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。

序 言
修订版前言
第一版前言
致 谢
目 录
第1章 早期历史
最初的沉思
化学，让生活更美好
愿原力与你同在
第2章 认知之路（粒子物理历史）
阴极射线
X 射线
放射性
电子的发现
原子的性质
原子核的性质
量子力学：中场休息
β 辐射与中微子
更多的力
一些让你头晕目眩的东西
宇宙射线：来自天空的粒子
反物质电子
这是谁安排的？
奇异的“V”粒子
中微子变得还要更加复杂
第3章 夸克和轻子
夸克和介子
夸克和重子
丰富多彩的世界
夸克存在的最初证据
更多夸克与轻子的发现
顶夸克的发现
轻子的回归
第4章 力：让一切聚合在一起
重力
电磁力
强力
弱力
力与费曼图
费曼图与强力
粒子喷射：亚原子猎枪
质子结构：微型闪电风暴
费曼图与弱力
顶夸克的发现
第5章 “狩猎”希格斯玻色子
质量，宇称与无限性
希格斯的解决方案
用类比解释希格斯机制I
科学家们有关希格斯机制的思想
用类比解释希格斯机制II
拼命寻找希格斯玻色子
目前的搜索进展
第6章 加速器与探测器：谋生的工具
费米实验室一日游
不是只有小汽车才有加速器
不是所有的环都是求婚用的
新一代加速器的崛起
靶与粒子束类型
反物质登场
世界上的加速器
粒子探测器：世界上最大的照相机
电离与追踪
热量法：测量能量
一台探测器：诸多技术在其中
名利双收的人如何生活
水，不仅仅是止渴
第7章 即将得到解决的难题
1 号谜团：来自太阳的中微子
中微子啊中微子，你去哪里啦？
凭空出现的中微子
“超级K”发现了答案
为什么会发生震荡？
中微子探测器的现状
2 号谜团：反物质都在哪儿呢？
萨哈罗夫的三个条件
电荷、宇称，以及其他
弱相互作用中宇称守恒理论之死
宇称对称已死！电荷共轭宇称（CP）万岁！
第8章 奇异物理（研究的新前沿）
摆弄参数
如果你知道苏西（SUSY）……
“拼命地”寻找苏西（SUSY）
大额外维度：是事实还是科幻？
超人的吉他上有超弦吗？
第9章 每秒重建宇宙10,000,000 次
宇宙的形状
宇宙的“黑暗面”
星系们都在哪儿呢？
宇宙的呢喃
“宇宙最初三分钟”
均匀性与膨胀
回到太初
第10章 结语：为什么要理解宇宙？
附录A 希腊符号
附录B 科学术语
附录C 粒子命名规则
附录D 基本相对论与量子力学
附录E 创造希格斯玻色子
附录F 中微子振荡
延伸阅读
词汇表

首版前言
科学研究是人类有史以来最有趣的尝试之一，而在我
看来，物理学则是最有趣的科学。其他领域的科学当然也具
有它们各自令人着迷的问题，但是没有任何问题像物理学问
题那样如此深刻、如此根本。即使最重要的未解之谜之一—
生命的起源问题，也很有可能会通过有机化学领域内的研究
来解答，所使用的则是人们已经在很大程度上理解的知识。
而化学，作为一个宽泛的、并且有利可图的研究领域，最终
关注的是无限且复杂的原子组合。要解释原子具体如何结合
相当棘手，但是原则上说，可以通过众所周知的量子力学观
念出发估算得出。尽管化学家们有理有据地宣称，原子的相
互作用是他们的研究领域，但是厘清原子本身性质的却是物
理学家。虽然早期科学研究的不同领域之间的界限比较模糊
，但物理学家首先发现了原子并不是真正的基本粒子，而是
包含着更小的粒子。另外，也是物理学家最先表明，从某些
方面来看，原子可以被看作太阳系，微小的电子则围绕着一
个致密、沉重的原子核运转。后来人们意识到，这个简单的
模型根本不能解释所有的现象，于是我们顺理成章地踏入了
高深神秘的量子力领域。尽管原子核最初被认为是基础性的
粒子，但物理学家惊讶地发现，原子核包含了质子和中子。
同样地，质子和中子本身也包含更小的、被称为夸克的粒子
。因此，人们从2500 多年前就踏上的、探求构成物质的最
小组成部分之旅，仍然是一个相当活跃的科学研究领域。虽
然我们的理解确实比以前更加精进，但是有迹象表明，物质
的构成另藏玄机。
即使在物理学领域，也存在着不同的研究方向。固体
物理学和声学研究解决了简单的问题，正在向更加复杂、更
难以解决的问题发起“冲击”。然而，仍然有一些物理学家
对最深刻的、最基本的问题感兴趣。未解之谜依然很多，比
如：现实的最终本质是什么？是否存在最小的粒子？或者，
一旦人们把观察尺度层层缩小，空间本身是否被量子化了？
如是，构成物质的最小组成部分是否更应该被看作空间的振
动（所谓的超弦假设）？为了理解这个世界，我们需要弄清
楚哪些力？力的种类是多是少？虽然粒子物理学家希望能够
研究这些问题，他们所遵循的方法却需要将不断增加的能量
压缩在不断减小的体积之中。在宇宙大爆炸之后，这种高能
量密度的现象在一秒钟之内便不复存在，且之后也几乎没再
出现过。因此，粒子物理学的研究为另一个根本性问题提供
了指引，即宇宙本身的创建及其最终命运。
目前我们的认知水平尚不能回答上述问题，但是在这
些方面我们已经取得了一些进展。我们现在知道了，迄今为
止发现的几种粒子都成功地阻碍了我们探索它们内部结构的
意图。被称为夸克的粒子构成了质子和中子，质子和中子构
成了原子的原子核。原子核中没有发现轻子，但是最常见的
轻子，即电子，在（相对地）较远的距离上围绕着原子核运
动。我们现在知道四种力：引力，让天地万物井然有序，目
前看来（希望不会永远是这样）并不涉及粒子物理实验的领
域；电磁力，控制着电子围绕原子核运转的行为，构成了所
有化学的基础；弱核力，让太阳保持燃烧，是地球火山运动
和板块构造的部分原因；强核力，将夸克约束在质子和中子
内部，甚至将质子和中子凝聚在一起形成原子核。没有这些
力，宇宙根本不会以现在这样的形式存在。现在我们知道了
四种力，但是在过去，我们认为力的种类还有更多。17 世
纪后期，牛顿提出了万有引力理论，该理论解释说，控制着
天体运动的力和我们在地球上的重力实际上是同样的东西，
这一点原本并不显而易见。19 世纪60 年代，麦克斯韦表
明，原来人们认为截然不同的电力和磁力，其实是紧密相关
的。20 世纪60 年代，电磁力和弱核力被证明实际上是同
一种电弱力的不同方面。将看上去截然不同的力统一为同一
种类型的力的历史已是硕果累累，而自然而然地，我们也就
想知道，目前为止剩下的四种力（实际上是三种）是否也可
以被看作是一个更基本的力的不同方面。
宇宙万物，即你目力所及的所有事物，从沧海一粟到
无垠宇宙，都可以被解释为两种夸克、电子和中微子（这种
粒子我们还没有提到过）的无限组合。这四种粒子我们称之
为“同一代”。现代实验表明，还至少存在另外两代粒子（
也可能只存在另外两代），每一代都包含四种相似的粒子，
但是，每一代粒子都比前一代粒子具有更大的质量，质量更
重的一代粒子迅速衰变，最终变成熟悉的第一代粒子。当然
，这就带来了更多的问题。为什么会有好几代粒子？更具体
地说，为什么会有三代粒子？为什么不稳定的粒子世代更重
，而各个世代的粒子看上去几乎完全相同？
四种基本作用力的每一种都可以被解释为一种特定类
型的粒子的交换，每种力对应一种粒子。我们将在本书中详
细讨论这些粒子，这些粒子的名字分别为光子、胶子、W
粒子和Z 粒子，以及（可能的）引力子。所有这些粒子都
是玻色子，它们具有特定类型的量子力学行为。相反，夸克
和轻子是费米子

1.作为一名科普演讲老手，作者擅长绕过一切枯燥成分，用引人入胜的讲解和幽默吐槽，化繁为简，向普通大众介绍亚原子世界的奥秘，为大家提供了一趟完整的粒子物理学之旅。
2.本书内容丰富，除了粒子物理学的必要内容，本书还讲述了学科发展历史、著名科学家，介绍了世界各地的高能物理实验室、实验物理学家们的工作方式；并讨论了宇宙大爆炸、宇宙未来等一部分已知和已证实的理论，或尚未被坚定确立的可疑假设，以及对现代粒子物理实验前沿的讨论。
3.本书的内容足以自洽，读者不必事先阅读其他相关书籍，也能够掌握粒子物理学的基本知识；同时了解物理学家的物理学考量标准，对于物理学的推论建立属于自己的客观评价。

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
最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