1925年，美籍荷兰科学家古德斯密特（Samuel Abraham Goudsmit，1902-1978）（左图左）和乌伦贝克（George Eugene Uhlenbeck，1900-1988）（左图右）提出了电子“自旋”的假设，给泡利的新量子数提供了物理图象。

1927年，泡利引用有名的二分量波函数和泡利矩阵，把自旋概念纳入非相对论量子力学的表述之中。
　　

1928年，英国科学家狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，1902-1984）（右图）提出一个理论，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。

　　1940年，泡利又证明了引入自旋概念是出于量子场论的需要。自旋成了所有粒子的基本参量，不但电子存在自旋，中子、质子、光子等所有微观粒子都存在自旋，只不过取值不同。自旋和静质量、电荷等物理量一样，也是描述微观粒子固有属性的物理量。

　　自旋为0的粒子像一个圆点：从任何方向看都一样。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的。只有当它转过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，只要转过180°，看起来就一样了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后，看起来就一样。有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，必须使其转720°，这样的粒子具有1／2的自旋。

　　原子核的内部结构——发现中子

　　原子是否就由电子和质子组成呢？卢瑟福的学生莫塞莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887-1915）注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子仅由质子和电子组成，它的质量不够，因为电子的质量很小，相比起来可以忽略不计。基于此，卢瑟福在1920年时猜测，原子核中可能还有一种电中性的粒子存在。

1932年，英国科学家查德威克（James Chadwick，1891-1974）（左图）重复德国物理学家波特和法国的约里奥-居里夫妇的实验 。他精心设计，先用α粒子轰击铍，再用铍产生的穿透力极强的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核。由于γ 射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量，查德威克断定这种射线不可能是γ射线。他测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解释。

根据卢瑟福的猜想将其命名为中子。德国科学家海伯森（Werner Karl Heisenberg，1907-1976）（右图）以及前苏联科学家伊凡宁柯（Dimitri Iwanenko，1904-1994）各自独立提出，原子核是由质子和中子组成的。以前的质子-电子模型不能解释许多实验现象，而质子-中子模型可以很好说明原子量与原子序数的关系，很快被人们接受，质子与中子统称为核子 。

原子核内的相互作用——发现介子

　　核子是如何组成原子核的呢？质子带正电、而中子是电中性的，核内没有负电荷，许多正电荷为何能挤作一团而不飞散呢？到发现中子为止，人们只知道万有引力和电磁力两种相互作用，它们都是所谓的长程力。而单靠质子间的万有引力远远不足以克服它们之间的电排斥力，在接受了质子-中子模型以后，科学家们开始猜测存在着第三种相互作用力——核子之间的核相互作用。这种力是一种短程相互作用，当质子相距很近时核吸引力超过电排斥力，它们就会互相吸引；当距离增大时核力会急剧减小。

1935年，日本科学家汤川秀树（Yukawa Hideki，1907-1981）（右图）提出了“交换粒子”的概念，作为新相互作用理论的基本概念。他认为，这种交换粒子的质量介于电子和质子之间，约为电子质量的250倍左右，质子质量的1/7，他预言的这种粒子后来被称为介子。

1936年，美国科学家安德森（Carl David Anderson，1905-1991）（左图）在宇宙线中发现一种比电子约重207倍的粒子，当时误认为就是介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用是一种轻子，所以改名为μ子。

1947年，英国物理学家鲍威尔（Cecil Frank Powell，1903-1969）拍摄了大量宇宙射线在不同高度穿过乳胶的底片，并对底片中粒子留下的轨迹进行了仔细分析后发现了汤川所预言的介子（右图），被命名为π介子。

　　汤川的理论被证实以后，原子核内相互作用的理论研究开始活跃起来。人们认为有两种完全不同的核作用力，一种是强相互作用， 是以π 介子传递方式产生的相互作用（后来证明主要是自旋唯一的矢量介子传递的）具有强度极大、独立于电荷、作用距离和作用时间极短的特点。另一种是弱相互作用，这种弱核力导致了原子核的不稳定性，同时控制着原子核的衰变或放射性，被称为β 衰变。

“基本粒子”有内部结构

　　1947年前，只发现了质子、中子、电子、μ子等很少的“粒子”，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称它们为“基本粒子”（意为不可分割）。

1947年，英国科学家罗彻斯特（George Dixon Rochester，1908-2001）和巴特勒（Clifford.C.Butler，1922-1999）在宇宙线实验中发现了V粒子（即K介子）（右图），这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们具有独特的性质——它们因粒子相互碰撞而一起产生，且产生得很快，但却各自独立地衰变得很慢，因起初对此无法解释，所以称为奇异粒子。

1953年，美国科学家盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929- ）（左图）用一个新的量子数——奇异数成功地解释了这一特性（不同的粒子具有不同的奇异数，例如0，±1，±2，……，在描述强相互作用或电磁相互作用时奇异数必须守恒）。在发现的一系列奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子，有质量比质子重的各种奇异重子（也称超子）。在地球上的通常条件下它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。

　　为了克服宇宙线流太弱的限制，从20世纪50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段，如大型气泡室、火花室、多丝正比室等。科学家们在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：p±，p0，K±，K0，Λ，S，Ξ，Δ，等等约一百多种。其中少部分比较稳定寿命长，大部分不太稳定寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子 （寿命极短经强作用衰变的粒子也称共振态）（详见“关于共振态的故事”）。这一百多种被称为“基本粒子”的粒子是否都是“基本”的？对比门捷列夫周期表，一百多种化学元素（元素是具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子的总称）都是由质子、中子、电子三种更“小”的粒子组成的。人们猜测，一百多种“基本粒子”应该还有内部结构。

美国科学家霍夫思塔特（Robert Hofstadter，1915-1990）（左图）从1950年开始利用斯坦福大学直线加速器提供的高能电子轰击金、铅、铝和铍等原子核靶，电子被核子弹性散射，按电子的能量以及散射后偏离入射方向的角度进行分类计数，从而描绘出核子的电荷分布，得到原子核结构的概貌。1957年，霍夫思塔特又用能量高达10亿电子伏特的高能电子轰击质子（氢气做靶），探测末态被散射电子的分布（右图）。结果表明，质子并不是一个几何点，质子电荷分布在约10-13厘米这样一个小空间范围内。中子也有大小，中子虽然总电荷为零，但在10-13 厘米范围内各个小区电荷密度有正有负。这说明一百多种“基本”粒子不可能都是最小单元，质子、中子有内部结构，它们由更“小”的东西组成。

夸克模型

　　科学家们将已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的粒子统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。随着更多的新粒子不断被发现，各种粒子的数量不断增多，需要对它们进行更细的分类认识，分析彼此之间的关系（就象用元素周期表示对元素进行分类）。

　　1928年，狄拉克将相对论引入量子力学，他建立的狄拉克方程预言：存在与电子具有严格相同的质量，但是电荷符号相反的正电子。

　　1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子（左图），从而发现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。

　　反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在质子的反粒子、中子的反粒子。24年后的1956年，美国科学家张伯伦（Owen Chamberlain，1920-2006）（右图）等在加速器的实验中发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子，接着又发现了反中子。

　　最初，用三种夸克及其反粒子就可以解释当时已发现的强相互作用的粒子，这三种夸克是上夸克（up，u）、下夸克（down，d）和奇异夸克(strange，s)。介子（p^±，p⁰，K^±，K⁰…）由正反夸克对（q`q）构成，重子（p，n，Λ，∑…）由三个夸克（qqq）构成。这里q代表夸克，`q代表反夸克。夸克具有分数电荷，以质子电荷为单位，u，d，s 的电荷分别为2/3，-1/3，-1/3。根据夸克模型，盖尔曼预言某个未发现的粒子应电荷为-1，奇异数为-3，质量为1680兆电子伏。

　　1964年，在氢气泡室实验中果然观测到了盖尔曼预言的新粒子，称为沃米格负（Ω^-），并测得其质量为1672.45±0.29 MeV，与理论的预言完全一致。

　　虽然夸克模型取得了巨大成功，但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。

　　1977年，美国物理学家莱德曼（Leon M. Lederman，1922-）（右图）又发现了一种长寿命的新介子¡，它的质量

为9.5GeV，只能引入第五种夸克——取名为“美”（Beauty）或“底”（Bottom），用字母b代表。介子¡由底夸克和反底夸克构成 （d`d）。

　　

　　

　　

　　1994年，美国费米实验室的CDF组在质子-反质子对撞机上发现了一个最重的夸克，质量为176 GeV，取名为顶夸克（top），用字母t代表（左图为示意图）。科学家们相信这是最后一种夸克了，已经可以得出夸克的完整图像。

　　量子色动力学（QCD）理论认为，夸克都被囚禁在粒子内部，不存在单独的夸克。有人由此怀疑夸克是否真实存在。然而 这种理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，大部分人相信此理论是正确的。

　　至此，

　　1964年，美国科学家格林伯格（Oscar Wallace Greenberg）（左图 左）引入了夸克的一种自由度——“颜色”（color）的概念。这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，而是一种新引入的 量子数的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样，每味夸克就有三种颜色分别是红、绿和蓝（ 左图右）。

　　夸克的种类由原来的6种扩展到18种，再加上与它们对应的18种反夸克（右图），自然界一共有36种夸克。

　　轻子家族

　　既然参与强相互作用的强子是由夸克组成的，那么不参与强相互作用的轻子是由什么组成的呢？电子是第一个被发现的轻子（1897年），随着研究的深入，科学家们陆续发现了其它轻子。

　　1931年，泡利为了解释β衰变（原子核自发地放出β粒子（电子）使质子和中子相互转变）中的能量和动量失踪的现象，根据守恒定律预言：应该存在着一种还不知道的极其微小的中性粒子带走了β衰变中那一部分能量和动量，当时泡利将这种粒子命名为“中子”。

　　1932年真正的中子被发现后，美籍意大利科学家费米（Enrica Fermi，1901-1954）将泡利的“中子”正名为“中微子”（Neutrino）。

　　1933年，费米提出的β衰变定量理论指出：β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个 反中微子（右图）。中微子只参与弱作用，具有最强的穿透力。由于中微子与物质间的相互作用极其微弱，中微子的检测非常困难。

　　1936年，安德森在宇宙线中发现的比电子约重207倍的粒子，当时误认为是介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用是一种轻子，称为μ子。

　　1942年，中国科学家王淦昌提出了一种利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案（K俘获法）。

　　1952年，美国科学家戴维斯（Raymond Davis Jr.，1914- ）应用王淦昌提出的K俘获法，间接观测到了中微子的存在。

　　1956年，美国科学家莱因斯（Frederick Reines，1918-1998）和考恩（Clyde Lorrain Cowan，1919-1974）（左图）用核反应堆发出的反中微子与质子碰撞，第一次直接证实了中微子的存在（右图）。

　　1962年，美国科学家莱德曼、舒瓦茨（Melvin Schwartz，1932- ）（右图左）和斯坦伯格（Jack Steinberger, 1921- ）（右图右）在美国布鲁克海文国家实验室的加速器上用质子束打击铍靶的实验中发现中微子有“味道”的属性，证实与μ子相伴的μ子中微子nμ和与电子相伴的电子中微子ne是不同的中微子 （第三、四种轻子）。一年以后，布鲁克海 文的结果又在欧洲核子中心和费米实验室被更高的统计结果所证实。

　　1975年，美国科学家佩尔（Martin L.Perl,1927- )（左图）等人在美国SLAC实验室的SPEAR正负电子对撞机上发现了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类似于电子和μ子。经过反复检验，证明是在电子和μ子之外的又一种轻子 （第五种轻子），以希腊字母τ 表示（取自Triton（氚核）的第一个字母）。因为τ 轻子比第一个被发现的轻子——电子重很多，也称它为重轻子。同时有实验迹象表明，存在与重轻子τ 相伴的中微子nτ，相应地存在τ 轻子数守恒。重轻子及其相伴的中微子的发现，轻子由4种增加到6种。因为中微子是轻子的“前辈”，τ 轻子的发现理论上意味着τ中微子的存在。但由于τ 中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，一直难寻踪迹。

　　1982年，美国费米实验室科学家用实验支持了τ 子中微子存在的假设。

　　1989年，欧洲核子研究中心科学家证实τ 子中微子应是最后一类中微子，但没有找到直接的证据。

　　1994年，美国加利福尼亚大学的维多里奥·保罗内和费米实验室的拜伦·伦德博格提出了“τ 子中微子直接观测器”的构想，1996年，直接观测器在费米国家实验室建造完成。从1997年起，54位来自美国、日本、希腊和韩国的科学家在费米实验室合作探测τ 中微子。他们用粒子加速器制造一股可能含有τ 中微子的中微子束，然后让中微子束穿过“τ 中微子直接观测器”（右图）内一个约1米长的铁板靶。这一铁板靶被两层感光乳剂夹着，感光乳剂类似于胶卷，能够“记录”粒子与铁原子核的相互作用。

　　科学家们用3年时间从靶上的600多万个粒子轨迹中鉴定出了4个表征τ轻子存在和衰变的痕迹，这也是表明τ 中微子存在的关键线索。τ 轻子的痕迹被科学家拍摄下来，并在计算机中形成三维图像，其主要特征就是其轨迹里有个结，这是τ 轻子在形成后迅速衰变的表现。据估算，几十万亿个τ 中微子中只有1个与靶中的铁原子核相互作用并生成一个τ 轻子。由此，科学家第一次找到了τ 中微子（第六种轻子）存在的直接证据。2000年7月21日，费米国家实验室宣布了这一重大成果。

　　迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们认为轻子是与夸克属于同一层次的粒子。

　　弱相互作用理论—弱电统一理论

　　原子核内粒子的的弱相互作用导致了原子核的不稳定性，同时控制着原子核的衰变或放射性，被称为β衰变。1933年，费米建立的β衰变理论把粒子间的相互作用延伸到弱相互作用，从而开辟了弱相互作用的研究。当时，

　　费米的弱相互作用理论在低能情况下非常成功，但在高能状况下该理论并不完全适用。

　　1954年，华裔美国科学家杨振宁（1922- ）（右图左）和米尔斯（Robert L.Mills，1927-1999）（右图右）提出了著名的杨-米尔斯理论，将电磁场的局域规范对称推广到非阿贝尔群，但非线性的规范场当时并没有在实验中观察到。

　　1956年之前，科学家们认为物理定律应分别服从C（电荷）、P（宇称）和T（时间）的对称。C对称指对于粒子和反粒子定律相同；P对称指对于任何情景和它的镜像定律不变；T对称指对于前进或后退的时间方向定律相同。

　　1956年，华裔美国科学家李政道（1926- ）（左图）、杨振宁在分析最轻的奇异粒子衰变时遇到了难题，提出弱作用下宇称（P）可能不守恒的假说。这个假说1957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实。这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这一发现促使人们注意到弱相互作用和电磁相互作用之间有某种共同点，从而进一步考虑两者之间的统一性。不久，确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有的

　　形式，而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费米型弱相互作用理论。

　　美国科学家格拉肖（Sheldom Lee Glashow，1932-）（右图）是最早涉足弱力和电磁力统一研究领域的。弱力的强度只有电磁力的千分之一，它们是完全不同的两种自然力。

　　1961年，格拉肖提出：弱力和电磁力的虽然似乎没有相似之处，但可以从用数学方式对这两种自然力的描述中看出它们在某些方面的相似性，弱力和电磁力的统一并不是没有可能的。格拉肖巧妙地运用"规范场"的方法 （应用了杨-米尔斯理论），搭起了统一弱力和电磁力的框架。但格拉肖无法解释的是：弱力的作用非常微小，传递弱力的粒子却很重，它的质量约为质子质量的几十倍到百倍。为何"传递子"具有那么巨大的质量呢?

　　

　　美国科学家温伯格（Steven Weinberg，1933-）（左图）在研究自然力的统一问题时也遇到了同样的问题。他注意到英国物理学家赫格斯在一篇论文中的论述：利用真空的某些性质

　　可使本来没有质量的规范场获得质量。温伯格受到很大启发，运用这种思路在1967年成功地把弱力和电磁力统一起来。与此同时，巴基斯坦科学家萨拉姆（Abdus Salam，1926-1996）（右图）的研究也获得了类似的结果。他阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的，计算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。

　　温伯格和萨拉姆的理论只适用于一类基本粒子，有一定的局限性。1970年，格拉肖将这一概念作了推广，证明了

　　亚核粒子的某种数学性质（称之为粲）能够将电磁力和弱力之间的这种联系推广到所有的基本粒子。

　　弱电统一理论中预言了弱中性流的存在，即在反应过程中入射粒子和出射粒子之间没有电荷交换，但当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。1973年，美国费米实验室和欧洲核子中心在实验中相继发现了弱中性流（左图），弱电统一理论引起了重视。

　　弱电统一理论认为：弱力和电磁力实际上是同一种力——电弱力的不同表现。验证这一理论，需要在实验中寻找产生弱作用传播子W^±和Z⁰，这就要求：

对撞的粒子必须具有足够高的能量，以便有可能产生重质量粒子W^±和Z⁰；碰撞的次数必须足够多，才会有机会观测到极为罕见的特殊情况。鲁比亚（Carlo Rubbia，1934-）（右图左）和范德梅尔（Simon Van Der Meer，1925-）（右图右）分别在发现弱作用传播子W^±和Z⁰的大规模实验方案中所起了决定性的作用。

　　

　　鲁比亚建议将欧洲核子中心（CERN）最大的质子同步加速器（SPS）作为正反质子的储存环（左图）。质子束和反质子束在储存环中沿相反方向作环形运动，然后在特定位置相互碰撞。在SPS存储环的周边上安排有两个碰撞点，碰撞点周围装有巨大的探测系统，可以记录碰撞生成的粒子的信息，从而进行寻找弱作用传播子W^±和Z⁰（也称为中间玻色子）的实验。

　　范德梅尔提出了随机冷却的方法，可以使粒子束得到“冷却”提高束流密度，进而提高对撞机的亮度，使实验发现W^±和Z⁰粒子成为可能。

　　1983年1月20-21日，在欧洲核子中心的质子-反质子对撞机上工作的两个实验组分别宣布发现了特性与弱电统一理论所期待的完全相符的（W^±）。由于产生Z⁰的机会要比产生W^±的机会小10倍，在花费4个月时间后想办法将加速器束流的亮度提高了10倍。1983年5月4日，鲁比亚的实验组终于找到了Z⁰的第一个事例。W^±和Z°粒子的发现及其性质最终确定了弱电统一理论的正确性，对揭示弱作用本质有重大意义。

　　弱电统一理论使现存的四种基本相互作用实现了部分统一。尽管弱电统一理论距离爱因斯坦所设想的包括引力场在内的统一场论还很远，但终究使人类在揭示自然奥秘的征途中又前进了一大步。

　　强相互作用理论—量子色动力学

　　　　原子核内粒子的间的强作用力是原子核内起维系作用的力，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。

　　1967年初，美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器建成（右图），随着能量增大，实现了高能电子的“深度非弹性散射”，出现了新现象。由于质子的直径约为10^-13厘米，高能电子正好可探测到质子内部，因此被称为电子-质子的深度非弹性散射。实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。

这一发现令科学家们大吃一惊。

　　

　　1969年，美国科学家费曼（Richard Philips Feynman，1918-1988）（左图）提出了部分子模型（parton model），他认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。

　　部分子模型和夸克模型是从不同的角度、用不同的方法，得出了同样的结论。

　　部分子模型和夸克模型结合起来描述：强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的，并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；第二类称为海夸克，它们的数目和味

　　是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；第三类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用。

　　质子内部除了uud 三个夸克（价夸克）外，在极高能量的电子打入后又被激发出了无数的正反夸克对（q`q）（海夸克），所以才看到了无数的“自由运动”的点电荷（右图）。这样，在低能下看到的质子（由三个夸克组成）和在高能下看到的质子（内部有无数个几乎自由运动的点电荷粒子）就统一起来了。正反夸克对（q`q）的“自由运动”意味着强作用力在能量升高时“变弱”。

　　

　　

　　1973年，美国科学家格罗斯（David Jonathan Gross，1941- ）（左 图左）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）（左 图中）、威尔茨克（Frank Wilczek，1951- ）（左图右）通过一个完善的数学模型说明：夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。反之，夸克之间距离越大，强作用力就越强。“渐近自由”的发现导致了全新的理论——量子色动力学（QCD）的诞生。

　　

　　量子色动力学解释了胶子（gluon）的存在（胶子是强子中的电中性粒子，其作用是使夸克粘合而形成强子，胶子有八种态），认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起（右图）。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

　　实验中一直没有发现自由夸克和胶子的存在。因夸克和胶子都有“色”量子数，一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面，这种现象称为“色禁闭”（color confinement）。“色禁闭”的解释已有各种理论证据，但仍然属于研究的前沿问题。

　　

　　夸克和轻子有没有再深的内部结构？

　　到目前为止，实验上还没有发现任何表明电子、m子有内部结构的迹象。但是科学家们一直从实验和理论两方面对夸克和轻子的内部结构进行研究，有理由相信总有一天会有重大突破。

　　从物质微观结构研究的历史可以看出，研究质子、中子等“基本粒子”内部构造及其相互作用力的规律大约需要几百兆电子伏（MeV）到几百千兆电子伏(GeV)甚至更高的能量 ，因此研究基本粒子内部组分的性质及其相互作用规律的粒子物理学也称高能物理 学。物质微观结构的层次如下：

　　标准模型

　　1954年，杨振宁和米尔斯提出的杨-米尔斯理论（又称规范场理论）在应用于弱相互作用以及强相互作用研究时遇到了障碍：由于规范理论的规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，这与实验中的观测不相符合，不解决此问题整个研究就失去了基础。

　　格拉肖1961年提出的弱电统一模型没有解决零质量规范粒子的困难 。1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋的粒子，问题依然存在。

　　

　　1964年，英国科学家希格斯（Peter Ware Higgs，1929- ）（左图）提出了一种克服规范场粒子零静止质量困难的方法。他引入一种标量粒子（后称为希格斯粒子），通过这种粒子的真空自发破缺，可以使与被破缺的规范对称性相对应的规范场获得静止质量。

　　1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖弱电统一原始模型的基础上，借鉴希格斯的方法发展和完备了弱电统一规范理论。弱电统一理论的预言与实验符合得很好，特别是它所预言的中间玻色子W^±和Z⁰于1983年在欧洲核子中心的实验中观测到了，它们的质量与主要性质都和理论预言符合得相当好。

　　粒子物理学标准模型以夸克模型为结构载体，在弱电统一理论以及量子色动力学的基础上逐步建立和发展起来。格拉肖等人被称为标准模型的奠基人。

　　标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力三种基本力（没有描述重力）及组成所有物质的基本粒子的所有物理现象，可很好地解释和描述基本粒子的特性及相互间的作用。

　　标准模型根据自旋将粒子分成分为费米子和玻色子两大类，就好像世界上人类的性别一样重要。费米子（指组成物质的粒子，如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子），有半整数自旋（如1/2，3/2，5/2等），玻色子（指传递作用力的粒子，如传递电磁力的光子、介子、传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子）有整数自旋（如0，1，2等）。自旋的差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。费米子拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。

　　

　　费米子可以分为三个“世代”（左图）。第一代包括电子、上及下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来，且在短时间内衰变成第一代粒子。这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的分别就是它们的质量。

　　电子与电子中微子，以及在第二、三代中相对应的粒子，统称为轻子。轻子没有“色”的性质，它们的作用力（弱力、电磁力）会随距离增加变得越来越弱。相反，夸克间的强力会随距离增加而增强，夸克只会在色荷为零的组合中出现，这些不同的组合统称为“强子”。强子分为两种：由三个夸克组成的费米子，即重子（如质子及中子）；以及由夸克－反夸克对所组成的玻色子，即介子（如π介子）。

　　当美国费米实验室1995年3月2日向全世界宣布发现了“顶夸克”时，标准模型所预言的61个基本粒子中

　　的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，标准模型中最后一种未被发现的粒子就是希格斯粒子。

　　首个与标准模型不相符的实验结果在1998年出现：日本超级神冈中微子探测器发表有关中微子振荡的结果显示中微子拥有非零质量，因为零质量粒子以光速行进而不会感受到时间的推移。

　　标准模型预言的希格斯粒子是自旋为零的玻色子（Higgs boson），是整个标准模型的基石（右图），如果希格斯粒子不存在，意味着整个标准模型将失效。希格斯粒子极不稳定，如果它确实存在，它会在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变。因此，捕捉希格斯粒子极不容易，科学家们已为此做了多年的努力，下决心要找到这个神秘的粒子。

　　

　　2000年，欧洲核子中心在当时世界上最大的正负电子对撞机LEP（左图中的大圆）上用电子-正电子对撞的方法，在质量约为115GeV的地方发现有希格斯粒子的存在，但当时的统计数据不足，无法得到充分的证实。

　　2003年，科学家们试图通过美国费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹，来证实或否定欧洲核子中心先前的实验结果。但由于计划从旧实验中回收反质子的方案不可行，且运行二十年之久的正负质子对撞机也到了需要更新的阶段，需要很长的时间来修复，此项研究遇到了挫折。

　　标准模型的建立是20世纪物理学取得的最重大成就之一。迄今为止，标准模型被认为是最有效的一个唯象理论，经受了相当成功的实验检验。但标准模型仍然存在着许多基本的疑难问题有待解决，如希格斯粒子的存在和本质，粒子质量的来源，夸克和轻子更深层次的特征标度，标准模型更深层次上的基本规律等。

　　标准模型认为物质和反物质是对称的，但宇宙中的物质比起反物质多出很多。

　　标准模型对重力的忽略，未能为宇宙开始时的宇宙膨胀找出一个机制。

　　标准模型并不容纳非零质量的中微子，它假设宇宙中只有左旋中微子（即相对于运动轴，其自旋方向为逆时针）。如果中微子质量非零，它们的行进速度会小于光速。这样，理论上就可以超越一颗中微子，以致可以选择一个令这颗中微子运动方向颠倒而自旋不变的参考系，导致它变为右旋。物理学家为此修定标准模型，加入更多的自由参数以准许中微子带质量。新的模型仍叫做标准模型。超对称理论是标准模型的一个延伸，它提出传统模型中的每一种基本粒子都有一个大质量、超对称的伙伴。超对称粒子被视为对暗物质的其中一个解释。

　　2008年，欧洲核子中心的大型质子对撞机LHC将开始运行，期望它能在几年内提供一个确切的答案。国际粒子物理界正在酝酿中的未来直线对撞机是科学家们研究质量起源，探索暗物质、暗能量以及空间和时间的基本性质的工具。

　　大统一理论

　　标准模型虽取得了很大的成功，但不少科学家认为它很可能不是粒子物理学最基本的理论，多年来科学家们一直在努力建立一种超越标准模型的新理论。

　　1973年，美国科学家帕提（Jogesh Pati，1937- ）（右图）和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提-萨拉姆模型，预言了质子的衰变。

　　1974年，美国科学家乔治（Howard Georgi，1947- ）（左图）和格拉肖提出了把强、弱、电三种相互作用统一在一起的SU（5）大统一理论。该理论认为：质子是不稳定的，估算出的质子寿命约为10²⁸-2.5×10³¹年。大统一理论还作出预言：它可以自动得出电荷量子化，即所有电荷应是e/3的整数倍的结论 。大一统理论与标准模型不同，它预测质子衰变的存在。科学家们推测，一旦证实质子真的会衰变，大约10³⁵年以后，宇宙将成为稀薄的电子正电子等离子体。

　　大统一理论引起了观念上的突破。

　　1974年，美籍澳大利亚科学家奎恩（Helen Quinn，1943- ）（右图）与乔治和温伯格计算出实现强相互作用和弱电相互作用之间团聚所需的能量。从此，各种类型的大统一模型如雨后春笋涌现出来。

　　测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键。由于质子寿命很长，估计为10³¹年左右，即一年期间在10³¹个质子中才会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的干扰，整个实验要在地底深处进行。1983年前后，美国、印度、日本等国的科学家做了一些探测质子衰变的实验。

　　美国IBM公司的一个协作组在俄亥俄（Ohio）州克里弗兰市以东600多米的一个盐矿中进行实验。探测装置的中部是17×18×23立方米的纯水，矩形体的六面布置了2048只光电倍增管，每只直径为12.5厘米，想以此来探测正电子和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射。经过204天的连续观察未测到一个质子衰变事例。据此推算，质子的寿命一定大于1.7×10³²年，从而否定了SU（5）大统一理论。

　　一个由印度和日本科学家组成的实验小组，在地下3000米的柯拉金矿的废矿井中进行的实验却传出佳音。两年内共发现6个质衰变的事例，其中3个认为是比较可靠的。据此推算，质子的平均寿命约为7×10³⁰年，与大统一理论相符。但这一实验结果比较粗糙，没有得到公认。质子是否衰变尚在探索之中 。

　　1999年，日本超级神冈的实验并未能深测到质子衰变，还有一些实验也对大统一理论做出了不利的结论。这至少说明大统一理论要走相当长的路才能成为一个有效的理论。

　　为了克服大统一模型的缺点，科学家们对于是否存在着更大的对称性更加关注。1973年时有人提出来一个巧妙的数学结构，称为超对称（super-symmetry）理论（左图）。按照这一理论，费米子和玻色子都填入同一线性表示中，通过规范作用可以互相转化。为了达到这一目的，理论不得不在已知的微观粒子基础上引入大量配偶粒子。超对称理论形式十分美妙，可惜这些配偶粒子至今都没有找到。

　　为了把引力也统一进来，把引力作用也理解为一种规范作用，1976年有人提出新的对称概念，称为超引力（super-gravity）理论，它与超对称并不一样，可是有密切关系。

　　1984年又有人提出了超弦（super-string）理论（右图）。超弦理论认为微观粒子不是一个点，而是一条弦，并在弦的基础上形成一套量子化方法，但由于数学上的困难，一些基本参数暂时还算不出来。弦理论预言宇宙除了三维空间外，还存在着额外维空间。

　　20世纪90年代，有人在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜（M）理论。膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就象薄薄的一层膜。膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。

　　大统一理论还有许多问题有待于探索和研究。虽然大统一理论还未获得成功，但是寻找四种相互作用统一的研究工作不会中断，科学家们仍在努力之中。