〔提要〕200多年前牛顿猜测过，物质结构深层的粒子愈小，“力效”即万有引力的作用则愈大。到1934年人们知道物质的最小粒子是电子、质子、中子、中微子，也知道万有引力以外的还有电磁力、强力和弱力。根据电磁力必须通过电荷而作用这样一种模式，必然有引力荷、电荷、强荷、弱荷分别依附在四种粒子上。

追随爱因斯坦关于引力荷同（惯性）质量等价的思路，可以进一步研究各种荷之间的同一，也即四种力，首先是电磁力和弱力之间的同一。今天，寻求一个这几种力之间的统一原理的时机已经成熟了。引力荷是四维时空曲率的表现，那么，其他三种荷是否也是四维时空结构以外更小维的表现呢？这是今天对物理学提出的深刻问题。

本文原载英国Scientist，Vol. 72，NO. 1031，1976年12月16日。作者Abdus Salam是英国皇家学院理论物理学教授。

四种粒子 · 四种力 · 四种“夸克”

粒子物理学要寻求物质的基本成分（如果有的话）和它们之间的基本力。这个进程，牛顿早就卓越地预见到了：

物质的最小粒子可以由最强大的吸引粘聚在一起，组成效能较弱的较大粒子；几个这种较大粒子又可以粘聚成效能更弱的更大粒子；如此类推，直到最后组成决定化学作用和天然物颜色的最大粒子，它们就会粘聚在一起，组成可以感觉到大小的物体。

因此，自然界中总有某种动因，能使物体粒子通过很强的相互作用而粘合在一起。实验哲学的任务就是发现这种动因。

牛顿所谓物质的最小颗粒，完全是他头脑里的东西。牛顿对我们现在所知道的最小粒子毫无所知，对所谓力效也只知道一种即他自己所假设的长程万有引力。

200多年以后，现代的粒子物理学首先发现了电子，接着又发现了质子、中子和中微子。在1934年，这四种粒子看来就是一切物质的最后成分了。它们似乎在万有引力之外还具有三种“力效”：电磁力、强力、弱力。结果，可以设想每一种力都起源于粒子上面一个像电荷一样的“荷”。每一种荷都由同它相联系的那些力下“守恒”，也就是说，荷的数量在相互作用中保持不变。问题的复杂性仅仅在于，强力所需要的似乎不止是一种“荷”。

这样，电子和质子携带数量相等而性质相反的电荷，质子和中子各携带两个不同的“强荷”，所有四种粒子（电子、中微子、质子、中子）都在“引力”荷（即引力质量）以外还携带“弱”荷。牛顿已经卓越地预见到，电磁力、强力、弱力在可比较的距离上都比万有引力强得多（系数约为10^３8），它们自身相对强度之比为：1：10²：10⁵。

四种类型的力（万有引力、电磁力、强力、弱力）、四种类型的荷、四种带荷的基本实体（电子、中微子、质子、中子）组成一切物质和一切能量：这就是1934年所形成的简单图景。但是，1956年开始出现疑问：这两种核子（质子和中子以及与之联系的两种强荷）究竟是不是足以解释刚好在第二次世界大战以后（主要是在宇宙线实验中）所发现的Ｖ粒子^①。首先有人怀疑有两种以上的强荷，其次有人暗示质子和中子可能是基本核荷所属的某种更基本实体的合成物。质子和中子正是牛顿所要发现的由力效更强的更小客体所组成的“力效更弱的更大粒子”。

20年以后，在1964年发现了著名的Ω负粒子，1974年发现了J/ψ粒子，从而达到了历史性实验的顶点以后，人们对强荷更加了解了。我们相信有四种不同类型的强荷，由四种还有待分离的客体即所谓“夸克”所携带。这些荷（以及夸克）被赋予古怪的名称（“上”、“下”、“奇异”、“魅”）。在CERN、布鲁海文（Brookhaven）、色伯诃夫（Serpukhov）、汉堡、斯坦福（Stanford）和巴塔维亚（Batavia）的巨型高能加速器引进的年代里，实验家和理论家们从100多种物质形态的特性中提取出四种强荷来，这些古怪名称透露了他们所遭受的人类精神的折磨。

四种荷的统一

提取四种强荷的一个重要指导原则，是相信它们在概念上并无区别：它们只是同一基本物理实体在四个方面的表现。这同角动量概念是一样的。在三维空间中角动量有三个分量。每一个分量都不同，但只有一个对称原理——即空间方向根本不依赖于物理学定律的选择，这说明，角动量的三个分量正是同一物理量即自旋量的不同方面。

发现强荷之间的模式，这是一个重要发现。但更重要的是，最近的实验似乎提示了电荷同弱荷之间可能有对称性。但是，由于弱力和电磁力之间在强度上的巨大差异（系数为1000），迄今为止它们仍然被认为是各不相同的。

弱荷和电磁荷的统一性可望产生所谓中性流效应。这种微弱效应，1973年在CERN、1974年在巴塔维亚和阿贡尼（Argone）实验室已观察到了，证实了电磁荷和弱荷之间的联系。目前卢瑟福实验室还正在进行另一个实验，计划直接验证这种统一性，它将试用一个强磁场关断某些粒子中间的弱相互作用。如能成功，将证明这两种力之间显然具有物理联系。

在物理学史中，有两个早期的例子可以说明这种规模上的统一。第一个是牛顿把支配下落苹果的力同保持月亮沿一定轨道绕地球转的力同一起来，成为大家熟悉的万有引力；第二个是上一世纪法拉第和麦克斯韦把电力和磁力同一为一种电磁力的两个方面。

弱力和电磁力在低能实验中暴露了强度上极大的不同。如果这两种力真是统一的，又怎样理解这种表面量级上的巨大差异呢？理论上认为，对于能量超过大约100 GeV的实验，这个差异就会消失。直接证实这一点，是粒子物理学一个可见的目标。在过去80年中还没有这样一个题目——一旦建立了这种统一性，自然界就少了一种需要认识的力。而且，如果弱荷和电磁荷是统一的，强荷与之统一起来也就不成问题了。

四种强荷各自独立、有一种对称性原理把它们联结起来以及电荷同弱荷之间的联系：这就是最近20年来的重大成就。这样问题就来了：上面列举的荷如果都是认识物理世界所不可缺少的，那么是否可以得出，牛顿所提的问题已经最后解决了？我必须回答：没有。因为我们还没有发现是什么样倒基本原理决定了可能有的荷的数目和性质。

再说明一下我的意思：有一种荷我们已经十分熟悉了，那就是万有引力荷。爱因斯坦建立引力荷理论的成就，可以为人们所期望的未来别的荷理论提供某些线索。在创立这种理论（广义相对论）的过程中，爱因斯坦对于不同客体的惯性质量对引力质量（即荷）之比不变，印象很深刻。每一客体不管怎样构成，对客体加速度的抵抗总是正比于客体通过引力荷而吸引或被吸引的能力。另一种说法是：一切物体在引力场中下落得一样快。没有任何先验的根据一定是这样。这个原理最初显然是在五世纪由约尼斯 · 格拉马提克（Ionnes Grammaticus）所建立和论证，后来通过牛顿、贝塞尔（Bessel）、约任斯（Eotvos）的一系列实验而更加精确了，最近的狄克（Dicke），布莱金斯基（Braginsky）和潘诺夫（Panov）则使之精确到10¹²分之7。

爱因斯坦把这个惯性质量同引力质量等价原理提高为极有权威的原理，即“强等价原理”，它说明，（束缚）能的一切形态（引力、核、电磁以及弱作用）都同样导致引力荷和惯性质量。“强”等价原理可能同人们正在研究的“弱”等价原理形成对照，后者承认惯性质量和引力荷对物质的核、电磁和弱键是等价的，但只是部分地对引力荷等价。弱等价原理不如强等价原理那么准确，从而也不那么完美，结果使引力理论特别附加了一个自由参量。

测试强作用原理还是弱作用原理的问题，就实验室实验而言，纯粹是一个学术问题。因为对于日用米尺计量的实验对象，引力束缚能——这是强等价之所以区别于弱等价——大约只代表总能量的10²³分之1，比实验室实验的检测要小11个数量级。测试强等价原理这个爱因斯坦理论的基石，必须利用行星大小的客体才行（例如引力束缚能约为其总能量的10¹⁰分之1的地球）。

这个测试最近已完成。关于从地球发出、从月球反射回来的激光测距回声延迟信号，已发表了两个报告。这些实验的结果（月球激光测距所需精确度小于1米）最后表明，正是爱因斯坦的强等价原理限定了引力质量对惯性质量之比为1，偏差不超过10¹²分之7。别的理论似乎更加站不住脚。

粒子物理学的未来

由此我对未来的理论有两点推论。第一，一个概念上更深刻的理论大概就要完成了，甚至还是定量的理论。第二，即便爱因斯坦是从一个引力荷着手的，他也发现还需要拓广为具有10个分量的实体。他引进的10个荷是“应力”张量的10个分量，质量只是其中的一个分量。一旦懂得了为什么要引进它们的基本原理，荷的这种多种形式就没有意义了。物理学的教训很清楚：自然界结构上并不经济——只是原则上（通用性上）经济。生物学家懂得这个教训已经很久了。粒子物理学家必须在懂得荷概念的过程中取得这个教训。

最后，我们这个题目的根本困难在于“荷”及其性质。有一种荷，即引力荷，我们相信根源于时空概念。爱因斯坦把万有引力同连续时空曲率同一起来。其他的电荷、弱荷、核荷是不是也同样根源于时空并具体而微地表现出时空的微观拓扑学和时空的内在结构？从一定距离以外看，海洋的表面看上去并不皱折，但是逼近一看，却又显出各种颗粒的形状，各种拓扑结构形态。时空就像是那样吗？也许那是粒子物理学的荷正在告诉我们空间和时间四维以外的别的新维、一些小得不能直接了解的维？那么，在探索这个时空结构内的荷的意义时，普朗克基本作用常数的任务又是什么呢？量子力学怎样同几何学结合呢？粒子物理学在过去20年中已把荷问题归之为一大类问题，但是在它的面前还有很长一段路程。

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① 1947年从宇宙线辐射粒子的云雾室照片中，发现两条V字形的径迹，其质量约为电子的1000倍，是由中性粒子衰变而来的荷电产物，当时就叫做“V粒子”，V恰好可以表示Victory（胜利）。后来知道，这就是K介子，并由此发现了一系列这种“奇异粒子”。——译者