第12章
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個统一理论，该理论将四种力解释为一個单独的力的不同方面。确实，许多人认为這是当代物理学的首要目标。最近，将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在這章描述這些內容。而關於统一余下的另一种力即引力的問題将留到以后再讨论。
第一种力是引力，這种力是万有的，也就是說，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個特别的性质，我們根本就不可能注意到它。這就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。這表明，在像地球和太阳這样两個巨大的物体中，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。以量子力学的方法来研究引力场，人们把两個物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身沒有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成這两個物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的，它们确实产生了可测量的效应——它们使地球绕着太阳公转！实引力构成了经典物理学家称之为引力波的东西，它是如此之弱——并且要探测到它是如此之困难，以致于還从来未被观测到過。
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：两個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個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。一個大的物体，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，因此两個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。人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且，這儿所交换的光子是虚粒子。但是，电子从一個允许轨道改变到另一個离核更近的允许轨道时，以发射出实光子的形式释放能量——如果其波长刚好，则为肉眼可以观察到的可见光，或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。同样，如果一個光子和原子相碰撞，可将电子从离核较近的允许轨道移动到较远的轨道。這样光子的能量被消耗殆尽，也就是被吸收了。
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。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后，弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格——萨拉姆理论认为，除了光子，還存在其他3個自旋为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），每一個具有大约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。在高能量下所有這些粒子都有相似的行为。這個效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下（当這轮子转得很快时），這球的行为基本上只有一個方式——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個槽中的一個裡面去。换言之，在低能下球可以存在于37個不同的状态。如果由于某种原因，我們只能在低能下观察球，我們就会认为存在37种不同类型的球！
在温伯格——萨拉姆理论中，当能量远远超過100吉电子伏时，這三种新粒子和光子的行为方式很相似。但是，大部份正常情况下能量要比這低，粒子之间的对称就被破坏了。w+、w-和z0得到了大的质量，使之携带的力变成非常短程。萨拉姆和温伯格提出此理论时，很少人相信他们，因为還无法将粒子加速到足以达到产生实的w+、w-和z0粒子所需的一百吉电子伏的能量。但在此后的十几年裡，在低能量下這個理论的其他预言和实验符合得這样好，以至于他们和也在哈佛的谢尔登·格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。格拉肖提出過一個类似的统一电磁和弱作用的理论。由于1983年在cern（欧洲核子研究中心）发现了具有被正确预言的质量和其他性质的光子的三個带质量的伴侣，使得诺贝尔委员会避免了犯错误的难堪。领导几百名物理学家作出此发现的卡拉·鲁比亚和发展了被使用的反物质储藏系统的cern工程师西蒙·范德·米尔分享了1984年的诺贝尔奖。（除非你已经是巅峰人物，当今要在实验物理学上留下痕迹极其困难！）
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，一個红夸克必须用一串胶子和一個绿夸克以及一個蓝夸克联结在一起（红＋绿＋蓝＝白）。這样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）。這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。這样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。
色禁闭使得人们观察不到一個孤立的夸克或胶子，這事实使得将夸克和胶子当作粒子的整個见解看起来有点玄学的味道。然而，强核力還有一個叫做渐近自由的性质，它使得夸克和胶子成为定义得很好的概念。在正常能量下，强核力确实很强，它将夸克很紧地捆在一起。但是，大型粒子加速器的实验指出，在高能下强作用力变得弱得多，夸克和胶子的行为就像自由粒子那样。图是张一個高能质子和一個反质子碰撞的照片。
图一個质子和一個反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。
统一电磁和弱力的成功，使许多人试图将這两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（或gut）之中。這名字相当夸张，所得到的理论并不那么辉煌，也沒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這理论中预言而必须人为選擇去适合实验的参数。尽管如此，它们可能是朝着完全的统一理论推进的一步。gut的基本思想是這样：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，這三种力都有同样的强度，所以可看成一個单独的力的不同方面。在這能量下，gut還预言了自旋为1/2的不同物质粒子（如夸克和电子）也会基本上变成一样，這样导致了另一种统一。
大统一能量的数值還知道得不太清楚，可能至少有1千万亿吉电子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量为100吉电子伏的粒子相碰撞，计划建造的机器的能量为几千吉电子伏。要建造足以将粒子加速到大统一能量的机器，其体积必须和太阳系一样大——這在现代经济环境下不太可能做到。
：https://www.bie5.cc。：https://m.bie5.cc