有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢(shì)；浮力，這是指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內(nèi)容分割成物質(zhì)和力的這種做法一直沿襲至今。

亞里士多德認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，也就是說(shuō)，人們可以將物質(zhì)無(wú)限制地分割成越來(lái)越小的小塊，即人們永遠(yuǎn)不可能得到一個(gè)不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個(gè)希臘人，例如德漠克里特，則堅(jiān)持物質(zhì)的固有的顆粒性，而且認(rèn)為每一件東西都是由不同種類的大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是“不可分的”）。爭(zhēng)論一直持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，任何一方都沒(méi)有任何實(shí)際的證據(jù)。直至1803年英國(guó)的化學(xué)家兼物理學(xué)家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結(jié)合而成的。這一事實(shí)可以用來(lái)解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀(jì)初這兩種學(xué)派的爭(zhēng)論才以原子論的勝利而告終。愛(ài)因斯坦提供了一個(gè)重要的物理學(xué)證據(jù)。1905年，在他關(guān)于狹義相對(duì)論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在所發(fā)表的另一篇文章里指出，所謂的布朗運(yùn)動(dòng)——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無(wú)則規(guī)的、隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應(yīng)。

當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學(xué)三一學(xué)院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。電子所具有的質(zhì)量比最輕原子小1000倍。他使用了一種和現(xiàn)代電視顯像管相當(dāng)類似的裝置：由一根紅熱的金屬細(xì)絲發(fā)射出電子，由于它們帶負(fù)電荷，可用一電場(chǎng)去將其加速飛到一個(gè)涂磷光物質(zhì)的屏幕上。電子一打到屏幕上就會(huì)產(chǎn)生一束束的閃光。人們很快即意識(shí)到，這些電子必須從原子里出來(lái)。英國(guó)物理學(xué)家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明了物質(zhì)的原子確實(shí)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它們是由一個(gè)極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)的一些電子組成。他是根據(jù)從放射性原子釋放出的帶正電荷的α粒子和原子碰撞會(huì)引起的偏折這一現(xiàn)象，以及分析了此偏折的方式后而推出這一結(jié)論的。

最初，人們認(rèn)為原子核是由電子和不同數(shù)量的帶正電的叫做質(zhì)子的粒子所組成。質(zhì)子是由希臘文中的“第一”演化而來(lái)的，因?yàn)橘|(zhì)子被認(rèn)為是組成物質(zhì)的基本單位。然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發(fā)現(xiàn)，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質(zhì)子一樣大的質(zhì)量但沒(méi)有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并選為劍橋龔維爾和凱爾斯學(xué)院（我即為該學(xué)院的研究員）院長(zhǎng)。后來(lái)，他因?yàn)楹推渌瞬缓投o去院長(zhǎng)的職務(wù)。一群戰(zhàn)后回來(lái)的年輕的研究員將許多已占據(jù)位置多年的老研究員選掉后，曾有過(guò)一場(chǎng)激烈的辯論。這是在我去以前發(fā)生的；在這場(chǎng)爭(zhēng)論尾聲的1965年我才加入該學(xué)院，當(dāng)時(shí)另一位獲諾貝爾獎(jiǎng)的院長(zhǎng)奈維爾·莫特爵士也因類似的爭(zhēng)論而辭職。

直到20年以前，人們還總以為質(zhì)子和中子是“基本”粒子。但是，將質(zhì)子和另外的質(zhì)子或電子在高速度下碰撞的實(shí)驗(yàn)表明，它們事實(shí)上是由更小的粒子構(gòu)成的。加州理工學(xué)院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由于對(duì)夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎(jiǎng)。此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語(yǔ)：“threequarksformustermark！”夸克這個(gè)字應(yīng)發(fā)夸脫的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韻。

存在有幾種不同類型的夸克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱之為上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍(lán)。（必須強(qiáng)調(diào)，這些術(shù)語(yǔ)僅僅是記號(hào)：夸克比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)小得多，所以在通常意義下沒(méi)有任何顏色。這只不過(guò)是現(xiàn)代物理學(xué)家更富有想像力地去命名新粒子和新現(xiàn)象而已——他們不再將自己限制于只用希臘文！）一個(gè)質(zhì)子或中子是由三個(gè)夸克組成，每個(gè)一種顏色。一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克；一個(gè)中子包含兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克。我們可用其他種類的夸克（奇、魅、底和頂）構(gòu)成粒子，但所有這些都具有大得多的質(zhì)量，并非常快地衰變成質(zhì)子和中子。

現(xiàn)在我們知道，不管是原子還是其中的質(zhì)子和中子都不是不可分的。問(wèn)題在于什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬(wàn)物的最基本的構(gòu)件？由于光波波長(zhǎng)比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個(gè)原子的部分，而必須用某些波長(zhǎng)短得多的東西。正如我們?cè)谏弦徽滤吹降模孔恿W(xué)告訴我們，實(shí)際上所有粒子都是波動(dòng)，粒子的能量越高，j則其對(duì)應(yīng)的波動(dòng)的波長(zhǎng)越短。所以，我們能對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出的最好的回答，取決于我們的設(shè)想中所能得到多高的粒子能量，因?yàn)檫@決定了我們所能看到的多小的尺度。這些粒子的能量通常是以稱為電子伏特的單位來(lái)測(cè)量。（在湯姆遜的電子實(shí)驗(yàn)中，我們看到他用一個(gè)電場(chǎng)去加速電子，一個(gè)電子從一個(gè)伏特的電場(chǎng)所得到的能量即是一個(gè)電子伏特。）19世紀(jì)，當(dāng)人們知道如何去使用的粒子能量只是由化學(xué)反應(yīng)——諸如燃燒——產(chǎn)生的幾個(gè)電子伏特的低能量時(shí)，大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)中，α粒子具有幾百萬(wàn)電子伏特的能量。更近代，我們知道使用電磁場(chǎng)給粒子提供首先是幾百萬(wàn)然后是幾十億電子伏特的能量。這樣我們知道，20年之前以為是“基本”的粒子，原來(lái)是由更小的粒子所組成。如果我們用更高的能量時(shí)，是否會(huì)發(fā)現(xiàn)這些粒子是由更小的粒子所組成的呢？這一定是可能的。但我們確實(shí)有一些理論的根據(jù)，相信我們已經(jīng)擁有或者說(shuō)接近擁有自然界的終極構(gòu)件的知識(shí)。

用上一章討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來(lái)描述。這些粒子有一種稱為自旋的性質(zhì)。自旋可以設(shè)想成繞著一個(gè)軸自轉(zhuǎn)的小陀螺。但這可能會(huì)引起誤會(huì)，因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子并沒(méi)有任何很好定義的軸。粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什么樣子的。一個(gè)自旋為0的粒子像一個(gè)圓點(diǎn)：從任何方向看都一樣（圖－a）。而自旋為1的粒子像一個(gè)箭頭：從不同方向看是不同的（圖-b）。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)過(guò)完全的一圈（360°）時(shí)，這粒子才顯得是一樣。自旋為2的粒子像個(gè)雙頭的箭頭（圖－c）：只要轉(zhuǎn)過(guò)半圈（180°），看起來(lái)便是一樣的了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉(zhuǎn)了整圈的更小的部分后，看起來(lái)便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當(dāng)，但驚人的事實(shí)是，有些粒子轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，仍然顯得不同，你必須使其轉(zhuǎn)兩整圈！這樣的粒子具有1／2的自旋。

圖

宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質(zhì)的自旋為1/2的粒子；在物質(zhì)粒子之間引起力的自旋為0、1和2的粒子。物質(zhì)粒子服從所謂的泡利不相容原理。這是奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?925年發(fā)現(xiàn)的，他并因此獲得1945年的諾貝爾獎(jiǎng)。他是個(gè)模范的理論物理學(xué)家，有人這樣說(shuō)，他的存在甚至?xí)雇怀鞘欣锏膶?shí)驗(yàn)出毛病！泡利不相容原理是說(shuō)，兩個(gè)類似的粒子不能存在于同一個(gè)態(tài)中，即是說(shuō)，在不確定性原理給出的限制內(nèi)，它們不能同時(shí)具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗忉屃藶楹挝镔|(zhì)粒子在自旋為0、1和2的粒子產(chǎn)生的力的影響下不會(huì)坍縮成密度非常之高的狀態(tài)的原因：如果物質(zhì)粒子幾乎在相同位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在于同一處。如果世界創(chuàng)生時(shí)不相容原理不起作用，夸克將不會(huì)形成不相連的、很好定義的質(zhì)子和中子，進(jìn)而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定義的原子。所有它們都會(huì)坍縮形成大致均勻的稠密的“湯”。

直到保爾·狄拉克在1928年提出一個(gè)理論，人們才對(duì)電子和其他自旋1／2的粒子有了相當(dāng)?shù)睦斫狻５依撕髞?lái)被選為劍橋的盧卡遜數(shù)學(xué)教授（牛頓曾經(jīng)擔(dān)任這一教授位置，目前我擔(dān)任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學(xué)又和狹義相對(duì)論相一致的理論。它在數(shù)學(xué)上解釋了為何電子具有1／2的自旋，也即為什么將其轉(zhuǎn)一整圈不能、而轉(zhuǎn)兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它并且預(yù)言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克的理論，他因此獲得了1933年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。現(xiàn)在我們知道，任何粒子都有會(huì)和它相湮滅的反粒子。（對(duì)于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構(gòu)成的整個(gè)反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會(huì)在一個(gè)巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多？這是一個(gè)極端重要的問(wèn)題，我將會(huì)在本章的后部分回到這問(wèn)題上來(lái)。

在量子力學(xué)中，所有物質(zhì)粒子之間的力或相互作用都認(rèn)為是由自旋為整數(shù)0、1或2的粒子承擔(dān)。物質(zhì)粒子——譬如電子或夸克——發(fā)出攜帶力的粒子，由于發(fā)射粒子所引起的反彈，改變了物質(zhì)粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質(zhì)粒子碰撞從而被吸收。這碰撞改變了第二個(gè)粒子的速度，正如同兩個(gè)物質(zhì)粒子之間存在過(guò)一個(gè)力。

攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個(gè)重要的性質(zhì)。