青少年朋友们都知道，借助光学显微镜我们可以看到很小的细菌，借助电子显微镜还可以看到细菌的内部结构，甚至病毒这样小的东西也能看到。这些东西的大小在10-6～10-7米。但是，更小的东西我们还能看到吗？江向东、黄艳华编著的《朦胧的量子世界》将要带领青少年朋友们进入的就是这样更小的微观世界，这里是一个更神奇的世界。

《朦胧的量子世界》简介：人类的智慧现在已经能够了解大自然的很多现象。从极大尺度的宇宙到极小尺度的粒子世界，这两个极端尺度之间的物质运动的很多细节都能得到合理的解释。当人们在感叹物质的尺度，大的如此之大，小的如此之小时，科学家们却发现极大与极小之间却有着密不可分的联系。例如，应用粒子物理知识，科学家们可以知道大约150亿年前宇宙诞生最初几分钟的情况，聆听“宇宙蛋”大爆炸的“回声”。江向东、黄艳华编著的《朦胧的量子世界》将要带领青少年朋友们进入的就是这样更小的微观世界。广袤无垠的星空成了科学家们研究微观粒子的天然实验室。只要让我们跟上科学前进的步伐，我们就能洞察这些“看不见的科学世界”，就能对神秘的宇宙有更深入更全面的了解。

一 从看得见到看不见

 漫谈“看不见”

 古代和近代的原子故事

 关于“原子”的大论战

 阴极射线的奥秘

 汤姆孙的成功之路

 人类认识的第一个基本粒子

二 量子世界的曙光

 莫名其妙的量子

 向经典物理学发起挑战

 光究竟是什么

 玻尔理论的诞生

 “最伟大的发现者”

 新奇的物质波

 电子波发现的传奇故事

三 量子殿堂的落成

 海森伯的矩阵形式

 薛定谔的波动方程

 狄拉克的相对论量子

 上帝在掷骰子吗

 奇怪的不确定原理

四 庭院深深知几许

 天外来客——宇宙线

 中子的发现

 正电子的发现

 切连科夫效应

 反质子的发现

 对反物质世界的探索

 回旋加速器的发明和发展

 “有色有味”的夸克

 中间玻色子的发现

 捕捉重轻子之梦

五 科学就在我们身边

 充满诱惑的超导列车

 魔术般的超流现象

 原子弹之父——奥本海默

 远见卓识的管理天才

 能照亮月球的激光

 能看见原子的显微镜

 从半导体到万维网

 让思想跟上科学技术的进步

一、从看得见到看不见

漫谈“看不见”

假如你在20世纪五六十年代某个乡村的夏夜，指着满天忽闪忽闪的小星星，对村里的叔叔阿姨爷爷奶奶们说，有许多小星星比月亮和地球还大，那准会落个“书呆子”的名声。即使在当地够得上“有头有脸”的人，也会对你的“星星比月亮大”的“奇谈怪论”嗤之以鼻，认为你是“喝墨水喝多了犯迷糊”。若不是你坚决相信课本和老师的话，准会被那种群起而攻之的阵势弄得真的犯迷糊。可不是吗，尽管你本来不相信有鬼，但老少爷们见鬼遇鬼躲鬼打鬼的“亲身经历”常年累月活灵活现地往你耳朵里直灌，久而久之还真的把人灌得一个人呆在黑屋子里时就发毛。“人言可畏”的这种例子谁都能举出一串来。

星星看着比月亮小，这与视角有关系。视角是由物体两端射出的两条光线在眼球内交叉而成的角。物体本身越小或者离人越远，视角就越小，在人眼的视网膜上产生的感觉也就会觉得越小。不过，问题的症结并不在这儿。让我们仔细想一想就知道症结在哪儿。尽管星星的视角因为距离远而比月亮的视角小，让人觉着它本身就小，但小归小，毕竟还能看得见。根据“远处的东西看着就比较小”这种人人都有的生活经验，还能不理解星星可能比月亮大的道理吗？相比之下，“鬼”是绝对看不见的，可是“见鬼”的人直到今天仍不算太少。这些宁可相信“鬼”而不相信“星星可能比月亮大”的人，主要不是因为肉眼近视，而是因为对科学知识、科学方法、科学思维和科学精神缺乏起码的了解。

“看不见的科学”从“看不见”的字面上讲，跟“鬼”是一样的。在看不见的科学中所描述的事物，有的是因为离得太远看不见，例如肉眼看不见的星体；有的是因为物体太小看不见，例如原子和亚原子粒子；有的是因为它本身的属性就不可能被看见，例如黑洞和暗物质；有的是因为它是没有空间形体或者说是无形的东西，例如物理学中的各种场。这种无形的东西比其他有形的东西更不容易让人认识。因此，让我们先谈谈这种无形的场，对它有所了解之后，自然就明白了它与“鬼”的差别。

在日常生活中，人们把适应某种需要的比较大的地方叫做场。例如，做体操的地方叫做操场，放牧的地方叫做牧场，作战的地方叫做战场，考试的地方叫做考场，诸如此类不胜枚举。这些场地都是看得见的，显然不属于“看不见的科学”。我们在这里说的是物理学中的场，是一种看不见的、与日常生活相比有很大的变化和引伸的“场”。在这里，场不再是简单地指某种场地，而是指物质存在的一种基本形态。它们像实物一样具有能量、动量甚至还具有质量，并且能够传递实物之间的相互作用。电场、磁场、引力场、规范场等等，名堂很多，它们都是物质存在的一种形态。

物理场的概念是自然科学中的一个基本概念。虽然场的概念出现只有160来年，但它的孕育期却比这长得多。随着几千年来尤其是最近几百年来人类认识的深化，场的概念才得以产生并不断发展着。它是人类认知过程中的最卓越和最深刻的物理思想的产物。

任何一门科学在其发展过程中的任何时候都会遇到两种问题。一种是“是什么”的问题，另一种则是“为什么”的问题。前一种问题只要回答事物的表现形式怎么样就行了，而后一种则要追究其内在原因，显然深入了一步。例如问“惯性是什么？”可以这样回答：“惯性是物体不愿意改变自身运动状态的一种性质。”若再问“为什么有惯性？”这就涉及到惯性的起源问题，马赫原理就是为回答这样的问题而提出来的。马赫原理说：宇宙间一切物质的惯性完全取决于整个宇宙空间中物质和能量的分布。

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我们的眼睛之所以能看到某个东西，是因为它发出或反射的光在我们的大脑里转变为图像信号。然而，即便是你有最敏锐的眼睛，也无法辨别尺度小于视网膜上感光细胞间距的东西。幸运的是，科学家们为我们准备了显微镜之类的探测工具，借助这些工具，我们就可以看到这些小的东西。那么，我们能看到多小呢？

青少年朋友们都知道，借助光学显微镜我们可以看到很小的细菌，借助电子显微镜还可以看到细菌的内部结构，甚至病毒这样小的东西也能看到。这些东西的大小在10－6～10－7米。但是，更小的东西我们还能看到吗？本书将要带领青少年朋友们进入的就是这样更小的微观世界，这里是一个更神奇的世界。

微观世界的大门是建立在原子的尺度上的，它为10－10。米。我们所熟悉的细菌比原子要大4个数量级。你也许不会想到原子这样小的东西，竟然还有更深层的内部结构，更惊疑科学家们是怎样“钻进”原子中进行研究的。为了观察微观世界，科学家们真是想尽了各种各样的方法，目前他们最主要的秘密武器就是粒子加速器和探测器。科学家们正是利用它们来产生和探测越来越微小的东西的。

科学家们发现尽管原子很小，但其中的原子核半径更小。原子核的半径仅有10－15米，即大小只有原子的十万分之一。20世纪30年代，科学家们以为组成原子核的质子和中子就是微观世界的终极了。可是到了60年代，科学家们又发现质子和中子等所谓基本粒子大都是由叫做夸克的更小的粒子组成的。

人类的智慧现在已经能够了解大自然的很多现象。从极大尺度的宇宙到极小尺度的粒子世界，这两个极端尺度之间的物质运动的很多细节都能得到合理的解释。当人们在感叹物质的尺度，大的如此之大，小的如此之小时，科学家们却发现极大与极小之间却有着密不可分的联系。例如，应用粒子物理知识，科学家们可以知道大约150亿年前宇宙诞生最初几分钟的情况，聆听“宇宙蛋”大爆炸的“回声”。广袤无垠的星空成了科学家们研究微观粒子的天然实验室。只要让我们跟上科学前进的步伐，我们就能洞察这些“看不见的科学世界”，就能对神秘的宇宙有更深入更全面的了解。

江向东黄艳华

2001年3月于北京