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强力、弱力、电磁力、引力，源于宇宙之初的四种基本作用力构成并支配了我们世界。这四种力究竟如何形成并发挥作用？ 万物存在的“质量”又源于何处？

本书以通俗易懂的语言解读了强力与弱力以及基本粒子的相互作用机制，用推理小说的线索追踪与解谜方式介绍了微观层面下的奇妙世界以及自然的基本结构，能够让你以全新的视角面对和反思宇宙、自然以及万物的存在。

第一章　质量从何而来　　1

1.牛顿的代表作始于“质量”的定义　　4

2.物质的质量是原子质量的总和　　7

3.粒子发现大繁盛，希腊字母已经不够用了！　　9

4.质子和中子的质量并非夸克质量之和　　10

5.物质质量的99%来自“强力”的能量　　13

6.希格斯玻色子并非“万物的质量之源”　　15

第二章　“力”是一种改变的作用　　19

1.力既改变运动状态，又改变粒子种类　　22

2.磁铁周围的铁砂、气象图……“场”是什么　　24

3.“光既是波也是粒子”是怎么回事？　　27

4.构成物质的“费米子”与传递力的“玻色子”　　32

5.希格斯玻色子的发现是存在“第五种力”的证据　　36

第三章　距离越远力越强——强力的奇妙性质　　39

1.1932年轰动物理学界的两大事件　　42

2.青年科学家的决心：“四面楚歌，奋起直追！”　　44

3.汤川秀树预言了传递核力的新粒子　　47

4.日本也建成了高能加速器　　49

5.理论物理学家无用武之地的“新粒子大丰收”时代 　　52

6.夸克是一种具有“反常性质”的基本粒子　　54

7.汤川秀树的π介子也是由两个夸克构成的　　58

8.“囚禁”在粒子内部的夸克是如何被确认存在的　　61

9.距离越远强度越大的奇妙之力　　64

10.当时的基本粒子理论完全不是强力的对手　　65

11.黑暗时代的突破——杨- 米尔斯理论　　67

12.没有质量的粒子？泡利先生的严厉质问　　70

13.红、蓝、绿，强力可以改变夸克的颜色？！　　73

14.天才霍夫特发现的“负号”的意义　　76

15.全体成员获得诺贝尔奖　　79

16.自身也被囚禁的胶子　　82

第四章　上帝是个左撇子——弱力的乖僻性质　　85

1.强力与弱力的关系恰似“美女与野兽”　　88

2.在原子核中能量守恒定律不成立？　　89

3.期盼已久的中微子终于到来　　90

4.每个年级各分三个班的六年制夸克小学　　97

5.弱力可以更换夸克的“年级”　　98

6.弱力也可以交换初中生和高中生　　100

7.为什么标准模型是六三三学制？　　101

8.因没有对称性而无法使用杨-米尔斯理论　　103

9.“传递弱力的粒子具有质量”之谜　　105

10.物理定律中本应没有“左右之别”……　　106

11.震惊！竟然存在具有“左右之别”的物理定律　　108

12.通过花样滑冰来了解基本粒子的自旋　　113

13.电子的两种旋转状态——顺时针和逆时针　　114

14.弱力只作用于具有顺时针自旋的粒子！　　118

15.即使电子和夸克没有质量也没关系？！　　121

16.关于弱力的三个谜题　　124

第五章　单纯的定律与复杂的现实

——“魔法师”南部阳一郎的“对称性自发破缺”　　127

1.自然界的任何角落都存在对称性自发破缺　　129

2.在超导物质的内部光会变重　　132

3.俘虏青年南部阳一郎之心的BCS理论　　135

4.在超导状态中，电子的数量是不确定的　　139

5.容易随波逐流的人们聚集到体育馆会怎么样？　　142

6.如果光变重，那么它除了横波之外，还必须具有纵波　　148

7.若对称性发生破缺，就必然会出现没有质量的粒子　　153

8.“南部- 戈德斯通玻色子”变身为光的纵波　　156

9.应用于基本粒子理论的巨大飞跃　　158

10.真空并非“什么都没有的空虚空间”　　160

11.伟大理论物理学家的三种类型：贤者、杂技师、魔法师　　163

第六章　解开了希格斯玻色子的魔法！　　167

1.如何组合超导理论与狭义相对论　　170

2.为对称性破缺附加新的“场”　　172

3.希格斯场应该用于弱力和电磁力！　　173

4.连希格斯本人都没有想到的大胆转变　　175

5.温伯格的灵感乍现与剩余的两个谜题　　178

6.宇宙诞生之后的1/1036秒　　180

7.希格斯为什么讨厌“糖稀”　　182

8.希格斯场对质量的起源没有做出任何解释　　184

9.希格斯玻色子是如何诞生的　　188

10.希格斯玻色子并非“上帝粒子”　　193

11.诺贝尔奖得主将会是谁　　196

第七章　完成标准模型的CERN之力　　203

1.让青蛙变王子的“霍夫特之吻”　　206

2.CERN 通过发现Z 玻色子，在与美国的比赛中扳回一局　　207

3.费米子是由美国发现的，玻色子是由欧洲发现的？　　210

4.为什么需要如此巨大的加速器　　215

5.使质子加速到光速的99.999999%　　217

6.实验获得首次成功9天后出现的惨烈事故　　219

7.“174万次中偶然出现1 次”的现象叫作“发现”　　222

8.新粒子真的是希格斯玻色子吗？　　228

9.人类智慧的顶级杰作——标准模型理论　　229

终章　仅占5%　　233

1.标准模型的结构类似于多次扩建改造的温泉旅馆　　235

2.相对论如同美国金门大桥，而标准模型则像日本新宿车站　　237

3.宇宙的暗能量与暗物质之谜　　241

4.超对称性模型中存在五种希格斯玻色子　　242

5.一直被人抱怨“毫无用处”的科学家们　　245

6.技术革新的目的并非战争而是和平　　248

7.科学所带来的惊喜与文学、音乐、美术是等价的　　251

后记　　255

大栗博司

美国加州理工学院理论物理讲席教授，理论物理研究所（burkeinstitute.caltech.edu）所长，日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构（Kavli IPMU）研究主任。东京大学理学博士，发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造，其研究曾获得美国数学学会大奖（2008年）、德国洪堡研究奖（2009年）、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯•西蒙斯奖（2012年），《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年日本第30届日本讲谈社科学出版奖。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《强力与弱力》《超弦理论》，数学入门科普《用数学的语言看世界》等。

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这种说法可能听起来像是迫不得已的辩解，可是夸克具有颜色的观点对于解释强力的作用机制也是非常重要的。南部阳一郎和韩武荣在论文中不仅仅提出了夸克具有颜色的观点，也指出了利用颜色解释夸克之间强力的可能性。

前文已经介绍过，如果存在电磁场，其中的波就会以电磁波的形式进行传递，它的最小单位为叫作光子的玻色子。另外，带电粒子间的电磁力则源于光子的交换。一个带电粒子释放出光子，另外一个粒子吸收该光子后，就完成了电磁力的传递。同理，当利用杨一米尔斯理论解释强力的时候，叫作胶子的玻色子就会以杨一米尔斯场的波的最小单位出现，并完成强力的传递。

于是，我们可以这么解释被囚禁在粒子之中的夸克。假设△重子之中含有三种颜色的夸克u（红）、u（蓝）、u（绿）当u（红）释放出胶子时，其颜色就会发生变化。另外，该胶子被其他夸克吸收后，其领色也会发生变化。胶子的交換不仅改变了夸克的颜色，还产生出了夸克间的引力作用。

综上所述，考虑到夸克有颜色，且其间存在杨一米尔斯场的作用，就出现了可以解释囚禁夸克的强力的可能性。

物理学的基本定律明明拥有很多对称性，为什么现实世界如此复杂？对称性自发破缺原理是打开这扇门的钥匙。基本定律是单纯的，世界却不是单调的。这是多么理想的组合啊！

因为质子和中子的质量基本源于束缚夸克的能量，所以原子的质量，甚至连我们身边物质的质量，也基本都是源于这种束缚夸克的能量。

电子和夸克的质量仅占整体质量的1%。所以物质的质量基本可以解释为强力的能量通过公式E=mc²换算出的质量。

书籍介绍

强力、弱力、电磁力、引力，源于宇宙之初的四种基本作用力构成并支配了我们世界。这四种力究竟如何形成并发挥作用？ 万物存在的“质量”又源于何处？

本书以通俗易懂的语言解读了强力与弱力以及基本粒子的相互作用机制，用推理小说的线索追踪与解谜方式介绍了微观层面下的奇妙世界以及自然的基本结构，能够让你以全新的视角面对和反思宇宙、自然以及万物的存在。