這表明它們能被交換的數(shù)目不受限制，這樣就可以產(chǎn)生根強(qiáng)的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的質(zhì)量，則在大距離上產(chǎn)生和交換它們就會很困難[奇+書+網(wǎng)]。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子質(zhì)量為零，力就是長程的了。在物質(zhì)粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因?yàn)樗鼈儾幌瘛皩?shí)”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因?yàn)樗鼈兙哂锌蓽y量的效應(yīng)，即它們引起了物質(zhì)粒子之間的力，并且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實(shí)粒子而存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現(xiàn)出為經(jīng)典物理學(xué)家所說的波動形式，例如光波和引力波；當(dāng)物質(zhì)粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，它們有時就可以被發(fā)射出來。（例如，兩個電子之間的電排斥力是由于交換虛光子所致，這些虛光子永遠(yuǎn)不可能被檢測出來；但是如果一個電子穿過另一個電子，則可以放出實(shí)光子，它以光波的形式為我們所探測到。）

攜帶力的粒子按照其攜帶力的強(qiáng)度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強(qiáng)調(diào)指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便于建立部分理論，而并不別具深意。大部分物理學(xué)家希望最終找到一個統(tǒng)一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨(dú)的力的不同方面。確實(shí)，許多人認(rèn)為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標(biāo)。最近，將四種力中的三種統(tǒng)一起來已經(jīng)有了成功的端倪——我將在這章描述這些內(nèi)容。而關(guān)于統(tǒng)一余下的另一種力即引力的問題將留到以后再討論。

第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個特別的性質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。另外三種力或者由于是短程的，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向于互相抵消。以量子力學(xué)的方法來研究引力場，人們把兩個物質(zhì)粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒有質(zhì)量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結(jié)為構(gòu)成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實(shí)產(chǎn)生了可測量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽公轉(zhuǎn)！實(shí)引力構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——并且要探測到它是如此之困難，以致于還從來未被觀測到過。

另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強(qiáng)得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1后面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由于稱作光子的無質(zhì)量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發(fā)射出實(shí)光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠(yuǎn)的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。

第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1/2的物質(zhì)粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學(xué)院的阿伯達(dá)斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論后，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。溫伯格——薩拉姆理論認(rèn)為，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫w+（w正）、w-（w負(fù)）和z0（z零），每一個具有大約100吉電子伏的質(zhì)量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對稱破缺的性質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實(shí)上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個效應(yīng)和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動著；但是當(dāng)輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認(rèn)為存在37種不同類型的球！

在溫伯格——薩拉姆理論中，當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對稱就被破壞了。w+、w-和z0得到了大的質(zhì)量，使之?dāng)y帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時，很少人相信他們，因?yàn)檫€無法將粒子加速到足以達(dá)到產(chǎn)生實(shí)的w+、w-和z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里，在低能量下這個理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好，以至于他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統(tǒng)一電磁和弱作用的理論。由于1983年在cern（歐洲核子研究中心）發(fā)現(xiàn)了具有被正確預(yù)言的質(zhì)量和其他性質(zhì)的光子的三個帶質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領(lǐng)導(dǎo)幾百名物理學(xué)家作出此發(fā)現(xiàn)的卡拉·魯比亞和發(fā)展了被使用的反物質(zhì)儲藏系統(tǒng)的cern工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經(jīng)是巔峰人物，當(dāng)今要在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)上留下痕跡極其困難！）

第四種力是強(qiáng)作用力。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。一般認(rèn)為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強(qiáng)作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強(qiáng)核力具有一種稱為禁閉的古怪性質(zhì)：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結(jié)合體。由于夸克有顏色（紅、綠或藍(lán)），人們不能得到單獨(dú)的夸克。反之，一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍(lán)夸克聯(lián)結(jié)在一起（紅＋綠＋藍(lán)＝白）。這樣的三胞胎構(gòu)成了質(zhì)子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克組成的對（紅＋反紅，或綠＋反綠，或藍(lán)＋反藍(lán)＝白）。這樣的結(jié)合構(gòu)成稱為介子的粒子。介子是不穩(wěn)定的，因?yàn)榭淇撕头纯淇藭ハ噤螠缍a(chǎn)生電子和其他粒子。類似地，由于膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨(dú)的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團(tuán)，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團(tuán)形成了稱為膠球的不穩(wěn)定粒子。

色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的夸克或膠子，這事實(shí)使得將夸克和膠子當(dāng)作粒子的整個見解看起來有點(diǎn)玄學(xué)的味道。然而，強(qiáng)核力還有一個叫做漸近自由的性質(zhì)，它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強(qiáng)核力確實(shí)很強(qiáng)，它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實(shí)驗(yàn)指出，在高能下強(qiáng)作用力變得弱得多，夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣。圖是張一個高能質(zhì)子和一個反質(zhì)子碰撞的照片。

圖一個質(zhì)子和一個反質(zhì)子在高能下碰撞，產(chǎn)生了一對幾乎自由的夸克。

統(tǒng)一電磁和弱力的成功，使許多人試圖將這兩種力和強(qiáng)核力合并在所謂的大統(tǒng)一理論（或gut）之中。這名字相當(dāng)夸張，所得到的理論并不那么輝煌，也沒能將全部力都統(tǒng)一進(jìn)去，因?yàn)樗⒉话ΑＫ鼈円膊皇钦嬲暾睦碚摚驗(yàn)樗鼈儼嗽S多不能從這理論中預(yù)言而必須人為選擇去適合實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。盡管如此，它們可能是朝著完全的統(tǒng)一理論推進(jìn)的一步。gut的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量時強(qiáng)核力變?nèi)趿耍涣硪环矫妫痪哂袧u近自由性質(zhì)的電磁力和弱力在高能量下變強(qiáng)了。在非常高的叫做大統(tǒng)一能量的能量下，這三種力都有同樣的強(qiáng)度，所以可看成一個單獨(dú)的力的不同方面。在這能量下，gut還預(yù)言了自旋為1/2的不同物質(zhì)粒子（如夸克和電子）也會基本上變成一樣，這樣導(dǎo)致了另一種統(tǒng)一。

大統(tǒng)一能量的數(shù)值還知道得不太清楚，可能至少有1千萬億吉電子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，計劃建造的機(jī)器的能量為幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統(tǒng)一能量的機(jī)器，其體積必須和太陽系一樣大——這在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)環(huán)境下不太可能做到。