从古原子论的提出，到夸克模型的建立，历经两千余年。在探索微观世界漫漫征途中，人们克服了重重困难，攻克了一个又一个难关，取得了丰硕的成果：敲开了原子的大门，揭示了原子核的秘密，确立了强子结构的夸克理论，所有这些令人鼓舞。然而，微观世界奇妙无穷，深奥莫测，尚有许许多多未开垦的处女地，有些未知领域属于世界性的难题，等待人们深入研究，探寻答案。现就一些具有代表性的题目概述如下。
μ粒子之谜
μ粒子是轻子族中重要成员，早在1937年人们就结识了它。六十多年过去了，人们还没有认清它的卢山真面目，仍披着一层神秘的面纱，令人迷惑不解。
μ粒子在宇宙射线中被发现时，就给人们以假相。误认为是核子间相互作用的传递者，为汤川秀树提出的核力介子理论找到了依据，着实让人兴奋不已；可进一步研究发现，μ粒子与强相互作用无缘，它担当不了这个角色，令人啼笑皆非。直至π介子降临，才使问题圆满解决。
μ粒子与电子堪称孪生兄弟，除了质量不同以外，其他性质没有什么两样。可电子在构造多姿多采的大自然中，占据重要位置，可谓个小神通大；而μ粒子呢，它来到宇宙间起什么作用，扮演什么角色，至今人们还不清楚。这是摆在世人面前一个未解之谜。
μ粒子很不稳定，寿命只有2.2×10-6秒。在宇宙间生存短暂，很快便通过弱相互作用衰变为电子与中微子，即
μ-→e-+e+νμ
相应的反粒子也同样存在这种关系：
μ-→e++νe+μ
π介子也是很不稳定的一种粒子，寿命也仅有2.6×10-8秒，很快衰变为μ粒子与中微子，其过程是
π-→μ-+μ
π+→μ++μ
从这些衰变关系中，人们不难看出π、μ、e之间存在着一定的联系。π介子的衰变是μ粒子的一个重要来源；μ粒子衰变为电子又是它消亡的重要渠道。π介子与电子e的作用是十分明确的。依据π→μ→e变化关系，μ粒子存在的意义能悟出点道理吗？
寻找分数电荷
1833年，法拉第通过实验总结出著名的电解定律，从而揭示出电荷存在基本单元；1881年，爱尔兰物理学家斯通尼提出电荷的最小单位为“电子”，意为电荷的量子。电子电荷用符号e表示，它是物体所带电荷的最小单元，任何一个物体所带电荷都是电子电荷e的整数倍。例如，某一物体，或某一带电粒子所带电荷用Q表示，则有
Q=ne
n为正整数，取值为n=1，2，3，……百余年来，电荷这种量子化的思想已经根深蒂固，至于为什么会是这样，还没有找出正确地解释。
到了20世纪60年代，人们在探索强子结构中，夸克理论明确指出，组成强子的夸克带有的电荷，不再是电子电荷e的整数倍，而是13e的整数倍。比如，u夸克、c夸克、t夸克所带电荷为23e；而d夸克、s夸克、b夸克带电量为-13e。分数电荷的提出，是对传统观念的挑战，因此，引起物理学界普遍兴趣与关注。
分数电荷的存在，仅仅是一种理论预言，是否符合实际，还需要通过实验验证。于是，便掀起一场寻找分数电荷的热潮。1977年4月，在铌球实验中，发现±23e电荷存在的迹象；继而，1981年，又有人证实了这个结果。近十几年中，这方面实验情况的报道尚不多见。因此，寻找分数电荷，仍将是高能物理学中，做为一个世界性的研究课题带入21世纪。
夸克禁闭之争
大量确凿的证据，断定强子是有内部结构的，而且夸克模型已被世人公认。于是，众多国家投入大量的人力、物力，建造大型加速器和探测装置，采用各种各样的实验手段试图发现自由夸克，这些夸克能够独立存在，就好像脱离原子的自由电子那样。让人们真的从实验中能够目睹夸克的风采，而不是强子的面孔。然而，从夸克模型诞生至今，已经过去了30多年，却始终没有见到自由夸克的踪影。
一方面，有大量实验事实表明夸克的确存在于强子中；另一方面，人们又一直看不到独立的自由的夸克。这是为什么呢？粒子物理学家众说纷纭。有人认为，目前之所以没有发现自由夸克，是因为轰击强子的炮弹能量还不够大，以至于无法将夸克从强子中分离出来，自然看不到。按照这种观点，寻找自由夸克仅是个时间和条件的问题。传递弱相互作用的中间粒子，从20世纪60年代提出，经过20余年苦心探寻，随着高能量正负质子对撞机的问世，终于如愿以偿。寻找自由夸克的难度会更大，所需时间也会更长。为此，美国曾计划投资上百亿美元，建造一台世界上最大的超导超级对撞机（简称SSC）。这项巨大工程，给物理学界带来了惊喜和美好的前景。但由于耗资太多，1993年10月，美国国会做出了停建的决定，使得这一宏伟计划变成了泡影，物理学界众多科学家陷入了难以言表的震惊。
现在众多的粒子物理学家，倾向于认为夸克被囚禁在强子中，要想将夸克从强子中分离出来，需要施加无限大的能量。比如，要想将π介子中的夸克与反夸克分开，使之成为独立状态，外界必须提供无限多的能量才能办到，显然这是不可能的。加速器再大，也不可能将粒子的能量加速到无限大。因此，人们只能看到强子，无法看到自由的夸克。夸克将永远被囚禁在强子内部，根本不存在自由夸克，这种现象称为“夸克禁闭”。但在强子内部，束缚夸克的能量却非常小，它们几乎可以自由活动。
自由夸克是否存在的问题，是新的世纪之交物理学面临的两大难题之一。今后，寻找自由夸克的任务仍很艰难，结果如何，人们正期盼新的世纪中能给出圆满的回答。
质子真的不会衰变吗？
1974年，物理学家乔治和格拉肖提出将强相互作用、弱相互作用与电磁相互作用统一起来的重要理论，称为大统一理论。在这种理论中，预言了重子是不稳定的粒子，它也可以发生衰变。既然如此，就引发出一个令人费解的难题：质子是重子家族中重要成员，也是最轻的重子，毫无例外，质子也必然会发生衰变。但是，长期以来，人们一向认为质子是绝对稳定的，从来没有人观察到质子衰变的事例。理论推算，质子的寿命可长达1031年。这是个什么样的概念呢？相当于1031个质子，在一年中仅有一个质子发生衰变。假如利用水中的质子进行实验的话，在一年之内，要想能够观察到一个质子发生衰变的事例，实验中需要用100吨的水。因为1吨水中大约含有1029个质子，100吨水中包含的质子数刚好相当于1031个。
近20年来，包括我国在内的许多国家和地区，诸如美国、日本、印度、西欧等进行了大量的实验研究。为了排除来自宇宙射线的影响，实验需要在地下深处进行。比如，在深山洞里，或者在废旧的矿井中进行。在制作好的大容器中，装入1000吨水，并且在许多部位安装上探测器，一旦有质子衰变发生，立刻可以记录下来。依照理论计算，一年当中，应当观察到10个质子衰变的事例。令人遗憾的是，时至今日，仍未有观察到质子衰变事例的报道。
质子究竟会不会发生衰变，这是粒子物理学领域最热门的话题之一，它关系到大统一理论的前程与命运。因此，继续深入探寻质子衰变的实验研究，将成为21世纪一项世界性的重要课题。
大统一理论
19世纪，完成了电与磁现象的统一；1983年，传递弱相互作用媒介粒子的发现，标志着弱-电相互作用统一的实现。进而寻找强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的共同本源，将它们统一起来，又将成为一种罕事。而弱-电相互作用的统一，也为实现强-弱-电相互作用的统一展现了美好的前景，而大统一理论实现的关键在于寻找质子衰变的事例。
近些年来，有人大胆地提出，存在于自然界中，表面看起来性质完全各异的4种基本相互作用有着共同的本源。进一步揭示它们更深层次的微观机制，探求共同基源，将它们统一起来，是科学家们长期梦寐以求的。为实现这一目标，需要建立更大的统一理论，即所谓的超统一理论，这将是一项极为重要的理论工程和实验工程。
强、弱、电、引力4种相互作用，尽管它们的作用强度彼此相差悬殊，性质千差万别；但实验中发现，在一定的条件下，作用强度可以相互转化。例如，强相互作用和弱相互作用的强弱与粒子所处的状态密切相关。同一种粒子，在能量足够高的情况下，它表现出来的弱作用可以变得很强，而强作用又可以变得很弱，这样便可减小它们之间强弱的差距。这种情况说明，各种相互作用的弱与强不是绝对的，同时也反映出它们之间存在着内在联系。
另外，各种相互作用的传递机制是相同的，都是依靠中间媒介粒子来实现粒子间的相互作用。从这一点也可以看出，各种相互作用彼此之间不是相互孤立的，很可能在更深的层次中有其共同的本源，这4种相互作用只是同一种作用的不同表现形式。正如我们在第五部分中谈到的：质子与中子统称为核子，质子和中子只是同一种粒子的不同带电状态。
理论物理学家常常希望把一些表面看来彼此分离的现象，归结于一个简单的理论。一旦这项工作取得成功，便标志着物理学史上一次大的飞跃。电磁现象和弱-电相互作用的统一都是有力地证明。因此，对于各种相互作用，寻根探源，把它们统一起来，已成为物理学界一项重要的研究课题。
随着科学技术的发展和高能量加速器与先进探测装置的诞生，为人类探索粒子间各种相互作用的统一提供了良好的条件。深信，经过一代又一代科学工作者的潜心研究、艰苦努力，这幅诱人的画卷一定会展现在世人的面前。
