开始时是个数学练习，结果却是宇宙的基本构成单元的关键性发现，即一种小到没有大小的粒子。
核物理学家们经常在简陋的实验室里做一些简单的实验。然而在1932年，情况开始变化了。ErnestO. Lawrence和他的在加州伯克利大学的同事们建造了第一台小型回旋加速器，这种电磁“抛石机”有打字机那么大小，能把带电粒子加速到前所未有的速度，并使其打在靶上，把原子打碎；使科学家们能一瞥物质的本原。灵敏的仪器测量到了被打碎的原子碎片，即更多的不可分的粒子。这些现象给人们的思想带来了持续30年之久的大裩乱。大自然严格地保守着它本身的内在秘密，只是不久以前我们才开始瞥见宇宙的一个层次，这个层次是多么的深奥，它的对称性又是多么的完美，它远远超过了几年前我们所敢于想象的。
科学家们喜欢把宇宙想象为井然有序的。这是科学的一个基本信念：对自然现象的最简单的解释，也就是最好的解释。对称性和简单性对于科学家来说，就如同美对于艺术家一样。组成物质的基本粒子种类要越少越好，所以你能够想象五十年代和六十年代核物理学家们的苦恼，他们相信物质最终必定是由少数几个实物粒子组成的。起先，电子、质子和中子似乎是可以满足这一点的。但是到了1963年，自Lawrence的回旋加速器以后建造的一系列巨大的回旋加速器能把带电粒子加速到接近光速，用这些加速器，在实验中发现了二百多种不同的“基本的”亚原子粒子。这样，粒子物理变成了一个动物园，住满了怪兽，但没有人能理出头绪。
那时，一个才华卓越的年轻科学家仔细记下了所有的粒子，他按粒子的物理性质绘制了一张图，而立即从图上看出了图案与关联——对称性。这位年轻的科学家的名字叫盖尔曼（Murray GellMann）。这位年轻的天才立即就成为破译粒子的密码的人，而发现了处于物质的核心的事物。由于这项工作，他获得了1969年的诺贝尔奖金。
笼罩着粒子神秘性的帷幕开始揭开了。盖尔曼和他的同事们仔细思考了基本粒子图，粒子似乎可以明确地分成两类，它们是轻子和强子。
轻子是真正的基本粒子。无论怎样对它进行碰撞，无论怎样用最高能量的加速器对它进行探测，无论怎样试图打碎它，轻子的行为始终好像它的物质和能量都集中在一个很小的点上。它们是没有大小的，没有内部结构的，不能分成部分。
最熟悉的轻子是电子，它带有负电，能量集中在很小的点上，并绕着原子中的原子核作轨道运行。μ子是另外一种轻子、它和电子的区别是：μ子是不稳定的，它要衰变成电子，并同时发射一个叫做中微子的粒子；其次，它的质量比电子约大200倍，所以也称为“重电子”。还有一种较重的轻子叫τ粒子，质量是电子质量的4000倍，这个新的更重的不稳定粒子很自然地被称为“超重电子”。
还有其他的中微子吗？
中微子是不带电荷的，也许没有质量，它也是轻子。中微子诞生于其他粒子的衰变中，它也有几种，有电子型的中微子以及与μ子有关联的μ子型中微子，它们之间稍有不同。我们一般能区分它们。如果自然界确实具有对称性，似乎也应该有“τ型中微子”，但至今还没有发现这种粒子。
因此、有成对的六种轻子：电子和电子型中微子，μ子和μ子型中微子，以及最后的τ粒子和假设存在的τ型中微子。
介子和重子
另一方面，与轻子不同，强子确实是有大小的，把一万亿个强子排列起来约有一毫米长。轻子只有六种，但强子却有二百多种，其中大部分粒子的寿命都小于十亿分之一秒。这二百多种强子按它们的放射性衰变方式可分为两类：比较轻的强子，它可衰变成电子，称为介子；比较重的强子可衰变成质子，称为重子。无论是介子还是重子都不是基本粒子，在它们里面必定还存在某些更为基本的粒子。
为了更好地了解强子，盖尔曼按每个强子的性质把它们列成一张图表，这样在图中就显示了某些规律性和对称性。它多次显示了三重对称性，强子的家族可以排列成一个三角阵。数字“З”似乎有绝妙的意义。这样的对称性太奇妙了，使得盖尔曼能在1963年大胆地设想重子是由三个基本实体组成的。他称这种组成物质的基本构成单元为夸克。夸克（quark）这个怪词是从喜欢用怪词的作家Joyce那儿借过来的。
因为还没有人真正发现过夸克。起先夸克的设想只是数学上的一些推算，只是停留在纸上的一些有趣的想法。盖尔曼给假设的夸克起了名字：两个普通的夸克称上夸克和下夸克。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成的。
为了解释其他的重子，盖尔曼假设有第三种夸克的存在，并称它为奇夸克。起这名字的原因是由于英国哲学家培根的一句话：“绝妙佳人必有一查与之相称的奇妙之处”。
用这一新的想法，盖尔曼能用三个夸克的组合很容易了解每个重子的组成。Δ重子是由三个下夸克组成的，Σ重子是由一个下夸克、一个上夸克和一个奇夸克组成的。这样，长长的一串重子，就能解释得通。当然，狄拉克（Dirac）和其他一些物理学家指出了每个粒子都必须有一个对应的反粒子，所以夸克也必须有反夸克。如果普通的质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，那么反质子则由两个反上夸克和一个反下夸克组成。
用夸克的概念也可以把介子表解释清楚。每一个介子是由一个夸克和一个反夸克组成的。例如，π介子由一个上夸克和一个反下夸克组成，ρ介子由一个下夸克和一个反上夸克组成。幸亏有了夸克，二百多个强子不再是一个无穷无尽、毫无意义的大杂烩了。和轻子一样，夸克也是基本粒子。盖尔曼首先用粒子外部反映出来的性质来探索内部的结构，他是第一个见木而见林的人。
无论我们如何剧烈地把质子相碰，还是没有松出单个的自由夸克，这是否意味着夸克是不存在的呢？
1974年，存在第四种夸克的证据发现了。这不是完全意外的，恰轻子是成对的一样，夸克似乎也应该是成对的。普通的两个夸克（上夸克和下夸克）是一对，那么奇夸克是否也有配对的夸克呢？这第四种夸克称为粲夸克，它独立地被两组物理学家们发现。在布鲁克海文国立实验室由丁肇中领导的小组和在斯坦福直线加速器实验室由Burton Richter领导的小组，发现了一个新的介子，它不可能解释为仅由上、下、奇夸克组成。所有用这三种夸克组成的可能粒子都已发现了，新的介子只得用以前不知道的夸克来组成。由于这一发现，丁肇中和Richter分享了1976年的诺贝尔奖金。
第五种夸克称为底夸克（或美夸克），它是1977年发现的。为了满足对称性，大多数物理学家相信还应有第六种夸克在，它和底夸克组成了第三对夸克。如果它被发现，这底夸克的配偶称为顶夸克（或真夸克）。
虽然最初的夸克概念充其量不过是一些聪明的设想，但现在我们有证据证明夸克是存在的。1911年，卢瑟福（Ernest Rutherford）曾用一束粒子射向原子；完全仿照他的做法，1970年斯坦福直线加速器实验室的物理学家们探索了质子，发现了有夸克存在的证据。他们用高速电子轰击质子靶，大部分的电子直穿而过，几乎没有任何偏转，但有时电子也被弹回而产生大角度的散射，这说明有什么坚硬的不能穿透的东西存在于质子之中。像轻子一样，夸克也是没有大小和内部结构的，这就是说夸克和轻子一样都是基本粒子。
有些人用可以理解的怀疑眼光看待物理学家关于已找到组成万物的基本粒子的#告。不久以前，我们不是还认为组成物质的原子是不可分割的吗？以后又认为质子和中子也是不可分割的，可是现在我们知道，它们实际上都是由夸克组成的。整个事情看起来好像是一个无穷的中国套匣，一个套一个……是否总有一天我们将发现夸克内部的更小的粒子？
从现代核物理学看来，这是不可能的，原因如下：自然界有一个基本规律，叫海森堡测不准原理，它是说我们不能够无限精确地知道每个事物。为了说明这个原理，想象你试图测量电子的位置和速度，如果你精确地测量了电子的位置，由于测量本身（不管你如何努力）总会对电子有一个影响，结果使你不能确切知道电子的速度。相反地，如果你很精确地测量电子的速度，那你就不再精确知道电子的位置。在原子内部的奇异的微观世界里，位置和速度有这样的相反关系：这个你知道得多些，那个就知道得少些。
在轻子家族和夸克家族之间有对称性。例如，电子和电子型中微子是一对轻子，它们是普通的轻子，和它们相应的有普通的夸克：上夸克和下夸克。同样地，其他每一对轻子也与一对夸克相对应。这样，由不同种类的轻子的总数，就可给出不同类的夸克的总数。我们已经知道了六种轻子，可能还有另外两种，总共有八种。但是不能有十种轻子：如果有十种轻子，那么在大爆炸中产生的氦要比我们现在发现的氦多。因此，夸克最多不能超过八种。除了上、下、奇、粲、底和顶以外，可以有另外两种夸克味，“味”这个词是物理学家用以指轻子的种类的。
事实还是虚构？
夸克究竟是真实的，还仅是盖尔曼的数学想象的聪明臆测而已？没有人找到过游离的夸克，甚至当我们以惊人的能量使质子猛撞，产生的是各种各样的重子和介子，而从未发现夸克。为什么没有？也许夸克是一种虚构。
另一种反对有夸克的意见是，夸克必须满足叫做泡利原理的自然规律，这原理若用日常生活的语言来说，就是两个东西不能在同一时刻占据同一个位置。在量子力学的奇异世界里，泡利原理被精确地描述为：两个以上全同粒子不能占据同一个量子态。关键的是全同粒子。两个不同的粒子能同时占据同一个量子态，只有全同粒子才被禁止。
重子的内部是个量子态。由不同的夸克组成的重子与泡利原理是不相抵触的，但对其他一些重子就遇到了困难。例如，盖尔曼假设某些重子是由三个全同夸克组成的，一个Δ-重子是由三个下夸克组成的，Ω-重子是由三个奇夸克组成的。这样是否就违反了著名的泡利原理，还是盖尔曼的想法有漏洞？
回顾一下早期的时候，当时很少有人认真地看待夸克，没有人对引入一个“假想的因素”来回避这个难题而感到犹豫。如果这三个夸克是不同的，当然是能共存于一个重子内。1964年，Oscar Greenberg假设夸克具有一些以前不知道的性质，而允许它们在重子中能处于同一个态。为了取一个轻松的名字，把夸克的这一性质称为“颜色”。三个其他各方面是全同的夸克，因为具有不同颜色，它们就能聚集在同一个重子的内部。出于爱国的想法，美国物理学家想把颜色定为红、白、蓝（实际上是美国国旗的三种颜色——译者注），但在国际会议上没有被公认。物理学家一般采用人类视觉的三种原色：红、蓝、绿。当然，反夸克必须有反颜色：反红、反蓝和反绿。
研究这种难以捉摸的夸克，有没有使我们更加接近于实现每个物理学家的梦想——统一场论呢？
起先，夸克有颜色只是一种猜想，只是为了纸面上满足泡利原理而提出的。但是最近几年来，夸克颜色的三重对称性要比原来想象的有意义。确实，颜色性质支配着现在对夸克的研究，它揭示了强核力的真实本性，并且也解释了为什么不能看到自由夸克。这些新发现的妙想，是由于受弱核力的研究的启发而得到的。
在核物理研究的早期，Werner Heisenberg注意到如果把原子核中的全部质子变成中子，把全部中子变成质子，那么这时核内部关于核力的方程是不变的。
1954年，在布鲁克海文国立实验室的杨振宁和Robert L. Mills想知道如果原子核中的某些质子变成中子，将会发生些什么。为了在这种局部的交换粒子保持方程不变，扬和Mills发现了在数学上有一些对应于新粒子的额外的项出现；换言之，为了维护在中子和质子局部交换下的对称性，应当有新的未知粒子。按杨和Mills的理论，这三个粒子保持了对称性，它们被称为中间矢量玻色子。
杨和Mills的理论起先基本上没有引起人们的注意，直到在哈佛大学的Steven Weinberg和在的里雅斯特国际理论物理中心的Abdus Salam指出了杨和Mills的对称性方程提供了理解弱核力基本机制的途径。例如，该弱核力会引起一个自由中子衰变成质子、电子和反中微子。
由于中子实际上是由两个下夸克和一个上夸克组成的，质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，当中子变成质子时，其中的一个下夸克改变了味，变成了一个上夸克，这样我们就清楚地了解到弱核力实质上是一种味力。在弱核力的作用下，夸克的味会发生变化。
正如在四十年代，以往的量子电动力学把光子描述为电磁力的传递子。弱核力的这种新理论，描述中间矢量玻色子传递转力，称为量子味动力学。这两种想法之间非常相似，使Weinberg、Salam和Shelden Glashow成功地把量子电动力学和量子味动力学统一为单一的统一场理论。光子和三个中间矢量玻色子组成了一个对称性家族，由此，电磁相互作用和弱相互作用可理解为同一个基本的“弱电”相互作用的两个方面。这三个人把爱因斯坦梦寐以求的统一场理论的工作推进了一步。由于这一工作，他们三人分享了1979年的诺贝尔奖金。
多年来，发展统一场理论是个遥远而不可及的目标，它是一种崇高的远景，使自然界所存在的力（电磁力、强力、弱力和引力），可看成是一个单一的、基本的相互作用的不同方面。而现今对夸克味的研究，使我们更接近于这一理论的大大简化。是不是夸克也能用以解释强核力，而把四个力中的三个力统一起来呢？使每个人都感到惊讶的是，从1964年以来，强核力的研究的重要线索就在我们面前；就像味是理解弱核力的关键一样，夸克颜色的三重对称性是理解强力真实性的关键。夸克在强子中粘合在一起是由于它们之间通过称为胶子的粒子交换着颜色的缘故。胶子在夸克之间来回传递颜色。强相互作用是来源于把夸克结合为重子和介子的色力，关于这个色力的理论称为量子色动力学。就像光子是电磁力的传递者，中间矢量玻色子传递弱力（味力）一样，带色的胶子是色力的传递者。
当夸克靠近时，色力是相当微弱的，当你试图把夸克分离时，这种力就变得很大，这就是对为什么没有人看到自由夸克的解释。在重子和介子的内部，夸克自由地快速运动，如果你试图在这些夸克中抽出一个夸克，色力就变得非常大。这色力与在原子核中把质子和中子结合起来的强核力不完全相同。实际上，色力要远比强核力大。在质子和中子之间的强核力，仅是强得无法想象的在质子和中子内部把夸克粘合在一起的色力的极微弱的外在表现而已。
试考虑一下这一令人吃惊的思想吧：我们有朝一日会创造出有待于在宇宙的某个地方出现的新的力来。
在二十年代，科学家们向出版界解释了太阳能量的来源是原子能。当时就有一位记者提问，是否能有一天人们能在地球上重复这种反应，激发质子与中子间的强大力量，并由此释放出集中在原子核中的巨大的能量？在当时，这种遐想只被嘲讽为一种幻想，世界上许多知名的科学家认为完全不可能而没给予理睬，这些想法只属于科学幻想的梦境。可是20年后，在广岛和长崎就有成万的人由此而丧生。
今天大多数的物理学家，可能会嘲笑人类总有一天会放出色力的能量这一信念。但事实上今天的热核武器是很难被二十年代的科学家所想象的。自从牛顿时代以来，每一个重要的科学发现都已直接影响现在的文明，今天的物理学的发展，将会对明天的社会有决定性的影响。
上一次物理学上的伟大统一是在一百多年以前，苏格兰科学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell），揭示了以前认为是毫无关联的现象的电和磁，实际上是同~ 种力，即电磁场力的两个不同方面。
深入研究麦克斯韦方程给我们揭示了光的电磁性质，预言了从无线电波至X射线的所有电磁辑射的存在，由于麦克斯韦的工作的结果使我们现在有了电视机和微波电炉。
麦克斯韦的遗产
又一次伟大的统一刚刚发生，是否有哪怕是很小的可能来设想一下它的前景呢？即使麦克斯韦想入非非，他会想到他那四个简单的方程会引出今天的无线电、雷达和全球通讯系统吗？Weinberg-Salam的统一实在太新了，我们简直还来不及动手研究它的种种细节。
更加吸引人的是第三次统一的展望，量子电动力学、量子味动力学、量子色动力学在许多方面相类似，物理学家们都希望不久即将出现一场大统一。事实上，Shelden Glashow已经提出了一种“大统一场论”，它基于一种五重的对称，将三种力全部统一了起来。这些概念太新，现在来议论它是否正确，还为时过早。
最后，还有一个终极的目的，那就是爱因斯坦把引力和其他三种力统一起来的梦想，这就更遥远了。引力是唯一遍及宇宙的力，是支配着星体、星系和类星体等等行为的力，与那三釉在原子和核之间起作用的力简直毫不相干。
为了把引力和其他三种力统一起来，必须在引力的传递者和其他三种力的传递者之间构起桥梁，为了这一目的，“超引力”理论预言了存在一些前所未知的传递子，这可能会对应于我们已知的四种力外的前所未知的几种力。是否可设想一种包罗万象的统一理论能告诉我们如何去创造出一些宇宙中从未见过的新力。这种种可能性令人惊愕。也许这将为我们开辟掌握物质和能量的崭新的道路，给我们带来崭新的转换方法、崭新的运输方法、崭新的生产方法、崭新的消灭方法，这是我们已知的自然界中所从未有过的过程。
〔Socience Digest，1981年4月〕
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*William J，Kaufmann是天文学家，曾写过黑洞和挠曲时空，是圣地亚哥州立大学的物理学副教授。