粒子有一种称为自旋的性质.自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺.但这可能

　　会引起误会,因为量子力学告诉我们,粒子并没有任何很好定义的轴.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－i）.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-ii）.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－iii）：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.这

　　是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的,他并因此获得1945年的诺贝尔奖.

　　他是个模范的理论物理学家,有人这样说,他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病!

　　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”.

　　直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论,人们才对电子和其他自旋1／2的粒子有

　　了相当的理解.狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授（牛顿曾经担任这一教授位置,

　　目前我担任此一位置）.狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理

　　论.它在数学上解释了为何电子具有1／2的自旋,也即为什么将其转一整圈不能、而转

　　两整圈才能使它显得和原先一样.它并且预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电

　　子.1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论,他因此获得了1933年的诺贝尔物理奖.

　　现在我们知道,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.为何我们周围的粒

　　子比反粒子多得多?这是一个极端重要的问题,我将会在本章的后部分回到这问题上来.

　　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.

　　携带力的粒子不服从泡利不相容原理,这是它的一个重要的性质.这表明它们能被

　　交换的数目不受限制,这样就可以产生根强的力.然而,如果携带力的粒子具有很大的

　　质量,则在大距离上产生和交换它们就会很困难.这样,它们所携带的力只能是短程的.

　　另一方面,如果携带力的粒子质量为零,力就是长程的了.在物质粒子之间交换的携带

　　力的粒子称为虚粒子,因为它们不像“实”粒子那样可以用粒子探测器检测到.但我们

　　知道它们的存在,因为它们具有可测量的效应,即它们引起了物质粒子之间的力,并且

　　自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存在,这时它们可以被直接探测到.对

　　我们而言,此刻它们就呈现出为经典物理学家所说的波动形式,例如光波和引力波；当

　　物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而相互作用时,它们有时就可以被发射出来.

　　（例如,两个电子之间的电排斥力是由于交换虚光子所致,这些虚光子永远不可能被检

　　测出来；但是如果一个电子穿过另一个电子,则可以放出实光子,它以光波的形式为我

　　们所探测到.）

　　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.最近,将四种力中的

　　三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容.而关于统一余下的另

　　一种力即引力的问题将留到以后再讨论.

　　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.以量子力学的方法来研究引力场,人们把两个物质

　　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.它自身没有质量,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这两个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,以致于还从来未被观测到过.

　　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