到世界顶尖实验室CERN上粒子物理课：现场直击•彩色图解，科学家教你看懂未来科研及太空探索的新物理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Pauline Gagnon

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｜粒子物理太有趣了，不能只有物理学家知道！｜

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深入探索有如科幻电影片场的地下实验室，和科学家一同参与模拟宇宙起源的实验！ 

以粒子物理关键知识为本，看天文物理研究现场的数据如何演绎宇宙的大霹雳现象
今日诺贝尔级科学实验的丰收，又如何成为未来世界的科技基础？

＊「基本粒子」依比例可以组成週期表上的原子，但为什么外在物质无法穿透中空的粒子世界？
＊科学家为何要花四十年才从超导环场探测器中找到「一颗」希格斯玻色子？
＊为什么大霹雳后反物质和物质一相遇旋即被消耗掉，却还有物质存在至今？
＊原来在爱因斯坦的相对论公式E=mc2之中，藏着粒子跟宇宙演进可能的关键？
＊新理论有没有可能解释反物质、暗物质、物质和重力波之间的交互关系，进而解答宇宙初始、星系形成的祕密？……

宇宙百分之九十五至今仍是个巨大的谜团，但在欧洲核子研究组织CERN工作的人们却不这么想，对他们而言，宇宙不是未知，而是未来的知识宝库。位于瑞士的CERN，是全世界最大的粒子物理学实验室，无数重大科学成就的发生地，六千多位、代表五百余所大学机构的科学家和工程师都在此进行试验。尽管CERN定期开放申请参观，但外人却仍鲜有机会一窥全貌。在CERN工作长达十九年的粒子物理学博士宝琳．甘侬（Pauline Gagnon），这次将带领读者实地走访位于地底一百公尺处的实验室。

物理学家如何在粒子物理的最小尺度与宇宙学的最大尺度之间探询物质的奥祕？粒子物理学发展至今怎么解释物质组成？甘侬整理出CERN自一九五四年创立以来，无数实验室团队在天体物理、希格斯机制、光学与重力波等领域的研究成果，并以简明的科学语言解释基本原理和实验过程，更带出二十一世纪科学研究的动向与进展，我们除了看见科学史上数十个诺贝尔物理奖得主在粒子物理方面的贡献之外，也需知道CERN是背后的重要推手。

在跟着科学家的导览时，读者也将知道CERN研究计画的历史性时刻，为了筹建粒子研究资料库，这促使了全球资讯网（World Wide Web）的诞生，后续发展也带起了超导体、光纤、新能源和太空科技的新兴应用，其益处更反映在医学、能源、机械材料工程的进步上。如果科学家和社会之间能架起双边对话的常态桥樑，甘侬相信，科学研究将为未来带来更多样的改变。
 

 ｜关于欧洲核子研究组织ＣＥＲＮ的热门问题｜ 

Ｑ１　欧洲核子研究组织ＣＥＲＮ在研究时光旅行吗？
Ａ１　不是，但是在ＰＳ３电玩游戏《命运石之门》（Steins: Gate）中，会制造微型黑洞以改变过去和未来的反派组织ＳＥＲＮ便是以ＣＥＲＮ为蓝本，然而现实中的ＣＥＲＮ仍将重心放在粒子研究和暗物质，每天孜孜矻矻的跟数据缠斗着！

Ｑ２　欧洲核子研究组织ＣＥＲＮ在研究反物质炸弹吗？
Ａ２　不是，你一定是看了全球知名小说家丹‧布朗的小说《天使与魔鬼》，把虚构的反物质炸弹失窃事件当真了。可是反物质极难蒐集，现在连用实验证明其理论都很困难，小说里的小偷到底偷走了什么，连科学家都不知道！

Ｑ３　欧洲核子研究组织ＣＥＲＮ到底是什么地方？
Ａ３　ＣＥＲＮ是世界上最大的物理研究实验室，它超酷的！想像如果美国着名影集《宅男行不行》（The Big Bang Theory，又译生活大爆炸）中的理论物理学家谢尔顿（Sheldon）跟实验物理学家雷纳德（Leonard）搬到欧洲，他们一定会想来ＣＥＲＮ工作！

 ｜海外推荐｜

 「粒子物理学家宝琳‧甘侬的新作，从加速器讲到宇宙学，不仅解释得极详细而且面面俱到，并说明了科学家如何将各方研究整合成一完整理论，才有我们现今对自然界的完善理解。如果你想要了解粒子物理这一学门是如何运作又是怎么做研究的，这将会是一本很好的入门书。」
——西恩‧卡罗（Sean Carroll），《在宇宙尽头的粒子》（The Particle at the End of the Universe）作者

 「甘侬是粒子物理界的杰出女科学家，而她的这本着作也十分优秀。这是粒子物理一路演进至今的全面纪录。甘侬接二连三地丢出许多生动的譬喻，让一般人也能轻易理解最复杂的概念。最重要的是，她让读者得以一瞥欧洲核子研究组织（CERN）的内部工作情形，描述了它那规模庞大、国际化的合作方式，以及实务上究竟带来了哪些新发现。如果你想要赶上大强子对撞机的第二阶段的运转，这是一本即时回应大众阅读需求的必读之作。」
——莱奥妮‧穆克（Leonie Mueck），《自然》（Nature）期刊资深编辑

 「在为期两年的大强子对撞机的希格斯玻色子搜寻计画期间，甘侬博士生动且充满洞见的部落格文章，对于想要持续追踪进度，以及希望能够得到科普解释的外行人来说，是外界极重要的资讯来源。她的着作将会让人知道，大强子对撞机的发现为何如此重要，还有下一步发现将会是什么。」
——罗伯特‧伊凡斯（Robert Evans），前路透社驻日内瓦特派记者

 「宝琳‧甘侬述说她在欧洲核子研究组织的奇妙科学冒险期间，科学家是如何确认希格斯玻色子的存在，还有这将带来怎样的物理学革新，并说明了未来几年值得我们注意的不可解谜团，比如暗物质的祕密，或者是反物质的消失。」
——宝琳．格瑞佛（Pauline Gravel），加拿大魁北克时报《Le Devoir》科普作家

突破性认知：粒子之舞与宇宙深空探索 一个关于人类求知欲的史诗级叙事，带你走进微观世界的终极奥秘与宏大宇宙的无尽边疆。 本书并非聚焦于某一特定研究机构的内部运作或某项成熟的教学课程，而是以宏大的叙事视角，深入剖析了现代物理学如何驱动人类理解物质的本源以及探索遥远时空的极限。我们将构建一个多维度的知识图谱，从理论的基石到前沿的实验，全面展现当代物理学研究的广阔图景。 第一部分：物质的根源——超越标准模型的猜想与实验哲学 本部分旨在构建一个关于“我们是由什么构成的”的深度解析框架，但重点在于超越已确立的理论框架，探讨那些尚待验证的、革命性的物理学前沿。 1. 量子场论的边界与新粒子狩猎： 我们将详细探讨标准模型（Standard Model）的辉煌成就与内在局限性。标准模型成功地描述了除引力外的所有基本力，但它无法解释暗物质和暗能量的本质。本书将梳理当前搜寻“超对称伙伴”（Supersymmetric Partners）的实验策略，而非描述特定加速器内部的教学安排。我们会探讨对超出标准模型（BSM）理论的各种探索，例如“额外维度”理论如何试图统一电磁力、弱核力与强核力。我们将分析高能实验中数据异常值（Anomalies）的意义，以及物理学家如何从海量数据中筛选出可能预示新物理的微弱信号。 2. 暗物质与暗能量的身份之谜： 这部分内容将聚焦于宇宙学观测对“缺失质量”的强烈暗示。我们不会描述如何“上课”辨认这些物质，而是深入探讨直接探测（Direct Detection，例如寻找WIMP与原子核的碰撞）与间接探测（Indirect Detection，例如寻找暗物质湮灭产物）的实验设计哲学。对于暗能量，我们将对比“宇宙学常数”模型与更具动态性的“精质场”（Quintessence）模型，并分析未来的深空任务（如詹姆斯·韦伯太空望远镜的深场巡天）如何帮助我们确定暗能量的真实性质。 3. 引力的量子化困境： 相对论和量子力学在描述极端条件（如黑洞奇点和宇宙大爆炸的最初瞬间）时的不兼容性，是现代物理学最大的理论挑战之一。本书将系统介绍当前解决这一困境的主要路线图。我们将详述弦理论的基本思想——将基本粒子视为一维振动的弦，并探讨其在不同维度空间中的复杂数学结构。同时，也将对比圈量子引力（Loop Quantum Gravity）的路径，该理论试图将时空本身离散化，摒弃背景依赖性。 --- 第二部分：宇宙的宏大叙事——从时空结构到系外行星的搜寻 本部分将引导读者穿越数十亿光年的尺度，探索宇宙的演化史、极端天体的物理特性，以及人类对外星生命探索的科学基础。 4. 黑洞的物理学与信息悖论： 我们将超越对黑洞的经典描述，深入探讨霍金辐射的理论推导及其对信息守恒原则构成的挑战。详细阐述“黑洞信息悖论”的本质：当物质落入黑洞后，其携带的量子信息是否永久消失？本书将介绍对这一难题的不同前沿思考，例如“防火墙假说”与“软毛理论”（Soft Hair Theory），这些都是试图修补量子力学与广义相对论裂痕的尝试。 5. 引力波天文学的革命： 引力波的首次直接探测开辟了观测宇宙的新窗口。本书将分析构成引力波事件的源头——双中子星并合、黑洞-黑洞并合等。我们着重探讨如何利用不同引力波信号的波形（Waveform）来精确测量这些极端天体的质量、自旋和演化历史，从而检验广义相对论在强引力场下的有效性，而非描述某一特定探测器的操作流程。 6. 搜寻宜居带与生物信号： 探索外星生命是人类最深层的渴望之一。本部分将详细介绍当前系外行星探测的技术手段，包括凌日法（Transit Method）与视向速度法（Radial Velocity Method）的局限性与互补性。我们将构建一个关于“宜居带”的复杂评估体系，它不仅考虑液态水的存在，更涵盖了行星的大气成分、磁场保护以及恒星的活动性。对于“生物信号”（Biosignatures）的搜寻，我们将严谨分析哪些光谱特征（如氧气、甲烷的组合）在非生物过程中难以形成，从而提高我们对潜在生命的判断准确性。 --- 第三部分：未来的展望与前沿的交叉学科应用 本部分关注物理学如何与其他尖端科技领域融合，预示着下一次科技飞跃的潜力。 7. 量子信息科学的物理基础： 我们将解析支撑量子计算和量子通信的物理原理。重点阐述量子纠缠的非定域性（Non-locality）及其在量子密钥分发（QKD）中的应用，这与爱因斯坦提出的“幽灵般的超距作用”概念有深刻关联。对于量子计算，本书将比较不同物理实现路径（如超导量子比特、离子阱、拓扑量子比特）的优缺点，聚焦于如何利用量子力学的基本原理来解决经典计算机无法处理的特定复杂计算问题。 8. 极端环境下的材料科学与基础物理的交汇： 探索在接近绝对零度、极高压力或强磁场等极端条件下，物质展现出的新奇量子态。例如，高温超导体的机制仍然是物理学界面临的重大挑战之一。我们将讨论利用超冷原子（Ultracold Atoms）模拟复杂多体系统（Many-Body Systems）的实验方法，这为理解凝聚态物理中的强关联现象提供了全新的理论工具。 本书的宗旨是提供一个全面、前瞻性的知识体系，引导读者理解现代物理学研究的“问题清单”和“探索工具箱”，激发对宇宙终极原理的深度思考，而非对现有教学方法的复述或总结。它是一张通往理解自然界最深层规律的思维地图。

作者简介

宝琳‧甘侬Pauline Gagnon
出生并成长于加拿大魁北克，在当地取得大学学位后，又在加州大学完成粒子物理学博士学位，接着便成为欧洲核子研究组织（CERN）的超导环场探测器（ATLAS）研究团队中的一份子，在当了十九年的研究人员后，她离开团队，现于印地安纳大学任教。

从2012年开始，她便致力于科普知识的推广，用她的话来说，就是粒子物理太有趣了，不能只有物理学家知道！

译者简介

张宛雯
台大物理学士，纽约哥伦比亚大学教育学院神经科学暨教育硕士。

欢迎来信：2403wc@gmail.com

致谢　　　
各章摘要　　　
引言　

第一章　粒子物理入门１０１：物质由什么组成的？
第二章　粒子物理进阶课：什么是希格斯玻色子（Higgs boson）？
第三章　加速器与侦测设备：必要的实验工具
第四章　发现希格斯玻色子！
第五章　宇宙的黑暗面：暗物质和星系起源的祕密
第六章　标准模型的再进化：向超对称理论「SUSY」求救
第七章　基础科学研究能给我们什么好处？医学、精密机械和能源上的突破
第八章　欧洲核子研究组织（CERN）：独特的跨国科研合作典范
第九章　物理学的多元发展可能
第十章　下一波的新发现将是？

附录一　寻找女科学家：参与欧洲核子研究组织的一百零一国研究人员中的女性比例
附录二　科学史的公案：米列娃‧马利奇‧爱因斯坦的历史定位

各章摘要
 
第一章：粒子物理入门１０１︰物质是由什么组成的？
 
什么是物质的最小微粒，还有它们之间是如何交互作用，而得以形成我们周遭所能观察到的所有物质？标准模型（Standard Model）是现今描述这些粒子和它们之间交互作用的理论模型，标准模型提供我们一个对于物质世界的清楚解释，甚至也可以高度准确地预测这些粒子的行为。这些粒子每一个都带有与其对应的反粒子，但几乎所有的反物质都从我们的宇宙中神祕地消失了。
 
第二章：粒子物理进阶课︰什么是希格斯玻色子（Higgs boson）？
 
新闻媒体所传达的讯息是希格斯玻色子赋予基本粒子质量，但事实上，基本粒子质量的产生有三个要件：机制、场、玻色子。布劳特–恩格勒–希格斯机制（Brout-Englert-Higgs mechanism）是一个数学表述，该机制透过数学方程式描述了一个实际存在于自然界的物理实体—布劳特–恩格勒–希格斯场（Brout-Englert-Higgs field），这个场只是宇宙的其中一个性质，就像空间和时间是宇宙的一个性质，而希格斯玻色子是这个场的激发，就好像波浪是海平面的激发，找到希格斯玻色子就证明了这个场的存在。
 
第三章：加速器与侦测设备：必要的实验工具
 
制造希格斯玻色子是欧洲核子研究组织（CERN）的大强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）的其中一个目标。大强子对撞机先将质子加速到接近光速，然后再让质子对撞，这个加速器可以将极大量的能量集中到空间里一个极小的点上，所产生的能量会以粒子的形式物质化。大部分生成的粒子是不稳定的，而且出现后马上就分裂。接着，位于对撞点的侦测器则充当照相机，捕捉这些稍纵即逝的粒子与其衰变产物。
 
第四章：发现希格斯玻色子！
 
借着筛选数十亿笔运转于大强子对撞机的侦测器中的事件，物理学家可以提取出具有希格斯玻色子特征的少数事件。先进的统计方法使得我们可以将含有希格斯玻色子的事件从所有其他类型的事件中区分出来，进而使科学家能够自数百万个干草堆中抽取出一根针。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对未来科技发展和社会变革充满关注的读者，我一直期待能够找到一本能够连接当下科研前沿与未来可能性的书籍。这本书的出现，恰好满足了我的这一需求。它并非仅仅陈述事实，而是通过深入浅出的方式，让我看到了科学家们在探索宇宙最基本规律时所付出的努力和取得的成就。书中对于粒子对撞机等尖端设备的介绍，让我得以窥见科学研究的宏伟景象，也让我对手术台前科学家们严谨而充满激情的探索过程有了更深的体会。让我印象深刻的是，书中不仅仅介绍了“是什么”，还试图去解释“为什么”和“然后呢”。它让我思考，这些基础研究的成果，未来将如何影响我们的生活，如何改变我们对世界的认知，甚至如何引领我们走向更广阔的太空。这种前瞻性的视角，让我对科技进步充满了期待，也让我对人类解决未来挑战的可能性充满了信心。这本书不仅仅是科学知识的传递，更是一种关于人类智慧和创造力的赞歌，它让我感受到了科学的力量，以及它改变世界、塑造未来的无限潜力。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对那些能够将复杂概念转化为易于理解的文字的大师们充满了敬意。最近有幸读到了一本让我赞叹不已的书，它不仅仅是关于科学，更是一次心灵的旅行。这本书巧妙地将抽象的物理理论与我们日常所能感知的世界联系起来，让我仿佛置身于一个由原子和粒子构成的宇宙之中，以前所未有的清晰度感受着它们无休止的舞蹈。作者的笔触如同魔法，将那些曾经令我望而却步的方程式和概念，化作了生动的图景，让我得以窥见宇宙最深层的奥秘。我尤其喜欢其中对于“量子纠缠”的描述，那不仅仅是理论上的阐述，更是对宇宙间深刻联系的哲学思考，让我忍不住反复咀嚼，每一次阅读都能有新的领悟。这本书彻底改变了我对物理学的看法，它不再是枯燥的公式堆砌，而是充满诗意和哲理的探索，让我对未知充满了好奇和渴望。它激发了我对科学更深层次的兴趣，让我开始思考，我们所处的现实，究竟是由怎样的基本粒子构成的，它们又如何组合，才能创造出如此绚丽多彩的世界。这本书就像一扇窗，让我得以一窥宇宙的浩瀚与精妙，也让我对人类探索未知的勇气和智慧肃然起敬。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，太空探索都给我一种神秘而又令人振奋的感觉。这本书恰好捕捉到了这种精髓，并且将粒子物理学的知识巧妙地融入其中，为我打开了一个全新的视角。书中对于宇宙射线的解释，让我明白了那些来自遥远星辰的粒子，如何携带了关于宇宙最古老秘密的信息。作者对于黑洞内部物理过程的推测，虽然充满想象，却也基于严谨的科学推理，让我不禁为宇宙的奇妙和人类的智慧而折服。让我惊喜的是，这本书并没有仅仅停留在理论层面，而是详细介绍了科学家们是如何通过各种先进的探测器和实验来验证这些理论的，让我仿佛置身于一次激动人心的太空探索之旅。我尤其欣赏书中对于“暗物质”和“暗能量”的探讨，这些至今仍是未解之谜的宇宙构成，在这本书中得到了非常有启发性的讲解，让我对宇宙的构成有了更深入的理解。这本书不仅仅是一本科普读物，更是一次关于人类对宇宙终极奥秘的不懈追寻的记录，它让我更加期待人类在未来的太空探索中，能够取得更多突破性的发现。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我之前对粒子物理学的兴趣并不浓厚，总觉得它离我们的生活太远，那些微观粒子和高能物理的实验似乎与我毫无关联。然而，这本书却以一种出人意料的方式吸引了我。它不是简单地罗列公式或描述实验，而是将粒子物理学置于一个更广阔的框架下进行解读，让我看到了它与宇宙演化、我们自身存在以及未来科技发展之间的深刻联系。书中对于宇宙大爆炸早期粒子相互作用的描述，让我第一次感受到，我们今天所看到的一切，都源于那个最微小的开端。作者的叙述风格非常吸引人，他善于将宏大的概念分解成一个个小故事，让我能够在轻松愉快的阅读过程中，逐渐理解那些复杂的物理原理。那些精美的插图，更是将抽象的概念形象化，让我在脑海中构建起一幅幅生动的画面。这本书让我重新认识了粒子物理学，它不再是遥不可及的学科，而是构成我们世界最根本的基石，是解开宇宙之谜的关键。它让我对科学产生了新的敬畏之情，也让我开始反思，我们对宇宙的认知，还有多少未知的领域等待我们去探索。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，简直是为我这样的科学“小白”量身定做的。我一直对宇宙的形成、黑洞的奥秘以及那些听起来遥不可及的粒子物理学感到好奇，但市面上大多数的科普读物要么过于晦涩，要么流于表面，总让我觉得意犹未尽。然而，这本书完全颠覆了我的认知。作者以一种非常接地气的方式，将那些高深的物理概念剥离开来，用最贴切的比喻和最生动的语言进行讲解，让我仿佛跟着一个经验丰富的老师，一步一步地探索宇宙的秘密。书中那些精美的插图更是锦上添花，它们不仅仅是为了美观，更是为了帮助我理解那些抽象的物理过程。我至今还记得书中对“希格斯玻色子”的介绍，图文并茂，让我终于明白了这个“上帝粒子”的由来和作用，不再只是一个听起来很厉害的名字。读完这本书，我感觉自己对宇宙的理解上升了一个新的台阶，对那些曾经困扰我的科学问题，现在有了更清晰的认识。它点燃了我对科学探索的热情，让我开始主动去了解更多关于宇宙和物理学的信息。