。
不久以前(qian)，人們(men)曾經認(ren)為(wei)普通(tong)物質(zhi)的(de)基本構件(jian)就是質(zhi)子(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)。之后，科學(xue)家們(men)又發現，普通(tong)物質(zhi)的(de)基本構件(jian)——質(zhi)子(zi)(zi)和(he)中(zhong)子(zi)(zi)——內有些小(xiao)東西(xi)。這些小(xiao)東西(xi)叫(jiao)做夸克(ke)和(he)膠子(zi)(zi)。當然(ran)，知道它們(men)的(de)名字并不等于告(gao)訴我們(men)他(ta)們(men)是什么，正如(ru)莎士比亞(ya)筆下的(de)羅密歐(ou)所解釋的(de)那樣：
“名字(zi)有什(shen)么意義？我們叫做玫瑰(gui)的(de)東西，換個名字(zi)，還是一樣的(de)香(xiang)艷(yan)。”
但是，如果夸(kua)克(ke)和膠(jiao)子(zi)只是物質(zhi)內部永無(wu)止境的(de)(de)(de)(de)復雜結構的(de)(de)(de)(de)又一層(ceng)級，那么(me)它們的(de)(de)(de)(de)名字(zi)只不過提供一種讓人們炫耀(yao)的(de)(de)(de)(de)非流(liu)行語詞。然而夸(kua)克(ke)和膠(jiao)子(zi)并不“只是又一層(ceng)級”。在(zai)膠(jiao)子(zi)本身(shen)被發現之前(qian)，人們已經發現了描述膠(jiao)子(zi)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)程(cheng)。1954年楊振寧和羅伯特·米爾斯發現作為(wei)電動(dong)力學的(de)(de)(de)(de)麥(mai)克(ke)斯韋(wei)方(fang)(fang)程(cheng)組(zu)(zu)自(zi)然數(shu)學推廣(guang)的(de)(de)(de)(de)一類方(fang)(fang)程(cheng)組(zu)(zu)，表明麥(mai)克(ke)斯韋(wei)方(fang)(fang)程(cheng)組(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)自(zi)然數(shu)學推廣(guang)方(fang)(fang)程(cheng)組(zu)(zu)支(zhi)持所有已知荷的(de)(de)(de)(de)對稱(cheng)性，而在(zai)楊-米爾斯方(fang)(fang)程(cheng)組(zu)(zu)基礎(chu)上由(you)大衛·格羅斯和弗(fu)蘭克(ke)·維爾切克(ke)于(yu)(yu)1973年推導(dao)出了適(shi)用(yong)于(yu)(yu)現實世界(jie)中(zhong)強相互作用(yong)膠(jiao)子(zi)方(fang)(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)使用(yong)了三(san)種“荷”。出現在(zai)強相互作用(yong)理論中(zhong)的(de)(de)(de)(de)這三(san)種荷通常(chang)稱(cheng)為(wei)色荷，或簡稱(cheng)為(wei)荷。
在(zai)(zai)20世紀60年代初，實驗者發(fa)現(xian)了幾十種強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，它們(men)的(de)(de)質量、壽(shou)命和(he)固有的(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)均不相同(tong)。其中(zhong)，希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)物理學標準模型預言(yan)的(de)(de)一(yi)種自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)為零的(de)(de)玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，至今尚(shang)未在(zai)(zai)實驗中(zhong)觀察到。它也是(shi)(shi)標準模型中(zhong)最后一(yi)種未被發(fa)現(xian)的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。物理學家(jia)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯提出(chu)了希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯機制。在(zai)(zai)此機制中(zhong)，希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯場(chang)引起(qi)自(zi)(zi)發(fa)對稱(cheng)性(xing)破缺，并(bing)將質量賦予規范(fan)傳播子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)費米子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯場(chang)的(de)(de)場(chang)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)化激(ji)發(fa)，它通(tong)過自(zi)(zi)相互(hu)作用而獲得(de)質量。2012年7月2日，美國能源部下屬(shu)的(de)(de)費米國家(jia)加速器實驗室宣布，該實驗室最新數據(ju)接近證(zheng)明被稱(cheng)為“上帝粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)(zai)。2013年3月14日，歐(ou)洲核子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)研(yan)究組織發(fa)布新聞(wen)稿表(biao)示，先前探測到的(de)(de)新粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)希(xi)(xi)(xi)格(ge)斯玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。
在(zai)粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)物(wu)(wu)(wu)理學(xue)里，標準模(mo)(mo)型(xing)(xing)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)被廣泛接受的(de)框架，可以(yi)描述(shu)強力、弱力及(ji)電磁力這(zhe)(zhe)三(san)種(zhong)基本力及(ji)組成所(suo)(suo)有物(wu)(wu)(wu)質的(de)基本粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)。由于基本粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)和基本力形成了(le)物(wu)(wu)(wu)理世界，所(suo)(suo)以(yi)，除了(le)引力以(yi)外，標準模(mo)(mo)型(xing)(xing)可以(yi)合理解(jie)釋這(zhe)(zhe)世界中的(de)大(da)多(duo)數(shu)物(wu)(wu)(wu)理現象。最初，標準模(mo)(mo)型(xing)(xing)所(suo)(suo)倚賴的(de)規范場(chang)論(lun)禁止基本粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)擁(yong)有質量，這(zhe)(zhe)很(hen)明顯地顯示出初始模(mo)(mo)型(xing)(xing)不夠完(wan)全。后來(lai)，物(wu)(wu)(wu)理學(xue)者研(yan)究出一(yi)種(zhong)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)，能(neng)夠利(li)用對(dui)稱(cheng)性破缺來(lai)賦予(yu)基本粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)質量，同(tong)時又不會抵(di)觸到(dao)規范場(chang)論(lun)。這(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)被稱(cheng)為希格斯(si)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)。在(zai)所(suo)(suo)有解(jie)釋質量起源的(de)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)之(zhi)中，希格斯(si)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)是(shi)(shi)最簡(jian)單(dan)、最被認可的(de)一(yi)種(zhong)。物(wu)(wu)(wu)理學(xue)者已完(wan)成了(le)很(hen)多(duo)實(shi)驗，并確實(shi)偵測(ce)到(dao)這(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)引發(fa)的(de)許(xu)多(duo)種(zhong)效應，但是(shi)(shi)他(ta)們不確切了(le)解(jie)這(zhe)(zhe)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)到(dao)底是(shi)(shi)怎(zen)么一(yi)回事。
標準模型(xing)給出了自(zi)然界四種相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)中的(de)電磁(ci)(ci)相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和弱相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)統一描述，但是(shi)在(zai)(zai)能量(liang)低于一定條(tiao)件后，電磁(ci)(ci)相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和弱相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)將呈(cheng)現為不同的(de)相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，這被稱為電弱相互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)對稱性自(zi)發破(po)缺(que)。希格(ge)斯粒子就是(shi)在(zai)(zai)標準模型(xing)解釋(shi)電弱對稱性自(zi)發破(po)缺(que)的(de)機制時引入的(de)。
根據標(biao)準(zhun)模(mo)型理(li)論，宇宙(zhou)空(kong)(kong)間中的(de)各處(chu)，無(wu)論是(shi)(shi)真空(kong)(kong)中還是(shi)(shi)空(kong)(kong)氣中，甚至是(shi)(shi)物質(zhi)的(de)內部，都(dou)充滿了希格斯粒(li)子(zi)（希格斯場）。希格斯粒(li)子(zi)被認(ren)為是(shi)(shi)生成(cheng)基本粒(li)子(zi)的(de)“質(zhi)量”之源(yuan)。雖(sui)然質(zhi)量總是(shi)(shi)與“重量”聯(lian)系在一(yi)起，但嚴格說起來是(shi)(shi)不一(yi)樣的(de)。質(zhi)量應(ying)該(gai)是(shi)(shi)反映“改變(bian)加(jia)速度的(de)難易程(cheng)度”的(de)物理(li)量。
為(wei)(wei)什(shen)么有(you)些基(ji)本粒子具有(you)質(zhi)量(liang)，而有(you)些基(ji)本粒子的(de)質(zhi)量(liang)為(wei)(wei)零(ling)？物理學界仍在不(bu)停的(de)探索中。而更加(jia)令物理學家們棘手的(de)是，即使(shi)標準模型理論解決(jue)了(le)除引力外(wai)的(de)另(ling)外(wai)三種(zhong)基(ji)本力的(de)統(tong)一問題(ti)，但引力如(ru)何與其他三種(zhong)達到大一統(tong)的(de)局面(mian)，仍然缺少一些重(zhong)要的(de)中間環節。另(ling)外(wai)，如(ru)果愛因斯(si)坦提出的(de)能量(liang)與質(zhi)量(liang)交換(huan)方程是普適而有(you)效的(de)，那(nei)么，質(zhi)量(liang)是否源于能量(liang)的(de)凝聚呢？
我(wo)們知道，原子中的(de)(de)電子可(ke)以(yi)(yi)有不同的(de)(de)軌道形狀，其(qi)自旋可(ke)有不同取向，因此原子可(ke)有許多不同能態(tai)。對這些可(ke)能的(de)(de)態(tai)的(de)(de)研究是原子光(guang)譜(pu)(pu)研究的(de)(de)重要(yao)內容。我(wo)們常用原子光(guang)譜(pu)(pu)來揭(jie)示各種不同的(de)(de)態(tai)是由(you)什么決定(ding)的(de)(de)，來設計激光(guang)器以(yi)(yi)及(ji)許多其(qi)它事情。由(you)于原子光(guang)譜(pu)(pu)本(ben)身(shen)的(de)(de)重要(yao)性以(yi)(yi)及(ji)它與(yu)夸克模型有千絲萬縷的(de)(de)聯系，因此我(wo)們得首先花(hua)點時間來說(shuo)說(shuo)光(guang)譜(pu)(pu)。
像火焰或(huo)者恒星大氣這(zhe)樣的(de)(de)(de)熱氣體中就(jiu)(jiu)包含處于(yu)不(bu)(bu)同(tong)(tong)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子。即使(shi)是(shi)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子核相同(tong)(tong)、電(dian)子數相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子，其電(dian)子仍然可(ke)有不(bu)(bu)同(tong)(tong)軌道(dao)或(huo)不(bu)(bu)同(tong)(tong)自旋取向。這(zhe)些態(tai)(tai)有不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)能(neng)量。高能(neng)態(tai)(tai)可(ke)衰(shuai)變(bian)到底能(neng)態(tai)(tai)并發(fa)(fa)光(guang)。由于(yu)能(neng)量總(zong)體上是(shi)守恒的(de)(de)(de)，因(yin)此發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)光(guang)子的(de)(de)(de)能(neng)量可(ke)通過(guo)其顏(yan)色來(lai)獲知(zhi)，這(zhe)個(ge)能(neng)量反映了(le)初態(tai)(tai)和終態(tai)(tai)之間的(de)(de)(de)能(neng)量差。每一(yi)種原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)光(guang)都(dou)有一(yi)套(tao)特(te)征顏(yan)色分(fen)布(bu)。氫原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)光(guang)是(shi)一(yi)組(zu)顏(yan)色條(tiao)紋，氦原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子發(fa)(fa)射的(de)(de)(de)光(guang)澤是(shi)完全(quan)不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)另一(yi)組(zu)顏(yan)色條(tiao)紋，等(deng)等(deng)。物理(li)學家(jia)和化學家(jia)將這(zhe)種顏(yan)色分(fen)布(bu)成(cheng)為原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子頻譜(pu)。原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子的(de)(de)(de)頻譜(pu)起著(zhu)標識(shi)該原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子特(te)征的(de)(de)(de)作用(yong)，可(ke)以用(yong)來(lai)識(shi)別原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子。當你讓光(guang)線(xian)通過(guo)棱鏡從而使(shi)不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)顏(yan)色分(fen)開時，得到的(de)(de)(de)譜(pu)就(jiu)(jiu)相當于(yu)一(yi)套(tao)條(tiao)碼。
原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光譜在構建(jian)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)內(nei)部結構模(mo)(mo)(mo)型(xing)方面曾經(jing)給予我們(men)很多(duo)具體的(de)(de)(de)(de)指向。以此為基礎(chu)，我們(men)再(zai)(zai)回到夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)模(mo)(mo)(mo)型(xing)上(shang)來。同(tong)(tong)樣的(de)(de)(de)(de)設想經(jing)過(guo)改造后再(zai)(zai)亞原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層(ceng)(ceng)面上(shang)依然有效。在原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)層(ceng)(ceng)面上(shang)，電子(zi)(zi)(zi)兩個態(tai)之間的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)(liang)差相對較小，這(zhe)個能量(liang)(liang)(liang)(liang)差從原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)總質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)來看顯得微(wei)不(bu)(bu)(bu)足道。夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)核(he)心思想是，夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)“原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)”即強子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)態(tai)之間的(de)(de)(de)(de)能差非常之大(da)，它們(men)對確定(ding)強子(zi)(zi)(zi)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)起(qi)著重要作用(yong)。根據愛因斯坦能量(liang)(liang)(liang)(liang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)交換公(gong)式(shi)推導出的(de)(de)(de)(de)m=E/c2，我們(men)可以將(jiang)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)理解為不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)軌道模(mo)(mo)(mo)式(shi)——即不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態(tai)——的(de)(de)(de)(de)夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)系統具有不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)(liang)。質(zhi)言之，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)光譜是供(gong)(gong)看的(de)(de)(de)(de)，強子(zi)(zi)(zi)譜澤(ze)是供(gong)(gong)稱(cheng)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)。利用(yong)這(zhe)一原(yuan)(yuan)理，蓋(gai)爾(er)曼和(he)茨威格證(zheng)明了，人們(men)可以將(jiang)觀測到的(de)(de)(de)(de)許(xu)多(duo)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)強子(zi)(zi)(zi)解釋(shi)為幾個基本(ben)夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)“夸(kua)克(ke)(ke)(ke)(ke)”的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)態(tai)。
然而，難以置信的是，盡管科學家們都(dou)非常渴望找到單(dan)(dan)一的夸(kua)(kua)克粒子，結果卻(que)屢(lv)屢(lv)失(shi)敗。迄今為(wei)止，人(ren)們沒有觀測到任何粒子具有單(dan)(dan)一夸(kua)(kua)克的特性。如同發明永動(dong)機的失(shi)敗一樣，尋找單(dan)(dan)個夸(kua)(kua)克的失(shi)敗已經升格(ge)為(wei)一條(tiao)原理：夸(kua)(kua)克禁(jin)閉原理。
當物理學(xue)家試圖用(yong)夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)來(lai)充(chong)實介子和(he)重子的(de)內部結構模型，以(yi)(yi)(yi)便可(ke)以(yi)(yi)(yi)說明它們(men)的(de)質量時(shi)，更大的(de)困難(nan)出(chu)現(xian)了。即使(shi)是(shi)在(zai)最成功的(de)模型里，情況似乎總是(shi)，當夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)（或反夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)）彼此靠近時(shi)，它們(men)幾乎從不(bu)注(zhu)意到對(dui)方的(de)存在(zai)。夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)之間(jian)的(de)相互作用(yong)力是(shi)如(ru)此微(wei)弱，人們(men)很(hen)難(nan)將它與無(wu)法(fa)發現(xian)獨立夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)的(de)事(shi)實調和(he)起(qi)來(lai)。如(ru)果夸(kua)(kua)(kua)克(ke)(ke)彼此接(jie)近時(shi)不(bu)在(zai)乎對(dui)方的(de)存在(zai)，那(nei)它們(men)彼此遠離后為什么(me)不(bu)可(ke)以(yi)(yi)(yi)單獨存在(zai)呢？
這里(li)可能出現了一(yi)(yi)種以前(qian)(qian)從未(wei)有(you)過的(de)(de)隨距離增(zeng)大而增(zeng)大的(de)(de)基(ji)本(ben)力。最初(chu)的(de)(de)夸(kua)(kua)克(ke)(ke)模(mo)型(xing)沒有(you)給出描(miao)述夸(kua)(kua)克(ke)(ke)之間力的(de)(de)精確方程。在一(yi)(yi)方面，夸(kua)(kua)克(ke)(ke)模(mo)型(xing)頗有(you)些(xie)類似于前(qian)(qian)牛頓的(de)(de)太陽系(xi)模(mo)型(xing)，或者前(qian)(qian)薛定諤/前(qian)(qian)玻爾原子模(mo)型(xing)。許多物理(li)學家，包括蓋爾曼本(ben)人，認為夸(kua)(kua)克(ke)(ke)只是(shi)一(yi)(yi)個可以成為自然界數學描(miao)述里(li)的(de)(de)有(you)用的(de)(de)工(gong)具，而不是(shi)真正意義(yi)上的(de)(de)實在的(de)(de)元素。
我(wo)們知道，質(zhi)(zhi)子(zi)內部(bu)的(de)(de)(de)物質(zhi)(zhi)運(yun)動(dong)(dong)極快。在斯坦福(fu)直(zhi)線加速器(qi)中心，科學家實際上是采用電(dian)子(zi)來(lai)轟擊質(zhi)(zhi)子(zi)，然后觀測兩者碰撞(zhuang)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(liang)(liang)(liang)和(he)動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)比碰撞(zhuang)前(qian)要少。由于能量(liang)(liang)(liang)和(he)動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)整體上是守恒的(de)(de)(de)，因此(ci)電(dian)子(zi)失去(qu)的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)可(ke)能是被(bei)虛光(guang)子(zi)帶走，并轉交給質(zhi)(zhi)子(zi)。這往往導(dao)致質(zhi)(zhi)子(zi)經復(fu)雜過程而被(bei)打破，由此(ci)導(dao)致了一種新的(de)(de)(de)實驗方法(fa)，只追蹤(zong)電(dian)子(zi)，即只關注能量(liang)(liang)(liang)和(he)動(dong)(dong)量(liang)(liang)(liang)流(liu)。
量子(zi)(zi)理論允許(xu)我們調和關于質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)是(shi)什么(me)的(de)兩個(ge)(ge)看(kan)似矛盾的(de)概(gai)念。一(yi)方面(mian)(mian)，質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)內部是(shi)動(dong)(dong)態的(de)，里(li)面(mian)(mian)的(de)事情在不(bu)斷(duan)變化(hua)、運動(dong)(dong)著。另一(yi)方面(mian)(mian)，所有(you)(you)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)隨時(shi)隨地(di)都表(biao)現(xian)出完全(quan)相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)行為，也就(jiu)是(shi)說，每一(yi)個(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)均給出相(xiang)(xiang)同(tong)概(gai)率(lv)。如果質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)在不(bu)同(tong)的(de)時(shi)間里(li)表(biao)現(xian)不(bu)一(yi)，所有(you)(you)的(de)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)怎(zen)么(me)可能表(biao)現(xian)完全(quan)相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)行為？一(yi)個(ge)(ge)簡(jian)單(dan)而(er)直觀的(de)解釋是(shi)，雖然每一(yi)個(ge)(ge)體概(gai)率(lv)在演化(hua)，但整(zheng)體概(gai)率(lv)分布卻(que)保持不(bu)變。這(zhe)就(jiu)像一(yi)條平緩但在流動(dong)(dong)的(de)大河，即使每一(yi)個(ge)(ge)滴水都在向前流淌，但整(zheng)個(ge)(ge)河流看(kan)上去卻(que)并(bing)無變化(hua)。
在微觀尺度上大量的(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)都(dou)(dou)很難被捕捉到(dao)。科學家(jia)們(men)把它們(men)叫做(zuo)(zuo)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)和反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)（或者把反(fan)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)叫做(zuo)(zuo)虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)）。這些虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)出現和消失(shi)都(dou)(dou)很快(kuai)，但也跑不(bu)了(le)多遠(yuan)。科學家(jia)們(men)只能(neng)在極短時超高分辨率的(de)抓拍中和它們(men)偶遇。在任何(he)通常意義下(xia)人們(men)都(dou)(dou)無(wu)法見到(dao)它們(men)，除(chu)非我們(men)能(neng)提供所(suo)需的(de)能(neng)量和動量來促使它們(men)產生。但即便如此，我們(men)看到(dao)的(de)也不(bu)是原(yuan)來未受干擾的(de)虛粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)——即自(zi)發產生和消失(shi)的(de)那種粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)。
現代生物(wu)醫學(xue)(xue)告(gao)訴我們(men)，只有借助(zhu)(zhu)于更復雜(za)的生物(wu)體（宿主(zhu)），病毒才(cai)可以存活。虛粒子則遠為脆弱，因為它(ta)們(men)需要外部幫助(zhu)(zhu)才(cai)能存在(zai)。盡管如此，它(ta)們(men)卻(que)在(zai)量子力學(xue)(xue)方程(cheng)里，而且(qie)根據這些(xie)方程(cheng)，虛粒子會影響到我們(men)看得見的粒子的行(xing)為。
虛(xu)粒子總是成群(qun)地處(chu)于高速運(yun)動(dong)的狀態中(zhong)。物理學家將其(qi)稱之為(wei)虛(xu)空(kong)空(kong)間中(zhong)的實體(ti)成為(wei)一種動(dong)態介質。由于虛(xu)粒子的行為(wei)，正電(dian)荷(he)(he)會被部(bu)分屏蔽(bi)。也就(jiu)是說，正電(dian)荷(he)(he)周圍(wei)往(wang)往(wang)因為(wei)異性相(xiang)吸引而裹著(zhu)一層補償性的負電(dian)荷(he)(he)。從遠處(chu)看(kan)，我們(men)感覺不到正電(dian)荷(he)(he)的全部(bu)靜(jing)電(dian)力，因為(wei)有(you)部(bu)分被周圍(wei)的負電(dian)荷(he)(he)抵消了。換句話(hua)說，你越(yue)是接近電(dian)荷(he)(he)有(you)效(xiao)電(dian)荷(he)(he)就(jiu)會越(yue)多；你越(yue)是遠離電(dian)荷(he)(he)，它就(jiu)顯得越(yue)小(xiao)。
在(zai)夸(kua)克模型里我(wo)們(men)正好得(de)出相(xiang)(xiang)反的(de)(de)行為。假定夸(kua)克模型里的(de)(de)夸(kua)克在(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)靠近(jin)時(shi)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用很(hen)弱，但如(ru)果它們(men)的(de)(de)有效電荷在(zai)鄰(lin)近(jin)區域達到最大值時(shi)，我(wo)們(men)得(de)到的(de)(de)只是(shi)相(xiang)(xiang)反的(de)(de)結果。這(zhe)時(shi)它們(men)彼此(ci)間的(de)(de)距離(li)越(yue)小，相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用就(jiu)會(hui)越(yue)強烈；相(xiang)(xiang)距越(yue)遠，其(qi)電荷被屏蔽得(de)越(yue)明顯，因而相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用也就(jiu)越(yue)弱。
量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)起(qi)源于1927年保羅·狄(di)(di)拉(la)克將量(liang)(liang)子(zi)(zi)理(li)論(lun)(lun)應(ying)用于電(dian)磁(ci)場量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究工作。他將電(dian)荷和(he)電(dian)磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相互作用處(chu)理(li)為(wei)引起(qi)能(neng)級躍遷(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微擾，能(neng)級躍遷(qian)造成了發射(she)光子(zi)(zi)數(shu)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，但總(zong)體(ti)上系統(tong)滿足能(neng)量(liang)(liang)和(he)動(dong)量(liang)(liang)守(shou)恒。狄(di)(di)拉(la)克成功(gong)地從第一(yi)(yi)性(xing)原理(li)導出(chu)了愛(ai)因斯(si)坦系數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形式(shi)，并證明了光子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)玻色-愛(ai)因斯(si)坦統(tong)計是(shi)電(dian)磁(ci)場量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自然結果。人們發現，能(neng)夠(gou)精確(que)描(miao)述這類過程(cheng)是(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)最重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用之一(yi)(yi)。另一(yi)(yi)方(fang)(fang)面，狄(di)(di)拉(la)克所發展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對論(lun)(lun)量(liang)(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)是(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前奏(zou)，狄(di)(di)拉(la)克方(fang)(fang)程(cheng)作為(wei)狹義相對論(lun)(lun)框架下量(liang)(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基本(ben)方(fang)(fang)程(cheng)，所描(miao)述的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)等費米子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)旋(xuan)量(liang)(liang)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正則(ze)量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)是(shi)由匈牙利-美國物理(li)學(xue)(xue)家尤金·維格納(na)和(he)約爾當完成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。狄(di)(di)拉(la)克方(fang)(fang)程(cheng)所預言的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生(sheng)和(he)湮滅過程(cheng)能(neng)用正則(ze)量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)語(yu)言重新加以描(miao)述。
靜態夸(kua)克模(mo)型建(jian)立之后，在(zai)重子(zi)(zi)(zi)質量(liang)譜和(he)重子(zi)(zi)(zi)磁(ci)矩方(fang)面取得了(le)巨大成功(gong)。但是，某(mou)些(xie)由(you)一種夸(kua)克組成的粒(li)子(zi)(zi)(zi)的存在(zai)，與物理(li)學的基本(ben)假設(she)廣義泡利原理(li)矛(mao)盾。為(wei)解決(jue)這個問(wen)題，物理(li)學家引入了(le)顏色自由(you)度，并且顏色最(zui)少有3種。這個時候顏色還只是引入的某(mou)種量(liang)子(zi)(zi)(zi)數，并沒有被認為(wei)是動(dong)力學自由(you)度。
經(jing)歷(li)了(le)(le)十(shi)(shi)年左右的(de)各(ge)種(zhong)實(shi)(shi)(shi)驗，都沒有(you)在(zai)(zai)靜態夸(kua)克模型中發現(xian)(xian)分(fen)數(shu)電(dian)荷(he)的(de)自(zi)旋1/2的(de)夸(kua)克存(cun)在(zai)(zai)，物(wu)理學家被迫接受(shou)了(le)(le)夸(kua)克是禁(jin)閉(bi)在(zai)(zai)強子(zi)內部的(de)現(xian)(xian)實(shi)(shi)(shi)。然而(er)，美國的(de)斯坦福直線(xian)加(jia)速器中心SLAC在(zai)(zai)七十(shi)(shi)年代初進行(xing)了(le)(le)一系列(lie)的(de)輕(qing)強子(zi)深度(du)(du)非(fei)彈性散射實(shi)(shi)(shi)驗，發現(xian)(xian)強子(zi)的(de)結構函數(shu)具(ju)(ju)有(you)比約肯無(wu)標度(du)(du)性(Bjorken Scaling)。為(wei)解釋這個(ge)令人驚奇(qi)的(de)結果，費曼(man)由(you)此提出了(le)(le)部分(fen)子(zi)模型，假設(she)強子(zi)是由(you)一簇自(zi)由(you)的(de)沒有(you)相互作(zuo)用的(de)部分(fen)子(zi)組成的(de)，就可以自(zi)然的(de)解釋比約肯無(wu)標度(du)(du)性(Bjorken Scaling)。更(geng)細致的(de)研究確認了(le)(le)部分(fen)子(zi)的(de)自(zi)旋為(wei)1/2，并且(qie)具(ju)(ju)有(you)分(fen)數(shu)電(dian)荷(he)。
部(bu)(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型和靜(jing)態夸克(ke)(ke)模(mo)(mo)型都取得了巨大成功(gong)(gong)，但是(shi)兩個(ge)(ge)模(mo)(mo)型對強(qiang)子(zi)(zi)結構的(de)(de)(de)描述有嚴重的(de)(de)(de)沖突，具體來講就(jiu)是(shi)夸克(ke)(ke)禁閉與部(bu)(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)無相(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)之(zhi)間的(de)(de)(de)沖突。這(zhe)個(ge)(ge)問(wen)題的(de)(de)(de)真正解(jie)決要等到漸近自(zi)(zi)由的(de)(de)(de)發現。格婁斯，維爾切克(ke)(ke)和休·波(bo)利策的(de)(de)(de)計算表明，非(fei)阿貝爾規范(fan)場論中(zhong)夸克(ke)(ke)相(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)強(qiang)度隨能標的(de)(de)(de)增加而減弱，部(bu)(bu)(bu)分(fen)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型的(de)(de)(de)成功(gong)(gong)正預示著存(cun)在SU（N）的(de)(de)(de)規范(fan)相(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)，N自(zi)(zi)然的(de)(de)(de)就(jiu)解(jie)釋(shi)為原先夸克(ke)(ke)模(mo)(mo)型中(zhong)引入的(de)(de)(de)新(xin)自(zi)(zi)由度--顏色。
色(se)荷(he)概念的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)入(ru)和部分子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用實在量(liang)子(zi)(zi)(zi)電動(dong)力(li)學(xue)基(ji)礎(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)突破進展。物(wu)理(li)學(xue)家們將這(zhe)種(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)稱之(zhi)為量(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動(dong)力(li)學(xue)。兩(liang)者之(zhi)間雖然有諸多相似(si)之(zhi)處，但還是有如(ru)一些重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)區別(bie)：首先是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)色(se)荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)響應(ying)——由量(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動(dong)力(li)學(xue)耦合常數(shu)衡(heng)量(liang)——要(yao)遠遠強于光(guang)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)電荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)響應(ying)。其次是膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以一種(zhong)色(se)荷(he)變換(huan)成另(ling)一種(zhong)色(se)荷(he)。量(liang)子(zi)(zi)(zi)電動(dong)力(li)學(xue)和量(liang)子(zi)(zi)(zi)色(se)動(dong)力(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)第三個(ge)(ge)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)區別(bie)來自于上述(shu)第二個(ge)(ge)區別(bie)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)果。由于膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)色(se)荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在和運動(dong)做出響應(ying)，而且膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)攜帶不平衡(heng)的(de)(de)(de)(de)(de)色(se)荷(he)，因此膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)可以直接對(dui)(dui)另(ling)一個(ge)(ge)膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)(zi)做出響應(ying)。這(zhe)與光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)情形正(zheng)好相反。
相比之下，光子是電中性的(de)(de)。它們相互(hu)之間(jian)完(wan)全不存(cun)在(zai)激烈(lie)的(de)(de)相互(hu)作用(yong)。因此這(zhe)些差異使得量子色(se)動(dong)力學(xue)的(de)(de)計(ji)算(suan)結果(guo)要比得到(dao)量子電動(dong)力學(xue)的(de)(de)計(ji)算(suan)結果(guo)更為困難。而(er)且，由于存(cun)在(zai)導(dao)致色(se)流動(dong)的(de)(de)各種可(ke)能性以(yi)及更多種類(lei)(lei)的(de)(de)節點，在(zai)做這(zhe)類(lei)(lei)計(ji)算(suan)時，科(ke)學(xue)家們又引(yin)入(ru)漸(jian)近自(zi)由概(gai)念。通過引(yin)入(ru)漸(jian)近自(zi)由，像噴注的(de)(de)能量和動(dong)量的(de)(de)整體流動(dong)，都可(ke)以(yi)通過計(ji)算(suan)得到(dao)確定。
關于世界是由什么(me)構成的哲(zhe)學和(he)科學思(si)考一(yi)直都在(zai)變化。許多枝節性問題(ti)仍然(ran)保留在(zai)今天最(zui)好(hao)的世界模型和(he)一(yi)些大的謎團里(li)。顯然(ran)要下結論還為時尚早。
就自(zi)然(ran)哲(zhe)學(xue)而(er)言，我(wo)(wo)們(men)從量(liang)子(zi)色(se)動(dong)力(li)學(xue)和(he)漸近(jin)自(zi)由中得到的(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)認(ren)識是(shi)，在(zai)我(wo)(wo)們(men)認(ren)為是(shi)虛空(kong)空(kong)間的(de)(de)(de)地方(fang)實(shi)際上充滿了(le)(le)活躍的(de)(de)(de)媒介，其活動(dong)鑄就了(le)(le)這(zhe)個(ge)世界。雖然(ran)早在(zai)大(da)約(yue)2000年前成書的(de)(de)(de)大(da)乘(cheng)佛教的(de)(de)(de)典(dian)籍《金(jin)剛經》就曾指出“色(se)即是(shi)空(kong)，空(kong)即是(shi)色(se)”，而(er)今現(xian)(xian)代物理(li)學(xue)的(de)(de)(de)其它(ta)發展強化并充實(shi)了(le)(le)這(zhe)種(zhong)認(ren)識。以后，當我(wo)(wo)們(men)探索當前知(zhi)識的(de)(de)(de)前沿時，我(wo)(wo)們(men)將看到“虛空(kong)”空(kong)間概(gai)念是(shi)怎樣一種(zhong)豐富的(de)(de)(de)動(dong)力(li)學(xue)媒介，它(ta)推動(dong)著我(wo)(wo)們(men)不斷思考(kao)如何去實(shi)現(xian)(xian)力(li)的(de)(de)(de)統一。
其(qi)實，關于空間虛無性的(de)(de)爭論可(ke)以(yi)(yi)追溯到現代科學的(de)(de)前(qian)史，至(zhi)少可(ke)以(yi)(yi)追溯到古希臘(la)時期。亞里(li)士(shi)多(duo)德曾經(jing)這樣(yang)寫道：“自然界厭惡真空”，而他的(de)(de)對手原子論者(zhe)們則認為，用(yong)古羅馬(ma)詩人(ren)盧克(ke)萊修的(de)(de)話來說(shuo)，就是“整個自然，作為自足的(de)(de)實在(zai)，都是由兩(liang)件東西組成的(de)(de)：物體和虛空，它們賴以(yi)(yi)建(jian)立，并在(zai)其(qi)中運動。”
這種(zhong)思辨性(xing)爭論在(zai)現代科(ke)學的(de)黎(li)明——17世紀(ji)的(de)科(ke)學革命(ming)——得到回響。笛卡爾提出，對自然世界(jie)進行科(ke)學描(miao)述的(de)基礎應建(jian)立在(zai)他(ta)(ta)所謂的(de)基本(ben)性(xing)質(zhi)(zhi)之上(shang)：廣延和運(yun)(yun)動(dong)。物(wu)質(zhi)(zhi)除了這兩點再沒有(you)其(qi)他(ta)(ta)屬(shu)性(xing)。他(ta)(ta)的(de)一個重要結論是(shi)：某一物(wu)質(zhi)(zhi)對另一物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)影響唯有(you)通過(guo)接觸才能發生。因(yin)此為(wei)了描(miao)述諸如(ru)行星的(de)運(yun)(yun)動(dong)，笛卡爾不(bu)得不(bu)引入(ru)無形空間的(de)概念——其(qi)中(zhong)充滿了不(bu)可見物(wu)質(zhi)(zhi)。他(ta)(ta)設想空間是(shi)一種(zhong)復(fu)雜的(de)充滿漩渦(wo)的(de)海洋，行星就在(zai)其(qi)中(zhong)沖浪(lang)。
牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)用他精確制定的(de)(de)(de)(de)、成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)行星運(yun)動(dong)數學方(fang)(fang)程，用他的(de)(de)(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)力(li)定律，揭(jie)示了所有(you)(you)這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜性(xing)。但(dan)是(shi)牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)的(de)(de)(de)(de)萬有(you)(you)引(yin)力(li)定律并(bing)不(bu)適應(ying)于(yu)笛卡(ka)爾的(de)(de)(de)(de)框架。前者假設物體(ti)(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用可(ke)(ke)以通過一(yi)定距(ju)離來(lai)進行，不(bu)必一(yi)定要通過接觸(chu)。例如(ru)，根據牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)定律，太陽即使不(bu)跟地球接觸(chu)，也可(ke)(ke)以對(dui)地球施加引(yin)力(li)作(zuo)(zuo)(zuo)用。盡管他的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)程為(wei)說(shuo)明行星運(yun)動(dong)提(ti)供了一(yi)個詳細解釋，但(dan)牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)本人(ren)對(dui)這(zhe)(zhe)(zhe)種超(chao)距(ju)作(zuo)(zuo)(zuo)用并(bing)不(bu)滿意。牛(niu)(niu)頓(dun)(dun)在(zai)1693年2月25日寫給本特(te)利的(de)(de)(de)(de)信中這(zhe)(zhe)(zhe)樣說(shuo)道：“一(yi)個物體(ti)(ti)(ti)可(ke)(ke)以不(bu)借助(zhu)任何其他東(dong)西(xi)穿越(yue)虛空距(ju)離而作(zuo)(zuo)(zuo)用于(yu)另一(yi)個物體(ti)(ti)(ti)，物體(ti)(ti)(ti)通過虛空進行彼此間(jian)作(zuo)(zuo)(zuo)用和力(li)的(de)(de)(de)(de)傳遞，這(zhe)(zhe)(zhe)對(dui)我來(lai)說(shuo)是(shi)很(hen)荒(huang)謬的(de)(de)(de)(de)。我相信，任何有(you)(you)足夠哲(zhe)學思維能力(li)的(de)(de)(de)(de)人(ren)都不(bu)會(hui)沉(chen)溺于(yu)此。”
牛頓的方程(cheng)(cheng)發(fa)(fa)表(biao)過后大約一(yi)個(ge)半世(shi)紀的時(shi)(shi)間里，數學家們幾乎不曾對此(ci)提出過任何質疑，但詹姆斯·克拉(la)克·麥(mai)(mai)克斯韋卻發(fa)(fa)現(xian)這(zhe)樣導出的方程(cheng)(cheng)不協調。1861年，麥(mai)(mai)克斯韋發(fa)(fa)現(xian)，他可(ke)以通過在(zai)方程(cheng)(cheng)中引入額外的項來消除這(zhe)種不一(yi)致性，換言(yan)之，就(jiu)是假(jia)(jia)定還存在(zai)著一(yi)種新的物理效應。而(er)邁克爾·法拉(la)第此(ci)前早就(jiu)發(fa)(fa)現(xian)，當磁場(chang)隨時(shi)(shi)間變(bian)(bian)化時(shi)(shi)，它們產(chan)(chan)生電場(chang)。麥(mai)(mai)克斯韋為(wei)了解決方程(cheng)(cheng)的自(zi)洽性，不得(de)不假(jia)(jia)設存在(zai)相反的效應：變(bian)(bian)化的磁場(chang)產(chan)(chan)生電場(chang)。有了這(zhe)一(yi)添加(jia)物，場(chang)的概念得(de)到了更多的認可(ke)和驗(yan)證(zheng)：變(bian)(bian)化的電場(chang)產(chan)(chan)生變(bian)(bian)化的磁場(chang)，后者(zhe)反過來再(zai)產(chan)(chan)生變(bian)(bian)化的電場(chang)，如此(ci)便形(xing)成了每一(yi)種自(zi)我更新的循(xun)環。
麥克(ke)(ke)斯(si)(si)韋發現，他的(de)新(xin)方程組(zu)，即(ji)廣(guang)為人(ren)知的(de)麥克(ke)(ke)斯(si)(si)韋方程組(zu)，具有(you)純場(chang)解決方案，即(ji)場(chang)以光(guang)速在空間運動。這(zhe)一綜合的(de)頂峰便(bian)是他得出(chu)的(de)結論：這(zhe)些電場(chang)和磁場(chang)里自我更新(xin)的(de)擾動就(jiu)是光(guang)——一個(ge)有(you)待經受時間考(kao)驗的(de)結論。對麥克(ke)(ke)斯(si)(si)韋來說，這(zhe)些充滿所有(you)空間并(bing)可以自己維(wei)持生(sheng)活的(de)場(chang)正是上帝榮(rong)耀的(de)一個(ge)明確標志：
“廣寬的行星(xing)際和星(xing)際區域將不(bu)再被(bei)視為(wei)宇宙中無(wu)用的場合，人(ren)們不(bu)再認為(wei)造物主還沒(mei)在他的王(wang)國里找(zhao)到合適的、具有多重象征的東西來填補其(qi)中。我們將發現，這(zhe)些場所已經充滿了這(zhe)種神奇的介質(zhi)。它們是(shi)如此豐盈，人(ren)類沒(mei)有任(ren)何力量(liang)可(ke)以(yi)將其(qi)從哪(na)(na)怕是(shi)最(zui)小的空間上移(yi)去，或(huo)在其(qi)無(wu)窮(qiong)的連續體上留下哪(na)(na)怕最(zui)輕微(wei)的缺損。”
愛因斯坦(tan)對以(yi)太的(de)認識是(shi)復(fu)雜(za)而且多變。在1905年(nian)發表的(de)《論動體的(de)電(dian)動力學》中這樣寫道：“引(yin)入‘光以(yi)太’將被證(zheng)明是(shi)多余的(de)，因為按照所要(yao)發展的(de)見解，即不(bu)需(xu)要(yao)引(yin)入一個具有特(te)殊性(xing)質的(de)‘絕(jue)對靜止空間’，也不(bu)需(xu)要(yao)給發生電(dian)磁過程的(de)真空中的(de)每(mei)一點規定一個速(su)度矢量。”
愛因斯坦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)強有力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宣示曾經讓很(hen)多物(wu)(wu)理(li)學(xue)家困惑不已(yi)。在(zai)1905年時(shi)，物(wu)(wu)理(li)學(xue)界(jie)面臨的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題不是(shi)沒有相對(dui)性理(li)論(lun)(lun)，而是(shi)有兩個相互矛(mao)盾的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對(dui)性理(li)論(lun)(lun)。一(yi)(yi)(yi)方(fang)(fang)面是(shi)力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對(dui)性理(li)論(lun)(lun)服從牛頓方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。另(ling)一(yi)(yi)(yi)方(fang)(fang)面是(shi)電磁的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對(dui)性理(li)論(lun)(lun)，服從麥克斯韋方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)組。進一(yi)(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究發(fa)現(xian)，需(xu)要調整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不是(shi)新生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電磁理(li)論(lun)(lun)，而是(shi)古老(lao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)牛頓力學(xue)理(li)論(lun)(lun)。在(zai)狹(xia)(xia)義(yi)相對(dui)論(lun)(lun)里(li)，麥克斯韋場方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)無需(xu)修改；相反，它們提供了(le)狹(xia)(xia)義(yi)相對(dui)論(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu)。事實(shi)上，狹(xia)(xia)義(yi)相對(dui)論(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)思想(xiang)幾乎要求充滿空間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)場，也正是(shi)在(zai)這(zhe)個意義(yi)上解釋了(le)它們為什(shen)么存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)由(you)。
早在1899年，德國人普(pu)朗(lang)克(ke)提出(chu)了第一(yi)個最終發展成(cheng)為量子(zi)力學的(de)(de)第一(yi)個概念(nian)。普(pu)朗(lang)克(ke)提出(chu)，原子(zi)可(ke)以(yi)與電(dian)磁場交換能量，也就是說(shuo)，可(ke)以(yi)發射和(he)吸收電(dian)磁輻射，譬如(ru)光(guang)，但只能以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)單(dan)位量的(de)(de)形式，或者說(shuo)以(yi)量子(zi)的(de)(de)形式進(jin)行(xing)。但普(pu)朗(lang)克(ke)的(de)(de)概念(nian)愛因(yin)(yin)斯坦(tan)不(bu)(bu)甚滿意，他(ta)假設，不(bu)(bu)僅原子(zi)發射和(he)吸收光(guang)（和(he)一(yi)般的(de)(de)電(dian)磁輻射）是以(yi)離(li)散(san)單(dan)位進(jin)行(xing)的(de)(de)，而且(qie)光(guang)本身就是以(yi)離(li)散(san)的(de)(de)能量單(dan)位出(chu)現的(de)(de)，并(bing)且(qie)帶(dai)著離(li)散(san)單(dan)位動量傳播(bo)。有(you)(you)了這(zhe)些擴(kuo)張，愛因(yin)(yin)斯坦(tan)能夠解釋更多的(de)(de)事(shi)實，并(bing)預言(yan)了新的(de)(de)現象——其中就包括(kuo)他(ta)于(yu)1921年獲(huo)得諾貝爾(er)物(wu)理學獎的(de)(de)主(zhu)要工(gong)作即(ji)有(you)(you)關(guan)光(guang)電(dian)效應(ying)的(de)(de)預言(yan)。但愛因(yin)(yin)斯坦(tan)明(ming)白：普(pu)朗(lang)克(ke)概念(nian)與現行(xing)物(wu)理定(ding)(ding)律(lv)不(bu)(bu)相符(fu)，但有(you)(you)效。現行(xing)的(de)(de)這(zhe)些物(wu)理定(ding)(ding)律(lv)一(yi)定(ding)(ding)有(you)(you)錯(cuo)！
如果光以能量(liang)和動量(liang)包的(de)形式傳播，那么，光本身以及這(zhe)些包看(kan)(kan)成是電磁粒子(zi)就自然(ran)而然(ran)了。場的(de)概念可能更(geng)方便(bian)，但(dan)愛因斯(si)坦從來不是一個(ge)貪圖方便(bian)而將(jiang)其當成原理的(de)物理學(xue)家。對他而言，空間充滿實體的(de)概念，就像(xiang)是以無限大的(de)速度經過某物卻看(kan)(kan)到(dao)它與靜止時(shi)看(kan)(kan)到(dao)的(de)一樣。
到1920年代，愛(ai)因斯(si)坦(tan)(tan)的(de)(de)廣義(yi)相對(dui)論(lun)問世后，他的(de)(de)態度發(fa)生了變化(hua)。事(shi)實(shi)上(shang)，廣義(yi)相對(dui)論(lun)更(geng)多(duo)的(de)(de)是一(yi)個基于(yu)以太(tai)(tai)的(de)(de)引力(li)場論(lun)。盡管如此，愛(ai)因斯(si)坦(tan)(tan)從未放棄對(dui)消除電磁以太(tai)(tai)的(de)(de)努(nu)力(li)。愛(ai)因斯(si)坦(tan)(tan)本人(ren)在(zai)1920年5月5日在(zai)荷蘭萊頓大學(xue)的(de)(de)演講中這樣說(shuo)道：
“如果我們(men)從(cong)以(yi)太假說的(de)觀點來考慮引力(li)場(chang)和電磁(ci)場(chang)，我們(men)就(jiu)會發(fa)現兩者之間(jian)有(you)一個(ge)明顯的(de)不(bu)同。可以(yi)說沒(mei)有(you)一種空(kong)(kong)間(jian)，也(ye)沒(mei)有(you)任何空(kong)(kong)間(jian)部分(fen)是(shi)(shi)沒(mei)有(you)引力(li)勢(shi)(shi)的(de)；因為這些引力(li)勢(shi)(shi)規定了空(kong)(kong)間(jian)的(de)度(du)規性質，而沒(mei)有(you)這些度(du)規性質則(ze)是(shi)(shi)根本(ben)無法想象(xiang)的(de)。引力(li)場(chang)的(de)存(cun)在于空(kong)(kong)間(jian)的(de)存(cun)在是(shi)(shi)直接(jie)相(xiang)關(guan)的(de)。但另一方面，在一部分(fen)空(kong)(kong)間(jian)內不(bu)存(cun)在電磁(ci)場(chang)則(ze)是(shi)(shi)完(wan)全(quan)可以(yi)想象(xiang)的(de)。”
歷史(shi)地看，狹義相對(dui)(dui)論肇始于電和磁(ci)的研究，導致了(le)麥(mai)克斯(si)韋(wei)的場論，但它(ta)又超越(yue)了(le)電磁(ci)理(li)論。它(ta)的本質是對(dui)(dui)稱性假(jia)設(she)：當你在(zai)具有(you)恒定(ding)相對(dui)(dui)速(su)度(du)(du)的兩個(ge)(ge)參(can)照(zhao)系(xi)考察同一(yi)(yi)物體(ti)時(shi)，物理(li)學定(ding)律(lv)應具有(you)同樣的形式。這一(yi)(yi)假(jia)設(she)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)普適性陳述，超越(yue)了(le)其電磁(ci)根源：狹義相對(dui)(dui)論的坐標變(bian)換對(dui)(dui)稱性適用于所有(you)的物理(li)學定(ding)律(lv)。狹義相對(dui)(dui)論的一(yi)(yi)個(ge)(ge)主(zhu)要(yao)的結果(guo)是存在(zai)有(you)限的速(su)度(du)(du)：光(guang)速(su)，即零(ling)質量粒子在(zai)真空(kong)中的傳播(bo)速(su)度(du)(du)。一(yi)(yi)個(ge)(ge)粒子對(dui)(dui)另(ling)一(yi)(yi)個(ge)(ge)粒子的影響不能傳播(bo)得(de)比光(guang)速(su)更快。
但是(shi)(shi)牛(niu)頓的(de)(de)(de)(de)萬有(you)引(yin)力定律——遙遠物體受到的(de)(de)(de)(de)引(yin)力與其當(dang)(dang)前(qian)距離的(de)(de)(de)(de)平方成反(fan)比(bi)就(jiu)不(bu)服從(cong)這(zhe)(zhe)一(yi)法則，所以(yi)它與狹義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)不(bu)相(xiang)(xiang)容。事實上，“當(dang)(dang)前(qian)”這(zhe)(zhe)個(ge)概念本身就(jiu)是(shi)(shi)個(ge)問題。對(dui)于靜止觀察者同(tong)時發生的(de)(de)(de)(de)事件對(dui)以(yi)恒(heng)定速(su)度移動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)觀察者來(lai)說將不(bu)會同(tong)時發生。愛(ai)因斯(si)(si)坦(tan)本人認為(wei)，推翻“當(dang)(dang)前(qian)”這(zhe)(zhe)個(ge)一(yi)般性概念，迄今為(wei)止仍然(ran)是(shi)(shi)達到狹義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)認識論(lun)的(de)(de)(de)(de)最為(wei)困(kun)難的(de)(de)(de)(de)一(yi)步(bu)。但是(shi)(shi)如(ru)果場服從(cong)簡單的(de)(de)(de)(de)方程組，那么(me)在(zai)存在(zai)有(you)限速(su)度的(de)(de)(de)(de)前(qian)提下，這(zhe)(zhe)種(zhong)從(cong)粒子描(miao)述到場的(de)(de)(de)(de)描(miao)述的(de)(de)(de)(de)轉換(huan)就(jiu)會變得(de)富有(you)成效(xiao)，這(zhe)(zhe)樣我們(men)可以(yi)從(cong)場的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)值計算(suan)出來(lai)它們(men)的(de)(de)(de)(de)未(wei)來(lai)值而不(bu)必考慮(lv)其過去的(de)(de)(de)(de)值。麥(mai)克斯(si)(si)韋電磁(ci)理論(lun)、廣(guang)義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)和量子色動(dong)(dong)力學(xue)都具(ju)有(you)這(zhe)(zhe)種(zhong)屬性。在(zai)廣(guang)義(yi)(yi)相(xiang)(xiang)對(dui)論(lun)里，愛(ai)因斯(si)(si)坦(tan)用彎曲(qu)時空的(de)(de)(de)(de)概念來(lai)構建他(ta)的(de)(de)(de)(de)引(yin)力理論(lun)。
我們回到標(biao)準模型：W和Z玻(bo)色(se)子(zi)，根據定(ding)義它們的方程組，它們本應(ying)該(gai)像光(guang)子(zi)和色(se)膠子(zi)一(yi)樣都是(shi)無質量的粒子(zi)。但物理學家們卻設(she)法讓W和Z玻(bo)色(se)子(zi)獲得(de)質量。而且他們也知道，在自然界里，還有(you)原子(zi)紅奇特的物理狀態也可以使無質量的受力粒子(zi)獲得(de)質量。使受力粒子(zi)變重的模型是(shi)超(chao)導電性。在超(chao)導體內，光(guang)子(zi)變得(de)沉(chen)重。
我們(men)知(zhi)道，光(guang)子(zi)在電(dian)(dian)場(chang)和(he)磁(ci)場(chang)中推動擾(rao)動。在超導體內，電(dian)(dian)子(zi)對電(dian)(dian)場(chang)和(he)磁(ci)場(chang)反應強烈。電(dian)(dian)子(zi)恢復平衡的能力非常(chang)強大，它們(men)能對場(chang)的運動施加一種(zhong)(zhong)遲滯作用(yong)。因此在超導體內，光(guang)子(zi)不是像(xiang)通常(chang)那(nei)樣按光(guang)速(su)運動，而是要緩(huan)慢(man)得多。就好像(xiang)它們(men)獲(huo)得了某(mou)種(zhong)(zhong)慣性。當你研究方程(cheng)時，你會(hui)發現(xian)，超導體內慢(man)下來的光(guang)子(zi)所服(fu)從的運動方程(cheng)與非零質量(liang)粒子(zi)的運動方程(cheng)是一樣的。
質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)一(yi)(yi)(yi)向被認為是物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)確定的(de)屬性，質(zhi)(zhi)(zhi)言(yan)之，質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)使物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)(ke)稱其為物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)特性。愛因(yin)斯(si)坦認為宇(yu)宙應有一(yi)(yi)(yi)個無論是在時間(jian)上還(huan)是在空間(jian)上都不變(bian)的(de)密度。但是，引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)普(pu)遍的(de)吸引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)，物(wu)(wu)體都不愿意分開。引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)總(zong)是試圖(tu)把物(wu)(wu)體合在一(yi)(yi)(yi)起。愛因(yin)斯(si)坦提出的(de)E=mc2可(ke)(ke)以看作(zuo)是他對牛(niu)頓萬有引(yin)(yin)(yin)力(li)(li)定律的(de)修正。但是，如(ru)果(guo)將這一(yi)(yi)(yi)公式轉換(huan)成m=E/c1，這一(yi)(yi)(yi)方程的(de)內在含(han)義變(bian)成了質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)等于(yu)所具有的(de)能量(liang)與常速光速的(de)平方之比。
量(liang)子色動力學是(shi)一種非常強(qiang)大的(de)理論。通(tong)過(guo)將無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)或幾乎無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)對(dui)象(xiang)諸如夸克、膠子的(de)計算能夠給(gei)出它(ta)們的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)，然(ran)而，這也當然(ran)不是(shi)任(ren)何意義上的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)，只是(shi)我(wo)們的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)，即組成我(wo)們自(zi)身的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子和中(zhong)子的(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)。也就是(shi)說(shuo)，量(liang)子色動力學方(fang)程組可以從無質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)輸入得到質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)輸出。那，這是(shi)為什(shen)么？
首先是(shi)夸克的色(se)荷產生一(yi)(yi)種(zhong)網格擾動(dong)(dong)(dong)——具體地說(shuo)，是(shi)膠子場(chang)擾動(dong)(dong)(dong)——這(zhe)種(zhong)擾動(dong)(dong)(dong)隨距(ju)離加大而增(zeng)長(chang)。就像一(yi)(yi)個奇異的風暴云(yun)團，它從最初的中心(xin)的一(yi)(yi)縷云(yun)煙發(fa)展成為一(yi)(yi)種(zhong)不(bu)祥(xiang)的雷暴云(yun)團。擾動(dong)(dong)(dong)場(chang)意味著將(jiang)其推向高能態(tai)。如果你持續擾動(dong)(dong)(dong)無(wu)限(xian)容量(liang)的場(chang)，所需的能量(liang)將(jiang)會變(bian)成無(wu)限(xian)大。
其(qi)次(ci)是可以通過(guo)讓一個帶相反(fan)色荷的(de)反(fan)夸(kua)克(ke)去(qu)接近夸(kua)克(ke)來迅速遏制(zhi)。然(ran)后，這兩個擾動源相互抵(di)消并恢復平靜(jing)。如果(guo)反(fan)夸(kua)克(ke)不(bu)偏不(bu)倚(yi)地正好位于(yu)夸(kua)克(ke)的(de)正上方(fang)，那么這種抵(di)消是徹底的(de)。這將會是膠子場的(de)擾動最(zui)小化：即“無”。但是徹底抵(di)消還需要付出代價：它源自夸(kua)克(ke)和反(fan)夸(kua)克(ke)的(de)量子力學性(xing)質(zhi)。
根據海森伯的(de)(de)不(bu)確定性原(yuan)理，要獲得準確的(de)(de)粒(li)子位置信(xin)息，就(jiu)必須(xu)讓(rang)粒(li)子具(ju)有很寬的(de)(de)動(dong)量范(fan)圍(wei)，特(te)別是要有粒(li)子的(de)(de)大(da)動(dong)量。但大(da)的(de)(de)動(dong)量意味著大(da)的(de)(de)能量。所以，更(geng)準確地(di)說，要使粒(li)子局域(yu)化(hua)，就(jiu)必須(xu)更(geng)多能量。
再次是我們(men)應(ying)(ying)該回到(dao)愛因斯坦的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)與(yu)能量(liang)(liang)(liang)關(guan)系方(fang)程中來考(kao)察(cha)。由于有兩(liang)種方(fang)向(xiang)相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)(de)互相(xiang)競(jing)爭的(de)(de)(de)(de)(de)作用，要(yao)消除夸(kua)(kua)克對場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)擾動，同(tong)時盡量(liang)(liang)(liang)減(jian)少能量(liang)(liang)(liang)，并使(shi)反夸(kua)(kua)克局域化(hua)，所以就必須賦予反夸(kua)(kua)克相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)活動余地。這樣(yang)雙方(fang)在彼此抵(di)消后的(de)(de)(de)(de)(de)總質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)不能為零，即m=E/c的(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)方(fang)。這樣(yang)我們(men)從無質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)輸入得到(dao)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)輸出。這同(tong)時也(ye)是質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)起源量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)解釋。
任意兩(liang)質點之(zhi)間(jian)的(de)萬(wan)有引(yin)力，就是組(zu)成物(wu)(wu)質的(de)粒子之(zhi)間(jian)通過交換“引(yin)力子”實現(xian)的(de)。而在廣義相對論中，物(wu)(wu)體之(zhi)間(jian)的(de)萬(wan)有引(yin)力則被認為是時(shi)空彎曲的(de)表現(xian)。物(wu)(wu)質的(de)存在使(shi)得它周圍的(de)時(shi)空發生彎曲，而物(wu)(wu)體在彎曲的(de)時(shi)空中沿測地(di)線運動，就自然地(di)表現(xian)為相互吸引(yin)。
牛頓萬有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)定律指出：兩個(ge)質點之間的(de)萬有(you)(you)引(yin)(yin)(yin)力(li)，與它(ta)們(men)的(de)質量乘積成(cheng)(cheng)正比，與它(ta)們(men)二者(zhe)之間距離的(de)平方成(cheng)(cheng)反比。它(ta)實際上(shang)是廣義相對論的(de)引(yin)(yin)(yin)力(li)理論在靜態弱引(yin)(yin)(yin)力(li)場中(zhong)低速(su)運動情況下的(de)一種近(jin)似。
萬有引力傳播的媒(mei)介子——“引力子”
1913年(nian)，偉大的(de)(de)(de)物(wu)理學家愛因斯坦(tan)(tan)提出了萬有(you)(you)引(yin)力(li)場論。愛因斯坦(tan)(tan)認為(wei)任何帶有(you)(you)質量的(de)(de)(de)物(wu)體周圍都(dou)存在有(you)(you)引(yin)力(li)場，引(yin)力(li)場是(shi)通過引(yin)力(li)波來(lai)傳(chuan)(chuan)播(bo)的(de)(de)(de)，引(yin)力(li)波像電(dian)(dian)磁波那樣通過媒介子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)播(bo)，我們都(dou)知道電(dian)(dian)磁波是(shi)通過光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)來(lai)傳(chuan)(chuan)播(bo)能(neng)量的(de)(de)(de)，因此它(ta)的(de)(de)(de)媒介子(zi)(zi)是(shi)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，引(yin)力(li)波在傳(chuan)(chuan)播(bo)能(neng)量的(de)(de)(de)過程中，同樣有(you)(you)媒介子(zi)(zi)的(de)(de)(de)作用，愛因斯坦(tan)(tan)把這(zhe)一(yi)媒介子(zi)(zi)稱之為(wei)引(yin)力(li)子(zi)(zi)。引(yin)力(li)子(zi)(zi)以(yi)光(guang)(guang)(guang)速傳(chuan)(chuan)播(bo)，它(ta)的(de)(de)(de)質量與光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)一(yi)樣為(wei)0。
經過這(zhe)么多年的探(tan)索，人們(men)一(yi)直沒能在宇宙中發現它的蹤影，我(wo)們(men)沒有足夠(gou)的證(zheng)(zheng)據(ju)證(zheng)(zheng)明它的存在，也沒有足夠(gou)的證(zheng)(zheng)據(ju)否認它的存在。因此，探(tan)索引力子是否存在成為科學界的一(yi)大難題。
雖(sui)(sui)然(ran)引(yin)力(li)(li)子(zi)在宇宙(zhou)中無處不在，但探索(suo)之路仍然(ran)是舉步維艱。有學者(zhe)認為(wei)，引(yin)力(li)(li)之微弱表(biao)明(ming)，其媒介子(zi)引(yin)力(li)(li)子(zi)幾乎不與其它的(de)物質(zhi)發(fa)生反(fan)應，這(zhe)是我們(men)長期探測不到它的(de)原由(you)，這(zhe)個理由(you)雖(sui)(sui)然(ran)很有說(shuo)服力(li)(li)，但也不足以證明(ming)引(yin)力(li)(li)子(zi)是存在的(de)事實。
試圖找到(dao)一種更有說服力(li)的(de)方法，就是證明(ming)(ming)引(yin)力(li)波(bo)的(de)存在(zai)，從而間接的(de)證明(ming)(ming)引(yin)力(li)子(zi)(zi)的(de)存在(zai)。如果可以證明(ming)(ming)宇宙中有引(yin)力(li)波(bo)存在(zai)，那么引(yin)力(li)波(bo)必定有與(yu)之對應的(de)媒介子(zi)(zi)引(yin)力(li)子(zi)(zi)來傳遞能(neng)量。
引(yin)力(li)波(bo)在宇宙中(zhong)是普(pu)遍存在的，星(xing)體的加速旋轉，相撞，吞并(bing)等都可(ke)以使引(yin)力(li)場發生擾動(dong)并(bing)產生引(yin)力(li)波(bo)，但由于引(yin)力(li)波(bo)與(yu)引(yin)力(li)子一樣(yang)很難與(yu)其它物質(zhi)發生反應，以至(zhi)于至(zhi)今我(wo)們無法探(tan)測它的存在，只(zhi)能間接地通過觀測行星(xing)發生引(yin)力(li)輻射，而導(dao)致(zhi)周期的變化證實它的存在。
引力輻射(she)是引力波(bo)的另一種稱呼，它(ta)是指引力波(bo)從星體或星系(xi)中輻射(she)出來的現象，如果證(zheng)明了引力輻射(she)的存在就等于證(zheng)實了引力波(bo)的存在。
為(wei)什么這樣說呢(ni)？
引力輻(fu)射(she)是一種能量(liang)的(de)輻(fu)射(she)。假(jia)如(ru)一個行(xing)(xing)星(xing)(xing)圍繞(rao)恒(heng)(heng)星(xing)(xing)運(yun)動(dong)(dong)，恒(heng)(heng)星(xing)(xing)的(de)旋轉會(hui)伴隨有引力輻(fu)射(she)的(de)發生，使得行(xing)(xing)星(xing)(xing)的(de)運(yun)轉軌(gui)道發生變化，其主(zhu)要變化特征(zheng)表現在(zai)行(xing)(xing)星(xing)(xing)運(yun)動(dong)(dong)周(zhou)期的(de)減小(xiao)，如(ru)果行(xing)(xing)星(xing)(xing)的(de)運(yun)動(dong)(dong)周(zhou)期減小(xiao)，那么就(jiu)能說明引力輻(fu)射(she)的(de)發生。
這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang)在1974年，被赫爾(er)斯和泰勒二人所證實。他們對(dui)脈沖雙星(xing)PSR1913+16進行觀測(ce)，發現(xian)它們的公轉周期變(bian)小率為（-2.40±0.09）×10-12，這(zhe)個數值與廣(guang)(guang)義相(xiang)對(dui)論的計算符合的很好，廣(guang)(guang)義相(xiang)對(dui)論的預言值為（-2.403±0.002）×10-12，這(zhe)一(yi)點(dian)充分證明(ming)了引力(li)輻射的存(cun)在。
引(yin)力(li)輻射的存(cun)在(zai)，意味著引(yin)力(li)波在(zai)宇宙(zhou)中是存(cun)在(zai)的，并(bing)且無所(suo)不在(zai)。同(tong)時也(ye)證明了引(yin)力(li)波的媒介子引(yin)力(li)子的存(cun)在(zai)。
通過這些(xie)論斷(duan)，可以證(zheng)明(ming)引力子(zi)(zi)在(zai)宇(yu)宙(zhou)中(zhong)是必(bi)定(ding)存在(zai)的，只不過我們無法探測到(dao)。引力子(zi)(zi)的無法探測性，其實并不影(ying)響(xiang)我們尋求(qiu)量子(zi)(zi)引力理論，因為量子(zi)(zi)引力理論建立的基礎是場，而不是粒子(zi)(zi)。
牛頓的萬有引力定律很好(hao)地解釋了地面上(shang)(shang)物體(ti)(ti)所受的重力、海洋的潮汐和(he)行星與天(tian)(tian)體(ti)(ti)的運動(dong)，把(ba)天(tian)(tian)上(shang)(shang)的運動(dong)和(he)地上(shang)(shang)的運動(dong)統一了起來(lai)，具有非(fei)常(chang)重要的意義。但讓牛頓感到遺憾的是，他一直(zhi)沒能解釋清楚兩(liang)個有質量的物體(ti)(ti)之間為(wei)什么會有引力？這個問題(ti)被愛(ai)因斯坦的廣義相對論很好(hao)地解決了。
廣(guang)義相(xiang)對(dui)論(lun)(lun)實(shi)際上就是(shi)關于(yu)萬有引力(li)本質的(de)(de)理論(lun)(lun)。它認(ren)為(wei)(wei)(wei)，一個有質量(liang)的(de)(de)物(wu)體(ti)，會使它周(zhou)圍的(de)(de)時(shi)空發生彎(wan)曲(qu)，在(zai)這個彎(wan)曲(qu)的(de)(de)時(shi)空里，一切物(wu)體(ti)都(dou)將(jiang)自然地沿測地線(xian)（也(ye)叫做“短程線(xian)”）運動，而表現為(wei)(wei)(wei)向一塊靠(kao)攏。我們看不(bu)到(dao)時(shi)空的(de)(de)彎(wan)曲(qu)，只看到(dao)物(wu)體(ti)在(zai)互相(xiang)靠(kao)攏，就認(ren)為(wei)(wei)(wei)它們之間存(cun)在(zai)著一種(zhong)“萬有引力(li)”，實(shi)際上物(wu)體(ti)之間表現出來的(de)(de)這種(zhong)萬有引力(li)，并(bing)不(bu)是(shi)一種(zhong)真正的(de)(de)力(li)，而是(shi)時(shi)空彎(wan)曲(qu)的(de)(de)表現。
三維(wei)時(shi)空(kong)的彎曲(qu)我們(men)不好想象，但(dan)是可以降(jiang)一(yi)維(wei)（在(zai)二維(wei)平(ping)面上(shang)）做個(ge)比喻。設(she)想有一(yi)塊(kuai)布(bu)把它(ta)懸(xuan)空(kong)展平(ping)，上(shang)面放一(yi)個(ge)小(xiao)球，它(ta)就(jiu)會(hui)把布(bu)壓彎，在(zai)另(ling)一(yi)個(ge)地方再(zai)放一(yi)個(ge)小(xiao)球，它(ta)也會(hui)把它(ta)周圍的布(bu)壓彎。我們(men)看到，這(zhe)兩個(ge)小(xiao)球就(jiu)會(hui)自然地向一(yi)塊(kuai)靠攏，這(zhe)是它(ta)們(men)在(zai)沿各自的測地線運(yun)動的結果(guo)。我們(men)看不到布(bu)的彎曲(qu)，只看到小(xiao)球在(zai)向一(yi)起靠攏，就(jiu)說它(ta)們(men)之間有個(ge)引力(li)存在(zai)，其實它(ta)只是時(shi)空(kong)彎曲(qu)的表現而已。
這(zhe)種解釋在(zai)水星近日(ri)點的(de)進動、光線(xian)在(zai)引力(li)(li)場中的(de)彎曲、引力(li)(li)紅移等問(wen)題上得(de)到了(le)很好(hao)的(de)檢(jian)驗(yan)，其后在(zai)大量更精密(mi)的(de)實驗(yan)中得(de)到了(le)進一(yi)步的(de)檢(jian)驗(yan)，與實驗(yan)符合得(de)很好(hao)。廣(guang)義(yi)相對論被認(ren)為是一(yi)種最好(hao)的(de)萬有引力(li)(li)理(li)論。
中國科(ke)學家測得(de)引力(li)傳(chuan)播速度(du)。
經(jing)過10多年(nian)的持續探(tan)索，中(zhong)國科學(xue)家在世界上成功獲(huo)得“引力場(chang)以光速傳播”的第一個觀測證(zheng)據。這項原始(shi)創新成果，實現(xian)了物理(li)學(xue)界多年(nian)來對(dui)通過實驗(yan)或觀測獲(huo)得引力場(chang)傳播速度的期待，對(dui)引力場(chang)的理(li)論和實驗(yan)研(yan)究具有(you)重要意(yi)義。
中(zhong)(zhong)國科學(xue)院(yuan)地(di)質與地(di)球物(wu)理研(yan)(yan)究所26日(ri)下午在北京對外宣布，由該(gai)所湯克云研(yan)(yan)究員領銜、中(zhong)(zhong)國地(di)震(zhen)局和中(zhong)(zhong)國科學(xue)院(yuan)大學(xue)有關科研(yan)(yan)人員組成的科學(xue)團(tuan)組，經過(guo)10多年(nian)的持續探索在實施(shi)多次日(ri)食期間的固體(ti)(ti)潮(chao)觀測(ce)后(hou)，發現(xian)現(xian)行(xing)地(di)球固體(ti)(ti)潮(chao)公式實際上暗含著(zhu)引(yin)力(li)場以(yi)光速傳(chuan)(chuan)播(bo)的假定，從而提(ti)出用固體(ti)(ti)潮(chao)測(ce)量引(yin)力(li)傳(chuan)(chuan)播(bo)速度(du)的方法。
湯克云科學團(tuan)組(zu)先后實施(shi)1997年(nian)(nian)漠(mo)河日(ri)(ri)全食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)、2001年(nian)(nian)贊比亞(ya)日(ri)(ri)全食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)、2002年(nian)(nian)澳大利(li)亞(ya)日(ri)(ri)全食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)、2008年(nian)(nian)嘉峪關(guan)日(ri)(ri)全食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)、2009年(nian)(nian)上海-杭州-湖州日(ri)(ri)全食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)和2010年(nian)(nian)云南大理日(ri)(ri)環食(shi)(shi)觀(guan)測(ce)，主要是(shi)重力固體潮觀(guan)測(ce)。
中(zhong)國科(ke)學家們(men)觀(guan)測研究發現(xian)：現(xian)今固體潮(chao)理(li)論公式中(zhong)隱(yin)含著(zhu)引(yin)力(li)(li)場以光速傳播(bo)的(de)假定，進而導出引(yin)力(li)(li)傳播(bo)速度(du)方(fang)程，并找到求解(jie)引(yin)力(li)(li)場速度(du)的(de)有效方(fang)法。湯克云科(ke)學團組隨后選擇遠離太(tai)平洋、大西洋、印(yin)度(du)洋和北冰洋的(de)西藏獅泉(quan)河站和新(xin)疆烏什(shen)站的(de)固體潮(chao)數(shu)據作相關校正(zheng)后，代入引(yin)力(li)(li)傳播(bo)速度(du)方(fang)程，最終獲得全球“引(yin)力(li)(li)場以光速傳播(bo)”的(de)第(di)一個(ge)觀(guan)測證據。
專家(jia)介紹說，牛頓的(de)萬有引力(li)(li)(li)定(ding)律表明，引力(li)(li)(li)傳(chuan)播是(shi)一(yi)種超距作用(yong)，引力(li)(li)(li)可以在(zai)瞬間傳(chuan)播至任意遠處，愛因(yin)斯坦則認(ren)為(wei)牛頓的(de)超距作用(yong)應該放棄。一(yi)直以來，整個物理學界(jie)都在(zai)期待(dai)著通(tong)過實驗(yan)或觀測獲得引力(li)(li)(li)場傳(chuan)播的(de)速度，但此(ci)前均未(wei)找(zhao)到正確的(de)實驗(yan)或觀測方法(fa)。
歲月靜好
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