凯尔·柯克兰德博士所著的《粒子与宇宙》评述了艾萨克·牛顿爵士以及与他同时代的物理学家的定律和理论如何通过研究和实验而演化成了“现代”物理学。本书论及的那些观察、理论及其检验极大地推动了人类先前未曾涉足的宇宙新领域的科学知识发展。

本书包括40多幅黑白照片和插图，附录化学元素周期表和化学元素表。

世界上最小的粒子是什么？浩瀚的宇宙又蕴藏着什么样的奥秘？翻开凯尔·柯克兰德博士所著的《粒子与宇宙》这本书，你就开始了一段穿越时空的旅行。你可以到粒子动物园去看看夸克是什么样子，也可以乘上宇宙飞船到苍茫的太空中去捕捉来自天外的信号，你还可以扇动着想象的翅膀回到时间的起点去一睹大爆炸的悲壮，或者飞向未来去看看数十亿年之后的宇宙将会怎样。一个小小的原子何以能毁灭地球？光是波还是粒子？所有的物质都是由什么构成的？我们能回到过去吗？宇宙从哪里来又将到哪里去？所有这些已知的、未知的世界之谜都等待着你去探索。《粒子与宇宙》一书分5章介绍了核物理、量子理论、粒子物理、相对论和宇宙学的有关知识，深入浅出地为我们再现了知识发现的过程，并介绍了这些知识的当前或者潜在应用。这本书集科学性与趣味性于一身，从微观到宏观，从过去到未来，既传递信息，又启发思考。经典物理学让位于现代物理学是科学发展的必然结果，然而，关于世界的奥秘，我们要去探索的还有很多很多……

前言

鸣谢

简介

1 核物理：辐射、武器和反应堆

 原子核

 辐射

 原子弹

 E=mc2

 核能

 核医疗学

 核动力宇宙飞船

 聚变：未来的核能

2 量子力学

 微小粒子的力与运动

 波粒二象性

 电子显微镜

 知识的限度

 量子计算机

 传送“我”：量子隐形传送

3 粒子物理学

 粒子加速器

 回旋加速器——R约去R

 所有物质是由什么构成的

 反物质

 物质一反物质湮灭

 用反物质给人体照相

 用反物质推进宇宙飞船

 标准模型：基本粒子及其相互作用

4 相对论

 阿尔伯特·爱因斯坦的假设

 迈克尔逊一莫雷实验

 时间膨胀和长度收缩

 狭义相对论的方程式

 双生子悖论

 引力和广义相对论

 黑洞

5 宇宙学

 宇宙大爆炸

 超新星、脉冲星和类星体

 万物的理论

 宇宙的命运

结语

元素周期表

化学元素表

译者感言

然而，辐射的电离作用也有好处。在医学上的某些情况下，医生希望病人体内的某些细胞死亡。其中一种情况就是针对癌症的治疗。

癌症有多种不同形式，并且可以攻击人体许多不同的器官和系统，但所有癌症有一个共同特征：它们都是没有控制的生长。生长对生命来说是必要的，对于幼小的尚需发展成熟的有机体来说尤其如此。生长对于成熟的个体来说也是必要的，因为机体的细胞和组织需要不断地得到更新。举例来说，人体内的红血球寿命很短，每个人一天平均要死亡约10亿个红血球。人体的红血球通过细胞分裂过程来得到补充——细胞长大然后一分为二，实现自我复制。细胞分裂是有机体生长、维持和修复组织及器，官的正常途径。

所有这些细胞分裂都应该得到很好的控制和协调，只有这样，机体才会在需要的时间，在合适的地点生产出适当数量的细胞。当一群细胞或者单一一个细胞开始无休止地分裂时，癌症就慢慢形成了。细胞内部存在一些机制可以防止经常发生这种形式的细胞分裂，那些不听使唤地自我复制的细胞大多数都会死去。所以，很少有细胞能摆脱这些限制而没有控制地自我复制。如果有的话，这个细胞很有可能遭受了一系列基因突变，这些基因突变组合在一起让这个细胞得以绕过种种限制，这种事情发生的几率非常小。很不幸的是，像其他遗传因素一样，基因突变也是可以遗传的。细胞分裂过程需要复制细胞的DNA，生成的两个姐妹细胞都得到一份完全相同的DNA。对于一个癌细胞来说，这意味着突变被传递给了子细胞，这样，子细胞又可以没有控制地进行细胞分裂。像肿瘤这样的人体不需要的组织就是这样形成的。

在美国，癌症是导致人体死亡的第二大杀手。几十年前，癌症是如此可怕，以至于它的名字都不能被提起。今天，癌症仍然非常可怕，但由于医疗技术的改进，癌症病人已经有了存活的可能。治疗癌症需要杀死或者移除人体内的癌细胞，同时要尽量避免对正常组织造成损伤。杀死癌细胞的一种方法就是使用放射线。

大约一半的癌症病人接受了各种形式的放射治疗，或者单独使用，或者和其他医疗程序结合起来使用。通常，用于治疗的射线束来源于高能粒子和电磁辐射。在有些情况下，射线束只应用于机体表面，但更多时候需要在机体内部进行治疗。放射治疗对大部分固态肿瘤(异常生长的肿块)都有效，包括脑部、胃、肺和其他器官的普通癌症。治疗所需的射线剂量取决于癌症的种类、位置和病程等许多因素。对癌症及早作出诊断总是最好的；某些类型的癌症能够扩散至全身，如果发展到晚期，治疗起来就非常困难了。

这些医疗程序中使用的某些射线并不是来自放射源。在医疗中应用得很普遍的X射线和γ射线通常是通过粒子加速器发射出来的，电子、质子和中子这些粒子本身也是由加速器产生的(本书的第三章将讨论到粒子加速器)。然而，很多治疗采用了钴60，这是一种半衰期略长于5年的放射性同位素。钴60是一种优良的7射线源，而且通过用中子轰击自然钴(没有放射性)可以容易地得到大量的钴60。尽管钴60治疗会产生一些放射性垃圾(像其他核燃料一样，这种同位素在发挥医疗用途之后还具有放射性)，但对于没有加速器可用的医院和诊所来说，它还算一个相对便宜的选择。

放射治疗的目标是杀死癌细胞而不影响正常的细胞。但不管放射束的来源和性质怎样，它都不可能如医生所期望的那么精准。不可避免地，有一些健康的组织要受到损伤，但只要不是特别严重，大多数细胞都能通过某些机制来修复由射线造成的损伤。对病人来说，非常幸运的是，癌细胞的这些修复机制一般都不完善，所以它们更容易向射线屈服。然而，放射治疗总会带来一定量的副作用或者间接损伤。这些无意的损伤通常发生在由频繁分裂的细胞(和癌细胞不同的是，其生长和分裂仍处于控制之中)所组成的组织上面。常见的例子有毛囊细胞和血液、皮肤及肠中的细胞。这就解释了为什么放射治疗中经常出现脱发和恶心等副作用。

核医疗学这个术语有时仅仅局限于将某种放射性物质注射人人体内，而不包括在各种放射治疗中对外部放射源的使用。注射无疑是最直接的利用核活动来进行医疗的方法，但正如上面谈到的那样，放射性同位素即使在体外，也可以应用到各种医疗情境中发挥多种不同功效。

放射性同位素一旦被注射到体内，就能在疾病诊断(确定哪里出了问题)和治疗中发挥作用。诊断通常采用很少量的同位素，以避免辐射过多造成危害。治疗则采用更大的剂量，通常是企图杀死癌细胞。

医生在诊断某种疾病时经常需要对受感染的组织做仔细的检查。对于位于皮下的组织来说，要么进行手术，要么使用X光机或磁共振成像技术(MRI)来对组织摄像。X光机很适于对骨组织成像，但对软组织却不怎么有效。MRI，后面将会简略地介绍到，能提供许多器官的高质量图像，但有些时候，注入到体内的放射性同位素会有更好的效果。这些同位素一般被注射到静脉中，往往可以定位到机体的特定部位。医生使用专门的检测器来捕获由这些同位素发放的射线，从而对内部组织进行测量甚至得到它们的图像。这些同位素最终被机体的正常代谢过程慢慢消耗掉。

一个很常见的粒子就是甲状腺疾病的诊断和治疗。甲状腺是位于颈部的一个腺体，它分泌的激素对机体的生长和代谢有着重要作用。碘是甲状腺正常发挥功能所必需的一种元素，它会聚集在腺体内。医生巧妙地利用了这个特点，他们把碘131等放射性同位素注入到体内，这些同位素会聚集到甲状腺中。有的时候也使用其他同位素。锝的同位素在各种核医疗中经常使用到。这是核医疗学中最古老的程序之一，20世纪50年代，当医生们还在学习放射的原理时就开发出了这个程序。这样的测试能够提供甲状腺不同部分的形状和活动等方面的信息。在治疗甲状腺癌时，则需要增加放射剂量。

放射性示踪剂在医疗实践和科学研究中都应用得很广泛。本章的开篇部分介绍了赫维西所做的一个早期实验，后来发展出了越来越多的利用放射性标记和追踪各种物质的方法。一个常见的例子就是正电子发射断层摄影术(PET)，某些同位素在衰变时会发射出一个叫做正电子的粒子，PET技术就是利用这个原理来成像的。

MRI是对机体内部成像的另一种技术。MRI名字中表明的磁学特性来源于氢原子核，核物理对MRI技术很关键。这项技术原来的名字叫做核磁共振，后来“核”字从名字中消失了，部分原因是医务人员担心病人会把这项技术和辐射联系起来。MRI技术通过引入一个强磁场来排列机体内的氢原子，引入磁场的强度比地球本身的磁场强了约4万倍(所谓的场，就是力发生作用的空间区域。磁场就是磁力发生作用的区域)。氢原子核是一个质子，其行为表现有点像一根细小的条形磁铁。当病人处于磁场中时，体内的氢原子就会朝向一定的方向。低频的电磁辐射(无线电波)被用来定位体内的质子。MRI机器由此生成一张有关病人体内质子即氢原子核分布的地图。

为什么氢如此重要呢？人体重量的大约65％是水，而每个水分子(H2O)都包含两个氢原子。通过研究MRI信号的分布，医生通常能判断机体软组织(含水的组织)的健康状况。举例来说，脑部肿瘤的MRI影像可能会比正常脑组织更亮或更暗(取决于肿瘤本身以及MRI扫描的类型)而且可能会有不同的纹理。

核动力宇宙飞船

人们已经从原子核中获得了炸弹、电能和医疗方法。现在，人们希望这个微小的能源库可以把宇航员带往其他星球。

把核能应用于运输已经不是一件新鲜的事情。世界上第一艘核动力潜艇，美国军舰“鹦鹉螺”号于1955年下水。1958年，这艘舰艇在北极冰帽下进行了一次历史性的航行，这在美国海军核潜艇中尚属首次。一些现代化的水面船舰也配备了依靠核反应堆来工作的发动机。

P19-21

1945年，两枚核弹终结了第二次世界大战，这是对物理学威力的一次展示，让人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科学头脑酝酿出的这次核爆炸摧毁了广岛和长崎这两座日本城市，迫使日本不得不无条件投降。应该说，物理学和物理学家的身影贯穿于第二次世界大战的始终，而原子弹只是最生动的一个例子。从那些用于炸坝的在水中跳跃前进的炸弹，到那些感应到船体出现便发生爆炸的水下鱼雷，第二次世界大战实际上也是一场科学的较量。

第二次世界大战让所有人，包括那些多疑的军事领导人相信，物理学是一门很重要的科学。然而，物理学的影响远远延伸到了战场之外，物理学原理几乎关系到世界的每个部分，触碰了人们生活的方方面面。飓风、闪电、汽车引擎、眼镜、摩天大厦、足球，甚至包括我们怎么走、怎么跑，所有这一切都要服从科学规律的安排。

在诸如核武器这样的话题或者有关宇宙起源的最新理论面前，物理学和我们日常生活的关系往往显得黯然失色。“我们世界中的物理”这套丛书的目标就是去探究物理学应用的各个方面，描述物理学如何影响科技、影响社会，如何帮助人们理解宇宙及其各个相互联系的组成部分的性质和行为。丛书覆盖了物理学的主要分支，包括如下主题：

◆力学与动力学

◆电学与磁学

◆时间与热动力学

◆光与光学

◆原子与材料

◆粒子与宇宙

“我们世界中的物理”丛书的每一册都阐释了有关某个主题的基本概念，然后讨论了这些概念的多种应用。虽然物理学是数学类学科，但这套丛书主要聚焦于思想的表达，而数学知识并不是重点，书中只涉及一些简单的等式。读者并不需要具备专门的数学知识，当然，对于初等代数的理解在有些时候还是很有帮助的。实际上，每一册可以讨论的话题的数量几乎是无限的，但我们只能选取其中的一部分。令人遗憾的是，不少有趣的东西就这样不得不被省略掉。然而，丛书的每一册都涉猎了非常广泛的材料。

我曾经参加过一个讨论会，会上一位年轻学生问教授们，是否需要备有最新版本的物理教科书。有一位教授回答说，不，因为物理学的原理“多年来一直没有改变”。这个说法大体上是对的，但这只是对物理学的效力的一个证明。物理学的另一个支撑来源于建立在这些原理之上的令人吃惊的诸多应用，这些应用仍在不断扩展和变化，其速度之快非同寻常。蒸汽机已经让位给了用在跑车和战斗机上的强大内燃机，而电话线也正在被光导纤维、卫星通讯和手机等取代。这套丛书的目标就是鼓励读者去发现物理学在各个方面、各个领域所起的作用，现在的、过去的以及不远的将来的……

了解自身，先从了解我们所在的世界开始。翻译《粒子与宇宙》这本书对我是一次激动人心的旅行，旅途上有辛酸但更有快乐的享受，我借着想象的翅膀在时空中畅游，最后归于沉静的思考。关于世界，我们知道的还太少，而关于自身，我们又能知道多少?相信读者捧读这本书时，会或多或少地与我共鸣，也与伟大的思想共鸣。在此，我谨向默默地支持我的工作的李惠、王刚、鲁振刚和陈燕等朋友表示诚挚的谢意。

雷泉

2007年9月于北京大学