时间简史-第9节
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允许轨道。分子是由一些原子因轨道上的电子绕着不止一个原子核运动而束缚在一起形
成的。由于分子的结构，以及它们之间的反应构成了化学和生物的基础，除了受测不准
原理限制之外，量子力学在原则上允许我们去预言围绕我们的几乎一切东西。（然而，
实际上对一个包含稍微多几个电子的系统所需的计算是如此之复杂，以至使我们做不到。）
看来，爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构，它仅能称为经典理论，因其
中并没有考虑量子力学的不确定性原理，而为了和其他理论一致这是必须考虑的。这个
理论并没导致和观测的偏离是因为我们通常经验到的引力场非常弱。然而，前面讨论的
奇点定理指出，至少在两种情形下引力场会变得非常强——黑洞和大爆炸。在这样强的
场里，量子力学效应应该是非常重要的。因此，在某种意义上，经典广义相对论由于预
言无限大密度的点而预示了自身的垮台，正如同经典（也就是非量子）力学由于隐含着
原子必须坍缩成无限的密度，而预言自身的垮台一样。我们还没有一个完整、协调的统
一广义相对论和量子力学的理论，但我们已知这理论所应有的一系列特征。在以下几章
我们将描述黑洞和大爆炸的量子引力论效应。然而，此刻我们先转去介绍人类的许多新
近的尝试，他们试图对自然界中其他力的理解合并成一个单独的统一的量子理论。
北极星书库｜｜ ebook007/ 第五章 基本粒子和自然的力
亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成的。
有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指空气和
火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。
亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越
小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几个希腊人，
例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由不同种类的
大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是“不可分的”）。争论一直持续了几个世
纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学家兼物理学家约翰·道尔
顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实可以用来解释所谓分子的单元
是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的争论才以原子论的胜利而告终。爱
因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的著名论文发表前
的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，所谓的布朗运动——悬浮在液体中的尘埃小
颗粒的无则规的、随机的运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。
当时已经有人怀疑这些原子终究不是不可分割的。几年前，一位剑桥大学三一学院
的研究员汤姆逊演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子所具有的质量比最轻
原子小1千倍。他使用了一种和现代电视显像管相当类似的装置：由一根红热的金属细丝
发射出电子，由于它们带负电荷，可用一电场去将其加速飞到一个涂磷光物质的屏幕上。
电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即意识到，这些电子必须从原子里
出来。英国物理学家恩斯特·卢瑟福在1911年最后证明了物质的原子确实有内部结构：
它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着它转动的一些电子组成。他是根据从
放射性原子释放出的带正电荷的。粒子和原子碰撞会引起的偏折这一现象，以及分析了
此偏折的方式后而推出这一结论的。
最初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子所组成。质
子是由希腊文中的“第一”演化而来的，因为质子被认为是组成物质的基本单位。然而，
卢瑟福在剑桥的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年发现，原子核还包含另外称为中子
的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但没有带电荷；查德威克因此而获得诺贝尔
奖，并选为剑桥龚维尔和凯尔斯学院（我即为该学院的研究员）院长。后来，他因为和
其他人不和而辞去院长的职务。一群战后回来的年轻的研究员将许多已占据位置多年的
老研究员选掉后，曾有过一场激烈的辩论。这是在我去以前发生的；在这场争论尾声的
1965年我才加入该学院，当时另一位获诺贝尔奖的院长奈维尔·莫特爵士也因类似的争
论而辞职。
直到20年以前，人们还总以为质子和中子是“基本”粒子。但是，将质子和另外的
质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。加州理工
学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。由于对夸克的研究，他获得1969年的诺贝
尔奖。此名字起源于詹姆斯·约依斯神秘的引语：“Three quarks for Muster Mark！”
夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韵。
存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的“味”，这些味我们分别称之为
上、下、奇、魅、底和顶。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须强调，这
些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这
只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已——他们不再将自己
限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个一种颜色。一个质子包
含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可用其他种
类的夸克（奇、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地
衰变成质子和中子。
现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于什么
是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的尺度大得
多，我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分，而必须用某些波长短得多的
东西。正如我们在上一章 所看到的，量子力学告诉我们，实际上所有粒子都是波动，
粒子的能量越高，J则其对应的波动的波长越短。所以，我们能对这个问题给出的最好的
回答，取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量，因为这决定了我们所能看到的多
小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单位来测量。（在汤姆逊的电子实
验中，我们看到他用一个电场去加速电子，一个电子从一个伏特的电场所得到的能量即
是一个电子伏特。）19世纪，当人们知道如何去使用的粒子能量只是由化学反应——诸
如燃烧——产生的几个电子伏特的低能量时，大家以为原子即是最小的单位。在卢瑟福
的实验中，α粒子具有几百万电子伏特的能量。更近代，我们知道使用电磁场给粒子提
供首先是几百万然后是几十亿电子伏特的能量。这样我们知道，20年之前以为是“基本”
的粒子，原来是由更小的粒子所组成。如果我们用更高的能量时，是否会发现这些粒子
是由更小的粒子所组成的呢？这一定是可能的。但我们确实有一些理论的根据，相信我
们已经拥有或者说接近拥有自然界的终极构件的知识。
用上一章 讨论的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子来描述。
这些粒子有一种称为自旋的性质。自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺。但这可能
会引起误会，因为量子力学告诉我们，粒子并没有任何很好定义的轴。粒子的自旋真正
告诉我们的是，从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子像一个圆点：从
任何方向看都一样（图5。1－i）。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的
（图5。1…ii）。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，这粒子才显得是一样。自旋为
2的粒子像个双头的箭头（图5。1－iii）：只要转过半圈（180°），看起来便是一样的
了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后，看起来便是一样的。所有
这一切都是这样的直截了当，但惊人的事实是，有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，
你必须使其转两整圈！这样的粒子具有1／2的自旋。
图5。1
宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：组成宇宙中的物质的自旋为1／2的粒子；在
物质粒子之间引起力的自旋为0、1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。这
是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的，他并因此获得1945年的诺贝尔奖。
他是个模范的理论物理学家，有人这样说，他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病！
泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于同一个态中，即是说，在不确定性原
理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置和速度。不相容原理是非常关键的，因
为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下不会坍缩成密度非常
之高的状态的原因：如果物质粒子几乎在相同位置，则它们必须有不同的速度，这意味
着它们不会长时间存在于同一处。如果世界创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形
成不相连的、很好定义的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定
义的原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”。
直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论，人们才对电子和其他自旋1／2的粒子有
了相当的理解。狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授（牛顿曾经担任这一教授位置，
目前我担任此一位置）。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理
论。它在数学上解释了为何电子具有1／2的自旋，也即为什么将其转一整圈不能、而转
两整圈才能使它显得和原先一样。它并且预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电
子。1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论，他因此获得了1933年的诺贝尔物理奖。
现在我们知道，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。（对于携带力的粒子，反粒子即
为其自身。）也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，
注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒
子比反粒子多得多？这是一个极端重要的问题，我将会在本章的后部分回到这问题上来。
在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的
粒子承担。物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起
的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这
碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。
携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它的一个重要的性质。这表明它们能被
交换的数目不受限制，这样就可以产生根强的力。然而，如果携带力的粒子具有很大的
质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。这样，它们所携带的力只能是短程的。
另一方面，如果携带力的粒子质量为零，力就是长程的了。在物质粒子之间交换的携带
力的粒子称为虚粒子，因为它们不像“实”粒子那样可以用粒子探测器检测到。但我们
知道它们的存在，因为它们具有可测量的效应，即它们引起了物质粒子之间的力，并且
自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存在，这时它们可以被直接探测到。对
我们而言，此刻它们就呈现出为经典物理学家所说的波动形式，例如光波和引力波；当
物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而相互作用时，它们有时就可以被发射出来。
（例如，两个电子之间的电排斥力是由于交换虚光子所致，这些虚光子永远不可能被检
测出来；但是如果一个电子穿过另一个电子，则可以放出实光子，它以光波的形式为我
们所探测到。）
携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强
调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别
