四、基本相互作用
人类对物质世界的认识是从相互联系着的两个方面人手的：一是物质之间的相互作用方式，二是物质间相互作用的基本单元。自进入20世纪以来，物理学就把物质的内部结构和相互作用作为了解物质整体运动和性质的关键，把寻找构造物质的基本单元——“基本粒子”作为一个重要的研究目标。1935年日本物理学家汤川秀树（1907～1981）把电子、质子、中子和光子概称为“基本粒子”，并把存在于这些基本粒子之间的电磁力以及新发现的核力（后来称强力）和弱力（引起原子核衰变的作用力）称为“基本相互作用力”。但随着实验的进展，在20世纪50—60年代，科学家们未曾料到的五花八门的粒子被大量发现，基本粒子的数目已经比当年元素周期表问世前的化学元素数目还要多，人们开始怀疑它们是否都是基本的，感到有必要对纷乱繁杂的粒子进行分类。开始物理学家们猜想这诸多粒子中可能有一些是更基本的，并试图通过复合粒子模型整理分类，后来设想某些粒子可能还有其内部结构。经过深入的研究，科学家们提出了质子、中子和介子由夸克组成的假说。
物质之间存在四种基本相互作用，它们的作用强度与范围是不同的，按由强到弱次序排列分别为强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，如果假定强作用是1，则4种基本相互作用数量级关系分别为：1，102，103和1040。其中强作用和弱作用属于短程力，只在很小的范围内有作用，超出作用范围就迅速消失，而电磁作用和引力属于长程力，它们的作用按平方反比关系随距离衰减，作用范围可以延伸到很远。正是由于强作用的力程很短，参与强作用的强子被束缚在原子核那么小的范围内；也正是由于引力作用力程很长，我们的地球距离太阳远达1亿多公里还是被牢牢地束缚在太阳轨道上。
按参与相互作用的情况，物质场可分为粒子场（物理学术语称为费米场）和力场（玻色场）。现代物理学认为，所谓粒子，是某种力场中的激发状态。粒子场的元激发分为夸克、轻子两类，而四种相互作用力场的元激发分别为胶子（强作用）、光子（电磁作用）、w和z子（弱作用）和引力子四类。夸克参与所有四种相互作用，在目前可观测的能区内为强作用胶子所束缚，形成复合的强子，如质子和中子，而不以自由状态出现，因此有“夸克禁闭”的说法。粒子有许多性质，如电荷、自旋、同位旋、重子数、轻子数、奇异数等，这些分别表示粒子的特定量子状态。强子又可按其自旋的不同分为重子和介子两类，前者属于费米子而后者属于玻色子。轻子不参与强相互作用，因此它们之间的结合力相对较弱。
五、夸克一轻子模型
现在已发现的夸克和轻子各有六种，虽然质量有所不同，夸克可分为性质相同的三对（上、下；奇、灿；底、顶），轻子也同样分为三对（电子、电中微子；缪子、缪中微子；涛子、涛中微子）。夸克和轻子又总是成对存在，形成三组，称为三个家族。
构成地球上稳定物质的是上夸克、下夸克、电子、胶子和光子。质（中）子由两个上（下）夸克和一个下（上）夸克通过胶子结合而成。中微子和其他粒子之间相互作用很弱，即使穿透地球也不一定能和地球物质产生核反应，它们在宇宙中是一种暗物质。不稳定的强子和轻子、w和z粒子以及它们的反粒子可以通过加速器和核反应人工制造出来，它们的寿命都短。灿夸克是华裔科学家丁肇中和美国科学家里希特共同发现的，他们也因此获得诺贝尔物理学奖。自由的夸克和胶子由于结合力太强，只有在极高能量下可能观测到，目前还没有直接看到。
人工制造的粒子和反粒子不是寿命很短，就是容易湮灭，都不易利用和保存。前面我们已经提到，现在已有利用电子的反粒子，即正电子，进行医疗探测，做成正电子多层扫描仪，可以观测脑的认知活动，对脑的肿瘤进行早期探测和准确定位。
夸克是目前认识到的最基本的粒子，夸克还继续可分吗？它内部是否还有结构，是否由更基本的粒子构成？这是当今物理学的前沿研究课题之一。由于量子力学的规律，进入越小的时空需要越大的能量，因而世界正在建造能量越来越大的加速器，用以研究夸克的结构和性质。现有理论猜测，比夸克更基本的物质很可能不再是点状的物质，而是线状的弦，具有实现费米子和玻色子相互转化的超对称性，夸克、轻子和胶子等都是其上的元激发。这一猜测还未有直接的实验证据。如果它能够成立将改变我们对物质基本结构的观念，物质将不再看作由简单的点状物质构成，最终的基本结构将是由结构更复杂的弦组成。过去人们总以为复杂事物应由简单事物构成，在这里我们看到相反的情况。
四种基本相互作用不仅在强度上有所不同，而且在其他行为上也有差异，主要表现在一些物理量的守恒和与之相关的对称性上。描述对称性的数学工具叫做群论，相互对称的事物可以通过与之对应的群的变换进行转换。
六、统一场论
人们在认识到自然界总共存在有4种基本相互作用之后，立即开始了探索把这4种作用力统一起来的努力。爱因斯坦走在时代的最前列，最早开始了这种努力。在广义相对论取得决定性成功之后，他毫不松懈地立即试图将引力场和电磁场统一在一起，他称之为统一场论。他把统一场论研究视为他的相对论研究的第三阶段，但是他没有成功。爱因斯坦相信世界的统一应当建立在直观的几何图景之上，后来被证明是错误的。事实表明，脱离现代实验的引导，过分相信直觉、信念与理论的作用，只能导致失败。
关键性的转折发生在1954年。那年，杨振宁和米尔斯发表了规范场理论，这一工作为统一各种基本相互作用开辟了新途径。杨振宁和米尔斯认为，统一的理论不应当建立在几何图景之上，而应当建立在自然规律的对称性的基础之上，打开理论统一之门的关键，在于从力场的规范不变性人手。人们在20世纪60年代开始探索把弱相互作用和电磁相互作用加以统一描述，经温伯格（1933一）、格拉肖（1932一）和萨拉姆（1926一）等许多物理学家的努力，终于在夸克和轻子模型的基础上采用杨一米尔斯规范场论而获得了成功，他们的理论被粒子物理学家公认为粒子物理的标准模型。
这个标准模型预言了传递弱相互作用的W和Z粒子的存在并准确给出了它们的质量和其他性质，这些都为后来的实验所完全证实。然而，从物理学家的观点看，标准模型还不完善，它还不能说明夸克和轻子的质量是如何产生的，也不能说明为什么正好存在3组夸克和轻子家族。标准模型要求场真空产生一次相变，使得在低能下弱相互作用和电磁相互作用能够分离，而引发这次相变所需要的希格斯粒子还没有找到。尽管如此，标准模型还是一个十分成功的科学成就，它激励着物理学家们继续努力，不仅解决存在的问题，而且致力于建立包括强相互作用在内的大统一理论。今天，一般认为，物理学家们已经完成了将电磁作用、强相互作用与弱相互作用三者统一起来的工作。今后的任务，就是要进一步把引力作用也统一进来的超统一理论。
第二节宇宙演化的大爆炸模型
开创现代宇宙学的先驱者是爱因斯坦。现代宇宙学研究以能直接或间接观测到的整个天区上物质运动的大尺度特征为其观测基础，它的最重要的成果是由星系光谱红移、微波背景辐射和轻元素的丰度三大观测结果支持的大爆炸宇宙模型。
一、无限宇宙模型及其困难
在20世纪之前，无限、无边的宇宙观念长期支配着人们的头脑。以哥白尼、布鲁诺、开普勒、伽利略为代表的一批杰出人物促进了这一观念的形成，而牛顿的力学体系又进一步为这一观念提供了动力学依据，因此人们对这种宇宙观笃信不疑。牛顿本人就曾经清楚地描述、建立了一个基于引力作用的，均匀、静止、无限延伸的宇宙模型，无穷多的星辰在无穷大的空间里闪烁，在时间上有无穷的过去和将来。早在18世纪，哲学家康德和物理学家拉普拉斯（1749—1827）就开始怀疑这样一个模型，提出了关于太阳系演化的学说。太阳系既然有其起源、发展和灭亡的历史，宇宙为什么一定是稳定不变的呢？牛顿的宇宙模型存在许多矛盾和困难，最著名的矛盾就是奥伯斯佯谬和宇宙热寂说。
1823年前后，德国天文学家海因里希·奥伯斯（1758—1840）提出“夜空不黑”这样一个似乎愚蠢的论断。一般认为地球背向太阳不得光照而成黑夜，但如果恒星在宇宙中均匀分布而宇宙是无限大的，每个恒星发到地球的光与该恒星距地球距离的平方成反比，而在该距离远处的恒星数量又与通过该处的球面面积成正比，即与距离的平方成正比，二者正好抵消，因此可以证明，无穷多恒星的光芒在任何时候都应照亮宇宙的任何角落。既然在地球上看夜空是黑暗的，那么宇宙就不应是无限大。
另一方面，无限宇宙也意味着它是一个孤立的体系。1856年德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（1821—1894）根据热力学第二定律，宣布作为孤立体系的整个宇宙必定因熵增加最终达到热平衡，并把这种不再有任何变化的宇宙终极状态叫做“宇宙热寂”。宇宙热寂从另一个角度揭示出牛顿力学体系的内部矛盾绝对时空观要求宇宙是无限的，但是牛顿定律的直接推论热力学第二定律却提出宇宙不可能是无限的。宇宙热寂意味着不断运动变化的宇宙寿命是有限的，并且，如果热寂的宇宙不可能有无限久远的未来，那么它也不应被认为曾经有过无限久远的过去，而我们的宇宙至今还充满活力，因此它必定有一个时间的起点。
为了回答这些问题，科学家们抛弃了牛顿体系，转向用广义相对论来解决时空和宇宙问题。
二、爱因斯坦的宇宙模型
1917年爱因斯坦发表论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》，提出了一个有限、无边、静态的宇宙模型。但这个静态模型是不稳定的，如果某个时刻宇宙受到了一个微扰，它将沿微扰的方向发生变化。假如微扰使宇宙略微变小一点，所有物体之间的距离就会顷刻缩短，从而使引力增强并导致宇宙的继续收缩，这种正反馈将使宇宙最终塌缩为一个点。反过来，如果这个微扰使宇宙略微胀大一点，宇宙也会一直膨胀下去。而且，按逻辑推理，既然宇宙一旦开始膨胀，就将一直膨胀下去，那么它应该是从一个点膨胀起来的。
1922年弗里德曼（1888一1925）等人对爱因斯坦的宇宙模型进行了动态分析，提出了三种可能的宇宙模型：开放模型、封闭模型和平坦模型。对于开放模型，宇宙是膨胀的，并且将一直膨胀下去；对于封闭模型，宇宙膨胀到一定程度，将会转而收缩，然后再膨胀，再收缩，称为震荡宇宙；而平坦模型则是前两种的临界状态。现实宇宙究竟与哪一个模型更接近，还要由观测的数据做最后的结论。但是，无论哪一个模型，都预示着，宇宙有一个起点。在时间为零时，宇宙半径为零。也就是说，宇宙是从一个原始奇点发展起来的。这个奇点具有难以想象的性质。在奇点上，宇宙能量为无穷大，可能已超出了现有理论的适用范围；另一方面，奇点的时空尺度极小，小到超出现有物理理论适用范围。现代理论物理学和引力理论认为，万有引力理论有一个极小的特征尺度，称为普朗克尺度，从空间尺度意义上讲，它只有1034厘米，在这个长度量纲以上，广义相对论应当是正确的。对小于普朗克尺度的宇宙运动可能需要新的理论。
三、红移现象
20世纪20年代初期，美国天文学家斯莱弗（1875—1969）测定了41个星系的光谱，发现所有恒星的光谱向红光方向偏移，称为红移，按多普勒效应解释应得出大多数星系正在远离我们而去的结论。所谓多普勒效应系指，一列迎面而来的火车的汽笛声会变得刺耳而背面远去时又变得发闷，刺耳表示声音频率升高，发闷表示频率降低。这是一种波动所特有的特性。运动物体发出的波在固定参照系的观察者看来会发生变化，迎向观察者时波长变短（频率变高），对于光谱而言就是蓝移；背离观察者时波长变长（频率变低），就是红移。星系光谱的红移表明星系正在远离我们。人们可以从数学上根据红移量计算出星系背离我们而去的退行速度。所有的天体都远离地球，这并不意味着地球或者太阳系是宇宙的中心，如同气球上均匀分布一些斑点，在气球膨胀时从任何一个斑点看来其他斑点都远离自己而去。19，29年美国天文学家哈勃（1889—1953）分析了他观测的24个星系，发现红移即退行速度与星系的距离成正比。这就是非常著名的哈勃红移定律，其比例常数就叫做哈勃常数。
宇宙的定义是：我们周围的一个球形区域，自从宇宙开始膨胀以来，光刚好有足够时间从该区域的外缘到达我们这里。现在，这个球的半径为3×1027厘米
恒星光谱红移现象说明星系退行，这支持了弗里德曼等人的开放模型，也就是说宇宙在膨胀。如果宇宙在膨胀，它的过去一定比现在小，把时间一直向回推，推到时间的起点，宇宙就应该是无穷小，也就是说，宇宙是从一个非常微小的奇点生长出来的。
根据膨胀宇宙模型，我们有可能回答奥伯斯佯谬天文观测和理论推导都指出，在膨胀着的宇宙中，距离我们越远的星体，它驶离我们的速度越快，距离我们足够远的星体，它的退行速度超过光速，以至于它发出的光永远不可能到达我们这里，用物理语言来说，就是它处于我们的“视界”以外。在我们的视界以外的星体的光线不可能照亮地球的黑夜，因此地球从宇宙中得到的星体的光芒总是有限的，所以地球还是会有黑夜，因为宇宙在膨胀。