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从夸克到宇宙：用粒子物理打开世界真相 
定 价：128 元
9 7 6 8 5 7 6 5 5 5 9 9 9  世间万物，都可以解释为两种夸克、电子和中微子的无限组合。理解构成世界的基本粒子，是理解宇宙的开始。 1.作为一名科普演讲老手，作者擅长绕过一切枯燥成分，用引人入胜的讲解和幽默吐槽，化繁为简，向普通大众介绍亚原子世界的奥秘，为大家提供了一趟完整的粒子物理学之旅。 首版前言 科学研究是人类有史以来有趣的尝试之一，而在我看来，物理学则是有趣的科学。其他领域的科学当然也具有它们各自令人着迷的问题，但是没有任何问题像物理学问题那样如此深刻、如此根本。即使重要的未解之谜之一生命的起源问题，也很有可能会通过有机化学领域内的研究来解答，所使用的则是人们已经在很大程度上理解的知识。而化学，作为一个宽泛的、并且有利可图的研究领域，终关注的是无限且复杂的原子组合。要解释原子具体如何结合相当棘手，但是原则上说，可以通过众所周知的量子力学观念出发估算得出。尽管化学家们有理有据地宣称，原子的相互作用是他们的研究领域，但是厘清原子本身性质的却是物理学家。虽然早期科学研究的不同领域之间的界限比较模糊，但物理学家首先发现了原子并不是真正的基本粒子，而是包含着更小的粒子。另外，也是物理学家先表明，从某些方面来看，原子可以被看作太阳系，微小的电子则围绕着一个致密、沉重的原子核运转。后来人们意识到，这个简单的模型根本不能解释所有的现象，于是我们顺理成章地踏入了高深神秘的量子力领域。尽管原子核初被认为是基础性的粒子，但物理学家惊讶地发现，原子核包含了质子和中子。同样地，质子和中子本身也包含更小的、被称为夸克的粒子。因此，人们从2500 多年前就踏上的、探求构成物质的小组成部分之旅，仍然是一个相当活跃的科学研究领域。虽然我们的理解确实比以前更加精进，但是有迹象表明，物质的构成另藏玄机。 即使在物理学领域，也存在着不同的研究方向。固体物理学和声学研究解决了简单的问题，正在向更加复杂、更难以解决的问题发起冲击。然而，仍然有一些物理学家对深刻的、基本的问题感兴趣。未解之谜依然很多，比如：现实的终本质是什么？是否存在小的粒子？或者，一旦人们把观察尺度层层缩小，空间本身是否被量子化了？如是，构成物质的小组成部分是否更应该被看作空间的振动（所谓的超弦假设）？为了理解这个世界，我们需要弄清楚哪些力？力的种类是多是少？虽然粒子物理学家希望能够研究这些问题，他们所遵循的方法却需要将不断增加的能量压缩在不断减小的体积之中。在宇宙大爆炸之后，这种高能量密度的现象在一秒钟之内便不复存在，且之后也几乎没再出现过。因此，粒子物理学的研究为另一个根本性问题提供了指引，即宇宙本身的创建及其终命运。 目前我们的认知水平尚不能回答上述问题，但是在这些方面我们已经取得了一些进展。我们现在知道了，迄今为止发现的几种粒子都成功地阻碍了我们探索它们内部结构的意图。被称为夸克的粒子构成了质子和中子，质子和中子构成了原子的原子核。原子核中没有发现轻子，但是常见的轻子，即电子，在（相对地）较远的距离上围绕着原子核运动。我们现在知道四种力：引力，让天地万物井然有序，目前看来（希望不会永远是这样）并不涉及粒子物理实验的领域；电磁力，控制着电子围绕原子核运转的行为，构成了所有化学的基础；弱核力，让太阳保持燃烧，是地球火山运动和板块构造的部分原因；强核力，将夸克约束在质子和中子内部，甚至将质子和中子凝聚在一起形成原子核。没有这些力，宇宙根本不会以现在这样的形式存在。现在我们知道了四种力，但是在过去，我们认为力的种类还有更多。17 世纪后期，牛顿提出了万有引力理论，该理论解释说，控制着天体运动的力和我们在地球上的重力实际上是同样的东西，这一点原本并不显而易见。19 世纪60 年代，麦克斯韦表明，原来人们认为截然不同的电力和磁力，其实是紧密相关的。20 世纪60 年代，电磁力和弱核力被证明实际上是同一种电弱力的不同方面。将看上去截然不同的力统一为同一种类型的力的历史已是硕果累累，而自然而然地，我们也就想知道，目前为止剩下的四种力（实际上是三种）是否也可以被看作是一个更基本的力的不同方面。 宇宙万物，即你目力所及的所有事物，从沧海一粟到无垠宇宙，都可以被解释为两种夸克、电子和中微子（这种粒子我们还没有提到过）的无限组合。这四种粒子我们称之为同一代。现代实验表明，还至少存在另外两代粒子（也可能只存在另外两代），每一代都包含四种相似的粒子，但是，每一代粒子都比前一代粒子具有更大的质量，质量更重的一代粒子迅速衰变，终变成熟悉的代粒子。当然，这就带来了更多的问题。为什么会有好几代粒子？更具体地说，为什么会有三代粒子？为什么不稳定的粒子世代更重，而各个世代的粒子看上去几乎完全相同？ 四种基本作用力的每一种都可以被解释为一种特定类型的粒子的交换，每种力对应一种粒子。我们将在本书中详细讨论这些粒子，这些粒子的名字分别为光子、胶子、W 粒子和Z 粒子，以及（可能的）引力子。所有这些粒子都是玻色子，它们具有特定类型的量子力学行为。相反，夸克和轻子是费米子，它们的行为则完全不同。为什么携带力的粒子是玻色子，而构成物质的基本粒子是费米子，我们还完全搞不清楚。一种被称为超对称的理论试图使得情况更加对称，它假设存在其他的费米子粒子，与载力的玻色子相关联，且存在其他的玻色子粒子与承载质量的费米子相关联。目前，这个想法并没有明确的实验证据，但是这个假说在理论层面非常有趣，所以寻找超对称性的研究比比皆是。 虽然许多问题仍然存在，但事实上现代物理学可以解释（在所有的衍生科学的协助下）大部分的物质存在，从宇宙到星系、恒星、行星、人、变形虫、分子、原子，终是夸克和轻子。从10-18 米，经过44 个数量级的变迁，达到可见宇宙的1026 米，从静止的物体，到每秒移动3108 米的物体，从零度到31015℃的温度范围内，所有这些条件下的物质，我们已经有了充分的了解。借用我老爸的一句话，这些研究成果简直棒呆了。 粒子物理学与宇宙学密切相关的事实也是一个非常吸引人的概念和研究领域。近的研究表明，宇宙中可能存在着暗物质……这种物质增加了宇宙的引力行为，本质上是不可见的。暗能量的设想与此相似。对于这场讨论，粒子物理学能通过寻找到高质量且稳定（即不衰变）的粒子来对暗物质的研究提供帮助，这些粒子一般并不与普通的物质相互作用（关于不可见物质的物理学）。虽然说粒子物理学和宇宙学相关是有点儿勉强，但你肯定记得，粒子物理学的低能量级别的近亲核物理学，对于恒星的形成、超新星、黑洞和中子星的物理学做出了至关重要的贡献。 至于高维空间、黑洞、空间扭曲和宇宙大爆炸本身难以度量的高温环境等令人沉迷的宇宙学问题，粒子物理学都可以做出相应的重要贡献。粒子物理学与宇宙学领域存在着相互关联的若干有趣问题。大一统问题（现实深刻的本质）、隐藏的维度问题（空间本质的结构）和宇宙学问题（宇宙的形成与消亡）的答案，需要结合许多领域的知识来解释。本书所讨论的粒子物理学只会提供一部分答案，但这是至关重要、且非常值得研究的一部分。 当然，并不是每个人都能够成为一名科学家，穷其一生致力于理解能够解释世间万物所需要的全部物理学。即使是对于专业的科学家来说，这也不太现实。但是，我很幸运。20 多年以来，我一直以严谨的态度研究物理学，而在此之前的10 多年时间里，我也是一名爱好物理学的学生。虽然我不能假装自己无所不知，但是我终学有所成，因此可以帮助推动知识的前沿。作为目前为止世界上能的粒子物理实验室费米国立加速器实验室（费米实验室）的研究员，我很有幸能够与有天赋的科学家合作，我们所有人都有着同样的目标：在深入的、基础的层面上更好地理解这个世界。这真的非常有趣。 差不多每月一次，我应邀与一群科学爱好者交流现代粒子物理研究人员所实现的物理学成就。每次我都会发现，有一小部分听众与研究者一样，对于同样的问题深感兴趣。虽然他们的理论水平还不能够让他们直接提出建设性意见，但是他们很想弄懂。所以我就叙述近的科研发现，他们也能完全听懂。物理学其实并不难。任何一位对物理学感兴趣的外行都能够理解我和我的同事所做的物理学研究。他们只需要有人用他们熟悉的、可以理解的语言将一切向他们解释清楚。这些爱好者通常是非常聪明的人，只是并非物理学专家而已。 这就是本书的写作初衷。市面上已经有很多关于粒子物理的书籍，都是为外行人写的。大部分与我交谈过的爱好者都读过不少这样的书，他们想要了解更多。还有一些书，通常由理论物理学家撰写，讨论一些推测性的理论。虽然推测是有趣的（且往往会推动科学进步），但是我们已知的内容足够有趣到写满一本书。作为一名实验物理学家，我想要写这样一本书，使得读者在阅读之后能够很好地把握我们已经知道的事情，以便能够用更批判的眼光来看待推测性的物理理论书籍。我对理论物理学家可没有什么意见，那些与我乘坐同一班公车并高谈阔论的家伙里有不少是我的好朋友。（当然啦，我是在开玩笑。我认识的大部分理论物理学家都是非常聪明且有见地的人。）但是，在介绍这些内容的时候，我想要做的并不仅仅是解释想法与结果，也希望能够加入一些实验技术的元素……你是怎么做到的？这个问题将会得到解答。 本书的内容足以自洽，你不必先阅读其他的书籍。在读罢此书之后，你应该会了解相当多的基本粒子物理学知识，而且与其他同类的书籍不同，本书会让你拥有像物理学家一样的物理学考量标准，以便对于物理学的推论建立属于自己的客观评价。推测物理学很有趣，因此在本书的后，我会介绍一些我们目前正在探究的、尚未经证实的想法。戈登·凯恩（一位理论物理学家，我保证他是个正经人）在他的《粒子花园》（The Particle Garden）一书中，创造了正在玩命努力进行的研究（Research in Progress）这个短语，简称RIP1，把已知的同未知且正在研究中的内容区分开。我很喜欢这个短语，按照优良科学传统，我会将这个奇思妙想融入本书的撰写过程中。 我写作本书的另外一个理由是，经历了5 年的升级，费米实验室加速器现在重新开始启用。两个实验其中之一是我已经参与了将近10 年的主要目标（尽管不是的目标），是寻找希格斯玻色子。这种粒子还没有被观察到（RIP ！），但是如果它存在的话，有助于解释为什么各种已知的粒子具有它们现有的质量。即使希格斯玻色子真的不存在，但是一定存在某种类似的物质，否则我们对粒子物理的理解就有着重大的缺陷。所以我们正在寻找，因为它非常有趣，我用了一章的篇幅来讲述这个研究主题。 这不是一本讲历史的书，而是一本关于物理学的书。尽管如此，在第1 章里，我们将简要地讨论从古希腊时期到20 世纪初期，人们长期以来对于自然界本质的兴趣。第2 章开篇，我将介绍电子、X 射线和放射性的发现（现代粒子物理学的真正开端），随后一直讲到20世纪60 年代，详细地解释了现代物理时代许多粒子的发现过程。物理学家直到20 世纪60 年代，才开始摸到物理学的门。第3 章讨论了基本粒子（夸克与轻子），基本粒子可以简洁地解释我们在过去60 年中发现的数百种不同的粒子。第4 章我们探讨基本作用力，没有力的存在，宇宙将成为一个相当无趣的所在。第5 章集中讨论希格斯玻色子，我们需要希格斯玻色子的存在来解释为什么在第3 章中讨论过的这些不同的粒子具有如此大相径庭的质量，对于希格斯玻色子的寻找 这篇序言的标题来自奥古斯塔斯·德摩根（18061871）在他的《悖论的预算》（A Budget of Paradoxes）一书中的一首小诗的片段（实际上是他从乔纳森·斯威夫特那里偷来的）。德摩根用这首诗评论人们看到的、从一种较大的尺度跨越到较小的尺度时的循环模式。在一个足够大的尺度上，星系可以被看作是没有结构的，但是当人们用更精细的尺度来观察，我们会发现，星系是由类似太阳系的恒星系统构成的，而恒星系统是由很多行星和恒星组成的。只要我们继续观察，所有名义上的无结构物质终都会呈现出丰富的底层结构。 大跳蚤身上有小跳蚤， 德摩根继续更加明确地强调了他的观点： 而那些大跳蚤自己呢， 我希望读者们在阅读本书时享受到的乐趣和我写作此书时一样多。科学是一种激情。纵情而为。时刻研究。时刻学习。时刻提问。否则，激情熄灭，你的内心也会渐渐死去。
唐·林肯（Don Lincoln，1964 ），实验物理学家，美国物理学会会员，美国科学促进会会员。1993年获得莱斯大学博士学位。1998年加入美国费米实验室，供职于DØ实验组，在此期间，DØ实验组与其姊妹实验组分别独立发现了顶夸克。 序 言 1 第1章 早期历史 第2章 认知之路（粒子物理历史） 第3章 夸克和轻子 第4章 力：让一切聚合在一起 第5章 狩猎希格斯玻色子 第6章 加速器与探测器：谋生的工具 第7章 即将得到解决的难题 第8章 奇异物理（研究的新前沿） 第9章 每秒重建宇宙10,000,000 次 第10章 结语：为什么要理解宇宙？ 495 附录A 希腊符号 501
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