物理学家在对自然界奥秘的穷极究竟的探索中，已经发现了一百余种次原子粒子，它们是否已经发现了最终的粒子呢？
一场大规模的革命席卷了整个科学界。通向微观的窗户被打开了，我们看到了一幅崭新有力但又是神秘的现实图像。尽管大自然把她的奥秘隐藏在其深处而不愿向人们公开，但最近我们已开始更进一步瞥见了宇宙的深处，它与我们仅仅在几年以前所敢于想象的图像相比，更为深刻，其对称性更为优美。
从遥远的古代直到今天，科学家所提出的两个最基本的问题乃是：世界是由什么组成的？世界是根据什么规律运动的？这两个问题被认为是毫不相干的。有一些物理学家把注意力集中在诸如电子、中子和质子等粒子上。对于另一些物理学家来说，他们的兴趣不是在于粒子本身，而是在于粒子的行
为和粒子之间的相互作用即自然界的力上。但是在过去十年中，这两条道路最后汇集到一起来了。因为大量的事实越来越清楚地表明，质子、电子和中子都是由两种叫做轻子和夸克的更为基本的粒子所组成的。而且这两类基本粒子具有显著的对称性，这就给我们研究它们的行为和相互作用提供了有用的线索。
宇宙所呈现的对称性，对于科学家的美感及谐和感来说，就像一件艺术珍品对于艺术家的心灵那样具有感染力。科学家们深信在包罗万象的物质世界背后，必然隐匿着严格的规律和合理性。世界的所有现象都是有意义的，并非不可解释的，只是我们是否知道罢了。
我们对于物质和能量的新的认识、导致了一些新的发现，而这些发现把我们带到了可以建立起一个完全的统一场论的边缘。统一场论使我们能够理解自然界中所有的力——电磁力、引力、核内的强、弱相互作用力——仅仅只是同一种基本相互作用的不同方面。就像我们现在理解金刚石、木炭、石墨仅只是同一种元素——碳组成的不同方面一样。因此，统一场论将能够揭示出宇宙中形形色色现象的根本潜在次序。
统一场论将是二十世纪科学独一无二的重要综合。A · 爱因斯坦在他一生中的最后30年里为建立起统一场论这一目标而呕心沥血，但却未收成效，古时候人们曾经认为世界只是由四种元素组成的——土、空气、火和水——这些元素组成了他们所知道的任何东西。到了十八世纪，法国化学家A · L拉瓦锡证明了世界上所有的物质是由许多种化学元素组成：例如水是由氢和氧组成的，食盐是由钠和氯组成的，糖是由碳、氢和氧组成的。从此以后，有关物质结构的现代图像产生了。
仅仅过了几十年，一位自学成功的英国教师J. 道尔顿在19世纪就把拉瓦锡的理论更加推进了一步。他说化学元素是由不可再分的粒子一原子所组成，并且每一种元素都有它自己独特的原子。
直到80年前，道尔顿的原子论还被认为是正确的。然而，就在第一次世界大战前夕，某些元素的放射性发现后不久，科学家突然感到可以用它来作为在原子上打开一扇窗户的有力工具。
新西兰物理学家E · 卢瑟福第一个完成了标志着核物理诞生的实验。当时在英国曼彻斯特大学工作的卢瑟福，知道像镭和铀这些放射元素能够放射出一种高速粒子，当这种粒子打到一块荧光屏上，它们能够产生一道为时极为短暂的闪光。卢瑟福把一束这种粒子瞄准了一片极薄的金箔，并把荧光屏置于金箔之后，屏上产生了许多闪光点，他发现这些粒子穿过金箔时几乎没有发生偏转。因此原子中好像是十分空旷似的。
然后卢瑟福把荧光屏移到金箔的前面，但为了让粒子能够打到金箔上，荧光屏和金箔间有一角度。使卢瑟福惊奇不已的是，他的助手在荧光屏上仍然观察到偶尔的闪光。卢瑟福和他的合作者很快就理解到当大部分的粒子穿过金箔时，有一些像子弹那样的高速粒子好像撞到了一种坚硬而不可穿透的东西，因而从金箔上反弹回来，使得荧光屏上发生闪光。卢瑟福推论，在每一个原子的中心，必定有一个很小而致密的，但质量却是很大的核。
核包含了原子的大部分物质。围绕着这个致密的原子核旋转的是很轻的电子，每个电子都在其自己的轨道上运动，就如小的行星围绕着太阳运动一样。今天我们知道原子核本身也是由两种粒子组成的，它们是带正电的质子和电中性的中子。而电子带有负电，它的质量约为质子或中子的二千分之一。在一般情况下，由于原子中质子数和电子数相同，所以一个原子的总电荷为零。
物理学家对于物质的这一颇为清晰的图像感到欣慰。因为当打开了自然界的又一层帷幕时，他们十分高兴地发现了一种明显的一致性：即宏观的宇宙图像在微观中反映出来了。恰如行星围绕着太阳旋转，电子也围绕着原子核在旋转。
强核力
诚然，原子和太阳系相比，并非完全相同。把太阳系束缚在一起的力是太阳的巨大引力，而使得原子不致飞散开来的力是电磁力——带正电的质子吸引住带负电的电子。但是现在却出现了新的问题，因为电磁力的特点是异种电荷相互吸引，同种电荷相互排斥。所以，密集在原子核内部的带正电的质子，它们之间的斥力将是十分巨大的，而原子中的核却没有离散开来，这就说明，必然有一种极为强大的吸引力凌驾于质子间的电磁斥力之上。今天这种把质子和中子紧紧束缚在核内的力，我们称之为强核力。核力既不遵循电磁力的规律也不遵循引力的规律，其大小和质子间的电磁斥力相比，强度要大100倍，因此显而易见，在核内核力将起主要的作用。
除了电磁力、引力和强核力之外，自然界还存在着另一种力。这第四种力叫作弱核力，拿我们熟悉的荷电粒子或磁体间的电磁相互作用来说，它们的强度要比弱核力强1000倍。由于弱核力非常微弱，它当然不能把任何物体束缚在一起，但是却支配着某几种放射衰变和核蜕变。尽管弱核力很弱，但它却使得生命能够在地球上存在，因为弱核力对太阳中心的热核反应有着至关重要的作用。
几乎就在卢瑟福研究原子并且发现了原子核的同时，M · 普朗克在德国证明了许多科学家的设想，即一束光并非一个连续的能量流，它的能量是一份一份由光子传递的。犹如所有物质是由微小的粒子所组成那样，普朗克的工作表明，光最终也是由极微小的、分立的能量量子所组成。这一概念导致了量子力学的诞生，量子力学告诉我们所有形式的能量最终都是“量子化”的。它们都由微小的、分立的量子所组成。光子就是光的量子。
量子力学首先被应用于发生在荷电粒子和磁体之间的电磁相互作用。设想在空间有两个电子在运动，彼此相隔不远，因为两者都带有负电荷，这两个电子将分别给予其他一个电子以斥力，从而使得它们相互分离。但究竟是什么使得电子分离的呢？按照量子理论，当电子分开后，它们的能量将发生变化。但是能量不是连续的而是量子化的，所以当电子相互推斥时，它们必须交换能量量子，因为电磁力的量子就是光子（光经常被称为是电磁辐射）。因此，荷电粒子或磁体之间的电磁力最基本的过程就是一个交换光子的过程。
以上所述，是一个获得了巨大成功的电磁理论的中心思想。该理论由R · P费曼、J · 许温格和朝永振一郎在四十年代所建立，称之为量子电动力学。量子电动力学第一次解释电磁相互作用是依靠交换光子来实现的。量子电动力学给予电子以最清晰的图像，而且以前所未有的精度预言了电子的性质及其行为。
由于量子电动力学形式优美，实验上又证明它是极其成功的。因此许多物理学家认为可以采用它所应用的方法来解释其它三种力。例如，光子是电磁相互作用的交换子，故引力相互作用也必须有交换子，这种交换子叫作引力子，它是引力场的能量量子。你的脚之所以能稳固地站立在地面上，是由于你身体中的物质和地球内部的物质在不断地交换引力子。犹如磁体相互吸引是由于交换光子一样。
历史上，普朗克的早期量子力学并非一步就跨到了费曼、许温格和朝永振一郎的较成熟的理论。在这二者之间还有许多重要的过程。P · A狄拉克在二十年代把量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合了起来。狭义相对论是描述物体运动速度接近光速时的行为的理论。狄拉克综合了量子力学和狭义相对论，从而创立了相对论性量子力学的理论，该理论精确地描述了高速运动的电子。因为狄拉克的方程中存在两个正确的解，所以狄拉克的计算导致了一些重要的结论。第一个解显然是描述普通我们所熟悉的电子。而第二个解预言了一种和电子相同的粒子，但有一个重要的区别，就是这种粒子是带有正电荷的，我们知道，一般的电子是带有负电荷的。当时还不知道有这种粒子。
当狄拉克写下了他那著名的方程时，他对方程的全部涵义也产生了怀疑，因此他失去了预言反物质的机会。这种情况在历史上也是屡见不鲜的，伟大的科学家对自己的工作产生了怀疑，从而使他们在最后的紧要关头踌躇不前。爱因斯坦是因为对他的广义相对论方程发生了疑虑而丧失了预言宇宙正在膨胀的机会。他经常说“这是我一生中的最大错误”。
辉煌的方程
直到1932年，C · 安德逊在加利福尼亚理工学院的实验中才发现了像电子一样但却带有正电的粒子。这些粒子就是狄拉克的辉煌的方程所预言的反电子。从此，物理学家开始考虑到他们又发现了自然界的一种重要的对称性：即对于每一个粒子，都存在着一个反粒子。1955 · 年在伯克利的实验中发现了反质子，二年以后反中子也被发现了。
反物质再也不那么神秘了。事实上那时的核实验一般有大量的反粒子产生。按照爱因斯坦著名的方程E=mc2只要你有足够的能量，就可以产生一对对的粒子和反粒子，这个方程表示能量可以转换成质量，反之亦然。反粒子的寿命很短。当一个新产生的反电子打中了一个在实验室仪器中的普通电子时，这二个粒子就湮没了，并且发出高能的γ - 射线。
自从狄拉克以后，在探索自然界次原子物质中，这些对称关系起着越来越重要的作用。在三十年代中，奥地利出生的才华出众的物理学家W · 泡利，由于坚信在核内对称性也同样成立，从而正确的预言了中微子的存在。当时他知道有一些原子核放射出一个电子而自发衰变。但是这里却存在着一个问题，即衰变后的核和电子的能量之和总是小于衰变前原来的核所具有的能量。因为有一种对称性，这种对称性叫能量守恒定律。它说能量既不能创生，也不能消灭，它只能从能的一种形式转换到另一种形式或转换成物质，而其总能必须是守恒的。
能量守恒定律作为物理学的基石，经受了数百年的考验。而现在原子核的放射性衰变好像要破坏这一基本的对称性。
泡利争辩说，“这绝不可能”。他假设在核衰变时必然还放出了一个未知的粒子，这种粒子既不带电荷又没有质量，而上述所缺少的能量就是由它带走的。这个粒子后来被取名为中微子，它的意思是很小的中性的粒子。
难以捉摸的粒子
由于中微子不带电荷，它们和物质之间没有电磁相互作用，而强核力对它也不起作用，因此物质对于中微子显然有很高的透明度，中微子只有通过弱核力才能和物质发生相互作用，所以中微子极难检测，直到1956年这个难以捉摸带有神秘色彩的粒子才在实验室中被确实的检测到。泡利的光辉猜想和他对自然界对称性的信念获得了胜利。
虽然核物理学家取得了许多重要的发现，但是有一种不安的倾向慢慢地显露出来了。核物理学家观察得越多，则被发现的粒子也越多。起初只有电子、中子和质子，现在必须再加上中微子。这样总共就有8种基本粒子。而且我们还不该忘记光的粒子——光子；光子是自成体系的，一个光子就是它自己的反粒子，并没有什么反光子存在。
虽然大多数的物理学家对于基本粒子的数目已增大到接近一打而并未感到什么担心，但是和过去他们只知道电子、质子和中子的时候相比，心情确实没有那时舒畅了。他们还不知道堤防马上就要被冲破，核物理将要被困惑的洪水淹没达十年之久。
这个堤防是被一种叫做回旋加速器的电磁的攻城槌②所冲破。1932年E · O · 劳伦斯和他的合作者在伯克利建造了世界上第一台回旋加速器。回旋加速器利用电流和磁场的性质，可以把荷电粒子加速到极高的速度。就像大卫杀死哥利亚③所用的投石器一样，回旋加速器把粒子不断地猛烈旋转，使粒子加速到极大的速度，然后像炮弹那样把这些粒子打到“靶”上。回旋加速器是研究物质的有力工具，它开创了研究物质的新纪元。
劳伦斯把卢瑟福的实验又推进了一步。卢瑟福当初是用低能放射性同位素轰击金箔，而劳伦斯的回旋加速器能向靶子送出一束接近于光速的粒子。
第二次世界大战以后，当人们理解到核物理和国防的紧密关系以后，提供给研究的经费和基金以惊人的速度增长。加速器越造越大，能量也越来越高。从回旋加速器到感应加速器，感应加速器又发展成同步加速器，而高能同步稳相加速器又取代了同步加速器。今天斯坦福大学的二英里长的直线加速器，只需用十万分之一秒的时间就能使电子完成二英里的旅程。这些电子最后打到靶上时，其速度可达0.99999C——和宇宙的极限速度十分接近。
加速器的能量是大了，但是使用高速粒子获得的实验结果和先前的结果比较，却令人更加困惑费解。
为了理解这一困惑，让我们设想一个在加速器中接近光速的质子，由于这个质子速度很高，所以它具有很大的能量。当这个质子击中了在加速器末端的另一个固定的质子并发生碰撞以后，有可能仍然还是二个质子。但是能量发生了什么变化呢？能量是按照E=mc2转换成质量这一令人惊讶不已的关系，在五十年代初期已经清晰明瞭。
但是，除了我们所熟悉的粒子以外，这里又出现了许多奇特的粒子。例如，质子和质子的碰撞能产生一种叫做介子的粒子。介子是不稳定的，在百万分之一秒内就衰变成我们所熟悉的电子和光子。不同种类的这种短寿命的介子有好几打。介子的重量介于电子和质子之间，它比电子要重几百倍，但比质子或中子则轻些。
能量越来越高的大型加速器使得物理学家能以空前强烈的程度来使粒子相互猛撞。这样又产生了被叫做重子的奇异的短寿命粒子，重子的质量要比质子或中子的质量还要大，中子和质子自己也是重子家族中的成员。重子经常衰变成几个质子和光子，而介子经常放射性地衰变成电子和光子。
介子和重子统称强子，这名字取自希腊文hadros，有“庞大”或“厚实”的意思。介子和重子的相互作用主要由强核力所支配。
随着实验的进展，物理学家发现了为数众多的不同种类的强子：π介子、κ介子、η介子、Λ子、Δ子、Σ子、Ξ子和Ω子，当然还有他们所有的反粒子。著名的基本粒子目录在不断地增长。
不久，几乎每星期都有新的粒子被发现，“基本粒子”的概念简直变成了笑话。如果基本粒子确有那么多的话，它们怎么可能都是“基本”的呢？事情越来越糟，甚至发展到如果在几个星期内没有发现新的粒子，就可以当作新闻来报道了。一位作者在英国《自然》杂志曾这样写道：“也许有些令人惊奇的是在专题讨论会期间居然没有有关新的介子的报道，而这次专题讨论会距上次核物理学家会议几乎有一个月了。”
显而易见，到了六十年代初期，人们已经是只见树木不见森林了。那时，被发现的基本粒子几乎已达100种。它们究竟意味着什么呢？对于许多人来说，粒子物理似乎已经变成了一个道道地地的动物园了，里面聚居着许多叫人们连头尾都分不清的异禽怪兽。但是就在这段时间内，一个才华横溢的年轻物理学家却在仔细地把这些粒子按其某些性质而分门别类地记录在他的图表里，他从中领悟到粒子的种类、粒子间的内在联系以及它的对称性。这位天才的物理学家注定能破译粒子物理的密码，并把那些介子和重子的真正含义搞得一清两楚。对于他作为密码破译者的工作，总有一天会被授予物理学诺贝尔奖。
〔Science Digest，1981年3月〕
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① 文章共两部分，这是第一部分。在第二部分里将认识到为什么夸克与轻子确实是所有物质的基本材料，以及发现胶子的不可思议的力量。刊于本刊十期——编者
② 译者注：攻城槌是古代希腊人和罗马人用来攻城的武器。
③ 译者注：哥利亚是非利士勇士，被大卫用投石器投出的石子所杀。见《圣经 · 旧约全书》撒母耳记。