第5章 物理科学，从1946年到现在(4)
轻子与夸克之间的一个关键性差异在于，夸克受到的是强力，而轻子不是。再有，轻子具有整数电荷或者不带电荷，不能合并。夸克则具有分数电荷，显然只能以复合的方式存在。
20世纪70年代关于夸克仍然有一个大问题——如果永远不能把夸克从紧密结合的状态中分离出来，那么是什么力量把它们束缚得如此之紧呢？
所有物理学家最后都同意这样一个有力的思想，那就是：夸克的每一个不同的味来自轻子不具有的三种不同属性。这类属性盏尔曼称之为“色”，三种不同的色分别为红、蓝和绿。这些名字只不过是一些比喻；据我们所知，夸克并不真的具有颜色。
但是，当夸克三个三个分成组时，它们就结合在一起了。红、蓝和绿互相抵消，变成无色（就像色盘旋转时，上面的三原色合成为白色一样）。
当然，夸克也会结合成对形成介子，例如，红色夸克和反红色夸克结合，红色与反红色互相抵消，得到的结果是无色。
就这样，色成功地解释了夸克是怎样两两结合形成介子的，又是如何三三结合形成重子的。研究这个过程——不同颜色的夸克结合产生无色——就叫做量子色动力学（QCD）。量子色动力学证明，夸克和反夸克的不同组合可以获得色中性。
但是颜色怎样才能转移呢？是什么信使粒子像光子作用于电磁力那样传递色力呢？物理学家把这样的粒子称为胶子，它携带两种类型的颜色：颜色（红、绿或蓝）及其反颜色。当这些胶子被夸克发射或者吸收时，它们改变夸克的颜色。这些胶子不停地在夸克之间来回移动就提供了强大的力量把夸克粘在一起，当两个夸克互相移开时，这个力加大，互相靠近时，力减小（这一特性正好和电磁力相反）。你试试把手指放在橡筋圈里，张开手指，手指间的力增加。色力的线就像橡筋圈里橡皮的筋条，收拢手指，张力减小。这和胶子携带的强核力非常相似。
这幅复杂的原子模型——这两章非常简短地描述了它的许多部分以及它们怎样紧密结合——已经被物理学家广泛接受。在各个粒子——强子和轻子以及它们的下属——之外，还有四种力在原子里起作用：强力（把核绑在一起）、弱力（放射性背后的力）、电磁力（管辖电荷）以及引力（只在长距离起作用，在原子内部可以忽略不计）。
在原子内部，信使粒子起的作用是传送强力、弱力和电磁力。后来，物理学家把这些信使称为“基本玻色子”：其中有负责电磁力的光子，负责弱力的W＋，w－和Z0和负责强力的八个胶子。这些基本玻色子都是基本粒子——也就是说，它们不能衰变成更小的粒子。
现在我们有了这些夸克，那种认为质子和中子是被π介子绑在一起的旧思想看来是不完全正确的。正如我们已经看到的，质子和中子是由夸克组成的，这些夸克之间的信使叫做胶子——是一种玻色子，它的运作处于比20世纪早些时候认识到的更为基本的层次上。
整个图像——包括所有六种类型的夸克、六种类型的轻子（电子、μ子、τ子、电子中微子、μ子中微子和τ子中微子）和四个玻色子（力的载荷者）——组成了所谓的标准模型。然而，直到1995年，有一个重要的粒子还没有找到：顶夸克。在长达20年的实验中，芝加哥附近的费米实验室有500多人一直在寻找这一失踪的粒子。最后他们成功了，这一点确信无疑，因为两个实验设计成果互相补充和互相验证。
标准模型中的基本粒子夸克上粲顶胶子下奇异底光子轻子电子
中微子μ子
中微子τ子
中微子W玻色子
电子μ子τ子Z玻色子力的携带者
这一工程是今天解决大型科学问题需要庞大合作和复杂设备的一个优秀案例，相比过去，那时只看到个别科学家在单枪匹马地工作。这正是过去一百年来“从事科学工作”的巨大变化之一。个人贡献仍然非常重要，但是在某些学科中——特别是粒子物理学——团队合作起到了关键性的作用。
作为团队合作的结果，标准模型十年前就存在的一个最有威胁性的问题——失踪的顶夸克和有关中微子的问题——现在都解决了。你可能看到，标准模型仍然非常复杂——往往被看成是科学模型中的一个败笔。物理学家倾向于认为，自然界的规则是简单而不是复杂的，并且无论在何处，当他们全面探讨这一思想时，大自然都证明，它宁可选择简单性。但在万物的核心深处，为什么事情会变得如此复杂？有些物理学家认为，这正是因为我们还没有达到真正统一和更简单的宇宙观。
宏伟的统一
然而，还是有人尝试对这一世界建立更简单的看法。爱因斯坦把他的晚年花在尝试建立大统一场论（GUT），把自然界各种力联合在一起，但是他没有成功。
20世纪60年代，温伯格（Steven Weinberg，1933—）和萨拉姆（Abdus Salam，1926—1996）独立发展了电弱相互作用理论，把电磁相互作用理论与弱相互作用理论结合在一起；而格拉肖（Sheldon Glashow，1932—）在1968年对这一理论作了改进。格拉肖曾经和温伯格一起在布朗克理科中学上学。
他们的理论为这两种相互作用搭起了数学支架，人们为之欢呼，把它看成是通向爱因斯坦曾经寻找的大统一理论成功的第一步。尽管这一理论还没有完全被证明是正确的，但已经有足够的实验支持，使他们三个人获得了1979年诺贝尔物理学奖。后来在1983年，鲁比亚和范德米尔（Simon van der Meet，1925—）成功地发现了电弱理论所预言的W粒子（W＋，W－和Z0），这正是电弱理论需要的最后验证。
从那时起，针对达到所有四种力的统一理论的各种尝试加速进行，而大统一理论的探讨打开了探索宇宙起源过程的许多道路。宇宙起源过程指的是宇宙存在的最初几秒，以及随之发生的事情。最近50年来，粒子物理学的突破在物理学家和宇宙学家之间产生了极其丰富的交叉成果，我们将会在下一章看到，每一方都在对方的领域里激发出前沿理论和实验，并且对其作出了贡献。不过还是让我们先来介绍20世纪下半叶和21世纪初，天文学家和宇宙学家对宇宙及各种天体作出新发现的一些途径。
恒星、星系、宇宙及其起源
据我们所知，自从有人类存在以来，人们就热衷于注视夜空中遥远的天体——观察它们、了解它们的习性、总结出它们的规律并且对它们的排列赋予某种含义。如果你像许多先人做过的那样，在晴夜里躺在山顶牧场的草地上，你就可以看到，天空呈现出无以述说的复杂性。古代巴比伦人和埃及人只靠少量工具，就进行了许多复杂的观测，但是一旦伽利略在17世纪把望远镜用于观察恒星和行星时，有关我们之外世界的信息就开始成倍增加。伽利略发现，行星之一的木星有卫星；后来证实，另一颗行星土星有光环。当望远镜改进后，天文学家开始认出新的结构，并且发现，在我们的太阳系中有更多的行星。到了19世纪，他们的工具箱中又增加了摄影术和光谱术（用于研究辐射源发射的能量分布，把光线分成各种成分，并按波长次序排列）。
但是到了20世纪，理论和实验之间不断的交互作用以及天文学和物理学的联姻，完全改变了我们对宇宙广阔领域的理解。在20世纪上半叶，爱因斯坦相对论教导我们说，我们生活在一个时空连续统一体中，它的形状受到物体质量的影响。20世纪最初的几十年，量子理论和核物理学的一系列进展为宇宙起源及其早期历史准备了特殊的新思想。与此同时，观测天空所用仪器和方法的进展，促使以前从未梦想到的新型天体终被发现，其中包括其他恒星周围的行星、恒星“苗圃”、远距离星系等。天文学、天体物理学和宇宙学（研究宇宙的起源和结构）比以往任何时候都更受有胆有识人士的青睐。正如莎士比亚笔下的哈姆雷特告诫他的朋友时所说：“霍拉提奥，在天上和地下有比你的哲学所梦想到的更多的东西。”这句话就此成为20世纪后半叶天文学家和物理学家的座右铭。
比梦想到的更多
在20世纪50年代初，天文学家桑达奇（Allan Sandage，1926—）夜复一夜地坐着升降机登上海尔天文台圆屋顶下的一个高台，坐在被称为主焦笼的精巧机构里面，这是200英寸望远镜的观测点。海尔天文台坐落在加州帕萨迪纳附近的帕洛马山上，山顶的冷空气使他的手指和脚趾都冻僵了；但桑达奇珍视他的独处和处于时间机器的驾驶舱里的感觉。这就是他与星星为伴的夜生活，他从未错过一次机会。
桑达奇和他的同事们可以任意使用当时光学天文学里最好的设备。200英寸（五米）海尔望远镜刚刚在1948年完工，桑达奇曾经在威尔逊山附近出色的100英寸望远镜前，在修玛森（Milton Humason，1891—1972）的指导下受过训练。后来他找到了一份工作，担任星系测量大师哈勃的助手，从此开始投身于持续终生的事业中。
哈勃曾经成功地测量了邻近星系的距离，他承担了一项长期计划，目的是测量更远星系的距离，并且最后测量宇宙的大小。他的发现叫做哈勃定律，这个定律说的是，星系越远，它发出的光线向光谱的红端位移得越多，也就是说，它离开我们的速率越快。这一光线的“红移”现象实际上是一种多普勒效应，就像火车呼啸而过，或者超速行驶的汽车离去时的喇叭声——当宇宙膨胀时星系互相远离，由于星系的运动使光线产生红移。
桑达奇的任务是拍摄星系，搜寻星系里面的可变星，以便测量星系之间的距离。当哈勃在1953年去世时，桑达奇的工作才刚刚开始，但他继承了哈勃在200英寸望远镜跟前的工作时间和他的所有图表与记录，全力以赴投身于对广阔时空的测量上。正如英国光谱学家希尔（Leonard Searle）所说：“桑达奇专注得如此不可思议。他是一位非凡的科学家，他全身心投入到工作中，他看来是一个狂热的人。”
许多年后，基于对某些球形星团光谱特性的考察，他最终得出结论，这些星团和整个宇宙的年龄不超过250亿年。现在天文学家用桑达奇提出的这个尺度来测量各种星系的距离，从几百万光年到几十亿光年。
对于观测天文学家来说，这是一个激动人心的时代。新的证据不断出现，天体物理学家和其他学科的同事们经常探讨的问题——例如，中微子真的存在吗？恒星爆炸时会发生什么？恒星是如何演化的？它们的内部深处是怎样的？只有到了现在，由于科学家获得了新工具，并且找到了新方法来运用旧工具，我们才有可能开始找到某些答案。
观测的新方法
每当我们从地球向太空凝视时，即使是通过位于高山之巅的望远镜并远离城市的灯光，也总有大气层的遮挡，因而扰乱且模糊了视觉。许多天体有可能看不清楚，某些处于可见光范围之外的辐射有可能完全观测不到。但是随着太空火箭在1957年诞生，历史上第一次有可能从大气层外进行观测。
1962年6月，焦孔尼（Riceardo Giacconi，1931—）及其同事在探测火箭上搭载了一台x射线探测器，看看它有无可能找到月亮上荧光的证据。这颗从新墨西哥的怀特桑兹发射的火箭，第一次发现了宇宙X射线源天蝎座X-1（这个名字表示它是在天蝎座发现的第一颗X射线源，天蝎座是部分位于银河系的南半球星座）。寻找一个处于电磁波谱不可见波段，例如x射线的天体，很像听到有人敲门，却看不见有人在门外，等你打开门，却又不知道谁在敲门。1967年，天文学家找到与天蝎座X一1配伍的可见天体，是一颗名叫V 818 Sco的变星。第二个X射线源金牛座X-1是1963年发现的，不久就认出它是巨蟹座星云，这是中国和日本天文学家在1054年观测到的超新星所遗留下的膨胀气体和尘埃组成的湍流云团。在这些发现之后，又进行了一系列火箭探测和气球探测，到了1970年，天文学家在我们的银河系中找到了25或30个X射线源。到了1970年12月，第一支X射线人造卫星轰隆隆发射上天，它发现了大量新的X射线源，大多数后来证明是双星系统（由两个相伴的星组成）。
1983年，美国国家航空和航天局（NASA）与荷兰和英国合作进行太空计划，发射红外天文学卫星（IRAS），普查整个天空（只差2％）的电磁波谱红外波段的红外源。IRAS装有液氦冷却的光学系统，连续勘查了近11个月，直到氦用完。数据在经过分析和整理之后，得到的IRAS观测目录非常广泛，其中包括织女星周围的尘埃外层，5颗新彗星和有关发射红外辐射的各种天体的广泛信息。
钱德拉和卢梭（Henry Norris Russel，1877-1957）正在谈话。美国1981年第一次发射的航天飞机，提供了一种把复杂的天文学观测站送入轨道的途径。美国国家航天局大型观测站系列中的第一项就是哈勃空间望远镜（HST），是1990年发射的。哈勃空间望远镜设计成能够窥视太空深处，在时间上可以追溯到遥远的过去，并且能够获得清晰度空前的图像。尽管哈勃空间望远镜出发时就有着明显的先天不足，但它还是发回了惊人的可视数据与信息丰富的图像——甚至还发回了无数与类星体、脉冲星、正在爆炸的星系、恒星的诞生、宇宙的年龄和大小等（这里只是列举了少数几项）有关的新信息。并且，哈勃空间望远镜被设计成能够对140亿光年前的原始星系进行探索，那时宇宙才刚刚诞生。它还能够对宇宙的大尺度结构进行深度红移研究。哈勃空间望远镜的分辨能力十倍于最好的地基望远镜，可以分辨近星场和星际大气的细节。它沿着地球上空380英里的轨道运行，最有希望在大尺度上对有关宇宙的各种问题给予明确的答案，包括它的大小和运动。遗憾的是，在它1990年发射后，发现有一块望远镜镜片存在缺陷，使几乎20年来一直在盼望得到它数据的天文学家大失所望。虽然望远镜仍然能够收集科学上有价值的图像，但它的模糊画面远不能满足计划的要求。不过航天飞机上的人员后来很好地完成了修理任务，不仅解决了这一问题，而且还完成了各种保养、维修和更新，使得哈勃空间望远镜的性能远远超过了原定计划。由于有了新的光学仪器，哈勃空间望远镜可以拍摄100亿至110亿光年远处的星星，保养和升级使它的寿命延长到了21世纪。