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，因為它們不像“實”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，因為它們具有可測量的效應(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度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強調(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的力的不同方面。確實，許多人認為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標。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，它們確實產(chǎn)生了可測量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽公轉(zhuǎn)！實引力構(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電荷。由于單獨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）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)能量遠遠超過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，因為還無法將粒子加速到足以達到產(chǎn)生實的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)言和實驗符合得這樣好，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)今要在實驗物理學(xué)上留下痕跡極其困難！）

第四種力是強作用力。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。一般認為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強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），人們不能得到單獨的夸克。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夸克聯(lián)結(jié)在一起（紅＋綠＋藍＝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＋反藍＝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，因為夸克和反夸克會互相湮滅而產(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的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團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，這事實使得將夸克和膠子當(dāng)作粒子的整個見解看起來有點玄學(xué)的味道。然而，強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，強核力確實很強，它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，在高能下強作用力變得弱得多，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)一進去，因為它并不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它們包含了許多不能從這理論中預(yù)言而必須人為選擇去適合實驗的參數(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度，所以可看成一個單獨的力的不同方面。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)一能量的機器，其體積必須和太陽系一樣大——這在現(xiàn)代經(jīng)濟環(huán)境下不太可能做到。