第五章  基本粒子和自然的力



    亞里士多德相信宇宙中的所有物質(zhì)是由四種基本元素即土、空氣,、火和水組成
的,。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(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,，人們可以將物質(zhì)無限制地分割成越
來越小的小塊，即人們永遠(yuǎn)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(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
論一直持續(xù)了幾個世紀(jì)，任何一方都沒有任何實際的證據(jù),。直至1803年英國的化學(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
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(jì)初這兩種學(xué)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(xué)證據(jù),。1905年,，
在他關(guān)于狹義相對論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在所發(fā)表的另一篇文章里指出,，
所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規(guī)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(yīng)。

    當(dāng)時已經(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1千倍,。 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，可用一電場去將其加速飛到一個
涂磷光物質(zhì)的屏幕上,。電子一打到屏幕上就會產(chǎn)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(xué)家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明
了物質(zhì)的原子確實有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著
它轉(zhuǎn)動的一些電子組成,。他是根據(jù)從放射性原子釋放出的帶正電荷的。粒子和原子
碰撞會引起的偏折這一現(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”演化而來的,，因為質(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(xué)院（我即為該學(xué)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(wù),。一群戰(zhàn)后回來的年輕的研究員
將許多已占據(jù)位置多年的老研究員選掉后,，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以
前發(fā)生的,；在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學(xué)院,，當(dāng)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(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驗表明,，它們事實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： “Three quarks
for Muster Mark！ ”夸克這個字應(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
強調(diào),，這些術(shù)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(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?。┮粋€質(zhì)子或中子是由三個夸克組成,，每個
一種顏色。一個質(zhì)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(gòu)成粒子,，但所有這些都
具有大得多的質(zhì)量，并非?？斓厮プ兂少|(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,。問題在于
什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬物的最基本的構(gòu)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(xué)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(yīng)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(shè)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(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(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。但我們確實有一些理論的根據(jù),，相信我們已經(jīng)擁有或者
說接近擁有自然界的終極構(gòu)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(zhì),。自旋可以設(shè)想成繞著一個軸自轉(zhuǎn)的小陀螺。但這
可能會引起誤會,，因為量子力學(xué)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5.1－i）。而自旋為1的粒子像一個箭頭：
從不同方向看是不同的（圖5.1-ii） ,。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)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5.1－iii）：只要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)，但驚人的事
實是,，有些粒子轉(zhuǎn)過一圈后,，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5.1

    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)?#183;泡利在1925年發(fā)現(xiàn)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(xué)家，有人這樣說,，他的存在甚至?xí)雇怀?br>市里的實驗出毛?。∨堇幌嗳菰硎钦f，兩個類似的粒子不能存在于同一個態(tài)中,，
即是說,，在不確定性原理給出的限制內(nèi)，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(guān)鍵的， 因為它解釋了為何物質(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，這意味著它們不會長時間存在于同一處,。如果世界
創(chuàng)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(zhì)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(dāng)?shù)睦斫狻５依撕髞肀贿x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)證實了狄拉克的理論,，他因此獲
得了1933年的諾貝爾物理獎。現(xiàn)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(gòu)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(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粒子的速度,，正如同兩個物質(zhì)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(zhì),。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,。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(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(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(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,，因為還無法將粒子加速到足以達(dá)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?。?br>
    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(rèn)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(lán)）,，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(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5.2是張一個高能質(zhì)子和一
個反質(zhì)子碰撞的照片,。碰撞產(chǎn)生了幾個幾乎自由的夸克,，并引起了在圖中可以看到
的“噴射”軌跡。




    圖5.2  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,。

    對電磁和弱力統(tǒng)一的成功，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?；另一方面，不具有漸近自由性質(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,。因此，不可能在實驗室里直接
證實大統(tǒng)一理論,。然而,，如同在弱電統(tǒng)一理論中那樣,，我們可以檢測它在低能量下
的推論。

    其中最有趣的是預(yù)言是,，構(gòu)成通常物質(zhì)的大部分質(zhì)量的質(zhì)子能自發(fā)衰變成諸如
反電子之類更輕的粒子,。其原因在于，在大統(tǒng)一能量下,，夸克和反電子之間沒有本
質(zhì)的不同,。正常情況下一個質(zhì)子中的三個夸克沒有足夠能量轉(zhuǎn)變成反電子，由于測
不準(zhǔn)原理意味著質(zhì)子中夸克的能量不可能嚴(yán)格不變,，所以,，其中一個夸克能非常偶
然地獲得足夠能量進行這種轉(zhuǎn)變，這樣質(zhì)子就要衰變,?？淇艘玫阶銐蚰芰康母怕?br>是如此之低， 以至于至少要等100萬億億億年（1后面跟30個0）才能有一次,。這比
宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1后面跟10個0） 要長得多了,。因此，
人們會認(rèn)為不可能在實驗上檢測到質(zhì)子自發(fā)衰變的可能性,。但是,，我們可以觀察包
含極大數(shù)量質(zhì)子的大量物質(zhì)，以增加檢測衰變的機會,。（譬如,，如果觀察的對象含
有1后面跟31個0個質(zhì)子,， 按照最簡單的GUT,，可以預(yù)料在一年內(nèi)應(yīng)能看到多于一次
的質(zhì)子衰變,。）

    人們進行了一系列的實驗,，可惜沒有一個得到質(zhì)子或中子衰變的確實證據(jù),。有
一個實驗是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦里進行的 （為了避免其他因宇宙射
線引起的會和質(zhì)子衰變相混淆的事件發(fā)生）,。由于在實驗中沒有觀測到自發(fā)的質(zhì)子
衰變,，因此可以估算出,，可能的質(zhì)子壽命至少應(yīng)為1千萬億億億年（1后面跟31個0）,。
這比簡單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長,。然而，一些更精致更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論
預(yù)言的壽命比這更長,，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質(zhì)進行檢驗,。

    盡管觀測質(zhì)子的自發(fā)衰變非常困難，但很可能正由于這相反的過程,，即質(zhì)子或
更簡單地說夸克的產(chǎn)生導(dǎo)致了我們的存在,。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然
的方式——夸克并不比反夸克更多的狀態(tài)下產(chǎn)生的。地球上的物質(zhì)主要是由質(zhì)子和
中子,，從而由夸克所構(gòu)成,。除了由少數(shù)物理學(xué)家在大型粒子加速器中產(chǎn)生的之外,，
不存在由反夸克構(gòu)成的反質(zhì)子和反中子。從宇宙線中得到的證據(jù)表明,，我們星系中
的所有物質(zhì)也是這樣：除了少量當(dāng)粒子和反粒子對進行高能碰撞時產(chǎn)生出來的以外,，
沒有發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和反中子。如果在我們星系中有很大區(qū)域的反物質(zhì),，則可以預(yù)料,，
在正反物質(zhì)的邊界會觀測到大量的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞,、互
相湮滅并釋放出高能輻射,。

    我們沒有直接的證據(jù)表明其他星系中的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子還是由反質(zhì)子,、反
中子構(gòu)成,，但二者只居其一，否則我們又會觀察到大量由涅滅產(chǎn)生的輻射,。因此,，
我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構(gòu)成,；看來,，一些星系為物質(zhì)而另一
些星系為反物質(zhì)也是不太可能的。

    為什么夸克比反夸克多這么多,？為何它們的數(shù)目不相等,？這數(shù)目有所不同肯定
使我們交了好運，否則,，早期宇宙中它們勢必已經(jīng)相互湮滅了,，只余下一個充滿輻
射而幾乎沒有物質(zhì)的宇宙。因此,，后來也就不會有人類生命賴以發(fā)展的星系,、恒星
和行星。慶幸的是,，大統(tǒng)一理論可以提供一個解釋，盡管甚至剛開始時兩者數(shù)量相
等,，為何現(xiàn)在宇宙中夸克比反夸克多,。正如我們已經(jīng)看到的，大統(tǒng)一理論允許夸克
變成高能下的反電子,。它們也允許相反的過程,，反夸克變成電子，電子和反電子變
成反夸克和夸克,。早期宇宙有一時期是如此之熱,，使得粒子能量高到足以使這些轉(zhuǎn)
變發(fā)生,。但是，為何導(dǎo)致夸克比反夸克多呢,？原因在于,，對于粒子和反粒子物理定
律不是完全相同的。

    直到1956年人們都相信,，物理定律分別服從三個叫做C,、P和T的對稱。C（電荷）
對稱的意義是,， 對于粒子和反粒子定律是相同的,；P（宇稱）對稱是指，對于任何
情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）定律不
變,； T（時間）對稱是指,，如果我們顛倒粒子和反粒子的運動方向，系統(tǒng)應(yīng)回到原
先的那樣,；換言之,，對于前進或后退的時間方向定律是一樣的。

    1956年,， 兩位美國物理學(xué)家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱,。
換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發(fā)展,。同一年,，他們的一位同事吳健雄
證明了他們的預(yù)言是正確的。她將放射性元素的核在磁場中排列,，使它們的自旋方
向一致,，然后演示表明，電子在一個方向比另一方向發(fā)射出得更多,。次年,，李和楊
為此獲得諾貝爾獎。 人們還發(fā)現(xiàn)弱作用不服從C對稱,，即是說,，它使得由反粒子構(gòu)
成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。盡管如此,，看來弱力確實服從CP聯(lián)合對稱,。也
就是說，如果每個粒子都用其反粒子來取代,，則由此構(gòu)成的宇宙的鏡像和原來的宇
宙以同樣的方式發(fā)展,！但在1964年，還是兩個美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費
茲——發(fā)現(xiàn)， 在稱為K介子的衰變中,，甚至連CP對稱也不服從,。1980年，克羅寧和
費茲為此而獲得諾貝爾獎,。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們所想像的那么簡單而
被授予的?。?br>
    有一個數(shù)學(xué)定理說，任何服從量子力學(xué)和相對論的理論必須服從CPT聯(lián)合對稱,。
換言之,，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像和時間反演,，則宇宙的行為必須是
一樣的,。克羅寧和費茲指出,，如果僅僅用反粒子來取代粒子,，并且采用鏡像，但不
反演時間方向,，則宇宙的行為于保持不變,。所以，物理學(xué)定律在時間方向顛倒的情
況下必須改變——它們不服從T對稱,。

    早期宇宙肯定是不服從T對稱的：當(dāng)時間往前走時,，宇宙膨脹；如果它往后退,，
則宇宙收縮,。 而且，由于存在著不服從T對稱的力,，因此當(dāng)宇宙膨脹時,，相對于將
電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克,。然后,，當(dāng)宇宙膨脹并冷卻下來，
反夸克就和夸克湮滅,，但由于已有的夸克比反夸克多,，少量過剩的夸克就留下來。
正是它們構(gòu)成我們今天看到的物質(zhì),，由這些物質(zhì)構(gòu)成了我們自己,。這樣，我們自身
之存在可認(rèn)為是大統(tǒng)一理論的證實,，哪怕僅僅是定性的而已；但此預(yù)言的不確定性
到了這種程度，以至于我們不能知道在湮滅之后余下的夸克數(shù)目,，甚至不知是夸克
還是反夸克余下,。（然而，如果是反夸克多余留下,，我們可以簡單地稱反夸克為夸
克,，夸克為反夸克。）

    大統(tǒng)一理論并不包括引力,。這關(guān)系不大,，因為引力是如此之弱，以至于我們處
理基本粒子或原子問題時,，通?？梢院雎运男?yīng)。然而,，它的作用既是長程的,，
又總是吸引的，表明它的所有效應(yīng)是迭加的,。所以,，對于足夠大量的物質(zhì)粒子，引
力會比其他所有的力都更重要,。這就是為什么正是引力決定了宇宙的演化的緣故,。
甚至對于恒星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力,，并使恒星自身坍縮,。
70年代我的工作是集中于研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強大
的引力場所產(chǎn)生的,。正是黑洞研究給出了量子力學(xué)和廣義相對論如何相互影響的第
一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥,。