π介子衰变为一个ρ玻色子，是不是也是由这样的对称性决定的，就象处于不同定态的同种原子有很不相同的寿命一样，粒子也有很不相同的寿命。一个原子的基态是稳定的，它有无限长的寿命，而电子、质子、氖核等粒子也具有同样的特性。可是这些稳定粒子决不比不稳定粒子更为“基本”。氢原子的基态可由薛定谔方程导出，而氢原子的激发态也由同一个薛定谔方程导出。同样，电子和光量子也决不比一个Λ超子更基本。
因此，近年来的实验粒子物理学在其发展过程中履行着类似于二十年代初光谱学所履行的任务。就象当时出现了把所有原子的电子壳层的定态收集在内的大表册［所谓的帕邢图（Paschen
Gotze）]中一样，现在也有每年一次的全面的关于粒子性质的概览（Reviews of Particle
Properties），其中记载了物质的定态和它们的变换特性。这种编制这样内容丰富的表册的工作，同天文学家的天文观测概览相仿，很自然，每一个观测者希望有时能在他的领域内找到特别有趣味的对象。
但是，在原子的电子壳层物理学和粒子物理学间也有特征性的区别。在原子壳展中，人们所接触的能量是如此之低，以致相对论的特征可以忽略不计；因此人们可以利用非相对论性量子力学来表述。这意味着，以原子壳层物理学为一方，以粒子物理学为另一方，它们的有关对称群是不同的。原子壳层物理学中的伽利略群在粒子物理学中由洛伦兹群来替换；同时，在粒子物理学中加入了象同位旋群这样的新群，它和
SU2 群是同构的，然后加入了SU3群、标度群以及其他等等。确定粒子物理学中的有关群是一项重要的实验任务，而这在过去的二十年中已经在很大程度上解决了。
从原子壳层物理学我们可以了解到，在明显地只描述近似有效的对称性的那些群中，我们可以区分两种根本不同类型的群。例如我们想到光谱中的空间转动的
O3群和与光谱中的多重结构有关的O3 X O3群。量子力学方程对于空间转动群是严格不变的，因此具有较高角动量的原子伪态是严格地简并的，也就是说，有几个态具有严格相同的能量。只有当原子处于外部电磁场中时，这些态才分裂开，而象塞曼效应或斯塔克效应这些众所周知的精细结构才显示出来。如果系统的基态象一个晶体或一个铁磁体的基态那样对于转动不是不变的，那末这种简并性也可以被破坏。在这种情况下，能级的分裂也会出现；一个铁磁体中的一个电子的两个自旋方向不再严格属于同一能量。此外，按照哥耳德斯通（Goldstone）的著名理论，其能量随着波长的增长而趋近千零的玻色子也是存在的，在铁磁体的场合，布洛赫的自旋波和磁振子代替了哥耳德斯通波。
对于O3 X O3群，情况就完全不同了，从这种群产生了光谱的众所周知的多重线。这里涉及到的是近似的对称性，只要在某个范围自旋和轨道相互作用很小，只要人们可以因此把电子的自旋和轨道互不相关地旋转，而不会使相互作用改变多少，这种对称性就实现了。因此这种O3
X O3对称性来自系统的动力学，从而它也只是在光谱的某一部分才适用的近似对称性。在经验上，我们可以用这样的办法来最明确地区分两种破缺了的对称性：对于基态的破缺的基本对称性，必定存在这些按照哥耳德斯通理论其静止质量为零或属于远程力的玻色子。如果人们找到了它们，那末就有理由认为，基态的简并在这里起重要作用。
如果我们把这个原子壳层物理学的经验应用到粒子物理学方面，那本根据实验它们十分接近，洛伦兹群和SU2
群即同位族群被解释为作为自然定律基础的基本对称性。然后电磁力和引力作为与基态的破缺的对称性相联系的远程力而出现。更高的群SU3，SU4，SU6或SU2XSU2，SU3XSU3等等这时应当被当作为动力学的对称性，就象原子壳层物理学中的O3XO3群一样。至于伸缩群或标度群，我们可以怀疑，是否应当把它们算在基本对称性之内；它们会由于有限质量的粒子的存在和与宇宙中的大物体有关的引力而被破坏。由于它们和洛伦兹群的密切关系，人们也许应该把它们列入基本对称性。刚才描述的把破缺的对称性同两种基本类型相等同，如我已经说过的那样，是通过实验结果而逐渐接近的，但是我们也许还不能说最终确定了这些对称性的类型。最重要的是，对于用以分析谱系现象的对称群，我们必须提出（如果可能）也必须回答这样的问题：它们究竟属于两种基本类型中的哪一个。
还需要指出原子壳层物理学的一个特征：在光谱中有一些不能组合或者正确地说只是微弱地组合的谱项系，就象仲氦和正氦光谱那样。在粒子物理学中，人们也许可以把费米子谱分为重子和轻子的这种划分同这种特征相比较。
因此，原子和分子的定态同基本粒子物理学中的粒子间的类比是近乎完备的，从而在我看来，把我在开始时提出的“基本粒子是什么？”这个问题定性而又完全地回答了。但只是定性地回答！于是对理论家提出了进一步的问题：是否这种定性的关系也能够以定量的计算作为基础？为此首先必须回答一个初步的问题：定量地理解一个谱系究竟是什么意思，
为此目的，不仅在经典物理学中而且在量子力学中都有一系列例子。我们可以设想一个钢片的弹性振动的频谱。如果人们不满足于定性的理解，那末我们必须从钢片的弹性出发，这种弹性应当用数学加以表述。在这一点做到之后，人们还必须加上边界条件，比如说钢片是圆的或是方的，它是被绷紧了还是没有绷紧，由此人们至少可以在原则上算出弹性或声学振动的频谱系。诚然，由于问题的复杂程度，确实不能严格算出一切振动频率，但是总能够算出那些具有最少的波节数的最低的振动频率。
因此，为了做到定量的理解，有两个要点是必不可少的：关于钢片的动力学关系的严格数学表述的知识和边界条件，后者人们可以看作是“偶然的”，也就是说是由附近的环境来确定的；人们也可以把钢片切割成别的形状。空腔共振器的电动力学振荡的情况与此相仿。麦克斯韦方程确定了动力学行为，空腔的形状规定了边界条件。铁原子光谱的情况也相类似。一个原子核和26个电子的系统的薛定谔方程确定了动力学行为，至于这个例子中的边界条件，它表明在无穷远的波函数应当为零。如果原子封闭在一个小箱中，光谱就会有一些变化。
如果我们把这些知识转用到粒子物理学上，那本首要的问题就是用实验方法求得成体系的物的动力学性质，并把它们用数学表述出来。然后必须加上作为偶然因素的边界条件，在这里这些条件包含的内容主要是关于所谓空虚空间的陈述，也就是关于宇宙和它的对称性的陈述。无论如何，第一步必须是试图用数学来表述自然定律，它确定了物质的动力学。第二步，人们必须作出关于边界条件的陈述。因为没有这些边界条件就完全不能确定谱系。例如，我可以揣测，在今天天体物理学的“黑洞”中，基本粒子谱将完全不同于我们所看到的。遗憾的是，我们对此不能进行实验。
可是，我现在还要就决定性的第一步，也就是动力学定律的表述问题，补充一句话。有一些粒子物理学的悲观主义者，他们认为，这样的确定物质的动力学性质的自然定律根本不存在。坦白地说，我完全不能从这样的观点出发。因为，无论如何，还是必需有物质的动力学，否则就不会有谱系；并且人们还应该能用数学描述它。悲观主义者的观点意味着，整个粒子物理学归根结蒂只不过是记载物质的尽可能多的定态、跃迁几率等资料的巨大的表册，即粒子性质的超级概览（Super-Review
of Particle
Properties），因此是其中没有东西可以进一步理解因而也很少有人阅读的这样一本表册。但是，这种悲观主义没有一点儿理由，这方面我可以提出很多的证明。因为人们已观测到具有锐线的粒子谱，因而也就是间接地观测到了严格确定的物质的动力学。我在前面简要描述的实验结果也已包含了关于基本的自然定律的基本不变性的很确定的提示，并且关于这些定律所包含的因果性的程度，我们从色散关系已经知道了不少。因此，自然定律的主要的确定部分已在我们手中，因为在我们终于在某种程度上对物理学中那么多别的谱系达到了定量的理解之后，尽管粒子谱有高度复杂性，它在这方面也应当能够被理解。我不想在这里讨论（由于它的复杂性）很久以前我和泡利提出的关于基本自然定律的数学表述的具体建议，关于这个建议我至今仍认为，它有最大的可能是正确的。但是我想特别强调指出，这样一个自然定律的数学表述有一个不可改变的前提，这就是人们对基本粒子谱系的（定量的）理解。其他一切都谈不上是理解，只不过是翻阅表册，可是我们作为理论家至少不应该满足于这种情况。
哲学问题
现在我要开始讨论哲学了。哲学，不管自觉不自觉，总是支配着基本粒子物理学的发展方向。二千五百年以来，哲学家和自然科学家一直在讨论这个问题：如果人们试图把物质一次又一次地不断分割下去，将出现什么情况，什么是物质的最小成分，不同的哲学家对这个问题作出了很不同的回答。所有这些回答都对自然科学的历史产生了影响。最著名的回答是哲学家德谟克利特的回答。在一次又一次不断地把物质分割下去的尝试中，人们最终会遇到不可分的、不变的对象，即原子，而一切物质都是由原子组成的。原子的位置和运动决定了物质的性质。对于亚里士多德和他的中世纪的继承者，最小粒子的概念表达得不那么明确。在他们看来，每一种物质确有最小的粒子，进一步分割下去就不再显示该物质特有的特性了。但是，这些最小的粒子同物质一样是可以连续地改变的。因此，在数学上物质是可以任意分割的，物质被想象为连续的。
对德谟克利特采取明确的反对态度的是柏拉图。按照柏拉图的意见，在把物质一次又一次地分割下去的尝试中，人们最终遇到的将是数学形式：立体几何学的正多面体，它们可以由它们的对称性来确定，而人们可以用三角形来合成它们。这些形状本身不是物质，但是它们构成物质。比如说，元素土就以立方体的形状为基础，元素火以四面体为基础。所有这些哲学家有一点是共同的，他们不管怎样都想解决无限小的二难推论，众所周知，康德对这个问题作了详尽的讨论。
当然，过去有过现在也有要把这个二难推论合理化的朴素的尝试。就象有些生物学家提出了这样的观念，在苹果的种子中包含了不可见的小苹果树，这棵树上也开花结果，在这个果子中又藏着种子，在这个种子中又藏着一颗更小的苹果树，如此等等，以至无穷。有趣的是，在玻尔-卢瑟福把原子当作小行星系的理论的早期，我们同样发展了这种论题：在这个小行星系的行星——电子上，也住着很小的生物，它们造房子，耕作土地，研究原子物理学，而在它们的论文中又把它们的原子看作是小行星系，如此等等，以至无穷。如我们已经说过的那样，这里在暗中总是隐藏着康德的二难推论：一方面很难设想物质总是可以一次又一次地分割下去，但是另一方面也很难设想，这种分割必然有朝一日到一个终点。而我们今天知道，这个二难推论最终是来源于，我们错误地认为我们的直观也能够应用到很小很小的环境中去。在上一世纪，给予物理学和化学以最强的影响的无疑是德谟克利特的原子论。这种观点允许对微小尺度的化学过程作直观的描述。原子可以同牛顿力学的质点相比较，并且这样的类比导致一个令人满意的热的统计理论。实际上，化学家的原子还不是质点，而是小的行星系，而原子核又是由质子和中子复合而成的。可是人们曾这样认为，电子、质子可能还有中子，仍然可看作是真正的原子，也就是物质的最后的不可分割的构成单元。因此，德谟克利特的原子观念成了上世纪物理学家的唯物主义世界观的不可缺少的组成部分。这种原子观念容易理解而且比较直观，它决定了物理学家的思想方法，甚至决定了那些不愿与哲学打交道的物理学家的思想方法。在这里我可以论证我的主题，今天在基本粒子物理学中，好的物理学不自觉地被坏的哲学腐蚀了。
我们不可避免地在使用一种渊源于这种传统哲学的语言。我们问：质子由什么东西组成，人们能够分割电子吗，抑或它是不可分的，光量子是简单的还是复合的，如此等等。但是，所有这些问题的提法都是错误的，因为“分割”或“组成”等词已在很大程度上失去了它们的意义。因此我们的任务，是要使我们的语言和我们的思想，也就是说，还有我们的自然科学哲学，适应这种由实验所造成的新形势。但是遗憾的是，这很困难。所以错误的问题和错误的观念总是一再潜入粒子物理学中并导致错误的发展，我马上就要讲到这一点。可是在这以前，我还要对直观性作一点评述。
有这样的哲学家，他们主张直观性是一切真正理解的前提。例如，慕尼黑的哲学家丁格勒（Dingler）针对相对论就表示了这样的观点，他认为直观的欧几里得几何学是唯一真正的几何学，因为我们在建造我们的量度仪器时是以它的正确性为前提的；关于后一点，丁格勒当然是对的。因此，他这样说，人们不能用背离欧几里得几何的一般黎曼几何来描述作为广义相对论基础的实验经验；因为，否则人们就要陷入矛盾。但是这种要求显然是过分了。为了证明我们用实验做的那些事是正确的，只要知道在我们的仪器的尺度内欧几里得几何是足够好地近似正确就行了。因此我们必须容忍这样的事情，就是在十分小和十分大的尺度内的实验经验不再提供我们直观的图象。然后我们才能理解前面说过的无限小的二难推论在基本粒子物理学中已以一种非常微妙的方式解决了，这是一种既非康德也不是古代哲学家所能想到的方式：这就是说，“分割”一词失去了它的意义。
如果人们一定要把今天粒子物理学的认识同任何以往的哲学相类比的话，那本只有柏拉图的哲学才能相比；因为现代物理学中的粒子是对称群的表示（量子论就是这样说的），在这方面它类似于柏拉图学说中的对称体。
基本粒子物理学中成问题的问题提法
也是我在这里并不是要讨论哲学，而是要讨论物理学，因此我现在要谈谈在我看来是从错误的问题提法出发的那些理论基本粒子物理学的发展。首先就是这样的命题：象质子、π介子、超子以及许多其他粒子那样的已被观测到的粒子，是由更小的、未被观测到的粒子——夸克，或者还有部分子、胶子，粲粒子以及一切不管叫什么的这类假想粒子——所组成。显然，这里提出了这样一个问题：质子是由什么组成的？但是提问者忘了，“组成”一词只有当粒子能以比它的静止质量小得多的能量消耗分裂为它的组成部分时才多少有一点意义，否则“组成”一词就丧失了它的意义。对于质子也是这种状况。为了说明一个好象是明确定义了的词会失去它的意义，我不得不重述玻尔在这种场合乐于引用的一个故事。一个小孩跑到一家店销中，手中拿着两个芬尼跟店员说，我要买两芬尼的杂拌糖。店员给他两块糖并对他说，你自己可以把它们杂拌起来。对于质子，“组成”这一概念同这个小孩的故事中的“杂拌”的概念具有同样的意义。
对此会有许多反对的意见：夸克假说也是从实验经验中得来的，也就是说，SU3群的经验关系的证实中得来的，甚至超出SU3群的适用范围它也能成功地解释许多实验。这确不能否认。但我可以根据我亲身经历的量子力学的历史提出一个反证，这个反证可以明显地揭示出这种论证的弱点。在玻尔的理论提出之前，有许多物理学家主张，一个原子必定由一些谐振子所组成。因为光谱中包含了只能由谐振子发射出来的锐线。而这些振子的电荷必须对应干不同于电子电荷的e／m值，此外，因为在光谱中有许许多多谱线，就必须假设有许许多多振子。
尽管有这些困难，沃耳德玛·福格特（Woldemar
Voigt）1912年在哥丁根以下列方式建立了一个关干钠光谱D线的反常塞曼效应的理论：他假定有两个耦合的振子，它们在没有外部磁场的情况下发射出两条D线。他把振子的相互耦合以及它们和外场的耦合作了这样的安排：在弱磁场的情况下真正出现反常塞曼效应，而在很强的磁场下也可以正确描述帕邢-伯克效应。对于中等场的中间范围，由很长和复杂的平方根给出频率和强度，虽然是非常繁杂的公式，可是显然很好地符合实验结果。十五年后，约尔丹和我根据量子力学的微优理论费力地计算了同一问题。引起我们很大惊讶的是，我们得到的正好是福格特的关于频率以及强度的老公式，而且也包括关于中间场的复杂部分。其理由，如我们后来所了解的，纯粹是由于形式上的数学方法的缘故。量子力学微扰理论导致一个耦合线性方程组，方程组的本征值确定了频率。一个耦合谐振子系统在经典理论中同样导致这样一个耦合线性方程组。因为在福格特理论中人们已校正了最重要的参数，所以，用不着奇怪会得到正确的结果。但是，福格特理论没有对理解原子结构作出贡献。
为什么福格特的尝试在一方面如此成功，在另一方面又如此无用呢，因为福格特只考察D线，而没有掌握整个线性光谱的知识。福格特现象论地应用了振子假说的某一方面，而忽略了这一模型的其他的不合理方面，并且有意识地把这个问题留下来不作明确解答。实际上，他并没有十分严肃地对待他的假说。我怕夸克假说的创造者们也同样没有严肃对待他们的假说。关于夸克的统计学问题，关于把它们结合在一起的力的问题，与这种作用力相对应的粒子的问题，为什么夸克从不作为自由粒子出现的原因问题，夸克粒子在基本粒子内部成对产生的问题，所有这些问题都还或多或少没有作出明确解答。如果人们真要严肃对待夸克假说的话，那末就必须作出关于夸克的动力学和把夸克结合在一起的力的一个准确的数学假说，并证明，至少定性地证明，这些假说可以真正再现基本粒子物理学今天已知的特征。在基本粒子物理学中不应当有不能够应用这个假说的问题。我还不知道有这样的尝试，并且我还怕，每一个这样的用精确的数学语言描述的尝试都会很快导致矛盾。因此，我可以用问题的形式来表述我的反对意见：“难道夸克假说对粒子谱的理解比当时福格特的振子假说对凉子壳层结构的理解会作出更多的贡献，在夸克假说后面不是又隐藏着那个早被实验否定了的观念，即人们可以区分简单和复合粒子的那个观念吗，
我还想简要地讨论一些专门的问题。如果SU3在粒子谱的结构中起着重要的作用，并且如果根据实验的证据人们必须接受它的话，那末，它究竟是一种作为自然规律基础的基本对称性呢，还是一种从一开始就只是近似地有效的动力学对称性呢，对此作出判定，那就很重要了。如果这个判定悬而未决，那末关于作为粒子谱基础的动力学的一切其他假设都也无法判定，从而人们也不能有更多的理解。象SU4，SU6，SU12，SU2XSU2等等这种更高的对称性有更大的可能性是属于动力学对称性，它们在描述现象中可能是有用的；但是，它们的启发性价值，在我看来，同天文学中托勒密的本轮和均轮的启发性价值差不多。它们只给出关于基本自然规律的结构的间接结论。
最后还要谈一谈近年来的最重要的实验结果。这就是新近发现的具有比较大的质量（约为30－40亿电子伏）和较长寿命的玻色子。这样的状态在原则上是绝对有人预料到的，就象迪尔（Durr）曾特别强调指出过的那样。是否人们可以根据它们的长寿命的特点，近似地把它们解释为由其他已知的长寿命粒子所合成呢，这确实是一个困难的动力学问题，在这个问题中多作物理学的全部复杂性都将起作用。当然，在我看来，为此又一次引进新粒子，把已知对象假设为由新粒子所组成的那种尝试是一种完全无用的思辨。因为这又是错误地提出问题，它无助于对粒子谱的理解。
近年来，人们用日内瓦的储存环和巴达维亚加速器测量了很高能量的质子-质子碰撞的有效总截面。得到的结果是，有效截面大约随能量对数的平方而增长，这种行为早就在有关渐近区的理论中被预测到了。其他粒子的碰撞也得到同样的结果，因此这多少表示，在大加速器中已经到达了渐近区，从而人们在那里不用再期望会有什么令人惊讶的奇迹。
一般人们不应当期望用新实验得到一种“解围的神力”（Densex machina），它可以立即导致对粒子谱的理解。因为近五十年的实验对“基本粒子是什么？”这个问题已经定性地作出了十分令人满意的、不自相矛盾的、完满的回答。至干定量的细节，只能（就象量子化学中那样〕随着岁月的流逝通过许多物理学和数学的更为细致的工作来加以阐明，而不可能立即做到。
因此，我能够以一种预期粒子物理学发展将取得成功的乐观的展望来作结束。新的实验结果总是有价值的，它们首先就扩大了粒子的表册；但当它们回答了理论的关键问题时，它们就特别有意义了。在理论中人们必须尝试作出物质的基本的动力学的精确假设，而不带任何哲学的偏见。人们必须充分严肃地对待这个动力学问题，而不应当满足于含糊的假说，而对主要问题不作明确的解答。因为粒子谱只有当人们认识了物质的基本动力学时，才能真正理解；这个动力学是中心问题。动力学以外的一切只是数据表册的一种字面的描述，即使数据表册也许会比字面描述具有更多的内容。
[译自西德《自然科学》（Die Naturwissenschaften）
1976年1月号]
宇宙辐射和物理学中的基本问题
宇宙辐射，自从它在大约六十年前被发现以来，已经在物理学的发展中起了很重要的作用。从第一次证实自外层空间来到地球的射线到发现这种辐射中很高能量的粒子，发现具有意想不到的性质的新粒子，到发现自然规律中新的基本对称性，最后到发现星际空间中残余物质和磁场的大量信息，以及关于可能产生宇宙辐射的那些过程的大量信息，这是一个非常有趣的历史过程。但是我不想追随这条历史线索。
我试图把我的讲话仅限于宇宙辐射的知识进展所接触到的或大大推进了的那些物理学基本问题。我在这个讲话中主要关心的是这个非常特殊的物理学领域和成为整个物理学基础的那些基本问题之间的相互作用。在三十年代初，当宇宙辐射在本世纪最重要的物理发现之———正电子的发现——中起了必不可少的作用时，这种相互作用就显示出来了。固然，正电子的发现不是在宇宙线研究中最先作出的。狄拉克在他的电子理论中已预言了带正电的电子的对应物，但是关于正电子的存在的第一个令人信服的证据是安德森、布莱凯特和奥基亚利尼（Occhialiui）在宇宙辐射中发现的。第一批关于簇射的云室照片（在这张照片上，光子产生了电子和正电子对，而这些粒子当穿过物质时又产生光子）毫无疑问地证实了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久以后，正电子也在原子核过程中，即在β
衰变中找到了。
关于这个发现的基本重要性，我或许还得稍微多说几句。到那时为止，物理学家们或多或少不自觉地遵循古希腊哲学家德谟克利特的哲学。如果一个人试图把一块物质一次又一次地分割下去，他就会——人们这样推测——最后分到物质的最小部分而告终，这些最小的部分不能再进一步分割了，因此被称为原子。这些原子被认为是物质的不可分的、不能改变的单位，作为构成所有物质的基本单元，而原子（或者如我们今天所说的：基本粒子）应当以它们的相对位置和运动来决定各种各样物质的可见的性质。整个这幅图象，看来似乎合理，却被狄拉克的理论和它的后果——正电子的发现彻底摧毁了。决定性的要害主要不在于存在一种迄今未知的新粒子，——以后还发现了许多新粒子，对于物理学基础并没有严重的影响，要害在于发现了一种新的对称性，即粒子-反粒子共轭，它同狭义相对论的洛伦兹群，也同能量与质量的相互转化密切相关。在非相对论性物理学中，任何一种粒子的数目都是一个运动常数，就象能量和动量一样。在相对论性物理学中，这个数不再是一个合适的量子数了。譬如说，一个氢原子不一定是由质子和电子所组成，它也可以当作是质子、两个电子和一个正电子所组成，尽管后面这种组成仅仅相当于对氢的整个波函数作很小的相对论性的改正。这种状况的后果之一，就是推测在两个粒子的高能碰撞中可以产生大量新粒子，而这些可能性仅受能量、动量、同位旋等守恒定律的限制。又正是在宇宙辐射中，可以检验这种推测。
实际上，在三十年代后期，布劳（Blau）和瓦姆巴歇尔（Wambacher）在很高的高空曝光的照相底片上发现了所谓的“星”，就是在底片的同一点开始发出许多径迹。显然，一个原子核被一个射来的高能粒子击中，由于碰撞的结果，它发射出许多不同的粒子。解释这些“星”不是简单的事，因为过程的开端可能是原子核中的一种级联，这种级联同众所周知的电子-正电子级联相类似，随后就是某种原子核的蒸发。所以这些结果并不立即证实我在前面作出的推测，即仅由两个粒子的碰撞产生了多数的粒子。但是，随着时间的流逝，宇宙线实验能够得到改进，而在十五年之后，多倍地产生粒子的现象确定不移地实现了。
这些结果意味着“分割”和“组成”的概念只有有限的适用范围。就象相对论中的“同时”概念和量子论中的“位置”和“速度”概念只能在特殊的限制下使用，而当不分青红皂白地用错了地方时就失去意义一样，“分割”和“组成”的概念也只有在特定的情况下才有确定的意义。当一个粒子可以被少量能量分解为两个或几个部分，而粒子的静止质量比这一小份能量来大得很多，这时，也只有这时，人们可以说粒子由这些部分组成，并可分解为这些部分。在所有其他场合，“分割”或“组成”这类词就没有确定意义。而在两个粒子的高能碰撞中，实际发生的事是由动能产生了新的粒子。采取基本粒子的形式，能量变成了物质。但是，“基本”粒子和“复合系统”之间的区分也没有确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。所有这些很重要而又基本的结果在宇宙线研究中有它们的实验基础。
宇宙线研究的另一个引人注意的结果是1937年尼特迈耶尔（Neduermayer）和安德森发现μ子，即μ介子。这种客体起先被误认为是汤川曾预言过的作为核子间强相互作用的物质对应物的那种粒子。但是不久就弄清楚了，μ子同质子和中子这一类重粒子的相互作用是太小了；μ子不可能承担起原子核中的强相互作用。倒可以说，μ子显得象是电子的较重的哥哥，它同电子的区别仅在于它有较大的质量。μ子的发现并不象正电子的发现那样引起物理学基础发生根本性的变化，但它显示出粒子谱系中的一个有趣的特征。这个谱系被分为两个仅仅微弱地结合在一起的谱项系统，即强子系统和轻子系统。人们从原子光谱已熟悉这种微弱地结合起来的谱项系统。但是，在这两个场合中引起这种分裂的原因是否相似，还是一个没有解决的问题。μ子——加上中微子——组成了宇宙辐射中最有穿透力的部分，因此在确定作为大气高度的一个函数的宇宙辐射强度中起着重要的作用。
我或许还应当提到另一个颇为奇特的情况，在这里μ子也有助于解决一个根根本的问题。德国在大战前夕，相对论不为当权者所认可，特别是运动物体中的时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨。关于相对论可否在大学中讲授的问题，甚至还举行过审判。在这种争论中，有一次我能够指出μ子的蜕变时间应当同它们的速度有关：以接近光速运动的μ子应当比那些以较小速度运动的μ子蜕变得慢一些。——这是相对论的预言。实验结果证实了这个预言；时间膨胀能够被直接观测到，从而为开设相对论课程开辟了道路。所以我对μ子总是怀有感激之情。
战后不久，鲍威耳在布里斯托发现了μ子，它在大多数宇宙线现象中起着很重要的作用。这种客体满足了汤川所表述的强相互作用的物质对应物的全部条件；后来知道，这种粒子不是这类粒子中的唯一的一种，而不过是质量最小的一种强子。不久，差不多在所有高能事件中都发现了它。此外，π子变为μ子和中微子，结果也搞清楚了μ子的来源。
就象μ子一样，π子并没有引起物理学基础发生根本性的变化。它只证实了各种各样的粒子都是成体系的物的各种定态，因它们在基本群的变换中的不同行为而有所不同。这些群要比粒子更为根本。
那时，除了相对论的洛伦兹群，只有同位旋群被认为是基本的。它是在1932年联系着原子核物理而发现的；但首先是通过π子，它的基本特性才被完全了解。关于π子的宇宙线实验证明，同位旋群对于强相互作用是严格对称的，而只有电磁相互作用和弱相互作用破坏这种对称性。只要假设构成粒子港基础的自然定律在同位旋变换下是严格不变的，就可以解释上述结果，而对于这种对称性的偏离是由于不对称的、简并的基态所引起。在固体的量子力学中，类似的情况是众所周知的。
几乎与发现π子同时，在宇宙辐射中也发现了其他一些粒子，它们比π子重，而它们的行为有某种“奇异性”。它们有相当长的寿命，数量级为10－10
秒，因此它们的径迹可以在云室和乳胶中观测到。但是如果只考虑已知的对称性和相应的量子数（重子数、同位旋、角动量〕，这种长寿命就不能理解。人们所预期的寿命要比这短得多，就此而论，它们的行为是奇异的。正确的解释是1952年由派司（Pais）作出的，他引入了一个叫做奇异性的量子数和相应的对称性（或变换性）。这样，宇宙线研究引入了一个新的对称群；并且因为如我在前面所指出的，群比粒子更重要，这又是对物理学基本问题一个很根本的贡献。
当时大多数物理学家普遍同意，如果寿命很短的客体可以被观测到，就可以发现另外的一些粒子。这些粒子不过是成体系的物的一些定态，因此人们可以预期有许多不同的粒子，它们大多具有很短的寿命。这样的客体只能作为所谓共振态而被观测到，而为了这个目的，需要有比宇宙线观测所能提供的更好的统计资料。对于粒子物理学家说来，幸运的是第一批大加速器在当时已经建成并开始运转，这些加速器就是：布鲁克海文的同步稳相加速器、伯克利的高能质子加速器和日内瓦欧洲原子核研究中心（CERN）的质子同步加速器。在此后的一个长时期内，粒子物理学的重要结果都是用大加速器得到的，而宇宙线研究把它的注意力主要转向天体物理学问题。这种发展趋势是不可避免的，但并不总是符合粒子物理学家的愿望；这是一个可悲的转变。
浪漫的时期过去了，在那个时期，在高海拔的高山实验室对云空照片的研究，可以同滑雪和登山相结合，或者，气球实验可以象我们的意大利朋友所做的那样，在意大利海军的飞机和军舰的支援下，从地中海的一个风景秀丽的岛屿出发。无疑，地中海和煦的太阳对科学实验的成功已作出了贡献。但是，这个欢乐的时期现在已经一去不复返了，粒子研究必须在大加速器机构的“干巴巴的”气氛中进行。
在天体物理学中，宇宙辐射成了一个很有价值的新工具，它有可能在恒星的可见光和红外光所得的信息之外提供新的信息。第一个问题当然是宇宙辐射的起源。福尔布希（Forbush）已经认识到，宇宙辐射的某些低能部分偶尔也从太阳发射出来，就是从太阳表面的某种湍流现象发出。但是很快就知道，要对宇宙线的起源问题作确定的回答，需要对恒星之间、我们的行星系中（这里我可以提醒你们注意比尔曼（Biermann）最先讨论的太阳风）、我们的银河系中、最后在河外空间中的等离子体的电磁场有充分的知识。对这些电磁场的研究成了近年来天体物理学的中心部分，并且利用宇宙辐射已得到了许多信息。关于它的起源，现在普遍的意见似乎是：超新星和它们的遗骸脉冲星是高能宇宙线的主要来源。但是，我不想深入探讨天体物理的细节，而想回到我最初提出的问题：宇宙辐射在哪些地方触及了物理学的基本问题？
我刚才提到了脉冲星，它属于迄今为止观察到的具有最大密度的恒星。它们的物质密度可以和原子核的密度相比较。它们由引力聚集在一起。这样的恒星引起了两个基本问题：一个涉及物质中引力和其他相互作用力之间的关系；另一个涉及到那种较高密度甚至更高密度的物质的状态方程。但在我进入讨论这些问题之前，我还想提一下，甚至在有了大加速器的时代，宇宙线研究对粒子物理学的很重要的问题也有几个很有价值的贡献。
宇宙辐射的粒子具有高达1019电子伏的能量，显然这样高的能量是加速器所不能达到的，至少在最近的将来是不可能达到的。因此，对于这样极高能量的粒子的碰撞只能在宇宙辐射中加以研究。即使低的强度和很少的统计资料不利干得到准确的结果，但还是提出了这样的问题：簇射的截面和其他特性在极高能量范围内应当怎样随能量而变化？在远远超过普通粒子和共振态的能量的地方，是否有一个渐近区，在那里不会发现或预料不会出现比较惊人的新事件或比较剧烈的变化吗，从宇宙辐射所得到的关于这个问题的信息不过是一个模糊的提示，但它还是刺激了理论研究，这种研究在二十多年前导致了这样的推测：任何强子的整个碰撞截面在高能时应当随能量的对数的平方而增加。因此应当有一个渐近区，但是在这个区域中，整个截面不应当是常数，它们应当按照对数的比例而增加。这种推测已在最近用欧洲原子核研究中心的储存环和用巴达维亚加速器所做的实验中得到证实。渐近区域似乎在系统的质量中心从100亿电子伏数量级的能量开始，在欧洲原子核研究中心的储存环中已得到500亿电子伏质子-质子碰撞。巴达维亚加速器的主要贡献是得到这样的结果：对于π子或K子和质子的碰撞也可以观察到对数增加。这对于有一般的渐近区的假设是一个强有力的有利论据，而且这种渐近区在这些实验中已经达到了。为了理解这种渐近区，把粒子描述为连续物质的近乎球状的云就足够了，而丝毫不用涉及组成这些云的粒子本身。这是可以令人满意的，因为“组成”一词在粒子物理中通常已失去它的意义。
近十年来，另一个问题占据了粒子物理学家的思想。我们知道SU3群在粒子谱中起着一种近似对称性的作用。SU3的最简单表示是三维的，因此人们可以期望对应于这种表示应该有三个粒子组成的三重态；这些粒子的电荷是基本电荷的1／3或2／3，它们的名称叫“夸克”。可是，这样的粒子在用大加速器做的实验中从未观察到过。因此，人们设想，夸克也许相当重，它们由很大的结合能结合在一起，所以现有的加速器还不足以把它们分开。在这一点上，宇宙辐射又显得很有用了，因为宇宙辐射的原始射线的能量可以比大加速器的最大粒子能量大几千倍甚至更多倍。甚至在宇宙辐射中也没有发现过夸克这一事实，是不存在夸克的一个很有力的论据。如果这样的结果是最终的结果，在我看来，对于“质子由三个夸克组成”这种说法很难给予任何确定的意义，因为不论是“组成”一词或“夸克”一词都没有确定的意义。那末这样的一个句子怎么能够解释呢，对于其他一些预言过但未发现的粒子，W介子、部分子、胶子、磁单极子、粲粒子，同样的怀疑也是正确的。如果它们不论是在大加速器中或是在宇宙辐射中都不能被观测到，那就难以证明它们在现象论描述中是适宜的概念。这里我们所遇到的状况是量子力学中早已熟悉了的。我们的日常语言引导我们问一些毫无意义的问题。例如，“电子绕原子核运动的轨道是怎么样的？”由于测不准关系，不论“轨道”一词或者“运动”一词，都得不到明确的定义，因此这个问题没有意义。
这把我引导到一个和宇宙辐射中的经验紧密联系的中心问题。但在我讨论问题的经验方面之前，我想先说明一下它在粒子物理学和一般物理学中的基本重要性。
从近几十年来的实验，我们知道，不同的粒子正是成体系的物的不同定态。它们用量子数表示其特征，或者，如果你愿意，也可以用它们在基本群下的变换性质来表示其特征。粒子物理学的理论上的理解只能意味着对粒子谱的一种理解。铁的光谱中单独一条谱线是无法理解的，但是整个光谱却是可以理解的，它可以归结为一个包括26个电子和这个铁原子核的系统的薛定谔方程。
光谱的理论解释的基本要亲是众所周知的，并且从经典物理学和量子力学都可以学到。我们可以设想一条弦的弹性振动，或者在一个空腔中的电磁振动，或者一个原子的定态，譬如说铁原子的定态。在所有这些例子中，我们首先需要一个关于系统的动力学性质的准确陈述，然后我们必须加上特殊的边界条件。在弦的例子中，弦的弹性和动力学性质的精确的数学表述是第一步；然后，通过陈述弦在哪里固定，我们就可以算出振动谱。关于空腔中的电磁振动，麦克斯韦方程确定了系统的动力学性质。边界条件由空腔的形状给定。由于问题的复杂性，常常不能准确地计算整个谱。但对于最低的一些振动，人们应当能够得到合适的近似结果。关于铁原子，它的动力学性质是由量子力学来规定的，那就是由薛定谔方程来规定。加上波函数必须在无穷远处等于零这样一个补充条件，这些定态就确定了。如果原子被封闭在一个很小的盒子中，这些定态就会不同。
从这些类比出发，很清楚，理解粒子谱系的首要条件是物质的动力学的精确的数学表述。显然，粒子这个词不应当进入这个表述。因为粒子是后来由成体系的物的动力学结合上边界条件来定义的；粒子是次级结构。在宇宙中，在我们的周围粒子谱无疑地可以不同于很稠密的中子星的内部，因为在这两个场合中边界条件是不同的。因此可以看出物质动力学的基本重要性，问题在于我们怎样才能掌握它的数学表述。
既然粒子概念在这里没有什么用处，动力学定律的群性质必定起决定性作用。譬如说，振动弦的动力学定律对于时间的移动和沿弦的位置移动是不变的，对于绕弦旋转也是不变的。由于边界条件，第二个不变性被破坏了，第三个不变性通常不被破坏。至于空腔中的电磁振动，对于整个洛伦兹群，动力学定律是不变的：这个不变性只是部分地被边界条件破坏。
对于物质的动力学，已经知道一些主要的不变性：洛伦兹群和同位旋群SU2。标度群可能也应该算在基本的不变性中。但我不想深入探讨动力学定律的这些对称性的细节。我宁愿回到宇宙辐射上来。宇宙辐射研究，或者更一般的天体物理学研究，怎样能对我们关于物质的动力学知识作出贡献呢，
首先谈一谈因果性。我们从色散关系知道，物质的相互作用遵循因果律。这句话的严格的数学表述或许还不完全知道，但我们有可靠的理由认为相互作用可以表述为局部的相互作用，比如就象在量子电动力学中那样。非局部的库伦力同这句话是相容的。从这样一种状况出发，说极高密度物质的研究应该给出关于这种局部相互作用的最直接的信息，从而也给出关于物质的动力学的最直接的信息，这似乎是合理的。
