物质深处-粒子物理学的慑人之美

    美国人布鲁斯A.舒姆写的这本《物质深处—粒子物理学的慑人之美》由清华大学出版社出版、由三河市君旺印务有限公司2017年2月第2次印刷，潘士先翻译。

    爱因斯坦相信，任何值得尊敬的物理学理论对思维正常的人来说必定是可以理解的。本书中我试图向公众解释如今公认的粒子物理学理论：标准模型范式。本书在远远超出皮毛之论的水平上，介绍粒子物理学家世界观背后的思想和观念。P.导言.3

    人们常说有四种自然力：引力、电磁力、强核力和弱核力。粒子物理学标准模型揭示，四种自然力中的两种（电磁力和弱核力）乃是单一的、统一的“电弱力”的表现。时至今日，仍然不清楚究竟有四种还是三种不同的自然力。P.6

    注意，电子不是电荷——它具有电荷，大部分（但不是全部）基本粒子具有电荷，电荷是粒子的一种属性，但粒子本身不是电荷。P.8

    所有的夸克都是基本粒子，但不是所有的基本粒子都是夸克。另一类基本粒子叫轻子，电子是其最著名的例子。P.11

    粒子物理学标准模型的基石是电磁力和弱核力的统一，就是说，构成一种单一、共同的物理学定律统辖的理论。P.13

    普朗克假设说，能量元的能量为E=hf，式中h是普朗克常数，f是给定频率的电磁波。P.24

    德布罗意关系：λ=h/p，任何物体都具有波动性，其波长λ反比于动量p.h是普朗克常数。P.26

    海森堡不确定性：∆p.∆x=h/4π,式中，∆p表示物体动量的不确定性，∆x表示位置的不确定性，h是普朗克常数，π是圆周率。P.32

    薛定谔方程的完整表达式，但这是其一维形式，只适用于一维运动的情形：-h2/8π2m d2/dx2ψ(x)+v(x)ψ(x)=Eψ(x)。它是确定确定物体波函数ψ(x)的“处方”，包含了可能确定粒子性质ψ(x)的一切，这个粒子具有质量m和能量E,且在某种力的作用下，相应的势能函数是v(x)。通过解薛定谔方程得到波函数ψ(x)，虽然本身没有物理意义。如果粒子是自由的（不受任何力），则无势能，即v(x)=0，此时方程的解ψ(x)就是德布罗意猜想的那个波，波长为λ=h/p。P.34-35

    薛定谔方程由三项组成。等号左边是x点处的动能和势能，而右边是总能量。可见，薛定谔方程是量子力学形式的能量守恒定律。从能量守恒的这一量子力学表达，产生了规定粒子可能具有的量子力学波函数的一组完整的约束。P.36

    麦克斯韦统一电磁理论中，时变电场和磁场能够彼此支持，可在自由空间无限传播，且计算其速度等于光速。这样麦克斯韦成功解释了光传递能量和信息的起源，不引入场的概念，是不可能取得这一成果的。P.40

    如果场被量子化为携带能量。像粒子那样行为的离散包E=hf，我们如何理解场施展其特征力的机制呢？用一个光子替代两人之间传递的球。两个电子的斥力是两个电子交换一个或多个光子的结果，光子是电磁场的量子。P.41

    那么两个电子相斥时交换的光子从何而来呢？为保证电子相斥中每一步的能量都守恒，被交换光子能量的一部分将被解释为它的质量。但光子并无质量。根据海森堡不确定性原理，一个物体能量的不确定性（∆E）与其寿命（∆t）以下式相联系：∆E=1/∆t × h/4π。交换光子只存活一段短时间∆t（以光速在两个电子间飞行），结果，其能量和质量有很大的不确定性，可以有完全不同的质量。这样一个能量守恒要求它具有不同于其已知质量值的短命粒子，专业上叫作离质壳粒子，也称虚粒子。P.42

    读者感言：美国人写的书，确实看似浅显易懂，在写给大学生和研究生的科普读物里，都详细的呈介科学计数法及其意义；比如它介绍为何两个电子间产生了光子，都浅显易懂。