镜中的宇宙:消失的粒子与幸存的世界 人民邮电出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

我们以及我们的物质世界，为何能存在于宇宙？物质与反物质成对湮灭，应当使得宇宙中空无一物。但一部分反物质却神秘消失，物质世界因而得以幸存。这背后的神秘“力量”究竟是什么?

本书围绕“我们为何存在于宇宙”这一问题，从可感的物质世界出发，层层深入至微观粒子世界，结合基本粒子标准模型的体系，一路探索至中微子与反物质及物质世界间的隐秘关系。本书不止沉潜于对前沿研究的讲解，更是一部激荡人心的自然解谜佳作，能够让读者体会到自然探索中的感动与沉醉。

第  1章 腼腆的中微子  001

1.首尾相接的“宇宙之蛇”  002

2.未知的“黑暗乐园”  004

3.宇宙中充满了中微子  007

4.探索原子的世界  010

5.消失的能量  012

6.泡利的预言  013

7.核电站中的“幽灵”  016

第  2章 基本粒子的世界  019

1.宇宙是由大量基本粒子构成的  020

2.质子和中子是由夸克构成的  022

3.基本粒子都是“三兄弟”  024

4.基本粒子有“味”？  026

5.力是粒子的交换  028

6.强力的真相  032

7.弱力的真相  033

8.四种力的统一  035

9.  CP对称性破缺  038

10.  小林-益川理论的登场  040

11.  验证小林-益川理论  043

第3章  奇异的中微子世界  045

1.掌握关键的中微子  046

2.中微子的质量  049

3.中微子与时间  058

4.利用中微子观测太阳  061

5.太阳中微子问题  064

6.  KamLAND实验  066

小专栏——神冈探测器与中微子  070

第4章  极轻的中微子之谜  073

1.中微子总是左旋的  074

2.  超重量级的左旋反中微子  076

3.传达“力的统一”的基本粒子  079

4.左旋中微子极轻的原因  081

答疑解惑  084

第5章  中微子是淘气鬼？  087

1.力的统一与中微子  088

2.中微子的馈赠  090

3.利用中微子研究物质与反物质的行为  093

4.μ子中微子变成了电子中微子  094

答疑解惑  098

第6章  希格斯玻色子的真相  101

1.希格斯玻色子是“上帝粒子”？  102

2.利用小型汽车的碰撞打造重型坦克  107

3.  1015次撞击产生10个希格斯玻色子  111

4.  99.999 94%的准确率  113

5.探寻光子和μ子  115

6.预言新粒子存在的希格斯博士  122

7.  对称性自发破缺  124

8.希格斯玻色子冷却后建立了宇宙的秩序  127

9.看不见“脸”的希格斯玻色子  132

10.新时代的开启——探寻希格斯玻色子的容颜  133

11.实现统一的时代  137

答疑解惑  141

第7章  我们为何存于宇宙  145

1.宇宙正在膨胀  146

2.大爆炸的证据  148

3.暴胀理论  152

4.由基本粒子的涨落引起的褶皱  156

5.迫近宇宙的开端  160

6.  被寄予厚望的“超弦理论”  164

7.迫近比原子还要微小的宇宙开端  167

8.  “SuMIRe项目”与宇宙的过去和未来  173

答疑解惑  175

后记  177

村山齐（Hitoshi Murayama）

1964年出生。

1986年东京大学毕业。

1991年修完东京大学博士课程，专业为基本粒子物理学。

曾任日本东北大学助教，自2000年开始担任加利福尼亚大学伯克利分校教授。

2002年，荣获西宫汤川纪念奖。

2007年，日本文部科学省创立的研究基地——东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构（IPMU），村山先生担任第一代所长职务。

主要研究课题为超对称性理论、中微子、初期宇宙、粒子加速器实验的现象论等。与科学家共同协作，推动宇宙研究的发展，同时为将研究成果回报给社会，积极投身市民讲座和科学教室等演讲活动。

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    1．首尾相接的“宇宙之蛇”

     对于“我们为何存在于宇宙”这一问题，如果我告诉大家“这一切可能与中微子有关”，大部分人可能会一头雾水，甚至有人会很惊讶，觉得我在胡说八道。

     在进入正题之前，让我们先来思考一下宇宙的大小。我们在日常生活中使用的物品，例如笔记本、钢笔等文具，长度大概只有十几厘米，而我们的身高最多也只有几米。随着尺寸的不断扩大，车站、百货商店等建筑可高达数十米，东京塔、东京晴空塔等建筑则可高达数百米。像富士山和珠穆朗玛峰这样的高山海拔可高达数千米。此外，地球的直径约为1．3万千米，地球与太阳之间的距离约为1．5亿千米，太阳与海王星之间的距离约为45亿千米。像这样，表示大小的数字在不断增大。

     当然，宇宙更加辽阔。太阳系的外侧是浩瀚的银河系，银河系的外侧则遍布着以仙女座星系为代表的诸多星系，它们共同聚集构成了星系团。如果照此扩大观察的尺度，可以说宇宙是无边无际的。由于大爆炸产生的光能传播的最远距离大约为10 27米，因此我们尚不了解超出这个距离之外的情况。不过，我们已经把宇宙的可知范围扩大到了比笔记本和钢笔的尺度大29个数量级的程度。可以说这种尺度的宇宙是非常巨大的。

     不过，随着对宇宙研究的不断深入，我们发现除了大的物体以外，微小的物质同样至关重要。如果把笔记本和钢笔的尺寸再继续缩小，就会进入原子、原子核、基本粒子的微观世界。虽然现在的宇宙大到让我们无法想象，但如果时光能够倒流，宇宙就会不可思议地不断缩小。另外，我们发现宇宙在刚诞生的时候，是非常微小且炽热的。因此，要想查明宇宙如何诞生、如何演变为现在的模样，我们还必须了解微小的世界。

     为了真正理解无比巨大的宇宙，竟然得去研究微小的基本粒子世界，这真是太有趣了。我不禁想起了希腊神话中的衔尾蛇。这条蛇在吞食自己的尾巴时，躯体会呈现为圆环状，它仿佛象征着和谐的宇宙。如果将蛇头比作整个宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微观世界就可以像衔尾蛇吞食着自己的尾巴那样衔接在一起(图1-1)。宇宙与基本粒子之间仍然存在很多未解之谜，世界上许多研究者都对此产生了浓厚的兴趣。

     2．未知的“黑暗乐园”

     宇宙究竟由什么构成，其实我们尚未接近了解。2003年，由美国国家航空航天局(NASA)发射的观测卫星“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)成功测得了宇宙的能量明细。听起来我们似乎已经搞清楚了宇宙的成分，然而事实并非如此。只要提起宇宙，我们就会想到璀璨的繁星和绚烂的星系，然而它们的总量仅占整个宇宙的0．5％左右。此外，在本书后文中即将为大家介绍的中微子，在宇宙中所占的比例为0．1％～1．5％，也属于宇宙中的少数派，甚至连由构成我们身体的原子所构成的所有物质也仅占整个宇宙的4．4％左右。即使将以上所有物质都加在一起，其占比也仅为宇宙整体的5％左右，远远达不到100％。

     世间万物都由原子构成，这是我们在学校学到的知识。但是，宇宙中的原子总量甚至不到宇宙整体的5％，所以这句话其实是接近错误的。我真希望涉及这部分内容的教科书能够尽早得到修订。以前，我们一直认为物质是宇宙的全部，然而物质在宇宙中只是微不足道的少数派。

     那么，其余的大部分是什么呢？对于人类来说目前这仍是未解之谜。WMAP的观测结果显示，暗物质占宇宙能量总体的22％左右，暗能量则为72％左右。虽然物质与这两部分相加后，可以在比例上圆满地凑成100％，但我们尚不了解暗物质和暗能量究竟是什么。我们只不过是给未知的神秘物质和能量起了临时的名字罢了(图1―2)。

     P2-5

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我们为何能够存在于宇宙？

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迫近物质世界存在的真相

媒体评论

宇宙中为何会形成“物质”呢？基本粒子研究已经揭开了该问题的一层面纱。这本书结合了实验的成果，讲述了研究者对这一问题的挑战。

——小林诚（诺贝尔物理学奖得主，日本高能加速器研究机构 特别荣誉教授）

中微子研究可谓是日本的“家传绝技”，也是解答“世界为何存在，而没有化为虚无”这一谜题的关键。在这本书中，处处都能感受到村山先生对中微子的爱。

——大栗博司（加州理工学院理论物理研究所所长）

“对称性破缺”是时空历史的支配者，远远超出了日常的尺度，人类能够迫近这一巨大的谜题的真相，真是了不起!

——茂木健一郎（日本脑科学研究者）

“我们为何存在于宇宙？”对于这个哲学问题，基本粒子物理学家已经可以做出回答。村山先生是研究宇宙起源与基本粒子的专家，他用简单易懂的语言为大家讲解了这一不可思议的谜题。读完这本书，一定会为宇宙与基本粒子的美而感动!

——竹内薫（日本科普作家）

书籍介绍

我们为何能够存在于宇宙？

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