第1章 如何認識我們自以為已經知曉的事物？

如果科學家們聲稱他們知曉原子內部的情況，或者說他們知曉宇宙產生的最初3分鐘內所發生的事情之時，他們的本意是什么呢？他們的意思是，有一個所謂的原子的，或是早期宇宙的，又或者任何使他們感興趣的東西的“模型”，而且這個模型同他們的實驗結果或他們對世界的觀察相吻合。這種科學模型和我們通常所說的航模之屬不同。飛機模型表現的是真正的飛機，是對實物的物理呈現，但科學模型是一種抽象的想象圖景，可以通過一套數學方程式來描述。例如，我們呼吸的空氣由原子和分子構成，它們可以用某種模型來描述。在這個模型中，我們把每個粒子都想象成一個具有絕佳彈性的小球（好比撞球），所有小球都既相互碰撞，也會與容器壁撞擊，從而不斷反彈跳動。

這是一種想象的圖景，但僅僅是模型的一半。這些小球運動和相互撞擊的方式是通過一套物理定律來描述的，這些物理定律又以數學方程式的形式記錄下來，這使其成為一個真正的“科學”模型。在這個問題上，最基本的定律是艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在300多年前發現的運動定律。使用這些數學定律，我們就可以計算出當一種氣體的體積被壓縮到一半時其壓強是多少。如果你做個實驗，得到的結果與該模型的預測相符合（在這個問題中，壓強應當加倍），那么這個模型就是正確的。

當然，這種標準的氣體模型將氣體描述為相互撞擊的小球，與牛頓定律相一致，并能做出正確的預測，對此我們不應感到驚訝。因為，科學家是先做了實驗，之后才設計，或者說構造了該模型，以便與實驗結果相匹配。接下來的科學步驟就是使用這樣一種通過測量得出的模型來預測（進行精確的數學預測）在其他不同的實驗中，同樣的系統將會出現什么情況。如果該模型在新的環境下做出了“正確的”預測，那么就可以表明這是一個正確的模型；可是，即使預測不準，我們也大可不必將其完全否定，因為它仍然能向我們揭示早先實驗中一些有用的東西；當然，無論如何，它的應用是受限的。

其實，所有科學模型的應用范圍都是有限制的。沒有任何一個模型稱得上是“終極真理”。把原子視為具有絕佳彈性小球的模型，對于計算在不同環境下氣體壓強的變化十分有效。但是如果你想描述原子放射和吸收光線的方式，你則需要另一個模型。這個模型中的原子至少有兩個組成部分，一個是位于中央的微小的原子核（出于某種原因，該原子核本身也可以被視為一個具有絕佳彈性的小球），另一部分則是環繞在原子核周圍的電子云?？茖W模型是對現實的表現，但并不是現實本身。無論這些模型多么好用，無論它們在合適的條件下的預測結果多么準確，我們始終還是應當把它們視為現實的近似和想象的輔助手段，而不是終極真理。如果科學家告訴你原子核是由一些稱作質子和中子的粒子組成的，實際上他們是說：在某些情況下，從原子核的表現來看，它“似乎”是由質子和中子構成的。優秀的科學家時刻會想到“似乎”二字的存在，而把模型的的確確只看作模型；但平庸的科學家則經常忘記這一關鍵的差別。

平庸的科學家和眾多偽科學家還存在另一個誤解。此輩常常以為，現今科學家的作用就是做實驗，以證明他們模型的精確度越來越高，即其數值在小數點后的數位多多益善。事實絕非如此！之所以要針對模型所做的未曾驗證的預測進行試驗，是因為要找到這些模型的疏漏之處。一流物理學家總是希望查找到他們模型中的缺陷，因為這樣的缺陷——即模型無法準確預測或是無法詳加解釋說明的情況，可以為我們指明究竟在哪些方面我們需要獲得新的認識，同時提供更好的模型，以便取得進展。這方面，一個典型的例子是引力論。從17世紀80年代直到20世紀初，在長達兩個多世紀的時間里，艾薩克·牛頓的萬有引力定律一直被認為是最深刻的物理學發現。但是，也曾存在過幾個似乎很小而牛頓模型又無法解釋（或預測）的問題，這包括水星的軌道，以及光線經過太陽發生彎曲的現象。阿爾伯特·愛因斯坦基于廣義相對論提出的引力模型，則不僅能解釋牛頓的模型所能解釋的一切，還能解釋上面所說的諸如行星軌道和光線彎曲等微妙的細節問題。在此意義上，愛因斯坦的模型比舊的模型要好，它能做出舊的模型所無法做出的正確預測（尤其是關于宇宙整體的預測）。但是，當我們需要計算探月飛船的軌道時，僅僅用牛頓的模型就足夠了。使用廣義相對論我們也能進行同樣的計算，但那樣算起來更麻煩，得到的結果卻是一樣的，所以，誰愿意費那個事呢？

本書的大部分內容都是關于我們認為我們已知的東西——即到目前為止驗證都成立的模型，但同時這些內容又涉及最前沿的科學，這里還有好多實驗要做。可以肯定的是，根據進一步的實驗，以及對宇宙的觀測，這些模型中會有一些需要修正。而且很可能，其中的一些必須全盤拋棄，代之以全新的觀察事物的方式。從這一方面看，科學研究和歷史學家以及傳記作家對待羅伯特·胡克（Robert Hooke）的方式倒沒有大的不同。近來，對于這位17世紀科學革新的關鍵人物，歷史學家以及傳記作家需要改變他們的看法（我們姑且可以看作是修改他們的模型）。之所以這么做，是因為他們找到了一份失蹤好幾個世紀的關鍵檔案，該檔案詳細描述了胡克科學生涯中發生的一些大事。發現了新證據，往往要求修正舊觀念。

但是，要想描述21世紀科學會朝哪個方向走，我們需要從我們自以為“已知”的事物出發——這些已知的事物就是“模型”，尤其是20世紀所建立的模型。這些模型與實驗和觀察的結果非常吻合，科學家對于它們非常有信心，就像相信氣體小球模型（在其所已知的限制內），或是牛頓引力模型。這些模型像牛頓模型一樣，能近乎完美地描述已知可應用的特定范圍內這個物理的宇宙。同樣重要的是，我們如同了解牛頓模型一樣了解這些模型應用的限度何在。

物理學家喜歡將這些成功地描述世界（或世界的某些具體特征）的學說稱作“標準”模型。氣體小球模型（也稱作氣體動力學說，因為它的內容是關于運動的粒子）就是一種標準模型。但是，如果物理學家談起那個特定的標準模型，他們指的是20世紀偉大的科學成就之一。該模型描述了亞原子粒子運動特征和它們之間的力。而且重要的是，這一模型的構建始于20世紀20年代，當時丹·尼爾斯·玻爾（Dane Niels Bohr）提出了一種新的原子模型。在拙作《尋找薛定諤的貓》一書中，我詳細描述了量子物理學的歷史發展，此處就不贅述了。不過，粒子物理學標準模型完全基于量子物理學，因此這里還是有必要簡要回顧一下。乍一看，一些讀者可能覺得這里的內容有些熟悉。但是，希望大家能耐心讀下去，因為我希望我這里所講的事情和大家認為自己所熟悉的版本會有所不同。

物理學這一新的科學領域最早的發現是由德國科學家馬克斯·普朗克（Max Planck）在20世紀初做出的。普朗克發現，要想解釋熾熱物體為何會發光，只能將光看作是通過一個個的團塊發出的，這種小能量團塊稱作“量子”。當時，科學家一般將光看成一種波或電磁振動，因為許多實驗觀測的結果和光的水波模型所做的預測較為吻合。起初，普朗克本人和其同時代的人都未曾想到過光會以一個個能量團塊的形式存在，只是想到物質屬性——即原子——只能以確定的量被放射或吸收。你可以拿滴水的水龍頭作一個類比。水以水滴形式從水龍頭滴落的現象，并不表明水槽中的水也只能以獨立的水滴形式存在。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦是現代科學史上第一個認真考慮光是否能以微小的光粒子（即光子）形式存在的人，而且在接下來的十來年里，他一直屬于少數派。不過，一些實驗結果表明，光的特性確實能和粒子模型的預測吻合起來。因此，光的粒子模型應該也是有效模型！從未有過任何實驗能證明光同時具有波粒二重性。但是，根據實驗性質不同，光的特性卻能和這兩種模型中任何一種預測保持一致。厘清這一點很有必要，因為這充分說明了科學模型的局限性。我們不能說（或認為）光是波，或是粒子。我們只能說，在適當的條件下，光表現得似乎是波，或似乎是粒子——正如在某些情況下，原子表現得似乎是堅實的小球，而在另外一些情況下它似乎是周圍包裹著電子云的原子核。這并不自相矛盾。此處的局限在于我們所建立的模型以及人類想象力的限制，因為我們試圖描述的事物，和我們的感官所體驗到的完全不同。當我們在想象光何以具有波粒二重性時所感到的困惑，也頗有幾分像美國物理學家理查德·費曼的話所表述的那樣，是“試圖用熟悉方式看待光的難以抑制卻又徒勞無益的意愿的反映”。光實際上是一種可以用數學方程式有效表述的量子現象，只不過用我們頭腦中的通常觀念無法窺探其廬山真面目罷了。整個量子世界便是如此。尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）對物理學的首個重大貢獻就是將量子物理數學整合成原子模型，而不在意這一模型能否為通常觀念所理解。

20世紀之初，科學家們已然知曉地球萬物皆由原子構成，每種原子構成各自的化學元素——氧原子、金原子、氫原子，如此等等。他們還知曉原子也并非如先前所認為的那樣是不可分割的，在適當的環境下，其中稱為電子的部分是可以被分離出來的。那時，人們傾向于將電子模型表述為微小粒子，而且實驗也顯示，電子的確表現得像微小粒子。玻爾解開的謎題是，光是以何種方式被個別不同種類的原子所放射（吸收）的。相比于普朗克對不同原子所構成的發光體發出的光所進行的研究，他的研究更加精細了?？梢姽獾墓庾V涵蓋了彩虹的所有顏色（彩虹實際上就是一種光譜）。然而，如果將一種純凈的化學元素在火焰中加熱，它便會輻射出非常準確的波長（或稱之為色彩），在光譜中產生一條光帶。以鈉為例，其輻射的色彩就是彩虹中處于橘黃色的部分。而且，每種化學元素（即每種原子）各自產生出與眾不同的光帶，像指紋和條碼一樣獨一無二。彩虹的多姿多彩正是陽光是由不同種類原子所放射出的不同波長色光組成的緣故。通常，各種色光混雜在一起會呈現出白色光，但是，正如牛頓用棱鏡片所做的研究那樣，當陽光經過雨滴的折射，這些顏色便被分離出來。

因為光是能量的一種形式，所以由原子放出的光中的能量必須來源于原子（能量不可能憑空生成，這是物理學最基本的定律，盡管我們以后將會看到，即便是這條定律也存在其局限性）。玻爾意識到，能量來源于原子外部電子的重排。電子攜帶負電荷，而原子核攜帶正電荷，因而電子受到原子核的吸引，正如地球上的物體被引力吸引一樣。假如你搬動一件重物上樓，你就必須做功（加入能量）才能移動這一重物遠離地心。假如你將其從樓上窗戶拋下，能量就被釋放了，先是轉化為下落物體的動能，然后落地時化為熱能，使撞擊點的地表輕微升溫，因為原子和分子會因撞擊而輕微地震蕩四散。玻爾提出，如果原子外部的電子朝向原子核運動，靠近原子核，就會釋放出能量（比如光）。如果較接近原子核的電子吸收了能量（或許是從光中，或者因為原子受熱），它會向原子核外圍躍動。但是，能量為何總要以某種確定的波長，以確定的量釋放或者吸收呢？

玻爾創立的模型中，將電子想象成環繞原子核運動，正如行星圍繞太陽運動一般。然而，原則上講，行星可以在任何距離上繞日運轉，但是電子不同。玻爾認為，電子有其特定運行方式——這就好比是說某顆行星可以處于軌道地球或者火星軌道，但不能位于兩者軌道之間。之后，他提出，電子可以從一個軌道躍遷至另一軌道（正如火星躍遷至地球軌道上），并且在這一過程中釋放出確定數量的能量（對應確定的光波波長）。然而，它不能躍遷至軌道之間的軌道，并且釋放出兩者之間的能量，因為不存在這種軌道之間的軌道。當然，這一理論有以光譜研究為基礎的合理數學模型的支持，而且進一步的實驗與觀測（結果）也證明了這一物理理論。盡管玻爾“量子化”軌道理論以日常的經驗無法理解，但重要的是，他創立了一個能夠準確預測原子譜線在光譜中位置的模型。同樣令人迷惑不解的是，根據這一模型，似乎電子可以不必經過軌道之間的空間而變換軌道，它可以瞬間在某一軌道消失，同時瞬間在另一軌道出現。科學家們也是過了很久才得其要領，但玻爾卻明言，不循常理的模型未必不是好模型；模型所要做的就是做出符合實驗結果的預測（以可靠的數學計算和物理觀測為基礎）。

現在看來，玻爾的原子模型被視為離奇而老套。自玻爾時代以來，物理學家對電子的觀點已與時俱進了許多。尤其是自20世紀20年代，在某些實驗環境中電子表現得似乎像波一樣。正如光一般（而且也正如量子世界的其他實體一樣），電子也具有波粒二象性。我們不能統而言之，它是波，抑或是粒子，僅僅因其行為忽而（以可預測的方式，而非隨意為之）像波，忽而又像粒子。于是有人便想象，原子中的電子位于環繞原子的混沌而分散的電子云中，電子云能量可以發生更微妙的改變，而不再是僅僅由電子這種微小粒子軌道的變換而發生變化。這是一種更為復雜的模型，但能很好地解釋原子是如何合成分子的，因而成為全面理解現代化學之基礎。但是，正如計算月球太空探測器的軌道僅靠牛頓模型足矣，因而如果要解釋我們日常所見的“熱”的物體，比如鈉（或者甚至是太陽）的光譜線，玻爾模型仍然說得通。舊有模型不會消亡，它們只是適用范圍受到了限制。

由于標準模型認為電子是構成物質的基本元素之一——小得無法再小了，因而我們目前對電子的所知所解也就只有這么多了。不過，對于原子核來說卻并非如此。標準模型不但“解釋”了——即給我們提供了一個能有效描述的模型——原子核究竟為何物，也讓我們得以窺探我們通常所認為的粒子等基本實體間的相互作用力。

每當我們談到電子等基本實體之時，至少在某些時候，是難以回避使用“粒子”這一術語的，但也不要總是斤斤計較，試圖限定這一術語的正確含義。因而，有一點很重要，那就是使用這一術語，并不意味著這些實體僅僅應被視為堅實的小球或者能量與物質在某一點的匯聚。在某些實驗中，粒子的確表現得如此這般，但在其他實驗中卻不盡然?！安６笮浴边@一術語本欲用來轉達量子物體的波粒雙重屬性之含義，但我并不認為這一術語真的做到了詞達義切。另一方面，物理學家們確實有關于“作用力”這一術語的極其正確的替代詞匯，因為在日常詞匯中，量子“作用力”與量子“粒子”一樣是很生澀的詞匯。

我們都熟知自然界的兩種作用力——引力和電磁力。我們感覺得到地球在留住我們，而且我們也體驗過磁鐵吸起金屬物體，或者用塑料梳子與頭發摩擦產生的靜電吸起紙屑?？墒?，正如那些例子所顯示的，力總是作用于兩個（或者更多）物體之間——地球拉住我們，磁鐵吸住鐵釘。物體間存在相互作用力，這便為物理學家們提供了絕好的術語——“相互作用力”——來描述這一物理現象。從現有的例子來看，在日常生活中我們似乎能感覺到存在著3種不同的相互作用力，因為從表面上看，磁力和電力具有不同的屬性。但是，蘇格蘭人麥克斯韋[全名詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）]于19世紀秉承了倫敦人邁克爾·法拉第（Michael Faraday）之研究，建立了能以一個模型貫穿電和磁的方程式。電和磁實際上是相同相互作用力的不同方面，正如一枚硬幣的兩面。

不過，在引力作用與電磁作用之間，確乎存在著好幾種實質性的、重要的區別。與電磁力相比，引力極其微弱。例如，使鐵釘落向地面需要整個地球的引力，而一個兒童玩具磁鐵便可輕易克服這引力而吸起鐵釘。因為電子與原子核都帶有電荷，而且作用于單個原子的引力又微弱得可以忽略，因而原子間主要的相互作用便是電磁作用。因此，是電磁力使閣下得以渾然一體，且使閣下筋脈舒張。你從桌上拿起一個蘋果，那是你肌肉中的電磁作用力克服了蘋果與整個地球之間的引力作用。承蒙電磁作用，閣下的的確確是具有超越行星引力的力量。

然而，引力盡管微弱，其作用距離卻很遠。太陽與行星間的相互作用力使得行星沿軌道運動，同樣，太陽本身也是一個由上千億顆恒星組成的碟形星系的一部分，這一系統直徑差不多有十幾萬光年，依靠引力維持而圍繞中心旋轉。原則上，電磁作用力的作用距離也較遠。但是，電磁力與引力的另一個區別就是它們的作用方式各異，并會彼此抵消。在原子中，原子核的正電荷被電子的負電荷抵消，因此，從比原子的規格更大一些的范圍看，原子似乎是電中性的，沒有額外電荷。同樣，北磁極總是與南磁極相對，而且盡管像太陽與地球等天體磁場確實在空間中有一定程度的延伸，但在整個宇宙范圍并不存在將天體拉近或推離的多余磁力。

這便是電磁力相區別于引力的另一方面。引力總在吸引。我們早在孩提時代試圖將兩塊同極性的磁體對在一起時，便已經發現了同極相斥、異極相吸的這一奧妙。因而，即便在物理學家們試圖探索量子領域之前，他們就知道相互作用（力）的作用距離大小不一，它們與各種不同的電荷相聯系，或相互吸引，或相互排斥。更為蹊蹺的是，我們發現，相互作用對不同物質的影響方式并不相同。引力似乎無所不在，并作用于一切。但是，電和磁作用力僅僅作用于某幾種物體。這些特性在物理學家深入原子核內部進行研究時也發揮了各自的作用。

他們研究原子核內部的方法是用粒子或者亞原子粒子束轟擊原子核，并且測量它們碰撞后彈開的方式。轟擊粒子的能量越強，被轟擊粒子的情況就能被揭示得越深入。起初，在20世紀早期，是利用天然輻射產生的粒子來進行這樣的實驗。隨著科技的進步，這一技術得到了改進，人們可以用粒子加速器的磁場將電子等粒子加速到極高的能量。這引致大型加速器的發展，例如，位于日內瓦的歐洲粒子物理研究所（CERN，或稱歐洲核子中心）等進行的物質本質以及作用力（自然力）的尖端研究如今正方興未艾，本書將在以后章節敘述。

繼劍橋大學于20世紀20年代在實驗中發現了原子核之后，在20世紀20年代更進一步揭示出原子核像一個由質子和中子構成的小球，這兩種粒子像被緊密壓縮在一起的成串葡萄。最簡單的氫原子的原子核實際上只有單一的質子，但是其他的原子核卻含有中子和質子——如最普通的鈾原子便有92個質子和146個中子。每一個質子都具有一定數量的正電荷，每一個電子也都帶有相同數量的負電荷，因此在電中性的原子中質子數與電子數是相同的。每一個中子，正如其名，都是電中性的。顯而易見的問題是，所有正電荷的質子之間相互排斥作用為何不會將原子炸得四分五裂？后來由實驗所證明的顯而易見的答案是，必定有某種不為人知的吸引作用（力）克服了原子中粒子之間的排斥力，將原子核保持為一體。因為這一相互作用較電磁相互作用強，因此它被認為是強相互作用（或強核力）。而且，既然其作用力在原子核之外無從探知，那么其作用距離顯然很短，僅在原子核這么大范圍之內。這便是為何不存在比鈾更大的原子之緣故。我們可以這樣設想，假如你想要將多于240個質子和中子塞到一起，小球對面的質子仍然會因電磁作用而相互排斥，但是它們卻因距離太遠而感受不到強作用力的吸引。

要想探究質子和中子（統稱核子）內部，就必須有非常之高的能量，人們從20世紀30年代直至20世紀60年代，積幾十年之功，才獲得了探明這些粒子內部的可靠模型。其呈現出的圖景吻合這樣一個模型：核子由3個真正的基本實體組成（與電子一樣的基本實體），稱為夸克。質子與中子的實驗研究支持這一模型的預測，這一模型中存在兩種夸克，稱為“上夸克”和“下夸克”。質子被認為是由2個上夸克和1個下夸克構成，而中子則由2個下夸克和1個上夸克構成。每個下夸克分配到1個電子1/3的電荷，每個上夸克分配到1個質子2/3的電荷，這些數加在一起，就是我們觀察到的質子以及中子的電荷。

但是，為何我們從來沒有探測到獨立的夸克，以及帶有“部分”（即非整數的）電荷的粒子呢？夸克模型說明了這一現象（實驗也支持這個說法），即成對的或者3個一組的夸克被相互作用力“禁錮”在如質子和中子這樣的復合粒子之內，該作用力隨著夸克間距離的增加而增強。引力和電磁力都隨距離增加而減弱，但是有一種力，隨著距離加大反而會增強，對這種力我們都很熟悉。比如，我們在拉長有彈性的皮筋時，拉得越長，它的反作用力就越大，直到斷裂?？淇怂坪跏且揽繌椥运缮⒌嘏c緊鄰的夸克相互維系而繞原子核飛速運動，但是只要它想脫離其他夸克，便會立即被拉回來。皮筋這個比方甚至一直到崩斷都適用于解釋夸克的特性。如果施加足夠的能量去移開其中的某一個夸克——例如，該個夸克在加速器實驗中被一個快速移動的粒子從外部擊中——那么，它與周圍夸克之間的相互作用力將的確會遭到破壞。然而，根據愛因斯坦著名的方程式E=mc2，這種情形只有在具有足夠的額外能量（E），從而能產生兩個新夸克（每個都具有質量m）的情況下才可能發生。所有額外能量都用來產生那些新夸克，每次打破粒子，破裂的兩端各會產生一個新夸克，因此我們仍然不能探測到單獨的夸克。

這種單純依靠能量產生粒子的方式本身（也可以說m=E/c2，而非E=mc2）對我們理解亞原子世界是至關重要的。在粒子對撞機中，兩束高能粒子迎頭相撞，或者撞擊靜止靶標。這時，快速移動的粒子會停止下來，而施加在這些粒子上的動能轉化為四散飛出的新粒子。這些粒子是因撞擊而產生的，并非是存在于原有粒子的內部。它們實實在在是完全通過能量而產生的新粒子。大多數這樣產生的粒子并不穩定，會分裂為質量更小的粒子，最終成為普通的質子、中子和電子。但是，它們的分裂可以為研究其內部結構提供線索，這進而促進了標準模型的完善。第一步是找到一個可以描述強相互作用的模型。

現在，將夸克封閉于原子核內部的相互作用力被認為是真正的強相互作用。原子核之間的作用力，最初的強作用力，被看作是這種真正的強相互作用的較弱的痕跡，它們溢出原子核，影響周圍的夸克。支持夸克模型的證據一旦得到證實，物理學家們很快就能建立起一個作用于夸克之間的強相互作用模型，因為他們自20世紀40年代以來，已經建立起了一個描述像電子和質子等帶電粒子通過電磁感應而相互作用的極其精確的模型。

這一模型以場理論為基礎，就像我們所熟知的磁場，這是一種來自某處而散布在空間中的作用力。對于磁場，我們甚至可以“看到”它是如何起作用的。把磁條放在一張紙的下面，將鐵屑撒在紙上，輕輕地彈一下紙面就可以看到鐵屑沿磁場磁力線方向排列。因為現代場理論融合了量子物理學說，因而被稱為量子場論。量子理論有關電磁感應的一個特殊之處便是光來自被稱為光子的夸克。光子在量子物理語匯中被稱為場量子，而且被認為是由場中被外來能量“激發”出來的那一小部分。

在20世紀30年代，物理學家們提出：電磁作用可以被表述為帶電粒子間光子的交換。這一模型的早期版本預測的帶電粒子狀態的屬性與實驗觀察到的屬性相近，但與實際測量到的帶電粒子間相互作用的值不太一致。但是，到了20世紀40年代，這些不一致得到了解決，而且借助量子世界最怪異特點之一的“不確定性理論”，現代量子電動力學理論得以發端。

量子不確定性實際上非常精確。這一理論由德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）于20世紀20年代晚期提出，最初著眼于粒子的兩種慣常屬性——粒子的位置與動量（物體運動方向與運動速度的度量單位）。在日常生活中，我們通常認為，原則上可以同時度量物體的位置與動量（比如對臺球就可以）。在同一時刻，我們能既知道物體的位置，又知道其去向。海森堡發現對于電子與光子等量子實體來說，情況并非如此——而如今只要我們對其波粒二象性稍加思考，就會覺得這一點是顯而易見的。位置確實是粒子的典型屬性，但是波在空間中并無精確位置。如果量子實體同時具有（或表現的似乎具有）粒子和波兩方面的特性，那么無法精確判定其位置便不足為奇了。

海森堡發現，量子實體位置的不確定性程度（所處位置的不確定性）與其運動的不確定性（運動方向的不確定性）有關，即位置越精確則動量越不確定，反之亦然。聯系兩個不確定性的數學方程式如今被稱為海森堡不確定性關系（Heisenberg’s uncertainty relation）。不確定性的關鍵之處并非源于人類認知水平淺陋，或者諸如測量電子等物理現象的實驗手段之不足等原因。它是依循量子世界的特性而固有的。確切地說，電子的確不會同時具有精確的位置和動量。例如，封閉在原子中的1個電子，在空間中的定位是相當精確的，但是當其圍繞電子云運動時，其運動卻是不斷變化的。像波一樣在空間中運動的電子可能具有非常精確的運動，但是它并不在波的“某一點”上存在。

盡管這些已經夠讓人不可思議的了，但這還不是故事的全部。量子世界中，同樣的量子不確定性適用于另一些相互對應的屬性，其中的一組便是能量與時間。把海森堡不確定性關系與愛因斯坦的狹義相對論（該理論探討的完全是時間與空間的關系）結合起來，我們就知道，假設“你”對看似真空的一定體積的空間進行一段時間的觀察，卻不能確定其中究竟蘊含著多少能量。對此感到迷惘的不僅僅是“你”。對于位置與運動，大自然本身亦無從了解。如果花費的時間長一點，你就能確定空間是真空的（或者非常接近真空）。但是，花費的時間越短，你對某一體積（的空間）中存在有多少能量就越是無法確定。在足夠短的一段時間內，只要能量能在不確定性關系所設定的時間內再次消失，那么就存在一種可能性，在那一時間段內，能量會充滿這一體積的空間。

這種憑空產生的能量可能以光子的形式出現，并且很快消失?；蛘哌@種能量甚至會以比如電子之類的粒子形式出現，只要它們是存在于不確定關系所允許的短暫時間中。這種短暫存在的實體被稱為“虛擬”粒子，而這整個過程則被稱為“真空漲落”。在這個模型中，“真空空間”或者“真空”，從量子的規模來看，是存在擾動的。具體來說，像電子等帶電粒子會混跡于大量虛擬粒子與光子中，并且這些虛擬粒子和光子，雖然存在周期短暫，也會與電子發生作用。采用量子電動力學來解釋大量虛擬粒子的存在，可以精確預測出與實驗中測得的帶電粒子屬性相一致的結果。實際上，實驗結果與這一模型的吻合程度精確到了一百億分之一，或者0.00000001%。我們之所以無法達到更高的精確度，只不過是因為能夠進行更精確測量的實驗方法尚未設計出來。對于科學模型的檢驗而言，這已是世上理論與實驗的一致性最高的實例了。即便是牛頓的萬有引力定律也沒達到這種精確程度。從測量的角度來說，量子力學是整個科學界最成功的模型。而且，只有將量子不確定性、擾動真空和虛擬粒子的作用都包括在內，才能達到如此高的一致性。整個模型通過了檢驗。

因此，當物理學家意欲建立一個夸克與強相互作用之間相互作用的模型時，他們很自然地想到了采用量子力學作為模板，并且試圖提出一個類似的量子場理論。在這一模型中，負責傳導強相互作用的場粒子被稱為“膠子”（gluon），因其將夸克膠合在一起。正如光子與電荷相聯系，膠子與另一種稱為色子（colour）的電荷相聯系，但這一術語與通常所理解的色彩毫無關系。電子只有兩種變化，正極與負極，而色子有3種變化，稱為紅、藍和綠。為使強相互作用模型有效，需要8種不同的場量子，而電磁模型只需要一種，就是光子。此外，膠子具有質量，這與光子不同。

基于量子電動力學的強相互作用模型被稱為“量子色動力學”（QCD），因其是以色彩名稱來表示的。因為場量子種類更多，情況復雜，并且具有質量，QCD（量子色動力學）所做預測與實驗結果的一致程度不如QED（量子電動力學）預測得精確，從而意味著標準模型并非是物理界的終極結果。但是，標準模型仍然是我們關于質子與中子等物理原理最好的解釋。

光子與膠子等場量子統稱玻色子[為紀念印度物理學家薩蒂恩德拉·玻色（Satyendra Bose）]，而我們過去慣常認為的電子、夸克等粒子被稱為費米子[以意大利物理學家恩里克·費米（Enrico Fermi）的名字命名]。正如玻色子可以看作場量子，費米子也被認為是與“物質場”有關的量子，這進一步混淆了“粒子”與“作用力”的區別。然而，兩者之間的確是有區別的。其主要區別是，玻色子僅憑能量便可無限制地產生出來——你每次打亮手電便有數十億計新生的光子涌入室內。但是，遠溯至大爆炸，直至今日，宇宙中費米子的數量一直保持不變。從能量中產生一個像電子一樣的“新”費米子的唯一方式，是能同時產生出一個鏡像的反粒子（對于本例來說就是一個正電子）。這一鏡像粒子具有相反的量子屬性（本例中就是帶正電荷而非負電荷的電子），因此從計算費米子數量的角度來看，這兩種粒子正負相抵，同歸于無。關于反物質，本書后面的章節仍會談到。

因而，我們現在知道有3種不同的費米子——電子、上夸克和下夸克。我們也知道有3種不同的相互作用——引力、電磁力和強相互作用力。然而，還有一種費米子和相互作用要加進來。標準模型中這些額外的因素是解釋19世紀初觀測到的一種現象所必需的，但是直到20世紀60年代該現象才用數學方式圓滿地表述出來。這一現象稱為β衰變，與原子放射出電子（過去被認為是β射線）的過程有關。之所以花了這么長時間物理學家才弄清楚這一現象的原理，是因為隨著物理學家對原子結構的探索不斷深入，其特性似乎也不斷發生變化。

從某種程度來說，既然原子中含有電子，那么原子可以放出電子是不足為奇的。然而，實驗顯示，β衰變過程所釋放的電子實際上是來自原子中的原子核，可原子核中并不含有電子，只有中子和質子。實驗發現，在β衰變過程中，中子分裂出1個電子，并將自身轉變為質子。這樣，正電荷與負電荷便相互抵消了，宇宙中也沒有發生電荷的變化，但是一個額外的費米子似乎是產生了。另外，為了平衡放射出的電子的能量與動能，似乎應有一個看不見的粒子以相反方向從衰變的中子里飛出來。這兩個謎題到了20世紀30年代早期才得以解決，即當能量產生出一個β衰變的電子之時，會產生一個對應的費米子，這稱作中微子（嚴格說來，為平衡費米子的數量，還需要產生一個反中微子）。中微子不帶電荷而且質量極小，所以直至20世紀50年代這一猜想[由奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）提出]才被實驗所證實，但也僅是“證”實而已。但是，即便在那時，人們也清楚，中子“內部”既不存在電子，也不存在中微子。由于β衰變，中子的內部結構被重新排列，以這兩種粒子的形式放出能量，并且將中子轉變成質子。

現在人們用夸克理論來解釋這一過程。1個中子含有2個下夸克和1個上夸克，而1個質子含有2個上夸克和1個下夸克。下夸克帶有相當于一個電子1/3的電荷，而上夸克帶有1個電子2/3的電荷。因而，如果1個下夸克轉換成1個上夸克，恰好剩下只有1個單位的負電荷必須被帶走，而這一負電荷的缺失，構成1個單位額外正電荷的整體平衡。這便是2個負電荷生成1個正電荷的極好例子。中子變成了質子。電荷由電子帶走，而某些額外能量則由反中微子帶走。這樣，宇宙中費米子的數量和整體電荷的數量保持不變。因為下夸克的質量大于上夸克的質量，而質量等效于能量，一切便能維持完美的平衡。當然了，這還需要有一種額外的相互作用力在相關粒子間起作用。

這種“新的”相互作用力被稱為弱相互作用（因其強度不及強相互作用力）。關于它的理論已經能幫助我們洞悉放射性衰變（當原子核分裂之時）和核融合（nuclear fusion，當核子聚合以產生更為復雜的核子之時，正如恒星內部所進行的）的過程。為了與實驗數據相符，弱相互作用要求存在3種玻色子，W+和W-粒子，每一種都帶有適當單位的電荷，以及電中性的Z粒子。這種模型比起QCD來，能更方便地用數學方式表述，但是比QED復雜。如今，弱相互作用理論不僅僅用來表述簡單β衰變，為描述這一原理，現代β衰變理論的圖景可以設想成1個下夸克以W玻色子的形式釋放出能量，將自身轉變為1個上夸克，然后W玻色子的能量在極短時間內以1個電子和1個反中微子的形式將自身轉變為物質。

W粒子與Z粒子像膠子一樣具有質量，而模型預測了它們的質量。標準模型最偉大的成就之一，就是在20世紀80年代，位于日內瓦附近的歐洲核子中心的實驗室探測到了這些粒子，而且發現它們的質量恰如模型所預測的那樣。自那以后，盡管在某些方面標準模型變得越來越復雜，但在另一些方面卻越發簡單。

標準模型的精髓是僅以4種粒子表述我們熟知的物質世界。還有就是4種相互作用。這4種粒子是電子和中微子（統稱輕子），以及上夸克和下夸克。4種相互作用是引力、電磁力以及弱核力和強核力。這便是物理學家們解釋地球上一切自然現象和我們能看見的太陽和所有恒星運動所需要的全部東西了。但是，讓他們詫異的是，這些竟然還不足以解釋在他們的粒子加速器中所觀測到的非自然的高能過程。

的確，在宇宙中似乎只有這4種相互作用在起作用。奇異之處在于粒子世界不僅是雙重的，而且在高能量下還會是三重的。如果有足夠多的能量，就有可能進一步產生出兩代短暫卻具有質量的所有4種基本粒子的對應物。首先，存在著與介子中微子相聯系而被稱為“μ子”介子的電子的重對應物，和兩種被稱為“粲”（charm）和“奇”（strange）的更重的夸克。其次，是稱為τ介子的更重的“電子”，與之相關的是τ中微子，以及稱為“頂夸克”和“底夸克”的兩個非常重的夸克。歐洲核子研究中心的精密實驗證實，這便是終極答案了。無論在粒子碰撞中增加多少能量，都無法再得到第4代粒子。

當加速器產生出這些更重的粒子之時，它們迅速地衰變，最后變成與第一代粒子相同的粒子。因此，在當今世界，它們只具有學術研究的價值。但是，在能量充沛的早期宇宙環境下，它們可能會大量產生出來，并且對宇宙的演進構成影響。沒有人知道，宇宙中何以允許4種基本粒子的更重的演化版本的存在。這是標準模型尚非物理學終極原理的另一個標志。但是不要因此而灰心。甚至當標準模型將這些不受人待見的額外因素加入粒子世界之中時，它也在排除其中一種作用力，同時也為排除另一種作用力指明了方向。

除了粒子的質量與電荷之外，將W與Z玻色子表述為弱場粒子的方程式和將光子表述為電磁場粒子的方程式極其近似。而且，麥克斯韋的電磁方程式已經描述了電荷的問題。20世紀60年代，物理學家們意識到，假如他們能夠找到一種將質量加入光子的方法，他們將得到一套唯一的方程式，可以同時表述電磁場和弱場，這樣他們就能將這兩種場合并為一個“弱電”統一的相互作用。理論物理學家在找到圓滿的模型之前，曾多次走錯路，鉆入了死胡同。他們提出的模型如今成為標準模型的重要組成部分。這一模型實際上是由在CERN工作的英國物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）建立發展起來的，他試圖找到一種強作用力模型，時下眾多科學界人士也為這一概念的發展做出過貢獻。

希格斯提出的這一概念是，所有粒子本質上是沒有質量的，但是存在一個充斥于宇宙而先前不為人知的“新”場，這種場作用于粒子，使其具有質量。這種場如今稱為希格斯場。簡單而形象地理解這一原理的方法是，想象如果空間中實際上存在看不見的氣體，如空氣，那么宇宙飛船的飛行方式就會被改變。在真空中，如果太空探測器是用火箭發動機提供穩定推力，那么只要發動機不斷燃燒，探測器便以固定的速率加速。但是，如果探測器是在一個充滿同質氣體的空間中活動的話，由于空氣阻力的緣故，當發動機以穩定的速率燃燒時，探測器的加速度就不會這么高。如果探測器比實際重量更重（質量更大）也會出現同樣的效果。同樣，無質量的粒子通過希格斯場時也會遇到阻力，于是粒子似乎是被賦予了質量，而這額外的質量取決于個別粒子的性質以及受到希格斯場影響的強度。

這一模型預測了W和Z粒子的質量，并且，正如我們所說，1984年歐洲核子研究中心進行實驗的能量已經達到了能按照E=mc2方程產生具有預言的質量粒子的程度。結果發現這些粒子不但如預測的那樣，而且質量也分毫不差。這是標準模型最重大的成就之一。但是，這一模型還有一個重要預測尚未得到檢驗。

根據該模型，希格斯場像所有場一樣，必須具有與之相關聯的粒子——希格斯玻色子。這一粒子質量過大，無法在地球上任何一個實驗中產生出來。然而，按照計劃，2007年歐洲原子核研究委員會將會投入使用稱為“大型強子對撞機”（LHC）的新加速器。從大型強子對撞機的巨大規模和高昂造價就可以看出，為了探究到了這一層次的宇宙本質，需要付出多么大的努力。大型強子對撞機深埋在100米的地下，位于深入堅硬巖石之中周長27千米的圓形隧道中，它利用已經通過CERN現有加速器預先加速到高能狀態的質子束，并把這束具有14TeV（1TeV即1萬億電子伏）能量的質子流分開，以兩個方向沿隧道運行，迎頭對撞。其動能相當于一只飛動的蚊子的動能——但是卻是將這些動能壓縮到一只蚊子體積的一萬億分之一的粒子上。這一能量足夠純粹用能量制造產生出1000個質子。大型強子對撞機還能將兩束鉛原子核以略微超過1000萬億電子伏特的能量對撞。大型強子對撞機使用1296個超導磁鐵和2500個其他類型的磁鐵引導并加速粒子束，其造價約為50億歐元（接近35億英鎊）。這便是我們檢驗標準模型必須付出的代價。如果標準模型確實是正確的，那么LHC全面運轉之后應該能很快產生出希格斯粒子。如果能像先前預測的那樣發現希格斯粒子，將會使標準模型更為可信，而彼得·希格斯也一定會得到諾貝爾獎。即便標準模型不能產生出預測的物質，也能為探索亞原子世界的科學模型指出更好的方向。

因此，我們認為自己已知的內容，是粒子物理學標準模型由能夠再衍生兩代粒子（原因不明）的兩對4種基本粒子（電子和質子，上夸克和下夸克）融合而成。這一標準模型也融合了3種作用力（引力、弱電相互作用和強相互作用），外加希格斯場。這一攬子理論解釋了地球上的一切，以及恒星演化的原理。但是，物理學家們想更進一步。他們意欲解釋宇宙從何而來，以及恒星與行星之類天體如何生成。正如我們將在第3章所看到的，有確鑿證據表明宇宙起源于約140億年前的一個熾熱火球，其能量遠超我們通過實驗所能得到的能量。因此，為了理解世界從何而來，并且最終理解“我們”從何而來，理論物理學家就必須超越標準模型而深入我們認為自己所知曉之事。