本世纪物理学的主要标志是量子论的建立及其在指导实践方面的应用。本世纪物理学的另一重大进展是(狭义)相对论的发现及其在原则上修改物理算法方面的成果。

量子论赋予看不见、摸不着的微观世界一个基本的不连续性。被认定的微观客体——电子 、光子，以及质子、中子等等粒子——的一些物理量天然地只存在于一系列分立的数值上。这些数值组成量谱，由排成次序的一组或多组所谓量子数来标记。量值的改变只能通过在原则上不连续地突变的瞬时过程来实现。这个所谓“量子跃迁”的假定打破了本世纪以前传统物理学中一切天然过程都有连续性演变的根本概念。贯彻量子跃迁概念要求成对的经典数量概念用到微观世界里，就得有个得此失彼的不确定性，其乘积由普朗克引进的微小作用量常数h( 1980 年以来习用h= h/2π =1.0545887 x 10^-27尔格 · 秒=6.582173 x 10^-22 兆电子伏 · 秒)来确定。这就是本书第6~7页上按一般理解所要说明的思想。这类关系的建立及其说明通称海森堡不确定性原理。在量子论的公认数学表示中，该原理被描述成这类成对经典物理量相乘前后次序调换带来的、由作用量子h决定的、在宏观尺度上微不足道的差别，即所谓对易关系。在今日已公认，用经典物理概念对微观世界作确切的描述必须依靠海森堡不确定性原理来理解。这个原理导致量子论独有的一些新概念。例如：能量和时间是服从海森堡原理的一对物理量。本此就能设想，在一刹那时间里可有能量近乎完全不确定的粒子，即原则上不能观测到的所谓虚粒子的出现。在量子论中，真空空间可充满这类虚粒子。适当的能量供应能使之转化成真实粒子。对真实粒子需要花费在微观尺度上很长的时间去观测，故而它的能量值为能量守恒定律所确定。这正是本书第28~29， 120，128页上据此所试图解说的内容。量子论的后果是：微观过程无严格因果律可用以作出确切预言，在给定宏观条件，人们对此在原则上只能作几率性预言，即在原则上只能预言各种可能发生的微观过程出现的百分数(几率)。

相对论认定 真空中光传播的速度(简称光速)相对于任何观测者(任何惯性参考系，即经 典力学定律保持一 样的各个坐标系中的任一个)永为常数(每秒约30万公里，或写作c=2.99792458 x 108 米/秒)。这一假定来源于企图使电磁定律在各惯性坐标系中保持不变，即所谓狭义相对性原理，亦即所谓洛仑兹不变性。该不变性要求将时间、空间同等看待，二者成为四度一体，是在不同观测者之间可相互转换的两个部分。在相对论中，这个所谓洛仑兹坐标变换被用于一切物理学定律，即要求一切定律在洛仑兹变换下不变，这就全然改变了牛顿式的时间、空间各自独立的旧概念，使牛顿时空概念在物体速度接近光速时不再近似成立。新的时空一体概念带来如下众所周知、完全不同于牛顿力学的后果：

( 1)静止物体的质量是其所含(潜在)能量的量度，能量数值等于质量乘以光速平方，因而微小质量也含有巨大能量。

(2)一切能量都相当于质量，质量数值等于能量除以光速平方，因而运动着的物体比起静止时附加有(动态)质量。

( 3)以光速在真空中运动的东西(辐射量子) ，其质 量全部来自动能，因而无所谓静止质量，俗称无质量粒子。有静止质量的物质粒子，其运动速度永远达不到光速。

( 4)一物体裂成几部分，如果裂块质量之和小于(反之，大于)原物体质量，则释放出(反之，需外界供给)能量。相反，几个物体合而为一，如果原物体质量之和大于(反之， 小于)合成物的质量，则也释放出(反之，需外界供给)能量。

这些后果正是本书中讨论可观测粒子质量及其转换反应时(例如第3，14，20，28~29，34，120页上)所能解说的理论根据。实践表明情况确是如此。

把量子论和相对论生硬地并在一起，进一步导致全然违背经典概念的新理论认识。相对论本身当然不能预期有虚粒子概念的引入，量子论本身不能导致能量转换原理的出现。混在一起却成为现阶段(当今)理论物理学的这种无法避免咽下的营养。但是，应该指出，晚近对量子论基本概念的研究越来越清楚地表明，用粒子几率对量子论进行物理解释不可避免地要出现以非局域性方式变化的数量，回到物理学家们早已废弃的瞬时超距作用理论，故而是违背相对论精神的。

因此，最早把量子论和相对论富有成效地并在一起的狄拉克，在去世前不久(于1973年)就着重指出：“我们所能建立的理论是非局域性的，对此当然不能感到满足。我认为应该说，量子论与相对论的调解问题尚待解决。物理学家们目前使用的概念是不恰当的，只是以形式性方式应用这些概念已变得很人为的了。……我感到，如果我们只是应用数学规则，就完全不能有明确的物理概念，这不是物理学家所能感到满意的。……我们必们然要期待看到有基本特征的未来发展。”当代理论面临的这种根本性困难至今仍没有克服。处于这种混沌情况下，要想全然单靠使用从日常经验建立的语言发展出来的经典物理学语言，以自圆其说的方式来描述、解说层层深入的微观世界是极其困难的，本书也不能例外。尽管如此，为公众适当披露当前物理学家们对微观世界的深入认识，还是很有必要的。因此可以说，这本书的成就是难能可贵的。

全然违背经典概念最突出的新认识是：真实粒子从真空中产生(例如，虚粒子变成真实粒子)及真实粒子在真空中湮灭(例如，真实粒子变成虚粒子)。利用这项能量在真空和实物之间的转换概念才能说明经典概念无法解说的粒子共生和湮灭的实验事实。这赋予真空以非常复杂的性质(虚结构)，至今还远未澄清。但是，在创造能有实效、非来自日常经验，因而很难说有真凭实据的物理学语言方面，当前人们只能做到这一点。本书作者显然不惜承担责任，把这类新认识的广泛应用生龙活现地讲得很具体[例如：在第120页上把虚粒子定义为一种志愿粒子( would- be particle，愿意是，但还不是) ， 无确定质量，仅在短时间、并在微小空间里存在着；第152~153页上关于色力弦的增进；第154~155页上关于形成喷注的所谓夸克碎裂( quark fragmentation) ；第155~157页上提及至少间接地第一次“看到了”夸克等等] ， 就难免冒言过其实的风险了。可是，这也说明本书有其独到之处，供人鉴赏。

为了贯彻用真空虚粒子概念来作物理说明，本书大量采用对比方式，从当前成效最显著的QED引出有待进一步检验的QCD，并强调光子不带电而胶子带色这一要点，从而得以解说QED及QCD的正反差异。这就给带色粒子(夸克及胶子)不能自由存在的假定找到了一个借口(为了防止真空爆炸)。从70年代末开始，这类见解正在流行，本书是一代表作。

我同意本书作者所说：“现代物理学的基本思想十分简洁，完全能为外行人所领会”。本书旨在使广大读：者理解当代物理学家们对“一切物质在根本上是怎样组成的"所取得的最新认识及其中存在的未决疑难。他为达到这一目的最早做出了理应受到广泛欢迎的贡献。可以说，哈拉尔德 · 费里兹希是第一位参与其事的粒子物理学家，他把同事们一直未肯坦白直说的激动人心的故事相当忠实地公诸于世。就这一点而论，已足以使我愿意把这本书推荐给读者。

1985年1月

[附注]

上文是我师卢鹤绂教授为德国物理学家哈拉尔德 · 费里兹希( Harald fritzsch)所著Quarks：Urstoff unserer Welt 的中译本《夸克》(拙译，上海翻译出版公司1987年1月出版)特撰的序言。先生于1985年1月即己写成，而译作迟延了两年才出版。

序言通过对原著的评介，论述了相对论和量子理论的主要原理和基本思想，甚为简练精到。关于这两个理论的结合问题，卢先生特别指明：把二者“生硬地并在一起”，“成为现阶段理论物理学的这种无法避免咽下的营养”。就是说：二者只能是形式并合，但并合后已成为一种颇具价值的营养。生硬并合当然不尽如人意，要改变这样的结合方式又有无法克服的根本性困难，因为二者的概念基础有本质区别。先生引述狄拉克所言，实际上也就表达了他本人的愿望：“期待看到有基本特征的未来发展”。

卢先生指出，能量在真空和实物之间的转换概念——源自于相对论的质能相当和转化原理以及虚实粒子互变图像——导致了 三项结果：其一，说明了单凭经典物理概念并不能解释的正反粒子共生和湮灭的实验事实；其二，真空具有非常复杂的虚结构；其三，表明人们在创造能够有效表述微观粒子运动的更恰当的、但未必有直接实验证据的物理学语言方面遇到很大困难。先生在1980年前后就已悟及：弄清真空本质，对于现代物理理论的拓展必定是一个关键；序言中已可看出先生当时对此问题的思考端倪。的确，解开真空结构之谜，会促进量子理论、也促进相对论、并促使二者进一步结合。

时间过去了20年，卢先生的一些见解与当前理论物理的发展动向及其存在问题之焦点正相切合，则足见先生对于现代物理的理论基础之认识的准确和深湛。今天重读序言，不仅是缅怀先生，而且由以体会目今确定“2005世界物理学年”，意在推动现代物理进步乃至现代科技发展之宗旨的重大意义。

沈葹谨识于2005年5月