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波耳,上帝不擲骰子!
愛因斯坦,別指揮上帝應該怎麼做!
我想知道上帝如何創造世界,我對個別現象,個別元素的光譜等並沒有興趣,我只想明白上帝的意圖,其餘的都不過是細節而已。
愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)
自然界的法則都只是近乎對稱是因為上帝不想我們妒忌上帝的完美!
理查德.費曼(Feynman Richard, 1918-1988)
上帝不單只和宇宙玩擲骰子遊戲,而且還把骰子擲到我們看不見的地方去!
史蒂芬.霍金(stephen hawing)
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不便之處，敬請原諒。
- 哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473), 波蘭人
 - 24歲開始他的第一次天文觀測
- 以各種不同的方法分析行星的運動，很快地發現到，如果以太陽為中心， 將地球視為另一個繞著太陽的行星，則可以更簡單地分析與預測太陽系的行星運轉(日心學說)。
- 1512年建立了哥白尼理論：
太陽是在太陽系的中心，行星繞著太陽運行， 月球繞著地球運行，恆星是在無法測量的遠處。
- 1543出版了他的學說—On Revolutions。
- 第谷•布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)
 - 出色的觀測者
- 出身於丹麥的貴族家庭，喜歡天文研究。
- 1576以後在丹麥王腓特立二世的資助下，在哥本哈根附近的赫芬島上修建一所大的天文台稱為觀天堡。 從1576∼1596的20年內，做了大量精確的觀測。
- 不是一位高明的理論家；因為宗教的緣故，及觀測不到日視差， 他不願意採取哥白尼的理論，他主張一種半日心半地心的混合體糸， 去解釋他的觀測。（行星繞者太陽；太陽再率領行星繞著地球。）
- 1599年離開觀天堡至布拉格，替迷信占星術的奧皇魯道夫二世觀測天文。
- 1601年去逝，臨死之前將畢生觀測資料贈給刻卜勒。 （刻卜勒是在1600才到布拉格擔任他的助手）
- 刻卜勒(Johanes Kepler, 1571-1630)
 - 主張哥白尼體糸
- 1596年著"The Harmony of the Sphere"， 天球諧合論試圖承襲畢達哥拉斯的理論，以內接正多面種來探討各行星軌導間的幾何關係。
- 根據第谷•布拉赫的觀測資料，仔細地計算分析， 認為火星的軌道不能是圓形的，而必須是橢圓的才能與數據資料符合。
- 建立刻卜勒三大定律：用以描述行星運動，而且可精確地預測行星的位置。
刻卜勒三大定律：
- 行星運行的軌道為橢圓，而太陽位於橢圓焦點之一。(1609)
- 行星與太陽的連線，在相同的時間內掃過相同的面積。(1609)
dA/dt = 常數。
- 軌道半長軸a 的三次方與週期p平方之比為常值。(1619)
a3/p2 = 常數。
- 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)
 - 為重要的實驗物理學家。
- 在比薩斜塔研究自由落體實驗。
- 觀測物體運動情形，提出靜著恆靜，動者恆動的觀念。影響牛頓建立了力學系統
- 1610年經由望遠鏡發現了木星的四顆主要衛星 為哥白尼體系的一個強而有力的證據。
- 觀測到金星與水星的相位（盈虧）更支持日心理論(出版"三個哲學家的對話")。
- 望遠鏡的觀測結果提供更多更精確的觀測資料來驗證刻卜勒的運動定律。
- 牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)
 - 偉大的物理學家
- 23∼25歲之間，發明微積分，力學三大運動定律，萬有引力定律， 並研究光的性質，發明反射式望遠鏡.......
- 牛頓的萬有引力定律：
宇宙中任何質點都互相吸引，引力的大小與兩者質量的乘積成正比，但與距離平方成反比。
- 牛頓運動定律：
- 物體所受的靜力為零時，動者恆動，靜者恆沿直線做等速運動。
- 每一作用在物體上的力，所產生的加速度其方向與與此力相同，但大小與物的質量成反比(F=ma)。
- 作用在物體上的每一個力，皆有其反作用。反作用力的大小與作用力相同，但方向相反。
- 愛因斯坦(Einstein, 1879-1955)
- 水星近日點的進動 43"/100yr
- 星光的偏折效應 1.75秒弧
- 重力紅位移效應
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2007 年 11 月 1 日 星期四  |
| 第五章 基本粒子和自然的力 |
分類: 時間簡史 史蒂芬·... |
亞里士多德相信宇宙中的所有物質是由四種基本元素即土、空氣、火和水組成
的。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢；浮力，這是
指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。
亞里士多德認為物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越
來越小的小塊，即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾
個希臘人，例如德漠克里特，則堅持物質的固有的顆粒性，而且認為每一件東西都
是由不同種類的大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是「不可分的」）。爭
論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。直至1803年英國的化學
家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的。這一事實
可以用來解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀初這兩種學派的
爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個重要的物理學證據。1905年，
在他關於狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在所發表的另一篇文章裡指出，
所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規的、隨機的運動——可以
解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。
當時已經有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一
學院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質粒子存在的證據。電子所具有的質
量比最輕原子小1千倍。 他使用了一種和現代電視顯像管相當類似的裝置：由一根
紅熱的金屬細絲發射出電子，由於它們帶負電荷，可用一電場去將其加速飛到一個
塗磷光物質的屏幕上。電子一打到屏幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識
到，這些電子必須從原子裡出來。英國物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最後證明
了物質的原子確實有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著
它轉動的一些電子組成。他是根據從放射性原子釋放出的帶正電荷的。粒子和原子
碰撞會引起的偏折這一現象，以及分析了此偏折的方式後而推出這一結論的。
最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子所組成。
質子是由希臘文中的「第一」演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。
然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發現，原子核還包含另
外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但沒有帶電荷；查德威克因
此而獲得諾貝爾獎，並選為劍橋龔維爾和凱爾斯學院（我即為該學院的研究員）院
長。後來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員
將許多已佔據位置多年的老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以
前發生的；在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院
長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。
直到20年以前，人們還總以為質子和中子是「基本」粒子。但是，將質子和另
外的質子或電子在高速度下碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。
加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由於對夸克的研究，他獲得
1969年的諾貝爾獎。 此名字起源於詹姆斯·約依斯神秘的引語： 「Three quarks
for Muster Mark！ 」夸克這個字應發夸脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通
常和拉克（雲雀）相押韻。
存在有幾種不同類型的夸克——至少有六種以上的「味」，這些味我們分別稱
之為上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種「色」，即紅、綠和藍。（必須
強調，這些術語僅僅是記號：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有
任何顏色。這只不過是現代物理學家更富有想像力地去命名新粒子和新現象而已—
—他們不再將自己限制於只用希臘文！）一個質子或中子是由三個夸克組成，每個
一種顏色。一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克；一個中子包含兩個下夸克和一
個上夸克。我們可用其他種類的夸克（奇、魅、底和頂）構成粒子，但所有這些都
具有大得多的質量，並非常快地衰變成質子和中子。
現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在於
什麼是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由於光波波長比原子的
尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去「看」一個原子的部分，而必須用某些
波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有
粒子都是波動， 粒子的能量越高，J則其對應的波動的波長越短。所以，我們能對
這個問題給出的最好的回答，取決於我們的設想中所能得到多高的粒子能量，因為
這決定了我們所能看到的多小的尺度。這些粒子的能量通常是以稱為電子伏特的單
位來測量。（在湯姆遜的電子實驗中，我們看到他用一個電場去加速電子，一個電
子從一個伏特的電場所得到的能量即是一個電子伏特。）19世紀，當人們知道如何
去使用的粒子能量只是由化學反應——諸如燃燒——產生的幾個電子伏特的低能量
時，大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏
特的能量。更近代，我們知道使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬然後是幾十億電
子伏特的能量。這樣我們知道，20年之前以為是「基本」的粒子，原來是由更小的
粒子所組成。如果我們用更高的能量時，是否會發現這些粒子是由更小的粒子所組
成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論的根據，相信我們已經擁有或者
說接近擁有自然界的終極構件的知識。
用上一章討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。
這些粒子有一種稱為自旋的性質。自旋可以設想成繞著一個軸自轉的小陀螺。但這
可能會引起誤會，因為量子力學告訴我們，粒子並沒有任何很好定義的軸。粒子的
自旋真正告訴我們的是， 從不同的方向看粒子是什麼樣子的。一個自旋為0的粒子
像一個圓點： 從任何方向看都一樣（圖5.1－i）。而自旋為1的粒子像一個箭頭：
從不同方向看是不同的（圖5.1-ii） 。只有把當它轉過完全的一圈（360°）時，
這粒子才顯得是一樣。 自旋為2的粒子像個雙頭的箭頭（圖5.1－iii）：只要轉過
半圈（180°） ，看起來便是一樣的了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉了整圈的
更小的部分後，看起來便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事
實是，有些粒子轉過一圈後，仍然顯得不同，你必須使其轉兩整圈！這樣的粒子具
有1／2的自旋。
圖5.1
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質的自旋為1／2的粒子；
在物質粒子之間引起力的自旋為0、 1和2的粒子。物質粒子服從所謂的泡利不相容
原理。這是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1925年發現的，他並因此獲得1945年
的諾貝爾獎。他是個模範的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城
市裡的實驗出毛病！泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在於同一個態中，
即是說，在不確定性原理給出的限制內，它們不能同時具有相同的位置和速度。不
相容原理是非常關鍵的， 因為它解釋了為何物質粒子在自旋為0、1和2的粒子產生
的力的影響下不會坍縮成密度非常之高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎在相同位
置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在於同一處。如果世界
創生時不相容原理不起作用，夸克將不會形成不相連的、很好定義的質子和中子，
進而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定義的原子。所有它們都會坍縮形成
大致均勻的稠密的「湯」。
直到保爾·狄拉克在1928年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1／2的粒
子有了相當的理解。狄拉克後來被選為劍橋的盧卡遜數學教授（牛頓曾經擔任這一
教授位置，目前我擔任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學又和狹義相
對論相一致的理論。它在數學上解釋了為何電子具有1／2的自旋，也即為什麼將其
轉一整圈不能、而轉兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它並且預言了電子必須有它
的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發現證實了狄拉克的理論，他因此獲
得了1933年的諾貝爾物理獎。現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。
（對於攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構成的整個反世
界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個
巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多？這是一個極端重要
的問題，我將會在本章的後部分回到這問題上來。
在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1
或2的粒子承擔。 物質粒子——譬如電子或夸克——發出攜帶力的粒子，由於發射
粒子所引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質粒子碰撞
從而被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同兩個物質粒子之間存在過一
個力。
攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個重要的性質。這表明它們
能被交換的數目不受限制，這樣就可以產生根強的力。然而，如果攜帶力的粒子具
有很大的質量，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力
只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子質量為零，力就是長程的了。在物質
粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因為它們不像「實」粒子那樣可以用粒
子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因為它們具有可測量的效應，即它們引
起了物質粒子之間的力， 並且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實粒子而存
在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出為經典物理學家
所說的波動形式，例如光波和引力波；當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而
相互作用時，它們有時就可以被發射出來。（例如，兩個電子之間的電排斥力是由
於交換虛光子所致，這些虛光子永遠不可能被檢測出來；但是如果一個電子穿過另
一個電子，則可以放出實光子，它以光波的形式為我們所探測到。）
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必
須強調指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便於建立部分理論，
而並不別具深意。大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解
釋為一個單獨的力的不同方面。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最
近，將四種力中的三種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這章描述這些內容。
而關於統一餘下的另一種力即引力的問題將留到以後再討論。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質量或能量
而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致於若不是它具有
兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離
去，並且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒
子之間的非常弱的引力能迭加起來而產生相當大的力量。另外三種力或者由於是短
程的，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向於互相抵消。以量子力學的方法來研
究引力場， 人們把兩個物質粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子
所攜帶。它自身沒有質量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以
歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們
確實產生了可測量的效應——它們使地球繞著太陽公轉！實引力構成了經典物理學
家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以致於
還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和
不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。 它比引力強得多：兩個電子之間的電
磁力比引力大約大100億億億億億（在1後面有42個0） 倍。然而，共有兩種電荷—
—正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一
個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由於單獨粒子
之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然
而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中
的質子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉，正如同引力使得地球繞著太陽
旋轉一樣。 人們將電磁吸引力描繪成是由於稱作光子的無質量的自旋為1的粒子的
交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道改
變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形式釋放能量——如果其波
長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。
同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠的
軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現象，並只作用於自旋為1／2的物質粒
子， 而對諸如光子、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
國學院的阿伯達斯·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
一理論後， 弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前
馬克斯韋統一了電學和磁學並駕齊驅。溫伯格——薩拉姆理論認為，除了光子，還
存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子， 它們攜帶弱力。它們叫W＋
（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），每一個具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子
伏為10億電子伏）。上述理論展現了稱作自發對稱破缺的性質。它表明在低能量下
一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一類型粒子的不同狀態。在高能量下所
有這些粒子都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能
量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動
著；但是當輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個槽中的
一個裡面去。換言之，在低能下球可以存在於37個不同的狀態。如果由於某種原因，
我們只能在低能下觀察球，我們就會認為存在37種不同類型的球！
在溫伯格——薩拉姆理論中， 當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子
和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對
稱就被破壞了。W＋、W－和Z0得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉
姆和溫伯格提出此理論時，很少人相信他們，因為還無法將粒子加速到足以達到產
生實的W＋、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裡，在低
能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，以至於他們和也在哈佛的謝爾登
·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和
弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的
質量和其他性質的光子的三個帶質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難
堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡拉·魯比亞和發展了被使用的反物質儲藏
系統的cERN工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔
峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）
第四種力是強作用力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起，並將原子中的質
子和中子束縛在一起。一般認為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。
它只能與自身以及與夸克相互作用。強核力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是
把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於夸克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到
單獨的夸克。反之，一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克聯結
在一起（紅＋綠＋藍＝白）。這樣的三胞胎構成了質子或中子。其他的可能性是由
一個夸克和一個反夸克組成的對（紅＋反紅，或綠＋反綠，或藍＋反藍＝白）。這
樣的結合構成稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為夸克和反夸克會互相湮滅而
產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單
獨的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團，其迭加起來的顏色必須是白的。這
樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的夸克或膠子，這事實使得將夸克和膠子當
作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一個叫做漸近自由的
性質，它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強核力確實很強，
它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，在高能下強作用力
變得弱得多， 夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣。圖5.2是張一個高能質子和一
個反質子碰撞的照片。碰撞產生了幾個幾乎自由的夸克，並引起了在圖中可以看到
的「噴射」軌跡。
圖5.2 一個質子和一個反質子在高能下碰撞，產生了一對幾乎自由的夸克。
對電磁和弱力統一的成功，使許多人試圖將這兩種力和強核力合併在所謂的大
統一理論（或GUT） 之中。這名字相當誇張，所得到的理論並不那麼輝煌，也沒能
將全部力都統一進去，因為它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它
們包含了許多不能從這理論中預言而必須人為選擇去適合實驗的參數。儘管如此，
它們可能是朝著完全的統一理論推進的一步。 GUT的基本思想是這樣：正如前面提
到的，在高能量時強核力變弱了；另一方面，不具有漸近自由性質的電磁力和弱力
在高能量下變強了。在非常高的叫做大統一能量的能量下，這三種力都有同樣的強
度， 所以可看成一個單獨的力的不同方面。在這能量下，GUT還預言了自旋為1／2
的不同物質粒子（如夸克和電子）也會基本上變成一樣，這樣導致了另一種統一。
大統一能量的數值還知道得不太清楚， 可能至少有1千萬億吉電子伏特。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， 計劃建造的機器的能
量為幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太
陽系一樣大——這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裡直接
證實大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢測它在低能量下
的推論。
其中最有趣的是預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能自發衰變成諸如
反電子之類更輕的粒子。其原因在於，在大統一能量下，夸克和反電子之間沒有本
質的不同。正常情況下一個質子中的三個夸克沒有足夠能量轉變成反電子，由於測
不准原理意味著質子中夸克的能量不可能嚴格不變，所以，其中一個夸克能非常偶
然地獲得足夠能量進行這種轉變，這樣質子就要衰變。夸克要得到足夠能量的概率
是如此之低， 以至於至少要等100萬億億億年（1後面跟30個0）才能有一次。這比
宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1後面跟10個0） 要長得多了。因此，
人們會認為不可能在實驗上檢測到質子自發衰變的可能性。但是，我們可以觀察包
含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的對象含
有1後面跟31個0個質子， 按照最簡單的GUT，可以預料在一年內應能看到多於一次
的質子衰變。）
人們進行了一系列的實驗，可惜沒有一個得到質子或中子衰變的確實證據。有
一個實驗是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裡進行的 （為了避免其他因宇宙射
線引起的會和質子衰變相混淆的事件發生）。由於在實驗中沒有觀測到自發的質子
衰變，因此可以估算出，可能的質子壽命至少應為1千萬億億億年（1後面跟31個0）。
這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精緻更複雜的大統一理論
預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。
儘管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子或
更簡單地說夸克的產生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然
的方式——夸克並不比反夸克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和
中子，從而由夸克所構成。除了由少數物理學家在大型粒子加速器中產生的之外，
不存在由反夸克構成的反質子和反中子。從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中
的所有物質也是這樣：除了少量當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生出來的以外，
沒有發現反質子和反中子。如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，
在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞、互
相湮滅並釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反
中子構成，但二者只居其一，否則我們又會觀察到大量由涅滅產生的輻射。因此，
我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質而另一
些星系為反物質也是不太可能的。
為什麼夸克比反夸克多這麼多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定
使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只餘下一個充滿輻
射而幾乎沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恆星
和行星。慶幸的是，大統一理論可以提供一個解釋，儘管甚至剛開始時兩者數量相
等，為何現在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許夸克
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。早期宇宙有一時期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉
變發生。但是，為何導致夸克比反夸克多呢？原因在於，對於粒子和反粒子物理定
律不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）
對稱的意義是， 對於粒子和反粒子定律是相同的；P（宇稱）對稱是指，對於任何
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）定律不
變； T（時間）對稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運動方向，系統應回到原
先的那樣；換言之，對於前進或後退的時間方向定律是一樣的。
1956年， 兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱。
換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄
證明了他們的預言是正確的。她將放射性元素的核在磁場中排列，使它們的自旋方
向一致，然後演示表明，電子在一個方向比另一方向發射出得更多。次年，李和楊
為此獲得諾貝爾獎。 人們還發現弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構
成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。儘管如此，看來弱力確實服從CP聯合對稱。也
就是說，如果每個粒子都用其反粒子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇
宙以同樣的方式發展！但在1964年，還是兩個美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費
茲——發現， 在稱為K介子的衰變中，甚至連CP對稱也不服從。1980年，克羅寧和
費茲為此而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們所想像的那麼簡單而
被授予的！）
有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。
換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像和時間反演，則宇宙的行為必須是
一樣的。克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且採用鏡像，但不
反演時間方向，則宇宙的行為於保持不變。所以，物理學定律在時間方向顛倒的情
況下必須改變——它們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：當時間往前走時，宇宙膨脹；如果它往後退，
則宇宙收縮。 而且，由於存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將
電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然後，當宇宙膨脹並冷卻下來，
反夸克就和夸克湮滅，但由於已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。
正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身
之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性
到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的夸克數目，甚至不知是夸克
還是反夸克餘下。（然而，如果是反夸克多餘留下，我們可以簡單地稱反夸克為誇
克，夸克為反夸克。）
大統一理論並不包括引力。這關係不大，因為引力是如此之弱，以至於我們處
理基本粒子或原子問題時，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，
又總是吸引的，表明它的所有效應是迭加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引
力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麼正是引力決定了宇宙的演化的緣故。
甚至對於恆星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恆星自身坍縮。
70年代我的工作是集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恆星的坍縮和圍繞它們的強大
的引力場所產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第
一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。
(史蒂芬·霍金 著 許明賢 吳忠超 譯)
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