作者：（美）弗兰克·维尔切克
出版社：湖南科学技术出版社
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第一推动丛书·物理系列：存在之轻(新版)(诺贝尔物理学奖获奖者著作，著名物理学家李政道推荐)试读：
总序
《第一推动丛书》编委会科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。
科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。
的确，科学活动，特别是自然科学活动，比起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难的进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。
正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。
科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。
正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。
近百年来，无数仁人志士意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知做了艰苦卓绝的奋斗。中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而可以说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。
正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。
然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了，但是，毋庸讳言，在一定的范围内或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的结果的接受和承认，而不是对科学的原动力——科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。
科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说，科学活动在原则上不隶属于服务于神学，不隶属于服务于儒学，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化和地域差别的，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。
湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学精神和科学思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步做一点推动。丛书定名为“第一推动”，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现自身如何成为自身的主宰。再版序一个坠落苹果的两面：极端智慧与极致想象龚曙光2017年9月8日凌晨于抱朴庐
连我们自己也很惊讶，《第一推动丛书》已经出了25年。
或许，因为全神贯注于每一本书的编辑和出版细节，反倒忽视了这套丛书的出版历程，忽视了自己头上的黑发渐染霜雪，忽视了团队编辑的老退新替，忽视好些早年的读者，已经成长为多个领域的栋梁。
对于一套丛书的出版而言，25年的确是一段不短的历程；对于科学研究的进程而言，四分之一个世纪更是一部跨越式的历史。古人“洞中方七日，世上已千秋”的时间感，用来形容人类科学探求的速律，倒也恰当和准确。回头看看我们逐年出版的这些科普著作，许多当年的假设已经被证实，也有一些结论被证伪；许多当年的理论已经被孵化，也有一些发明被淘汰……
无论这些著作阐释的学科和学说，属于以上所说的哪种状况，都本质地呈现了科学探索的旨趣与真相：科学永远是一个求真的过程，所谓的真理，都只是这一过程中的阶段性成果。论证被想象讪笑，结论被假设挑衅，人类以其最优越的物种秉赋——智慧，让锐利无比的理性之刃，和绚烂无比的想象之花相克相生，相否相成。在形形色色的生活中，似乎没有哪一个领域如同科学探索一样，既是一次次伟大的理性历险，又是一次次极致的感性审美。科学家们穷其毕生所奉献的，不仅仅是我们无法发现的科学结论，还是我们无法展开的绚丽想象。在我们难以感知的极小与极大世界中，没有他们记历这些伟大历险和极致审美的科普著作，我们不但永远无法洞悉我们赖以生存世界的各种奥秘，无法领略我们难以抵达世界的各种美丽，更无法认知人类在找到真理和遭遇美景时的心路历程。在这个意义上，科普是人类极端智慧和极致审美的结晶，是物种独有的精神文本，是人类任何其他创造——神学、哲学、文学和艺术无法替代的文明载体。
在神学家给出“我是谁”的结论后，整个人类，不仅仅是科学家，包括庸常生活中的我们，都企图突破宗教教义的铁窗，自由探求世界的本质。于是，时间、物质和本源，成为了人类共同的终极探寻之地，成为了人类突破慵懒、挣脱琐碎、拒绝因袭的历险之旅。这一旅程中，引领着我们艰难而快乐前行的，是那一代又一代最伟大的科学家。他们是极端的智者和极致的幻想家，是真理的先知和审美的天使。
我曾有幸采访《时间简史》的作者史蒂芬·霍金，他痛苦地斜躺在轮椅上，用特制的语音器和我交谈。聆听着由他按击出的极其单调的金属般的音符，我确信，那个只留下萎缩的躯干和游丝一般生命气息的智者就是先知，就是上帝遣派给人类的孤独使者。倘若不是亲眼所见，你根本无法相信，那些深奥到极致而又浅白到极致，简练到极致而又美丽到极致的天书，竟是他蜷缩在轮椅上，用唯一能够动弹的手指，一个语音一个语音按击出来的。如果不是为了引导人类，你想象不出他人生此行还能有其他的目的。
无怪《时间简史》如此畅销！自出版始，每年都在中文图书的畅销榜上。其实何止《时间简史》，霍金的其他著作，《第一推动丛书》所遴选的其他作者著作，25年来都在热销。据此我们相信，这些著作不仅属于某一代人，甚至不仅属于20世纪。只要人类仍在为时间、物质乃至本源的命题所困扰，只要人类仍在为求真与审美的本能所驱动，丛书中的著作，便是永不过时的启蒙读本，永不熄灭的引领之光。虽然著作中的某些假说会被否定，某些理论会被超越，但科学家们探求真理的精神，思考宇宙的智慧，感悟时空的审美，必将与日月同辉，成为人类进化中永不腐朽的历史界碑。
因而在25年这一时间节点上，我们合集再版这套丛书，便不只是为了纪念出版行为本身，更多的则是为了彰显这些著作的不朽，为了向新的时代和新的读者告白：21世纪不仅需要科学的功利，而且需要科学的审美。
当然，我们深知，并非所有的发现都为人类带来福祉，并非所有的创造都为世界带来安宁。在科学仍在为政治集团和经济集团所利用，甚至垄断的时代，初衷与结果悖反、无辜与有罪并存的科学公案屡见不鲜。对于科学可能带来的负能量，只能由了解科技的公民用群体的意愿抑制和抵消：选择推进人类进化的科学方向，选择造福人类生存的科学发现，是每个现代公民对自己，也是对物种应当肩负的一份责任、应该表达的一种诉求！在这一理解上，我们将科普阅读不仅视为一种个人爱好，而且视为一种公共使命！
牛顿站在苹果树下，在苹果坠落的那一刹那，他的顿悟一定不只包含了对于地心引力的推断，而且包含了对于苹果与地球、地球与行星、行星与未知宇宙奇妙关系的想象。我相信，那不仅仅是一次枯燥之极的理性推演，而且是一次瑰丽之极的感性审美……
如果说，求真与审美，是这套丛书难以评估的价值，那么，极端的智慧与极致的想象，则是这套丛书无法穷尽的魅力！纪念萨姆·特雷曼和希尼·科尔曼——科学上的导师，终生的朋友关于书名
The Unbearable Lightnessof Being[1]是我钟爱的作家米兰·昆德拉的著名小说的书名。它有多层含义，其实质是尽量从我们生活的表面上变幻莫测、奇奇怪怪有时甚至野蛮的世界中找出规律和意义来。当然，昆德拉通过故事和艺术手法对这些问题的处理与我在本书中通过科学和（浅显的）哲学来处理有很大的不同。至少在我看来，对实在（reality）日渐深刻的理解已经使存在（being）变得不仅能够承受，而且令人陶醉——应当说极富魅力。因此，我划去Unbearable而承其意，是为《存在之轻》。
这里还有个噱头。本书的主旨是要超越将天光（celestial light）和地物（earthy matter）进行对比的古老做法。在现代物理学看来，宇宙间只有一物，而且它更接近传统的光的概念而不是传统的物质概念。因此，你不妨从存在之光的角度展开想象。阅读导引
本书的章节安排再简单不过：从头到尾，逐章读去。
而且我还给出了如下一些内容：
●详细的术语解释，这样你就不必为一个不熟悉的词前后倒腾50多页来寻找它的出处。它还是一个为社交场合提供谈资的富矿，其中不乏玩笑。
●每章都有注释，用来阐明细节和某些重要的题外话，包括参考文献。
●3个附录。前两个分别在第3章和第8章有讨论，以便深入；第三个附录是对第20章里描述的重要发现所做的一个个人陈述。
●网址itsfrombits.com，由此你可以找到更多的图、链接以及与本书相关的新闻。
在文中遇到这些内容时你可以绕过去，但如果你喜欢刨根问底，你会发现这些附录很有用。我原曾想将第8章内容压缩一下，但最终还是没这么做，因此你会发现这一章有点无事瞎忙活。1 质量起源
物质不像它看上去那么简单。它最明显的特征是对运动的抵制，或称为惯性或质量——称谓不同，理解的深浅亦有差别。通常物质的质量是宇宙更基本的建筑构件——能量——的具体体现，而能量本身是无质量的。空间也不像它看上去那么简单。在我们眼里空无一物的地方不过是我们心灵复杂的自主活动的一种反映。 第1章把握“世界”
宇宙既非我们过去所认为的那样，亦非它现在所显现的这样。
这世界是怎么回事？面对周围的大千世界，历经磨难的和直面死亡的人们会被逼得问出这样的问题。答案的来源可谓多种多样：古代圣贤之书和传统，他人的爱和智慧，音乐和艺术的创造。每一种来源都说对了一部分。
然而，从逻辑上说，探索答案的第一步应当是搞清楚这里的“世界”是指什么。我们生活的这个世界本身有些重要而又惊人的事情值得说道，这就是本书的主题。我的目的是想让你加深对你我生存其中的这个世界的理解。感官与世界模型
作为开始，我们用陌生的原始材料来构建我们的世界模型：用演化“设计”的信号处理工具滤去宇宙中多余的信息，使它成为不多的几股输入数据流。
数据流？其实它们更熟悉的名称是视觉、听觉、味觉等。从现代观点看，所谓视觉不过是对穿过我们眼睛微孔的电磁辐射进行取样，而且择取的只是很宽的电磁波谱中很窄的色谱段。我们的听觉监测耳鼓附近的气压，味觉提供对空气中撞击我们鼻膜的古怪气味的化学分析。其他感觉系统则提供另外一些粗略信息，如我们身体的整体加速（运动感觉），皮肤表面的温度和压强变化（触觉），舌头对微量化学成分的简单测定（味觉），以及其他一些感觉等。
这些感觉系统使得我们的先人——我们今天依然如此——建立起一个丰裕、动态的世界模型，并使它们能够有效地应对世界的变化。这个世界模型中最重要的组成部分是那些基本稳定的对象（如人、动物、植物、岩石……太阳、星星、云朵……），其中有些对象变动不居，有些充满危险，有些可食用，有些（那种精挑细选出来令我们特别感兴趣的）则构成理想的伴侣。
那些提高我们感觉的仪器装置则揭示出一个更为丰富的世界。当安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在1670年通过第一台制作精良的显微镜窥视生物世界时，他看到了一个完全不曾预料的隐秘的生物序列。很快他就发现了细菌、精子和肌纤维的带状结构。今天我们知道，引起许多疾病（和健康）的原因在于细菌，遗传基础与微小的精子有关（当然这只是其中的一半原因），而我们的运动能力则与肌纤维的带状结构相关。同样，当伽利略在1610年首次将望远镜指向天空时，他的眼前呈现出一个丰富的世界：他发现了太阳黑子、月球上的山脉、木星的卫星和银河系里亮度不等的恒星。
但使感官能力得以增强的最终机制当属思维的大脑。大脑的思维使我们能够认识到，这个世界一定还有比我们眼睛能看到的更多的东西，而且在许多方面表现为不同的事物。这个世界的许多重要事实不会直接呈现在我们的感官之前。季节的更替，日出日落的周年锁定，夜空中的星移，更复杂但仍可预料的月球和行星的运动，以及它们与星食的联系等——这些模式不会跳入眼帘、耳朵或鼻子，但是思维的大脑却可以关注它们。在注意到这些规律性之后，思维的大脑很快发现，它们比指导日常计划和预期的掐指估算更有规律。那些隐藏在背后的更深刻的规律很适于运用计算和几何来把握：一句话，更具有数学上的精确性。
其他一些隐藏着的规律则显现于技术和艺术实践领域。弦乐器的设计发展史就是一个绝好的重要例证。大约在公元前600年，毕达哥拉斯曾观察到，当乐器的弦长比为简单整数比时，琴声最和谐。受此启发，毕达哥拉斯及其追随者直观地做出了一项著名的思维跳跃。他们预言，可能存在一种不同的世界模型，它较少地依赖于我们的感官认识，但却与自然背后隐匿着的和谐性更相符，而且也更贴近实在的本来面目。这正是毕达哥拉斯兄弟会信条“万物皆数”的意义所在。
17世纪的科学革命使古希腊先哲的这些梦想开始成为现实。这场革命导致艾萨克·牛顿提出了运动和万有引力的数学定律。牛顿定律使我们可以精确计算出行星和彗星的运动，并为描述一般意义上的物质运动提供了强大的工具。
然而，牛顿定律适用的世界模型与我们日常的直观体验有很大的不同。由于牛顿的空间是无限的和均匀的，地球及其表面不具有特殊性。方向上的“上”和“下”以及各个“侧面”本质上是相似的。静止也不具有超越均匀运动的特殊地位。所有这些概念没有一个符合日常的生活经验，它们令牛顿的同时代人，甚至牛顿本人陷入困境。（牛顿曾对运动的相对性感到不安，即使它是牛顿方程的一个合乎逻辑的结果。为了从中解脱出来，他提出了存在“绝对”空间的假设，这样，绝对的静止和运动才有了定义。）
另一个重大进展出现在19世纪，这就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的关于电和磁的方程组。新的方程组能用精确数学化的世界模型解释更广泛的现象，包括已知的和新预言的光（例如我们现在所说的紫外线辐射和射电波）。但是，我们再一次看到，认识上的重大进展需要重新调整和扩大我们对实在的看法。凡在牛顿描述的受引力作用的粒子运动的地方，麦克斯韦方程组均代之以“场”和“以太”的作用。根据麦克斯韦方程组，我们感官认为空无一物的地方实际上充满了看不见的电场和磁场，它们对我们观察到的物质施加作用力。虽然这些概念始于数学，但场的概念一旦在方程中出现就有了自己的生命。变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。因此，这些场可以来回地相互激活，并形成以光速传播的自生性扰动。自从麦克斯韦以后，我们便认识到，这些扰动正是光的本质。
牛顿、麦克斯韦以及其他许多杰出人物的这些发现大大扩展了人类的想象力。但只有在20世纪和21世纪的物理学中，毕达哥拉斯的梦想才真正得以实现。随着我们对物质相互作用基本过程的描述变得更加完整，我们将看到更多的新现象，观察的方法也大不相同。世界的深层结构完全不同于其表面结构。我们与生俱来的感官并不适于体验我们这个最完备和最精确的世界模型。因此你有必要拓宽你对实在的看法。力量、意义和方法
当我还是孩子时，我特别喜欢探讨那些与事情表面下隐藏的巨大力量和隐秘意义有关的概念。[2]我曾被带去看魔术表演，于是就想成为一个魔术师。但是我的第一个魔盒让我感到深深的失望。我懂得了，魔术的秘密并不具有真正的力量，不过是一种诡计。
后来，我迷上了宗教，具体说是伴我成长的罗马天主教信仰。由此我被告知，事物表面的背后都存在着神秘的意义，存在着由祈祷和仪式所支配的巨大力量。但当我学到更多的科学知识之后，我明显感到古代经文中给出的一些概念和解释显然是错误的，当我了解到更多的历史并掌握了更多的史学知识（历史记录）之后，这些书中的好些故事就更值得怀疑了。
但我发现，最令我失望的还不是这些神圣经书中包含的错误，而是它们经不起对比。相较于我在科学上习得的知识，它们拿不出多少真正令人惊讶的有力见解。能够反驳无限空间概念的观点在哪里？能够对抗时间无限延伸概念的观点，能够说明与太阳相当甚至比太阳更大的遥远恒星的观点又在哪里？它们能预见事物背后的力量和新的不可见的“光”吗？它们能说明人类在理解自然过程基础上学会的如何利用和控制巨大能量的事实吗？我在想，如果上帝真的存在，那么他（或她，或者他们，或它）就应当在现实世界中做出一件令人印象深刻的事情而不是在古老的经书中显示自身的存在；与医学和技术在日常生活中产生的奇迹相比，信仰和祈祷的力量是孱弱的，不可靠的。“打住吧你，”我听到传统卫道士的反对声，“对自然世界的科学研究不会揭示其意义。”
对此我的回答是：给它机会。对于世界为什么是这个样子，科学已经给出了一些非常令人震惊的事实。在你知道它是什么之前，你别指望弄懂它意味着什么。
在伽利略时代，哲学和神学（两个不可分割的领域）教授曾基于繁琐的形而上学观点大段论述过实在的性质、宇宙的结构和这个世界的运行模式。当时，伽利略测量了沿斜面滚动的球的速度会有多快。就这么一件平凡的事情，经院哲学家的论述也是大而含糊，而伽利略的研究则显得清楚准确。旧的形而上学观点从来不曾有进步，而伽利略的工作则最终结出了丰硕的成果。伽利略也关心大问题，但他认识到，要获得事实的真正答案，需要耐心和谦卑。
这个教训在当今依然有效。说明那些具有终极意义的大问题的最好方式可能还是与自然对话。我们必须先提出一些小问题，让自然有机会做出有意义的回应，这些回应很可能使我们感到惊讶。
这种处理问题的方式并不是自然产生的。生活中，我们需要利用手头掌握的信息迅速做出决定。人在猎物面前要迅速投出他的矛，否则他自己就成了猎物的牺牲品。他们没有时间停下来先研究完运动定律、矛的空气动力学并计算好运动轨迹再采取行动。想一口吃成个胖子是肯定行不通的。进化使我们变得善于学习和运用经验法则，而不是去寻找终极原因和对事物进行细微的区分。我们的优势不在于为了抓住可观察结果背后的基本规律而去进行长长的计算，这方面电脑要比我们强得多！
要想从与自然的对话中充分受益，我们必须先学会使用它的语言。那种让200000年前非洲热带草原上的人们能够生存繁衍下来的思考模式将不再有效。因此你得更新你的思维方式。质量的中心地位
在这本书里，我们将探讨一些能够想象得到的重大问题。如物理世界的终极结构问题，空间的性质，宇宙的内涵和人类的未来等问题。不过，受伽利略的启发，我将在与自然对话的过程中按照这些问题出现的具体情形来处理这些问题。
我们首先遇到的大问题是质量。为了深入理解质量概念，我们将一路领略牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦在这一问题上的观点，考察许多最新也是最奇怪的物理概念。我们会发现，对质量的理解将使我们能够处理关于统一性和引力这样的根本性问题，这些都是当前最前沿的研究。
为什么质量是如此重要？我来给你讲个故事。
很久以前，有一种叫作物质的东西，它非常结实，有重量，而且永远在那里。而另一种被称为光的东西却完全不同。人们用不同的数据流来感觉它们：用触觉来感觉物质，用视觉来感觉光。物质和光一直是——现在仍然是——对实在的其他各个方面的一种有力的隐喻：肉体的和精神的，现实的和潜在的，地上的和天上的，等等。
物质从无到有出现的一刹那，一定是个奇迹，就像耶稣用6条面包使五千众人果腹[3]。
物质的科学实质，其不可再分的核心，是质量。质量规定了物质反抗运动的能力，也就是它的惯性。质量是不变的，即具有“保守性”。它可以从一个物体转移到另一个物体，但永远不会增生或被消灭。对牛顿来说，质量定义了物质的多少。在牛顿物理学中，质量提供了力和运动以及引力源之间联系的桥梁。而在拉瓦锡看来，质量的稳定性及其精确的守恒性，则构成了化学的基础和富有成果的发现指南。如果质量看上去消失了，那就得找出新的物质形式——哇，氧气！
光没有质量。光不用推动就可以以巨大的速度从光源传递到接收器。光很容易就可以产生（发射）或湮没（被吸收）。光也不具备引力那样的拉力。你在元素周期表中找不到光的位置，这周期表里分布的可都是物质的各种构件。
在近代科学诞生前的几百年以及诞生后的两个半世纪里，实在分为物质和光似乎是不言自明的。物质有质量，光没有质量；并且质量是守恒的。如果有质量物质与无质量的光始终彼此隔绝，那么物理世界就无法实现统一的描述。
在20世纪的前半叶，相对论和（特别是）量子理论的出现摧毁了经典物理学的基础。现存的物质和光的理论几同废墟。这一创新性的破坏过程使得我们有可能在20世纪下半叶建造起一个新的更深刻的物质/光理论，它将彻底破除自古以来对两者分离的认识。新理论认为，世界是建立在充满以太的多层级空间基础上的，我称其为“网格”。新的世界模型尽管极其古怪，但却非常成功而精确。
新世界模型为我们提供了对普通物质质量起源的新认识。有多新呢？这么说吧，物质的出现与相对论、量子场论和色动力学均有关系——后者是研究支配夸克和胶子行为特有规律的学问。如果不深入运用所有这些概念，你就不可能理解质量的起源。这些概念都是20世纪才出现的，而且只有（狭义）相对论是一个真正成熟的理论。量子场论和色动力学至今仍是活跃的研究领域，还有许多问题有待解决。
这些理论的高度成功以及从中获得的许多新知，使得物理学家带着希望进一步整合的思想跨入21世纪。这些思想是：继续在实现对自然界表面上各不相同的力予以统一说明的大道上前行，力争实现对我们今天运用的各层次物质间表观上各不相同的媒介予以统一的描述并检验。对这些思想是否正确，我们已经有了一些诱人的正面迹象。随着大型加速器LHC（大型强子对撞机）开始运行，在未来几年我们就将看清楚这些概念的有效性。
听：一个良好的宇宙就在隔壁，我们走吧。
——e. e.卡明斯[4] 第2章牛顿第零定律
什么是物质？牛顿物理学对此给出了深刻的回答：物质就是有质量的东西。但我们现在已不再将质量看成是物质的根本属性，这是实在的一个重要方面，对此我们必须予以检验。
在《自然哲学的数学原理》（1686）这部使经典力学得以完善并引发18世纪启蒙运动的巨著中，艾萨克·牛顿给出了3条运动定律。今天在我们教授经典力学课程时，通常也是从某种版本的牛顿三定律开始的。但是这些定律并不完备，还有另一条原理，缺了它牛顿三定律就大大失去了其力量。在牛顿看来，这条隐藏着的原理对于物理世界是如此重要，以至于他不是将它作为一条支配物质运动的定律，而是把它当作了什么是物质的定义。
在我教授经典力学时，我总是从引入我称之为牛顿第零定律的这条隐蔽的假定开始，但我又强调它是错的！一个定义怎么会是错的？一个错误的定义怎么能够成为伟大的科学工作的基础呢？
著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔将真理区分为两种。普通的真理是这样一个陈述，其反面一定是一个伪命题。而深刻的真理则是其反面也具有深刻的真理性。
本着这种精神，我们可以说，普通的错误只是把人引入死胡同，而深刻的错误才导致知识的进一步发展。任何人都会犯普通错误，只有天才才会犯深刻的错误。
牛顿第零定律就是这样一个深刻的错误。它是支配物理学、化学和天文学长达2000多年的旧体制的核心教条。只是到了20世纪开端，普朗克、爱因斯坦和其他一些人的工作才开始对这一旧体制构成挑战。到20世纪中叶，在新的实验发现的猛烈轰炸下，这一旧体制终于土崩瓦解。
对旧体制的破坏为新的创造开辟了道路。我们的新体制为理解物质是什么提供了一个全新的框架。新体制是基于这样一些法则，它们不只是在细节上而是在本质上不同于旧的法则。探索这场基本认识上的革命及其后果，正是本书的主题。
但要评价这场革命，我们首先必须找准旧体制的缺陷。按玻尔的话说，这些错误应当是深刻的。牛顿物理学旧体制为我们制定了相对简单而实用的法则，用它来支配物理世界显得非常有效。实际上，我们现在仍然在运用这些法则来管理更为平和、好解决的现实世界。
因此，首先让我们来仔细研究一下牛顿的这条隐藏的假设——即他的第零定律——的巨大力量及其致命弱点。这条原理讲的是，质量既不创生也不会被消灭。无论发生什么事情——碰撞、爆炸、百万多年的风雨——如果你将开始时或结束时或过程中任何时刻的所有材料的总质量加起来，得到的总是同一个总和。用行话来说，这是因为质量是守恒的。按标准的称呼，这条牛顿第零定律有个尊严的名字，叫“质量守恒”。上帝与第零定律
当然，为了把第零定律变成关于物理世界的有意义的科学陈述，我们必须规定如何来测量和比较质量。这一点片刻就能做到。但首先请允许我强调为什么第零定律不只是一条科学定律，而且是理解世界的一种策略——一种长期以来看上去很好的策略。
有证据表明，牛顿自己通常用短语“物质的量”来指称我们今天所说的质量。他的这一用法意味着你不可能有没有质量的物质。质量就是对物质的最终量度。它能告诉你你拥有多少物质。没有质量，也就没有了物质。因此质量守恒表达的是——的确，它就等同于——物质的恒常性。在牛顿看来，第零定律不涉及多少实证观察或实验发现，而是一种必要的真理；它完全不适于用作定律，而是一个定义。或者更确切地说，正如我们一会儿会看到的那样，它表达了一种宗教真理——一个有关上帝创造世界的方法的事实。（为了避免误解，在此我要强调，牛顿是一个很细心的实证科学家，他仔细考虑过他的这些定义和假设的后果，他将自然描述成在当时精确可测的对象。我不是说他让他的宗教思想战胜了实在。这里的关系相当微妙：这些思想给了他实在是如何运作的直觉。促使牛顿怀疑像第零定律这样的表述的真理性的不是艰苦的实验，而是强烈的直觉，一种来自他的关于世界是如何建构的宗教意识上的直觉。牛顿从不怀疑上帝的存在，他认为他在科学上的任务就是要揭示出上帝如何支配物理世界的方法。）
在他后来发表的《光学》（1704）一书中，牛顿更具体地表达了他对物质终极性质的设想：
在我看来，事实可能是，上帝开始造物时，将物质做成了结实、沉重、坚硬、不可入但可运动的微粒，其大小、形状和其他一些属性以及空间上的比例等都恰好有助于他创造它们的目的。由于这些原始微粒是固体，所以它们比任何由它们合成的多孔的物体都要坚硬得无可比拟。它们甚至坚硬得永远不会磨损或碎裂，没有任何普通的力量能把上帝在他第一次创世时他自己造出来的那种东西分开。
在这段非凡的论述中有几点值得我们注意。第一，牛顿把有固定质量的特性作为物质终极构件的最基本属性之一。他称其为“沉重”。在牛顿看来，质量并不是那种你可以用更简单的名词来解释的概念。它是物质的终极描述的一部分，已经是最底层的概念。第二，牛顿将我们在大千世界看到的变化归结为基本构件即基本微粒的重新组合。基本构件本身既不创生也不会销毁——它们只是在运动。一旦上帝将它们创造出来，它们的性质，包括其质量，就永远不再改变。牛顿的运动第零定律，即质量守恒定律，依据的就是这两点。走向真实
现在我们必须从诸如为什么说质量守恒可能是对的或必定是正确的这样的轻率的哲学加神学的思考中解脱出来，回到如何通过测量来检验其正确性的实际问题上来。
我们怎样来测量质量呢？最熟悉的方式是使用量器。有一种量器，就是节食者在他们的浴室里常用的那种，是通过比较弹簧的压缩量来比较物体（即节食者）的体重变化。与此很相近的是渔民使用的秤，它是通过比较悬挂物体的弹簧的拉伸量多少来确定物体（即鱼）的重量。弹簧的拉伸或压缩长度正比于待称量物体向下的重力，即我们通常所说的体重，它正比于身体质量。
在这个非常具体并切实可行的方法里，质量守恒相当于是说，在封闭系统内，等量物质将使弹簧拉伸等量的长度，无论其中是什么物质形式。这正是安东尼·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743—1784）在许多艰苦的实验中反复验证，并使他赢得了“近代化学之父”美名所依据的原理。当然他使用的量器肯定要比你在浴室里使用的更先进、更准确。拉瓦锡在他能够做到的精度范围内（通常是在千分之一左右）检查了各种各样化学反应前后的物质重量的变化。通过对反应过程中所有物质的严格控制——捕获可能泄漏的气体，收集爆炸后剩余的灰烬，等等——他终于发现了新的化合物和元素。拉瓦锡在法国大革命期间被送上了断头台。对此数学家约瑟夫·拉格朗日曾说：“他们只用了一会儿便切断了他的头，但法国可能不会在一个世纪里产生另一个像他这样的人物了。”
用秤来比较质量很实用也很有效，但却不能用作一般的原理性的质量定义。例如，如果你将身体吊在半空中，这样体重称起来就会变小，但身体质量将保持不变。（磅秤会说谎，但腰围不会减少。）如果质量守恒定律真的是对的，那么质量就会保持不变！这不是在说车轱辘话，是有实际意义的，因为你可以用其他方式来比较质量。例如，你可以用同一门炮发射两颗炮弹，然后比较它们出膛时速度的快慢。根据牛顿的另一条运动定律，对于给定的冲量，物体的速度与其质量成反比。因此，如果一颗炮弹的出射速度比另一颗快一倍，那么它的质量一定只有另一颗的一半——不管你是在地面还是在太空做这个实验。
我不打算进一步讨论测量质量的技术细节了，只是想指出一点，除了用秤和发射炮弹的方法外，我们还有很多办法来度量质量的大小，并检验它们的相互一致性。衰落
牛顿第零定律被科学界采纳了两个多世纪，这不是因为它符合某些哲学或神学的直觉，而是因为它有效。这一定律与其他几条牛顿运动定律以及万有引力定律一起，构成了一座数学大厦——经典力学——它可以以相当精确的计算来解释行星及其卫星的运动，解释陀螺仪那种令人困惑的行为以及其他许多现象。它在化学上也显得卓有成效。
但它并不总是有效的。事实上，质量守恒会失效得相当彻底。位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心实验室的大型电子对撞机（LEP）是20世纪90年代开始运行的。在这台装置上，电子和正电子（反电子）沿相反方向被加速到光速的10-11倍，然后互相碰撞以产生大量的碎片。典型的碰撞将会产生10个π介子，1个质子和1个反质子。现在我们来比较一下碰撞前后的总质量：
产生出来的质量约为输入质量的3万倍，真是糟糕。
很少有比质量守恒定律更基本、更成功、经过更仔细核实的定律了。但这一定律在此却遭到完全失败。这就好比魔术师放了2粒豌豆在她的帽子里，然后却抓出了几只小白兔。但是自然界母亲是不会骗人的，她的“魔术”是基于深刻的真理。我们要做的就是给予一定的解释。质量有起源吗？
只要质量被认为是守恒的，那么问其来源是什么就没有任何意义。因为它总是相同的。你不妨问问自己42的起源是什么。（其实，如果质量是守恒的，那么答案可以有各种各样，除非是上帝创造了基本粒子，那么上帝就是质量的起源。这是牛顿的答案，但不是我们在本书中所寻求的解释。）
在经典力学框架内，像“什么是质量的起源”这样的问题不会有答案，这可能是有道理的。因为用无质量的物体来构建有质量的物体必然导致矛盾，我们可以有很多方式来说明这一点。例如：
●经典力学的核心是方程F=ma。这个方程将动力学概念的力（F）与运动学概念的加速度（a）联系起来。前者归结为物体受到的拉力和牵引力，后者概述物体会有怎样的反应。质量（m）在这两个概念之间起调节作用。对于给定的力，物体的反应是小质量的物体获得的速度要快于大质量物体的速度。如果物体质量为零，那它还不跑疯了！要看清它到底跑得有多快，它的加速度只能是力除以零，这没有意义。因此，物体开始时总得有一定的质量。
●根据牛顿的万有引力定律，每个物体施加的引力作用都正比于其质量。试想一下，一个非零质量的物体可以由无质量的组件搭建起来吗？你立即遇到矛盾。如果每个组件的引力作用都是零，那么无论你在零作用上叠加多少个零作用，最后得到的仍是零作用。
但如果质量不是守恒的——实际上它的确不是——我们就得寻求其来源。这不是基石，我们还得往深处挖掘。 第3章爱因斯坦第二定律
爱因斯坦第二定律m=E/c2提出了是否可以更深入地将质量理解为能量的问题。但就像惠勒说的，这样我们是不是就能够构造出“没有质量的质量”？
当我开始在普林斯顿教书的时候，我的朋友兼导师萨姆·特雷曼把我叫进了他的办公室。他有些想法希望得到我的支持。萨姆从桌上拿起一份磨损了的平装本手册并告诉我：“二战[5]期间，海军曾应急训练一批新兵来建立并运行无线电通讯。其中许多人是刚离开农场的新兵，因此要将这批人很快带上路是一个巨大的挑战。但在这本大作的帮助下，海军成功了。它不愧是一个教育学杰作，特别是第1章，你不妨看看。”
他翻到第1章，把书递给了我。这一章的标题是“欧姆三定律”。我很熟悉欧姆定律，即著名的V=IR关系，它将电路的电压（V）、电流（I）和电阻（R）联系起来，构成欧姆第一定律。
我很好奇地查找着欧姆的其他两条定律。翻着脆弱泛黄的书页，我很快发现，所谓欧姆第二定律就是I=V/R。于是我猜想欧姆第三定律想必就是R=I/V了，结果证明我是正确的。寻找新定律，变简单
对于任何有初等代数经验的人来说，事情很明显，这三个定律彼此都是等同的，这个故事成为一个笑话。但它大有深意。（还有一个浅显的我认为正是萨姆希望我采纳的一点是，在给初学者授课时，你应该试着把同样的内容用几种稍许不同的方式说上几遍。在行家看来显而易见的联系对初学者来说未必一眼就能看穿。学生不会介意你对显然的内容反复唠叨。没人会反感你让他感到聪明。）
而要领会其深意则需联系到伟大的理论物理学家保罗·狄拉克所作的一段陈述。当有人问他该怎么去发现新的自然规律时，狄拉克回答道：“我玩方程。”这句话的深刻性就在于，用不同的方法写出同一个方程可以暗示非常不同的事情，即便它们在逻辑上是等同的。爱因斯坦第二定律
爱因斯坦的第二定律是
爱因斯坦的第一定律当然是E=mc2。它很著名，因为它表明有可能从少量物质质量中获得大量的能量。这不禁让人想起核反应堆和核弹。
爱因斯坦的第二定律则暗示了完全不同的事情。它意味着有可能从能量出发来解释质量的起源。“第二定律”的叫法其实并不妥当。在爱因斯坦1905年的原始文献中，你找不到方程E=mc2，找到的只有m=E/c2。（因此，也许我们应该称之为爱因斯坦第零定律。）事实上，那篇文献的标题是一个问句：“物体的惯性取决于它的能量？”换句话说：物体的某些质量是否由其能量转化而来？也就是说，爱因斯坦最初考虑的是物理学的概念基础，而不是制造核弹或反应堆的可能性。
在现代物理学中，能量概念比质量概念更具核心地位。这表现在许多方面。真正守恒的是能量而不是质量。出现在各类基本方程，如统计力学的玻尔兹曼方程，量子力学的薛定谔方程和关于引力的爱因斯坦方程等方程中的也是能量。而质量似乎更多地与技术途径相联系，例如作为庞加莱群不可约表示的标号。（我甚至不打算对此多做解释——幸运的是，刚才的说明已经表达了这一点。）
因此，爱因斯坦方程提出了一项挑战。如果我们能用能量来解释质量，这将有助于改进我们对世界的描述，这样，构建世界所需的构件可能更少。
借助于爱因斯坦第二定律，我们可以有更好的答案来回答前面提出的问题。什么是质量的起源？可能就是能量。事实上，正如我们将看到的，这种可能性很大。FAQ
在我做关于质量起源的讲座时，人们常问的问题有两个，都是关于如何用能量来解释质量这样的基本问题。
问题1：如果E=mc2，那么质量将正比于能量。因此如果能量守恒，是不是意味着质量也是守恒的？
答案1：简短的回答是E=mc2实际上只能运用到静止的孤立物体上。可惜的是这个一般公众最熟知的物理学方程已经被搞得有点俗气。一般来说，当你移动物体或让两个物体相互作用时，能量和质量是不成正比的。E=mc2根本不适用。
更详细的答案参见附录A：粒子有质量，世界有能量。
问题2：用无质量构件搭建起来的物体如何感知引力？牛顿不是告诉我们说物体受到的引力正比于其质量吗？
答案2：在他的万有引力定律里，牛顿确实告诉我们，物体受到的引力正比于其质量。但在更精确的爱因斯坦的引力理论即广义相对论里，事情并非如此。完整的叙述相当复杂，在这里我不想多做解释。粗略而言，在牛顿认为力正比于m的地方，更精确的爱因斯坦理论均代之以E/c2。正如我们在前面的问题和答案里说的，两者不是一回事。只是对于孤立、缓慢运动的物体，它们才几近相同，但对于有相互作用的多体系统或以接近光速运动的物体而言，两者区别极大。
事实上，光本身就是最引人注目的例子。光粒子即光子就是零质量。但光线会受到引力作用而弯折，因为光子有非零能量，引力会拉动能量。其实，验证广义相对论的最著名的方式之一就是检验经过太阳附近的光线的弯曲。在此情形下，太阳的引力造成无质量光子的偏转。
按这一思路继续走下去，你可以想象得到，广义相对论的一个重大结论是，一个物体的引力有可能是如此强大，以至于它能使光子偏转到完全被拉回，即使开始时光子走的是直线。这个物体会俘获光子，没有光可以摆脱它。这就是黑洞。 第4章物质的构成
世界是由什么组成的？我们将从纯能量出发解释物质质量的起源。为了加强解释的准确性，我们必须非常清楚所谈论的内容。在此我们要区分哪些是普通物质，哪些不是。“普通”物质是指我们在化学、生物学和地质学中研究的物质。我们平时用的建筑材料，包括我们身体本身，都由它组成。天文学家从望远镜里观察到的行星、恒星和星云也是普通物质，它们的构造材料与地球的构造材料并无二致。这是天文学最伟大的发现。
但最近，天文学家有了另一项伟大发现。具有讽刺意味的是，新发现表明，普通物质远不是宇宙的全部。不用扯远，事实上从整体上说，宇宙的大部分质量至少还有两种其他形态，即所谓暗物质和暗能量。这两种“暗”东西实际上是完全透明的，这也就是为什么它们能逃脱我们的注意达几百年。至今我们也只是通过它们对普通物质（如恒星和星系）的引力作用而间接探测到其存在。在以后几章里我们会更多地讨论这些暗的对象。
如果考虑各种质量形式所占的比例，那么普通物质只能算是一小撮，只占全部质量的4%～5%。但它们却构成了我们这个世界的大部分结构、信息和爱。因此我想你会同意这是特别有趣的部分。也是我们迄今了解得最深入的部分。
在以后几章里，我们将从无质量构件出发来讨论95%的普通物质的来源。这里先给个结论，以后我们再具体解释为什么这么说（毕竟，我们引用了数字）。构件
认为物质[6]可以分解为少数几种原初构件的猜想至少可以追溯到古希腊人，但坚实的科学理解只是到了20世纪才成为可能。人们通常说，物质是由原子构成的。伟大的物理学家理查德·费恩曼在他著名的《物理学讲义》第一册的引言中曾这样阐明了这一点：
如果由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子假设（或者说是原子事实，无论你怎么称呼都行）：所有的物体都是由原子构成的……
但是，所有东西都是由原子组成的这个伟大而最有用的“事实”在三个重要方面却不完整。（就像牛顿第零定律或天文学上最伟大的发现，都只是玻尔意义上的深刻真理——即深刻的谬误一样。）
这其一便是我们前面已经提到的存在暗物质和暗能量。在1963年费恩曼出版他的《物理学讲义》的当时，人们几乎不认为它们存在。但其实早在1933年，以弗里茨·兹维基为首的一些天文学家便展开了对他们所谓质量失踪问题的研究。由于他们所关注的反常现象在观测宇宙学的萌芽时期只是个例，因此很少有人认真对待，直到多年之后这种状况才有所改变。但不管怎么说，暗物质和暗能量的存在并不真正影响到费恩曼的观点。在灾后重建科学的最初阶段，关注暗物质和暗能量怎么说都像是负担沉重的奢侈品。
另外两个方面更切入核心。它们真该包含在我们要传给下一代的一个句子中，即使这么做可能会使句子变得冗长。长句子可是我的老师教导我要尽力避免的，他说这会让你付出高考作文得低分的代价。虽然亨利·詹姆斯和马塞尔·普鲁斯特[7]以长句而闻名，但那是文学，所以没问题；而你是要传递信息，这么做就不妥了。
首先是光的问题。光是“所有事物”中最重要的元素，当然它截然不同于原子。人们本能地认为光是与物质完全不同的另一种东西，是非物质的甚至是精神层面的，这很自然。光也确实表现出完全不同可触摸物质的特性——后者是那种你踢一下就会伤着脚趾，或是流过吹过你身边的东西。这么说或许较为恰当：你跟费恩曼例子里的灾后遗民讲光是物质的另一种形式，他们会理解。你甚至可以告诉他们，光也是由粒子——光子——组成的。
其次，原子不是故事的结束，它们是由更基本的构件组成的。沿此思路走下去我们就能够很快将灾后遗民带上正确理解科学的化学和电子学的道路。
有关的事实可以归纳为几个简单的陈述句。（但我不想尝试这样做。）所有东西都是由原子和光子构成的。原子又是由电子和原子核构成的。原子核整体上说要比原子小得多（其大小只有后者的约十万分之一，或10-5），但它们却包含了全部正电荷和几乎所有的原子质量——99.9%以上。原子因电子和原子核之间的电性吸引而保持稳定。最后，原子核又是由质子和中子组成的。原子核是由另一种力来维持稳定的，这种力要比电性力强大得多，但作用距离却很短。
关于物质组成的这种解释反映了1935年左右的知识状态。你在现行的大多数物理入门课本里仍能找到这些知识。为了正确把握我们现在对物理的理解，我们需要修饰、修改并完善这些关于物质组成描述中的几乎每一个词。例如，我们已经知道，质子和中子本身就是复杂的对象，它们是由更基本的夸克和胶子组成的。我们在以后的章节里会不断完善这些术语的内涵。但1935年之前建立起来的图像作为方便的概貌还是有用的，那是一个足够好的粗略轮廓，让我们清楚地看到什么是我们需要做的，如果我们要准确理解质量起源的话。
绝大部分质量在原子核内，原子核是由质子和中子组成的，电子的贡献远小于1%，光子贡献就更少了。所以质量起源问题，对普通物质来说，有非常明确的答案。要搞清楚物质绝大多数——99%以上——质量的起源，我们就必须找出质子和中子质量的来源，搞清楚这些粒子是如何不多不少刚好结合在一块儿形成原子核的。 第5章内在的九头蛇
将原子核理解成质子和中子粘在一起或互相绕着转动的系统是一种“过时的”认识，这种思路已经走进死胡同。如今物理学家们探寻的是坚硬粒子之间的力，而不是去发现令一个人困惑的变动而不稳定的新世界。
1930年，通向完整物质理论的道路下一步该迈向何方是清楚的。分析性的向内旅程已经到达了原子的核心——原子核。
那时人们已经知道，物质的大部分质量被禁锢于原子核内。集中于原子核内的电荷建立起电场，这个电场控制着周围电子的运动。原子核非常重，因此通常移动起来要比电子缓慢得多。电子在化学过程和生物学过程中扮演着重要角色（电子学就更不用说了），而原子核则躲在幕后写剧本。
别看在生物、化学和电子学中原子核大多待在后台，它们可是明星中的明星。正是原子核提供了恒星（当然也包括太阳）在星序位置上不断变更所需的能源。因此，搞清楚原子核的重要性是显而易见的。费米龙
但在1930年，这种理解还是很初步的，增进对原子核的理解在当时被提升到物理学研究的最前沿。恩里科·费米在他的讲座中画过这么一幅画：原子图像的中心云雾缭绕，贴着标签“这是龙”。整个图就像一幅古代地图，而龙所在的位置则是尚未开垦的前沿，正有待开发。
显然，从一开始基本上就是新的力在统治核世界。在前核物理学时代，人们知道的经典的力只有引力和电磁力。但在原子核内，电性力表现为斥力，因为核拥有的都是正电荷，而同性电荷相斥。引力又因为核的质量太小而显得过于微弱，难以对抗静电斥力。（在本书的第二部分里我们再对引力的微弱详加论述。）因此提出新的力是必要的，而且这种新的力被冠以强作用力。为了保持核能够如此紧密联结在一起，这种强力必须比任何已知的力更强大。
经过几十年的实验和理论上的艰苦努力，人们已经发现了支配原子核运动的基本方程。令人惊讶的是，人们居然能够完全发现它们。
困难是显而易见的。首先观察这些方程是如何起作用的就非常困难，因为原子核非常小。它们大约要比原子小上10万倍甚至更多，比纳米尺度更是小上百万倍。原子核尺度现在正是微纳米技术需要攻克的主要目标。试图用宏观工具——譬如说用秤或普通的镊子——来操控原子核，就好比用两个埃菲尔铁塔当筷子来夹起沙粒，根本行不通。这是一项艰难的工作。为了探索核尺度领域，我们必须发明全新的实验技术，研制出全新的试验设备。为此我们将走访超级闪光纳米显微镜（ultrastroboscopic nanomicroscope，即著名的斯坦福两英里直线加速器，SLAC）和具有创造性破坏力的装置（即大型电子对撞机，LEP），后面几章要说的故事就是围绕那里的发现展开的。
还有一个困难是，微纳米世界所遵循的规律与此前任何已知的规律完全不同。在物理学家能够真正掌握强相互作用之前，他们不得不舍弃自然赋予人类的传统思维方式，代之以奇怪的新思路。在随后几章我们将深入探讨这些新概念。它们是如此新奇，以至于如果我只是将它们作为事实来介绍，你可能不会——也应该不会——相信。[8]有些新概念完全不同于我们以前接触过的任何概念。它们可能与你在学校学到的概念看似矛盾——也可能实际上就是相互冲突的。（当然这还要取决于你去的是什么学校，何时去的。）本章只是要简短说明为什么我们必须对传统物理学进行革命，它的作用是要在核物理学的传统解释（你在大多数高中和大学物理入门课本中仍能够看到这类解释）与新的理解之间架起一座桥梁。与费米龙搏战
1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这是一个里程碑。在查德威克的发现之后，理解原子核的道路似乎变得简单了。人们认为原子核的构件已经被发现，它们就是质子和中子。这是两种重量差不多的粒子（中子约重0.2%），而且有着类似的强相互作用。质子和中子之间最明显的差别是质子具有正电荷，而中子呈电中性；此外，孤立的中子是不稳定的，会在大约15分钟的寿命期内衰变成一个质子（加一个正电子和一个中微子）。将质子和中子简单相加，你就可以得到不同电荷数和质量的模型原子核，它与已知原子核基本相符。
要了解和精确化这个模型，方法似乎只能是测量作用在质子和中子的力。正是这些力将核拉拢在一块。描述这些力的方程即构成强相互作用理论。通过求解这一理论的方程，我们不仅可以检验理论还能够进行预言。由此我们将写就一个简洁的物理学新篇章，即所谓“核物理学”，其核心就是由简单优美的方程描述的“核力”。
在这一计划的激励下，实验物理学家研究了质子与其他质子（或中子，或其他核）的近距离碰撞。我们将这种实验称为散射实验，就是你向靶粒子射入一个粒子，然后看看会出现什么结果。其思想就是通过研究质子和中子的偏转或散射来重构核力。
遗憾的是这种简单策略失败了。首先，人们发现核力非常复杂，它不仅依赖于粒子之间的距离，而且与其速度和自旋方向[9]有着复杂的联系。事情很快就变得明了，这种力不存在简单而优美的定律，描述这种力的方程可能完全不同于牛顿的万有引力定律或静电库仑定律。
其次，也是更糟糕的是，这里的“力”不是传统意义上的力。当你将两个高能质子进行对撞时，你会发现它们不是简单地相互朝相反方向偏转，而往往是产生出两个以上的粒子，而且这种情形并不限于质子。事实上，许多新粒子就是这么在实验物理学家进行的高能散射实验中被发现的。新粒子——最终发现的有不止一打——是不稳定的，因此我们通常在自然界很难遇到它们。但是当人们详细研究了它们的其他性质——特别是其强相互作用性质以及大小——后，发现它们都类似于质子和中子。
有了这些发现后，仅仅考虑质子和中子本身或认为根本问题是要确定它们之间的力就显得不合适了。于是传统意义上的“核物理学”变为一个更大课题的一部分，这个更大的课题将所有新粒子及其产生和衰变的表观复杂过程全都包容进来。为了描述这些新的基本粒子，这个新种属的龙，我们需要用新的名字为其命名，它们叫强子。九头蛇
我们在化学中的经验表明，对所有这些复杂性给予解释是可能的。也许质子、中子和其他强子不是基本粒子。它们也许是由性质更简单的更为基本的对象构成的。
事实上，如果你将针对质子和中子做的散射实验换在原子和分子水平上做，研究原子和分子在近距离碰撞下会出现什么结果，你同样会得到复杂的结果。你会得到重新分布的分子和碎裂而成的新类型分子（或处于激发态的原子、离子或自由基）——换句话说，得到的是各种化学反应。服从简单的力定律的只是基本的电子与原子核，而由多个电子和原子核组成的原子和分子则不。那么对于质子和中子以及它们新近被发现的近亲是不是也可以有类似的说法呢？其表观的复杂性是否有可能取决于服从更简单法则的更基本构件的内在性质呢？
砸破东西可能显得粗鲁，但你也许同意这是找出这件东西是由什么制成的一个简单方法。如果你将原子轰击得足够致密，它们将分裂为其组成的电子与原子核。这样它们的基本构件就会得以暴露。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]