通過尋找越來越小的物質單位，我們並不能找到基本的物質單位，或日不可分割的物質單位，但我們卻的確碰上了一個點，在這一點上，分割是沒有意義的。
沃納·海森伯
現今的尋求建立統一場理論的努力真是愚不可及。
I·M·辛格
科學之所以能成為科學，只是因為我們生活於其中的宇宙是一個井然有序的宇宙，這宇宙符合質樸的數學定律。科學家的工作，就是研究、講述大自然的井然有序，並將其有序分門別類，而不是對大自然的秩序的起源提出疑問。但神學家們長期以來一直認為，物質世界存在的秩序是上帝存在的證據。假如神學家的看法是對的，那麼，科學和神學也就是目的一致地顯示上帝的工作了。實際上，一直有人認為，西方科學的出現，是由基督教一猶太教的傳統促成的，因為這種傳統強調，上帝有目的地把宇宙組織起來，而這種組織可以借助理性的科學研究被人們看出來。這是一種哲學，這種哲學的精義似乎可以用斯蒂芬·黑爾斯（1677～1761）下面的話來表示：
既然我們確信全知的造物主在創造萬物的時候遵守了最為嚴格的數、重量、尺度的比例，所以，若想洞見進入我們的觀察範圍之內的那些被造物的本質，最有可能成功的方式必定是從數、重量、尺度入手。
宇宙之井然有序似乎是自明的。不管我們把目光投向何方，從遙遠遼闊的星系，到原子的極幽深處，我們都能看到規律性以及精妙的組織。我們所看到的物質和能量的分佈並不是混亂無序的，相反，它們是按照從簡單到複雜的有序的結構安排的，從原子到分子，到晶體、生物，到行星系、星團等，莫不是井井有條，按部就班。而且，物質系統的行為也不是偶然的、隨機的，而是有章法、成系統的。科學家們面對大自然難以捉摸的美和精妙時，常常感到一種敬畏和驚奇。
將不同種類的有序區分開來是有用的。首先，有一種質樸的有序，如我們在太陽系中或在鐘擺的擺動中所看到的那種規律性。還有一種複雜的有序，如木星旋轉的大氣中氣體的排列，或一個生物的複雜組織。這種區別是還原論對整體論的又一個例子。還原論試圖揭示出複雜組織中的簡單成分，整體論則注意於整體的複雜性。複雜的有序在很多人看來有一種目的成分。在複雜的有序中，一個系統所有的組成部分和諧地組織在一起，合作著去達到一個特定的目的。在這一章裡，我們將看看質樸的有序，看看基本物理最新的發現如何證實了數學規律性在控制著大自然的那些重要過程。在下一章裡，我們要回過頭來探究複雜的有序。
康德提出，為了理解世界，人的精神不可避免地要將秩序強加於世界。但我認為很多科學家對他的觀點不以為然。比如說，康德根本就不懂原子或原子核的結構，他哪能知道，後世的人們對原子進行研究，顯示出原子也具有太陽系組織的那種數學規律性。這一發現的確是驚人的，跟我們所選擇的觀察世界的方式沒有任何關係。而且，我們還將看到，亞核物質也是服從某些質樸有力的對稱原理的。人們很難相信，在某些基本力的作用過程中，左右對稱是無意義的，只不過是對人類精神的讚美。
人們在傳統上一直遵循著科學的還原論來揭示大自然中的質樸有序：把複雜的系統分解成較為簡單的部分，再分別對這些部分加以研究。一切物質都是由少數基本單位（即最初的「原子」）組成的，這種觀念起源於古希臘。但是，只是在本世紀，技術才有了足夠的進展，使我們能夠詳細地研究、瞭解原子的作用。這方面最早的發現之一，主要是盧瑟福勳爵在本世紀初做出的。這個發現就是，原子根本就不是基本的粒子，而是由其內部的構件合成的結構。原子質量大部分集中於小小的原子核，原子核只有一厘米的一萬億分之一大小。核的周圍包圍著由較輕的粒子（即電子）構成的雲，電子雲延伸的距離達一厘米的一千萬分之一。因此，一個原子的絕大部分是一無所有的空間，加上量子因素排除了電子具有精確的軌道的可能性，原子便讓人覺得像是一種非物質的模糊的實體了。
電磁力使電子離不開原子核，原子核帶有正電荷，原子核的周圍是電場，電場使帶負電荷的電子逃脫不了。很久以前人們就發現，原子核本身也是復合體，是由兩種粒子組成的，一種粒子是質子，帶正電荷，另一種粒子是中子，既不帶正電荷，也不帶負電荷。質子和中子的質量分別都是電子質量的1800倍。
物理學家們一旦發現了原子的基本構造，就能夠將量子論應用於原子，從而揭示出一種驚人的和諧。電子的波的性質通過電子存在於其中的某種固定的「定態」或「能級」中並將它自己表現出來。假如能量以光子的形式（小批的光能）被吸收或被發射，就會發生能級之間的躍遷。因此，能級的存在是以光能的形式顯示出來的，而光能的情況可以從光的頻率（顏色）推斷出來。分析一下原子所吸收或發射的光，就會發現一種光譜，光譜是由一系列譜線或不連續的頻率組成的。最簡單的原子是氫原子，是由一個質子（原子核）和一個電子組成的。氫原子的能級可用一個簡單的公式
乘以一個固定的能量單位表示。式中的n和m是整數1，2，3，……。這種緊湊簡潔的算術式使人想起音樂的音調，比如吉他或管風琴上的泛音，這些音也可以用簡單的數字關係來表示。這並不是偶然的巧合。一個原子的能級的排列是與量子波振動相對應的，正如一部樂器的頻率是與聲音的振動相對應一樣。
假如在氫原子中使電子束縛於質子的力在數學上不是簡單的，那麼，原子的和諧就不會如此完美。實際上，原子就是依存於這種和諧的。使電子束縛於原子核的電引力滿足一個叫作平方反比定律的有名的物理學定律。這個定律說的是，假如質子和電子之間的距離加倍，二者之間的電引力就降低為原來的四分之一；假如二者之間的距離是原先的3倍，二者之間的電引力就降低到原先的九分之一，依此類推。這種井然有序的數學規律也可以在引力中見到，例如，行星和太陽之間的引力就是這樣。平方反比定律導致了太陽系的引人注目的規律性，這些規律可用算式表示。運用這些算式，就可以預測日食月食以及其他的天文現象。在原子中，這些規律是量子性質的，表現為能級的排列和發射的光的頻譜。但太陽系的規律性和原子的規律性都來自平方反比定律的質樸性。
明白了原子核的結構之後，物理學家們接著就開始探尋原子核內部使原子核結為一體的力。這種力不可能是引力，因為引力太弱，也不可能是電磁力，因為同性的電荷是相斥的，所以，帶有正電荷的質子如何竟能在一起相安無事就成了一個謎。顯然，必定有一種很強的吸引力來克服質子之間的斥力。實驗表明，使原子核成為一體的力要比電磁力強得多，這種力在質子的一定距離或範圍之外就突然消失了。這距離很短，比原子核還要小，所以，只有最近的粒子才處於核作用力的範圍之內。中子和質子都處於核力的影響之下。因為這種力很強，所以大多數原子核要用很大的力量才能破開，但要想破開還是辦得到的。重原子核不那麼穩定，可以很容易地裂變，放出能量。
核粒子也是按不連續的量子能級排列的，只是沒有原子和諧的那種質樸性。原子核是一種複雜的結構，這不僅是因為組成原子核的粒子數目多，而且也是因為核作用力並不遵守質樸的平方反比定律。
20世紀30年代，物理學家們在量子論的框架中研究核作用力，終於明白了這種力的性質是與粒子的結構分不開的。在日常生活中，我們把物質和力看成是兩個獨立的概念。力可以通過引力或電磁效應作用於兩個物體之間，或直接通過接觸作用於物體。但物質只是被看作是力的來源，而不是力的傳播媒介。因此，太陽引力跨越一無所有的空間作用於地球，用場的語言來描述就是：太陽的引力場（若是沒有引力表現出來，引力場是看不見也摸不著的）與地球相互作用，對地球施加了一種力。
在亞核的領域裡，量子效應起著重要的作用，因而就需要另一套描述及語言。量子論的一個中心論點是，能量是以不連續的量的方式傳導的。這也是量子論的由來。因此，光子就是電磁場的量子。當兩個帶電粒子互相靠近時，就受到了它們都有的電磁場的影響，電磁力就在它們中間起作用。電磁場使它們的運動軌跡發生偏轉。但一個粒子通過場對另一個粒子所施加的擾動必須以光子的形式傳導。因而，帶電粒子之間的相互作用不是一個連續的過程，而應被看作是由一個或多個光子轉移造成的脈衝。
在這裡，使用理查德·費恩曼所發明的圖解有助於說明問題。圖23上有一個光子往來於兩個電子之間，因而這兩個電子便分離開來。有人把這種相互作用的機制比作兩個打網球的人，這兩個人的行為通過球的往來而有了聯繫。因此，光子的行為頗像是信使，在兩個帶電粒子之間來回跳蕩，告訴這個帶電粒子那裡還有一個帶電粒子，從而引起一種反應。物理學家們借助於這樣的概念，就可以計算出原子層面上的很多電磁過程的效應。在所有的場合中，實驗的結果與利用計算得來的預測驚人地相符。
電磁場的量子論應用起來如此成功，於是20世紀30年代的物理學家們很自然地又把它應用於核力場。日本物理學家湯川秀樹應用量子論，發現質子和中子之間的力實際上可以用二者之間信使般往來的量子為模型，但這裡的量子與我們所熟悉的光子大不相同。湯川的量子必須有質量，才能再現出核力的那種作用距離極短的效果。
這裡有一個微妙而又重要的問題。一個粒子的質量，就是其慣性的大小，也就是保持其運動狀態不變的力的大小。施加一個同樣的力，一個輕粒子要比一個重粒子容易推動。假如一個粒子變得極輕，那它就會被任何雜散的力加速，於是就會以非常大的速度運動。在那極端的場合下，粒子的質量降低為零，粒子就會以最快的速度運行，這速度就是光速。光子就是這種情況，因而可以認為光子是沒有質量的粒子。而湯川的粒子則有質量，其運行速度比光慢。湯川把它們稱作介子，但現在人們把它們叫作π介子。
π介子在原子核裡，往來於中子和質子之間，用核力使中子、質子粘結在一起。通常，π介子是看不見的，因為它們一產生，就接著被另一個核粒子吸收了。然而，假如向原子核系統中輸入能量，π介子就能從原子核中飛出來，使人能夠單獨地對它進行研究。兩個質子高速相撞時（這個過程在第三章曾簡略地講過）π介子就會飛出來。第二次世界大戰結束不久，π介子就這麼被發現了。π介子的發現，出色地驗證了湯川的理論，並被譽為理論物理學、尤其是量子場論的勝利。π介子的另一個與眾不同的特色是極不穩定，在產生之後幾乎立刻衰變成為較輕的粒子。其衰變而成的粒子之一是μ子，這種粒子在各方面都與電子相同，只是質量與電子不同。μ子要比電子重許多，而且也很快就衰變。
物理學家們一旦意識到，通過亞原子粒子的高速碰撞可以造出全新的物質裂片，他們就開始建造巨大的加速器來製造物質的裂變。這些加速器可以把任何一種亞原子粒子加速到接近光速，而接近光速的衝擊為人們揭示了亞核行為的整個新世界。這些加速器一旦投入使用，便出現了幾十個迄今為止人們未曾想到的新粒子。這些新粒子蜂擁而至，使物理學家很快連名稱都來不及給它們取了。一時間，各種各樣的粒子亂哄哄地像個亂了套的動物園。後來，物理學家們漸漸地不那麼暈頭轉向了，於是便在亞原子碎片中看出了某種秩序。圖樣開始出現了。
自20世紀30年代以來人們便知道，核力不是一種，而是兩種。強力將核粒子粘在一起，但還有一種弱得多的力。弱力使某些不穩定的核粒子衰變，例如，π介子和μ子就是由於弱力而衰變的，有些粒子既能感受到強力，又能感受到弱力，但有些粒子則感受不到強力。這種感受不到強力的粒子一般都比較輕，包括μ子、電子和中微子。至少存在著兩種中微子，它們都是讓科學最捉摸不透的東西。它們與其他物質的相互作用是如此之弱，以至可以輕而易舉地穿透好幾光年厚的固體鉛！
這些相互作用弱的較輕粒子都被稱作輕子。帶電荷的輕子如電子，既能感受到弱力也能感受到電磁力。但不帶電荷的中微子則不受電磁力的影響。相互作用強的較重粒子被稱作強子。強子分兩種：一種是質子和中子，以及許多衰變為質子和中子的較重粒子，這一種強子被稱作重子；其餘的強子是介子，包括π介子。
在這些大致的粒子分類中，還可以發現很多亞類。組成這些亞類的粒子具有若干性質，如質量，電荷，以及其他一些更為技術性的特性，其性質隨其種類的不同而呈現出有系統的變化。在20世紀60年代，理論物理學家們發現，這些成系統的性質可以用一個數學的分支——群論——來給以非常漂亮的表達。其中的原理是對稱的概念；或許可以這麼說，物理學界一旦最終意識到了亞原子粒子的對稱性，於是便勇往直前了。
人們一直就知道，對稱在組織自然界的過程中扮演了一個很重要的角色。我們都熟悉太陽的圓形，雪花和結晶體的規則性。然而，並非所有的對稱都是幾何性的。男女的對稱、正負電荷的對稱也是很有用的概念，但這種對稱是抽像的。在重子和介子當中也發現了這種抽像的對稱，這表明任何特定的一類粒子都被一個簡單的數學圖表緊密地聯繫起來。可以用我們所熟悉的幾何對稱來對此做些許說明。我們都知道，從鏡子裡看，我們的左手是在右邊。左手和右手構成了一個由兩個組元組成的對稱系統，而鏡中的左右手映像又使我們看到了原來的手的樣子。從某種意義上說，質子和中子也可以被看成類似左手和右手。在「映像」中，中子變成了質子，質子變成了中子。當然，這裡所說的映像不是通常意義上的在實在的空間裡的映像，而是在想像的空間裡的一種抽像的映像。這想像的空間用行話說就是同位旋空間。儘管這對稱是抽像的，然而，其數學表達卻與幾何對稱是一樣的，而且這表達具有足夠的真實。在散射實驗中的質子和中子的性質，以及質子和中子吸引其他粒子注意的方式，就顯示出這種表達是真實的。
更為複雜的對稱群，使人們得以對粒子的一些大家族而不僅僅是質子和中子進行統一的描述。某些粒子家族包含有8個、10個或更多的粒子。某些對稱乍看之下不明顯，因為這些對稱被複雜的作用掩蓋起來了。但通過數學分析和仔細的實驗就可以把它們揭示出來。
這些抽像的對稱所顯露的物質內部構造的優美，使大部分物理學家感到驚奇。對亞核粒子進行研究的全部基礎就是一種堅定的信仰：質樸性存在於一切自然的複雜性之中。尤瓦爾·尼曼和莫裡·蓋爾曼最先發現，在一個由8個介子構成的集合中隱藏著對稱性。他們於是仿照佛陀的話，把他們的新原理稱作「八正道」：「這雅利安八正道就是正見，正志，正語，正業，正命，正精進，正念，正定。」
隨著越來越多的對稱被揭示出來，粒子物理學家們被其精微的規則性深深地吸引住了。這些規則性自天地開創以來就掩藏在原子的深處，不為外界所知。現在，人類才第一次借助先進技術的令人眼花繚亂的器具看到了這些規則性。
物理學家們不久便開始發問這些對稱性背後的意義。一位傑出的理論物理學家說：「大自然似乎是想用這些對稱來告訴我們什麼秘密。」數學分析的力量在這個時候顯露了出來。群論表明，一切對稱都可以在一個單一的主要基本對稱中找到其自然的起源。人們發現，較為複雜的對稱都可以通過非常簡單的組合得到。用粒子研究的術語來說，數學表明，強子根本就不是基本粒子，而是由更小的粒子組成的合成物。
這的確是輪中之輪！原子是由原子核和電子構成的，原子核是由質子和中子構成的，質子和中子是由什麼構成的呢？這些新發現的物質的基本構件構成了質子和中子，它們與原子隔了三層，當時還沒有名稱。蓋爾曼於是便杜撰了一個名稱——夸克。而這名稱還真的就這麼叫上了。強子是由夸克構成的。古希臘人認為，一切物質都是由為數不多的基本粒子（即他們所謂的「原子」）構成的。這一偉大的原理已被事實證明不那麼好理解。基本粒子是否就是夸克？難道夸克也是復合體嗎？我們一會兒再來討論這個問題。
夸克以兩種構型附著在一起。一種構型是兩個夸克附在一起，另一種構型是三個夸克附在一起。兩個夸克在一起就構成了介子，三個夸克在一起就構成了重子。夸克也有量子能級。能夠通過吸收能量而受激進入較高的級位。受激的強子看上去與其他的強子一樣，於是，很多先前被認為是獨立的粒子現在被看作是單個夸克結合的受激狀態。
為了解釋所有已知的強子，就必須設想夸克不止一種。在20世紀70年代初，人們設想有三種「味道」的夸克。這三種夸克被異想天開地稱作「上」、「下」、「奇」。後來，出現了更多的強子，又多出了第四種夸克，即「粲」夸克。近來，出現了更多的粒子，人們認為還得有另外兩種夸克：「頂」夸克和「底」夸克。現在，很多種粒子作用都可以借助詳細的夸克計算獲得系統的瞭解。
夸克理論的基本預設是，夸克本身是真正渾然一體的基本粒子，是一種像點一樣的物體，沒有內部成分。在這方面，夸克頗像輕子，因為輕子不是由夸克組成的，它們本身似乎就是基本粒子。事實上，夸克和輕子之間有著自然的對應，使人們獲得意想不到的機會得以洞見大自然的運作。夸克和輕子之間的系統聯繫見下面的表1。表右邊一欄是夸克的味道，左邊是已知的所有輕子。要記住，輕子感受到的是弱力，而夸克感受到的是強力。輕子和夸克之間還有一個區別是，輕子或是不帶電，或是只帶1個單位的電荷；而夸克則帶三分之一或三分之二單位的電荷。
儘管輕子與夸克有著如此的差別，但二者之間存在著深刻的數學對稱，使輕子和夸克在上面的圖表中有了逐層面的對應。第一個層面只有4種粒子：上、下夸克、電子及電中微子。奇怪的是，一切普通的物質竟全是這四種粒子構成的。質子和中子是由三個三個的夸克組成的，而電子只是充任構成物質的一種亞原子粒子。中微子只是跑進宇宙裡，一點也不參與物質的大體構造。就我們所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有這4種粒子，宇宙就不會有多大變化。
下面一個層面的粒子似乎就是第一個層面的複製，只不過較重而已。第二個層面的粒子都極不穩定（中微子例外），它們所構成的各種粒子很快就衰變為層面I的粒子。第三個層面的粒子也是這樣。
於是就必然產生這樣的問題：層面I之外的其他粒子有什麼用處呢？為什麼大自然需要它們？在形成宇宙的過程中，它們扮演了什麼角色？它們是多餘的贅物？或者，它們是某種神秘的、現在尚未完全明瞭的過程的一部分？更為令人不解的問題是，隨著將來能量越來越高的粒子加速器的出現，是否也只有這三個層面的粒子？是否會發現更多的或無窮多的層面？
還有一種複雜的情況加深了我們的不解。為了避免與量子物理學的一個基本原則相衝突，我們必須設想每一種味道的夸克實際上有三種不同的形式，即人們所說的「顏色」。任何一個給定的夸克都必須被看作某種多層電鍍（比喻說法）的疊加，不斷地閃現出（又是一個比喻說法）「紅」、「綠」、「藍」的顏色。這樣一來，一切又看上去像是亂了套的動物園了。但是，收拾局面的方法就在眼前。對稱又來救駕了。不過，這一次的對稱，其形式更微妙、更深奧，怪不得被人們稱作超對稱。
為了理解超對稱，我們就得說說物質基本結構分析的另一個大線索：力。不管粒子動物園有多麼紛紜複雜，其中看來只有4種基本的力：引力，電磁力（因與日常生活密切相關而廣為人知），弱作用力和強作用力。中子和質子之間的強力，當然不可能是基本力，因為中子和質子本身就是複合物而不是基本粒子。當兩個質子相互吸引時，我們實際上看到的，就是6種夸克相互作用的合力。夸克之間的力才是基本力。可以用描述電磁場的方式描述夸克之間的力，而夸克的顏色就相當於電荷。質子的對應物是所謂的「膠子」，其作用就是我們先前說過的像信使那樣，不斷地在夸克之間來回跳動，將夸克膠結在一起。物理學家們仿照電動力學，把這種由「顏色」產生出來的力場理論叫作色動力學。色動力作用要比電磁力作用複雜。這有兩個原因。第一，夸克有三色，而電荷卻只有一種，於是，與一種光子相對應的就是8種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，因而彼此也有很強的相互作用，而光子不帶電荷，彼此間又是那麼不相干。
20多年前，某些富有遠見的理論物理學家突然想到，大自然有四種基本力，這數目似乎太多了。很可能這四種基本力並不是真正獨立的。麥克斯韋在19世紀60年代提出了一個數學式，使電力和磁力統一於一個單一的電磁場理論。很可能還會有進一步的綜合。
一種徘徊不去的難以解決的數學問題更推動了某些理論物理學家做如是想。除了最簡單的作用之外，每當人們把量子論應用於所有的作用時，得到的結果總是無窮，因而也就是無意義的。而將量子論應用於電磁場時，有一種數學特技使人們能夠繞開無窮，量子論因而也就一直能預測一切人們所能想像的電磁作用。但同一個數學特技對其他三種力卻不靈。人們希望，通過某種方式把電磁力和其他三種基本力結合進一個單一的描述式，這一個單一的描述式所具有的數學溫順性會消解電磁力之外的其他三種力，使人們能夠得出一個可以理解的算式。
實現這一宏偉目標的第一步是斯蒂芬·溫伯格和阿布杜斯·薩拉姆在1967年邁出的。他們成功地改造了電磁力和弱作用力的數學表達式，使這兩種力被結合進一個統一的數學表達式之中。他們的理論表明，我們通常之所以把電磁力和弱作用力看成是不同的力（確實，二者在性質上顯著不同），是因為在我們現行的實驗中所利用的能量極低。當然，這裡所說的「低」是相對而言：現在的加速器可以給一次對撞足夠大的能量，假如這能量不是加在一個質子上而是加在一個檯球上的話，釋放出來的能量就能為一個普通人家提供幾百萬年之需！不過，溫伯格一薩拉姆理論有一種內含的能量單位，這種單位的能量只是到了現在才能由現有的技術達到。上面所說的現行實驗所利用的能量「低」，也是與這種單位相對而言的。
在20世紀70年代，實驗的證據慢慢積累起來，情況變得有利於溫伯格一薩拉姆理論。1980年，他們因為統一力研究方面的工作獲得了諾貝爾獎。1971年就已經證明，那令人頭痛的無窮可以像所希望的那樣，在一個統一式中被掃除，物理學家們開始談論大自然的三種而不是四種基本力了。
那令人頭痛的無窮之所以能被掃除，其主要原因是在統一力的理論中出現了更加抽像的對稱群。人們早就知道，麥克斯韋優美的電磁理論之所以有力量，之所以優美，在很大程度上要歸功於該理論的數學描述中所顯示出來的平衡和對稱。統一力的理論中又來了平衡，這平衡被稱作規範對稱，是一種抽像的平衡。但這種平衡能讓人想起日常生活中的事。
可以用攀登斷崖的例子來說明規範對稱。從崖底攀到崖頂要耗費能量。但是，由下往上攀登有兩條途徑。一條較短，是垂直著直接登上崖頂；再一條較長，是順著較緩的坡道登上崖頂。這兩條途徑哪一條更有效率呢？（見圖24）回答是：兩條途徑都要耗費相同的能量（在這裡，我們對諸如摩擦之類不相關的複雜情況忽略未計）。實際上很容易證明，攀登崖頂所需的能量是與所選用的途徑完全無關的。這就是規範對稱。
上面所舉的例子說的是引力場的一個規範對稱，因為你要攀上崖頂，必須克服的是引力。規範對稱適用於電場，也適用於與電場類似但更為複雜的磁場。
現已證明，電磁場的規範對稱是與光子沒有質量的特性密切相關的，同時，也是使統一力理論避開災難性的無窮的一個關鍵性因素。溫伯格和薩拉姆終於馴服了弱力，使之與電磁力合併起來。
物理學家們受到統一規範理論成功的鼓舞，把注意力轉向了另一種核力——夸克間的色動力。不久之後，就提出了色規範理論，接著，有人便試圖將弱力和色動力統一到一個「大統一理論（（GUT）」中去，辦法是使用更大的規範對稱將所有的其他對稱包容在一個規範對稱之中。目前，估價GUT的成就還為時尚早，但至少它所作的一個預測經過無限長的時間之後，質子可能會很不穩定並自發地衰變一一現在正有人進行檢驗。
但是，引力仍是沒有就範。無窮的難題報復性地纏住引力不放。現在，物理學家越來越傾向認為，只有在包含了某種超對稱的一種超統一理論中，這一難題才會獲得解決。一大群數學家和物理學家正在為創製一個這樣的理論而奔忙。這一理論的目標，是那不可抗拒的統一場理論的夢想——一個單一的力場，涵蓋大自然的所有的力：引力，電磁力，弱作用力和強作用力。但是，這還遠遠不夠。量子粒子和作用於這些粒子之間的力表明，任何一種力的理論同時也是一個粒子的理論。那麼，超統一理論也應當能完全描述一切夸克和輕子，解釋為什麼在表1中有三個層面的粒子。
有人說，要是真能達到這個令人目眩的目標，也就是達到了基本物理學的頂點，因為像超統一理論這樣的一個理論能夠解釋一切物質的行為和結構——當然，是以一種還原論的方式進行解釋。有了超統一理論，我們就能夠用一個方程式，用一種宇宙的總公式把大自然的一切秘密都寫下來。這樣的一個成就會證實人們長久以來所寵愛的信仰——宇宙是按照一個單一的、質樸的、具有驚人優美的數學原理運行的。約翰·惠勒下面的話，就表達了人們要達到這一最終目標的迫切心情：「總有一天，有一扇門肯定會開啟，顯露出這個世界的閃閃發光的中心機制，既質樸，又優美。」１
我們離這智慧的極樂世界還有多遠呢？理論物理學家們現在正把他們的希望押在一套理論上。這套理論的名稱叫超引力。這套理論的關鍵是一種奇異的超對稱，這超對稱被描述為時空的平方根。它的意思是，假如兩個超對稱運算式相乘，你就會得到一個普通的幾何對稱運算，如空間中的移動。
乍看之下，這種抽像似乎沒有什麼大用處，但仔細分析就可以看到，超對稱與一個粒子可能具有的最基本的屬性之一一一旋轉——有著密切的關係。人們發現，所有的夸克和輕子都以一種頗為神秘的方式旋轉。我們現在且不去管它如何旋轉。我們要關心的是，那些「信使」粒子——膠子、光子、還有引力和弱力的相應的粒子——或者是不旋轉，或者是以一種正常的而不是神秘的方式旋轉。超對稱的意義就在於，它把以神秘的方式進行旋轉的粒子和其他的粒子聯繫了起來，正如同位旋對稱把質子和中子聯繫起來一樣。於是，超對稱的運作能把一個旋轉的粒子變成一個不旋轉的粒子。當然，這裡所說的「運作」指的是數學步驟。實際上，把一個旋轉的粒子變成一個不旋轉的粒子是不可能的，正如你不能把你的左手變成右手一樣。
通過把引力理論置於超對稱的構架之中，引力的信使粒子（稱作引力子）就獲得了以一種「好玩的」方式旋轉的同伴粒子（稱作gravitinos），以及其他的粒子。這麼多種類的粒子進入超引力理論，這就有力地表明，那可怕的無窮難題被壓下去了，而且，到目前為止利用這一理論進行的一切具體運算得出的結果都是有窮的。
在最為人們看好的一種超引力理論中，整個的粒子大家族的成員總數不超過70。這種理論所包含的許多粒子都能夠被認定就是現實世界中已知的粒子。不能被認定的粒子則是可能存在但現在尚未發現的粒子。這一理論是否將迄今為止被認作基本粒子的一切粒子都包括進去了？是否實際上可能會有更多的基本粒子？對此，人們的意見尚不統一。有的理論物理學家認為，夸克的數目太多，現在是進一步深入研究，搞明白這麼多的夸克是否是由更小的物質單位構成的時候了。對此看法，有人提出了反對意見，認為物質的結構沒有比夸克更低的層面了，夸克的世界已經是原子核的大約
了，而這離空間失去意義的那個最終尺度已相去不遠了。理論研究顯示，在一個原子的約
的尺度內，引力的量子效應使時空變成了模糊不清的東西，在這一尺度上談論什麼東西存在於什麼東西「之內」就變得無意義了。因此，關於是否還有更基本的物質單位的研究工作仍在進行。
我希望，我對物理學家們正在進行的揭示物質終極結構的工作所做的簡略介紹，至少能讓大家多少對現代物理學研究有點認識。物理學家對待其研究對象的態度近乎敬畏，因為他們總是受一種信仰的支配，這就是，大自然是由數學的優美和質樸統治的；通過深入探究物質的結構，大自然的統一性將會顯明出來。迄今為止的一切經驗表明，所探尋的系統越小，所發現的原理就越一般。按照這一經驗來看，被我們偶然發現的世界的複雜性，在很大程度上純是我們的物質取樣系統的能量相對較低的結果。人們相信，隨著取樣系統的能量越來越高，大自然的統一性和質樸性也會變得越來越顯明。這也就是為什麼這麼多的人力物力被投入建造超高能粒子加速器的緣故。人們想通過超高能粒子加速器闖進那質樸的狀態去探尋究竟。
然而，曾經有過那麼一個時期，當時，這種質樸的狀態被大自然探尋過。那時，宇宙在大爆炸中誕生還沒有1秒，當時的溫度高達1027度，正好可以用作探尋原初質樸狀態所需的能量。這一段時間，物理學家們稱之為大統一時代，因為當時的物理正是受基本力的大統一理論的過程支配的。我們在第三章裡所提到的至關重要的非平衡就是在當時確立的，而有了那種非平衡，才導致了物質稍稍多於反物質。後來，隨著宇宙的冷卻，原初的統一力也分化為三種不同的力——電磁力，弱作用力，強作用力。這些力都是我們在相對冷卻下來的宇宙中所看到的。
今天的複雜的物理，是由原初大爆炸火焰構成的質樸的物理冷卻而成的。這種看法，倒是美妙而吸引人。大自然的最終原理，也就是惠勒所孜孜以求的「閃光的中心機制」，我們因能量不足而難以窺見。假如人們追蹤到大統一時代以前的那些時期，追到離時間起始處更近、溫度更高的地方，就可以找到超引力了。超引力所代表的，就是存在的起始，在起始之處，時間和空間同基本力都結為一體。大多數物理學家認為，時空的概念在超引力時代之內是不能用的。實際上，有跡象顯示，時間和空間也應被看作是兩種場，這兩種場本身也是幾何元素組成的原初湯「冷卻」而成的。因而，在這超引力的時代中，大自然的四種力是混沌一體的，而時空則尚未成一個像樣子的形。當時的宇宙只是一堆超質樸的元件，是一些上帝用以造出時間、空間和物質的原料。
本章描述了物理學關於基本力研究的新近進展。這些進展已使人們以全新的觀點看待大自然。這種觀點的影響在物理學家和天文學家中間迅速擴大。現在，人們已開始把宇宙看成是由質樸的東西冷卻而生成的複雜的東西，頗像是渾然無形的海洋凍成了姿態各異的浮冰。科學家們有一種感覺，這就是宇宙學的研究課題和人們對物質當中的基本力的研究正在為宇宙提供一個統一的描述。在這種描述中，物質的極微結構與宇宙的總體結構緊密聯繫在一起，兩種結構都以一種微妙而複雜的方式影響著彼此的發展。
本章所描述的物理學的一系列成功，無疑代表了以還原論理論為其基礎的現代物理學思想的一個勝利。物理學家們試圖把物質還原為最終的構件——輕子、夸克、信使粒子一一從而得以瞥見那基本的定律。而正是那基本的定律控制著形成物質的結構和行為的力量，從而能夠解釋宇宙的很多基本特點。
儘管如此，以這種方式追尋某種已被感覺到的終極真理是遠遠不夠的。我們在前面的幾章裡看到，還原論不能夠解釋很多明顯的具有整體性特徵的現象。例如，我們不能用夸克來理解意識、活的細胞，甚至也不能以之理解諸如龍捲風之類的無生命的系統。否則，一定會鬧出笑話的。
到目前為止，本章所用的語言在很大程度上並沒有傳達出物理學家心目中的物質結構的概念。當一個物理學家說，質子是由夸克「組成的」時，他的本意並非如此。比如，我們說一個動物是由細胞組成的，或一個圖書館是由書組成時，我們的意思是說我們可以拿來一個細胞或一本書，或從那較大的系統那裡隨便拿來什麼東西，進行孤立的研究。但夸克卻不是這樣。就我們所知，不可能真的拆開質子拿出夸克來。
然而，拆開有著輝煌的歷史。拆開原子現在已成了家常便飯；原子核敲開較難，但在高能的衝擊下也會分裂。這或許意味著用高速粒子轟擊質子或中子，將會把質子或中子粉碎為夸克。然而，實際情況卻不是這麼回事。一個極小的高速電子會穿過質子的內部，將其中的一個夸克猛烈地彈開，從而使我們確信質子內部的什麼地方確有夸克。但是，若打擊質子的不是小小的電子，而是一個大錘，即另一個質子，那麼，我們就不會在質子的碎片中看見夸克，而只能看見更多的強子（質子、介子等）。換言之，夸克從不孤立地出現。大自然似乎只准許夸克以集體的面目出現，出現的時候總是兩個兩個或三個三個地在一起。
因此，當物理學家說質子是由夸克組成的時，他的意思並不是說這些神秘的夸克可以單獨地顯現出來。他只是指一個描述層面，這一層面比質子層面更基本。管轄夸克的數學法則要比管轄質子的更質樸、更基本。從某種意義上說，質子是合成的，不是基本的；但質子由夸克的合成與圖書館由圖書的合成不是一碼事。
當我們像在第八章裡看到的那樣，將量子因素納入考慮之中時，理解物質的基本結構便有了更為嚴重的困難。這是因為，沒有哪種亞原子粒子（不管是夸克還是什麼別的基本粒子）是貨真價實的粒子。實際上，亞原子粒子可能連「東西」都算不上。這就使我們又一次認識到，所謂物質是某某粒子的集合這種描述，實際上必須被看作是由數學所確定的描述層次。物理學家對物質結構的精確描述只能通過抽像的高等數學來進行，而人們只有認識到這一背景，才能明白還原論所說的「由……組成」的真正含義。
海森伯的不確定性原理的一個方面，很好地說明了量子因素給研究「什麼是由什麼組成的」這一課題帶來的困難。但這次的二象性，不是波粒之間的二象性，也不是運動與位置的二象性，而是能量與時間之間的二象性。能量與時間這兩個概念處於一種神秘莫測的對立關係之中：你知道了一個就不知道另一個。因而，哪怕在一個很短的時間內觀察一個系統，其能量也有可能發生巨大的起伏。在日常的世界裡，能量總是守恆的。能量守恆是經典物理學的柱石。但在量子微觀世界裡，能量可能以自發的、不可預測的方式不知從哪裡冒出來，或消失在哪裡。
當考慮到愛因斯坦著名的E=mc2的公式時，量子能量的起伏就變成了複雜的結構。愛因斯坦的公式說的是，能量和質量是相等的，或者能量能夠創造物質。這已在前幾章裡討論過了。不過，那幾章裡所說的能量來自外部。這裡，我們想討論一下，在沒有外部能量輸入的情況下，物質粒子如何能從量子能量的起伏中被創造出來。海森伯的原理頗像個能量庫。能量可以短期借用，只要迅速歸還就行。借用期越短，可借用的量就越大。
比如在微觀世界中，一次突然的能量起伏可能使一個正負電子對在短期內出現又消失。這正負電子對的短暫存在，就是由海森伯式的借貸維持的。其存在的時間從不超過
秒。但無數個這樣忽隱忽現的幽靈粒子累加起來的效果，就使空無一物的空間有了某種變換的質地，儘管這是一種模糊的、不實在的質地。亞原子粒子就必須在這不停運動的海洋中游動。不僅電子和正電子，而且質子和反質子，中子和反中子，介子和反介子，總之，大自然的所有粒子都是這麼動盪不安。
從量子的角度來看，一個電子不僅僅是一個電子。變換能量的花樣在其周圍閃爍著，不知什麼時候突然促成了光子、質子、介子甚至其他電子的出現。總之，亞原子世界的一切都附著在電子上，像是電子穿上了看不見摸不著的、轉瞬即逝轉瞬又來的一件大衣，或者說，像是幽靈一樣的群蜂嗡嗡地圍著中間的蜂巢飛翔，構成了蜂巢的覆蓋物。當兩個電子相互靠近時，它們的覆蓋物也糾纏在一起，於是，相互作用就發生了。所謂的覆蓋物，只不過是將先前被看作是力場的東西加以量子的表達罷了。
我們永遠也不能將電子跟其所帶有的幽靈粒子分離開來。當有人問「什麼是電子」時，我們不能說電子就是那個小粒子；我們必須說電子是不可分離的一整串東西，包括跟它在一起的產生力的幽靈粒子。說到具有內部結構的強子，就更加模糊難辨了。一個質子不知為何總是帶著夸克，而夸克又是由膠子連在一起的。這裡也有一種怪圈：力由粒子產生，而被產生的力又產生力……
而對光子這樣的粒子來說，這種怪圈意味著光子可以展現出很多不同的面孔（faces）。通過借入能量，它可以暫時變成一個正負電子對，或一個正反質子對。已有人進行了實驗，試圖看到光子是如何變成正負電子對或正反質子對的。但是，人們又一次發現，要想從這種錯綜複雜的變化中分離出「純」光子是不可能的。
就大多數不穩定而且壽命又極短的粒子來說，已難以說清哪些是「實在的」，哪些是「幽靈」。有一種ψ粒子，在
秒內就衰變了；而由海森伯原理造成的正負電子對，其壽命也跟ψ粒子差不多。誰能說前者是實在的，後者只是個幽靈呢？
一些年前，一位叫傑弗裡·邱的美國物理學家把亞原子世界中的這種閃爍不停的變幻比作一個民主政體。我們不可能抓住一個粒子，說它就是某某實體。我們必須把每一個粒子看成是在一個沒有終結的怪圈中由所有的其他粒子組成的。沒有哪一個粒子比其他任何粒子更基本（這就是我們在第四章裡簡短地提到過的「拽靴襻」）。
我們將會看到，物質的本性在其量子論方面具有強烈的整體論的味道：物質的不同層面的描述是相互連鎖的，一切東西都是由另外的一切東西組成的，然而一切東西同時又顯示出結構的等級次序。物理學家們就是在這無所不包的整體性中追尋物質的終極成分，追尋終極的、統一的力。