1、CMYCMMYCYCMYK从夸克到宇宙：永无止境的科学探索 封面.pdf 1 2018930 星期日 16:54:36CMYCMMYCYCMYK从夸克到宇宙：永无止境的科学探索 扉页.pdf 1 2018/9/27 16:54:00FROM QUARKS TO THE UNIVERSE 从夸克到宇宙永无止境的科学探索谢一冈张家锤赵洪明刘倩。编著胡红波。审校G4非等你应北京图书在版编目(CIP)戴据从夸克到宇宙:永无止境的科学探索/谢一同等编著.一北京:科学出版社，2018.9 ISBN 978-7-03-056859-5 1.从II.谢lli.物理学一通俗读物N(04-49 中国版本图书馆CI
2、P数据核字(2018)第048476号责任编辑:牛玲张萃霞/责任校对:邹慧卿责任印制:张克忠/封面设计:有道文化联系电话:010-64035853 E-mail:ho咱unlinmail.scien臼p.m码字统应if.出版北京东黄城根;ff:街16号邮政编码:1阳17http:/www.sci阻白先型k记鸡嘉令文化民4且有司印刷科学出版社发行各地新华书店经销事2018年9月第一版开本:720 x 1000 1116 2018年9月第一次印刷印张:2S 112 字数:4o 定价:128.00元(如有印装质量问题，我社负责调换)序言-主叶铭汉*.fh谨推荐从夸克到宇宙:永无止境的科学探索这本书给
3、渴望深入了解可勾我们所生存的物质世界的读者。数千年来，人类一步一步地探索着自己的生存环境，依靠所发明的种种工具，观察用肉眼看不清的微小物体或者天上的星星。20世纪，人类在认识自我生存的物质世界方面取得了非常大的进展，小到微观世界的夸克层次，大到已经存在了约137亿年的宇宙。现在进入了21世纪，人类面临着更难以理解的一些新问题，如我们时常在报纸或科普读物上提到的暗物质暗能量等。这本书可以帮助读者了解这些问题的来龙去脉，以及目前人们对这些问题的理解程度和正在进行的有关实验和理论研究的情况等。本书作者在写作之前，受到一本书的启发。那是欧洲核子研究中心(CERN)实验物理部副主任艾吉尔里勒斯特(Egi
4、l Lilles阳1)与欧洲核子研究中心快报)(CERN Courier)主编GordonFraz町等在20世纪90年代撰写的探索极限:解读奇妙的宇宙)(The Sea陀hfor Infinity:Solving the均steriesof the Universe)。这本书图文并茂，内容紧跟当时的科学进展，出版后得到了广泛的好评。本书作者很想把那本书翻译出来介绍给中国读者。几年前，本书作者与EgilLillestol博士取得了联系，Egil Lillestol博士表示因该书巳太老希望重新写，如有需要愿意提供帮助，并于2015年热情地为本书撰写了非常详细的序言。*叶铭汉，中国工程院院士，曾任中
5、国科学院高能物理研究所所长、高能物理学会理事长，现为中国高等科学技术中心(Chinacen阳ofAdvanced Science and Tecbnology,CCAST)学术主任。.1 r盐、从夸克到宇宙-.:;.J一一永无止境的科学探索本书作者和审阅者都是对我国高能物理的发展做出了贡献的科学家。编写组是一个老中青结合的群体，多年来在许多大型国际合作或者国内科研工程或大型项目中大都是实地参加者，也有的作者在科学普及战线长期工作。他们结合自己的亲身经历和学识，尽可能地用读者易于理解的语言表述，让读者阅读起来会有新鲜感和亲切感。他们抱着为我国科学发展添砖加瓦的热忱，努力做科普工作，在探索极限:解
6、读奇妙的宇宙一书的框架上，添加了大量最新的有关进展的材料，完成了从夸克到宇宙:永无止境的科学探索这本书，为读者提供了最新的科学知识。我由衷地钦佩。应该说本书适合于不同学习和工作领域以及不同年龄段的读者阅读，他们会从此书中有所收获，可以开阔眼界以及不同程度地增加知识;许多经历过其中项目的读者也可以回顾往事;特别是可以启发青年们的兴趣，对有兴趣的青年读者增进探求科学的执著精神和提高创造力都会有所帮助!.11 2018年4月序言二毯主Egil Li11estol*自川纪初人们真实地看到科学革命以来，光辉的阳发现导致咐技术，继而又反过来发展出新思想和新技术。1895年，在研究放电现象时，伦琴发现了X射
7、线。一年之后，汤姆生指出，放电是由负的带电粒子一一电子形成的。与此同时，在伦琴的鼓励下，贝克勒尔在观察某些荧光物质在太阳照射之后的X射线发射行为时，发现未受到过太阳照射的铀也能够产生辐射。直到皮埃尔居里和玛丽居里分离出了元素铺和钟，铀辐射之谜才被解开。这两种元素的辐射远比铀辐射为强。这些元素后来被统称为放射性物质。恩斯特卢瑟福和保尔维拉德总结后指出这种辐射包括三种成分，并将其命名为、P和辐射，后来分别鉴定为氨核、电子(或正电子)和高能电磁辐射。20世纪初，普朗克和爱因斯坦提出电磁辐射可以同时具有波动性和粒子性(即量子)。此外，卢瑟福指出每一个原子是由极其微小的重的带正电荷的核和围绕它的电子云组
8、成的。1913年，玻尔受到普朗克的量子概念的启发，发展出第一个有电子轨道的原子模型。1923年，德布罗意提出如电子这类粒子既有波动性又有粒子性，1927年这种物质波确实被观察到了。同时，薛定海为这种物质波发展了数学模型，并且能非常好地描述氢原子。然而，这个模型还有些不够完善。所有的问题在1927年由马克斯玻恩和沃纳海森堡解决了。这种描述微观粒子运动*Egil Lillestol(艾吉尔里勒斯特)，ntaned neu1ral p缸ticleswith about the same m础sas pro旬出.w也由isnew understanding of也.eatomic nucleus it
9、 w副soon realized也at也.eneutrons and protons in也enucle国hadto be bound ge也erbyahi也町unknownand very strong force.In 1938 fission ofh臼可nucleiw困discovered，皿dit w:臼immed阶lysu自由时也atthe strong nucl阳岛rcew，掘responsible伽也eenormous energy rel，e in such fissions.he s1rong nuclear岛m由ou1da1s0 lead enormous energy r
10、el回sem也sionsbetween the ligh:阳tnuclei，血din 1939 Hans Bethe showed也atfusion of pro臼nsheliumnuclei was responsible for也eenergy production at也.ecen田ofstars.This四plainedhowa血rlike our sun could be producing enetgy 伽billionsof y阳8.Fission of heavy elements is也.epower s。回国ofnuclear re部E毡，and some恤ein the
11、future让ishoped伽tcontrolled fusion of ligh:t elements may b回omeaclosem创1austibleen臼gyso回回.The new knowledge led to the development of new technologies and tools like accelerators,microscopes,microelectronics and compu伽s，and which allowed scientistspen由盼你亭erand deeper inmat阳and new tele民op臼onground an
12、d on satelli旬S旬回efur也erand臼rther佣tin space and back in time the edge of the theoretically ob回凹ableUnivl町回and也e fustins甸回回whenour Univer回W田bom.The new technologie8 are also being u8ed to study life proce8se8 on a microscopic scale and腿也olsin diagnosis and therapy of serious illnes回slike canl臼r.In 192
13、4 Hubble observed也atAndromeda was a galaxy separated企omourMil句Way，so伽t仕leMi1ky Way w副notthe on1y galaxy且也Universe.In 1927 也eBelgian priest,Lemaitre,showed that Eins恤sgeneral relativity did not allow a static Universe,and on1y two years later Hubble observed伽tthe Universe w臼坦factexpanding.These obs町v
14、ations，which c皿beconsidered as starting points of modern Astronomy and Cosmology,led to the conclusions也atthe Universe had a beginning,a也ywi也outa yes阳也y副Lemaitresaid(la阳called也eBig Bang),.un、.r盐、从夸克到宇宙-.:;.J一一永无止境的科学探索and伽tthe Universe had beexpanding and cOn也uedexpandever since.Hubble ca1cu1ated th
15、at the Universe was 2 bi11iOn ye缸s01100 MeV 低中能加速器强子约1O-11 GeV 高能加速器夸克、轻子1 TeV 对撞机这里，先回忆一下各种波长的电磁波和官们相应的光子能量及温度的关系，以便对各种波段有些了解，对本书有关各节的内容有较为明确的理解。本书第一部分的1.4节、2.4节分别介绍了古典波粒二相性和波的量子特性理论。由爱因斯坦光电效应可知，光子的能量E同频率成E比，同波长A成反比。图1-5中波的长度单位为埃(angstrom,1埃=10-10米)，光子能量E单位为电子伏(eV)。换算后，二者有简单关系:E=1280从。我们的电视波段在1-100
16、米范围。微波的波段在1-10厘米区域，因此微波也称厘米波。可见光的波段很窄，为380-750纳米(1纳米=10埃)。波长越短光子能量8;同步辐射速调管磁控管放射源贮存环加速器激光光源对才线管光源房子重理病毒蛋白分子原子原 子 核质子米尺寸1012 1011 1010 l()9 1()1 107 l()5 HJ4 1()3 1Q2 10 1旷112 13 10-4 10-5 1币10-7 10-1 10-9 波长(埃)1埃=10-10米宇宙线上7射线止X射线上ra弯，、EV，hltt92唱型7鼻。l可见光土红外线上微波i调频辐射止无线电波L辐射类型10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 1 11 10 1Q2 1驴10105 106 10 101 109 1010 1011 1012 1013 能量(eV).lOeV=I240A 圈1-5光源、波长和能量资料来源:谢一冈，陈昌，王昼.23.粒子探测与数据获取.北京:科学出版社:574 0 .注意斟字4.$袖王单|前耐r盐、从夸克到宇宙-.:;.J一一永无止境的科学探索越高，其粒子性也就越强。习惯上，从X射线到射线也就常
