唐·林肯（Don Lincoln，1964— ），实验物理学家，美国物理学会会员，美国科学促进会会员。1993年获得莱斯大学博士学位。1998年加入美国费米实验室，供职于DØ实验组，在此期间，DØ实验组与其姊妹实验组分别独立发现了顶夸克。

作为一名多产的作者，他也积极参与了费米实验室的教育和公共推广项目。他认为任何科研工作者都有责任与他人分享自己的研究成果。他也热衷于公开演讲，并将前沿物理研究的意义传达给不同受众，曾在许多国家为不同群体做科学演讲。

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。

唐·林肯带领我们进行了一次愉快的宇宙旅行：读者会看到我们粒子物理学家对世界本质的理解、我们如何得出这样的理解，以及我们接下来的研究将走向何方……林肯用鲜活的细节、对角色颇为不恭（但从不刻薄）的调侃，以及亲切、幽默且通常完全原创的解释，使场面生动起来……（作者）明确回答了粒子物理学家为什么要问“为什么”的问题。我们做研究的真正原因很简单：理解宇宙是非常有趣的。

——《美国科学家》（American Scientist）

《从夸克到宇宙》为非专业读者清晰诠释了粒子物理学，包括夸克、轻子等基本粒子，以及支配它们的力的复杂世界。本书专为给“外行”读者介绍亚原子奥秘而写，书中讨论了宇宙大爆炸、已知和已证实的理论、尚未被完全确立的假设和猜想、对现代粒子物理实验的前沿讨论，等等……图表有助于用最少的数学知识和大的敬畏来说明令人惊叹的想法。

——《中西部书评》（Midwest Book Review）

本书写给那些好奇的“外行人”。他们对学校教的物理只有模糊的记忆，但他们想知道人类对我们周围的世界已经了解了多少……对于偶尔拿不准主意如何向非专业受众解释专业物理概念的科学家来说，这本书是很好的参考。作者对复杂现象的理解和诠释非常出色，本书在专业深度和可读性之间取得了平衡。

——《欧洲核子研究中心信报》（CERN Courier）

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’也不是完全没根据。再怎么样，字句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。”（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得这种夸克带有一些“奇怪”属性，这种属性导致一些粒子存在的时间比通常预期的时间要长。所以这些夸克的名字虽然算不上一目了然，但却都是具有历史基础的。

物理学家预测，夸克具有一些不同寻常的特性。质子和电子具有等量的、相反的电荷，此外，它们被认为是具有基本的（也就是说，最小的）电荷量。质子所带的电荷为+1个单位，而电子则带-1个单位的电荷。然而，夸克，正如人们最初想象的那样，被认为具有比单位电荷更小的电荷，这是一种有些离经叛道的假设。上夸克是带正电的，但是电量只有一个质子的三分之二（+2/3个电荷）。类似地，下夸克和奇夸克是被认为是带负电的，但是电量只有一个电子的三分之一（-1/3个电荷）。反物质夸克与它们对应的物质夸克携带同样数量且性质相反的电荷（反上夸克携带-2/3个电荷，而反下夸克和反奇夸克携带+1/3个电荷）。

夸克的另一个性质是它们的量子力学自旋。正如我们之前在第2章中讨论过的那样，粒子可以根据不同的自旋被分为两个类别：带有整数自旋的玻色子（……，-2，-1，0，+1，+2，……）和带有半整数自旋的费米子（……，-5/2，-3/2，-1/2，1/2，3/2，5/2，……）（在这里，省略号意味着“以此类推”）。夸克是带有±1/2个自旋的费米子。

夸克还有其他的属性，我们会在后面继续讨论，此刻，我们讨论的是夸克是如何构成第2章中介绍的种种粒子的。

…… ……

第6章 加速器与探测器：谋生的工具

对这些我们称之为实验室的神圣寓所感兴趣吧。在那里，人类变得更优，更强，更好。

—路易· 巴斯德，1822—1895

据说，高校领导们更喜欢理论物理学家而不是实验物理学家。实验者们需要巨大且昂贵的设备，而理论物理学家只需要纸和废纸篓。（我听说，他们更喜欢的是哲学家，因为他们连废纸篓都不需要。）尽管如此吧，正是在这些复杂的实验装置中，人们才有了发现。大多物理学科普书的缺陷之一是它们往往是由理论物理学家撰写的，于是人们究竟是如何发现和测量新现象的这一点经常被忽视，或者至少是一笔带过。这非常可惜，因为探索发现的技术与发现本身一样有趣。

在前五章中，我们讨论了人类历史上最伟大的胜利之一，即在深刻和根本的层次上对宇宙的非凡理解。虽然我们的理解尚是不完整的，但是我们对宇宙的大小、速度、能量和温度的详细了解已经远远超出了一般人类经验范畴，这表明了成千上万的、专心致志的男男女女们尽其一生致力于提出棘手的难题。然而，每当我做关于粒子物理学的公共讲座时，总有些听众用锐利的目光把我钉在原地，并说道：“你指望我会相信你说的这些？来吧……给我拿个夸克瞧瞧。”虽然有点儿气人，但这是个很好的问题。我们在本书中讨论的物理与普通人的生活经验相去甚远，读者们也不应该听我说什么就信什么。事实是，夸克或者电子太小了，我们无法看到。上文中我那具有批判性思维的听众问的其实是：“你怎么能看到无法看到的东西？”

如果我们做很简单的实验，比如从高处抛掷一个球，然后测量球的落地时间，这种实验过程是很容易被看见的，但其实总而言之，所有的科学实验都是一样的。我们要花一些时间来设置环境，使其条件适合测量。比如，我们想知道自己跑一英里需要多长时间。我们得首先确保赛道干燥、天气晴朗。同时我们还要准备测量设备，比如一个秒表。在这一章中，我们首先要详细介绍如何将粒子加速至非常高的速度。这一点至关重要，因为通常情况下，为了常规地测量现代科学所能达到的最有活力（并且最热门）的状态；我们往往需要让两个或者更多的粒子撞碎在一起。然而，即使我们能将具有极高能量的粒子撞碎在一起，如果该碰撞无法被记录，那也没有什么意义。为此，人们建造了质量达数吨的巨型探测器。我们在这一章中，正是要重点讨论这两个任务。在本章的尾声，我们将简要地介绍其他不需要加速器的实验技术。在进行技术讨论之前，让我们先来了解一下美国首屈一指的粒子物理实验室的环境。

费米实验室一日游

当我和同事们每天早上去上班的时候，我们的一天就像往常一样开始了。喝下最后一杯咖啡，拥抱孩子们，给爱人一个吻，然后便开始走向我们的车。年轻的研究生们一般既没孩子也没爱人，他们的晨间仪式通常是吃冷比萨或者晨跑什么的。费米实验室的工作人员四海为家。有些人，特别是来自欧洲的同事们，住在芝加哥，每天都要长途通勤，不过他们就是喜欢这座全美最大城市之一的热闹劲儿。其他人，通常是我们的技术人员，住在实验室的西边，在那里你仍可以购买面积超过一英亩的地块。他们的通勤距离与住在芝加哥的同事们差不多，不过他们一路上没有堵车，看到的是宽敞的道路和广阔的农场。

然而，费米实验室的大多数工作人员都住在附近的社区。在这些富裕且保守的城镇中，许多当地选票在每个职位上只投给一位候选人，这个区域会投票给共和党就如同芝加哥人会投给民主党一样板上钉钉。唯一一个不同寻常的社区是奥罗拉，紧邻费米实验室的西南部，那里的人口结构更加多样化，也更加有趣。这些城镇曾经都是独一无二的，但是郊区的扩张却是一股同质化的力量。随着城市周边的发展，郊区的无序扩张将它们联系在一起，形成了一个巨大的芝加哥大都市区，区内各地缺乏特点，很多人视其为地域多样性的消亡，对其痛斥。每个城镇一直以来都在抵制这种蔓延趋势，并且取得了不同程度上的成功。大多数城镇至少保留了一些原来的特色，在镇中心有许多有趣的小商店。

虽然人们可以从四面八方来到费米实验室，但是一旦进入这里，一切都不一样了。虽然费米实验室目前是世界上最高能的粒子加速器的所在地，但是当你进入实验室的时候，并不会察觉到这一点。整个实验室看起来像是一座公园，一大片广阔的、未开发的土地，被城市的蔓延所包围。实验室占地约6800 英亩，很大程度保留了千年以来伊利诺伊州北部的原初风格。费米实验室主要由开阔的草地构成，其间点缀着小树林，费米实验室的科研目标中包括试图恢复原始草原上的植物群和动物群。费米实验室甚至拥有一小群数量维持在50~100头的美洲野牛。数百只白尾鹿、土拨鼠、土狼、野鸡、苍鹭、白鹭、红尾鹰，以及成千上万只路过的加拿大雁，在这里定居，它们的生活就像数百年来的一样。你会看到一些孤零零的树木点缀在广阔无垠的大地上，像是威风凛凛的哨兵，他们注视着人们与粒子的来来往往，甚至季节的更替，始终泰然自若。

虽然人们对实验室的最初印象让人联想到自然保护区，但实验室的主要目的是进行世界顶级的粒子物理研究。该研究项目的核心是费米实验室的兆伏特电子加速器，这是一台大型的粒子加速器，环状，周长约4 英里。在加速器周围有6 个“相互作用区”，在区域内，两个旋转方向相反的质子束和反质子束发生碰撞。这些相互作用区域中，有两个区域中建有建筑物，每个建筑物中都有一台粒子探测器。这两台探测器在设计上和功能上都很相似，尽管使用了相当不同的技术。它们每台质量约5000 吨，需要大约500 位物理学家和相当数量的费米实验室技术人员来保证其运行。

…… ……

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I 227

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II 234

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：世界上最大的照相机 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