接上篇，继续讲时间简史……
第五章 基本粒子和自然的力
导读：本章是我感觉这本书最晦涩难懂的一章了，因为讲的是基础物理学，今天终于硬着头皮读完了。
主要讲了两个物理概念：
第一：组成物质的基本单位（粒子）都有哪些？
简言之，宇宙或者说我们的世界是由不同的物质组成的，大到星球星系，小到地球的动物植物一切的一切，都是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核是由夸克组成的，夸克又分为了上夸克、下夸克、魅夸克、底夸克和顶夸克。我们宇宙可能还有一个镜像的宇宙，以上的所有粒子都有其反粒子，比如反电子、反夸克等等。本书就介绍到这个细微级别了，随着物理学的发展，未来还会发现更为基础的粒子。
第二：宇宙有四种力，引力、电磁力、弱核力和强核力。基础物理学的终极目标就是统一这四种力，目前只把后三种统一起来了，叫做CPT大统一理论，引力还没有。霍金通过研究黑洞得出的一些理论为未来真正的量子引力论奠定了基础。
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卢瑟福-查德威克原子模型，
电子绕着质子和中子构成的微小的密集的核公转
存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的“味”，这些味我们分别称之为上、下、、魅、底和顶。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须强调，这些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已——他们不再将自己限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可用其他种类的夸克（、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。
中子包含两个具有-1/3电荷的下夸克和一个具有+2/3电荷的上夸克，其总电荷为0
夸克存在6种味，每一种又有3种颜色。和夸克一样，反夸克也存在6种味，每一种又有3种反颜色。
现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于什么是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的尺度大得多，我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分，而必须用某些波长短得多的东西。
基本粒子具有称为自旋的性质。自旋0的粒子从所有方面看都一样（A）。自旋1的粒子当它被转动整整360°后显得一样（B），而自旋2的粒子则只需要旋转180°（C）。然而，自旋1/2的粒子必须旋转两整圈才会显得一样（D）。
粒子的自旋真正告诉我们的是，从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子像一个圆点：从任何方向看都一样（图5.1－A）。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的（图5.1-B）。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，这粒子才显得是一样。自旋为2的粒子像个双头的箭头（图5.1－C）：只要转过半圈（180°），看起来便是一样的了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后，看起来便是一样的。所有这一切都是这样的直截了当，但惊人的事实是，有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，你必须使其转两整圈！这样的粒子具有1／2的自旋。
宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：组成宇宙中的物质的自旋为1/2的粒子；在物质粒子之间引起力的自旋为0、1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于同一个态中，即是说，在不确定性原理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置和速度。不相容原理是非常关键的，因为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下不会坍缩成密度非常之高的状态的原因：如果物质粒子几乎在相同位置，则它们必须有不同的速度，这意味着它们不会长时间存在于同一处。如果世界创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形成不相连的、很好定义的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定义的原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”。
如果你遇到反你，小心，不要握手！
任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。（对于携带力的粒子，反粒子即为其自身。）也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。
物质粒子之间的相互作用可以被描述成交换携带力的粒子
在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子承担。物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。
当轮赌盘快速旋转时，轮赌球可以在所有可能的位_置之间自由运动。然而，当轮赌盘缓慢下来，球就会停到37个不同位置中的一个。不同粒子可能也是这个原理，本质是同一种粒子。
携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标。
第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的，或者时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。
另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0）倍。然而，共有两种电荷——正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。
第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。除了光子，还存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。它们叫W（W正）、W-（W负）和Z0（Z零），每一个具有大约100吉电子伏的质量（1吉电子伏为10亿电子伏）。上述理论展现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下一些看起来完全不同的粒子，事实上只是同一类型粒子的不同状态。在高能量下所有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下（当这轮子转得很快时），这球的行为基本上只有一个方式——即不断地滚动着；但是当轮子慢下来时，球的能量就减少了，最终球就陷到轮子上的37个槽中的一个里面去。换言之，在低能下球可以存在于37个不同的状态。如果由于某种原因，我们只能在低能下观察球，我们就会认为存在37种不同类型的球！
第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克。反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起（红＋绿＋蓝＝白）。这样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）。这样的结合构成称为介子的粒子。介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子。类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子。相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的。这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。
由夸克和反夸克还可以组成无色的组合，其颜色被对消了（如红+反红）
统一电磁和弱力的成功，使许多人试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（或GUT）之中。这名字相当夸张，所得到的理论并不那么辉煌，也没能将全部力都统一进去，因为它并不包含引力。它们也不是真正完整的理论，因为它们包含了许多不能从这理论中预言而必须人为选择去适合实验的参数。尽管如此，它们可能是朝着完全的统一理论推进的一步。GUT的基本思想是这样：正如前面提到的，在高能量时强核力变弱了；另一方面，不具有渐近自由性质的电磁力和弱力在高能量下变强了。在非常高的叫做大统一能量的能量下，这三种力都有同样的强度，所以可看成一个单独的力的不同方面。在这能量下，GUT还预言了自旋为1/2的不同物质粒子（如夸克和电子）也会基本上变成一样，这样导致了另一种统一。
在一个云雾室中加速粒子轨迹的彩色反转片，
在中央交点发生反质子和质子的湮灭
可能的质子寿命至少应为1千万亿亿亿年（1后面跟31个0）。这比简单的大统一理论所预言的寿命更长。
我们没有直接的证据表明其他星系中的物质是由质子、中子还是由反质子、反中子构成，但二者只居其一，否则我们又会观察到大量由涅灭产生的辐射。因此，我们相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克构成；看来，一些星系为物质而另一些星系为反物质也是不太可能的。
在瑞士日内瓦附近的CERN的ALEPH检测器的一个终端盖子。在这种加速器中进行高能粒子碰撞，研究者可以创造类似于大爆炸之后存在的状态
为什么夸克比反夸克多这么多？为何它们的数目不相等？这数目有所不同肯定使我们交了好运，否则，早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了，只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。因此，后来也就不会有人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸的是，大统一理论可以提供一个解释，尽管甚至刚开始时两者数量相等，为何现在宇宙中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的，大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。它们也允许相反的过程，反夸克变成电子，电子和反电子变成反夸克和夸克。早期宇宙有一时期是如此之热，使得粒子能量高到足以使这些转变发生。但是，为何导致夸克比反夸克多呢？原因在于，对于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。
直到1956年人们都相信，物理定律分别服从三个叫做C、P和T的对称。C（电荷）对称的意义是，对于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇称）对称是指，对于任何情景和它的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子）定律不变；T（时间）对称是指，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应回到原先的那样；换言之，对于前进或后退的时间方向定律是一样的。
在大统一理论中一个质子中的两个上夸克和一个下夸克会变成一个下/下反π0介子和一个反电子
早期宇宙肯定是不服从T对称的：当时间往前走时，宇宙膨胀；如果它往后退，则宇宙收缩。而且，由于存在着不服从T对称的力，因此当宇宙膨胀时，相对于将电子变成反夸克，这些力更容易将反电子变成夸克。然后，当宇宙膨胀并冷却下来，反夸克就和夸克湮灭，但由于已有的夸克比反夸克多，少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们今天看到的物质，由这些物质构成了我们自己。这样，我们自身之存在可认为是大统一理论的证实，哪怕仅仅是定性的而已；但此预言的不确定性到了这种程度，以至于我们不能知道在湮灭之后余下的夸克数目，甚至不知是夸克还是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我们可以简单地称反夸克为夸克，夸克为反夸克。）
黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。正是黑洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量子引力论的一瞥。
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