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宇宙的不完美進化 版權信息
- ISBN：9787541161933
- 條形碼：9787541161933 ; 978-7-5411-6193-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
宇宙的不完美進化 本書特色
★終于搞懂宇宙了！宇宙的誕生與進化，都跟一個神秘的粒子有關！ ★大爆炸后十億分之一秒，萬物的命運就已被決定。 ★2017年意大利重要科學普及類圖書獎項伽利略獎獲獎圖書！ ★基礎物理學獎、費米獎獲得者，意大利比薩大學物理學教授圭多??托內利權威力作，來自物理學專家的科普，帶你輕松解讀宇宙進化的奧秘！ ★改變世界的大發現！諾貝爾物理學獎獲獎理論的驗證關鍵！帶你體驗一場上帝粒子的發現之旅，感受宇宙進化的美妙歷程。 ★人文氣息滿滿的科普作品，有趣好讀，獻給每一位對宇宙有興趣的人！
宇宙的不完美進化 內容簡介
在日內瓦的歐洲核子研究組織，大型強子對撞機誕生了，這個世界上能量超大的粒子加速器，完成了對宇宙大爆炸的數百萬次模擬。 圭多·托內利是這項工作的重要參與者。《宇宙的不完美進化》是他的重要成果。這部作品用通俗的方式告訴我們，在大爆炸后的十億分之一秒，人類的命運已被決定。按照目前的物理學模型，宇宙在大爆炸膨脹后很快就會坍縮，膨脹不超過1秒。而宇宙沒有坍縮，部分原因是在膨脹過程中產生了希格斯玻色子，俗稱“上帝粒子”。在我們這個物質與非物質同等存在的宇宙，任何事物都可能變回為純能量，希格斯玻色子對物質而不是反物質的一點點的偏向都對整個宇宙的進程發揮著巨大作用。 作品更新了人們對偉大宇宙的理解，解鎖了宇宙進化的深層奧秘。我們曾經認為無法理解的偉大謎團，今天看來，似乎觸手可及。
宇宙的不完美進化 目錄
前言：為了禮服尺寸焦慮和奔跑
**章 敲響新物理之門的賭注
第二章 男孩們的冒險
第三章 瘋狂的實驗
第四章 突如其來的瓶頸期
第五章 競爭正式拉開帷幕
第六章 在沉默中迎接宇宙的真相
第七章 改變物理學的七個月
第八章 宇宙的秘密
第九章 通往未來的一扇門
第十章 全新的創世紀
后記：倭黑猩猩、黑猩猩和超新星
致謝
展開全部
宇宙的不完美進化 節選
宇宙的秘密 Il segreto dell ’unicerso 圣母瑪利亞和暗物質 韋爾代洛（貝加莫），2012年10月29日 在貝加莫附近的鄉村，達爾米恩工廠附近，城市的混亂令人恐懼。高速公路、購物中心、工業倉庫和舊住宅區在一片混亂中交替重疊：似乎地方管理者正在競爭誰能在自己的地盤上集中更多的丑陋事物。在這種反常的糾纏中，不僅人類會迷路，連衛星導航儀也會抓狂。誰愿意不惜一切代價說服你向右拐，那里沒有路，只有一條滿是臟水的運河。 經過幾次嘗試和幾次迂回之后，我終于到達了我一直在尋找的農場—Cascina Germoglio農場。突然之間，一切都變得美麗而整潔。感覺就像走進了迪士尼電影里的農場。修剪整齊的草地和小樹林，牧人的牛群。這邊的籬笆里是母雞和兔子，另一邊籬笆后面是馬匹。甚至有一種訓練有素的獵鷹能在我們頭上回旋。當它歡迎我們的時候，皮耶羅??盧基尼用一聲變調的口哨叫它回來，讓我們欣賞這只猛禽迅速地落在他用皮帶保護著的左臂上。Germoglio是一個治療和康復精神障礙患者的社區，由皮耶羅領導。貝加莫的每個人都認識他們。他們建立了護理設施，用護理之家來接待不太嚴重的病人，還有這個農場，他雇用了幾十個人來照顧動物和在地里干活。這家農場生產葡萄酒、冷切肉和奶酪，都是純粹的有機食品。你可以在附近的餐廳品嘗，那里有當地*好的卡松切利意大利面。還有一個意大利獨有的劇場，由專業演員、接受治療的病人和訓練有素的馬匹共同表演具有強烈情感沖擊力的作品。 在意大利管理社區和在千難萬難中行動需要很大的勇氣。卡西納??格爾莫里奧得到了機構的支持，但農場的生存和發展也要感謝私人支持者和教會的幫助。皮耶羅??盧基尼是一個硬漢，他并不缺乏貝加莫地區眾所周知的勇氣和決心。在跟隨加里波第的1089支紅衫軍中，有160支來自貝加莫，這并非巧合：他們是性情中人，大部分是工人、面包師和鞋匠，還有一些律師和理發師。皮埃羅曾經告訴我：“每個人都知道Germoglio農場里有瘋子，但很少有人知道*瘋狂的是我。”事實上，要把一群病人帶到曼圖亞，或者騎自行車出發，在一周的旅行和無盡的冒險之后，去羅馬接受教皇的接見，這需要一劑讓人瘋狂的猛藥。 幾個月前，當皮耶羅、一群工作人員和病人來到歐洲核子研究組織時，我答應一定要去看他們。這是一次特殊的訪問，他們在歐洲核子研究組織面前睜大眼睛，問了很多問題，并在離開之前對我發出邀請：“如果您能和我們在Germoglio農場繼續討論就好了。”我想了很長時間，終于下定了決心拜訪他們。我和每天為自己而戰的人相處得很融洽。 參觀完農場后，我會見了病人和工作人員。他們用關于希格斯玻色子、宇宙起源和命運的問題轟炸我。我們在大廳里坐成一圈。我從那些苦難的表情中看出了好奇和感激。當他們想和我合影的時候，我就會很自然地把我的胳膊搭在身邊人的肩膀上，他們是兩個20出頭的男孩。我的手能感覺到他們因激動而顫抖。在討論結束時，一位沒有問問題，但仔細聽了討論的病人走近我，低聲問我，這樣其他人就聽不見了：“你們這些科學家看到的是周圍的暗物質，別人看不到……人們卻相信它。另一方面，我偶爾也會和我們的女士說話。為什么沒人相信我？” 這真的是希格斯玻色子嗎？ 新粒子的發現在全球引起了轟動，沒有一份報紙不談論此事，超環面儀器項目和緊湊渺子線圈項目發表的文章立即累積了數百條引用。在所有這些喧囂的庇護下，歐洲核子研究組織的檢查和驗證工作仍在繼續。一種新的玻色子被發現了，但我們真的確定是它嗎？這一發現的官方聲明仍然保持著非常謹慎的語氣：它提到了一種希格斯型玻色子，也就是說，它與希格斯玻色子非常相似。謹慎是完全有道理的。像所有的玻色子一樣，希格斯玻色子也有整數自旋。但是這個粒子的一個基本特征是它的自旋為0，也就是說，它是一個標量粒子。根據截至2012年7月收集的數據，我們還無法衡量這種旋轉，我們必須保持謹慎。如果我們發現了自旋1或2，我們就會遇到一個冒充者，它看起來像希格斯玻色子，但實際上不是。在我們確定這一點之前，我們不能給出任何明確的說法。 接下來是潛在異常的問題。發現的主要是玻色子衰變通道，超環面儀器和緊湊渺子線圈都沒有展示出令人信服的新粒子分解為底夸克或陶輕子的跡象。這里出現了其他問題。我們沒有看到這些事件，是因為我們還沒有足夠的靈敏度，或者是賦予費米子質量的機制不同于布勞特-恩格勒-希格斯所預測的那樣？在這種情況下，我們應該考慮發現了一種粒子，而不是標準模型預測的希格斯粒子的假設。 *后，大多數專家注意到，兩個實驗都記錄了，在兩個光子的衰變通道中，發生的事件比預期的要多50%。像往常一樣，這種異常可能是簡單的統計隨機現象，它隨著新數據的積累注定會消失。這種類型的衰變是一種特殊的保護，因為它對新物理的存在非常敏感。如果周圍有我們尚未發現的大質量粒子，它們的存在可能會間接地顯現出來，從而改變這一過程。 這一切都讓許多人感到不安，有兩位年長的紳士尤其如此：他們的名字是彼得??希格斯和弗朗索瓦??恩格勒。這兩人很清楚，他們等待多年的來自斯德哥爾摩的電話，將只會在超環面儀器項目和緊湊渺子線圈項目消除顧慮并且正式宣告之后， 正如現在不停涌現的文章和官方新聞稿。他們在1964年的直覺只有在正確的情況下才能得到回報，也就是說，如果2012年發現的粒子具有標準模型希格斯玻色子的所有特征。 全年，大型強子對撞機持續高效地產生碰撞，*終超過20 fb-1。現在有足夠的數據來驗證所有這些潛在的異常現象。由于數據是上一輪的四倍多，這一信號得到增強并變得越來越清晰。現在，即使是在只包含少量事件的通道，也足夠進行更詳細的研究并尋找任何異常現象。 首先，我們關注旋轉。這種機制很簡單，在過去已經使用了好幾次。為了測量不穩定粒子（如希格斯玻色子）的這種特性，需要測量其衰變產物的角分布。來自母粒子衰變的電子、μ子和光子，按特征模態分布在空間中。根據母粒子的自旋是0、1還是2，它們的分布有很大的不同。結果呢？在所有的假設中，這個新粒子實際上是布勞特-恩格勒-希格斯所假設的標量，這是迄今為止*可信的假設。 更復雜的是收集希格斯在底夸克或陶輕子中的衰變信號。有必要利用所有可用的數據，并進一步提高分析的敏感性，以便在這些“重要的衰變”中看到**個微弱的跡象。希格斯玻色子必須與夸克和輕子耦合以獲得質量，所以它也必須衰變成這些輕粒子。如果這種情況沒有發生，一顆真正的炸彈就會爆炸，因為我們應該假定，除了賦予*輕基本粒子質量的希格斯玻色子之外，還有其他東西。這將是迄今為止所設想的標準模式的崩潰。 *終，*初的疑慮消失了。有了完整的統計數據，超環面儀器和緊湊渺子線圈都清楚地表明，希格斯粒子與夸克和輕子的耦合沒有異常。這張圖表總結的結果，令人震撼地再現了與各種粒子質量成比例的耦合，而這是在1964年就提出的假設。 然而，還有一些讓人緊張的問題，這些問題相當尷尬，只有經過數月的瘋狂工作才能得到解決。整個2012年，超環面儀器項目的工作人員都在質疑質量的測量。在標準模型中，希格斯玻色子的質量是迄今為止*重要的參數，是唯一不是由理論決定的參數，必須以盡可能高的精度來測量。為了做到這一點，我們使用了兩種*清晰的衰變，這兩種衰變產生了*佳的分辨率：一種是兩個光子中的衰變，另一種是兩個Z玻色子中的衰變 —— 衰變成四個輕子。這是兩個獨立的衡量標準，應該會得出相似的結果。這就是緊湊渺子線圈的結果，而超環面儀器得到了兩個不同的結果。這是可能發生的，但觀測到的兩個光子衰減值與四個輕子衰減值之間的大于3GeV的差異似乎太大了。雖然在超環面儀器項目中我們很難找到解釋，但一些理論家開始假設，在現實中，希格斯玻色子的“雙重態”已經被發現：一對具有相似質量的粒子，與標準模型的規定沒有任何關系。*后，經過數月的校核和無數次的分析，兩個值的差值降低到2.5 GeV —— 一個更符合實驗誤差的值。終于塵埃落定了。 就在超環面儀器項目努力測量希格斯粒子質量的幾個月里，緊湊渺子線圈項目因衰變為兩個光子的情況經歷了一段瓶頸期。再加上，數據顯示希格斯粒子存在的信號存減弱了，就好像在新一輪的測試中，這個在2011年和2012年備受矚目的清晰信號已不復存在。在*初的困惑之后，我們的反應是有條理的。我們再次檢查了所有可能的錯誤原因。例如，在夏天，加速器進一步增加了堆積的條件，因為我們做了很多改變，我們可能已經錯過了希格斯事件的很大一部分。一切從頭開始，從頭開始，從頭開始。*后，經過八個月的焦慮和仔細的測試，我們得出了*簡單的結論：沒有異常，只是統計上的波動。在前10個fb-1（即直到2012年中期），我們記錄了一個正波動，即希格斯玻色子比預期的更多；而接下來的10個fb-1（2012年底）出現了負波動，信號變弱。總的來說，結果正是標準模型所預測的那樣。所有那些認為新物理學的**個跡象隱藏在雙光子衰變中的希望都必須暫時放棄。 2013年年初，當我們確定地宣布這個新粒子是一個標量，在各個方面都與希格斯玻色子相似時，*高興的是兩位年長的同事，他們惴惴不安地跟蹤著這些進一步分析的所有階段。現在再沒有疑問了：他們見證了我們是對的。 優雅的禮服年 諾貝爾獎的頒獎過程相當復雜，但效果非常好。獲獎者的宣布通常在10月的第二周舉行，而頒獎儀式則在一個固定的日期：12月10日，即阿爾弗雷德??諾貝爾的逝世周年紀念日，在斯德哥爾摩舉行。 分配機制早在一年前就開始運作了，那時開始收集候選人的名字。每年秋天，不定量的國際知名科學家（通常為1 000人）會收到瑞典皇家科學院的一封信。信中還包括一份邀請函，在次年1月底前注明一個或多個申請人的姓名和說明。從次年2月開始，一個特別委員會正在起草**個非常大的名單，以提取出一些候選人的名單。這個問題由該學會指定的一組科學家來處理，在他們的決定中，與前幾年的諾貝爾獎得主進行的磋商也有重要的影響。*佳候選人的決選名單將于次年夏天出爐。然后開始第二輪保密磋商，從中獲得進一步的資料，尤其是可能的否決權。在會議結束時，委員會在正式會議前通報了其方向。現在是10月初，從理論上講，即使這從未發生過，科學院也可能不會接受委員會的建議。無論如何，*后決定將在全體會議上討論并在不久之后宣布。 諾貝爾委員會的謹慎是眾所周知的：沒有經過驗證的結果不會發布，沒有經過實驗驗證的理論也不會發布。這就是為什么彼得??希格斯和弗朗索瓦??恩格勒要等這么久。但今年，每個人都希望這是他們的時刻。很明顯，他們的名字都在*受歡迎的候選人名單上，但比賽會一直持續到*后一刻。首先，獲獎領域之間有一種非正式的輪換：粒子物理學、天體物理學和固體物理學，有時還會涉及其他研究領域。那么總要考慮的是，贏家*多可以有三名。事實上，阿爾弗雷德??諾貝爾的遺囑中提到要將諾貝爾獎授予在物理學領域做出*重要發現或發明的人，但隨著時間的推移，這一規則被修改為授予三個人。因此，在那些研究對稱性或電弱斷裂機制的理論家中，除了希格斯和恩格勒，還有其他理論家的一席之地。 有人大膽宣稱委員會可以把第三枚獎章授予歐洲核子研究組織。我們應該打破一個多世紀以來的傳統。*終規則已經被改變過一次，而且還可能再次發生。研究機構在不斷發展，遲早也會出現這樣的情況：即使是瑞典皇家科學院也會認識到，當研究成果來自數千人的合作成果時，將獎項頒給個人科學家變得越來越困難。鑒于超環面儀器和緊湊渺子線圈兩個項目在大型強子對撞機項目中的出色表現，所以這可能是正確的時機。那么，為什么不獎勵能夠組織和協調這一巨大努力的國際組織呢？ 歐洲核子研究組織的許多人支持這一觀點，有些人甚至對瑞典皇家科學院*知名的成員施加某種形式的政治壓力。這些都是相當笨拙的操作，可能會適得其反，不過它們注定會產生某種預期。 2013年10月8日是星期二，我們都在等待。宣布時間定于上午11點，屆時將有數百人聚集在實驗室各個區域設置的屏幕前。男孩們一如既往地開玩笑說：他們得到了一些巧克力制成的諾貝爾獎章，他們把一塊獎章掛在我脖子上，和我合影留念。奇怪的是，這一宣布被推遲了，而且已經有謠言流傳，關于第三枚獎章的爭議正在進行中：有人提議將它分配給歐洲核子研究組織，而且大話已經傳開了。*后，發言人走進房間，讓所有人安靜下來：獲獎者是彼得??希格斯和弗朗索瓦??恩格勒。走廊里回蕩著歡快的歡呼聲，人們打開起泡酒的瓶塞，跳著舞慶祝。這一宣布并不令我感到意外：我就知道結局會是這樣。相反，當發言人宣布動機時，我的情緒出現了：“該理論已經被歐洲核子研究組織的兩個項目組緊湊渺子線圈和超環面儀器的*新發現所證實。”當我聽到我們實驗組的名稱時，我明白我們所做的已經創造了歷史。 第二天，我接到了弗朗索瓦??恩格勒的電話，他不給我時間恭維他：“你還記得我們的打賭嗎？” “做好準備。讓我們一起去斯德哥爾摩吧。”因此，對我們來說，這成了優雅禮服之年。在歐洲核子研究組織和比薩，他們取笑我，因為我時不時地穿著正式的禮服出現在報紙或電視上，比大家通常看到的牛仔褲要優雅得多。我們從2012年9月的藍色套裝開始，當時的共和國總統喬治??納波利塔諾邀請塞爾吉奧??貝托魯奇、法比奧拉和我到奎里納爾宮，給我們頒發一個榮譽獎章，并在電視上對意大利所有學校的孩子們公開講話。 2013年4月，當我們在日內瓦獲得基礎物理學獎時，我們需要變得更加優雅。儀式包括男士的燕尾服和女士的長裙。該獎項是世界上*重要的獎項之一，由于發現了希格斯玻色子，該獎項授予了七人，媒體將我們重新命名為“偉大七杰”。林恩??埃文斯、吉姆??維爾迪、法比奧拉??賈諾蒂、喬??因坎德拉、彼得??詹尼、米歇爾??德拉??內格拉和我分享300萬美元獎金，這是對物理學充滿熱情的俄羅斯億萬富翁尤里??米爾納，決定每年頒發給那些為基礎知識的進步做出貢獻的科學家們的基金。當宣布獲獎的電話打來時，每個人都想到了一個笑話。我是在東京巡回演講時接到的電話。當時我在一家日式傳統餐館吃飯，那種你雙腿跪坐吃飯的餐館。為了不被打擾，我準備離開餐館，起身花了好一會兒工夫。 歐洲核子研究組織打電話告訴我這個消息時，喬??因坎德拉笑得很開心。現在我們在這里，在日內瓦會議中心。與奧斯卡獎得主摩根??弗里曼一起，他也將出席今晚的儀式。頒獎典禮還包括對著名的劍橋科學家史蒂芬??霍金的表彰，他多年來一直在與可怕的疾病做斗爭。在頒獎典禮之前，在貝爾格日內瓦酒店會有一場晚宴。坐在我旁邊的是弗里曼，他是我*喜歡的演員之一。我發現，除了其他事情之外，他對物理學有一種真正的好奇心，我們寒暄了幾句之后，花了幾個小時討論暴脹、多重宇宙和額外維度。 *后，我們發現自己站在500位賓客面前，身穿紅色長裙的法比奧拉與身著黑色和白色燕尾服的6位男士形成了鮮明對比。我們一個接一個地認出了為我們鼓掌的人的面孔。有很多來自這兩個實驗項目的年輕人，他們工作在希格斯粒子分析的前沿。還有許多早期的朋友，超環面儀器和緊湊渺子線圈的先驅，以及許多建造和運行大型強子對撞機的物理學家和工程師。唯一遺憾的是史蒂夫??邁爾斯沒有入選。由于一個難以理解的原因，頒發該獎項的委員會認為他不值得認可。就我個人而言，我認為這是極大的不公正。 12月10日在斯德哥爾摩，優雅達到了頂峰，我們必須穿著燕尾服參加諾貝爾頒獎典禮，并與瑞典國王共享晚宴。 *后，盡管我在頒獎典禮前夕很焦慮，但漢斯??奧爾德的裁縫工藝很好，燕尾服完美地貼合我的身材，我終于可以松一口氣了。我、吉姆??維爾迪、彼得??詹尼和喬??因坎德拉打扮得像企鵝，我們都笑了。我們心情很好，在這里為這兩位朝氣蓬勃的伙計慶祝。他們現在的興奮之情溢于言表。就連平時沉默寡言的彼得，也成了一名健談者。宴會上輪到他發言了，他講得很好。在典禮結束的時候，他在各個大廳之間輕松地閑逛，說著玩笑話，拍拍別人的后背：一個真正的蛻變。我們一起拍了合照，我在他和弗朗索瓦中間，三人都有點醉意，這是我對那個難忘的夜晚*珍貴的回憶之一。 宇宙的起源 希格斯玻色子的發現是科學史上的一個里程碑。現在我們可以真正地重現大爆炸后幾分鐘發生的事情，那時希格斯標量場將自己安置在整個宇宙中，占據所有地方，直至*遙遠的角落。僅僅過了十億分之一秒，一些事情發生了，它將決定這個物體的命運，在接下來的數十億年里，它仍然在發光。 就在那一刻，無數希格斯玻色子在凝聚，在一個無所不在的場中永遠地結晶：希格斯場。在那一刻之前，希格斯玻色子還在以光速運動。在此之前，電磁力一直與弱力齊頭并進，與弱力截然不同。對于不與希格斯場相互作用的光子來說，一切都和以前一樣。另一方面，W玻色子和Z玻色子仍然被包圍在場的網狀結構中，質量如此之大，以至于它們無法將微弱的相互作用傳播到*微小的亞核距離之外。*后，即使是基本粒子也因與場的相互作用而不同，從而獲得了不同的質量。 轉眼間，一切都永遠改變了。由于這種微妙的機制，物質獲得了我們所熟悉的特性。電子所獲得的特定質量將允許它們穩定地圍繞原子核運行，這樣就可以形成原子和分子。正是這一機制，產生了巨大的氣體星云，*初的恒星和星系由此誕生，行星、太陽系直到**個生命有機體，逐漸變得越來越復雜，*后輪到我們。如果沒有弱電真空，沒有這個薄薄的支架支撐著我們稱之為宇宙的巨大物質結構，這一切都不可能發生。 如果服務了數十億年的希格斯玻色子，在任何一個給定的日期如“明天早上5點45分或在20億年后”突然疲倦或擺擺手臂罷工，整個宇宙將消失在一個巨大的能量泡中。 隨著希格斯玻色子的發現，我們慶祝科學的又一次成功。今天，我們可以說我們開始了解導致電弱對稱性破缺的機制。這是標準模型的又一次勝利，也是一個充滿問題的勝利。 事實上，我們已經知道，遲早我們會發現一個更普遍的理論，它將在更大的能量尺度上解釋物質，并將標準模型作為一個特例。我們知道，我們的許多確定性將在比迄今為止探索的更高能量下崩潰。標準模型將會被打破，新的相互作用或新的粒子將會被發現，這些將會揭示一些仍然懸而未決的重大問題：暴脹、引力的統一、暗能量。 這一切將在多大的能量范圍內發生？ 多年來，科學界一直在思考這個問題，希格斯玻色子的發現讓這個問題重新煥發了活力。我們正處于一場科學革命之中，這場革命的輪廓也許只有在幾十年后才會變得更加清晰。
宇宙的不完美進化 作者簡介
作者簡介 [意]圭多??托內利（Guido Tonelli） 意大利比薩大學物理學教授，歐洲核子研究組織大型強子對撞機項目專家組成員，參與并領導多項重要物理研究項目。獲得眾多專業獎項認可，包括基礎物理學獎、費米獎，并榮獲意大利總統榮譽勛章。本書獲得2017年意大利伽利略科學普及獎。 譯者簡介 何皓婷 青年譯者，畢業于北京外國語大學意大利語專業，取得文學學士及管理學學士雙學位。
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