【要点】
1.当代自然科学提出的5大科学模型是：夸克一轻子模型；宇宙大爆炸模型；地球板块模型；DNA分子双螺旋模型；图灵机模型。
2.规范场理论是统一所有物理理论的必由之路，根据这一理论。场和粒子可以相互转化，一切物质都是由夸克和轻子构成的。
3.我们的宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸。太阳和地球大约在50亿年前形成。恒星将按特定的演化规律消亡。
4.地球表面的地质地貌有着漫长的演化历史。联合古陆逐步分裂形成地壳板块，板块移动碰撞加上大气圈和生态圈的联合影响造就我们今天的世界。
5.生命的“基本粒子”是遗传密码，它通过DNA分子决定生物性状。DNA分子具有双螺旋结构。
6.一切计算与思维功能都可以用“图灵机”来模拟。
我们已经在第二章中介绍了20世纪的4大基础科学理论：相对论、量子力学、基因论（分子生物学）和信息论，它们是当代指导研究物质世界运动变化和信息传递过程的最重要的基础理论。科学家们用这些理论分析实验数据，进行理论推演和数学推导，为我们详细描绘了自然世界的图景，人们称这样的描绘为科学图像或者模型。
代表20世纪最高科学成就的是5大科学模型，它们是展示宇宙演化过程与机制的大爆炸模型；描述物质微观结构的夸克一轻子模型；演示地球地质进化历史和地壳构造运动的板块模型；描述生命的基础结构和遗传机理的DNA分子双螺旋模型；模拟人类智力活动和思维逻辑的图灵计算机模型。现代科学对这几类自然图景的认识已经获得举世公认，它们是20世纪科学的最高成就，代表着我们对大自然的最新的前沿认识，是我们认识和改造自然所依据的基本图景。当然，这5大模型中虽然已经过无数科学家长期的理论分析和实验验证，但是至今还存在着许多不明白的问题，特别是一些细节问题，人们还在继续进行研究。
我们在这一章中希望读者了解的是，现代科学是怎样描绘我们所处的世界的基本图景及其运动与演化的；我们还希望读者了解，自然界处在永不停止的演化过程之中，我们人类对自然界的认识和改造利用的智慧活动也永不停息。
第一节物质结构的夸克一轻子模型
第二章中介绍的物理学革命谈到了两个重要的发展线索，即相对论理论和量子力学理论的提出。这两个方面所着重进行的都是理论研究，与此同时，物理学中也进行着大量实验研究，其中最引人注目的是关于物质结构的研究，即关于原子结构的研究。
X射线、放射性和电子是19世纪末的三大物理学发现，其中，放射性与电子的发现直接预示着原子具有内部结构。20世纪初，英国著名物理学家卢瑟福主导了对物质结构的实验研究，他用令人信服的实验研究澄清了放射性系列中原子嬗变与放出射线之间的复杂关系；他证明，a射线就是失去了核外电子的氦原子核组成的；又进一步设计了著名的散射实验，提出了有核的原子模型；1920年，卢瑟福预言有中子存在，明确指出，原子核是由质子和中子组成的。1932年他的学生查德威克在实验中发现了中子。随后，人们发现了大量的基本粒子、人工放射性和原子核的裂变现象。有了这样的实验背景，加上已经完成了的量子力学理论和开始初步建立的量子场论，人们有可能提出精确的物质结构理论。从20世纪初开始到70年代，现代物质结构理论逐步建立完善，其最终形态就是夸克一轻子模型。
一、量子场论
量子力学和相对论分别从微观尺度和高速运动两个不同的角度推广了牛顿力学，当讨论高速微观粒子的运动时，必需同时满足二者的规律。这就推动量子力学和相对论相结合，由此形成的量子场论是20世纪物理学最辉煌的理论成就之一。
从量子场论的观点出发，一切物质都是场。构成世界基本形态的物质有两种场，一种称之为费米场，描述通常称为粒子的物质，如电子场；另一种称为玻色场，描述通常称为力场的物质，如电磁场。这两种场的名称分别来源于最早研究它们的意大利物理学家费米和印度物理学家玻色。我们观察到的电子、光子等是相应的电子场和电磁场上的元激发，即基本的波粒子。场的元激发都带有内秉的角动量，称为自旋。自旋是描述粒子的重要参数。在自然单位下，玻色场元激发的自旋为整数，自旋为整数的粒子无论是基本的还是复合的都称为玻色子。费米场元激发的自旋为半整数，具有半整数自旋的粒子无论是基本的还是复合的也都称为费米子。
理论研究和实验数据都可以证明，在时空的平移、转动和洛伦兹变换下，量子场元激发的静止质量和自旋是不变量，在所有的惯性坐标系中具有相同的数值。与时空无关的守恒量，如电荷，在所有的惯性坐标系中也具有相同的数值。因此它们都是标志粒子特性的特征量。
二、粒子与场的相互转化
所有费米场的元激发都包含粒子和反粒子，在电子场中，反粒子就是正电子。反粒子和粒子的质量和自旋相同，它们的重力作用也是相同的，但在电磁场和其他有些相互作用场的作用下相应的作用荷相反，如电子和正电子所带电荷相反，在电磁场中所受的力也相反。在相互作用过程中，由费米场产生的粒子数减去反粒子数得到守恒的量，因而电荷总数也是守恒的。玻色场的元激发也包含粒子和反粒子，但不带作用荷的元激发，如光子，它的反粒子就是它自己。一般情况下，费米子的粒子和反粒子是不同的，但在理论上也不排除某些粒子，如中微子，它的反粒子就是它自身，但是目前还没有实验证实这一点。
场的真空状态上有虚的粒子和反粒子成对的振荡，只要供给能量，虚的粒子一反粒子对就能产生出来，成为真实的粒子和反粒子。粒子和反粒子相遇，也会湮灭，化作玻色场的波粒子，或成对地转化为其他场的粒子和反粒子。
以电子和电磁场为例。在相互作用过程中，电子可以辐射或吸收光子，因此光子的数量是不守恒的。当光子的能量大于两倍电子静止能量之和，在光子与物质的反应过程中，一个光子湮灭可以成对地产生电子和正电子。而正电子遇到电子也会湮灭产生光子。
由于我们的世界是由电子和原子核组成的，正电子一旦出现，遇到电子就会湮灭。因此我们观测到的正电子都是瞬时产生、还来不及遇到电子的。它们在地球上生存的时间虽然不长，但也有很多的实用价值。当前检查脑病最好的仪器是正电子扫描仪。
反粒子所遵守的运动规律和粒子是一样的，只是有些相互作用荷的符号相反。现在将各种反粒子的总和称为反物质，反物质也是物质的一种，不能理解为它是和物质完全不同的东西。粒子和反粒子，谁为正，谁为反，只是相对的约定，从哲学的意义上讲，它们都是物质存在的一种形式。
玻色场和费米场具有不同的性质。瑞士物理学家泡利（1900～1958）在分析原子发光的光谱时发现，具有半整数自旋的粒子，即费米子，不论是基本的还是复合的，不能同时处于相同的量子状态，这一规律称为泡利不相容原理，它表明费米子之间天然存在排斥的力量。不相容原理是量子力学推导出的重要的自然规律，正是由于这一原理，原子中的每个电子要处于不同的量子状态，只能按一定规则由最低能量状态往上填充，最后的电子位于所有已填满的能态的上面，也处于原子的外层，也是能量状态最高的，最为活跃的。最后这几个电子决定原子的化学性质，决定原子在元素周期表中的位置。量子力学加上泡利不相容原理极好地解释了周期表上不同原子相似或不同的化学性质。
相反，自旋为整数的粒子，即玻色子，不论是基本的还是复合的，都有集体朝向相同物理状态运动的趋势，如果一个量子状态已经被某个玻色子占据，其他相同的玻色子将被吸引到这一状态上去，玻色子越多，吸引的作用越大。当大量粒子处于相同量子状态，它们就会形成整体有序、波动相位相同的相干状态。激光就是由大量光子形成的相干态。我们已经知道单个的电子是费米子，遵守泡利不相容原理，但是在某些固体材料（如合金）中一对电子可以组成复合的自旋为整数的粒子，表现出玻色子的性质。它们一旦形成相干态，大量电子将作整体有序的流动，就会出现超导现象。带整数自旋粒子出现的这种现象也称为爱因斯坦一玻色凝结。1995年，美国科学家利用激光冷却铷原子，达到两百万分之一度绝对温度的低温时，出现了原子的爱因斯坦一玻色凝结现象。量子力学虽然是微观粒子运动遵守的规律，当大量粒子凝结在同一量子状态，会产生很多奇特的宏观现象，如上面提到的激光和超导，这种现象称为宏观量子现象。2000年，科学家们更运用爱因斯坦一玻色凝结现象成功地“冷冻”了光子，实现了对光传播速度的任意控制，光速已经被降低到每秒只有几公里。
三、对称性及其自发破缺
在量子场论中所有物质都具有波动的性质，都由相应的场描述。在粒子间传递基本相互作用力的是一种特殊的力场，称为规范场。杨振宁对规范场的理论作出过重大贡献。他和米尔斯最先指出任意一种局域对称性的成立都要求相应的规范场的存在，即有相应的物理作用存在，这种规范场又称作杨一米尔斯规范场。
在规范场论中，对称性是非常重要的概念。当我们照镜子时，我们的面容与镜子中的影像呈现某种对称性，二者之间上下关系相同，左与右是相反的，这是一种空间对称性。对称性在数学表达式中往往体现为，改变某个变量的符号后，表达式的形式保持不变。规范场理论中讲的对称性还包括更加复杂的情况，其中一种就是局域对称性。局域对称性是相对于整体对称性来说的，如果场的对称变换在所有的时空点上一齐进行，就是整体对称；而如果在时空的不同地点独立进行不同的对称变换，就是局域对称，本节开始时讲到的时空平移、转动和洛伦兹变换等都属于局域对称变换。局域对称性的物理意义是，对用数学表达的物理量进行局部对称变换后其形式保持有某种不变性。
规范场理论认为，所有的力场都由局域对称性决定，都由规范场来传递，都满足某些守恒定律，例如，物理规律用数学表达出来，满足某种空间变换对称，于是有动量守恒；满足时间变换对称，就有能量守恒；弱电变换对称，就有电荷守恒等等。女数学家内特尔最先指出，人们只要发现一种对称性，就必定有一个守恒量与之相对应，因此，对称性、守恒量和规范场三者之间有着连带和对应的“三角”关系（见图3—1）。现在已经实验证明，四种基本相互作用都是局域对称性的产物，都是规范场，都有对应的守恒量。但重力场有些特别，它涉及时间和空间的局域对称性，重力子的自旋是2，这与杨一米尔斯规范场不同，杨一米尔斯规范场元激发的自旋是1。
关于真空的性质和其对称性的自发破缺。过去，人们认为真空是一无所有，没有物质，没有能量。现代量子场论则得出了不同的结论。量子场论认为，真空是物质存在的一种状态。通常，真空具有某种对称性质，并处于最低的能量状态。有时，它的状态并不唯一，也不处于最低的能量状态，甚至在高能量状态下才具有某种对称性。真空从一个能量状态变化到另一个能量状态，这种状态的变化称作相变，相变可能会释放出大量的能量，会改变真空原有的对称性质，同时也改变位于真空中所有其他场和物质的性质。
真空相变的起因可能来自外部干扰，也可能来自其自身内部的物理状态的统计涨落，称为真空的自发相变。物理学家们最感兴趣的是真空由于内部状态的涨落原因而产生的自发相变，特别是有些真空相变破坏了原有真空状态的对称性质，它会导致与该对称性相关的守恒定律失效，称为对称性自发破缺。相变通常与系统的温度有关，当温度很高时，真空一般处于对称的状态，而当温度降低，达到临界点以下，就会产生对称性自发破缺的相变。
现在推测，在温度极高时，所有的基本粒子具有相同的对称性质，它们的质量都是一样的，所有的相互作用也都具有相同的强度，只是在温度降低后，经过相变，对称性发生自发破缺了，它们才显出不同的性质，获得不同的质量，具有强度不同的相互作用。了解对称性和对称性自发破缺的机制就能对世界物质的同一性和多样性作出统一的解释，还有的科学家希望，利用这一机制可以解释我们的宇宙是怎样在最初被“引爆”而创生出来的。
这是当前物理学的前沿研究课题。
