经典科普读物重新出版
在1957年获得诺贝尔物理学奖之后，杨振宁先生以亲历者的视角，将19世纪末到20世纪前半叶的粒子物理学的新发现娓娓道来。阅读本书，彷佛穿越回百年前，亲眼见证一个又一个诺奖级成果的诞生。
宇宙的本质是什么？最小的物质结构是什么？
假如宇宙是一个砖房，粒子物理学便是研究“宇宙的基本砖块是什么”以及“砖块间如何相互作用”的学问，也是开启宇宙终极秘密的钥匙。在这本书里，杨振宁先生详细介绍了人类发现宇宙本质的过程。
会讲故事的科学家
杨振宁先生的科普作品以流畅，清晰见长，仅用不到100页的篇幅便将复杂的物理机制解释得通透、精准，让普通人也能领略物理学的奥妙。同时本书的语言文字、专有名词等均已更新为现代化的表述，阅读体验更加流畅。
来源 | 《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》
作者 | 杨振宁
译者 | 杨振玉 范世藩
文章 | 节选第一章
在 19 世纪末 20 世纪初，物理学明显进入了一个新时代的黎明时期。不仅经典力学和法拉第 – 麦克斯韦（Faraday-Maxwell）电磁理论的辉煌成就已经使经典的宏观物理学时代结束，而且各方面都出现了新的现象、新的疑难、新的激动和新的预见。
阴极射线、光电效应、放射性、塞曼（Zeeman）效应、X 射线以及里德伯（Rydberg）的光谱谱线定律都是当时的新发现。当然，在那个时候还很难预测这个新时代究竟将包含些什么内容。
除此之外，人们对于电可能具有的原子结构也进行过很多讨论。但是要知道，虽然在很久以前就已经有人设想关于物质原子结构的概念，但是这种设想不能被载入科学著作中去，因为除非有定量的实验证据，否则没有任何一种哲学性的讨论能够作为科学的真理来加以接受。
比如晚至 1897 年，19 世纪后半叶物理学界中的一位大师开尔文勋爵（Lord Kelvin）仍旧写道：“电是一种连续、均匀的液体”（而不认为它具有原子结构）的意见还值得加以谨慎考虑。
在同一年，汤姆孙（J. J. Thomson）完成了他的著名实验。在他测定了阴极射线的电荷量和质量的比值 e/m 以后，上述考虑就不再是必要的了。这里我必须给你看一下图 1 —— 这张庄严的半身像描绘的正是这位最先打开基本粒子物理学大门的伟人。这张图片是根据他的著作《回忆与思考》（Recollections and Reflections）中的图复制的。
图 2 展示了汤姆孙所使用的仪器。图 3 是该仪器的简图。从阴极 C 发出的阴极射线，穿过用来将阴极射线限制成为细束的狭缝 A 和 B，然后再穿过金属板 D 和 E 之间的空间，最后在管子右端带有标尺的屏上被加以观察。将金属板 D 和 E 充电，会引起细束向上或向下偏转。偏转的方向说明细束带负电荷。
然后在金属板 D 和 E 之间，再用图 2 所示的线圈加上一个方向和书的平面垂直的磁场。可以观察到，磁场也使细束产生了向上或向下的偏转，而且和它带有负电荷时相符。通过平衡抵消由电场和磁场产生的偏转，就能够计算细束的速度。
然后，从电场或磁场单独产生的偏转幅度，可以计算出细束组成部分的电荷量和质量的比值 e/m。
也许有人会问：为什么看起来这么简单的一个实验，以前竟然没有人做过？汤姆孙本人在后来所写的文章中回答了这个问题 ：
我使一束阴极射线偏转的第一次尝试，是使它通过固定在放电管内的两片平行的金属板之间的空间，并且在金属板之间加上一个电场，结果没有产生任何持续的偏转。
然后他解释了他所猜想的困难的根源：
根据这种看法，偏转之所以没有出现，是因为有气体存在——气压太高——因此要解决的问题就是如何获得更高的真空度。这一点说起来比做起来容易得多。当时高真空技术还处于发轫阶段。
事实上，电磁波的发现者、物理学家赫兹（H. Hertz）以前也做过同样的实验，并且错误地得出了这样的结论：阴极射线是不带电的。这段插曲清楚地表明了一个基本事实：技术的改进和实验科学的进展是相辅相成的。我们以后还会遇到这个基本真理的更多例证。
汤姆孙求得的阴极射线的荷质比，比在电解过程中测定的离子的相应数值要大得多，它们之间相差达几千倍。汤姆孙断定阴极射线是由质量比离子小得多的粒子所组成的，而且它带有负电荷。他称这种粒子为“微粒”，并称它所带的电荷——代表电荷的基本单位——为“电子”。不过，在后来人们所惯用的名词中，该粒子本身就被称为“电子”。这样便诞生了被人类所认识的第一种基本粒子。
几乎与此同时，汤姆孙和他的学生们在其他实验中也近似地测定了离子所带电荷 +e 的数值。汤姆孙于是对原子结构这样一个基本问题进行了探讨，并且提出了如下的假设：一个原子包含 Z个电子，每个电子带有电荷 –e，以平衡位置埋置在连续分布、总量为 +Ze 的正电荷中，形成一个不带电的原子。
原子的质量存在于分散的正电荷中。由于电子很轻，因此很容易受到扰乱。当受到扰乱时，电子就围绕着平衡位置振荡，并由此产生辐射。
下一个主要的进展来自 1911 年卢瑟福勋爵（Lord Rutherford）对于 α 粒子穿过薄箔的研究。α 粒子是在天然放射现象中发现的，在 1911 年前后，人们就已经知道它是带有电荷 +2e、质量为氢原子 4 倍的粒子。
汤姆孙在这之前指出，由于下列理由， α 粒子穿过他所假想的原子时的路径多半是一条直线：（i）与电子相比，α粒子的质量很大，因而将不受电子影响而产生偏转；（ii）在原子中，正电荷具有分散分布的性质，因而它们对α粒子的影响也很微弱。
因此，一个汤姆孙原子不能使α粒子产生大角度偏转。卢瑟福断定，由于薄箔很自然地包含许多原子，因此α粒子穿过薄箔后所产生的任何大角度偏转，将是许多同方向小角度偏转的统计巧合。
和这一类统计涨落的通常情况一样，大角度偏转的偏转角的分布应遵循高斯误差曲线，并且偏转的均方根角应与α粒子和原子相遇次数的平方根，或与薄箔厚度的平方根成正比。
卢瑟福指出，这两个结论都与当时已有的实验数据不符。因此，他又提出另外一种假设：原子中的正电荷集中在一个很小的区域中。
一年之后，他的学生盖革（H. Geiger）和马斯登（E. Marsden）为这种原子图像给出了出色的实验证据。
卢瑟福的发现令当时的物理学家和化学家感到振奋。当时，汤姆孙正在剑桥大学的卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory），而卢瑟福则在曼彻斯特大学。之后，玻尔（N. Bohr）于 1930 年在他的法拉第讲座（Faraday Lectures）中讲道：
对于每一个像我这样有幸在二十多年前访问过剑桥大学和曼彻斯特大学的物理实验室，并且在一些伟大的物理学家的启示下工作的人来说，几乎每天都亲眼看到前人所不知道的自然界事物被揭露，这是一种永远难忘的体验。
我记得，1912 年春天在卢瑟福的学生中展开的，对于原子核的发现所展示的整个物理和化学科学前景的热烈讨论，犹如发生在昨天。首先我们意识到，原子的正电荷局限在实际上无限小的区域内，这将使物质性质的分类被大大地简化。
事实上，这样我们就可能认识到在那些完全取决于原子核总电荷和质量的原子性质，与那些直接依赖于原子核内部结构的原子性质之间的深远区别。根据经验，放射性是后一类性质的典范，它与物理和化学条件无关。
物质通常的物理和化学性质，主要取决于原子的电荷和质量，也取决于原子核周围的电子组态。原子对外界影响的反应就是由这种电子组态所决定的。
此外，在一个孤立而不受外界影响的原子中，这种电子组态几乎全部由原子核的电荷所决定，和原子核的质量关系不大。与电子的质量相比，原子核的质量是如此巨大，以至于和电子的运动相比，作为一级近似，原子核的运动可以忽略不计。
从带核的原子模型得出的这些简单推论，确实提供了对于下列事实的直接说明：两个原子量不同而且放射性质也截然不同的元素，可能在其他性质方面是如此相似，以至于不能通过化学方法将它们分离开来。
在同一讲座的较后部分，他又讲道：
总结这一情况，我们可以说，在涉及物质的一切普通性质的相互联系方面，卢瑟福的原子模型摆在我们面前的任务使我们追忆起哲学家古老的梦想：将对自然规律的解释还原为对纯粹的数的考虑。
也就是在这样一种充满着新的发现所引起的激动，以及期待更基本、更有普遍意义的发现来临的气氛中，玻尔提出了著名的氢原子理论。
卢瑟福和玻尔的工作给我们提供了图 5 所示的基本粒子图。图中，横轴代表电荷量，纵轴形象地代表粒子的质量（尺寸不按比例）。质子 p 是氢原子核。以 γ 标记的无质量的光子代表电磁辐射的量子，它有自己光辉的历史。
普朗克（M. Planck）在研究黑体辐射理论的工作中，曾经得到一个和实验结果相符的经验公式。然而，这个公式和电磁辐射的经典概念相矛盾。为了解释这个经验公式，他在 1901 年大胆地假定了电磁辐射只能以某种单位或量子来释放或吸收。
每个量子具有能量 hv，其中，v 是辐射的频率，h 是普朗克所引入的一个普适常数，后来被称为普朗克常数。这个关于能量在物质和辐射场之间转换的量子化概念是如此富有革命性，以至于只能来自普朗克所特有的那种彻底和持续的研究工作。
这个概念在 1905 年为爱因斯坦（A. Einstein）所接受，并加以讨论和具体发展。这对玻尔建立起他的原子理论起到了重要作用。
在 1913 年以后，物理学家付出了巨大的努力，特别是通过玻尔的对应原理，来求得对量子概念更为全面的了解，并且将原子的化学性质和量子结构联系起来。
对于我们这些在事情已经弄清楚、量子力学已经最终建立后才受教育的人来讲，在量子力学问世之前的那些微妙的问题和大胆探索的精神，以及既充满希望又深陷绝望的情况，看来几乎像是奇迹一样。
我们只能惊讶地揣想，当时的物理学家必须依靠着明显不能自相一致的推理来得到正确的结论，那是怎样的一种状态。
正像我们大家都知道的那样，量子力学的发展在 1924 ～1927 年达到了顶点。在那几年中带有强烈戏剧性的历史，仍有待人们去叙述。让我在这里援引奥本海默（J. R. Oppenheimer）1953 年在他的莱斯讲座（Reith Lectures）中所讲的，之后又以《科学和常识》（Science and the Common Understanding）为标题出版的小册子中那两段美丽而动人的描述：
我们对原子物理的理解，即对所谓原子系统量子理论的理解，起源于 20 世纪初，而对它所作的辉煌的综合与分析则完成于 20 年代。那是一个值得歌颂的时代。它不是任何个人的功绩，而是包含了来自不同国家的许多科学家的共同努力。
然而从一开始，玻尔那种充满着高度创造性、锐敏和带有批判性的精神，就始终指引、管束着事业的前进，使之深入，直到最后完成。那是一个在实验室里耐心工作的时期，是一个进行有决定性意义的实验和采取大胆行动的时期，也是一个带有许多错误的开端和许多站不住脚的臆测的时期。那是一个包含着真挚的通信和匆忙的会议的时代，是一个辩论、批判和带有辉煌的数学成就的时代。
对于那些参与者，那是一个创造的时代。他们对事物的新认识既伴随着欣喜，也伴随着恐惧。这也许不会作为历史而被全面地记录下来。作为历史，它的再现将要求像记录俄狄浦斯（Oedipus）或克伦威尔（Cromwell）的故事那样崇高的艺术，然而这个工作的领域却和我们的日常经验相去甚远，因此很难想象它能为任何诗人或任何历史学家所知晓。
在这里不可能描述量子力学的原理，即使是非常概括性的。然而，为了便于理解我们之后讨论的内容，这里必须对量子力学的某个特殊方面加以介绍。
普朗克、爱因斯坦和玻尔首先提出了辐射场量子概念的观点，而辐射场在经典物理学中一向被视为波。
波的这种粒子性首先被密立根（R. A. Millikan）在 1916 年关于光电效应的实验所证实，之后在 1923 年又被康普顿（A. H.Compton）的发现所证实。
康普顿发现，当 X 射线（它是电磁波）和电子碰撞时，前者在动量和能量的转换上的表现和粒子一样。这些代表 X 射线的粒子被称为光子（在图 5 中用 γ 表示）。
实验证实，光子的波长 λ 和动量 p 能够满足它们的乘积等于普朗克常数 h 的条件。之后德布罗意（L. de Broglie）在 1924 年发表的文章中提出了这样的一个问题：如果波显示出粒子性，那么粒子是否也会显示出波动性呢？
他假设应该会，而且假设正和光子的情况一样，与粒子相联系的波的波长是 h 除以动量。这种极为大胆的假设，使他提出了图 6 所示的电子在轨道中的图像。
他认为，如果轨道周长不是波长的整数倍，如图 6 的左图所示，则波就不能发生谐振。然而情况如果如图 6 的右图所示，则波就会发生谐振，因此这种轨道代表被允许的轨道。按照这个途径，德布罗意利用富有启发性的方法，实际上获得了玻尔在 1913 年提出的量子条件。
1926 年，薛定谔（E. Schrödinger）对这个方法加以探讨，得出了作为量子力学基础之一的著名的薛定谔方程。
在量子力学中，粒子表现出波动性，它的波长和动量成反比。现在大家都知道，为了将波局限在空间内的一个小区域中，必须使用波长比这个区域的尺寸更小的波。因此为了探索越来越小的空间区域，我们必须用动量越来越大的粒子来使与粒子相联系的波长能够小到与所探索的空间区域相适应。表 1 解释了为什么我们要建造体积越来越大和能量越来越高的粒子加速器。关于这一点，以后我们还将进行讨论。
上面我们已经引用了玻尔在 1930 年作法拉第讲座时的讲稿。他描述了由于卢瑟福原子图像所引起的关于原子和分子的现象与原子核现象之间在概念方面的重要区别。
随着量子力学的发展，人类对原子现象和分子现象的了解达到了一个定量、全面和深入的水平——这种了解无疑是人类历史上最伟大的一个科学成就。然而直到今天，我们对于原子核还缺乏类似的了解。
在很多意义上，1930 年前后的那一段时期和 1900 年前后的那一段时期非常相似，后者是原子物理时代的黎明时期，而前者则是核物理时代的黎明时期。
在这个新时代中发现的第一种基本粒子是中子。约里奥–居里（Joliot-Curie）夫妇用图 7 所示的装置，在 1932 年发现，在来自钋源的 α 粒子的轰击下，铍放射出穿透力很强的电中性粒子，它能够将放在计数管前面左边的含氢物质中的质子击出。我们会很自然地假定这种电中性粒子是光子。
但是由于它没有质量，因此要将被观察到的质子击出，就需要具有惊人能量的光子。事实上，他们得出的结论是，光子要具有超过 50 兆电子伏的能量，这在当时看来是非常高的能量。
当这些结果公布后，查德威克（J. Chadwick）立即在英国剑桥大学重复了同样的实验，并且证明穿透力很强的粒子不是无质量的，而是具有和质子相近的质量。
实际上，早在 1920 年，卢瑟福就已经讨论过这种电中性粒子，而且把它称为“中子”。在 20 世纪 20 年代，虽然人们进行了许多次实验来寻找它，但是都没有获得任何结果。
随着中子的发现，人们立刻就清楚地了解到绝大多数原子核是由数目几乎相等的中子和质子所组成的。对中子质量所做的更为精确的测量，显示出它比质子重得多。
后来人们又认识到中子将因此而不稳定，应当以 β 辐射的形式，衰变为一个电子和一个质子，而这种 β 放射性现象约从 1900 年起就已经为人所知了。
然而，β 衰变实验一般都表明，为了保持能量守恒，需要一种新的电中性粒子来带走多余的能量。这种新的粒子被费米（E. Fermi）称为“中微子”。因而，我们了解到中子的衰变过程是：
其中，n 和 v 分别代表中子和中微子。
在 1932 ～ 1933 年这两年中，人们又发现了另外一种新的粒子——正电子。这个发现在利用了一种设计极端巧妙的被称为云室的仪器以后才成为可能。这种仪器是威尔逊（C. T. R. Wilson）所发明并且随后加以改进的。威尔逊这样描写了云室的由来 ：
1894 年 9 月，我在苏格兰最高的山峰本尼维斯山（Ben Nevis）山顶的天文台住了几个星期。当太阳照耀在围绕着山顶的云层上时，出现的令人惊奇的光学现象，特别是太阳周围或山顶及观察者投在云雾上的影子周围的彩色光环，大大地激发了我的兴趣，并且促使我在实验室中去重现它们。
1895 年初，为了达到这一目的，我进行了一些实验——按照柯里尔（Couller）和艾特肯（Aitken）的方法，使湿空气膨胀以制造云雾。当时，我几乎立即就发现了某个现象，它看来比我想研究的光学现象更有趣。
“某个现象”导致了云室的产生。室中的带电粒子在湿空气中——通过突然的膨胀使之过饱和——留下一条由水滴组成的可见径迹。图 8 和图 9 显示了威尔逊曾用来拍摄很多美丽照片的云室。
1932 年，美国加州理工学院的安德森（C. D. Anderson）利用类似的云室拍摄了图 10 所示的照片。一个带电粒子由画面底部进入。由于云室内有强磁场，因此它沿着弧形路径前进。在穿过 6 毫米厚的铅板以后，它的速度减慢了，因而路径的曲率增大。
路径的上半部分（而不是下半部分）的曲率比较大这个事实证明粒子一定是由下而上运动的。知道了粒子的运动方向后，安德森就能够推断它所带的电荷是正的。
根据穿过铅板以后的曲率改变的幅度，他进一步证明了这种粒子比质子要轻得多。安德森断定这种粒子具有和电子一样的质量，并称之为“正电子”。
实际上，在 1930 ～ 1931 年就已经有人从理论上预言了正电子的存在。这种预言是基于狄拉克（P. A. M. Dirac）所提出的关于电子的出色理论，它导出了所谓在正反粒子共轭下的不变原理。
该原理的一个推论是：每一种粒子一定具有一种电荷共轭粒子，即反粒子，它的质量和原来的粒子相同，电荷量相等而符号相反。安德森所发现的正电子是电子的反粒子。
今天我们通常所接受的被称为中微子的粒子，和费米首先加以讨论的那种粒子不同。我们现在将中子衰变时发射的电中性粒子称为反中微子：
光子 γ 的反粒子就是它自己。在图 11 的底部，电荷量下面的一行表示粒子内部的角动量或自旋。它们的单位是普朗克常数除以 2π。根据量子力学的原理可以直接推断，用这种单位所表示的角动量应当是 1/2 的倍数。实验结果与此完全符合。
01
《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》
作者：杨振宁
译者：杨振玉 范世藩
经典科普读物重新出版
在1957年获得诺贝尔物理学奖之后，杨振宁先生以亲历者的视角，将19世纪末到20世纪前半叶的粒子物理学的新发现娓娓道来。阅读本书，彷佛穿越回百年前，亲眼见证一个又一个诺奖级成果的诞生。
宇宙的本质是什么？最小的物质结构是什么？
假如宇宙是一个砖房，粒子物理学便是研究“宇宙的基本砖块是什么”以及“砖块间如何相互作用”的学问，也是开启宇宙终极秘密的钥匙。在这本书里，杨振宁先生详细介绍了人类发现宇宙本质的过程。
会讲故事的科学家
杨振宁先生的科普作品以流畅，清晰见长，仅用不到100页的篇幅便将复杂的物理机制解释得通透、精准，让普通人也能领略物理学的奥妙。同时本书的语言文字、专有名词等均已更新为现代化的表述，阅读体验更加流畅。
02
《狄拉克讲广义相对论》
作者：P. A. M. 狄拉克
译者：朱培豫
20世纪最为杰出的物理学家之一、诺贝尔物理学奖得主P.A.M. 狄拉克系列讲座的精华，是一本系统而严谨的物理学经典著作。
中国物理学会引力与相对论天体物理分会前理事长赵峥、中国物理学会高能物理分会原常务理事李学潜，共同作序推荐
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