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從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 版權(quán)信息
- ISBN：9787559656599
- 條形碼：9787559656599 ; 978-7-5596-5659-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 本書特色
1.作為一名科普演講老手，作者擅長繞過一切枯燥成分，用引人入勝的講解和幽默吐槽，化繁為簡，向普通大眾介紹亞原子世界的奧秘，為大家提供了一趟完整的粒子物理學(xué)之旅。 2.本書內(nèi)容豐富，除了粒子物理學(xué)的必要內(nèi)容，本書還講述了學(xué)科發(fā)展歷史、著名科學(xué)家，介紹了世界各地的高能物理實驗室、實驗物理學(xué)家們的工作方式；并討論了宇宙大爆炸、宇宙未來等一部分已知和已證實的理論，或尚未被堅定確立的可疑假設(shè)，以及對現(xiàn)代粒子物理實驗前沿的討論。 3.本書的內(nèi)容足以自洽，讀者不必事先閱讀其他相關(guān)書籍，也能夠掌握粒子物理學(xué)的基本知識；同時了解物理學(xué)家的物理學(xué)考量標準，對于物理學(xué)的推論建立屬于自己的客觀評價。
從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 內(nèi)容簡介
世間萬物，都可以解釋為兩種夸克、電子和中微子的無限組合。理解構(gòu)成世界的基本粒子，是理解宇宙的開始。 本書詮釋了夸克、輕子和支配粒子物理學(xué)的力的復(fù)雜世界。從物理學(xué)深刻且基本的問題，如“現(xiàn)實的很終本質(zhì)是什么”“是否存在很小的粒子”，到宏觀宇宙本身的創(chuàng)建及其很終命運，粒子物理學(xué)研究都提供了指引。 作者繞過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，通過生動的語言、清晰的筆觸、貼切的類比，帶領(lǐng)讀者從夸克的微小世界直抵宇宙深處，進行一次精彩紛呈的世界本質(zhì)探索之旅。
從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 目錄
序 言 1
修訂版前言 4
**版前言 6
致 謝 15
目 錄 19
第1章 早期歷史
*初的沉思 003
化學(xué)，讓生活更美好 009
愿原力與你同在 013
第2章 認知之路（粒子物理歷史）
陰極射線 024
X 射線 027
放射性 031
電子的發(fā)現(xiàn) 039
原子的性質(zhì) 048
原子核的性質(zhì) 057
量子力學(xué)：中場休息 063
β 輻射與中微子 066
更多的力 075
一些讓你頭暈?zāi)垦５臇|西 081
宇宙射線：來自天空的粒子 083
反物質(zhì)電子 088
這是誰安排的？ 090
奇異的“V”粒子 096
中微子變得還要更加復(fù)雜 107
第3章 夸克和輕子
夸克和介子 114
夸克和重子 121
豐富多彩的世界 124
夸克存在的*初證據(jù) 127
更多夸克與輕子的發(fā)現(xiàn) 133
頂夸克的發(fā)現(xiàn) 136
輕子的回歸 147
第4章 力：讓一切聚合在一起
重力 156
電磁力 160
強力 167
弱力 169
力與費曼圖 176
費曼圖與強力 184
粒子噴射：亞原子獵槍 187
質(zhì)子結(jié)構(gòu)：微型閃電風(fēng)暴 193
費曼圖與弱力 198
頂夸克的發(fā)現(xiàn) 210
第5章 “狩獵”希格斯玻色子
質(zhì)量，宇稱與無限性 217
希格斯的解決方案 222
用類比解釋希格斯機制I 227
科學(xué)家們有關(guān)希格斯機制的思想 229
用類比解釋希格斯機制II 234
拼命尋找希格斯玻色子 238
目前的搜索進展 244
第6章 加速器與探測器：謀生的工具
費米實驗室一日游 257
不是只有小汽車才有加速器 261
不是所有的環(huán)都是求婚用的 269
新一代加速器的崛起 276
靶與粒子束類型 278
反物質(zhì)登場 283
世界上的加速器 287
粒子探測器：世界上*大的照相機 290
電離與追蹤 291
熱量法：測量能量 302
一臺探測器：諸多技術(shù)在其中 309
名利雙收的人如何生活 315
水，不僅僅是止渴 317
第7章 即將得到解決的難題
1 號謎團：來自太陽的中微子 323
中微子啊中微子，你去哪里啦？ 332
憑空出現(xiàn)的中微子 336
“超級K”發(fā)現(xiàn)了答案 341
為什么會發(fā)生震蕩？ 345
中微子探測器的現(xiàn)狀 349
2 號謎團：反物質(zhì)都在哪兒呢？ 352
薩哈羅夫的三個條件 358
電荷、宇稱，以及其他 361
弱相互作用中宇稱守恒理論之死 366
宇稱對稱已死！電荷共軛宇稱（CP）萬歲！ 373
第8章 奇異物理（研究的新前沿）
擺弄參數(shù) 388
如果你知道蘇西（SUSY）…… 395
“拼命地”尋找蘇西（SUSY） 403
大額外維度：是事實還是科幻？ 412
超人的吉他上有超弦嗎？ 432
第9章 每秒重建宇宙10,000,000 次
宇宙的形狀 453
宇宙的“黑暗面” 457
星系們都在哪兒呢？ 466
宇宙的呢喃 470
“宇宙*初三分鐘” 475
均勻性與膨脹 476
回到太初 483
第10章 結(jié)語：為什么要理解宇宙？ 495
附錄A 希臘符號 501
附錄B 科學(xué)術(shù)語 503
附錄C 粒子命名規(guī)則 506
附錄D 基本相對論與量子力學(xué) 511
附錄E 創(chuàng)造希格斯玻色子 524
附錄F 中微子振蕩 530
延伸閱讀 535
詞匯表 549
展開全部
從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 節(jié)選
第三章 夸克和輕子 大膽的想法就像前進的棋子；即便它們可能被吃掉，但也就此奠定勝局。 ——歌德 鑒于在1950年代和之前幾十年期間發(fā)現(xiàn)的幾百種粒子，顯而易見的一點是，人們?nèi)鄙僖环N統(tǒng)一的原則……即一些可以給當(dāng)時的粒子物理學(xué)的混亂帶來秩序的想法。這種景愿此前有過很多先例。比如，在化學(xué)領(lǐng)域，先有化學(xué)元素周期表，然后是量子力學(xué)，解釋了很多之前在原子中觀察到的奇異規(guī)律。1960年代起，物理學(xué)家開始能夠厘清他們長期以來所做的研究工作。在接下來的幾十年中，物理學(xué)家甚至更加關(guān)注這些想法，而現(xiàn)在，在21世紀的*初幾年，物理學(xué)家可以成功地預(yù)測他們在實驗中觀察到的大部分數(shù)據(jù)。在本章和下一章中，我們將詳細地了解當(dāng)代物理學(xué)家如何看待這個世界。我們將會看到，在早期的加速器實驗和宇宙射線實驗中被發(fā)現(xiàn)的上百種粒子如何可以被解釋為12種更小的粒子的不同組合；其中6種粒子為夸克，6種粒子為輕子。 在下一章中，我們將會看到，我們只需要四種力來描述這些粒子的行為，并且按一些人的算法，這個數(shù)字還會縮減為兩種。在過去的幾十年中，我們對于世界的理解已經(jīng)取得了令人驚異的進展。我們將在接下來三章中將要討論到的這套理論和思想稱為“粒子物理標準模型”（或者簡稱為“標準模型”）。“標準”意味著它很好用，而“模型”則提醒我們它還不夠完善。盡管眾所周知，標準模型并不能回答所有的問題，但是它很好地解釋了迄今為止人們獲得的所有測量結(jié)果。這是一項很了不起的成就，即使問題依然存在，但那只是留給未來的、更進一步的研究和考察的機會。我們將在第8章中討論標準模型不能解釋的一些問題。盡管標準模型依然不完善，但它還是為我們提供了對于宇宙本質(zhì)的深刻見解，以及對于宇宙其余未解之謎發(fā)起奮力“進攻”的強大基礎(chǔ)。 夸克和介子 1960年，粒子物理學(xué)的境況令人感到很困惑。人們觀察到了數(shù)百種粒子：質(zhì)量較大的強子，較輕的介子，以及更輕的輕子。缺少的是一個統(tǒng)一的原則。1964年，兩位物理學(xué)家，加州理工學(xué)院的默里·蓋爾曼和歐洲核子研究組織的喬治·茨威格分別獨立地提出了一個模型作為之前一直缺失的指引。他們提出設(shè)想，如果強子和介子中還包含有更小的粒子，那么它們的行為模式規(guī)律就可以被解釋。茨威格將這些粒子命名為“艾斯”[ Aces，即撲克牌中的A，因為有四種不同花色，象征四種基本作用。——譯注]，而蓋爾曼的命名卻*終被物理學(xué)領(lǐng)域普遍接納采用。他將這些粒子稱為“夸克”，是來自詹姆斯·喬伊斯的《芬尼根的守靈夜》的一句話：“向麥克老大三呼夸克……”[ 蓋爾曼原本想用鴨子的聲音來命名夸克。但這只是一個腦海中的想法，蓋爾曼本來覺得也可以寫作“郭克”（kwork），后來他無意中在《芬尼根的守靈夜》中看到了“夸克”（quark）這個詞，蓋爾曼認為：“由于‘夸克’（字面上意為海鷗的叫聲）很明顯是要跟‘麥克’及其他這樣的詞押韻，所以我要找個借口讓它讀起來像‘郭克’。但是書中代表的是酒館老板伊厄威克的夢，詞源多是同時有好幾種。書中的詞很多時候是酒館點酒用的詞。所以我認為或許‘向麥克老大三呼夸克’源頭可能是‘敬麥克老大三個夸脫’，那么我要它讀‘郭克’也不是完全沒根據(jù)。再怎么樣，字句里的三跟自然中夸克的性質(zhì)完全不謀而合。”（參見蓋爾曼著《夸克與美洲豹The Quark and the Jaguar》，譯文來自維基百科）——譯注]這個名字的選擇很不尋常，并且可能就此設(shè)定了粒子物理學(xué)界相當(dāng)離奇怪趣的命名風(fēng)格（我們隨后就可能看到）。 “夸克”的英文單詞怎么發(fā)音是一個充滿爭議的話題（通常是在酒桌邊）。 當(dāng)人們看到它的命名來源的那個小說段落的時候，或許會認為它的發(fā)音類似于“馬克”（mark）、“達克”（dark）、“帕克”（park）。然而，我認識的大多數(shù)人都把它讀成“郭克”（kwork），與英文單詞的“叉子（fork）”類似。 *初，夸克模型表明，存在有三種類型的夸克。它們分別被稱為：上夸克、下夸克和奇夸克。雖然聽上去有點奇怪，但是這些名字實際上是有意義的。質(zhì)子和中子具有相似的質(zhì)量，在早期的核子物理模型中，將它們看作是同一種粒子的兩種不同的形式是可行的。這種粒子被稱為核子，并且具有“同位旋”的屬性。同位旋是一個復(fù)雜的概念，我們這里不會繼續(xù)展開討論，不過要提到的是，核子具有兩種同位旋，一種被稱為上同位旋，一種被稱為下同位旋（人們當(dāng)然也可以將它們命名為1型同位旋和2型同位旋，或者貓同位旋和狗同位旋，或者史蒂夫同位旋和瑪麗同位旋，但是*終人們選擇了上同位旋和下同位旋）。質(zhì)子具有上同位旋，中子具有下同位旋。就好比男人和女人，顯而易見的不同（差異性萬歲！），但是人們可以認為男人和女人是人這一特定的物種的兩個不同形式。男人有男性特征，女人有女性特征。 回到夸克的問題上，質(zhì)子含有更多的上夸克，中子含有更多的下夸克，這就解釋了為什么它們分別擁有不同的同位旋。而“奇夸克”的命名是因為人們覺得這種夸克帶有一些“奇怪”屬性，這種屬性導(dǎo)致一些粒子存在的時間比通常預(yù)期的時間要長。所以這些夸克的名字雖然算不上一目了然，但卻都是具有歷史基礎(chǔ)的。 物理學(xué)家預(yù)測，夸克具有一些不同尋常的特性。質(zhì)子和電子具有等量的、相反的電荷，此外，它們被認為是具有基本的（也就是說，*小的）電荷量。質(zhì)子所帶的電荷為+1個單位，而電子則帶-1個單位的電荷。然而，夸克，正如人們*初想象的那樣，被認為具有比單位電荷更小的電荷，這是一種有些離經(jīng)叛道的假設(shè)。上夸克是帶正電的，但是電量只有一個質(zhì)子的三分之二（+2/3個電荷）。類似地，下夸克和奇夸克是被認為是帶負電的，但是電量只有一個電子的三分之一（-1/3個電荷）。反物質(zhì)夸克與它們對應(yīng)的物質(zhì)夸克攜帶同樣數(shù)量且性質(zhì)相反的電荷（反上夸克攜帶-2/3個電荷，而反下夸克和反奇夸克攜帶+1/3個電荷）。 夸克的另一個性質(zhì)是它們的量子力學(xué)自旋。正如我們之前在第2章中討論過的那樣，粒子可以根據(jù)不同的自旋被分為兩個類別：帶有整數(shù)自旋的玻色子（……，-2，-1，0，+1，+2，……）和帶有半整數(shù)自旋的費米子（……，-5/2，-3/2，-1/2，1/2，3/2，5/2，……）（在這里，省略號意味著“以此類推”）。夸克是帶有±1/2個自旋的費米子。 夸克還有其他的屬性，我們會在后面繼續(xù)討論，此刻，我們討論的是夸克是如何構(gòu)成第2章中介紹的種種粒子的。 …… …… 第6章 加速器與探測器：謀生的工具 對這些我們稱之為實驗室的神圣寓所感興趣吧。在那里，人類變得更優(yōu)，更強，更好。 —路易· 巴斯德，1822—1895 據(jù)說，高校領(lǐng)導(dǎo)們更喜歡理論物理學(xué)家而不是實驗物理學(xué)家。實驗者們需要巨大且昂貴的設(shè)備，而理論物理學(xué)家只需要紙和廢紙簍。（我聽說，他們更喜歡的是哲學(xué)家，因為他們連廢紙簍都不需要。）盡管如此吧，正是在這些復(fù)雜的實驗裝置中，人們才有了發(fā)現(xiàn)。大多物理學(xué)科普書的缺陷之一是它們往往是由理論物理學(xué)家撰寫的，于是人們究竟是如何發(fā)現(xiàn)和測量新現(xiàn)象的這一點經(jīng)常被忽視，或者至少是一筆帶過。這非常可惜，因為探索發(fā)現(xiàn)的技術(shù)與發(fā)現(xiàn)本身一樣有趣。 在前五章中，我們討論了人類歷史上*偉大的勝利之一，即在深刻和根本的層次上對宇宙的非凡理解。雖然我們的理解尚是不完整的，但是我們對宇宙的大小、速度、能量和溫度的詳細了解已經(jīng)遠遠超出了一般人類經(jīng)驗范疇，這表明了成千上萬的、專心致志的男男女女們盡其一生致力于提出棘手的難題。然而，每當(dāng)我做關(guān)于粒子物理學(xué)的公共講座時，總有些聽眾用銳利的目光把我釘在原地，并說道：“你指望我會相信你說的這些？來吧……給我拿個夸克瞧瞧。”雖然有點兒氣人，但這是個很好的問題。我們在本書中討論的物理與普通人的生活經(jīng)驗相去甚遠，讀者們也不應(yīng)該聽我說什么就信什么。事實是，夸克或者電子太小了，我們無法看到。上文中我那具有批判性思維的聽眾問的其實是：“你怎么能看到無法看到的東西？” 如果我們做很簡單的實驗，比如從高處拋擲一個球，然后測量球的落地時間，這種實驗過程是很容易被看見的，但其實總而言之，所有的科學(xué)實驗都是一樣的。我們要花一些時間來設(shè)置環(huán)境，使其條件適合測量。比如，我們想知道自己跑一英里需要多長時間。我們得首先確保賽道干燥、天氣晴朗。同時我們還要準備測量設(shè)備，比如一個秒表。在這一章中，我們首先要詳細介紹如何將粒子加速至非常高的速度。這一點至關(guān)重要，因為通常情況下，為了常規(guī)地測量現(xiàn)代科學(xué)所能達到的*有活力（并且*熱門）的狀態(tài)；我們往往需要讓兩個或者更多的粒子撞碎在一起。然而，即使我們能將具有極高能量的粒子撞碎在一起，如果該碰撞無法被記錄，那也沒有什么意義。為此，人們建造了質(zhì)量達數(shù)噸的巨型探測器。我們在這一章中，正是要重點討論這兩個任務(wù)。在本章的尾聲，我們將簡要地介紹其他不需要加速器的實驗技術(shù)。在進行技術(shù)討論之前，讓我們先來了解一下美國首屈一指的粒子物理實驗室的環(huán)境。 費米實驗室一日游 當(dāng)我和同事們每天早上去上班的時候，我們的一天就像往常一樣開始了。喝下*后一杯咖啡，擁抱孩子們，給愛人一個吻，然后便開始走向我們的車。年輕的研究生們一般既沒孩子也沒愛人，他們的晨間儀式通常是吃冷比薩或者晨跑什么的。費米實驗室的工作人員四海為家。有些人，特別是來自歐洲的同事們，住在芝加哥，每天都要長途通勤，不過他們就是喜歡這座全美*大城市之一的熱鬧勁兒。其他人，通常是我們的技術(shù)人員，住在實驗室的西邊，在那里你仍可以購買面積超過一英畝的地塊。他們的通勤距離與住在芝加哥的同事們差不多，不過他們一路上沒有堵車，看到的是寬敞的道路和廣闊的農(nóng)場。 然而，費米實驗室的大多數(shù)工作人員都住在附近的社區(qū)。在這些富裕且保守的城鎮(zhèn)中，許多當(dāng)?shù)剡x票在每個職位上只投給一位候選人，這個區(qū)域會投票給共和黨就如同芝加哥人會投給民主黨一樣板上釘釘。唯一一個不同尋常的社區(qū)是奧羅拉，緊鄰費米實驗室的西南部，那里的人口結(jié)構(gòu)更加多樣化，也更加有趣。這些城鎮(zhèn)曾經(jīng)都是獨一無二的，但是郊區(qū)的擴張卻是一股同質(zhì)化的力量。隨著城市周邊的發(fā)展，郊區(qū)的無序擴張將它們聯(lián)系在一起，形成了一個巨大的芝加哥大都市區(qū)，區(qū)內(nèi)各地缺乏特點，很多人視其為地域多樣性的消亡，對其痛斥。每個城鎮(zhèn)一直以來都在抵制這種蔓延趨勢，并且取得了不同程度上的成功。大多數(shù)城鎮(zhèn)至少保留了一些原來的特色，在鎮(zhèn)中心有許多有趣的小商店。 雖然人們可以從四面八方來到費米實驗室，但是一旦進入這里，一切都不一樣了。雖然費米實驗室目前是世界上*高能的粒子加速器的所在地，但是當(dāng)你進入實驗室的時候，并不會察覺到這一點。整個實驗室看起來像是一座公園，一大片廣闊的、未開發(fā)的土地，被城市的蔓延所包圍。實驗室占地約6800 英畝，很大程度保留了千年以來伊利諾伊州北部的原初風(fēng)格。費米實驗室主要由開闊的草地構(gòu)成，其間點綴著小樹林，費米實驗室的科研目標中包括試圖恢復(fù)原始草原上的植物群和動物群。費米實驗室甚至擁有一小群數(shù)量維持在50~100頭的美洲野牛。數(shù)百只白尾鹿、土撥鼠、土狼、野雞、蒼鷺、白鷺、紅尾鷹，以及成千上萬只路過的加拿大雁，在這里定居，它們的生活就像數(shù)百年來的一樣。你會看到一些孤零零的樹木點綴在廣闊無垠的大地上，像是威風(fēng)凜凜的哨兵，他們注視著人們與粒子的來來往往，甚至季節(jié)的更替，始終泰然自若。 雖然人們對實驗室的*初印象讓人聯(lián)想到自然保護區(qū)，但實驗室的主要目的是進行世界頂級的粒子物理研究。該研究項目的核心是費米實驗室的兆伏特電子加速器，這是一臺大型的粒子加速器，環(huán)狀，周長約4 英里。在加速器周圍有6 個“相互作用區(qū)”，在區(qū)域內(nèi)，兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的質(zhì)子束和反質(zhì)子束發(fā)生碰撞。這些相互作用區(qū)域中，有兩個區(qū)域中建有建筑物，每個建筑物中都有一臺粒子探測器。這兩臺探測器在設(shè)計上和功能上都很相似，盡管使用了相當(dāng)不同的技術(shù)。它們每臺質(zhì)量約5000 噸，需要大約500 位物理學(xué)家和相當(dāng)數(shù)量的費米實驗室技術(shù)人員來保證其運行。 …… ……
從夸克到宇宙:用粒子物理打開世界真相 作者簡介
唐·林肯（Don Lincoln，1964— ），實驗物理學(xué)家，美國物理學(xué)會會員，美國科學(xué)促進會會員。1993年獲得萊斯大學(xué)博士學(xué)位。1998年加入美國費米實驗室，供職于DØ實驗組，在此期間，DØ實驗組與其姊妹實驗組分別獨立發(fā)現(xiàn)了頂夸克。 作為一名多產(chǎn)的作者，他也積極參與了費米實驗室的教育和公共推廣項目。他認為任何科研工作者都有責(zé)任與他人分享自己的研究成果。他也熱衷于公開演講，并將前沿物理研究的意義傳達給不同受眾，曾在許多國家為不同群體做科學(xué)演講。
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