定義

萬有引力定律：屬于自然科學(xué)領(lǐng)域定律，自然界中任何兩個(gè)物體都是相互吸引的，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比。

萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且還指出木星、土星的衛(wèi)星圍繞行星也有同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他認(rèn)為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運(yùn)動(dòng)中早已發(fā)現(xiàn)的二均差，出差等；另外，他還解釋了彗星的運(yùn)動(dòng)軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。根據(jù)萬有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星。

萬有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運(yùn)動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從而創(chuàng)立了天體力學(xué)。簡單的說，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大,這個(gè)力與兩個(gè)物體的質(zhì)量均成正比，與兩個(gè)物體間的距離平方成反比。地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。

萬有引力定律傳入中國：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓最重要的著作，1687年出版。該書總結(jié)了他一生中許多重要發(fā)現(xiàn)和研究成果，其中包括上述關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的定律。他說，該書“所研究的主要是關(guān)于重、輕流體抵抗力及其他吸引運(yùn)動(dòng)的力的狀況，所以我們研究的是自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。”該書傳入中國后，中國數(shù)學(xué)家李善蘭曾譯出一部分，但未出版，譯稿也遺失了?，F(xiàn)有的中譯本是數(shù)學(xué)家鄭太樸翻譯的，書名為《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，1931年商務(wù)印書館初版，1957和1958年兩次重印。

詳細(xì)內(nèi)容

萬有引力等于引力常量乘以兩物體質(zhì)量的乘積除以它們距離的平方。其中G代表引力常量，其值約為6.67×10-11 N·m2/kg2，為英國物理學(xué)家、化學(xué)家亨利·卡文迪許通過扭秤實(shí)驗(yàn)測得。此外，庫侖定律也可以用這種扭秤證明。

因?yàn)樾行鞘艿降淖饔昧吞柺艿降淖饔昧κ窍嗤笮〉牧Γ蛇@兩個(gè)式子比較可知，k′包含了太陽的質(zhì)量M，k″包含了行星的質(zhì)量m。由此可知，這兩個(gè)力與兩個(gè)天體質(zhì)量的乘積成正比，它稱為萬有引力。

如果引入一個(gè)新的常數(shù)G（稱萬有引力常數(shù)），再考慮太陽和行星的質(zhì)量，以及先前得出的4·π2，那么可以表示為：萬有引力，(G=6.67×10-11 N·m2 /kg2)。

兩個(gè)通常物體之間的萬有引力極其微小，我們察覺不到它，可以不予考慮。比如，兩個(gè)質(zhì)量都是60千克的人，相距0.5米，他們之間的萬有引力還不足百萬分之一牛頓，而一只螞蟻拖動(dòng)細(xì)草梗的力竟是這個(gè)引力的1000倍！但是，天體系統(tǒng)中，由于天體的質(zhì)量很大，萬有引力就起著決定性的作用。在天體中質(zhì)量還算很小的地球，對其他的物體的萬有引力已經(jīng)具有巨大的影響，它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和人造地球衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)而不離去。

重力

在人類航天事業(yè)興起之前，萬有引力早已被應(yīng)用于宇宙天體的研究。重力雖然早被發(fā)現(xiàn)，但是重力的研究進(jìn)入宇宙這個(gè)領(lǐng)域，是航天科學(xué)帶領(lǐng)的。從地面出發(fā)進(jìn)行的宇宙航行的路上，物體受的重力要發(fā)生巨大變化。到達(dá)目標(biāo)天體或人造天體后，物體受的重力也會(huì)與地球上有很大區(qū)別。要考慮人如何耐受體重的巨大變化，要研究支撐物如何承受物體重量帶來的壓力的巨大變化。但是重力的研究難于萬有引力。至今重力的定義只停留在地面附近，重力的概念也沒有深入本質(zhì)。重力研究停留在下面的小范圍之內(nèi)。

重力，就是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產(chǎn)生的。但是需要注意的是，因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)，除了在南極北極端點(diǎn)，在地球上任意一點(diǎn)的物體，其重力并不等于萬有引力（因?yàn)檫@里的萬有引力是指地球本身的引力，而重力是物體本身的質(zhì)量再加上萬有引力）。此時(shí)可看作繞地球的向心力和重力合成萬有引力（矢量和—平行四邊形法則）。由于繞地球自轉(zhuǎn)的向心力遠(yuǎn)小于重力，故一般就認(rèn)為重力就略等于萬有引力了，其實(shí)重力是略小于萬有引力的，只有在南北極物體繞地球自轉(zhuǎn)的向心力為零時(shí)，重力才等于萬有引力。重力和萬有引力的方向不同，重力是豎直向下，萬有引力是指向地心，豎直向下和指向地心是不同的，不能混淆。

上面研究重力的方法只適用于地面，宇宙航行中的重力和宇宙中天體或人造天體上的重力的研究，離不開下面重力的概念和定義。

在靜力學(xué)范圍內(nèi)，以放置物體的支撐物或物體本身為參照物，來研究重力能得到最好的保障。萬有引力和慣性力都是同時(shí)作用在物體的每一個(gè)微小部分，因此都能使物體獲得重量。在沒有其他的力具有這樣的作用效果。因此將萬有引力和慣性力的共同作用，即它們的合力叫做重力。這種研究重力得到的結(jié)果與上面提到在地面上的研究方法得到的結(jié)果完全相同，因?yàn)榈厍蛞彩怯钪嫣祗w之一。

會(huì)從這里發(fā)現(xiàn)，在地面研究重力，怎么只考慮地球的引力，卻沒有考慮把地球吸引得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)的太陽的萬有引力和其他眾星球的萬有引力？新的概念和定義能很好地做出解釋。把各星球看做質(zhì)點(diǎn)，那么太陽的萬有引力和其他眾星球的萬有引力，都分別和與它們對應(yīng)的慣性力相互抵消。因此在求地面上物體的重力時(shí)除地球萬有引力以外，其他的萬有引力可以不參與重力的計(jì)算。但是不加考慮是不可以的。

宇宙航行中物體的超重、失重現(xiàn)象的解釋和物體在其他星球上的重力計(jì)算，都可以在新定義下，用物體所受重力的變化或說重量的變化來解決。這樣重力的研究就會(huì)伴隨萬有引力的研究進(jìn)入宇宙空間。

偉大意義

17世紀(jì)早期，人們已經(jīng)能夠區(qū)分很多力，比如摩擦力、重力、空氣阻力、電力和人力等。牛頓首次將其中一些看似不同的力準(zhǔn)確地歸結(jié)到萬有引力概念里：蘋果落地，人有體重，月亮圍繞地球轉(zhuǎn)，所有這些現(xiàn)象都是由相同原因引起的。牛頓的萬有引力定律簡單易懂，涵蓋面廣。

萬有引力的發(fā)現(xiàn)，是17世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上的物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規(guī)律，在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史上樹立了一座里程碑。

牛頓的萬有引力概念是所有科學(xué)中最實(shí)用的概念之一。牛頓認(rèn)為萬有引力是所有物質(zhì)的基本特征，這成為大部分物理科學(xué)的理論基石。

發(fā)現(xiàn)過程

原因

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的原因很多，主要因?yàn)橐韵聨c(diǎn)。

1.科學(xué)發(fā)展的要求：牛頓之前，有很多天文學(xué)家在對宇宙中的星球進(jìn)行觀察。經(jīng)過幾位天文學(xué)家的觀察記錄，到開普勒時(shí)，他對這些觀測結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)，得到開普勒三大定律：

1.所有行星都繞太陽做橢圓運(yùn)行，太陽在所有橢圓的公共焦點(diǎn)上。

2.行星的向徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。

3.所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等，即r^3/T^2=k。

開普勒三定律是不容置疑的，但為什么會(huì)這樣呢？是什么讓它們做加速度非零的運(yùn)動(dòng)？牛頓經(jīng)過研究思考解決了這個(gè)問題：物體之間存在萬有引力。當(dāng)然他發(fā)現(xiàn)萬有引力定量是一個(gè)漫長而曲折的過程。

2.個(gè)人原因：牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，雖然是科學(xué)發(fā)展的要求，生產(chǎn)力發(fā)展的原因，但我們不能忽略牛頓本人的一些因素：聰明勤于思考 擁有一定的知識(shí)量。據(jù)《物理學(xué)史》說：牛頓在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的那一段時(shí)間，廢寢忘食（每天魂不守舍，在食堂吃飯，飯碗在前，他在發(fā)呆。去食堂吃飯，卻走錯(cuò)了方向。一些老師在校園后的沙灘上散步時(shí)，看見了一些古怪的算式和符號(hào)）。1669年，他年僅27歲，就擔(dān)任了劍橋的數(shù)學(xué)教授。還有1672年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

過程

1666年，23歲的牛頓還是劍橋大學(xué)圣三一學(xué)院三年級(jí)的學(xué)生?？吹剿尊钠つw和金色的長發(fā)，很多人以為他還是個(gè)孩子。他身體瘦小，沉默寡言，性格嚴(yán)肅，這使人們更加相信他還是個(gè)孩子。他那雙銳利的眼睛和整天寫滿怒氣的表情更是拒人于千里之外。

黑死病席卷了倫敦，奪走了很多人的生命，那確實(shí)是段可怕的日子。大學(xué)被迫關(guān)閉，像艾薩克·牛頓這樣熱衷于學(xué)術(shù)的人只好返回安全的鄉(xiāng)村，期待著席卷城市的病魔早日離去。

在鄉(xiāng)村的日子里，牛頓一直被這樣的問題困惑：是什么力量驅(qū)使月球圍繞地球轉(zhuǎn)，地球圍繞太陽轉(zhuǎn)？牛頓首次認(rèn)為，重力不僅僅是行星和恒星之間的作用力，有可能是普遍存在的吸引力。他深信煉金術(shù)，認(rèn)為物質(zhì)之間相互吸引，這使他斷言，相互吸引力不但適用于碩大的天體之間，而且適用于各種體積的物體之間。蘋果落地、雨滴降落和行星沿著軌道圍繞太陽運(yùn)行都是重力作用的結(jié)果。

人們普遍認(rèn)為，適用于地球的自然定律與太空中的定律大相徑庭。牛頓的萬有引力定律沉重打擊了這一觀點(diǎn)，它告訴人們，支配自然和宇宙的法則是很簡單的。

牛頓推動(dòng)了引力定律的發(fā)展，指出萬有引力不僅僅是星體的特征，也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學(xué)定律之一，萬有引力定律及其數(shù)學(xué)公式已成為整個(gè)物理學(xué)的基石。

當(dāng)然，當(dāng)時(shí)牛頓提出了萬有引力理論，卻未能得出萬有引力的公式，因?yàn)楣街械摹癎”實(shí)在太小了，因此他提出：F∝mM/r2。直到1798年英國物理學(xué)家卡文迪許利用著名的卡文迪許扭秤（即卡文迪許實(shí)驗(yàn)）較精確地測出了引力恒量的數(shù)值。

簡單含義

牛頓并不是發(fā)現(xiàn)了重力，他是發(fā)現(xiàn)重力是“萬有”的。每個(gè)物體都會(huì)吸引其他物體，而這股引力的大小只跟物體的質(zhì)量與物體間的距離有關(guān)。牛頓的萬有引力定律說明，每一個(gè)物體都吸引著其他每一個(gè)物體，而兩個(gè)物體間的引力大小，正比于這它們的質(zhì)量，會(huì)隨著兩物體中心連線距離的平方而遞減。

牛頓為了證明只有球形體可把“球的總質(zhì)量集中到球的質(zhì)心點(diǎn)”來代表整個(gè)球的萬有引力作用的總效果而發(fā)展了微積分。然而不管距離地球多遠(yuǎn)，地球的重力永遠(yuǎn)不會(huì)變成零，即使你被帶到宇宙的邊緣，地球的重力還是會(huì)作用到你身上，雖然地球重力的作用可能會(huì)被你附近質(zhì)量巨大的物體所掩蓋，但它還是存在。不管是多小還是多遠(yuǎn)，每一個(gè)物體都會(huì)受到引力作用，而且遍布整個(gè)太空，正如我們所說的“萬有”。

基本力

萬有引力是任意兩個(gè)物體或兩個(gè)粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力，自然界中最普遍的力，簡稱引力。在粒子物理學(xué)中則稱引力和強(qiáng)力、弱力、電磁力合稱4種基本相互作用。引力是其中最弱的一種，兩個(gè)質(zhì)子間的萬有引力只有它們間的電磁力的1/10，質(zhì)子受地球的引力也只有它在一個(gè)不強(qiáng)的電場1000伏/米的電磁力的1/10。因此研究粒子間的作用或粒子在電子顯微鏡和加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，都不考慮萬有引力的作用。

一般物體之間的引力也是很小的，例如兩個(gè)直徑為1米的鐵球，緊靠在一起時(shí)，引力也只有1.14×10-3牛頓，相當(dāng)于0.03克的一小滴水的重量。但地球的質(zhì)量很大，這兩個(gè)鐵球分別受到4×102牛頓的地球引力，所以研究物體在地球引力場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常都不考慮周圍其他物體的引力。天體如太陽和地球的質(zhì)量都很大，乘積就更大，巨大的引力就能使龐然大物繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。引力就成了支配天體運(yùn)動(dòng)的唯一的一種力。恒星的形成，在高溫狀態(tài)下不彌散反而逐漸收縮，最后坍縮為白矮星、中子星和黑洞，也都是由于引力的作用，因此引力也是促使天體演化的重要因素。

迄今為止，我們已經(jīng)知道，引力是一種與時(shí)空基本結(jié)構(gòu)緊密關(guān)聯(lián)的普適力。應(yīng)該視其為基本力。換句話說，我們應(yīng)該用引力來度量其他東西，而不是用其他東西來度量引力。因此，在絕對意義上來說，引力不是微弱的——它本來就是這樣子的。事實(shí)上，引力顯得如此之微弱一直讓理論物理學(xué)界感到困惑。

大統(tǒng)一理論

萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力這四種作用力是基本力。它們都是通過在粒子之間交換的一種“傳播子”實(shí)現(xiàn)的交互作用的，這就像兩個(gè)人托排球，通過他們之間的排球把他們聯(lián)系在一起一樣。帶電粒子之間電磁相互作用的傳播子是質(zhì)量為零、自旋為1的光子。 原來有學(xué)者認(rèn)為，核子之間的強(qiáng)相互作用（核力）是靠π介子傳遞的，但由于核子和π介子都是由夸克組成的，所以歸根結(jié)底它們是夸克之間的相互作用。

傳遞夸克之間強(qiáng)相互作用的傳播子稱為“膠子”。注意光子不帶電，且只有一種，而膠子帶“色荷”，分為八種不同的膠子。不過它和光子一樣，都是自旋為1的玻色子。弱相互作用的傳播子是“中間玻色子”，它的自旋也為1。有三種帶電情況：把帶有正負(fù)單位電荷的中間玻色子記為W 、W-，把不帶電的中間玻色子記為Z。1983年歐洲核子研究中心的盧比亞和范德梅爾，在質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了這三種中間玻色子，第二年即獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

在現(xiàn)代物理學(xué)中，能量概念比質(zhì)量概念更具有核心地位。這表現(xiàn)在許多方面。真正守恒的是能量而非質(zhì)量。出現(xiàn)在各類基本方程，如統(tǒng)計(jì)力學(xué)的波爾茲曼方程，量子力學(xué)的薛定諤方程和關(guān)于引力的愛因斯坦方程等方程中也是能量。而質(zhì)量似乎更多地與技術(shù)途徑相聯(lián)系，例如作為龐加萊群不可約表示的符號(hào)。

因此，愛因斯坦方程提出了一項(xiàng)挑戰(zhàn)。如果能夠用能量來解釋質(zhì)量，這將有助于改進(jìn)科學(xué)家們對于世界的描述，這樣，構(gòu)建世界所需要的構(gòu)件可能變得更少。

借助于愛因斯坦定律，我們可以更好地解決或者回答牛頓所未曾解決的問題：什么是質(zhì)量的起源？引力與其他基本力之間到底有什么關(guān)聯(lián)？

問題1：如果E=mc2，那么，質(zhì)量正比于能量。因此如果能量守恒，是不是意味著質(zhì)量也守恒？然而，愛因斯坦的方程只能運(yùn)用到靜止的孤立的物體上。一般來說，兩個(gè)物體相互作用時(shí)，能量和質(zhì)量不成正比。E=mc2根本不適用。

問題2：用無質(zhì)量的構(gòu)件搭建起來的物體如何感知引力？牛頓定律說物體受到的引力與質(zhì)量成正比，但事實(shí)上，通常被認(rèn)為是零質(zhì)量的光子卻會(huì)受到引力的作用而發(fā)生彎曲。這是1919年為嚴(yán)驗(yàn)證在愛因斯坦廣義相對論所提出的假設(shè)進(jìn)行的一次科學(xué)實(shí)觀測所證實(shí)了的。那么這是否意味著光子質(zhì)量非零還是牛頓引力定律缺少普適性？

光的問題是一個(gè)值得重視的首要性問題?！妒ソ?jīng)·創(chuàng)世紀(jì)》中上帝在造物的第一日所創(chuàng)造之物便是光，上帝在圣經(jīng)中也多次把光當(dāng)成自己的化身。光是“所有事物”中最重要的元素，當(dāng)然它截然不同于原子。人們本能地認(rèn)為光是與物質(zhì)完全不同的另一類東西，是非物質(zhì)的甚至是精神層面的，這很自然。

光也的確表現(xiàn)出完全不同于可觸摸物質(zhì)的特性——后者是那種你踢一下就會(huì)傷著腳趾頭或者是流過吹過你身邊的東西。如果你要跟費(fèi)恩曼例子里的災(zāi)后遺民講授物理學(xué)，你大可告訴他們，光是物質(zhì)的另一種形式，他們也會(huì)理解。你甚至可以告訴他們，光是由粒子——光子——組成的。光子在真空中運(yùn)動(dòng)速度很大，但是在超導(dǎo)狀態(tài)下，光運(yùn)行的速度很慢，大體跟目前世界跑得最快的奧運(yùn)會(huì)短跑冠軍的速度相近，而且，光子在這種狀態(tài)下也具有了質(zhì)量。

其次，值得提及的是原子不是故事的結(jié)束，它們是由更基本的構(gòu)件組成的。因?yàn)樗械奈镔|(zhì)都能發(fā)光，所以我們可以假設(shè)所有的物質(zhì)都是由原子和光子組成的。原子是由原子核和電子組成的。原子核很小，其大小大約為原子的10萬分之一，但它卻包含所有的正電荷和構(gòu)成了幾乎所有的質(zhì)量。沿此思路走下去，我們將很快將費(fèi)恩曼故事中災(zāi)后遺民引領(lǐng)到正確理解科學(xué)的化學(xué)和電子學(xué)的道路上來，從而重建我們的世界。原子因?yàn)樵雍撕碗娮又g的電性吸引而保持穩(wěn)定。最后，原子核又由質(zhì)子和中子組成。原子核卻由另一種力來維持，這種力要比電性力強(qiáng)大很多，但作用的距離卻很短。這種對于物質(zhì)認(rèn)識(shí)狀態(tài)，大約是1935年前后的情形。而我們所了解的當(dāng)然要大大跨越這一時(shí)期的知識(shí)水準(zhǔn)。

1932年，詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這是一個(gè)里程碑。在查德威克的發(fā)現(xiàn)之后，理解原子核的道路似乎變得通暢了。人們認(rèn)為原子核的構(gòu)件已被發(fā)現(xiàn)，它們就是質(zhì)子和中子。這是兩種重量近似的的粒子，而且有著類似的強(qiáng)相互作用。質(zhì)子和中子的最明顯的差別就是質(zhì)子帶正電荷，而中子呈電中性。此外，孤立的中子不穩(wěn)定，大約會(huì)在15分鐘的壽命期限內(nèi)衰變成一個(gè)質(zhì)子（加一個(gè)正電荷和一個(gè)中微子）。將質(zhì)子和中子簡單相加，你就可以得到不同電荷數(shù)和質(zhì)量的模型原子核，它與已知原子核基本相符。

牛頓在1704年發(fā)表的《光學(xué)》一書中，這樣表述了他對物質(zhì)的終極性質(zhì)的設(shè)想：

“在我看來，事實(shí)上可能是，上帝開始造物的時(shí)，將物質(zhì)做成了結(jié)實(shí)、沉重、堅(jiān)硬、不可入但可運(yùn)動(dòng)的微粒，其大小、形狀和其它一些屬性以及空間上的比例都恰好有助于他實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造它們的目的。由于這些原始微粒是些固體，所以它們比任何由它們合成的多孔的物體都要堅(jiān)固得無可比擬。它們甚至堅(jiān)硬得永遠(yuǎn)不會(huì)磨損或破裂，沒有任何普通的力量能把上帝在他第一次創(chuàng)世時(shí)他自己造出來的東西分開?！?/p>

物質(zhì)的科學(xué)實(shí)質(zhì)，其不可再分的核心是質(zhì)量。質(zhì)量規(guī)定了物質(zhì)反抗運(yùn)動(dòng)的能力，也就是它的慣性。質(zhì)量是不變的，即具有“保守性”。它可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，但是永遠(yuǎn)不會(huì)增生或被消滅。對于牛頓來說，質(zhì)量定義了物質(zhì)的多少。在牛頓物理學(xué)中，質(zhì)量提供了力和運(yùn)動(dòng)以及引力源之間聯(lián)系的橋梁。而在拉瓦錫看來，質(zhì)量的穩(wěn)定性及其精確的守恒性，則構(gòu)成了化學(xué)的基礎(chǔ)和富有成果的發(fā)現(xiàn)指南。

我們在化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)表明，對所有這些復(fù)雜性給予解釋是可能的。也許質(zhì)子、中子和其它強(qiáng)子不是基本粒子。它們也許是由性質(zhì)更為簡單的更為基本的對象構(gòu)成。

事實(shí)上，如果我們針對原子和分子水平上做在質(zhì)子和中子水平上做的散射實(shí)驗(yàn)，來研究原子和分子在近距離碰撞下會(huì)發(fā)生什么，我們會(huì)得到同樣復(fù)雜的結(jié)果：重新分布的分子和碎裂而成的類新型分子（或處于激發(fā)態(tài)的原子、離子或自由基），換句話說，得到的各種化學(xué)反應(yīng)。服從簡單的力定律的只是基本的電子與原子核，而由多個(gè)電子和原子核組成的原子和分子則不。而且在亞原子粒子情形下，質(zhì)量也不守恒。如果你將質(zhì)子轟擊得足夠致密，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)得到的是更多的質(zhì)子，有時(shí)還會(huì)伴有其它強(qiáng)子。一個(gè)典型的情形是，讓兩個(gè)高能質(zhì)子相互碰撞，得到卻是3個(gè)質(zhì)子，一個(gè)反中子和若干個(gè)介子。這些粒子的總質(zhì)量會(huì)大于反應(yīng)前兩個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和。

光沒有質(zhì)量。光不用推動(dòng)就可以產(chǎn)生巨大的速度從光源傳遞到接受器。光很容易就可以產(chǎn)生（發(fā)射）或湮沒（被吸收）。光也不具備引力那樣的拉力。但光有能量，能輕而易舉地被轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)藏起來，例如植物的葉綠素在光合作用下，可以把空氣中的二氧化碳和植物根系吸收的水分、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)換成多糖、氨基酸或纖維素的化學(xué)鍵里。在元素周期表我們找不到光的位置，而這個(gè)周期表里分布都是構(gòu)成物質(zhì)的各種構(gòu)件。

在近代科學(xué)誕生前的幾百年以及誕生后的兩個(gè)半世紀(jì)里，實(shí)在分為物質(zhì)和光似乎是不言自明的。物質(zhì)有質(zhì)量且守恒，光沒有質(zhì)量。如果有質(zhì)量物質(zhì)和無質(zhì)量的光始終彼此隔絕，那么物理世界就始終無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的描述。

在20世紀(jì)的前半葉，相對論和量子物理學(xué)的出現(xiàn)摧毀了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)存的物質(zhì)和光的理論幾同廢墟。這一創(chuàng)新性的破壞過程，使得物理學(xué)家有可能在20世紀(jì)的下半葉建造起一個(gè)新的更深刻的物質(zhì)-光理論，它將徹底破除自古以來對兩者分離的認(rèn)識(shí)。新的理論認(rèn)為，世界是建立在充滿以太的多層級(jí)空間基礎(chǔ)上的。這里借用的“以太”雖然是十七世紀(jì)的哲學(xué)家笛卡爾的概念，在十九世紀(jì)時(shí)麥克斯韋則稱之為“場”，而在1970年代中，維爾切克則將其稱之為“網(wǎng)格”。

新的世界模型盡管看起來有點(diǎn)稀奇古怪，但卻非常成功而且精確。它為我們提供了對普通物質(zhì)質(zhì)量起源的新認(rèn)識(shí)。簡單來說，物質(zhì)的出現(xiàn)于相對論、量子場論和色動(dòng)力學(xué)均有關(guān)系——后者是研究支配夸克和膠子行為特有規(guī)律的學(xué)問。如果不深入了解并熟悉地運(yùn)用這些概念，我們就無法理解質(zhì)量的起源。而且迄今為止，量子場論和色動(dòng)力學(xué)仍然是活躍的研究領(lǐng)域，還有許許多多的問題有待解決。

不久以前，人們曾經(jīng)認(rèn)為普通物質(zhì)的基本構(gòu)件就是質(zhì)子和中子。之后，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，普通物質(zhì)的基本構(gòu)件——質(zhì)子和中子——內(nèi)有些小東西。這些小東西叫做夸克和膠子。當(dāng)然，知道它們的名字并不等于告訴我們他們是什么，正如莎士比亞筆下的羅密歐所解釋的那樣：

“名字有什么意義？我們叫做玫瑰的東西，換個(gè)名字，還是一樣的香艷?！?/p>

但是，如果夸克和膠子只是物質(zhì)內(nèi)部永無止境的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的又一層級(jí)，那么它們的名字只不過提供一種讓人們炫耀的非流行語詞。然而夸克和膠子并不“只是又一層級(jí)”。在膠子本身被發(fā)現(xiàn)之前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了描述膠子的方程。1954年楊振寧和羅伯特·米爾斯發(fā)現(xiàn)作為電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組自然數(shù)學(xué)推廣的一類方程組，表明麥克斯韋方程組的自然數(shù)學(xué)推廣方程組支持所有已知荷的對稱性，而在楊-米爾斯方程組基礎(chǔ)上由大衛(wèi)·格羅斯和弗蘭克·維爾切克于1973年推導(dǎo)出了適用于現(xiàn)實(shí)世界中強(qiáng)相互作用膠子方程的過程中使用了三種“荷”。出現(xiàn)在強(qiáng)相互作用理論中的這三種荷通常稱為色荷，或簡稱為荷。

在20世紀(jì)60年代初，實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)了幾十種強(qiáng)子，它們的質(zhì)量、壽命和固有的自旋均不相同。其中，希格斯玻色子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學(xué)家希格斯提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場引起自發(fā)對稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。2012年7月2日，美國能源部下屬的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室最新數(shù)據(jù)接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。

在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。由于基本粒子和基本力形成了物理世界，所以，除了引力以外，標(biāo)準(zhǔn)模型可以合理解釋這世界中的大多數(shù)物理現(xiàn)象。最初，標(biāo)準(zhǔn)模型所倚賴的規(guī)范場論禁止基本粒子擁有質(zhì)量，這很明顯地顯示出初始模型不夠完全。后來，物理學(xué)者研究出一種機(jī)制，能夠利用對稱性破缺來賦予基本粒子質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì)抵觸到規(guī)范場論。這機(jī)制被稱為希格斯機(jī)制。在所有解釋質(zhì)量起源的機(jī)制之中，希格斯機(jī)制是最簡單、最被認(rèn)可的一種。物理學(xué)者已完成了很多實(shí)驗(yàn)，并確實(shí)偵測到這機(jī)制引發(fā)的許多種效應(yīng)，但是他們不確切了解這機(jī)制到底是怎么一回事。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現(xiàn)為不同的相互作用，這被稱為電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標(biāo)準(zhǔn)模型解釋電弱對稱性自發(fā)破缺的機(jī)制時(shí)引入的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，宇宙空間中的各處，無論是真空中還是空氣中，甚至是物質(zhì)的內(nèi)部，都充滿了希格斯粒子（希格斯場）。希格斯粒子被認(rèn)為是生成基本粒子的“質(zhì)量”之源。雖然質(zhì)量總是與“重量”聯(lián)系在一起，但嚴(yán)格說起來是不一樣的。質(zhì)量應(yīng)該是反映“改變加速度的難易程度”的物理量。

為什么有些基本粒子具有質(zhì)量，而有些基本粒子的質(zhì)量為零？物理學(xué)界仍在不停的探索中。而更加令物理學(xué)家們棘手的是，即使標(biāo)準(zhǔn)模型理論解決了除引力外的另外三種基本力的統(tǒng)一問題，但引力如何與其他三種達(dá)到大一統(tǒng)的局面，仍然缺少一些重要的中間環(huán)節(jié)。另外，如果愛因斯坦提出的能量與質(zhì)量交換方程是普適而有效的，那么，質(zhì)量是否源于能量的凝聚呢？

我們知道，原子中的電子可以有不同的軌道形狀，其自旋可有不同取向，因此原子可有許多不同能態(tài)。對這些可能的態(tài)的研究是原子光譜研究的重要內(nèi)容。我們常用原子光譜來揭示各種不同的態(tài)是由什么決定的，來設(shè)計(jì)激光器以及許多其它事情。由于原子光譜本身的重要性以及它與夸克模型有千絲萬縷的聯(lián)系，因此我們得首先花點(diǎn)時(shí)間來說說光譜。

像火焰或者恒星大氣這樣的熱氣體中就包含處于不同態(tài)的原子。即使是原子核相同、電子數(shù)相同的原子，其電子仍然可有不同軌道或不同自旋取向。這些態(tài)有不同的能量。高能態(tài)可衰變到底能態(tài)并發(fā)光。由于能量總體上是守恒的，因此發(fā)出的光子的能量可通過其顏色來獲知，這個(gè)能量反映了初態(tài)和終態(tài)之間的能量差。每一種原子發(fā)出的光都有一套特征顏色分布。氫原子發(fā)出的光是一組顏色條紋，氦原子發(fā)射的光澤是完全不同的另一組顏色條紋，等等。物理學(xué)家和化學(xué)家將這種顏色分布成為原子頻譜。原子的頻譜起著標(biāo)識(shí)該原子特征的作用，可以用來識(shí)別原子。當(dāng)你讓光線通過棱鏡從而使不同的顏色分開時(shí)，得到的譜就相當(dāng)于一套條碼。

原子光譜在構(gòu)建原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型方面曾經(jīng)給予我們很多具體的指向。以此為基礎(chǔ)，我們再回到夸克模型上來。同樣的設(shè)想經(jīng)過改造后再亞原子層面上依然有效。在原子層面上，電子兩個(gè)態(tài)之間的能量差相對較小，這個(gè)能量差從原子總質(zhì)量來看顯得微不足道?？淇四Ｐ偷暮诵乃枷胧牵淇恕霸印奔磸?qiáng)子的不同態(tài)之間的能差非常之大，它們對確定強(qiáng)子質(zhì)量起著重要作用。根據(jù)愛因斯坦能量質(zhì)量交換公式推導(dǎo)出的m=E/c2，我們可以將不同質(zhì)量的強(qiáng)子理解為不同軌道模式——即不同量子態(tài)——的夸克系統(tǒng)具有不同的能量。質(zhì)言之，原子光譜是供看的，強(qiáng)子譜澤是供稱量的。利用這一原理，蓋爾曼和茨威格證明了，人們可以將觀測到的許多不同的強(qiáng)子解釋為幾個(gè)基本夸克“夸克”的不同態(tài)。

然而，難以置信的是，盡管科學(xué)家們都非常渴望找到單一的夸克粒子，結(jié)果卻屢屢失敗。迄今為止，人們沒有觀測到任何粒子具有單一夸克的特性。如同發(fā)明永動(dòng)機(jī)的失敗一樣，尋找單個(gè)夸克的失敗已經(jīng)升格為一條原理：夸克禁閉原理。

當(dāng)物理學(xué)家試圖用夸克來充實(shí)介子和重子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，以便可以說明它們的質(zhì)量時(shí)，更大的困難出現(xiàn)了。即使是在最成功的模型里，情況似乎總是，當(dāng)夸克（或反夸克）彼此靠近時(shí)，它們幾乎從不注意到對方的存在?？淇酥g的相互作用力是如此微弱，人們很難將它與無法發(fā)現(xiàn)獨(dú)立夸克的事實(shí)調(diào)和起來。如果夸克彼此接近時(shí)不在乎對方的存在，那它們彼此遠(yuǎn)離后為什么不可以單獨(dú)存在呢？

這里可能出現(xiàn)了一種以前從未有過的隨距離增大而增大的基本力。最初的夸克模型沒有給出描述夸克之間力的精確方程。在一方面，夸克模型頗有些類似于前牛頓的太陽系模型，或者前薛定諤/前玻爾原子模型。許多物理學(xué)家，包括蓋爾曼本人，認(rèn)為夸克只是一個(gè)可以成為自然界數(shù)學(xué)描述里的有用的工具，而不是真正意義上的實(shí)在的元素。

我們知道，質(zhì)子內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)極快。在斯坦福直線加速器中心，科學(xué)家實(shí)際上是采用電子來轟擊質(zhì)子，然后觀測兩者碰撞后出射電子的行為。出射電子的能量和動(dòng)量比碰撞前要少。由于能量和動(dòng)量整體上是守恒的，因此電子失去的能量可能是被虛光子帶走，并轉(zhuǎn)交給質(zhì)子。這往往導(dǎo)致質(zhì)子經(jīng)復(fù)雜過程而被打破，由此導(dǎo)致了一種新的實(shí)驗(yàn)方法，只追蹤電子，即只關(guān)注能量和動(dòng)量流。

量子理論允許我們調(diào)和關(guān)于質(zhì)子是什么的兩個(gè)看似矛盾的概念。一方面，質(zhì)子內(nèi)部是動(dòng)態(tài)的，里面的事情在不斷變化、運(yùn)動(dòng)著。另一方面，所有質(zhì)子隨時(shí)隨地都表現(xiàn)出完全相同的行為，也就是說，每一個(gè)質(zhì)子均給出相同概率。如果質(zhì)子在不同的時(shí)間里表現(xiàn)不一，所有的質(zhì)子怎么可能表現(xiàn)完全相同的行為？一個(gè)簡單而直觀的解釋是，雖然每一個(gè)體概率在演化，但整體概率分布卻保持不變。這就像一條平緩但在流動(dòng)的大河，即使每一個(gè)滴水都在向前流淌，但整個(gè)河流看上去卻并無變化。

在微觀尺度上大量的粒子都很難被捕捉到?？茖W(xué)家們把它們叫做粒子和反粒子（或者把反粒子叫做虛粒子）。這些虛粒子出現(xiàn)和消失都很快，但也跑不了多遠(yuǎn)。科學(xué)家們只能在極短時(shí)超高分辨率的抓拍中和它們偶遇。在任何通常意義下人們都無法見到它們，除非我們能提供所需的能量和動(dòng)量來促使它們產(chǎn)生。但即便如此，我們看到的也不是原來未受干擾的虛粒子——即自發(fā)產(chǎn)生和消失的那種粒子。

現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)告訴我們，只有借助于更復(fù)雜的生物體（宿主），病毒才可以存活。虛粒子則遠(yuǎn)為脆弱，因?yàn)樗鼈冃枰獠繋椭拍艽嬖?。盡管如此，它們卻在量子力學(xué)方程里，而且根據(jù)這些方程，虛粒子會(huì)影響到我們看得見的粒子的行為。

虛粒子總是成群地處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中。物理學(xué)家將其稱之為虛空空間中的實(shí)體成為一種動(dòng)態(tài)介質(zhì)。由于虛粒子的行為，正電荷會(huì)被部分屏蔽。也就是說，正電荷周圍往往因?yàn)楫愋韵辔粚友a(bǔ)償性的負(fù)電荷。從遠(yuǎn)處看，我們感覺不到正電荷的全部靜電力，因?yàn)橛胁糠直恢車呢?fù)電荷抵消了。換句話說，你越是接近電荷有效電荷就會(huì)越多；你越是遠(yuǎn)離電荷，它就顯得越小。

在夸克模型里我們正好得出相反的行為。假定夸克模型里的夸克在相互靠近時(shí)相互作用很弱，但如果它們的有效電荷在鄰近區(qū)域達(dá)到最大值時(shí)，我們得到的只是相反的結(jié)果。這時(shí)它們彼此間的距離越小，相互作用就會(huì)越強(qiáng)烈；相距越遠(yuǎn)，其電荷被屏蔽得越明顯，因而相互作用也就越弱。

量子電動(dòng)力學(xué)起源于1927年保羅·狄拉克將量子理論應(yīng)用于電磁場量子化的研究工作。他將電荷和電磁場的相互作用處理為引起能級(jí)躍遷的微擾，能級(jí)躍遷造成了發(fā)射光子數(shù)量的變化，但總體上系統(tǒng)滿足能量和動(dòng)量守恒。狄拉克成功地從第一性原理導(dǎo)出了愛因斯坦系數(shù)的形式，并證明了光子的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)是電磁場量子化的自然結(jié)果。人們發(fā)現(xiàn)，能夠精確描述這類過程是量子電動(dòng)力學(xué)最重要的應(yīng)用之一。另一方面，狄拉克所發(fā)展的相對論量子力學(xué)是量子電動(dòng)力學(xué)的前奏，狄拉克方程作為狹義相對論框架下量子力學(xué)的基本方程，所描述的電子等費(fèi)米子的旋量場的正則量子化是由匈牙利-美國物理學(xué)家尤金·維格納和約爾當(dāng)完成的。狄拉克方程所預(yù)言的粒子的產(chǎn)生和湮滅過程能用正則量子化的語言重新加以描述。

靜態(tài)夸克模型建立之后，在重子質(zhì)量譜和重子磁矩方面取得了巨大成功。但是，某些由一種夸克組成的粒子的存在，與物理學(xué)的基本假設(shè)廣義泡利原理矛盾。為解決這個(gè)問題，物理學(xué)家引入了顏色自由度，并且顏色最少有3種。這個(gè)時(shí)候顏色還只是引入的某種量子數(shù)，并沒有被認(rèn)為是動(dòng)力學(xué)自由度。

經(jīng)歷了十年左右的各種實(shí)驗(yàn)，都沒有在靜態(tài)夸克模型中發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)電荷的自旋1/2的夸克存在，物理學(xué)家被迫接受了夸克是禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部的現(xiàn)實(shí)。然而，美國的斯坦福直線加速器中心SLAC在七十年代初進(jìn)行了一系列的輕強(qiáng)子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)函數(shù)具有比約肯無標(biāo)度性(Bjorken Scaling)。為解釋這個(gè)令人驚奇的結(jié)果，費(fèi)曼由此提出了部分子模型，假設(shè)強(qiáng)子是由一簇自由的沒有相互作用的部分子組成的，就可以自然的解釋比約肯無標(biāo)度性(Bjorken Scaling)。更細(xì)致的研究確認(rèn)了部分子的自旋為1/2，并且具有分?jǐn)?shù)電荷。

部分子模型和靜態(tài)夸克模型都取得了巨大成功，但是兩個(gè)模型對強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的描述有嚴(yán)重的沖突，具體來講就是夸克禁閉與部分子無相互作用之間的沖突。這個(gè)問題的真正解決要等到漸近自由的發(fā)現(xiàn)。格婁斯，維爾切克和休·波利策的計(jì)算表明，非阿貝爾規(guī)范場論中夸克相互作用強(qiáng)度隨能標(biāo)的增加而減弱，部分子模型的成功正預(yù)示著存在SU（N）的規(guī)范相互作用，N自然的就解釋為原先夸克模型中引入的新自由度--顏色。

色荷概念的引入和部分子的應(yīng)用實(shí)在量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的物理學(xué)的突破進(jìn)展。物理學(xué)家們將這種新的理論稱之為量子色動(dòng)力學(xué)。兩者之間雖然有諸多相似之處，但還是有如一些重要的區(qū)別：首先是膠子對色荷的響應(yīng)——由量子色動(dòng)力學(xué)耦合常數(shù)衡量——要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于光子對電荷的響應(yīng)。其次是膠子可以一種色荷變換成另一種色荷。量子電動(dòng)力學(xué)和量子色動(dòng)力學(xué)的第三個(gè)重要的區(qū)別來自于上述第二個(gè)區(qū)別的結(jié)果。由于膠子對色荷的存在和運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，而且膠子攜帶不平衡的色荷，因此膠子可以直接對另一個(gè)膠子做出響應(yīng)。這與光子的情形正好相反。

相比之下，光子是電中性的。它們相互之間完全不存在激烈的相互作用。因此這些差異使得量子色動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果要比得到量子電動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果更為困難。而且，由于存在導(dǎo)致色流動(dòng)的各種可能性以及更多種類的節(jié)點(diǎn)，在做這類計(jì)算時(shí)，科學(xué)家們又引入漸近自由概念。通過引入漸近自由，像噴注的能量和動(dòng)量的整體流動(dòng)，都可以通過計(jì)算得到確定。

關(guān)于世界是由什么構(gòu)成的哲學(xué)和科學(xué)思考一直都在變化。許多枝節(jié)性問題仍然保留在今天最好的世界模型和一些大的謎團(tuán)里。顯然要下結(jié)論還為時(shí)尚早。

就自然哲學(xué)而言，我們從量子色動(dòng)力學(xué)和漸近自由中得到的最重要的認(rèn)識(shí)是，在我們認(rèn)為是虛空空間的地方實(shí)際上充滿了活躍的媒介，其活動(dòng)鑄就了這個(gè)世界。雖然早在大約2000年前成書的大乘佛教的典籍《金剛經(jīng)》就曾指出“色即是空，空即是色”，而今現(xiàn)代物理學(xué)的其它發(fā)展強(qiáng)化并充實(shí)了這種認(rèn)識(shí)。以后，當(dāng)我們探索當(dāng)前知識(shí)的前沿時(shí)，我們將看到“虛空”空間概念是怎樣一種豐富的動(dòng)力學(xué)媒介，它推動(dòng)著我們不斷思考如何去實(shí)現(xiàn)力的統(tǒng)一。

其實(shí)，關(guān)于空間虛無性的爭論可以追溯到現(xiàn)代科學(xué)的前史，至少可以追溯到古希臘時(shí)期。亞里士多德曾經(jīng)這樣寫道：“自然界厭惡真空”，而他的對手原子論者們則認(rèn)為，用古羅馬詩人盧克萊修的話來說，就是“整個(gè)自然，作為自足的實(shí)在，都是由兩件東西組成的：物體和虛空，它們賴以建立，并在其中運(yùn)動(dòng)?！?/p>

這種思辨性爭論在現(xiàn)代科學(xué)的黎明——17世紀(jì)的科學(xué)革命——得到回響。笛卡爾提出，對自然世界進(jìn)行科學(xué)描述的基礎(chǔ)應(yīng)建立在他所謂的基本性質(zhì)之上：廣延和運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)除了這兩點(diǎn)再?zèng)]有其他屬性。他的一個(gè)重要結(jié)論是：某一物質(zhì)對另一物質(zhì)的影響唯有通過接觸才能發(fā)生。因此為了描述諸如行星的運(yùn)動(dòng)，笛卡爾不得不引入無形空間的概念——其中充滿了不可見物質(zhì)。他設(shè)想空間是一種復(fù)雜的充滿漩渦的海洋，行星就在其中沖浪。

牛頓用他精確制定的、成功的行星運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)方程，用他的萬有引力定律，揭示了所有這些潛在的復(fù)雜性。但是牛頓的萬有引力定律并不適應(yīng)于笛卡爾的框架。前者假設(shè)物體間的相互作用可以通過一定距離來進(jìn)行，不必一定要通過接觸。例如，根據(jù)牛頓定律，太陽即使不跟地球接觸，也可以對地球施加引力作用。盡管他的方程為說明行星運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)詳細(xì)解釋，但牛頓本人對這種超距作用并不滿意。牛頓在1693年2月25日寫給本特利的信中這樣說道：“一個(gè)物體可以不借助任何其他東西穿越虛空距離而作用于另一個(gè)物體，物體通過虛空進(jìn)行彼此間作用和力的傳遞，這對我來說是很荒謬的。我相信，任何有足夠哲學(xué)思維能力的人都不會(huì)沉溺于此。”

牛頓的方程發(fā)表過后大約一個(gè)半世紀(jì)的時(shí)間里，數(shù)學(xué)家們幾乎不曾對此提出過任何質(zhì)疑，但詹姆斯·克拉克·麥克斯韋卻發(fā)現(xiàn)這樣導(dǎo)出的方程不協(xié)調(diào)。1861年，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，他可以通過在方程中引入額外的項(xiàng)來消除這種不一致性，換言之，就是假定還存在著一種新的物理效應(yīng)。而邁克爾·法拉第此前早就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場隨時(shí)間變化時(shí)，它們產(chǎn)生電場。麥克斯韋為了解決方程的自洽性，不得不假設(shè)存在相反的效應(yīng)：變化的磁場產(chǎn)生電場。有了這一添加物，場的概念得到了更多的認(rèn)可和驗(yàn)證：變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，后者反過來再產(chǎn)生變化的電場，如此便形成了每一種自我更新的循環(huán)。

麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，他的新方程組，即廣為人知的麥克斯韋方程組，具有純場解決方案，即場以光速在空間運(yùn)動(dòng)。這一綜合的頂峰便是他得出的結(jié)論：這些電場和磁場里自我更新的擾動(dòng)就是光——一個(gè)有待經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)的結(jié)論。對麥克斯韋來說，這些充滿所有空間并可以自己維持生活的場正是上帝榮耀的一個(gè)明確標(biāo)志：

“廣寬的行星際和星際區(qū)域?qū)⒉辉俦灰暈橛钪嬷袩o用的場合，人們不再認(rèn)為造物主還沒在他的王國里找到合適的、具有多重象征的東西來填補(bǔ)其中。我們將發(fā)現(xiàn)，這些場所已經(jīng)充滿了這種神奇的介質(zhì)。它們是如此豐盈，人類沒有任何力量可以將其從哪怕是最小的空間上移去，或在其無窮的連續(xù)體上留下哪怕最輕微的缺損。”

愛因斯坦對以太的認(rèn)識(shí)是復(fù)雜而且多變。在1905年發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中這樣寫道：“引入‘光以太’將被證明是多余的，因?yàn)榘凑账l(fā)展的見解，即不需要引入一個(gè)具有特殊性質(zhì)的‘絕對靜止空間’，也不需要給發(fā)生電磁過程的真空中的每一點(diǎn)規(guī)定一個(gè)速度矢量?！?/p>

愛因斯坦的這一強(qiáng)有力的宣示曾經(jīng)讓很多物理學(xué)家困惑不已。在1905年時(shí)，物理學(xué)界面臨的問題不是沒有相對性理論，而是有兩個(gè)相互矛盾的相對性理論。一方面是力學(xué)的相對性理論服從牛頓方程。另一方面是電磁的相對性理論，服從麥克斯韋方程組。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，需要調(diào)整的不是新生的電磁理論，而是古老的牛頓力學(xué)理論。在狹義相對論里，麥克斯韋場方程無需修改；相反，它們提供了狹義相對論的基礎(chǔ)。事實(shí)上，狹義相對論的思想幾乎要求充滿空間的場，也正是在這個(gè)意義上解釋了它們?yōu)槭裁创嬖诘睦碛伞?/p>

早在1899年，德國人普朗克提出了第一個(gè)最終發(fā)展成為量子力學(xué)的第一個(gè)概念。普朗克提出，原子可以與電磁場交換能量，也就是說，可以發(fā)射和吸收電磁輻射，譬如光，但只能以離散的單位量的形式，或者說以量子的形式進(jìn)行。但普朗克的概念愛因斯坦不甚滿意，他假設(shè)，不僅原子發(fā)射和吸收光（和一般的電磁輻射）是以離散單位進(jìn)行的，而且光本身就是以離散的能量單位出現(xiàn)的，并且?guī)еx散單位動(dòng)量傳播。有了這些擴(kuò)張，愛因斯坦能夠解釋更多的事實(shí)，并預(yù)言了新的現(xiàn)象——其中就包括他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主要工作即有關(guān)光電效應(yīng)的預(yù)言。但愛因斯坦明白：普朗克概念與現(xiàn)行物理定律不相符，但有效。現(xiàn)行的這些物理定律一定有錯(cuò)！

如果光以能量和動(dòng)量包的形式傳播，那么，光本身以及這些包看成是電磁粒子就自然而然了。場的概念可能更方便，但愛因斯坦從來不是一個(gè)貪圖方便而將其當(dāng)成原理的物理學(xué)家。對他而言，空間充滿實(shí)體的概念，就像是以無限大的速度經(jīng)過某物卻看到它與靜止時(shí)看到的一樣。

到1920年代，愛因斯坦的廣義相對論問世后，他的態(tài)度發(fā)生了變化。事實(shí)上，廣義相對論更多的是一個(gè)基于以太的引力場論。盡管如此，愛因斯坦從未放棄對消除電磁以太的努力。愛因斯坦本人在1920年5月5日在荷蘭萊頓大學(xué)的演講中這樣說道：

“如果我們從以太假說的觀點(diǎn)來考慮引力場和電磁場，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者之間有一個(gè)明顯的不同?？梢哉f沒有一種空間，也沒有任何空間部分是沒有引力勢的；因?yàn)檫@些引力勢規(guī)定了空間的度規(guī)性質(zhì)，而沒有這些度規(guī)性質(zhì)則是根本無法想象的。引力場的存在于空間的存在是直接相關(guān)的。但另一方面，在一部分空間內(nèi)不存在電磁場則是完全可以想象的?！?/p>

歷史地看，狹義相對論肇始于電和磁的研究，導(dǎo)致了麥克斯韋的場論，但它又超越了電磁理論。它的本質(zhì)是對稱性假設(shè)：當(dāng)你在具有恒定相對速度的兩個(gè)參照系考察同一物體時(shí)，物理學(xué)定律應(yīng)具有同樣的形式。這一假設(shè)是一個(gè)普適性陳述，超越了其電磁根源：狹義相對論的坐標(biāo)變換對稱性適用于所有的物理學(xué)定律。狹義相對論的一個(gè)主要的結(jié)果是存在有限的速度：光速，即零質(zhì)量粒子在真空中的傳播速度。一個(gè)粒子對另一個(gè)粒子的影響不能傳播得比光速更快。

但是牛頓的萬有引力定律——遙遠(yuǎn)物體受到的引力與其當(dāng)前距離的平方成反比就不服從這一法則，所以它與狹義相對論不相容。事實(shí)上，“當(dāng)前”這個(gè)概念本身就是個(gè)問題。對于靜止觀察者同時(shí)發(fā)生的事件對以恒定速度移動(dòng)的觀察者來說將不會(huì)同時(shí)發(fā)生。愛因斯坦本人認(rèn)為，推翻“當(dāng)前”這個(gè)一般性概念，迄今為止仍然是達(dá)到狹義相對論認(rèn)識(shí)論的最為困難的一步。但是如果場服從簡單的方程組，那么在存在有限速度的前提下，這種從粒子描述到場的描述的轉(zhuǎn)換就會(huì)變得富有成效，這樣我們可以從場的的值計(jì)算出來它們的未來值而不必考慮其過去的值。麥克斯韋電磁理論、廣義相對論和量子色動(dòng)力學(xué)都具有這種屬性。在廣義相對論里，愛因斯坦用彎曲時(shí)空的概念來構(gòu)建他的引力理論。

我們回到標(biāo)準(zhǔn)模型：W和Z玻色子，根據(jù)定義它們的方程組，它們本應(yīng)該像光子和色膠子一樣都是無質(zhì)量的粒子。但物理學(xué)家們卻設(shè)法讓W(xué)和Z玻色子獲得質(zhì)量。而且他們也知道，在自然界里，還有原子紅奇特的物理狀態(tài)也可以使無質(zhì)量的受力粒子獲得質(zhì)量。使受力粒子變重的模型是超導(dǎo)電性。在超導(dǎo)體內(nèi)，光子變得沉重。

我們知道，光子在電場和磁場中推動(dòng)擾動(dòng)。在超導(dǎo)體內(nèi)，電子對電場和磁場反應(yīng)強(qiáng)烈。電子恢復(fù)平衡的能力非常強(qiáng)大，它們能對場的運(yùn)動(dòng)施加一種遲滯作用。因此在超導(dǎo)體內(nèi)，光子不是像通常那樣按光速運(yùn)動(dòng)，而是要緩慢得多。就好像它們獲得了某種慣性。當(dāng)你研究方程時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體內(nèi)慢下來的光子所服從的運(yùn)動(dòng)方程與非零質(zhì)量粒子的運(yùn)動(dòng)方程是一樣的。

質(zhì)量一向被認(rèn)為是物質(zhì)的一種確定的屬性，質(zhì)言之，質(zhì)量是一種使物質(zhì)可稱其為物質(zhì)的特性。愛因斯坦認(rèn)為宇宙應(yīng)有一個(gè)無論是在時(shí)間上還是在空間上都不變的密度。但是，引力是一種普遍的吸引力，物體都不愿意分開。引力總是試圖把物體合在一起。愛因斯坦提出的E=mc2可以看作是他對牛頓萬有引力定律的修正。但是，如果將這一公式轉(zhuǎn)換成m=E/c1，這一方程的內(nèi)在含義變成了質(zhì)量等于所具有的能量與常速光速的平方之比。

量子色動(dòng)力學(xué)是一種非常強(qiáng)大的理論。通過將無質(zhì)量或幾乎無質(zhì)量的對象諸如夸克、膠子的計(jì)算能夠給出它們的質(zhì)量，然而，這也當(dāng)然不是任何意義上的質(zhì)量，只是我們的質(zhì)量，即組成我們自身的質(zhì)子和中子的質(zhì)量。也就是說，量子色動(dòng)力學(xué)方程組可以從無質(zhì)量的輸入得到質(zhì)量的輸出。那，這是為什么？

首先是夸克的色荷產(chǎn)生一種網(wǎng)格擾動(dòng)——具體地說，是膠子場擾動(dòng)——這種擾動(dòng)隨距離加大而增長。就像一個(gè)奇異的風(fēng)暴云團(tuán)，它從最初的中心的一縷云煙發(fā)展成為一種不祥的雷暴云團(tuán)。擾動(dòng)場意味著將其推向高能態(tài)。如果你持續(xù)擾動(dòng)無限容量的場，所需的能量將會(huì)變成無限大。

其次是可以通過讓一個(gè)帶相反色荷的反夸克去接近夸克來迅速遏制。然后，這兩個(gè)擾動(dòng)源相互抵消并恢復(fù)平靜。如果反夸克不偏不倚地正好位于夸克的正上方，那么這種抵消是徹底的。這將會(huì)是膠子場的擾動(dòng)最小化：即“無”。但是徹底抵消還需要付出代價(jià)：它源自夸克和反夸克的量子力學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)海森伯的不確定性原理，要獲得準(zhǔn)確的粒子位置信息，就必須讓粒子具有很寬的動(dòng)量范圍，特別是要有粒子的大動(dòng)量。但大的動(dòng)量意味著大的能量。所以，更準(zhǔn)確地說，要使粒子局域化，就必須更多能量。

再次是我們應(yīng)該回到愛因斯坦的質(zhì)量與能量關(guān)系方程中來考察。由于有兩種方向相反的互相競爭的作用，要消除夸克對場的擾動(dòng)，同時(shí)盡量減少能量，并使反夸克局域化，所以就必須賦予反夸克相應(yīng)的活動(dòng)余地。這樣雙方在彼此抵消后的總質(zhì)量不能為零，即m=E/c的平方。這樣我們從無質(zhì)量的輸入得到質(zhì)量的輸出。這同時(shí)也是質(zhì)量的起源量子力學(xué)解釋。

任意兩質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力，就是組成物質(zhì)的粒子之間通過交換“引力子”實(shí)現(xiàn)的。而在廣義相對論中，物體之間的萬有引力則被認(rèn)為是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。物質(zhì)的存在使得它周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲，而物體在彎曲的時(shí)空中沿測地線運(yùn)動(dòng)，就自然地表現(xiàn)為相互吸引。

牛頓萬有引力定律指出：兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力，與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們二者之間距離的平方成反比。它實(shí)際上是廣義相對論的引力理論在靜態(tài)弱引力場中低速運(yùn)動(dòng)情況下的一種近似。

萬有引力傳播的媒介子——“引力子”

1913年，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦提出了萬有引力場論。愛因斯坦認(rèn)為任何帶有質(zhì)量的物體周圍都存在有引力場，引力場是通過引力波來傳播的，引力波像電磁波那樣通過媒介子傳播，我們都知道電磁波是通過光子來傳播能量的，因此它的媒介子是光子，引力波在傳播能量的過程中，同樣有媒介子的作用，愛因斯坦把這一媒介子稱之為引力子。引力子以光速傳播，它的質(zhì)量與光子一樣為0。

經(jīng)過這么多年的探索，人們一直沒能在宇宙中發(fā)現(xiàn)它的蹤影，我們沒有足夠的證據(jù)證明它的存在，也沒有足夠的證據(jù)否認(rèn)它的存在。因此，探索引力子是否存在成為科學(xué)界的一大難題。

雖然引力子在宇宙中無處不在，但探索之路仍然是舉步維艱。有學(xué)者認(rèn)為，引力之微弱表明，其媒介子引力子幾乎不與其它的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這是我們長期探測不到它的原由，這個(gè)理由雖然很有說服力，但也不足以證明引力子是存在的事實(shí)。

試圖找到一種更有說服力的方法，就是證明引力波的存在，從而間接的證明引力子的存在。如果可以證明宇宙中有引力波存在，那么引力波必定有與之對應(yīng)的媒介子引力子來傳遞能量。

引力波在宇宙中是普遍存在的，星體的加速旋轉(zhuǎn)，相撞，吞并等都可以使引力場發(fā)生擾動(dòng)并產(chǎn)生引力波，但由于引力波與引力子一樣很難與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以至于至今我們無法探測它的存在，只能間接地通過觀測行星發(fā)生引力輻射，而導(dǎo)致周期的變化證實(shí)它的存在。

引力輻射是引力波的另一種稱呼，它是指引力波從星體或星系中輻射出來的現(xiàn)象，如果證明了引力輻射的存在就等于證實(shí)了引力波的存在。

為什么這樣說呢？

引力輻射是一種能量的輻射。假如一個(gè)行星圍繞恒星運(yùn)動(dòng)，恒星的旋轉(zhuǎn)會(huì)伴隨有引力輻射的發(fā)生，使得行星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道發(fā)生變化，其主要變化特征表現(xiàn)在行星運(yùn)動(dòng)周期的減小，如果行星的運(yùn)動(dòng)周期減小，那么就能說明引力輻射的發(fā)生。

這一現(xiàn)象在1974年，被赫爾斯和泰勒二人所證實(shí)。他們對脈沖雙星PSR1913 16進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)它們的公轉(zhuǎn)周期變小率為（-2.40±0.09）×10-12，這個(gè)數(shù)值與廣義相對論的計(jì)算符合的很好，廣義相對論的預(yù)言值為（-2.403±0.002）×10-12，這一點(diǎn)充分證明了引力輻射的存在。

引力輻射的存在，意味著引力波在宇宙中是存在的，并且無所不在。同時(shí)也證明了引力波的媒介子引力子的存在。

通過這些論斷，可以證明引力子在宇宙中是必定存在的，只不過我們無法探測到。引力子的無法探測性，其實(shí)并不影響我們尋求量子引力理論，因?yàn)榱孔右碚摻⒌幕A(chǔ)是場，而不是粒子。

廣義相對論

牛頓的萬有引力定律很好地解釋了地面上物體所受的重力、海洋的潮汐和行星與天體的運(yùn)動(dòng)，把天上的運(yùn)動(dòng)和地上的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來，具有非常重要的意義。但讓牛頓感到遺憾的是，他一直沒能解釋清楚兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間為什么會(huì)有引力？這個(gè)問題被愛因斯坦的廣義相對論很好地解決了。

廣義相對論實(shí)際上就是關(guān)于萬有引力本質(zhì)的理論。它認(rèn)為，一個(gè)有質(zhì)量的物體，會(huì)使它周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲，在這個(gè)彎曲的時(shí)空里，一切物體都將自然地沿測地線（也叫做“短程線”）運(yùn)動(dòng)，而表現(xiàn)為向一塊靠攏。我們看不到時(shí)空的彎曲，只看到物體在互相靠攏，就認(rèn)為它們之間存在著一種“萬有引力”，實(shí)際上物體之間表現(xiàn)出來的這種萬有引力，并不是一種真正的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。

三維時(shí)空的彎曲我們不好想象，但是可以降一維（在二維平面上）做個(gè)比喻。設(shè)想有一塊布把它懸空展平，上面放一個(gè)小球，它就會(huì)把布?jí)簭?，在另一個(gè)地方再放一個(gè)小球，它也會(huì)把它周圍的布?jí)簭?。我們看到，這兩個(gè)小球就會(huì)自然地向一塊靠攏，這是它們在沿各自的測地線運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。我們看不到布的彎曲，只看到小球在向一起靠攏，就說它們之間有個(gè)引力存在，其實(shí)它只是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)而已。

這種解釋在水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、光線在引力場中的彎曲、引力紅移等問題上得到了很好的檢驗(yàn)，其后在大量更精密的實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步的檢驗(yàn)，與實(shí)驗(yàn)符合得很好。廣義相對論被認(rèn)為是一種最好的萬有引力理論。

引力傳播速度

中國科學(xué)家測得引力傳播速度。

經(jīng)過10多年的持續(xù)探索，中國科學(xué)家在世界上成功獲得“引力場以光速傳播”的第一個(gè)觀測證據(jù)。這項(xiàng)原始創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)界多年來對通過實(shí)驗(yàn)或觀測獲得引力場傳播速度的期待，對引力場的理論和實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所26日下午在北京對外宣布，由該所湯克云研究員領(lǐng)銜、中國地震局和中國科學(xué)院大學(xué)有關(guān)科研人員組成的科學(xué)團(tuán)組，經(jīng)過10多年的持續(xù)探索在實(shí)施多次日食期間的固體潮觀測后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行地球固體潮公式實(shí)際上暗含著引力場以光速傳播的假定，從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。

湯克云科學(xué)團(tuán)組先后實(shí)施1997年漠河日全食觀測、2001年贊比亞日全食觀測、2002年澳大利亞日全食觀測、2008年嘉峪關(guān)日全食觀測、2009年上海-杭州-湖州日全食觀測和2010年云南大理日環(huán)食觀測，主要是重力固體潮觀測。

中國科學(xué)家們觀測研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)今固體潮理論公式中隱含著引力場以光速傳播的假定，進(jìn)而導(dǎo)出引力傳播速度方程，并找到求解引力場速度的有效方法。湯克云科學(xué)團(tuán)組隨后選擇遠(yuǎn)離太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的西藏獅泉河站和新疆烏什站的固體潮數(shù)據(jù)作相關(guān)校正后，代入引力傳播速度方程，最終獲得全球“引力場以光速傳播”的第一個(gè)觀測證據(jù)。

專家介紹說，牛頓的萬有引力定律表明，引力傳播是一種超距作用，引力可以在瞬間傳播至任意遠(yuǎn)處，愛因斯坦則認(rèn)為牛頓的超距作用應(yīng)該放棄。一直以來，整個(gè)物理學(xué)界都在期待著通過實(shí)驗(yàn)或觀測獲得引力場傳播的速度，但此前均未找到正確的實(shí)驗(yàn)或觀測方法。