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；浮力，這是指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。

亞里士多德認為物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊，即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個希臘人，例如德漠克里特，則堅持物質的固有的顆粒性，而且認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”）。爭論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。直至1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的。這一事實可以用來解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀初這兩種學派的爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個重要的物理學證據。1905年，在他關于狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在所發表的另一篇文章里指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規的、隨機的運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。

當時已經有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質粒子存在的證據。電子所具有的質量比最輕原子小1000倍。他使用了一種和現代電視顯像管相當類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲發射出電子，由于它們帶負電荷，可用一電場去將其加速飛到一個涂磷光物質的屏幕上。電子一打到屏幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子必須從原子里出來。英國物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明了物質的原子確實有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉動的一些電子組成。他是根據從放射性原子釋放出的帶正電荷的α粒子和原子碰撞會引起的偏折這一現象，以及分析了此偏折的方式后而推出這一結論的。

最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子所組成。質子是由希臘文中的“第一”演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但沒有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾獎，并選為劍橋龔維爾和凱爾斯學院（我即為該學院的研究員）院長。后來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰后回來的年輕的研究員將許多已占據位置多年的老研究員選掉后，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。

直到20年以前，人們還總以為質子和中子是“基本”粒子。但是，將質子和另外的質子或電子在高速度下碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由于對夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語：“threequarksformustermark！”夸克這個字應發夸脫的音，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。（必須強調，這些術語僅僅是記號：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色。這只不過是現代物理學家更富有想像力地去命名新粒子和新現象而已——他們不再將自己限制于只用希臘文！）一個質子或中子是由三個夸克組成，每個一種顏色。一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克；一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。我們可用其他種類的夸克（奇、魅、底和頂）構成粒子，但所有這些都具有大得多的質量，并非常快地衰變成質子和中子。

現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在于什么是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由于光波波長比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個原子的部分，而必須用某些波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波動，粒子的能量越高，j則其對應的波動的波長越短。所以，我們能對這個問題給出的最好的回答，取決于我們的設想中所能得到多高的粒子能量，因為這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測量。（在湯姆遜的電子實驗中，我們看到他用一個電場去加速電子，一個電子從一個伏特的電場所得到的能量即是一個電子伏特。）19世紀，當人們知道如何去使用的粒子能量只是由化學反應——諸如燃燒——產生的幾個電子伏特的低能量時，大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏特的能量。更近代，我們知道使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬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，原來是由更小的粒子所組成。如果我們用更高的能量時，是否會發現這些粒子是由更小的粒子所組成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論的根據，相信我們已經擁有或者說接近擁有自然界的終極構件的知識。

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描述。這些粒子有一種稱為自旋的性質。自旋可以設想成繞著一個軸自轉的小陀螺。但這可能會引起誤會，因為量子力學告訴我們，粒子并沒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。一個自旋為0的粒子像一個圓點：從任何方向看都一樣（圖－a）。而自旋為1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的（圖-b）。只有把當它轉過完全的一圈（360°）時，這粒子才顯得是一樣。自旋為2的粒子像個雙頭的箭頭（圖－c）：只要轉過半圈（180°），看起來便是一樣的了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉了整圈的更小的部分后，看起來便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事實是，有些粒子轉過一圈后，仍然顯得不同，你必須使其轉兩整圈！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：組成宇宙中的物質的自旋為1/2的粒子；在物質粒子之間引起力的自旋為0、1和2的粒子。物質粒子服從所謂的泡利不相容原理。這是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1925年發現的，他并因此獲得1945年的諾貝爾獎。他是個模范的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城市里的實驗出毛病！泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在于同一個態中，即是說，在不確定性原理給出的限制內，它們不能同時具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關鍵的，因為它解釋了為何物質粒子在自旋為0、1和2的粒子產生的力的影響下不會坍縮成密度非常之高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎在相同位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在于同一處。如果世界創生時不相容原理不起作用，夸克將不會形成不相連的、很好定義的質子和中子，進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年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1／2的粒子有了相當的理解。狄拉克后來被選為劍橋的盧卡遜數學教授（牛頓曾經擔任這一教授位置，目前我擔任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學又和狹義相對論相一致的理論。它在數學上解釋了為何電子具有1／2的自旋，也即為什么將其轉一整圈不能、而轉兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它并且預言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發現證實了狄拉克的理論，他因此獲得了1933年的諾貝爾物理獎。現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個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？這是一個極端重要的問題，我將會在本章的后部分回到這問題上來。

在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子承擔。物質粒子——譬如電子或夸克——發出攜帶力的粒子，由于發射粒子所引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質粒子碰撞從而被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同兩個物質粒子之間存在過一個力。

攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個重要的性質。