从夸克到宇宙 用粒子物理打开世界真相

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。 2.本书内容丰富，除了粒子物理学的必要内容，本书还讲述了学科发展历史、有名科学家，介绍了世界各地的高能物理实验室、实验物理学家们的工作方式；并讨论了宇宙大爆炸、宇宙未来等一部分已知和已证实的理论，或尚未被坚定确立的可疑假设，以及对现代粒子物理实验前沿的讨论。 3.本书的内容足以自洽，读者不必事先阅读其他相关书籍，也能够掌握粒子物理学的基本知识；同时了解物理学家的物理学考量标准，对于物理学的推论建立属于自己的客观评价。

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。
本书诠释了夸克、轻子和支配粒子物理学的力的复杂世界。从物理学深刻且基本的问题，如“现实的最终本质是什么”“是否存在最小的粒子”，到宏观宇宙本身的创建及其最终命运，粒子物理学研究都提供了指引。
作者绕过复杂的数学计算，通过生动的语言、清晰的笔触、贴切的类比，带领读者从夸克的微小世界直抵宇宙深处，进行一次精彩纷呈的世界本质探索之旅。

孙佳雯，英法双语译者、自由撰稿人，擅长翻译科普类、社科类作品。拥有理学学士、社会学硕士学位。法国巴黎社会科学高等研究院博士候选人，旅居法国多年。愿以翻译为桥梁，沟通古今上下东西文化，跨越知识与日常之鸿沟，让科学变得亲切，让眼界更加宽广，让心灵获得自由。

序言1
修订版前言4
第一版前言6
致谢15
目录19
第1章早期历史
最初的沉思003
化学，让生活更美好009
愿原力与你同在013
第2章认知之路（粒子物理历史）
阴极射线024
X射线027
放射性031
电子的发现039
原子的性质048
原子核的性质057
量子力学：中场休息063
β辐射与中微子066
更多的力075
一些让你头晕目眩的东西081
宇宙射线：来自天空的粒子083
反物质电子088
这是谁安排的？090
奇异的“V”粒子096
中微子变得还要更加复杂107
第3章夸克和轻子
夸克和介子114
夸克和重子121
丰富多彩的世界124
夸克存在的最初证据127
更多夸克与轻子的发现133
顶夸克的发现136
轻子的回归147
第4章力：让一切聚合在一起
重力156
电磁力160
强力167
弱力169
力与费曼图176
费曼图与强力184
粒子喷射：亚原子猎枪187
质子结构：微型闪电风暴193
费曼图与弱力198
顶夸克的发现210
第5章“狩猎”希格斯玻色子
质量，宇称与无限性217
希格斯的解决方案222
用类比解释希格斯机制I227
科学家们有关希格斯机制的思想229
用类比解释希格斯机制II234
拼命寻找希格斯玻色子238
目前的搜索进展244
第6章加速器与探测器：谋生的工具
费米实验室一日游257
不是只有小汽车才有加速器261
不是所有的环都是求婚用的269
新一代加速器的崛起276
靶与粒子束类型278
反物质登场283
世界上的加速器287
粒子探测器：世界上优选的照相机290
电离与追踪291
热量法：测量能量302
一台探测器：诸多技术在其中309
名利双收的人如何生活315
水，不仅仅是止渴317
第7章即将得到解决的难题
1号谜团：来自太阳的中微子323
中微子啊中微子，你去哪里啦？332
凭空出现的中微子336
“超级K”发现了答案341
为什么会发生震荡？345
中微子探测器的现状349
2号谜团：反物质都在哪儿呢？352
萨哈罗夫的三个条件358
电荷、宇称，以及其他361
弱相互作用中宇称守恒理论之死366
宇称对称已死！电荷共轭宇称（CP）万岁！373
第8章奇异物理（研究的新前沿）
摆弄参数388
如果你知道苏西（SUSY）……395
“拼命地”寻找苏西（SUSY）403
大额外维度：是事实还是科幻？412
超人的吉他上有超弦吗？432
第9章每秒重建宇宙10,000,000次
宇宙的形状453
宇宙的“黑暗面”457
星系们都在哪儿呢？466
宇宙的呢喃470
“宇宙最初三分钟”475
均匀性与膨胀476
回到太初483
第10章结语：为什么要理解宇宙？495
附录A希腊符号501
附录B科学术语503
附录C粒子命名规则506
附录D基本相对论与量子力学511
附录E创造希格斯玻色子524
附录F中微子振荡530
延伸阅读535
词汇表549

     第三章 夸克和轻子 大胆的想法就像前进的棋子；即便它们可能被吃掉，但也就此奠定胜局。 ——歌德 鉴于在1950年代和之前几十年期间发现的几百种粒子，显而易见的一点是，人们缺少一种统一的原则……即一些可以给当时的粒子物理学的混乱带来秩序的想法。这种景愿此前有过很多先例。比如，在化学领域，先有化学元素周期表，然后是量子力学，解释了很多之前在原子中观察到的奇异规律。1960年代起，物理学家开始能够厘清他们长期以来所做的研究工作。在接下来的几十年中，物理学家甚至更加关注这些想法，而现在，在21世纪的最初几年，物理学家可以成功地预测他们在实验中观察到的大部分数据。在本章和下一章中，我们将详细地了解当代物理学家如何看待这个世界。我们将会看到，在早期的加速器实验和宇宙射线实验中被发现的上百种粒子如何可以被解释为12种更小的粒子的不同组合；其中6种粒子为夸克，6种粒子为轻子。 在下一章中，我们将会看到，我们只需要四种力来描述这些粒子的行为，并且按一些人的算法，这个数字还会缩减为两种。在过去的几十年中，我们对于世界的理解已经取得了令人惊异的进展。我们将在接下来三章中将要讨论到的这套理论和思想称为“粒子物理标准模型”（或者简称为“标准模型”）。“标准”意味着它很好用，而“模型”则提醒我们它还不够完善。尽管众所周知，标准模型并不能回答所有的问题，但是它很好地解释了迄今为止人们获得的所有测量结果。这是一项很了不起的成就，即使问题依然存在，但那只是留给未来的、更进一步的研究和考察的机会。我们将在第8章中讨论标准模型不能解释的一些问题。尽管标准模型依然不完善，但它还是为我们提供了对于宇宙本质的深刻见解，以及对于宇宙其余未解之谜发起奋力“进攻”的强大基础。 夸克和介子 1960年，粒子物理学的境况令人感到很困惑。人们观察到了数百种粒子：质量较大的强子，较轻的介子，以及更轻的轻子。缺少的是一个统一的原则。1964年，两位物理学家，加州理工学院的默里·盖尔曼和欧洲核子研究组织的乔治·茨威格分别独立地提出了一个模型作为之前一直缺失的指引。他们提出设想，如果强子和介子中还包含有更小的粒子，那么它们的行为模式规律就可以被解释。茨威格将这些粒子命名为“艾斯”[ Aces，即扑克牌中的A，因为有四种不同花色，象征四种基本作用。——译注]，而盖尔曼的命名却最终被物理学领域普遍接纳采用。他将这些粒子称为“夸克”，是来自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的守灵夜》的一句话：“向麦克老大三呼夸克……”[ 盖尔曼原本想用鸭子的声音来命名夸克。但这只是一个脑海中的想法，盖尔曼本来觉得也可以写作“郭克”（kwork），后来他无意中在《芬尼根的守灵夜》中看到了“夸克”（quark）这个词，盖尔曼认为：“由于‘夸克’（字面上意为海鸥的叫声）很明显是要跟‘麦克’及其他这样的词押韵，所以我要找个借口让它读起来像‘郭克’。但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦，词源多是同时有好几种。书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。所以我认为或许‘向麦克老大三呼夸克’源头可能是‘敬麦克老大三个夸脱’，那么我要它读‘郭克’也不是接近没根据。再怎么样，字句里的三跟自然中夸克的性质接近不谋而合。”（参见盖尔曼著《夸克与美洲豹The Quark and the Jaguar》，译文来自维基百科）——译注]这个名字的选择很不寻常，并且可能就此设定了粒子物理学界相当离奇怪趣的命名风格（我们随后就可能看到）。 “夸克”的英文单词怎么发音是一个充满争议的话题（通常是在酒桌边）。 当人们看到它的命名来源的那个小说段落的时候，或许会认为它的发音类似于“马克”（mark）、“达克”（dark）、“帕克”（park）。然而，我认识的大多数人都把它读成“郭克”（kwork），与英文单词的“叉子（fork）”类似。 最初，夸克模型表明，存在有三种类型的夸克。它们分别被称为：上夸克、下夸克和奇夸克。虽然听上去有点奇怪，但是这些名字实际上是有意义的。质子和中子具有相似的质量，在早期的核子物理模型中，将它们看作是同一种粒子的两种不同的形式是可行的。这种粒子被称为核子，并且具有“同位旋”的属性。同位旋是一个复杂的概念，我们这里不会继续展开讨论，不过要提到的是，核子具有两种同位旋，一种被称为上同位旋，一种被称为下同位旋（人们当然也可以将它们命名为1型同位旋和2型同位旋，或者猫同位旋和狗同位旋，或者史蒂夫同位旋和玛丽同位旋，但是最终人们选择了上同位旋和下同位旋）。质子具有上同位旋，中子具有下同位旋。就好比男人和女人，显而易见的不同（差异性万岁！），但是人们可以认为男人和女人是人这一特定的物种的两个不同形式。男人有男性特征，女人有女性特征。 回到夸克的问题上，质子含有更多的上夸克，中子含有更多的下夸克，这就解释了为什么它们分别拥有不同的同位旋。而“奇夸克”的命名是因为人们觉