重力传播的中等儿子 - “引力”

重力传播的中等儿子 - “引力”

定义

普遍重力法：它属于自然科学领域的定律。自然界中的任何两个物体都彼此吸引。重力的大小与这两个物体的质量产物成正比，并且与距离的二次距离成反比。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出了普遍重力定律。牛顿使用普遍吸引力法则不仅解释了行星法则，而且还指出，木星和土星的卫星也围绕着行星，也有同样的运动定律。他认为，月亮不仅受到地球的重力，而且要受到阳光的影响，这解释了月球运动中发现的二维差异，商务旅行等。此外，他还解释了彗星的轨道和地球上的潮汐现象。根据普遍重力定律，海王星被成功地预测和发现。

在出现普遍重力定律之后，对天体运动的运动的研究正式基于力学理论，从而创造了天体力学。简而言之，质量越大的物质产生的重力越大，这种力就与对象的质量成正比，并且与两个物体之间距离的平方成反比。地球质量产生的重力足以容纳地球上的一切。

重力定律引入了中国：牛顿的“自然哲学的数学原理”，于1687年出版。该书总结了他一生中许多重要的发现和研究结果，包括上述有关物体运动的法律。他说，这本书“主要是关于耐沉重的耐液体和其他吸引运动的力量，因此我们正在研究自然哲学的数学原理。”这本书被介绍给中国后，中国数学家李山兰（Li ）曾经翻译过一部分，但没有出版，翻译也丢失了。现有的中文翻译由数学家郑泰普（Zheng Taipu）翻译。这本书的标题是“自然哲学的数学原理”。它于1931年首次由商业出版社发表，并于1957年和1958年被重印两次。

细节

重力等于重力常数乘以两个物体的质量乘积除以其距离的平方。其中，G代表重力常数，其值约为6.67×10-11 N·m²/kg²，这是由英国物理学家和化学家亨利·卡文迪什（Henry ）通过扭转量表实验衡量的。此外，库仑定律也可以通过这种扭曲量表来证明。

因为一个行星暴露的力和太阳暴露的力是相同的大小，因此可以从比较这两个公式的比较中可以看出，k'包含太阳的质量m，而k”包含行星的质量m。由此我们可以看到，这两种力与两个天体的质量的产物成正比，这称为普遍引力力。

如果引入了新的常数g（称为重力常数），并考虑到太阳和行星的质量，并且先前获得的4·π²，则可以表示为：重力力（g = 6.67×10-11 n·m²/kgg²）。

通常两个物体之间的重力极小，我们无法检测到它，并且可以忽略它。例如，两个质量为60公斤的人相距0.5米。它们之间的重力不到牛顿的一百万，而蚂蚁拖动细草干的力量是这种重力的1000倍！然而，在天体系统中，由于天体的质量很大，重力起着决定性的作用。地球在天体中仍然很小，对其他物体的重力产生了巨大影响。它将人类，大气和所有地面物体绑定到地球上，并导致月球和人造地球卫星在不离开的情况下旋转地球。

重力

在人类航空业的兴起之前，长期以来一直将普遍的重力应用于宇宙天体的研究。尽管重力已经很久以前发现，但重力研究已经进入了宇宙的领域，并由航空科学领导。在从地面导航的途中，物体的重力将发生巨大变化。到达目标天体或人造天体后，物体所承受的重力将与地球上的重力大不相同。我们必须考虑人们如何耐受体重的巨大变化并研究支持物体如何在物体重量引起的压力上造成巨大变化。但是，重力研究很难研究重力。直到今天，重力的定义仅留在地面附近，重力的概念尚未渗透到其本质中。重力研究停留在下面的小范围内。

重力是由地面附近物体受到地球重力的影响而引起的。但是，应该注意的是，由于地球在旋转，除了在南极和北极的极端外，地球上任何一点物体的重力都不相等（因为这里的重力是指地球本身的重力，而重力是重力本身的质量，是对象本身的质量）。目前，它可以被视为普遍重力的综合（矢量求和平行四边形规则）。由于围绕地球的旋转力的中心力远小于重力，因此通常认为重力略有等于重力。实际上，重力略低于重力。只有当通过北极物体和南极围绕地球旋转的中心力为零时，重力等于重力。重力和普遍重力的方向不同。重力垂直向下，普遍的重力指向地球的中心。向下垂直并指向地球中心是不同的，不能混淆。

上述研究重力的方法仅适用于宇宙中天体或人造天体的地面上的重力，空间导航和重力的研究，并且与下面的重力的概念和定义密不可分。

在静态范围内，可以使用支持或对象本身将对象作为参考对象获得最佳的重力保证。重力和惯性力同时在物体的每个小部分上起作用，因此它们可以使对象的体重增加。在其他力量中没有这种影响。因此，重力和惯性力的联合作用，即它们的联合力称为重力。通过这项重力研究获得的结果与地面上上面提到的研究方法获得的结果完全相同，因为地球也是宇宙天体之一。

从这里开始，您会发现，在地面上研究重力时，您如何只考虑地球的重力，而不考虑将地球吸引到圆圈和其他行星的重力的太阳的重力？新概念和定义可以很好地解释。如果每个行星都被视为粒子，则太阳的重力和其他行星的重力将以与它们相对应的惯性力相互抵消。因此，当计算地面上的物体的重力时，除了地球普遍重力以外的其他重力可能不会参与重力的计算。但是不可能忽略它。

在空间导航过程中对物体的超重和重量的解释以及其他行星上物体的重力的计算都可以通过重力或物体重量的变化来解决新的定义。这样，重力研究将通过重力研究进入宇宙。

重要的意义

在17世纪初期，人们能够区分许多力量，例如摩擦，重力，防空，电力和人力。牛顿第一次将其中一些看似不同的力量准确地归因于重力的概念：苹果的土地，男人的重量，月亮围绕地球旋转，所有这些都由相同的原因引起。牛顿的普遍重力定律简单易懂，涵盖了广泛的领域。

重力的发现是17世纪自然科学的最大成就之一。它通过天体运动定律统一了物体在实地的行动定律，并对物理和天文学的未来发展产生了深远的影响。它首次揭示了自然界中互动的基本定律，在人类对自然的理解史上设定了一个里程碑。

牛顿的普遍重力概念是所有科学中最实用的概念之一。牛顿认为重力是所有物质的基本特征，这成为大多数物理科学的理论基石。

发现过程

原因

牛顿发现重力是许多原因，主要是由于以下几点。

1。科学发展的要求：在牛顿之前，许多天文学家正在观察宇宙中的行星。经过几个天文学家的观察记录，当他到达开普勒时，他分析并总结了这些观察结果，并获得了开普勒的三个主要定律：

1。所有行星都绕着椭圆形绕太阳绕，太阳在所有椭圆的公众关注点处。

2。行星的半径在相等的时间内穿过相等的区域。

3。所有行星轨道的半高轴的立方体与轨道周期的二次力的比率相等，即r^3/t^2 = k。

开普勒的三个法律是毫无疑问的，但是为什么会发生这种情况？是什么使他们进行非零加速运动？在研究和思考之后，牛顿解决了这个问题：物体之间存在普遍的重力。当然，他发现重力定量是一个漫长而曲折的过程。

2.个人原因：牛顿发现普遍重力定律是科学发展和生产力发展的原因的要求，但我们不能忽略牛顿本人的某些因素：在思考和拥有一定知识方面聪明和勤奋。根据“物理学的历史”，在牛顿发现重力定律的期间，他忘了白天和黑夜吃饭（每天他都缺席了食堂，他发呆了。他去了食堂去吃错了方向，但朝着错误的方向上吃饭。一些老师在校园后面的海滩上行走时看到了一些奇怪的配方和象征）。 1669年，他27岁，曾在剑桥担任数学教授。他还于1672年当选为英格兰皇家学会的成员。

过程

1666年，23岁的牛顿也是剑桥大学三一学院的三年级学生。看到他的皮肤白皙和长长的金发，许多人认为他仍然是个孩子。他瘦弱，默许和认真，这使人们更加确信自己仍然是孩子。他整天的敏锐眼睛和愤怒的表情更加无形。

黑人死亡席卷了伦敦，夺走了许多生命。确实是一个糟糕的一天。该大学被迫关闭，像艾萨克·牛顿（Isaac ）这样的人渴望学者们必须返回安全的乡村，期待尽快扫除城市的疾病。

牛顿在乡村时代的日子里总是对这个问题感到困惑：什么力量驱动月球围绕地球和大地绕太阳周围？牛顿首次认为重力不仅是行星和恒星之间的力量，而且可能是普遍的吸引力。他相信炼金术，并认为问题相互吸引，这使他断言，相互吸引力不仅适用于大型天体，而且适用于各种大小的物体。苹果土地，雨滴的土地和绕太阳的行星都是重力的后果。

人们普遍认为，适用于地球的自然定律与太空中的自然法则有很大不同。牛顿的普遍重力定律猛烈地打动了这种观点，告诉人们，主导自然和宇宙的定律很简单。

牛顿促进了重力定律的发展，指出普遍的重力不仅是星体的特征，而且是所有物体的特征。作为所有最重要的科学定律之一，普遍重力及其数学公式的定律已成为整个物理学的基石。

当然，牛顿当时提出了普遍重力理论，但未能提出普遍重力的公式，因为公式中的“ g”太小了，因此他提出：f∝mm/r²。直到1798年，英国物理学家卡文迪许（）才使用著名的卡文迪什扭曲量表（即卡文迪什实验）来准确测量恒定引力的价值。

简单的含义

牛顿没有发现重力，他发现重力是“全面的”。每个对象都会吸引其他物体，并且此重力的大小仅与对象的质量和对象之间的距离有关。牛顿的普遍重力定律表明，每个对象都会吸引其他所有物体，并且两个物体之间的重力与质量成正比，将随两个物体中心之间的距离的平方而降低。

牛顿开发了微积分，以证明只有球可以集中“球的总质量在球点的中心”，以代表整个球的重力作用的总效应。但是，无论距地球有多远，地球的重力永远不会变为零。即使您被带到了宇宙的边缘，地球的重力仍然会对您作用。尽管地球的重力的影响可能会被您附近巨大的物体掩盖，但仍然存在。无论它有多远或有多远，每个对象都会受到重力的影响，并将在我们称为“万物”的整个空间中传播。

基本力量

重力是任何两个对象或两个与其质量产物有关的粒子之间的吸引力。自然界中最常见的力量，称为重力。在粒子物理学中，重力，强力，弱力和电磁力共同称为四种基本相互作用。重力是最弱的。两个质子之间的普遍重力仅是它们之间的电磁力的1/10，而质子在地球重力下仅是每米1,000伏的弱电场下的电磁力的1/10。因此，在研究颗粒之间的相互作用或在电子显微镜和加速器中移动时，不考虑重力的效果。

通常，物体之间的重力也很小。例如，当两个直径为1米的铁球靠近时，重力仅为1.14×10-3牛顿，这相当于一小滴水为0.03克的重量。但是地球的质量很大，这两个铁球分别受到4×10²牛顿的重力。因此，在研究地球重力场中物体的运动时，通常不考虑其他周围物体的重力。诸如太阳和地球之类的天体质量非常大，产物更大。巨大的重力会导致庞然大物绕太阳旋转。重力成为控制天体运动的唯一力量。恒星的形成不会在高温下散布，而是逐渐收缩，最后崩溃成白矮人，中子星和黑洞。它们都是由于重力的影响，因此重力也是促进天体演变的重要因素。

到目前为止，我们已经知道重力是与时空的基本结构密切相关的通用力。它应该被视为基本力量。换句话说，我们应该用重力来测量其他事物，而不是其他事情。因此，从绝对的意义上讲，重力并不弱 - 它就是它。实际上，重力显得如此虚弱的事实总是使理论物理界感到困惑。

伟大的统一理论

重力，电磁力，强相互作用力和弱相互作用力的四种力是基本力。它们都通过一种在粒子之间交流的“繁殖者”互动，就像两个排球通过它们之间的排球连接在一起一样。带电颗粒之间的电磁相互作用的传播器是一个光子，质量为零和一个旋转。事实证明，一些学者认为核子之间的强相互作用（核力）是由π蒙斯传播的，但是由于核子和π蒙斯都由夸克组成，因此它们最终是夸克之间的相互作用。

在夸克之间传播强烈相互作用的传播器称为“胶子”。请注意，光子没有充电，只有一种类型，并且Gluon具有“颜色电荷”，并分为八个不同的胶子。但是像光子一样，它是一个旋转旋转的玻色子。弱相互作用的繁殖器是“中间玻色子”，其旋转也是1个。有三种充电的情况：正和负电荷的中间玻色子为W和W-，W-和w- w-和w- w-和w- w-和w- w-和 z.在1983年，rubya和van meyer in in in Cern in Cern in Cern in Cern in cern c。 -Anti-对撞机实验，并于第二年获得诺贝尔奖。

在现代物理学中，能量的概念比质量的概念具有更中心的位置。这在许多方面都表现出来。真正保守的是能量而不是质量。它也出现在各种基本方程式中，例如统计力学中的玻尔兹曼方程，量子力学中的schrö方程以及重力中的爱因斯坦方程以及其他方程。质量似乎与技术方法更相关，例如庞加莱集团不可还原代表的象征。

因此，爱因斯坦的方程式提出了挑战。如果能量可以用来解释质量，这将有助于改善科学家对世界的描述，以便建立世界所需的组成部分更少。

有了爱因斯坦定律，我们可以更好地解决或回答牛顿未解决的问题：群众的起源是什么？重力与其他基本力量之间有什么关系？

问题1：如果e =mc²，则质量与能量成正比。因此，如果能量是保守的，是否意味着质量是保守的？但是，爱因斯坦的方程只能应用于固定的孤立物体。一般而言，当两个对象相互作用时，能量和质量不是成比例的。 E =MC²根本不适用。

问题2：用无质量组件构建的对象如何感知重力？牛顿定律说，一个身体与质量成正比的重力，但实际上，通常认为是零质量的光子会因重力而弯曲。 1919年的科学观察证实了这一点，以严格验证爱因斯坦一般相对论中提出的假设。那么，这是否意味着光子质量不是零，还是牛顿的重力定律缺乏普遍性？

光的问题是值得关注的优先问题。在圣经中，创世纪，上帝在创造的第一天创造的东西是光明的，上帝在圣经中反复将光线视为他的化身。只是“万物”中最重要的元素，当然，它与原子有很大不同。人们本能地相信光是一种与物质，非物质甚至精神完全不同的事物是很自然的。

光确实显示出与触觉物质完全不同的性质 - 后者是您踢和伤害脚趾或吹过您的东西。如果您要在的例子中向迪沙斯特幸存者教物理学，那么您可以告诉他们他们将了解它以及另一种形式的物质。您甚至可以告诉他们光是由粒子组成的。光子在真空中的移动很快，但是在超导状态下，光子的运行速度非常缓慢，这与世界上最快的奥运会冲刺冠军的速度大致相似。此外，光子在该状态也具有质量。

其次，值得一提的是，原子不是故事的结尾，它们是由更基本的组成部分组成的。因为所有物质都可以发光，所以我们可以假设所有物质都是由原子和光子组成的。原子由原子核和电子组成。核很小，大小约为原子的十分之一，但它包含所有正电荷，几乎构成了所有质量。遵循这种思路，我们很快将带领故事的灾难后残留物到正确理解科学的化学和电子产品的道路，从而重建我们的世界。由于核和电子之间的电吸引力，原子保持稳定。最后，核由质子和中子组成。核由另一种力量维持，该力比电力强得多，但其工作距离非常短。对物质的这种理解状态是在1935年左右。我们所知道的肯定必须远远超出了这一时期的知识水平。

1932年，詹姆斯·查德威克（James ）发现了中子，这是一个里程碑。查德威克（）发现后，理解核心的道路似乎很清楚。人们认为已经发现了细胞核的成分，它们是质子和中子。这是两个具有相似权重的颗粒，具有相似的强相互作用。质子和中子之间最明显的差异是质子具有正电荷，而中子是电中心的。此外，孤立的中子是不稳定的，并且在大约15分钟内腐烂成质子（加上正电荷和中微子）。只需添加质子和中子，您就可以获得不同电荷数和质量的模型核，该核基本上与已知核相匹配。

牛顿在1704年出版的《光学》一书中表达了对物质的最终性质的看法：

实际上，在我看来，当上帝开始创造物质时，他使事情变得牢固，沉重，坚硬，难以接近但可移动的颗粒，其大小，形状，其他属性，其他特性，其他属性和空间比例只是他实现了创造它们的目的。因为这些原始颗粒是坚固的，因为它们是不可能的，而不是任何既有的又有什么既可以佩戴的。首先创造了世界。”

物质的科学本质，其不可分割的核心是质量。质量指定物质抵抗运动的能力，即其惯性。质量不变，也就是说，它是“保守的”。它可以从一个对象转移到另一个对象，但永远不会扩散或被摧毁。对于牛顿，弥撒定义了物质的数量。在牛顿物理学中，Mass提供了力和运动之间的桥梁和重力来源。 认为，质量的稳定性及其确切的保护构成了化学的基础，也是发现的富有成果指南。

我们在化学方面的经验表明，可以对所有这些复杂性做出解释。也许质子，中子和其他不是基本颗粒。它们可能由自然的更简单，更基本的对象组成。

实际上，如果我们在质子和中子水平的原子和分子水平进行散射实验，以研究近距离碰撞中原子和分子发生的事情，我们将获得相同的复杂结果：在其他化学反应中，在其他文字中，重新分布分子和碎片的新颖分子（或原子，离子，离子或激发状态中的原子，离子或自由度）。遵守简单力定律的唯一是基本电子和核，而由多个电子和核组成的原子和分子不是。此外，在亚原子颗粒的情况下，质量不能保守。如果您足够轰炸质子，您会发现您会得到更多的质子，有时还会有其他质子。一个典型的情况是，两个高能质子相互碰撞，但它们得到了三个质子，一个抗神经和几个介子。这些颗粒的总质量将大于反应的前两个质子的质量之和。

光没有质量。光可以在不推动的情况下从光源到接收器产生巨大的速度。光很容易生成（发射）或歼灭（吸收）。光线没有像重力那样的张力。但是光具有能量，可以轻松地转换和存储。例如，在光合作用下，植物的叶绿素可以在空气中转化二氧化碳，植物根吸收的水分和矿物质成多糖，氨基酸或纤维素的化学键。我们找不到元素元素表中的光的位置，并且该周期表中的分布是组成重要的所有组件。

在现代科学诞生和两个半世纪以后的数百年中，似乎不言而喻地分为物质和光线。物质是质量和保守的，但没有质量。如果总是彼此隔离的质量物质和无质量的光，那么物理世界将永远无法实现统一的描述。

在20世纪上半叶，相对性和量子物理学的出现破坏了古典物理的基础。现有的物质和光理论几乎与废墟相同。这种创新的破坏过程使物理学家在20世纪下半叶建立了一种新的，更深层的物质理论，这将完全打破对自远古时代以来两个分离的理解。新理论认为，世界是基于一个充满以太的多层次空间。尽管这里借的“以太”是笛卡尔的概念，但麦克斯韦将十七世纪哲学家笛卡尔称为19世纪的“田野”，在1970年代中期，称其为“网格”。

新世界模型虽然有些怪异，但看起来非常成功和精确。它为我们提供了对普通材料质量起源的新理解。简而言之，物质在相对论中的出现，量子场理论和染色体动力学都与相对论，量子场理论和染色体动力学的理论有关 - 后者是对主导夸克和行为的独特定律的研究。如果没有深刻的理解并熟悉这些概念，我们就无法理解质量的起源。此外，迄今为止，量子场理论和染色体动力学仍然是活跃的研究领域，仍然有许多问题需要解决。

不久前，人们认为普通物质的基本组成部分是质子和中子。后来，科学家们发现，普通物质的基本组成部分内部存在很小的东西 - 质子和中子。这些小东西称为夸克和咕咕声。当然，正如莎士比亚的罗密欧所解释的那样，知道他们的名字并不意味着告诉我们他们是什么，

“名字是什么意思？我们称之为玫瑰，如果我们更改名称，它仍然是同一色情。”

但是，如果夸克和胶水只是物质内部无尽复杂结构的另一个级别，那么它们的名字只是提供了一个非共同的术语来炫耀。但是，夸克和脾气不仅仅是“另一个级别”。在发现Gluon本身之前，已经发现了描述胶子的方程式。 In 1954, Yang and Mills a type of that is a for 's , that the of of 's the of all known loads, and three "loads" were used in the of the gluon in the real world by David Gross and Frank in 1973. These three types在强相互作用理论中出现的负载通常称为颜色负载，或者简称为载荷。

在1960年代初期，实验者发现了数十个质量，寿命和固有旋转的。其中，希格斯玻色子是一个玻色子，其旋转为零，由粒子物理的标准模型预测，到目前为止，在实验中尚未观察到。它也是标准模型中的最后一个未发现的粒子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在这种机制中，希格斯场会引起自发的对称性破坏，并将质量分配给规范性繁殖者和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量化激发，它们通过自我交往获得质量。 2012年7月2日，美国能源部的子公司费米国家加速器实验室宣布，实验室的最新数据几乎证明了希格斯玻色子的存在，称为“上帝粒子”。 2013年3月14日，CERN发布了一份新闻稿，称先前检测到的新粒子是Higgs玻色子。

在粒子物理学中，标准模型是一个广泛接受的框架，可以描述三种基本力，强，弱和电磁力，以及构成所有重要的基本粒子。由于基本颗粒和基本力构成了物理世界，因此标准模型可以合理地解释除重力以外的世界上大多数物理现象。最初，标准模型的规范场理论依赖于禁止的基本粒子的质量，这清楚地表明初始模型不够完整。后来，物理学家开发了一种机制，可以使用对称性破坏将质量赋予基本颗粒，而不会阻碍仪表场的理论。该机制称为希格斯机制。在解释质量起源的所有机制中，希格斯机制是最简单，最公认的机制。 have done a lot of and have many by this , but they do not know what this is.

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Here, a basic force that has never been seen with . The quark model did not give an exact the . On one hand, the quark model is to the pre- solar model, or the pre-Schrö/pre-Bohr model. Many , , that are just a tool that can a , than a real in the true sense.

We know that moves fast. At the , use to and then the of the of after the two . The and of the are less than the . Since and are , the lost by may be taken away by and to .这往往导致质子经复杂过程而被打破，由此导致了一种新的实验方法，只追踪电子，即只关注能量和动量流。

量子理论允许我们调和关于质子是什么的两个看似矛盾的概念。一方面，质子内部是动态的，里面的事情在不断变化、运动着。另一方面，所有质子随时随地都表现出完全相同的行为，也就是说，每一个质子均给出相同概率。如果质子在不同的时间里表现不一，所有的质子怎么可能表现完全相同的行为？一个简单而直观的解释是，虽然每一个体概率在演化，但整体概率分布却保持不变。这就像一条平缓但在流动的大河，即使每一个滴水都在向前流淌，但整个河流看上去却并无变化。

在微观尺度上大量的粒子都很难被捕捉到。科学家们把它们叫做粒子和反粒子（或者把反粒子叫做虚粒子）。这些虚粒子出现和消失都很快，但也跑不了多远。科学家们只能在极短时超高分辨率的抓拍中和它们偶遇。在任何通常意义下人们都无法见到它们，除非我们能提供所需的能量和动量来促使它们产生。但即便如此，我们看到的也不是原来未受干扰的虚粒子——即自发产生和消失的那种粒子。

现代生物医学告诉我们，只有借助于更复杂的生物体（宿主），病毒才可以存活。虚粒子则远为脆弱，因为它们需要外部帮助才能存在。尽管如此，它们却在量子力学方程里，而且根据这些方程，虚粒子会影响到我们看得见的粒子的行为。

虚粒子总是成群地处于高速运动的状态中。物理学家将其称之为虚空空间中的实体成为一种动态介质。由于虚粒子的行为，正电荷会被部分屏蔽。也就是说，正电荷周围往往因为异性相吸引而裹着一层补偿性的负电荷。从远处看，我们感觉不到正电荷的全部静电力，因为有部分被周围的负电荷抵消了。换句话说，你越是接近电荷有效电荷就会越多；你越是远离电荷，它就显得越小。

在夸克模型里我们正好得出相反的行为。假定夸克模型里的夸克在相互靠近时相互作用很弱，但如果它们的有效电荷在邻近区域达到最大值时，我们得到的只是相反的结果。这时它们彼此间的距离越小，相互作用就会越强烈；相距越远，其电荷被屏蔽得越明显，因而相互作用也就越弱。

量子电动力学起源于1927年保罗·狄拉克将量子理论应用于电磁场量子化的研究工作。他将电荷和电磁场的相互作用处理为引起能级跃迁的微扰，能级跃迁造成了发射光子数量的变化，但总体上系统满足能量和动量守恒。狄拉克成功地从第一性原理导出了爱因斯坦系数的形式，并证明了光子的玻色-爱因斯坦统计是电磁场量子化的自然结果。人们发现，能够精确描述这类过程是量子电动力学最重要的应用之一。另一方面，狄拉克所发展的相对论量子力学是量子电动力学的前奏，狄拉克方程作为狭义相对论框架下量子力学的基本方程，所描述的电子等费米子的旋量场的正则量子化是由匈牙利-美国物理学家尤金·维格纳和约尔当完成的。狄拉克方程所预言的粒子的产生和湮灭过程能用正则量子化的语言重新加以描述。

静态夸克模型建立之后，在重子质量谱和重子磁矩方面取得了巨大成功。但是，某些由一种夸克组成的粒子的存在，与物理学的基本假设广义泡利原理矛盾。为解决这个问题，物理学家引入了颜色自由度，并且颜色最少有3种。这个时候颜色还只是引入的某种量子数，并没有被认为是动力学自由度。

经历了十年左右的各种实验，都没有在静态夸克模型中发现分数电荷的自旋1/2的夸克存在，物理学家被迫接受了夸克是禁闭在强子内部的现实。然而，美国的斯坦福直线加速器中心SLAC在七十年代初进行了一系列的轻强子深度非弹性散射实验，发现强子的结构函数具有比约肯无标度性( )。为解释这个令人惊奇的结果，费曼由此提出了部分子模型，假设强子是由一簇自由的没有相互作用的部分子组成的，就可以自然的解释比约肯无标度性( )。更细致的研究确认了部分子的自旋为1/2，并且具有分数电荷。

部分子模型和静态夸克模型都取得了巨大成功，但是两个模型对强子结构的描述有严重的冲突，具体来讲就是夸克禁闭与部分子无相互作用之间的冲突。这个问题的真正解决要等到渐近自由的发现。格娄斯，维尔切克和休·波利策的计算表明，非阿贝尔规范场论中夸克相互作用强度随能标的增加而减弱，部分子模型的成功正预示着存在SU（N）的规范相互作用，N自然的就解释为原先夸克模型中引入的新自由度--颜色。

色荷概念的引入和部分子的应用实在量子电动力学基础的物理学的突破进展。物理学家们将这种新的理论称之为量子色动力学。两者之间虽然有诸多相似之处，但还是有如一些重要的区别：首先是胶子对色荷的响应——由量子色动力学耦合常数衡量——要远远强于光子对电荷的响应。其次是胶子可以一种色荷变换成另一种色荷。量子电动力学和量子色动力学的第三个重要的区别来自于上述第二个区别的结果。由于胶子对色荷的存在和运动做出响应，而且胶子携带不平衡的色荷，因此胶子可以直接对另一个胶子做出响应。这与光子的情形正好相反。

相比之下，光子是电中性的。它们相互之间完全不存在激烈的相互作用。因此这些差异使得量子色动力学的计算结果要比得到量子电动力学的计算结果更为困难。而且，由于存在导致色流动的各种可能性以及更多种类的节点，在做这类计算时，科学家们又引入渐近自由概念。通过引入渐近自由，像喷注的能量和动量的整体流动，都可以通过计算得到确定。

关于世界是由什么构成的哲学和科学思考一直都在变化。许多枝节性问题仍然保留在今天最好的世界模型和一些大的谜团里。显然要下结论还为时尚早。

就自然哲学而言，我们从量子色动力学和渐近自由中得到的最重要的认识是，在我们认为是虚空空间的地方实际上充满了活跃的媒介，其活动铸就了这个世界。虽然早在大约2000年前成书的大乘佛教的典籍《金刚经》就曾指出“色即是空，空即是色”，而今现代物理学的其它发展强化并充实了这种认识。以后，当我们探索当前知识的前沿时，我们将看到“虚空”空间概念是怎样一种丰富的动力学媒介，它推动着我们不断思考如何去实现力的统一。

其实，关于空间虚无性的争论可以追溯到现代科学的前史，至少可以追溯到古希腊时期。亚里士多德曾经这样写道：“自然界厌恶真空”，而他的对手原子论者们则认为，用古罗马诗人卢克莱修的话来说，就是“整个自然，作为自足的实在，都是由两件东西组成的：物体和虚空，它们赖以建立，并在其中运动。”

这种思辨性争论在现代科学的黎明——17世纪的科学革命——得到回响。笛卡尔提出，对自然世界进行科学描述的基础应建立在他所谓的基本性质之上：广延和运动。物质除了这两点再没有其他属性。他的一个重要结论是：某一物质对另一物质的影响唯有通过接触才能发生。因此为了描述诸如行星的运动，笛卡尔不得不引入无形空间的概念——其中充满了不可见物质。他设想空间是一种复杂的充满漩涡的海洋，行星就在其中冲浪。

牛顿用他精确制定的、成功的行星运动数学方程，用他的万有引力定律，揭示了所有这些潜在的复杂性。但是牛顿的万有引力定律并不适应于笛卡尔的框架。前者假设物体间的相互作用可以通过一定距离来进行，不必一定要通过接触。例如，根据牛顿定律，太阳即使不跟地球接触，也可以对地球施加引力作用。尽管他的方程为说明行星运动提供了一个详细解释，但牛顿本人对这种超距作用并不满意。牛顿在1693年2月25日写给本特利的信中这样说道：“一个物体可以不借助任何其他东西穿越虚空距离而作用于另一个物体，物体通过虚空进行彼此间作用和力的传递，这对我来说是很荒谬的。我相信，任何有足够哲学思维能力的人都不会沉溺于此。”

牛顿的方程发表过后大约一个半世纪的时间里，数学家们几乎不曾对此提出过任何质疑，但詹姆斯·克拉克·麦克斯韦却发现这样导出的方程不协调。1861年，麦克斯韦发现，他可以通过在方程中引入额外的项来消除这种不一致性，换言之，就是假定还存在着一种新的物理效应。而迈克尔·法拉第此前早就发现，当磁场随时间变化时，它们产生电场。麦克斯韦为了解决方程的自洽性，不得不假设存在相反的效应：变化的磁场产生电场。有了这一添加物，场的概念得到了更多的认可和验证：变化的电场产生变化的磁场，后者反过来再产生变化的电场，如此便形成了每一种自我更新的循环。

麦克斯韦发现，他的新方程组，即广为人知的麦克斯韦方程组，具有纯场解决方案，即场以光速在空间运动。这一综合的顶峰便是他得出的结论：这些电场和磁场里自我更新的扰动就是光——一个有待经受时间考验的结论。对麦克斯韦来说，这些充满所有空间并可以自己维持生活的场正是上帝荣耀的一个明确标志：

“广宽的行星际和星际区域将不再被视为宇宙中无用的场合，人们不再认为造物主还没在他的王国里找到合适的、具有多重象征的东西来填补其中。我们将发现，这些场所已经充满了这种神奇的介质。它们是如此丰盈，人类没有任何力量可以将其从哪怕是最小的空间上移去，或在其无穷的连续体上留下哪怕最轻微的缺损。”

爱因斯坦对以太的认识是复杂而且多变。在1905年发表的《论动体的电动力学》中这样写道：“引入'光以太'将被证明是多余的，因为按照所要发展的见解，即不需要引入一个具有特殊性质的'绝对静止空间'，也不需要给发生电磁过程的真空中的每一点规定一个速度矢量。”

爱因斯坦的这一强有力的宣示曾经让很多物理学家困惑不已。在1905年时，物理学界面临的问题不是没有相对性理论，而是有两个相互矛盾的相对性理论。一方面是力学的相对性理论服从牛顿方程。另一方面是电磁的相对性理论，服从麦克斯韦方程组。进一步的研究发现，需要调整的不是新生的电磁理论，而是古老的牛顿力学理论。在狭义相对论里，麦克斯韦场方程无需修改；相反，它们提供了狭义相对论的基础。事实上，狭义相对论的思想几乎要求充满空间的场，也正是在这个意义上解释了它们为什么存在的理由。

早在1899年，德国人普朗克提出了第一个最终发展成为量子力学的第一个概念。普朗克提出，原子可以与电磁场交换能量，也就是说，可以发射和吸收电磁辐射，譬如光，但只能以离散的单位量的形式，或者说以量子的形式进行。但普朗克的概念爱因斯坦不甚满意，他假设，不仅原子发射和吸收光（和一般的电磁辐射）是以离散单位进行的，而且光本身就是以离散的能量单位出现的，并且带着离散单位动量传播。有了这些扩张，爱因斯坦能够解释更多的事实，并预言了新的现象——其中就包括他于1921年获得诺贝尔物理学奖的主要工作即有关光电效应的预言。但爱因斯坦明白：普朗克概念与现行物理定律不相符，但有效。现行的这些物理定律一定有错！

如果光以能量和动量包的形式传播，那么，光本身以及这些包看成是电磁粒子就自然而然了。场的概念可能更方便，但爱因斯坦从来不是一个贪图方便而将其当成原理的物理学家。对他而言，空间充满实体的概念，就像是以无限大的速度经过某物却看到它与静止时看到的一样。

到1920年代，爱因斯坦的广义相对论问世后，他的态度发生了变化。事实上，广义相对论更多的是一个基于以太的引力场论。尽管如此，爱因斯坦从未放弃对消除电磁以太的努力。爱因斯坦本人在1920年5月5日在荷兰莱顿大学的演讲中这样说道：

“如果我们从以太假说的观点来考虑引力场和电磁场，我们就会发现两者之间有一个明显的不同。可以说没有一种空间，也没有任何空间部分是没有引力势的；因为这些引力势规定了空间的度规性质，而没有这些度规性质则是根本无法想象的。引力场的存在于空间的存在是直接相关的。但另一方面，在一部分空间内不存在电磁场则是完全可以想象的。”

历史地看，狭义相对论肇始于电和磁的研究，导致了麦克斯韦的场论，但它又超越了电磁理论。它的本质是对称性假设：当你在具有恒定相对速度的两个参照系考察同一物体时，物理学定律应具有同样的形式。这一假设是一个普适性陈述，超越了其电磁根源：狭义相对论的坐标变换对称性适用于所有的物理学定律。狭义相对论的一个主要的结果是存在有限的速度：光速，即零质量粒子在真空中的传播速度。一个粒子对另一个粒子的影响不能传播得比光速更快。

但是牛顿的万有引力定律——遥远物体受到的引力与其当前距离的平方成反比就不服从这一法则，所以它与狭义相对论不相容。事实上，“当前”这个概念本身就是个问题。对于静止观察者同时发生的事件对以恒定速度移动的观察者来说将不会同时发生。爱因斯坦本人认为，推翻“当前”这个一般性概念，迄今为止仍然是达到狭义相对论认识论的最为困难的一步。但是如果场服从简单的方程组，那么在存在有限速度的前提下，这种从粒子描述到场的描述的转换就会变得富有成效，这样我们可以从场的的值计算出来它们的未来值而不必考虑其过去的值。麦克斯韦电磁理论、广义相对论和量子色动力学都具有这种属性。在广义相对论里，爱因斯坦用弯曲时空的概念来构建他的引力理论。

我们回到标准模型：W和Z玻色子，根据定义它们的方程组，它们本应该像光子和色胶子一样都是无质量的粒子。但物理学家们却设法让W和Z玻色子获得质量。而且他们也知道，在自然界里，还有原子红奇特的物理状态也可以使无质量的受力粒子获得质量。使受力粒子变重的模型是超导电性。在超导体内，光子变得沉重。

我们知道，光子在电场和磁场中推动扰动。在超导体内，电子对电场和磁场反应强烈。电子恢复平衡的能力非常强大，它们能对场的运动施加一种迟滞作用。因此在超导体内，光子不是像通常那样按光速运动，而是要缓慢得多。就好像它们获得了某种惯性。当你研究方程时，你会发现，超导体内慢下来的光子所服从的运动方程与非零质量粒子的运动方程是一样的。

质量一向被认为是物质的一种确定的属性，质言之，质量是一种使物质可称其为物质的特性。爱因斯坦认为宇宙应有一个无论是在时间上还是在空间上都不变的密度。但是，引力是一种普遍的吸引力，物体都不愿意分开。引力总是试图把物体合在一起。爱因斯坦提出的E=mc2可以看作是他对牛顿万有引力定律的修正。但是，如果将这一公式转换成m=E/c1，这一方程的内在含义变成了质量等于所具有的能量与常速光速的平方之比。

量子色动力学是一种非常强大的理论。通过将无质量或几乎无质量的对象诸如夸克、胶子的计算能够给出它们的质量，然而，这也当然不是任何意义上的质量，只是我们的质量，即组成我们自身的质子和中子的质量。也就是说，量子色动力学方程组可以从无质量的输入得到质量的输出。那，这是为什么？

首先是夸克的色荷产生一种网格扰动——具体地说，是胶子场扰动——这种扰动随距离加大而增长。就像一个奇异的风暴云团，它从最初的中心的一缕云烟发展成为一种不祥的雷暴云团。扰动场意味着将其推向高能态。如果你持续扰动无限容量的场，所需的能量将会变成无限大。

其次是可以通过让一个带相反色荷的反夸克去接近夸克来迅速遏制。然后，这两个扰动源相互抵消并恢复平静。如果反夸克不偏不倚地正好位于夸克的正上方，那么这种抵消是彻底的。这将会是胶子场的扰动最小化：即“无”。但是彻底抵消还需要付出代价：它源自夸克和反夸克的量子力学性质。

根据海森伯的不确定性原理，要获得准确的粒子位置信息，就必须让粒子具有很宽的动量范围，特别是要有粒子的大动量。但大的动量意味着大的能量。所以，更准确地说，要使粒子局域化，就必须更多能量。

再次是我们应该回到爱因斯坦的质量与能量关系方程中来考察。由于有两种方向相反的互相竞争的作用，要消除夸克对场的扰动，同时尽量减少能量，并使反夸克局域化，所以就必须赋予反夸克相应的活动余地。这样双方在彼此抵消后的总质量不能为零，即m=E/c的平方。这样我们从无质量的输入得到质量的输出。这同时也是质量的起源量子力学解释。

任意两质点之间的万有引力，就是组成物质的粒子之间通过交换“引力子”实现的。而在广义相对论中，物体之间的万有引力则被认为是时空弯曲的表现。物质的存在使得它周围的时空发生弯曲，而物体在弯曲的时空中沿测地线运动，就自然地表现为相互吸引。

牛顿万有引力定律指出：两个质点之间的万有引力，与它们的质量乘积成正比，与它们二者之间距离的平方成反比。它实际上是广义相对论的引力理论在静态弱引力场中低速运动情况下的一种近似。

万有引力传播的媒介子——“引力子”

1913年，伟大的物理学家爱因斯坦提出了万有引力场论。爱因斯坦认为任何带有质量的物体周围都存在有引力场，引力场是通过引力波来传播的，引力波像电磁波那样通过媒介子传播，我们都知道电磁波是通过光子来传播能量的，因此它的媒介子是光子，引力波在传播能量的过程中，同样有媒介子的作用，爱因斯坦把这一媒介子称之为引力子。引力子以光速传播，它的质量与光子一样为0。

经过这么多年的探索，人们一直没能在宇宙中发现它的踪影，我们没有足够的证据证明它的存在，也没有足够的证据否认它的存在。因此，探索引力子是否存在成为科学界的一大难题。

虽然引力子在宇宙中无处不在，但探索之路仍然是举步维艰。有学者认为，引力之微弱表明，其媒介子引力子几乎不与其它的物质发生反应，这是我们长期探测不到它的原由，这个理由虽然很有说服力，但也不足以证明引力子是存在的事实。

试图找到一种更有说服力的方法，就是证明引力波的存在，从而间接的证明引力子的存在。如果可以证明宇宙中有引力波存在，那么引力波必定有与之对应的媒介子引力子来传递能量。

引力波在宇宙中是普遍存在的，星体的加速旋转，相撞，吞并等都可以使引力场发生扰动并产生引力波，但由于引力波与引力子一样很难与其它物质发生反应，以至于至今我们无法探测它的存在，只能间接地通过观测行星发生引力辐射，而导致周期的变化证实它的存在。

引力辐射是引力波的另一种称呼，它是指引力波从星体或星系中辐射出来的现象，如果证明了引力辐射的存在就等于证实了引力波的存在。

你为什么这么说？

引力辐射是一种能量的辐射。假如一个行星围绕恒星运动，恒星的旋转会伴随有引力辐射的发生，使得行星的运转轨道发生变化，其主要变化特征表现在行星运动周期的减小，如果行星的运动周期减小，那么就能说明引力辐射的发生。

这一现象在1974年，被赫尔斯和泰勒二人所证实。他们对脉冲双星16进行观测，发现它们的公转周期变小率为（-2.40±0.09）×10-12，这个数值与广义相对论的计算符合的很好，广义相对论的预言值为（-2.403±0.002）×10-12，这一点充分证明了引力辐射的存在。

引力辐射的存在，意味着引力波在宇宙中是存在的，并且无所不在。同时也证明了引力波的媒介子引力子的存在。

通过这些论断，可以证明引力子在宇宙中是必定存在的，只不过我们无法探测到。引力子的无法探测性，其实并不影响我们寻求量子引力理论，因为量子引力理论建立的基础是场，而不是粒子。

广义相对论

牛顿的万有引力定律很好地解释了地面上物体所受的重力、海洋的潮汐和行星与天体的运动，把天上的运动和地上的运动统一了起来，具有非常重要的意义。但让牛顿感到遗憾的是，他一直没能解释清楚两个有质量的物体之间为什么会有引力？这个问题被爱因斯坦的广义相对论很好地解决了。

广义相对论实际上就是关于万有引力本质的理论。它认为，一个有质量的物体，会使它周围的时空发生弯曲，在这个弯曲的时空里，一切物体都将自然地沿测地线（也叫做“短程线”）运动，而表现为向一块靠拢。我们看不到时空的弯曲，只看到物体在互相靠拢，就认为它们之间存在着一种“万有引力”，实际上物体之间表现出来的这种万有引力，并不是一种真正的力，而是时空弯曲的表现。

三维时空的弯曲我们不好想象，但是可以降一维（在二维平面上）做个比喻。设想有一块布把它悬空展平，上面放一个小球，它就会把布压弯，在另一个地方再放一个小球，它也会把它周围的布压弯。我们看到，这两个小球就会自然地向一块靠拢，这是它们在沿各自的测地线运动的结果。我们看不到布的弯曲，只看到小球在向一起靠拢，就说它们之间有个引力存在，其实它只是时空弯曲的表现而已。

这种解释在水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、引力红移等问题上得到了很好的检验，其后在大量更精密的实验中得到了进一步的检验，与实验符合得很好。广义相对论被认为是一种最好的万有引力理论。

引力传播速度

中国科学家测得引力传播速度。

经过10多年的持续探索，中国科学家在世界上成功获得“引力场以光速传播”的第一个观测证据。这项原始创新成果，实现了物理学界多