描述
开 本: 16开纸 张: 纯质纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787553673561
世界*物理实验室CERN科学家为你解读粒子物理的前世今生，北京大学物理学院教授钱思进倾情翻译！
打破粒子物理的高冷面具，硬核知识配上精彩比喻，每个人都能读懂的粒子物理简史。“如果所有的物质都是由乐高砖块制成的，基本粒子就是乐高砖块的样子”“这个场的‘花’抓着粒子们的脚，他们再不能自由行动了”……从物质的构成到标准模型等硬核知识点，遇上精彩比喻，科普扫盲不能再配哦！
全彩四色印刷，重点一目了然，同时满足不同读者需求。蓝色内容为专业内容，物理爱好者可作延伸资料阅读。物理小白可直接忽略，不影响上下文理解。
宇宙95%的部分，至今仍是个巨大的谜团，但在CERN工作的科学家们却不这么想。对他们来说， 宇宙不是未知，而是未来的知识宝库。位于瑞士的 CERN，是世界*粒子物理实验室，无数重大科学成就在此实现。 尽管CERN 设有定期开放日，但外人仍鲜有机会一窥全貌。作者宝琳·加尼翁博士，在CERN工作长达19年，这次她将带领读者实地走访位于地底100米深处的实验室。
从诗意的粒子到壮美的宇宙，物理学家如何在其间探索物质的奥秘？为什么希格斯玻色子的发现那么重要？为什么发现它如此艰难？ CERN 又是怎么发现它的？粒子物理学未来将向何处发展？还有什么新发现值得人们期待？都能在本书中找到答案。
引言/1
第1章 物质是由什么构成的？/5
第2章 希格斯玻色子是怎么一回事呢？/27
第3章 加速器和探测器：基本的工具/41
第4章 希格斯玻色子的发现/68
第5章 宇宙中黑暗的一面/93
第6章 超越标准模型，邀请超对称理论来救援/129
第7章 基础研究能给我们什么好处？/149
第8章 CERN的实验：独一无二的管理和合作模式/169
第9章 物理研究中的多元化/188
第10章 下一个重大发现将可能是什么？/208
附录A 在欧洲核子中心工作的101个国家（或地区）的人员中女性所占的百分比/221
附录B 米列娃·马利奇·爱因斯坦的地位和角色/225
致谢/239
引言
你们中的很多人可能已经听说过2012年希格斯玻色子的发现和欧洲核子中心（CERN，即欧洲粒子物理实验室）的大型强子对撞机（LHC）。但是我们现在处在什么阶段？粒子物理学的下一个挑战是什么？下一个重大发现可能是什么？如果你希望更好地理解构成我们周围万物的粒子是什么东西，了解基础研究是如何进行的，并弄清楚现在粒子物理学的状况，请继续读下去。
这是一本为非专业人士撰写的图书，尽可能使用简单的术语。更专业一些的读者也会在这里找到“全局视角”，而它常常在人们开始专门的研究后就被不幸地忽略了。本书旨在用普通人能够理解的、更接地气的方式解释粒子物理学引人入胜的世界，而不必让数学或过于详细的解释模糊了主题。有一些好奇心应该足够了，阅读本书并不需要超出高中水平的高等数学或科学概念的预备知识。
这本书为了保留要点，省略了几个历史节点和数学细节。我们物理学家往往倾向于用绝对正确的嗜好来模糊主题，但这本书恰恰相反。虽然这本书在科学上是正确的，但它的目的是接地气，里面既没有公式也没有复杂的计算。任何拥有最基本兴趣的人都可以读完它而不至于过多地陷入困境，了解到那些诱发了成千上万个从事这类研究的科学家的激情。
然而，我也不想亏欠那些喜欢刨根问底的读者，因此在书中提供了他们可以期待的详细信息。这些细节已被收集到正文之中的文本框里，以减少那些主要想了解全景概貌的读者的阅读量。市场上还有几本更专业的书，可以让热心读者更深入地阅读。如果你是一个好奇的人，只是想知道你纳税的一部分是如何用于资助科学研究的，这本书就是为你准备的。你也可以从粒子物理研究中获得的非凡的知识中受益。如果你认为，更好地理解我们周围的世界而产生的愉快，还不足以证明为研究投入的巨额资金是合理的，书中将有一整章探讨基础研究带来的深刻的经济和社会影响。
在阅读此书时，如果觉得某一段似乎太难了一点儿，请继续读下去，或者跳到下一节；在读书的过程中，复杂的程度并不会增加。从本质上说，每一章的阅读都可以独立于其他章节。所以如果你有一点儿失落（这有时候可能发生），请放心：所有的章节都以一个简短的总结结尾，在那里会再次概括该章最重要的信息。这些摘要将允许你跳过某一节甚至一整章来迎合你的口味。我希望通过这样的安排，每个人都能找到他或她所需要的东西——不论他们是在寻找新知识的好奇的退休人员，还是渴望开阔眼界的学生，又或者是我的亲朋好友和他们的邻居们。
这本书首先解释了粒子物理学的目标和对基本粒子世界的描述。然后，我们会进入这个主题的中心，去发现希格斯玻色子的性质和它发挥的独特作用。我们将看到LHC上的基本粒子是如何产生的，物理学家们是如何探测它们的。再然后，我们将前进一大步，从无穷小到无穷大，认识到目前粒子物理学中所有的知识不过只解释了整个宇宙内容的5%，其他的一切都有待发现。这表明另一个更广泛和更包容的理论不久就可能会取代目前的标准模型。
粒子物理实验的成功依靠的是一种独特的管理方式，每个实验的管理团队，按照预先约定的机制来协调各种活动，而不是把领导的观点和命令强加给人们。因此，来自几十个不同国家的成千上万的科学家们从事着高度自治的工作，没有命令或直接的监督，仅仅通过共同的目标团结在一起：去发现物质世界是如何运转的。多样性意味着创造力，尽管已经在多样性发展方面颇有进展，但是粒子物理学仍然可以通过欢迎更多不同的性别、性取向、人种和体能的人们去争取更丰硕的成果。
这本书以不久的将来作为结尾，并探讨未来10年或20年内粒子物理学的下一批重大发现。我们很可能处在一场巨大的科学革命的边缘，我希望我的书能帮你避免被甩在后面。你也可以从书中发现希格斯玻色子是怎么一回事，以及更好地理解当今物理学中的一些关键问题的其他重要课题。
从加速器到宇宙学，宝琳•加尼翁向读者详细而全面地展示了科学家眼中的自然界。如果你想知道粒子物理学家们是如何工作和思考的，这本书是不错的开始。——肖恩•卡罗尔，《寻找希格斯粒子》作者
本书以CERN内部科学家视角出发所呈现出的有趣内容，特别是其中对大型强子对撞机使用方式的洞察，是我在其他地方从未见过的。——布赖恩•克莱格，《科技新时代》美国版期刊撰稿人
宝琳·加尼翁在书中展现了CERN精彩的科学探险。这次探险证实了希格斯玻色子的存在，并且预言了，揭开暗物质之谜或反物质的消失等几个重大谜团，将会带来的物理学革命。——宝琳·格拉韦尔，蒙特利尔LeDevoir报纸科学撰稿人
我对本书感到深深地着迷，你也应该读一读，每个人都能读懂。加尼翁女士很擅长用通俗的语言和图像解释极其复杂的概念和现象。——凯瑟琳·佩林，加拿大广播电台MédiumLarge主持人
宝琳·加尼翁在粒子物理领域非常专业，这本书证明了这一点。对于粒子物理学在当今所处的位置，本书做了非常全面的介绍。作者使用了丰富多彩的比喻，让复杂的概念清楚易懂。*重要的是，作者让读者一瞥CERN内部的运作方式，并详细描述了其庞大的国际合作组是如何获得新的发现的。本书的出现不负众望。如果你想要了解大型强子对撞机的第二运行周期，那么就必须及时阅读这本书。——利奥妮·穆克，《自然》杂志高级编辑
在大型强子对撞机对希格斯玻色子进行为期两年的搜索期间，宝琳·加尼翁博士的博客是大众获取信息的关键来源，它让不理解专业术语的普通人也可以跟踪整个发现过程。如果想要理解希格斯玻色子的发现如何重要，以及未来可以从大型强子对撞机发现什么，这本书将是必不可少的读物。——罗伯特·埃文斯，路透社前驻日内瓦记者
强烈推荐本书。这是一本很棒的大众入门读物，尤其是它的写作角度——一种令人惊讶的、受欢迎的女权主义视角。——《泰晤士高等教育》
现存物质的最小成分是什么，它们是如何结合在一起构成我们所看到的周围所有的物质的？回答这个问题正是粒子物理学研究的目的。物理学的这一分支的目标就是寻找物质的最小（不能再被分解成更小的部分）颗粒，以及它们之间相互作用的方式。
假设有一个地方，那里所有的材料都是由乐高砖块搭制成的（见图1.1）。那么，如果我问你“这些物质的最小的部分是什么”，答案将会很简单。拆开各种用乐高搭成的物体就足以看到构成这些物体的最小的乐高砖块，从那里可以推断出，一个完全由乐高砖块构成的世界中的基本粒子是什么。所有的东西都可以由这些基本的砖块建成，所有现实世界的物质也同样如此：它们都是由“基本砖块”组成的，只不过这些不可分割的最小部分太小了，很难被看到。而且，要把物质分解成最小的成分几乎是不可能的。
关于“物质的最小颗粒是什么”这个问题由来已久。有史以来，很多人都提出了同样的问题。两千五百年前，有两位希腊哲学家——留基波（Leucippus）和他的追随者德谟克利特（Democritus），当他们提出原子论时就已经有了正确的观念。这个学说指出，所有的物质都是由原子和空洞的空间组成的。在古希腊语中，原子的意思是“不可分割”，即不可分解成更小的部分。遗憾的是，十九世纪的科学家们太仓促地断定他们已经找到了这些不可分割的元素。于是，这个名字被错误地用在如今我们所说的原子上。然而，我们现在知道，这些原子是复合物体，可以分解为更小的组分。
最小的物质颗粒
那么，现实世界中的基本粒子是什么呢？要在现实世界中回答这个问题比在使用乐高砖块的假想世界中困难得多，因为我们很难看到最小的组件。但在物理实验室里，物理学家们可以看到。物质确实是由原子构成的，但是原子并不是最基本的。它们是复合物体，如图1.2所示。它们有一个包含质子和中子的原子核，电子在原子核的周围形成（概率）云。因此，原子大部分是由空洞的空间构成的。为了感觉原子的大小，想象一下原子核像你的身体一样大。然后，电子将比头发丝还细小，在约20公里以外围着你转。因此，物质主要由真空和一些基本粒子组成。我们现在来看看，它们是怎么抱在一起不散开的，以及物质为什么看起来像固体。
由此可知，原子由其他粒子组成。甚至质子和中子也不是不可分割的：它们是由夸克和胶子构成的，后者的作用是将夸克捆绑在一起。最终，在物质的核心里，唯一不可分割的粒子就是夸克和电子。我们稍后就会回来再谈胶子。
质子和中子的结构组分
质子和中子是由夸克组成的。我们通过组合两个上夸克与一个下夸克来获得质子。上夸克具有 2/3的电荷，即电子的单位电荷的三分之二。下夸克有-1/3的电荷。因此对于质子，我们具有上 上 下，或 2/3 2/3-1/3=1，从而电荷为 1。中子包含两个下夸克和一个上夸克;因此我们有 2/3-1/3-1/3=0所以它是电中性的。
这在图1.3的示意图中由来自“粒子动物园”的“小生灵们”展示。朱莉·佩斯利（JuliePeasley）学的是缝纫，但热衷于做动物园管理员，她在参加了一次关于粒子物理学的公开演讲之后就开创了“粒子动物园”。我将在整本书中使用她的粒子们。
原子
质子、中子和电子足以组成包含118个化学元素的周期表中所有可能的原子（图1.4）。接下来，118个化学元素又可以以不同的比例组合，形成各种分子，它们是原子的堆积。原子和分子构成了我们所观察到的整个可见的物质世界，无论是在地球上还是在其他星球和星系中。
在原子里，电子围绕原子核旋转。那么，是什么让电子持续地旋转而没有掉到原子核那里去呢？它的工作原理就像一块石头拴在一根绳子上，有个人正在旋转这根绳子。绳子将石头保持在圆形轨道上。如果这个人没抓住绳子，那石头会一直沿着直线往前走。只要我们抓住，绳子就会在石头上施加力量，不断地把石头朝我们手的方向往回拉，迫使它绕着圈走。
电子也是被一条“看不见的绳子”拉着，使其保持在原子核周围的圆形轨道上。只不过这根绳子是电子的负电荷和核中质子的正电荷之间的吸引力，这个力正像石头上的绳子一样作用在电子上。行星绕着太阳转也是这个道理，在这种情况下，重力是不可见的绳子。太阳中的物质产生了一个重力，它提供了保持行星在轨道上运行所需的力。所有的力就像“看不见的绳子”，作用于基本粒子或大的物体上。我们稍后会回来再讲这个。
总结：上、下夸克结合形成质子和中子。接下来，它们在原子核内进一步组合，再加入电子，得到原子。通过改变原子核中的质子数量，可以构建周期表中的118个不同的化学元素。最后，通过以各种比例组合原子，可以构建我们周围所有的物质。因此，我们看到的一切都可以从包含电子和上、下夸克的一套基本的结构集合中组建出来。
标准模型
在过去的五十年里，科学家们开发了一个非常精确的理论模型来描述物质的基本组成部分和作用在它们上的力。这个模型帮助我们根据其特性对目前观察到的所有粒子进行分类，该模型是在实验和理论的密切配合下形成的。物理实验室里的发现是理论物理学家们可以建立理论模型的基础，这些模型是对物质世界的有逻辑的和连贯的表述。通过实验观察，可以确认或排除各种理论。同样，理论上的假设可以指导实验工作者进行探索。
当前的粒子物理理论模型称为标准模型。它来源于两个相当简单的想法，在某种程度上就是模型的基本原则：
第一原则：所有物质都是由基本粒子组成的。
第二原则：所有这些基本粒子之间的相互作用是通过交换其他基本粒子来实现的。
经过近一个世纪的研究，我们现在知道，自然界中有12种基础的物质颗粒，都是基本粒子（图1.5）。它们分为两类：轻子和夸克。
轻子
六个轻子中最著名的是电子。两个其他的带电粒子——μ子和陶子，非常类似于电子，但重得多。所有这些轻子携带-1的电荷。
电子、μ子和陶子都各与一种中微子“相关联”，即电子中微子、μ子中微子和陶子中微子（我们称之为中微子的三种味道）。这六个粒子组成了轻子家族，这个家族包含三代轻子。每一代都包含一个带电的轻子及其相关的中微子。每一代中的两个粒子的关联是通过联合成对地产生而显现出来。当电子产生时，它总是带有一个电子中微子或者一个称为正电子的反电子。
对于μ子和陶子也是如此：每一个都总是与自己的中微子或它的反粒子一起产生。例如，我们从未观察到与电子中微子一起产生的陶子。电子及其中微子都具有电子味道的特性，并且这种性质受到像电荷守恒规则一样的限制。当一对粒子形成时，一个粒子携带一种味道，另一个粒子携带相反的味道。如果中微子绝对没有质量，这种味道将像电荷一样是完全守恒的。但这并不总是正确的，正如我们将在下一节中看到的那样。
像中子一样，中微子是电中性粒子，但是要小得多，正如它们的名字意味着“小中子”。没有电荷，它们极少与物质相互作用。例如，地球表面每平方厘米的面积每秒钟都会承受来自太阳发射的七万亿个电子中微子的撞击。在所有这些中微子中，只有少数几个会与地球上的物质原子相互作用。其他中微子会穿越地球，甚至都不停下来打一声招呼！
夸克
除了轻子之外，还有夸克，它们形成了第二个基本粒子家族。它们有六种味道或类型：我们已经熟悉了在质子和中子里发现的上、下夸克。然后来到的是璨和奇异夸克，最后是顶和底夸克。后者也被称为真实和美丽，虽然“顶”和“底”更常用。选择这些名字的部分原因是因为好玩儿，部分原因也是因为发现它们的科学家们不明白为什么会有这么多的夸克，及它们之间到底有什么区别。被发现的第三个夸克是奇异夸克，它就是由于具有令人惊讶的长寿命而得名。
没有人知道为什么夸克和轻子有三代，而且每代还有非常不同的质量，也没有人知道为什么只需要第一代的夸克和轻子去构成原子，从而构成我们周围所发现的所有的普通事物。想象一下，如果一堆乐高积木里含有大小相差很大的砖块，情况将如何？而且，如果有些乐高砖块从来就用不上呢？这些是粒子物理学家试图解释，且尚未解决的许多问题中的一部分。
除了宇宙射线中的μ子之外，第二代和第三代的粒子都没在自然界中发现。虽然所有这些粒子都存在于宇宙大爆炸之后，但现在宇宙已经冷却了太久，以至于没有足够的能量去产生它们。1但是，我们可以在实验室里产生所有这些粒子，这就是我们之所以能够知道它们存在的原因。
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