一、汤川的核力理论
从20世纪开始，物理学家搜集到越来越多的证据，说明原子并非构成我们这个宇宙的最小砖瓦。在原子内部，还有一个微妙而复杂的新世界，在原子的中央，有一个极小的、类似于太阳系中的太阳一般的东西，人们叫它为原子核。原子核的外围，有一些更微小的电子沿着复杂而恒定的轨道，绕原子核不停地高速旋转着，犹如行星绕太阳一般。原子核虽小，可它集中了原子核质量的99％以上。原子核的结构是由质子和中子两种粒子组成。物理学家把它们统称为核子，意即构成原子核的粒子。质子带正电荷，中子不带电荷。
那么，究意是什么力把质子和中子紧紧地箍在一起呢？究意是什么力量抵消了质子之间的巨大库仑斥力呢？这个神秘的力量就是原子核中的核力。直到20世纪30年代初，有关核力的问题依然是一个难解之谜。有一个名叫汤川秀树的日本青年，认真研究核力的奥秘。他终于发表了有意义的新见解，随后又为实验所证实，把这个难题之解大大向前推进了一步。起初汤川想，也许是电子在原子核中起作用吧！电子会像胶水一样，把质子和中子粘合在一起。他花了一年的时间，反复钻研这个问题，最后发现这种想法是错误的。汤川没有因此灰心，他想，既然此路不通，其中必有新的奥妙。屡屡失败，说明以往的习惯想法不足以解决问题，必须从一个全新的角度来考虑核力的起源。
汤川详细地分析了核力的性质之后，发现核力是过去还不曾认识到的、一种全新的自然力。它很强，足以把质子和中子牢牢地紧箍在一起。它的作用范围非常小，只限于原子核这样微小的空间范围内，所以在原子核外面感受不到核力的影响。
汤川紧紧盯住一种新的、未曾被人认识的自然力这一想法，继续探索下去。即然自然力都应该是交换某种量子而传递的，而已知的质子、中子、电子、中微子，都不可能作为传递核力的媒介，那么，这之中很可能隐藏着我们未曾发现的新粒子，在质子和中子之间进行交换，从而引起了胶合核子的作用。
这时，汤川的思想已从过去的失败中变得清晰了。他仿佛已经抓住了解开谜底的钥匙，继续向传递核力的机理思考下去：如果真的存在这种新粒子，那么它将有着怎样的性质呢？为此，他又辛勤地研究了一年光景，他模仿电磁力传递的机理，从数学分析入手，终于在1935年得出了物理学上又一个惊人的结论：传递核力的这种新粒子没有自旋；它可以带电，也可以不带电，即与电荷无关；新粒子有质量，其质量大约在200～300个电子质量之间。汤川为他的预言的这种新粒子取了一个名子，叫“重量子”，因为它与传递电磁力的光量子相比，是很重的。后来，人们又把这种粒子叫“介子”，因为它的质量介于质子、中子和电子之间。在1935年底的日本数学物理学例会上，汤川宣读了自己的论文：《论基本粒子间的相互作用》。就在汤川提出介子理论不久，正巧物理学家玻尔来日本访问，他认为汤川的预言是不可靠的。就在汤川找不到权威物理学家支持自己论点的时候，已经有几位研究宇宙射线的物理学者，捕捉到了这类粒子的踪迹。有一位叫安德森的美国物理学家，观察了好几年宇宙射线穿透物质的性质，1937年，他果然在宇宙射线中发现了一种质量介于电子和质子之间的粒子。消息传开了，物理界极为振奋，看来汤川的理论是正确的。玻尔也以严谨的科学态度给汤川写信致歉。
但是安德森是否真发现了汤川所预言的介子呢？经过仔细分析原来是一场误会。人们本来期待着这种介子能传递核力，可它在核子中穿行根本不理睬千千万万的原子核，而是在经过一段行程之后，本身衰变成电子和中微子，犹如β衰变一般。这使汤川的理论面临着严峻的考验。
到了1942年，又有一位支持汤川理论的青年物理学家坂田昌一针对安德森发现的新粒子不传递核力的情况，进一步提出了两种介子的理论：安德森从宇宙射线中发现的新粒子，是几乎不与原子核发生作用的μ介子；大自然中一定还存在着一种传递核力的π介子。
时间又过去了漫长的五年，一位英国物理学家鲍威尔和他的同事，通过一种核乳胶技术，用气球悬置于大气层上空，侦察到了一种新粒子的径迹。这种粒子的质量为电子的273倍，它与原子核有很强的相互作用，恰好是汤川秀树所预言的粒子。
走过了一条曲折的道路，新的核力理论终于证实了。1949年，汤川秀树获得了诺贝尔物理学奖金。次年，鲍威尔也获得了这一荣誉。新粒子被命名为π介子，π介子起着质子和中子之间交换力的作用。人们还弄清了，10年前发现的μ介子是π介子衰变后的产物。
盖尔曼的预言核子并不是仅仅发生在质子和中子之间，有相当多的基本粒子在相互作用时，同样有这种很强的力显示出来，以致“核力”之称也显得词不达意了。
于是，物理学家们干脆采用了一个新的名称——强力，受强力作用的粒子，统称为强子。它是重子和介子的统称，占了基本粒子的绝大多数。
物理学家们在研究强力的理论方面碰到了非常大的困难，在研究强力的实验手段方面，困难同样是惊人的，因为强力很强，必须有很高能量的现代加速器，才能获得有关它的详细性质。这种庞大而复杂的设备，只有经济实力相当雄厚的大国，或者是许多国家联合起来才能筹建得起，建设周期也很长。在研究强力理论时，科学家们再也没有现成的宏观理论作向导了。在已知的重子、介子、轻子、光子四大类基本粒子中，听从强力召唤的，只有重子和介子。强力虽然强大，却管不着轻子和光子。强力的力程也很短，约为10-13厘米。在宏观世界里，它总是不露声色。到了微观世界，它却一手遮天，统辖着、影响着许多现象和过程。
面对着20世纪50年代高能加速器产生的、数量激增的基本粒子，使物理学者们手忙脚乱。应该怎样来对待这些“小家伙”呢？把他们放在什么位置呢？20世纪60年代初，敏锐的物理学家立即想到了化学元素周期表。对基本粒子能否像对化学元素那样进行周期分类呢？沿着这一思路，物理学家们发现，对于当时发现的一百多种基本粒子，粒子的质量，粒子的产生、相互作用和衰变等特性，都具有某种规律性。
1962年，在日内瓦的一次讨论会上，年仅31岁的美国加州大学教授盖尔曼，果然拿出了一张基本粒子的“周期表”。他把当时已发现的一百多种基本粒子分门别类，贴切地排列在规定的表格中。他还预言了一种叫Ω-的粒子。
他的预言引起了美国布鲁海文实验室的斯米欧博士的极大兴趣。那里不仅具有能量很高的加速器，还有一台刚完工的气泡室，具备寻找Ω-粒子的充分有利条件。斯米欧组织进行了实验的准备工作，114位专家成立的小组，共同参加了寻觅Ω-粒子的战斗。
经历了一年多的时间，到了1964年1月27日上午，终于传出了胜利的喜讯，在第97025张气泡室的照片上，找到了Ω-粒子衰变时留下的径迹。盖尔曼的预言获得了证实。
盖尔曼并没有被这一成就冲昏头脑，反而更加沉稳了。他到底还在想什么呢？原来，盖尔曼的那张表还有另外三个重要的位置空着。他在琢磨这三个位置应该由三种比基本粒子更深一个层次的亚粒子来占据。使人难以置信的是，这三种亚粒子，只有分别带有2/3、＋1/3、-1/3的单位电荷才能解释他所提出的新理论。他给自己预言的三个亚粒子取了一个一般词典上查不到的绰号——夸克。盖尔曼在这里借用了爱尔兰作家詹姆士·乔埃斯所著的《芬尼根的彻夜祭》中的一行诗：“如检阅者似的马克王（传说中的中世纪康威尔的国王），三声夸克！”夸克的意思是海鸟的叫声。这里借用了诗中的“三”字，来形容有三种夸克。
盖尔曼在一封信中进一步解释道：“现有的所有强子，都可以用这三种夸克，像积木一样拼凑起来。”
二、胶子的寻找
1973年，物理学家进行了用中微子来轰击核子的实验。实验结果又发生了一个预料不到的现象：出现了新的“窃能贼”。核子在被轰击的过程中，有一半的动量在反应中“失窃”了。物理学家从中微子偷窃能量的启发中，敏锐地看出问题所在，指出“窃能贼”可能是隐藏在强子里的一种新物质，它很可能与夸克胶合在一起。物理学家们给这种未发现的新粒子取名为——胶子。
1978年，在日本东京召开的国际高能物理会议上，有几位物理学家终于报告说，他们分析了中微子、电子与核子相互作用的实验数据，并经过周密的计算，完全证实了理论上预言的胶子对夸克的作用。
科学家们预言，在电子与正电子对撞时，只要能量足够大，就可以看到产生出来的强子是从三个粒子喷射出来的。这三个粒子中有两个夸克和一个胶子。正巧，1979年4月，在汉堡附近的西德电子同步加速器的实验中心，“佩特拉”正、负电子对撞机启动了。它可提供的最大总能量为380亿电子伏。足以用来观察胶子特有的喷注现象。为了寻找胶子，来自7个国家的三百多位研究人员，组成了几个实验小组，夜以继日地紧张工作着。丁肇中教授领导的，有中国科学院高能物理研究所二十多位科学工作者参加的小组，也是其中之一。
丁肇中教授一向重视探测器，因为它是物理学家的眼睛。他领导的小组，为这项实验特制了一架叫“马克—捷”的大型综合探测器，它由几百件各种类型的探测器、上千台电子仪器、几百台电子计算机组成。经过近四个月的反复实验和周密观察，他们找到了446起有价值的强子事例。在进一步作了大量分析、计算之后，断定这些强子是由两个夸克、一个胶子放出来的，除了丁肇中小组外，其它几个实验小组也发现了胶子存在的类似证据。科学家们找到了胶子存在的证据，意味着人类已开始进入到强子的内部。它标志着理论物理的研究又深入到一个新的层次。
胶子显灵，为人们认识强力的本质开辟了一条新途径，从夸克—胶子的观点看，强力也许是夸克与夸克之间交换胶子的结果，就像电磁力是交换光子，弱力是交换W±粒子一样。实验还表明，这种力也有个奇特的脾气：当两个夸克靠得很近时，这个力很弱，当两个夸克离开时，它们之间的力迅速增强。
既然强力是由夸克与夸克之间交换胶子来传递的，那么我们所讲的核力又是怎么一回事呢？这个问题物理学家们猜测：它也许是胶子所引起的强力在质子和中子外面的表现吧！
对四种自然力的认识，到此告一段落。但是自然力还有许许多多的不解之谜，等待人类继续探索。
