第一卷 第二章 基本物理
理查德·費(fèi)曼
§2-1 引 言
在本章中，我們將考察有關(guān)物理學(xué)的最基本概念——即我們?cè)谀壳八赖氖挛锏谋拘浴＿@里將不去涉及“我們?nèi)绾沃浪羞@些觀念是正確的”那個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程，你們?cè)谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)學(xué)習(xí)到這些具體的細(xì)節(jié)。
我們?cè)诳茖W(xué)上所關(guān)心的事物，具有無(wú)數(shù)形式和許多屬性。舉例來(lái)說(shuō)，假如我們站在岸邊眺望大海，將會(huì)看到：這里有海水、拍擊的浪花、飛濺的泡沫以及洶涌的波浪，還有太陽(yáng)、光線、蔚藍(lán)的天空、白云以及空氣的流動(dòng)——風(fēng)；在海邊有沙粒，不同色紋和硬度的巖石；在海里浮游著生物，此生彼滅；最后，還有我們這些站在海岸邊的觀察者；甚至還有幸福和懷念。在自然界的其他場(chǎng)合，難道不也同樣出現(xiàn)如此紛繁復(fù)雜的事物和影響嗎？無(wú)論在哪里，到處都是這樣錯(cuò)綜復(fù)雜和變化無(wú)窮。好奇心驅(qū)使我們提出問(wèn)題，把事物聯(lián)系起來(lái)，而將它們的種種表現(xiàn)理解為：或許是由較少量的基本事物和相互作用以無(wú)窮多的方式組合后所產(chǎn)生的結(jié)果。
例如，沙粒和巖石是兩回事嗎？就是說(shuō)，沙粒只不過(guò)是大量的細(xì)小石塊嗎？月亮是不是一塊巨大的巖石呢？如果我們了解巖石，是否就能了解沙粒和月亮呢？風(fēng)是否與海洋中的水流相似，就是一種空氣的流動(dòng)？不同的運(yùn)動(dòng)有什么共同特征？不同的聲音有什么相似之處？究竟有多少種顏色？等等，等等。我們就是試圖這樣地逐步分析所有的事情，把那些乍看起來(lái)似乎不相同的東西聯(lián)系起來(lái)，希望有可能減少不同類事物的數(shù)目，從而能更好的理解它們。
幾個(gè)世紀(jì)以前，人們想出了一種部分解答這類問(wèn)題的方法，那就是：觀察，推理和實(shí)驗(yàn)；這些內(nèi)容構(gòu)成了通常所說(shuō)的科學(xué)方法。在這里，我們將只限于對(duì)那些有時(shí)稱之為基本物理中的基本觀點(diǎn)，或者由于應(yīng)用科學(xué)方法而形成的基本概念作一描述。
現(xiàn)在我們要問(wèn)：所謂“理解”某種事情指的是什么意思？可以作一想象：組成這個(gè)“世界”的運(yùn)動(dòng)物體的復(fù)雜排列似乎有點(diǎn)像是天神們所下的一盤(pán)偉大的象棋（這里指的是國(guó)際象棋——譯者注），我們則是這盤(pán)棋的觀眾。我們不知道弈棋的規(guī)則，所有能做的事情就是觀看這場(chǎng)棋賽。當(dāng)然，假如我們觀看了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，總歸能看出幾條規(guī)則來(lái)，這些弈棋規(guī)則就是我們所說(shuō)的基本物理。但是，即使我們知道了每條規(guī)則，仍然有可能不理解為什么下棋時(shí)要走某一步棋，這僅僅是因?yàn)榍闆r太復(fù)雜了，而我們的智力卻是有限的。如果你們會(huì)下棋，就一定知道，學(xué)會(huì)所有的規(guī)則是容易的，但是，要選擇最好的一著棋，或者要弄懂別人為什么走這一著棋，往往就很困難了。在自然界里，也正是如此，而且只有更難一些。但是，至少我們能發(fā)現(xiàn)所有的規(guī)則。實(shí)際上我們今天還沒(méi)找到一切規(guī)則（時(shí)而會(huì)出現(xiàn)一些像弈棋中“以車(chē)護(hù)王”那樣的情況，使我們?nèi)匀桓械綗o(wú)法理解）。除此之外，我們確實(shí)能用已知規(guī)則來(lái)解釋的事情也是非常有限的，因?yàn)閹缀跛械那闆r都是極其復(fù)雜的，我們不能領(lǐng)會(huì)這盤(pán)棋中應(yīng)用這些規(guī)則的走法，更無(wú)法預(yù)言下一步將要怎樣。所以，我們必須使自己只限于弈棋規(guī)則這個(gè)比較基本的問(wèn)題。如果我們知道了規(guī)則，就認(rèn)為“理解”了世界。
如果我們不能很好的分析這盤(pán)象棋游戲，那么又怎樣來(lái)辨別我們“猜測(cè)”出的規(guī)則實(shí)際上是否正確呢？大致地講，可以有三種辦法。第一，可能有這種情況：大自然安排的，或者說(shuō)我們將大自然安排的十分簡(jiǎn)單，只有少數(shù)幾個(gè)組成部分，從而使我們能夠正確地預(yù)測(cè)將要發(fā)生的事。在這種情況下，就能檢驗(yàn)我們的規(guī)則是怎樣起作用的。（在棋盤(pán)角落里可能只有少數(shù)幾個(gè)棋子在移動(dòng)，所以我們能夠正確地解決。）
第二種檢驗(yàn)規(guī)則的好辦法是，利用那些由已知規(guī)則推導(dǎo)出來(lái)的一些較一般性的法則來(lái)檢驗(yàn)已知規(guī)則本身。比如，象在棋盤(pán)中移動(dòng)的規(guī)則是只許走對(duì)角線，因而我們可以推斷，無(wú)論象走了多少步，它總是出現(xiàn)在紅方塊里。這樣，即使不能領(lǐng)會(huì)細(xì)節(jié)，我們也總能檢驗(yàn)有關(guān)象的走法的概念，只要弄清楚它是否一直在紅方塊里。當(dāng)然，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，它都將如此，直到突然發(fā)現(xiàn)它出現(xiàn)在黑方塊里。（顯然，這時(shí)發(fā)生的情況是這個(gè)象被俘獲了，另一個(gè)卒走過(guò)來(lái)成為皇后，紅方塊里的象就變成黑方塊里的象。）這也就是物理學(xué)中出現(xiàn)的情況，即使我們不能領(lǐng)會(huì)其中的細(xì)節(jié)，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)我們?nèi)杂性诟鞣矫娑己芎玫仄鹱饔玫囊?guī)則；但是在某個(gè)時(shí)候，我們又會(huì)發(fā)現(xiàn)新的規(guī)則。從基本物理的觀點(diǎn)來(lái)看，最有趣的現(xiàn)象當(dāng)然是在那些新的場(chǎng)合——那些已知規(guī)則行不通的場(chǎng)合中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，而不是在原有規(guī)則行得通的地方發(fā)生的現(xiàn)象！這是我們發(fā)現(xiàn)新規(guī)則的一條途徑。
第三個(gè)鑒別我們的觀念是否正確的方法比較粗糙，但或許是所有方法中最為有效的。這就是用粗略的近似方法來(lái)加以辨別。我們可能說(shuō)不出為什么阿萊克因（Alekhine）（世界著名弈棋手，系國(guó)際象棋大師。曾多次獲得國(guó)際象棋世界冠軍?！g者注）要走這步棋，但是我們或許能大致認(rèn)為它或多或少地在調(diào)集一些棋子到王的周?chē)鷣?lái)保護(hù)它。因?yàn)檫@是在這種情況下明擺著的事。同樣，根據(jù)我們對(duì)這盤(pán)棋的理解，即使不能看出每一步棋的作用，也常常能對(duì)自然界多少有所理解。
人們首先把自然界中的現(xiàn)象大致分為幾類，如熱、電、力學(xué)、磁、物性、化學(xué)、光或光學(xué)、X射線、核物理、引力、介子等等現(xiàn)象。然而，這樣做的目的，是將整個(gè)自然界看作是一系列現(xiàn)象的許多不同側(cè)面。這就是今天基礎(chǔ)理論物理面臨的問(wèn)題：發(fā)現(xiàn)隱匿在實(shí)驗(yàn)后的定律；把各類現(xiàn)象綜合起來(lái)。在歷史上，人們總能做到這一點(diǎn)，但隨著時(shí)間的推移，新的事實(shí)發(fā)現(xiàn)了；我們?cè)?jīng)將現(xiàn)象綜合得很好，突然，發(fā)現(xiàn)了 X射線，隨后我們又融合了更多事實(shí)，但是又發(fā)現(xiàn)了介子。因此，在弈棋的任何一個(gè)階段，看起來(lái)總是相當(dāng)凌亂。大量事實(shí)被歸并了，但總還有許多線索向一切方向延伸出去。這就是今天的狀況，也就是我們將試圖去描繪的現(xiàn)狀。
歷史上出現(xiàn)過(guò)的若干進(jìn)行綜合的情況有如下幾個(gè)。首先，是熱與力學(xué)的綜合，當(dāng)原子運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)得越是劇烈，系統(tǒng)所包含的熱量就越多，這樣，熱和所有的溫度效應(yīng)可以用力學(xué)定律來(lái)說(shuō)明。另一個(gè)巨大的綜合，是發(fā)現(xiàn)了電、磁、光之間的聯(lián)系，從而知道它們是同一件事物的不同方面，即今天我們稱為電磁場(chǎng)的那個(gè)東西的不同表現(xiàn)。還有一個(gè)綜合，是把化學(xué)現(xiàn)象、各種物質(zhì)的各種性質(zhì)以及原子的行為統(tǒng)一起來(lái)，這就是量子化學(xué)的內(nèi)容。
顯然，現(xiàn)在的問(wèn)題是：能不能繼續(xù)把所有的事情都綜合起來(lái)，并且僅僅發(fā)現(xiàn)這整個(gè)世界體現(xiàn)了一件事情的種種不同方面？無(wú)人知道答案如何，我們所知道的只是：這樣做下去時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)可以綜合一些事實(shí)，隨后又發(fā)覺(jué)出現(xiàn)了一些不能綜合的事實(shí)。我們繼續(xù)嘗試這種拼圖游戲。至于是否只有有限數(shù)量的棋子，甚至這場(chǎng)拼圖游戲是否有底，當(dāng)然不知道。除非有那么一天終于把拼圖拼成了，否則我們就永遠(yuǎn)不會(huì)知道事情的究竟。在這里我們要做的是，看看那種綜合已經(jīng)到了什么程度，在借助于最少的一組原理來(lái)理解基本現(xiàn)象方面，現(xiàn)狀又是如何。簡(jiǎn)言之，事物是用什么構(gòu)成的？總共存在多少基本元素？
§2-2 1920年以前的物理學(xué)
一開(kāi)始就從現(xiàn)在的觀點(diǎn)講起是有點(diǎn)困難的，所以讓我們先來(lái)看一下在1920年左右人們是怎樣看待世界的，然后再?gòu)倪@幅圖像中挑出幾件事情來(lái)。在1920年以前，我們的世界圖像大致是這樣的：宇宙活動(dòng)的“舞臺(tái)”是歐幾里德所描繪的三維幾何空間，一切事物在稱為時(shí)間的某一種媒質(zhì)里變化，舞臺(tái)上的基本元素是粒子，例如原子，它們具有某些特性，首先一個(gè)特性是慣性：如果一個(gè)粒子正在運(yùn)動(dòng)，那么它將沿著同一個(gè)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去，除非有力作用其上。此外，第二個(gè)基本元素就是力，當(dāng)時(shí)認(rèn)為共有兩類力。第一類力是一種極其復(fù)雜細(xì)致的相互作用，它們以復(fù)雜的方式將各種各樣的原子約束在不同的組合之中，它們確定當(dāng)溫度升高時(shí)，食鹽是溶解的更快還是更慢些；另一類已知的力是一種長(zhǎng)程的相互作用，它是與距離平方成反比的變化平緩的作用力，稱為萬(wàn)有引力。這條定律已為我們所知，它是很簡(jiǎn)單的。當(dāng)然，為什么物體的運(yùn)動(dòng)一經(jīng)開(kāi)始就能保持下去，或者說(shuō)為什么存在一條萬(wàn)有引力定律，我們則不清楚。
對(duì)自然的描述正是我們?cè)谶@里要關(guān)心的。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，氣體以及實(shí)際上所有的物質(zhì)都是無(wú)數(shù)運(yùn)動(dòng)著的原子。這樣，我們站在海邊所聽(tīng)見(jiàn)到的許多東西馬上可以聯(lián)系起來(lái)了。首先是壓力，它是來(lái)自原子與墻或者某個(gè)東西的碰撞；如果原子的運(yùn)動(dòng)平均而言都是沿著一個(gè)方向，這種原子的漂移運(yùn)動(dòng)就是風(fēng)；而無(wú)規(guī)則的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)就是熱。某個(gè)地方有過(guò)多的原子集結(jié)在一起時(shí)，就形成了過(guò)剩密度的波，當(dāng)波前進(jìn)時(shí)，把成堆的原子推向更遠(yuǎn)的地方，等等。這種過(guò)剩密度的波就是聲波。能夠理解這么多事情的確是驚人的成就。在前一章里，我們已經(jīng)說(shuō)明過(guò)一些這樣的事情。
粒子有哪些種類？在當(dāng)時(shí)認(rèn)為有 92 種：那時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有 92 種不同的原子，各按其化學(xué)性質(zhì)而被賦予不同的名稱。
其次的問(wèn)題是“短程力”是什么？為什么碳吸引一個(gè)（有時(shí)兩個(gè)）而不是三個(gè)氧？原子間的相互作用的機(jī)制是什么？是萬(wàn)有引力嗎？答案是否定的。萬(wàn)有引力實(shí)在是太弱了。于是讓我們來(lái)設(shè)想一種類似于力與距離平方成反比的力，不過(guò)在強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前者，此外還有一個(gè)差別：在重力作用下，每個(gè)物體彼此吸引，但現(xiàn)在我們?cè)O(shè)想有兩類“物體”，而這種新的力（當(dāng)然就是所謂電力）具有同號(hào)相斥而異號(hào)相吸的特性。具有這樣強(qiáng)的作用的“物體”就稱為電荷。
那么，我們會(huì)得到什么結(jié)果呢？假定我們有兩個(gè)異號(hào)電荷，一正一負(fù)，并且彼此十分靠近?，F(xiàn)在，在若干距離之外，還有另一個(gè)電荷。它會(huì)感到吸引嗎？實(shí)際上它幾乎不會(huì)感到什么作用，因?yàn)槿绻皟蓚€(gè)電荷的大小相等，來(lái)自一個(gè)電荷的吸引被來(lái)自另一個(gè)電荷的排斥所抵消。所以，在任何可觀的距離外只有很小的一點(diǎn)作用力。另一方面，如果我們使第三個(gè)電荷非常靠近前兩個(gè)時(shí)，就會(huì)發(fā)生吸引作用。因?yàn)橥?hào)電荷的斥力與異號(hào)電荷的引力傾向于使異號(hào)電荷靠近而使同號(hào)電荷遠(yuǎn)離。這樣，排斥作用就將小于吸引作用。這就是為什么由正、負(fù)電荷組成的原子相互離開(kāi)較遠(yuǎn)時(shí)只能感受到很小一點(diǎn)作用力（重力除外），而當(dāng)它們彼此靠近時(shí)，就能夠互相“看到內(nèi)部”而重新安排其電荷，結(jié)果產(chǎn)生了極強(qiáng)的相互作用。原子間作用力的最終基礎(chǔ)是電的作用。由于這種力是如此巨大，以至所有正的與負(fù)的電荷通常都以盡可能緊密的方式結(jié)合在一起。所有的事物，甚至我們自己，都由極精細(xì)的和彼此強(qiáng)烈作用著的正、負(fù)微粒所組成，所有正的微粒與所有負(fù)的微粒正好抵消。有時(shí)，碰巧我們“擦”去了一些負(fù)電荷或正電荷（通常擦去負(fù)電荷較為容易），在這種情況下將會(huì)發(fā)現(xiàn)電力不再平衡，于是就能看到電的吸引作用。
為了對(duì)電力作用究竟比引力作用大多少有個(gè)概念，我們舉出大小為 1 毫米，相距為 30米的兩粒沙子為例。假如它們之間的作用力沒(méi)有抵消，每個(gè)電荷都吸引所有其他電荷而不考慮同號(hào)電荷間的斥力，因此不會(huì)抵消，那么，兩顆沙粒之間的作用力會(huì)有多大呢？?jī)烧唛g將會(huì)產(chǎn)生三百萬(wàn)噸的力！你瞧，只要正電荷或負(fù)電荷的數(shù)目有一點(diǎn)點(diǎn)極小的過(guò)?；蚯啡?，就足以產(chǎn)生可觀的電效應(yīng)。當(dāng)然，這就是你們?yōu)槭裁床荒芸闯鰩щ婓w與非帶電體之間的差別的原因——所牽涉的粒子數(shù)目少得無(wú)論在物體的重量上或者形狀上都很難造成什么差別。
有了這樣的圖像，對(duì)原子就比較容易理解了。人們認(rèn)為原子的中心是一個(gè)帶正電的質(zhì)量甚大的“原子核”，核周?chē)鷩@著一定數(shù)量的很輕而且?guī)в胸?fù)電的“電子”。讓我們稍稍超前一點(diǎn)提一下：在原子核里也發(fā)現(xiàn)了兩類粒子——質(zhì)子和中子，它們的重量幾乎相同，并且十分重。質(zhì)子帶正電，中子則呈中性。如果我們有一個(gè)原子，其核內(nèi)有六個(gè)質(zhì)子，從而四周環(huán)繞六個(gè)電子（在通常的物質(zhì)世界中負(fù)粒子都是電子，與組成原子核的質(zhì)子和中子相比，它們是很輕的）。在元素周期表上這個(gè)原子的序數(shù)是 6，名稱是碳。原子序數(shù)為 8的物質(zhì)叫做氧，等等。因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)取決于核外的電子，實(shí)際上它只取決于核外有多少電子。所以，一種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)只由電子的數(shù)目所決定。（化學(xué)家的全部元素的名稱實(shí)際上可以用 1，2，3，4，5等等編號(hào)來(lái)稱呼。）我們可以說(shuō)“元素六”，表示六個(gè)電子，以代替“碳”這個(gè)名稱。當(dāng)然，在先前發(fā)現(xiàn)元素時(shí)，人們并不知道它們可以用這種方式來(lái)編號(hào)。此外，這又會(huì)使事情復(fù)雜化，因此，寧可對(duì)這些元素定一個(gè)名稱和符號(hào)，這比用編號(hào)來(lái)稱呼元素來(lái)得更好。
關(guān)于電的作用，人們還發(fā)現(xiàn)了更多事情。對(duì)電相互作用的自然解釋是，兩個(gè)物體簡(jiǎn)單地互相吸引：正的吸引負(fù)的。然而后來(lái)發(fā)現(xiàn)用這種觀點(diǎn)來(lái)描寫(xiě)電的相互作用并不妥當(dāng)。更合適的描述這種情況的觀點(diǎn)是：在某種意義上，正電荷的存在使空間的“狀況”發(fā)生畸變，或者說(shuō)在空間造成了一種“狀況”。于是當(dāng)我們將負(fù)電荷放到這個(gè)空間里后，它就會(huì)感受到一個(gè)作用力。這種產(chǎn)生力的潛在可能性就叫做電場(chǎng)。當(dāng)把一個(gè)電子放入電場(chǎng)時(shí)，我們就說(shuō)它受到“拉拽”。于是我們就有兩條規(guī)則：（1）電荷產(chǎn)生電場(chǎng)；（2）電荷在電場(chǎng)中會(huì)受到力的作用而運(yùn)動(dòng)。如果我們討論下述現(xiàn)象的話，建立這條規(guī)則的理由就清楚了：假如我們使某物體比方說(shuō)梳子帶電，然后把一張帶電的紙片放在一定距離之外，當(dāng)我們來(lái)回移動(dòng)梳子時(shí)，紙片就會(huì)有反應(yīng)，并且總是指向梳子。如果我們使梳子晃動(dòng)的快些，就會(huì)發(fā)現(xiàn)紙片的運(yùn)動(dòng)有一點(diǎn)滯后，即作用有所延遲。（起先，當(dāng)我們相當(dāng)慢地晃動(dòng)梳子時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)一種錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象，這就是磁。磁的影響與作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有關(guān)，所以磁力和電的作用力實(shí)際上可以歸之于一個(gè)場(chǎng)，這象同一件事的兩個(gè)不同的方面。變化的電場(chǎng)不能離開(kāi)磁而存在?。┘偃缥覀儼鸭埰频酶h(yuǎn)，滯后就更大。這時(shí)能觀察到一件有趣的事：雖然兩個(gè)帶電體之間的作用力應(yīng)當(dāng)與距離的平方成反比，但是我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)搖動(dòng)一個(gè)電荷時(shí)，電作用的影響范圍要比起初所猜想的大得多。這就是說(shuō)，作用的減弱要比反平方的規(guī)則來(lái)的慢。
這里有一個(gè)類比：如果我們?cè)谒乩?，而在近處漂浮著一個(gè)軟木塞，我們可以用另一個(gè)軟木塞劃水來(lái)“直接”移動(dòng)那個(gè)木塞。如果現(xiàn)在你只注意兩個(gè)軟木塞，你能看到的將是一個(gè)立即響應(yīng)另一個(gè)的運(yùn)動(dòng)——在軟木塞之間存在著某種“相互作用”。當(dāng)然，我們實(shí)際上所做的只是攪動(dòng)了水；然后水又去擾動(dòng)另一個(gè)木塞。于是，我們就能提出一條“定律”：如果稍微劃一下水，那么水中附近的物體就會(huì)移動(dòng)。當(dāng)然，假若第二個(gè)軟木塞離得較遠(yuǎn)，它將幾乎不動(dòng)，因?yàn)槲覀冎皇蔷植康財(cái)噭?dòng)水。另一方面，假如我們晃動(dòng)木塞，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的現(xiàn)象，這部分水推動(dòng)了那部分水，等等，于是波就傳播開(kāi)去。這樣，由于晃動(dòng)，就有一種波及十分遠(yuǎn)的影響和一種振蕩的影響，這是無(wú)法用直接相互作用來(lái)理解的。所以那種直接作用的概念必須用水的存在來(lái)代替，或者，對(duì)于電的情形，用我們所謂的電磁場(chǎng)來(lái)代替。
電磁場(chǎng)能傳送各種波。其中的一些就是光波，另一些波用在無(wú)線電廣播里。但它們總的名稱是電磁波。這些振蕩的波可以有各種頻率，一種波和另一種波之間的唯一的真正差別只是振蕩的頻率。假如我們?cè)絹?lái)越快地來(lái)回晃動(dòng)電荷，并且注視著所產(chǎn)生的效應(yīng)時(shí)，我們將得到一系列不同的效應(yīng)，只要用一個(gè)數(shù)，即每秒鐘振蕩的次數(shù)，就能把這些效應(yīng)統(tǒng)一起來(lái)。通常在我們住房墻上電路里流動(dòng)電流所產(chǎn)生的擾動(dòng)約為 100 周/秒。如果我們把頻率提高到每秒 500 千周或1000 千周（1 千周 = 1000 周），我們就“在空氣中”了（原文為“On theair”，直譯為“在空氣中”，亦作電臺(tái)“正在廣播”解。作者在這里用的是雙關(guān)語(yǔ)，故有下文的“廣播與空氣毫無(wú)關(guān)系”?！g者注）因?yàn)檫@正是無(wú)線電廣播所用的頻率范圍（當(dāng)然，廣播與空氣毫無(wú)關(guān)系！沒(méi)有任何空氣也能進(jìn)行廣播）。假如再提高頻率，那么就進(jìn)入調(diào)頻廣播和電視所用的波段。再上去，我們使用一種極短的波，比如雷達(dá)所用的波。頻率再增高，我們就無(wú)需用儀器來(lái)“看”這種波了，而用眼睛就能看到它。在頻率范圍為每秒 5×1014 到 5×1015周的時(shí)候，只要有可能使帶電的梳子晃動(dòng)的這樣快，我們的眼睛就能見(jiàn)到帶電梳子的振動(dòng)像紅光、藍(lán)光或紫光，視振動(dòng)的頻率而定。低于上述頻率范圍的稱為紅外，高于此范圍的稱紫外。從物理學(xué)家的觀點(diǎn)來(lái)看，我們能看見(jiàn)某種頻率范圍的波這個(gè)事實(shí)并不使這一部分電磁波譜比其他部分有什么更令人注意的地方，但是從人類的觀點(diǎn)來(lái)看，這當(dāng)然是更有趣的。如果我們把頻率提得更高，于是就得到 X 射線，X 射線不是別的，只是頻率極高的光而已。如果再提高頻率，就得到 γ射線。X 射線與 γ 射線這兩個(gè)名稱在使用時(shí)幾乎是同義的，通常將原子核發(fā)出的電磁射線稱為 γ 射線，而從原子中發(fā)出的這種高能的電磁射線就成為X 射線，但是不論它們的起源如何，當(dāng)頻率相同時(shí)，它們?cè)谖锢砩鲜菬o(wú)法區(qū)別的。如果我們能進(jìn)到更高的頻率，比如說(shuō)每秒 1024 周，我們發(fā)現(xiàn)可以人工制造這樣的波，例如用加里福尼亞工學(xué)院的同步加速器。我們還可以在宇宙射線里發(fā)現(xiàn)頻率出奇地高——具有甚至快 1000 倍的振蕩——的電磁波，而這些波目前還不能由我們來(lái)控制。
表2-1 電磁波譜
頻率（周/秒） 名稱 大略行為
102 電擾動(dòng) 場(chǎng)
5×105~106 無(wú)線電廣播 波
108 FM-TV 波
1010/ 雷達(dá) 波
5×1014~1015 光 波
1018 X 射線 粒子
1021 γ 射線（原子核） 粒子
1024 γ 射線（人造） 粒子
1027 γ 射線（宇宙射線中） 粒子
§2-3 量子物理學(xué)
說(shuō)明了電磁場(chǎng)概念和電磁場(chǎng)能傳送波后，我們很快就認(rèn)識(shí)到，這些波的行為實(shí)際上十分奇怪，看起來(lái)完全不像波。在頻率較高時(shí)，它們的行為更像粒子！正是在1920年后發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué)解釋了這種奇怪的行為。在1920年之前，愛(ài)因斯坦已改變了把空間看作是三維空間、把時(shí)間看成是單獨(dú)存在的這種圖像。他首先把它們組合在一起，并稱之為空－時(shí)，然后又進(jìn)一步用彎曲的空－時(shí)來(lái)描繪萬(wàn)有引力。這樣，宇宙的“舞臺(tái)”就變?yōu)榭眨瓡r(shí)，而萬(wàn)有引力則大概是空－時(shí)的一種變態(tài)。以后，人們又發(fā)現(xiàn)有關(guān)原子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則也是有問(wèn)題的：在原子世界中，“慣性”與“力”的力學(xué)法則是不正確的——牛頓定律已不再成立。人們反而發(fā)現(xiàn)小尺度范圍內(nèi)事物的行為與大尺度范圍內(nèi)事物的行為沒(méi)有任何相似之處。這給物理學(xué)造成困難——但又十分有趣。之所以困難，是由于事物在小尺度范圍內(nèi)的表現(xiàn)如此“反常”，我們對(duì)之沒(méi)有直接的經(jīng)驗(yàn)。在這里事物的表現(xiàn)完全不像我們所知道的任何事情，因而除了用解析的方式，用任何其他方法都不可能描寫(xiě)這種習(xí)性。這的確是困難的，需要做大量的想象。
量子力學(xué)中有許多看法。首先，一個(gè)粒子既有確定的位置也有確定的速度，這種概念已被拋棄，那是不正確的想法。表明經(jīng)典物理是怎樣不正確的一個(gè)例子是，在量子力學(xué)中有這樣一條定則：不可能既知道某個(gè)粒子在什么地方，又知道它運(yùn)動(dòng)得多塊。動(dòng)量的不確定性與位置的不確定性是并協(xié)的，二者的乘積是常數(shù)。我們可以把這條定律寫(xiě)成 ΔxΔp≥k/2π，在以后將會(huì)更詳盡的解釋它。這條定則解釋了這樣一個(gè)十分神秘的佯謬：即如果原子是由正負(fù)電荷所構(gòu)成，那么為什么負(fù)電荷不是簡(jiǎn)單地位于正電荷的頂端（它們彼此是吸引的），從而彼此靠攏以至于完全抵消？為什么原子如此龐大？為什么原子核在中心，而其周?chē)h(huán)繞著一些電子？起先曾認(rèn)為原子核很大，但事實(shí)并非如此，它是非常小的。一個(gè)原子的直徑約為 10-8 厘米，一個(gè)原子核的直徑約為 10-13厘米。如果我們有一個(gè)原子，為了看到原子核，就要把整個(gè)原子放大到一個(gè)大房間大樣大。這時(shí)原子核才剛剛是一個(gè)可以用眼睛分辨出來(lái)的斑點(diǎn)，但是幾乎原子所有的重量都集中在這個(gè)無(wú)比小的原子核上。是什么理由使電子沒(méi)有直接落入原子核呢？正是上述的原理。如果電子在原子核里出現(xiàn)，我們就會(huì)精確地知道它們的位置，而測(cè)不準(zhǔn)原理則要求它們具有很大的（不過(guò)是不確定的）動(dòng)量，即很大的動(dòng)能。電子具有這樣大的能量就要脫離原子核，這些電子作出了讓步：由于不確定性，它們?yōu)樽约毫粝乱粋€(gè)狹小的空間，于是以由這個(gè)定則所決定的最小的運(yùn)動(dòng)晃動(dòng)著。（記得我們?cè)?jīng)說(shuō)過(guò)，當(dāng)晶體冷卻到絕對(duì)零度時(shí)，原子并沒(méi)有停止運(yùn)動(dòng)，它們?nèi)匀辉诨蝿?dòng)，為什么？如果它們停止運(yùn)動(dòng)，我們就能知道它們?cè)谑裁吹胤?，而且它們不運(yùn)動(dòng)，這就違反了測(cè)不準(zhǔn)原理：我們不能既知道它們?cè)谀睦?，又知道它們以什么速度運(yùn)動(dòng)。所以它們必須在那里不斷地?cái)[動(dòng)?。?div style="height:15px;">
另一個(gè)由量子力學(xué)帶來(lái)的在科學(xué)的觀念和哲學(xué)方面最有趣的變化是，在任何情形下要想精確地預(yù)言會(huì)發(fā)生什么事都是不可能的。比如我們有可能使一個(gè)原子處于準(zhǔn)備發(fā)光的狀態(tài)，在原子發(fā)光時(shí)，可以利用探測(cè)光子的方法進(jìn)行測(cè)量（這一點(diǎn)我們馬上就要講的），但是，我們無(wú)法預(yù)計(jì)它將在什么時(shí)候發(fā)光，或者在有幾個(gè)原子的情況下，究竟哪一個(gè)原子將發(fā)光。你們可能說(shuō)，這是由于某種我們還沒(méi)有足夠仔細(xì)觀察過(guò)的內(nèi)部“轉(zhuǎn)輪”在起作用。然而，這里根本沒(méi)有什么內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪，按照我們今天的理解，大自然的表現(xiàn)是這樣的：根本不可能精確地預(yù)言在一定的實(shí)驗(yàn)中究竟會(huì)發(fā)生什么事情。這是一件糟透了的事；事實(shí)上，哲學(xué)家曾聲稱：科學(xué)所必需的基本東西之一就是，每當(dāng)你安排了同樣的條件時(shí)，那么發(fā)生的必定是同一件事。但是，這完全不正確，它并不是科學(xué)的基本條件。事實(shí)上是所發(fā)生的并不是同一件事，我們所能得到的只是發(fā)生一些什么的統(tǒng)計(jì)平均。不過(guò)，科學(xué)并沒(méi)有完全崩潰。順便地說(shuō)，哲學(xué)家們講了一大套科學(xué)之絕對(duì)必需是什么，但就像人們所看到的那樣，這些總是相當(dāng)天真的，甚至還是錯(cuò)誤的。例如，某個(gè)哲學(xué)家宣稱對(duì)科學(xué)的成就來(lái)說(shuō)十分重要的是，如果同一個(gè)實(shí)驗(yàn)先在某處，比如說(shuō)在斯德哥爾摩做；然后在另一處，比如說(shuō)在基多（南美厄瓜多爾首都——譯者注）做，那么必定會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果。這純粹是一派胡言。對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō)，這并不是必然的：它可能是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，但不是必然的情況。比如有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室在斯德哥爾摩觀察天空，這時(shí)會(huì)看到北極光，如果在基多則看不到這種現(xiàn)象，這就是出現(xiàn)了不同的情況。“但是”，你會(huì)說(shuō)：“這是一件與外部情況有關(guān)的事，如果你把自己關(guān)在斯德哥爾摩的一個(gè)房間里，拉下窗簾的話，那么會(huì)發(fā)生什么差別嗎？”肯定會(huì)。假如我們?cè)谝粋€(gè)方向接頭上掛一個(gè)擺，讓它開(kāi)始擺動(dòng)，它就會(huì)差不多在一個(gè)平面里擺動(dòng)，但也并不完全如此。在斯德哥爾摩，平面會(huì)緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)著，但是在基多就不會(huì)。在那里，窗簾也是垂下的。這件事的發(fā)生并沒(méi)有引起科學(xué)的毀滅?？茖W(xué)的基本假設(shè)，它的基本哲學(xué)觀念是什么呢？我們?cè)诘谝徽吕镏v到過(guò)：實(shí)驗(yàn)是任何觀念的正確性的唯一試金石。假如結(jié)果是在基多所作的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與在斯德哥爾摩所作的實(shí)驗(yàn)效果一樣，那么這“大多數(shù)實(shí)驗(yàn)”就可用來(lái)提出某種一般性的定律，至于對(duì)那些效果不同的實(shí)驗(yàn)，我們就將說(shuō)：“這是由于斯德哥爾摩周?chē)沫h(huán)境不同所引起的”。我們將能想出一些辦法來(lái)概括實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而沒(méi)有必要在事先就被告誡說(shuō)，這些辦法看起來(lái)象什么。假如有人告訴我們說(shuō)，同樣的實(shí)驗(yàn)總是產(chǎn)生同樣的結(jié)果，這固然很好。但是當(dāng)我們?cè)嚵艘幌潞螅l(fā)現(xiàn)并非如此，因而結(jié)論的確就是并非如此。我們正是必須相信自己所看到的，然后才能借助于實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來(lái)形成我們的一切其他觀念。
現(xiàn)在讓我們回到量子力學(xué)和基本物理上來(lái)。當(dāng)然，我們?cè)诖丝踢€不能詳細(xì)敘述量子力學(xué)的原理，因?yàn)樗鼈兪穷H難理解的。我們將假定它們成立，然后敘述一下某些結(jié)果。其中一個(gè)是，我們通常視作為波的那些事物也具有粒子的習(xí)性，而粒子則具有波的習(xí)性。實(shí)際上，每一種事物的行為都是一樣的，不存在波和粒子的區(qū)別。這樣，量子力學(xué)就將場(chǎng)的概念以及場(chǎng)的波與粒子統(tǒng)一起來(lái)。的確，頻率低時(shí)，現(xiàn)象的場(chǎng)的方面比較明顯，或者說(shuō)作為根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)的近似描寫(xiě)時(shí)比較有用。但當(dāng)頻率增加時(shí)，現(xiàn)象的粒子方面對(duì)于我們通常用來(lái)作為測(cè)量用的儀器來(lái)說(shuō)更為明顯。實(shí)際上，雖然我們提到過(guò)許多頻率，但目前還沒(méi)有探測(cè)到任何直接涉及頻率在每秒1013 周以上的現(xiàn)象，我們只是在假定了量子力學(xué)的波粒二象性概念是正確之后，根據(jù)有關(guān)規(guī)則從粒子的能量來(lái)推斷出這些較高的頻率的。
于是，我們對(duì)電磁相互作用有了新的見(jiàn)解。我們把一種新的粒子加入到電子、質(zhì)子及中子的行列，這種新的粒子稱為光子。新的電子質(zhì)子相互作用的見(jiàn)解稱為量子電動(dòng)力學(xué)，它就是電磁理論，不過(guò)其中的一切在量子力學(xué)上都是正確的。這是光和物質(zhì)，或電場(chǎng)與電荷之間的相互作用的基本理論，就物理學(xué)來(lái)說(shuō)它是我們最偉大的成就。比如，從量子電動(dòng)力學(xué)可以得出所有已知的電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)定律：彈子碰撞的定律，導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的定律，一氧化碳的比熱，霓虹燈的色彩，鹽的密度，以及氫氣與氧形成水的反應(yīng)等，全部都是這一理論的推論。所有這些細(xì)節(jié)，如果簡(jiǎn)單到能使我們運(yùn)用近似方法的話，都可以得出，這實(shí)際上當(dāng)然不可能。不過(guò)，我們總能對(duì)發(fā)生的事多少有所理解。目前，在原子核外面還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)量子電動(dòng)力學(xué)定律有什么例外，對(duì)于原子核我們不知道是否會(huì)有例外，因?yàn)閷?duì)于核內(nèi)的過(guò)程我們簡(jiǎn)直還不太清楚。
這樣，在原則上，量子電動(dòng)力學(xué)是一切化學(xué)以及生命的理論——如果生命最后歸結(jié)為化學(xué)，因而也就歸結(jié)為物理的話（因?yàn)榛瘜W(xué)本身已經(jīng)歸結(jié)為物理，涉及化學(xué)中的那部分物理早就知道了！）。不僅如此，量子電動(dòng)力學(xué)這個(gè)偉大的理論還預(yù)言了許多新的事實(shí)。首先，它說(shuō)明了甚高能光子、γ射線等等的性質(zhì)。它還預(yù)言了另一個(gè)十分出乎意外的事：除電子外，還應(yīng)當(dāng)有同樣質(zhì)量、但帶有正電荷的稱為正電子的粒子，并且這兩種粒子碰在一起時(shí)，會(huì)彼此湮沒(méi)而放出光或 γ 射線（其實(shí)，光與 γ射線完全是一回事，只是頻率不同而已）。這件事情的推廣——即對(duì)每個(gè)粒子總有一個(gè)反粒子——現(xiàn)在知道是正確的。電子的反粒子有另一個(gè)名稱，即正電子。但其他大多數(shù)反粒子，就稱反某某子，如反質(zhì)子、反中子。在量子電動(dòng)力學(xué)中，提出了兩個(gè)基本數(shù)據(jù)——電子質(zhì)量與電荷，所有世界上其他的數(shù)被認(rèn)為可以從這兩個(gè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來(lái)。實(shí)際上，這不完全正確，因?yàn)榛瘜W(xué)還有一整套數(shù)據(jù)，它告訴我們?cè)雍耸嵌嘀?，這就把我們引導(dǎo)到下一部分內(nèi)容中去了！
§2-4 原子核與粒子
原子核是由什么組成的，這些東西又是怎樣結(jié)合在一起的？人們發(fā)現(xiàn)，原子核是靠巨大的作用力結(jié)合在一起的，當(dāng)這種力釋放時(shí)，其釋放出來(lái)的能量比化學(xué)能大得多。前者與后者之比就好像原子彈爆炸與 TNT 炸藥的爆炸相比一樣。當(dāng)然，這是因?yàn)樵訌棻〞r(shí)與原子核里的變化有關(guān)，而 TNT的爆炸則與原子外層的電子變化有關(guān)。問(wèn)題是，究竟是什么力使原子核中的質(zhì)子與中子結(jié)合在一起呢？湯川秀樹(shù)提出，就好像電相互作用可以與一種粒子——光子聯(lián)系起來(lái)一樣，中子與質(zhì)子之間的作用力也有某種場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)場(chǎng)晃動(dòng)時(shí)，就好像一個(gè)粒子一樣。所以除去中子與質(zhì)子外，在世界上應(yīng)當(dāng)有一些別的粒子，而湯川能從已知的核力特征推導(dǎo)出這些粒子的性質(zhì)。比如，他預(yù)言它們應(yīng)當(dāng)有二、三百個(gè)電子那樣大的質(zhì)量。你瞧！在宇宙間竟然真的發(fā)現(xiàn)了這樣質(zhì)量的粒子！但是，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這并不正是預(yù)言的粒子，它被稱為 μ 介子。
然而，沒(méi)有過(guò)多少時(shí)候，在 1947 年或 1948 年就發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)粒子—— π 介子，它滿足湯川的判據(jù)。這樣，除去質(zhì)子與中子外，為了得到核力，我們還必須加上 π 介子。你可能會(huì)說(shuō)，“太好了！借助這個(gè)理論就可以象湯川所希望的那樣建立起利用 π 介子的量子核動(dòng)力學(xué)。然后看它是否成立，如果成立的話，那么每件事都可得到解釋了。”不幸的是，包含在這個(gè)理論中的計(jì)算是如此困難，以至于一直到今天，已將近 20 年了，從來(lái)還沒(méi)有一個(gè)人能夠從這個(gè)理論中得出什么結(jié)果來(lái)，或者能夠用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證一下。
所以我們被這個(gè)理論難住了。我們不知道它究竟是正確的還是錯(cuò)誤的，但卻知道它有點(diǎn)小小的錯(cuò)誤，或者至少是不完全的。正當(dāng)我們?cè)诶碚撋吓腔膊⑶以噲D用這個(gè)理論計(jì)算出結(jié)果來(lái)時(shí)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些事情。比如，他們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)了 μ介子，而我們卻還不知道把它歸到哪里去。而且，在宇宙射線里，還發(fā)現(xiàn)了大量的其他“額外”粒子。今天，我們已大約有近 30種粒子，理解所有這些粒子的相互關(guān)系是非常困難的——大自然要它們來(lái)干什么？這一個(gè)粒子與另一個(gè)粒子之間的聯(lián)系是什么？我們今天并沒(méi)有把這些不同的粒子理解為同一件事情的不同方面。我們有這么多相互無(wú)關(guān)的粒子，這事件本身就表明了沒(méi)有一個(gè)能夠說(shuō)明這么多相互無(wú)關(guān)的信息的良好理論。由于量子電動(dòng)力學(xué)的偉大成功，我們具備了一定的核物理的知識(shí)，它是一種粗糙的、半經(jīng)驗(yàn)、半理論的知識(shí)。假設(shè)一種質(zhì)子與中子間的力的類型，然后看看會(huì)發(fā)生什么事情，但是并不確實(shí)知道力的來(lái)源。除此以外，我們很少取得進(jìn)展。在化學(xué)上，人們?cè)鸭罅康幕瘜W(xué)元素，以后突然在元素之間出現(xiàn)一種沒(méi)有預(yù)期到的關(guān)系，它就體現(xiàn)在門(mén)捷列夫元素周期表中。比如，鈉和鉀的化學(xué)性質(zhì)幾乎是相同的，它們就在周期表的同一行里。對(duì)于新粒子而言，我們一直在探索者這種門(mén)捷列夫式的表。有一張這樣的新粒子表，是由美國(guó)的蓋爾曼與日本的西島各自獨(dú)立作出的。他們分類的基礎(chǔ)是一個(gè)新的數(shù)。類似于電子的電荷，這種新的數(shù)叫做“奇異數(shù)” S，對(duì)每個(gè)粒子都指定了這樣一個(gè)數(shù)，它像電荷一樣是守恒的，即在核力的反映中保持不變。
表2-2 基本粒子
表 2-2 列出了所有的粒子。眼下我們對(duì)之還無(wú)法討論得很多。但是這張表格至少向你們表明，我們不知道的東西有多少。每個(gè)粒子下寫(xiě)著它的質(zhì)量，其單位是 MeV（兆電子伏）。1MeV 等于 1.782×10-37 克。選取這種單位的理由是出自歷史的原因，我們現(xiàn)在不去說(shuō)它。質(zhì)量大的粒子在表中放在較高的位置；可以看到中子與質(zhì)子的質(zhì)量是差不多的，在垂直的欄內(nèi)的粒子都有同樣的電荷，所有的中性粒子都放在同一欄內(nèi)，所有帶正電的粒子在這一欄的右邊，所有帶負(fù)電的粒子則在左邊。
表 2-2 中實(shí)線標(biāo)出的是粒子，虛線標(biāo)明的是“共振態(tài)”。表中略去了幾個(gè)粒子，包括重要的零質(zhì)量、零電荷的粒子，即光子與引力子；它們并不屬于重子－介子－輕子分類圖。此外，還有某些較新的共振態(tài)（K*，φ，η）也不包括在這里。介子的反粒子也列在表格內(nèi)，但輕子與重子的反粒子就需要另列一張表了，它看起來(lái)正好是前面那表格對(duì)零電荷欄的反演。雖然除去電子、中微子、光子、引力子和質(zhì)子外，所有的粒子都是不穩(wěn)定的，但是在這里只列出了共振態(tài)的衰變產(chǎn)物。奇異數(shù)并不適用于輕子，因?yàn)樗鼈兣c核之間并沒(méi)有強(qiáng)作用。
所有與中子、質(zhì)子放在一起的粒子統(tǒng)稱為重子。共存在著以下幾種：λ 介子，質(zhì)量為 1154MeV 。另外三個(gè)：（+∑）介子，（-∑）介子，∑介子，質(zhì)量是相近的。這里還有成群或者說(shuō)成多重態(tài)的粒子，帶有差不多相同的質(zhì)量，相差不到百分之一或二。在多重態(tài)內(nèi)的每個(gè)粒子都有同樣的奇異數(shù)。第一個(gè)多重態(tài)是質(zhì)子－中子二重態(tài)，以后是單重態(tài)（ λ 介子），再以后是 ∑ 三重態(tài)，最后是 Ξ 二重態(tài)。最近，在1961年，又發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)粒子，但它們都是粒子嗎？它們的壽命是如此短暫，當(dāng)剛形成時(shí)，幾乎就立刻蛻變了，所以我們不知道，它們究竟應(yīng)被認(rèn)為是新的粒子，還是在它們蛻變成 λ 介子及 π 介子時(shí)，后二者之間某種確定能量的“共振”作用呢？
除去重子外，其它包括在核內(nèi)相互作用中的粒子稱為介子。首先是 π 介子，有三種形態(tài)：正、負(fù)及中性；它們組成了另一多重態(tài)。我們還發(fā)現(xiàn)一些新的稱為 K 介子的粒子，它們作為 K + 及 K - 而出現(xiàn)。其次，每個(gè)粒子都有反粒子，除非一個(gè)粒子是它自己的反粒子。例如 π - 和 π + 是一對(duì)反粒子，但是 π 0 是它自己的反粒子；K -及 K + 是反粒子對(duì)，K 0及 K0也是反粒子對(duì)，附帶說(shuō)一下，在 1961 年我們又發(fā)現(xiàn)了一些介子或可能的介子。它們幾乎即刻就蛻變了，有一個(gè)稱為 ω 的東西帶有 780MeV 的質(zhì)量，分解為三個(gè) π 介子，有一個(gè)還不怎么確定的東西分解為兩個(gè) π 介子。那些被稱為介子與重子的粒子與介子的反粒子放在同一張表格里，但重子的反粒子必須放到另一張通過(guò)零電荷欄“反射”而來(lái)的表格里去。
門(mén)捷列夫周期表示是完美的，除去有一些稀土元素掛在外面。同樣，這里也有一些粒子掛在表外，它們?cè)诤藘?nèi)的相互作用不強(qiáng)，跟核相互作用根本無(wú)關(guān)，跟核之間也沒(méi)有強(qiáng)相互作用。（我們所指的是那種強(qiáng)的核能相互作用。）它們被稱為輕子，主要有如下幾種：電子，其質(zhì)量很小，只有 0.510MeV；然后是 μ 介子，質(zhì)量約為電子的 206 倍。根據(jù)所有的實(shí)驗(yàn)，我們今天所能說(shuō)的是，電子與 μ 介子之間的差別僅僅是質(zhì)量不同而已，除了 μ 介子比電子重外，其他二者都完全一樣。為什么一個(gè)比另一個(gè)重？μ 介子有什么用？我們不知道；此外，有一種輕子是中性的，叫做中微子，具有零質(zhì)量，事實(shí)上，現(xiàn)在知道有兩類中微子，一類與電子有關(guān)，另一類與 μ 介子有關(guān)。
最后，還有兩種與核內(nèi)其他粒子間沒(méi)有強(qiáng)作用的粒子：一個(gè)是光子，另一個(gè)（或許）是具有零質(zhì)量的引力子——假如引力場(chǎng)也有量子力學(xué)的類比的話（引力的量子化理論還沒(méi)有建立）。
什么是“零質(zhì)量”？這里所標(biāo)明的質(zhì)量是粒子在靜止時(shí)的質(zhì)量。事實(shí)上，一個(gè)粒子具有零質(zhì)量在某種程度上就意味著它不可能靜止。光子永遠(yuǎn)不會(huì)靜止的，它一直以每秒 186,000 英里（300,000 公里）的速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們?cè)谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)W習(xí)了相對(duì)論的內(nèi)容后，對(duì)于質(zhì)量就會(huì)理解得更多一些。
這樣，我們就面對(duì)著一大群粒子，它們看來(lái)都是物質(zhì)的基本組成部分。幸運(yùn)的是，這些粒子彼此之間的相互作用并不全都是不同的。事實(shí)上，粒子之間的相互作用看來(lái)可以分為四類，按強(qiáng)度降低的順序排列時(shí)，它們就是：核力、電相互作用、β衰變作用以及引力。光子與所有帶電粒子會(huì)發(fā)生耦合，作用的強(qiáng)度用某個(gè)數(shù)（1/137）來(lái)量度。這種耦合的詳細(xì)定律已經(jīng)知道，那就是量子電動(dòng)力學(xué)。引力和所有的能量發(fā)生耦合，但它的耦合是非常弱的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電的作用，這條定律也已經(jīng)知道了。然后，還存在著所謂的弱衰變—— β 衰變，它使中子蛻變?yōu)橘|(zhì)子、電子及中微子，其過(guò)程是比較緩慢的，這種作用的定律只是部分地知道。還有幾條法則，譬如重子的數(shù)目在任何反應(yīng)中都不改變
表2-3 基本相互作用
耦合關(guān)系 強(qiáng)度* 定律
光子對(duì)帶電粒子 ~10-2 已知
引力對(duì)所有其他能量 ~10-40 已知
弱衰變 ~10-5 部分已知
介子對(duì)重子 ~1 不知（部分法則已知）
*這里的強(qiáng)度是包含在每種相互作用中的耦合常數(shù)的無(wú)量綱的量度。
這些就是當(dāng)代物理學(xué)驚人的狀況。總結(jié)一下，我們可以這樣說(shuō)，在核外，看來(lái)一切都知道了；在核內(nèi)，量子力學(xué)是正確的，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)原理失效的情況?？梢哉f(shuō)：容納我們所有知識(shí)的舞臺(tái)是相對(duì)論空－時(shí)；也許引力也包括在空－時(shí)之中。我們不知道，宇宙是怎樣開(kāi)始的，我們從來(lái)沒(méi)有做過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)精確地檢查在某個(gè)微小距離下的空－時(shí)觀念，所以只知道在哪個(gè)距離以上我們的空－時(shí)觀念行得通。我們還應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充說(shuō)：這個(gè)偉大的象棋賽的規(guī)則就是量子力學(xué)的原理，到現(xiàn)在為止我們可以說(shuō)，這些原則應(yīng)用于新的粒子時(shí)，與應(yīng)用于過(guò)去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子一樣成功。核力的起源將我們引向新的粒子，但是遺憾的是，出現(xiàn)的粒子實(shí)在太多，以致使我們感到迷惑不解，雖然我們已經(jīng)知道在它們之間存在著一些非常出人意表的關(guān)系，但對(duì)它們的相互關(guān)系缺乏完整的理解?？磥?lái)我們正摸索著前進(jìn)，逐漸趨于對(duì)亞原子粒子世界的理解。但是，我們實(shí)在不清楚，在這種摸索中我們還必須走多遠(yuǎn)。
