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圍繞著原子的核公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn)一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由于交換大量稱作光子的無質(zhì)量的自旋為1的虛粒子引起的。重復(fù)一下，這里交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個(gè)允許軌道轉(zhuǎn)變到另一個(gè)離核更近的允許軌道時(shí)，釋放能量并且發(fā)射出實(shí)光子――如果其波長適當(dāng)，則作為可見光可被肉眼觀察到，或可用諸如照相底版的光子探測(cè)器觀察到。同樣，如果一個(gè)光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動(dòng)到較遠(yuǎn)的軌道。這樣光子的能量被消耗掉，它也就被吸收了。

    第三種力稱為弱核力。它負(fù)責(zé)放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1/2的所有物質(zhì)粒子，而對(duì)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(dòng)，可與大約100年前麥克斯韋統(tǒng)一電學(xué)和磁學(xué)相提并論。他們提出，除了光子，還存在其他3個(gè)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。它們稱作W+（W正）、W-（W負(fù)）和Z（Z零），每一個(gè)都具有大約100吉電子伏的質(zhì)量（1吉電子伏為10億電子伏）。溫伯格-薩拉姆理論展現(xiàn)了稱作對(duì)稱自發(fā)破缺的性質(zhì)。這意味著，在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實(shí)上發(fā)現(xiàn)都只是同一種粒子處于不同的狀態(tài)。所有這些粒子在高能量下都有相似的行為。這個(gè)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(shí)），這球的行為基本上只有一個(gè)方式――即不斷地滾動(dòng)著。但是隨著輪子變慢下來，球的能量減小，最終球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的一個(gè)里去。換言之，在低能下球可以存在于37種不同的狀態(tài)。

    如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會(huì)以為存在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(shí)，這3種新粒子和光子都以相似的方式行為。但是，大部分正常情況下粒子能量要比這低，粒子之間的對(duì)稱被破壞了。W+、W-和Z。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(shí)，很少人相信他們，因?yàn)榧铀倨鬟€未強(qiáng)大到將粒子加速到產(chǎn)生實(shí)的W+、W-和Z粒子所需的100吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里，在較低能量下這個(gè)理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好，使他們和也在哈佛的謝爾登?格拉肖一起獲得1979年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。格拉肖提出過一個(gè)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3個(gè)有質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會(huì)避免了犯錯(cuò)誤的難堪。領(lǐng)導(dǎo)幾百名物理學(xué)家作出此發(fā)現(xiàn)的卡羅?魯比亞和開發(fā)了被使用的反物質(zhì)儲(chǔ)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(jiǎng)。（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?。┑谒姆N力是強(qiáng)核力。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子核中的質(zhì)子和中子束縛在一起。人們相信，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)的夸克自身。相反，一個(gè)紅夸克必須用一串膠子和一個(gè)綠夸克以及一個(gè)藍(lán)夸克連接在一起（紅+綠+藍(lán)=白）。這樣的三胞胎構(gòu)成了一個(gè)質(zhì)子或中子。其他的可能性是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的對(duì)（紅+反紅，或綠+反綠，或藍(lán)+反藍(lán)=白）。這樣的結(jié)合體構(gòu)成了稱為介子的粒子。介子是不穩(wěn)定的，因?yàn)榭淇撕头纯淇藭?huì)相互湮滅，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(dú)的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團(tuán)，其疊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(gè)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(gè)見解看起來有點(diǎn)玄學(xué)的味道。然而，強(qiáng)核力還有一種叫做漸近自由的性質(zhì)，它使得夸克和膠子成為意義明確的概念。在正常能量下，強(qiáng)核力確實(shí)很強(qiáng)，它將夸克緊緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實(shí)驗(yàn)指出，強(qiáng)作用力在高能量下變得弱得多，夸克和膠子的行為就幾乎像自由粒子那樣。

    統(tǒng)一電磁力和弱核力的成功，使人們多次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：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?。它們也不是真正完整的理論，因?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，它們可能是朝著完備的統(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，在高能量下強(qiáng)核力變?nèi)趿?；另一方面，不是漸近自由的電磁力和弱力在高能量下變強(qiáng)了。在某個(gè)非常高的叫做大統(tǒng)一能量的能量下，這3種力都具有同樣的強(qiáng)度，并因此可看成一個(gè)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(huì)根本上都變成一樣，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1000萬億吉電子伏特。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，而計(jì)劃建造的機(jī)器的能量可升到幾千吉電子伏。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。因此，不可能在實(shí)驗(yàn)室里直接檢驗(yàn)大統(tǒng)一理論。然而，如同在弱電統(tǒng)一理論中那樣，我們可以檢驗(yàn)它在低能量下的推論。

    其中最有趣的預(yù)言是，構(gòu)成通常物質(zhì)的大部分質(zhì)量的質(zhì)子能夠自發(fā)衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。之所以可能，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。在正常情況下一個(gè)質(zhì)子中的三個(gè)夸克沒有足夠能量轉(zhuǎn)變成反電子，由于不確定性原理意味著質(zhì)子中夸克的能量不可能嚴(yán)格不變，其中一個(gè)夸克會(huì)非常偶然地獲得足夠能量進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變。這樣質(zhì)子就要衰變。夸克要得到足夠能量的概率是如此之低，至少要等待100萬億億億年（1后面跟30個(gè)O）才能有1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(gè)0）要長得多了。因此，人們會(huì)認(rèn)為不可能在實(shí)驗(yàn)上檢測(cè)到質(zhì)子自發(fā)衰變的可能性。然而，人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(cè)衰變的機(jī)會(huì)。（譬如，如果觀察的對(duì)象含有1后面跟31個(gè)0個(gè)質(zhì)子，按照最簡(jiǎn)單的GUT，可以預(yù)料在1年內(nèi)應(yīng)能看到多于一次的質(zhì)子衰變）。

    人們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，可惜沒有得到任何質(zhì)子或中子衰變的確實(shí)證據(jù)。有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在俄亥俄的莫爾頓鹽礦里進(jìn)行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會(huì)和質(zhì)子衰變相混淆的事件發(fā)生），用了8000噸水。由于在實(shí)驗(yàn)中沒有觀測(cè)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1000萬億億億（1后面跟31個(gè)0）年。這比簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長。然而，一些更精致的大統(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(duì)甚至更大量的物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

    盡管觀測(cè)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(jiǎn)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――一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，進(jìn)而由夸克構(gòu)成。除了少數(shù)由物理學(xué)家在大型粒子加速器中產(chǎn)生的以外，不存在由反夸克構(gòu)成的反質(zhì)子和反中子。我們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：除了少數(shù)當(dāng)粒子和反粒子對(duì)進(jìn)行高能碰撞時(shí)產(chǎn)生的以外，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(huì)觀測(cè)到大量的輻射。許多粒子在那里和它們的反粒子相碰撞、相互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，但兩者必居其一，在單一的宇宙中不能有混合，否則，我們又會(huì)觀察到大量由湮滅產(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)也是難以置信的。

    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(yùn)，否則，早期宇宙中它們勢(shì)必已經(jīng)相互湮滅了，只余下一個(gè)充滿輻射而幾乎沒有物質(zhì)的宇宙。因此，后來也就不會(huì)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)一理論可以解釋，盡管甚至剛開始時(shí)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。在極早期宇宙有一時(shí)期是如此之熱，粒子能量高到足以發(fā)生這些轉(zhuǎn)變。但是，它為何使夸克比反夸克多呢？原因在于，物理定律對(duì)于粒子和反粒子不是完全相同的。

    直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個(gè)叫做C、P和T的對(duì)稱。C（電荷）對(duì)稱的意義是，定律對(duì)于粒子和反粒子是相同的；P（宇稱）對(duì)稱的意義是，定律對(duì)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）是相同的；T（時(shí)間）對(duì)稱的意義是，如果你顛倒所有粒子和反粒子的運(yùn)動(dòng)方向，系統(tǒng)應(yīng)回到早先的那樣；換言之，定律對(duì)于前進(jìn)或后退的時(shí)間方向是一樣的。1956年，兩位美國物理學(xué)家李政道和楊振寧提出弱作用實(shí)際上不服從P對(duì)稱。換言之，弱力使得宇宙和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。她把放射性原子的核排列在磁場(chǎng)中，使它們的自旋方向一致。實(shí)驗(yàn)表明，在一個(gè)方向比另一方向發(fā)射出得更多電子。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。人們還發(fā)現(xiàn)弱作用不服從C對(duì)稱，即是說，它使得由反粒子構(gòu)成的宇宙以和我們的宇宙不同的方式行為。盡管如此，弱力似乎確實(shí)服從CP聯(lián)合對(duì)稱。也就是說，如果每個(gè)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！

    然而，1964年，還是兩個(gè)美國人――J?W?克羅寧和瓦爾?費(fèi)茲――發(fā)現(xiàn)，在某種稱為K介子的衰變中，甚至連CP對(duì)稱也不服從。1980年，克羅寧和費(fèi)茲最終由于他們的研究而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。（很多獎(jiǎng)是因?yàn)轱@示宇宙不像我們?cè)?jīng)想像的那么簡(jiǎn)單而授予的！）有一個(gè)數(shù)學(xué)定理說，任何服從量子力學(xué)和相對(duì)論的理論必須服從CPT聯(lián)合對(duì)稱。換言之，如果同時(shí)用反粒子來置換粒子，取鏡像還有時(shí)間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。但是，克羅寧和費(fèi)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(shí)間方向，則宇宙的行為不相同。所以，如果人們反演時(shí)間方向，物理學(xué)定律必須改變――它們不服從T對(duì)稱。

    早期宇宙肯定是不服從T對(duì)稱的：隨著時(shí)間前進(jìn)，宇宙膨脹――如果它往后倒退，則宇宙收縮。而且，由于存在著不服從T對(duì)稱的力，因此當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，相對(duì)于將電子變成反夸克，這些力將更多的反電子變成夸克。然后，隨著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)成了我們自身。

    這樣，我們自身之存在可認(rèn)為是大統(tǒng)一理論的證實(shí)，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(jiǎn)單地把反夸克稱為夸克，夸克稱為反夸克。）大統(tǒng)一理論不包括引力。在我們處理基本粒子或原子問題時(shí)這關(guān)系不大，因?yàn)橐κ侨绱酥?，通常可以忽略它的效?yīng)。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實(shí)，表明它的所有效應(yīng)是疊加的。所以，對(duì)于足夠大量的物質(zhì)粒子，引力會(huì)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(duì)于恒星大小的物體，引力的吸引會(huì)超過所有其他的力，并使恒星坍縮。我在70年代的工作集中于研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強(qiáng)大的引力場(chǎng)產(chǎn)生的。正是黑洞研究給出了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論如何相互影響的第一個(gè)暗示――亦即尚未成功的量子引力論形態(tài)的一瞥。