看不见的世界：宇宙从何而来

      ★ 权威作者：乔恩•巴特沃思，牛津大学粒子物理学博士，伦敦大学学院物理和天文系主任、高能物理研究组成员，欧洲核子研究中心成员。2013年，荣获英国物理学会的查德威克奖章。
      ★ 席卷英美：年度现象级科普畅销书，英国《星期日泰晤士报》年度*图书，美国版上市即荣登亚马逊月度非虚构畅销榜榜首。
      ★ 媒体好评：《纽约时报》《自然》《出版人周刊》《图书馆杂志》《柯克斯书评》《科学美国人》《选择》（美国大学及研究图书馆联合会出版）等媒体争相报道，好评如潮。
      ★ 权威推荐：著名物理学家、科普作家、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼诚意推荐！ 

      宇宙究竟是由什么组成的？我们从何得知？跟着本书来寻找答案吧……
      从原子出发，到黑洞、引力波、暗物质，甚至宇宙的边缘——人类认知的前线，作者用基本粒子解开宇宙之谜。
      构成宇宙的*基本物质是我们肉眼看不见的，本书会带领我们揭开它的神秘面纱，一窥隐匿的宇宙的魅力。当我们的尺寸缩小到比原子还小的尺度之后，我们将进入这一妙不可言的科学世界——粒子世界。让我们跟随前言物理学家乔恩•巴特沃思，一起踏上寻找原子和夸克、电子和中微子，还有形成了当今宇宙的基本力的奇妙之旅吧。

      乔恩•巴特沃思，牛津大学粒子物理学博士，伦敦大学学院物理学教授、物理和天文系主任、高能物理研究组成员，曾任欧洲核子研究中心ATLAS探测器项目的小组召集人。2013年荣获英国物理学会的粒子物理学奖（查德威克奖）。其著作《希格斯粒子是如何找到的》曾入选英国物理学会《物理世界》杂志年度图书。他还拍摄了系列纪录片《对撞的粒子》，并为《卫报》撰写“生活和物理”博客专栏。

关于本书地图的说明 Ⅴ
前言：探险开始 VII
第一次探险 现实不似你所见
1. 扬帆起航 4
2. 更有趣的世界：波 7
3. 传播光的小包裹：光子 16
4. 为何质量越大，体积越小？ 23
第二次探险 进入原子之地
5. 复杂而美丽的景色 32
6. 汤姆逊的巧妙实验 36
7. 充满戏剧性的发现 40
8. 元素的琴弦 43
第三次探险 神秘的轻子岛
9. 现实中的“魔霸”：万物皆力 54
10. 优雅的数 60
11. 给薛定谔的方程“加点料” 65
12. 最惊人的存在：反物质 73
13. 上帝的魔术手：
 最可能发生的就是什么都没有发生 79
中途休息
引力：宇宙间最神秘的力量
没有它，你我将可能坍缩成一坨坨“果冻” 90
变弯的“直线” 94
诡异的量子世界 101
引力波之谜 104
第四次探险 了不起的夸克岛之旅
14. 有趣：错误和正确的认知
 被互相搅和在一起 114
15. 难以拼凑和驾驭的“积木” 121
16. 量子真空中的奇怪现象 126
17. 上帝很疯狂？ NO ！夸克更疯狂 131
18. 复制……永不停歇的复制 136
第五次探险 俯瞰“宇宙”
19. 物理可以如此性感：
 出双入对的“粒子恋人” 144
20. 送盒巧克力给外星人，他们能吃吗？ 148
21.“设计者”的大智慧
 ——宇宙中的小概率错位 154
22. 世界的一半是物质，
 而另一半是反物质？ 159
第六次探险 危险的中微子地带
23. 让人不安的现实：
 它们明明存在，你却无法触碰 170
24. 2/3 完全隐形的阳光：
 标准模型的根本性变革 177
25. 宇宙演化的解释者：
 中微子荒原上的新发现 186
第七次探险 进入玻色子国
26. 假如同时改变世界上所有地方的电压 196
27. 对称性仅仅是个美好的巧合吗？ 203
28.“任性不羁”的行为一直在发生 208
29. 质量和隐藏的对称性 215
30. 感谢“质量”相差那么多吧，
 这样世界才稳定 222
31. 寻找希格斯粒子 226
第八次探险 那些令人匪夷所思的猜想
32. 为什么要继续前行？ 238
33. 线索和限制 248
34. 假如暗物质真的存在 252
35. 一个诱人的传说 257
36. 进入另一个维度 260
37. 静止的橄榄 265
38. 第五种力 270
39. 另一种宇宙假说 276
延伸阅读 280
致谢 282
译名对照表 283

前言
　　探险开始
　　请设想这样一个实验：拿一个苹果，然后把它切成两半，然后再把它切成两半，再切成两半，然后持续地切下去。你最终会得到什么？或者，换一种更平和的方式，请以不断靠近的方式观察一个苹果：什么样的物质结构会显现？万物是否都是由一小套共用的积木——我们称它们为元素，或者原子——排列组合而成？如果是，那当我更靠近去看这套积木时会怎样？它们是不是由更小的东西组成的呢？最终揭露出来的是这样一个世界，一个住着许多稀奇古怪的粒子的世界。在这个世界，从我们无知的海洋中浮现出点点新奇的岛屿，它们由通信网络连接着。这个世界的景色从诸如苹果之类的日常可见之物开始，逐渐延伸至难以想象的荒野边缘。
　　我们将开始一段从苹果到微观世界的旅程。我们会需要一艘极其精巧的船，它将承载着显微镜、粒子加速器和其他能将我们的视野扩展至肉眼无法企及的原子内部甚至更远的机械装置。我们能航行多远？这个看不见的世界有没有尽头？存在构成万物的、无法分割的粒子吗？或是，我们会不停地走下去，不停地发现更小的东西，不停地向更东边的海域航行吗？这些问题已经被讨论了几千年，物理学的目标之一就是解答它们。而它们的答案，至少是我们目前所知道的全部答案，将在我们即将探索的新奇的、看不见的新世界中被找到。
　　问题的本质
　　研究微观物体的科学一般被称为“粒子物理学”。它没有完美无缺的名称，而这个名称在很多方面都容易令人困惑。“粒子”这个词就有潜在的误导性。物理学家们也研究沙石、污染颗粒和尘土——宇宙和大气中的粒子，以及其他小块团状物，而这些粒子与最终构成万物的基本积木完全无关。
　　有时“粒子物理学”也被称为“基本粒子物理学”，以将该学科和复合粒子的研究区分开来。但这其实并没有消除误导，因为质子和中子——粒子物理世界中非常重要的微小粒子——也不是基本粒子。未来的某一天，我们甚至可能会发现当前理论中的基本粒子也并不基本，即使研究它们的学科肯定是“粒子物理学”。科研组和高校课程也十分嫌弃“基本粒子物理学”这个称呼，因为它让这门学科听起来过于简单。选修“基本粒子物理学”这门课的学生，面对我们即将去寻找的粒子的相关方程式，很可能会被震惊到。
　　人们经常使用高能物理作为替代来描述这个学科，而且粒子物理最直接的研究方法——在大型对撞机中使粒子互相冲撞并观测反应——确实需要很多能量。但另一些重要的实验却需要我们去寻找极其稀有、能量也极低的粒子。为了尽量避开微弱的噪声，物理学家把探测器藏在了地底深处。这样，每一次极其微弱的能量波动就都是由能量干扰或激发造成的。虽然这些极低能量的实验间接告知了我们一些高能条件下才会发生的状况，但是称其为“高能物理”还是会感觉有些别扭。另一个以“高能物理”作为粒子物理学科名的问题在于，核物理学家、天体物理学家、等离子体物理学家和其他一些领域的物理学家需要处理的能量，要比用来探索粒子物理边界的能量高得多。大型强子对撞机是笔者在写这本书时，有史以来人类建造的最高能的粒子对撞机，它其中一次对撞的能量与核反应堆工作中所释放的能量相比是很小的，而核反应堆的能量和一个爆炸的恒星相比根本微不足道。
　　但无论怎样给这个学科起名，我们的研究都基于实践。从人眼到显微镜，再到高能粒子加速器和其他更加精密的仪器，科学实验使我们的探索不只停留在纯理论推断的哲学思辨领域。每一代最新的实验都将微观世界的新大陆展现在拓荒者的面前，让我们不断制作出新的地图，以指向物质本源的深处。
　　但最后，还是那个亘古不变的疑问：当你深入了解宇宙时，你会思考，它到底是由什么组成的呢?

后记
      延伸阅读
　　我希望这本书能够促使你想要进行更多的探险。如果是这样的话，我有几个建议：
　　如果你在大海面前仍双腿发颤，查德? 奥泽尔的《如何教你的狗学量子物理》将为你提供更多有关波与粒子那类的信息。我在第三次探险中对量子电动力学（QED）的描述，仰仗于由该理论提出者之一理查德? 费曼写作的一本有名的小书——《QED ：光与物质的奇妙理论》。如果你想从理论提出者那里获取更多的第一手信息，这本书是非常值得一读的。
　　珍娜? 莱文的《黑洞蓝调及其他外太空来的歌谣》引人入胜地记载了本书的《引力：一次遥远的绕行》章节中所提到的引力波的发现者以及他们的坚持。格雷姆? 法米罗写作的保罗? 狄拉克的传记《量子怪杰》，包含了在一个伟大的突破和一位鲜为人知的天才背后感人肺腑的深刻见解。阅读布莱恩? 阔克斯和杰夫? 福肖的《为什么E =mc 2》，是开始掌握相对论背后更多精彩概念的好方式；同样由他们写作的《万物：宇宙游记》将告诉你，当你手边没有大型强子对撞机时，如何开始属于自己的探险。肖恩? 卡罗尔的《寻找希格斯粒子》很好地记录了直到发现希格斯玻色子为止的粒子物理学的历史，加文? 赫斯基的《粒子动物园》也一样。最后，丽莎? 兰道尔的《暗物质与恐龙》将会让你真正感受到我们在码头边酒馆内听到的故事的风味。

      ● 乔恩?巴特沃思是内行中的内行。作为一名前沿物理学家，他的叙述充满了对其科学研究的深刻洞见。                                      
——《自然》杂志
　　● 作为欧洲核子研究中心的一位杰出物理学家，作者将和我们同游亚原子世界，并向我们解释沿途所看到的电子港口、玻色子大陆和强子岛。     
——《纽约时报》书评
　　● 乔恩?巴特沃思能熟练地处理好*为棘手的理论，并让科学家和科普读者都赞叹不已。                                                    
——《出版人周刊》                                                
　　● 这是一次有趣的旅程，它穿越了粒子物理学的神秘世界……作者将*模糊的概念进行了清晰地阐释。                                         
——《科学美国人》
　　●这是一份迷人的、翔实的粒子物理学概要……使学习这个领域几乎毫不费力。                 
——《图书馆杂志》
　　● 一个杰出的科学家……在努力揭开量子物理学的神秘面纱。
——《柯克斯书评》
　　●乔恩?巴特沃思编织了一个关于亚原子物理学世界的绝妙比喻，让外行人都能对粒子物理学有所了解……该书非常引人入胜，包含了足够多有趣的材料，可以让高中生或文科生轻松愉快地阅读。     
——《选择》杂志（美国大学及研究图书馆联合会出版）
　　●对于基础物理学来说，这是一个激动人心的时代，巴特沃斯以清晰、幽默和热情的笔触描绘了这片土地上处于终极前沿的真相。恐怕你找不到更好的导游了。
——《时代高等教育》
　　●这是一个伟大的作家以其深刻的理解，向知识的前沿进行的一次宏伟的、引人注目的、富有洞察力的航行。      
——布莱恩?考克斯，《为什么E = mc2》的作者

关于本书地图的说明
　　需要说明的是，本书中的地图是用来帮助记忆的，而非与粒子物理学进行详细对照。由西向东大致方向为能量增加（且尺寸减小），由南向北为复杂性增加，但也存在不完全符合规律的灰色地带。能量的标尺有时是结合能，有时是质量，而即使像这样拓宽标尺的含义范畴，也无法避免一些不合理之处。比如，隶属于东边玻色子国的光子，在遥远的西边也能被发现。还有，以陶子和μ 介子的质量来说，它们应在上夸克、下夸克和奇夸克的东边，但其实你需要向东走完整片量子色动力学的能量范围才能找到夸克。比喻和类比能帮助我们理解，但如果过于夸张则容易产生误导。请享受旅途吧，但是要一路小心。