前言

本书以“奇妙的粒子世界”为题介绍粒子物理学的发展历程、概貌和前景. 人们对自然界的认识从宏观日常生活进入肉眼看不到的微观世界, 自一开始就遇到了很多奇妙的物理现象和科学规律.

粒子物理学 (或高能物理学) 探索微观世界中物质结构的最小组成成分及其性质和相互作用规律,同时在探索宇宙的起源和演化中也起着重要的作用. 因此, 粒子物理学是研究小到物质最深层次结构, 大到宇宙的最前沿科学, 是揭示物质、能量、时间、空间本质的最基本科学.

历史上粒子物理学的发展大致经历了三个阶段. 在第一阶段 (1897—1937年)中,基本粒子概念形成. 1897年,电子被发现,成为粒子世界的第一个成员. 20世纪30年代,人们逐渐认识到, 物质结构的最小成分是电子、质子、中子和光子等基本粒子, 而量子力学成为原子物理学和原子核物理学的基本规律. 1937年,µ子在宇宙线中被发现,粒子物理学进入了发展的第二阶段,即基本粒子大发现时期. 1964年,以夸克模型为标志,粒子物理学发展进入了第三阶段. 今天,人类对物质结构的认识深入到夸克和轻子这一新层次, 粒子物理标准模型成为这一层次的基本规律.

电子的发现从科学实验上打开了进入原子世界的大门,使人们逐步认识到物质结构的基本成分是原子, 原子的核心是原子核, 电子绕原子核运动, 催生了原子物理学. 1932年,中子被发现,使人们认识到原子核由质子和中子结合而成,原子核物理学得以建立. 1938年, 核裂变被发现, 这是一种重原子核分裂成两个中等质量碎片的现象. 由于核力很强, 在一定条件下核裂变可以将多余的结合能释放出来. 1942年,核反应堆建成. 1945年, 美国首次成功研制出原子弹并轰炸了日本,显示了核能的巨大威力. 短短几年时间,原子核的潜能和应用前景就得到了充分发掘. 核科学研究在第二次世界大战后受到各大国的重视,加速了对物质结构深层次的探索.粒子加速器的发明使得科学家们能在实验室中获得高能量的粒子束流. 在1952年美国布鲁克海文 (Brookhaven)国家实验室建成了第一台质子同步回旋加速器之后,世界上相继建立了若干加速器实验室, 开创了利用加速器研究基本粒子物理的新时代. 至20世纪60年代初, 新发现的基本粒子的数目越来越多, 达到了一百多种, 展现的粒子世界的奇妙现象也越来越多.

当对物质结构的探索深入到基本成分为夸克和轻子的层次时,人们发现“色味俱全”的夸克被禁闭在强子内部,物理图像完全不同于原子和原子核结构, 它们所遵从的动力学规律也完全不一样. 传递夸克之间强相互作用以及夸克和轻子之间弱相互作用的媒介粒子也具有很特殊的性质. 20世纪60—70年代建立起来的夸克和轻子所遵从的标准模型理论出色地描述了由夸克和轻子演变而产生的各种实验现象,经受住了50余年的实验检验.

至今唯一超出标准模型物理规律的实验现象是中微子具有微小质量,且不同代中微子之间具有振荡现象.

本书前4章将简要地介绍粒子物理学发展的三个阶段,之后6章将深入介绍现阶段粒子物理学中的奇妙现象和正在探寻的神秘的疑难科学问题.

作者力求科学性、知识性和趣味性并举, 深入浅出地介绍过去的 120 多年间粒子物理学的创生和发展. 特别是, 作者从事粒子物理学研究多年, 不仅深刻了解粒子物理学的历史, 而且可以把自身经历的片段穿插在文中, 这也是本书的独特之处. 希望读者从本书中增长知识、获益生趣,激励出勇于探索、求真创新的精神.

黄涛、曹俊

2020年12月