物質之輕：諾貝爾物理學奬得主的質量起源之旅 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Frank Wilczek

圖書標籤:

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在二十一世紀，粒子物理學傢一直期望一位新的達爾文來解釋粒子的起源……本書並不是達爾文的《物種起源》再現，而是比較像《小獵犬號航海記》，是一趟探索之旅的大眾化記述，描寫沿途地景以及新發現、尚待解釋的生物——數學物理學傢　戴森
 
◎諾貝爾物理學奬得主維爾澤剋對物質起源最美的一次辯證
◎《萬物皆數》作者討論「質量」這個基本卻又牽扯整個近代物理的重大觀念
 
　　「如果有一天世界毀滅瞭，隻能留下一句話給後世的倖存者，我想應該會是原子假說裏的這句話：『所有物質都是由原子組成。』」——核子物理學傢理查‧費曼。
 
　　費曼的這句話很美，可惜的是，他是錯的。
 
　　至少在現在的科學傢眼裏是錯的。從科學革命以來，科學傢開始重新建構我們對這個世界的認知，而其中最基本、最重要，卻也最難以理解的，卻是這樣簡單的一個問題：

　　「物質是什麼？」
 
　　牛頓在設計他的三大運動定律時，前提是所有物質的質量皆為守恆。然而，科學傢們對質量的的定義與來源，卻一直沒有定論。重力和電力是怎麼産生的？甚至，質量真的是守恆的嗎？
 
　　在本書中，2014年諾貝爾物理學奬得主維爾澤剋帶領讀者跟隨物理學傢的腳步，探索物質的起源，瞭解世界的組織架構。

物質之輕：諾貝爾物理學奬得主的質量起源之旅 一部關於宇宙基本構成的史詩級探索 導讀： 我們習以為常的世界，由看不見的粒子編織而成。從最微小的誇剋到宏大的星係，質量是構建一切的基石。然而，質量究竟是如何産生的？它僅僅是粒子攜帶的固有屬性，還是宇宙深處更為精妙的機製所賦予的禮物？ 《物質之輕：諾貝爾物理學奬得主的質量起源之旅》並非一部教科書，而是一場深入宇宙核心的智力冒險。它將帶領讀者跟隨當代最傑齣的物理學傢們，穿越粒子物理學的最前沿，探尋一個宏大問題的答案：物質的質量，究竟從何而來？ 本書的敘事圍繞著一個核心概念展開：質量的起源，這是一個橫跨瞭理論物理學、實驗粒子物理學以及宇宙學的宏偉敘事。它要求我們挑戰直覺，理解那些我們用眼睛看不見、卻支配著我們存在的力的本質。 第一部分：失落的質量與基本粒子 人類對物質的理解經曆瞭漫長的演化。從古希臘的“原子論”，到道爾頓的化學原子，再到盧瑟福的原子核結構，我們不斷深入物質的層次。然而，真正的革命始於20世紀中葉，當物理學傢們開始相信，構成原子核的質子和中子並非基本粒子。 本部分將詳細介紹粒子物理學的標準模型——我們目前理解物質構成最成功的理論框架。我們將深入探討構成物質的十二種基本費米子（誇剋和輕子），以及傳遞基本作用力的玻色子。 誇剋的“重量”之謎： 令人驚訝的是，標準模型中的誇剋（如上誇剋和下誇剋，它們構成瞭我們身體中絕大多數的質量）本身所攜帶的質量，僅占質子和中子總質量的不到百分之二。那麼，剩下的百分之九十八的質量，去嚮瞭哪裏？ 物理學傢們發現，我們日常所見的質量，大部分來源於能量，而非粒子固有的“屬性”。這引齣瞭愛因斯坦著名的質能方程 $E=mc^2$ 的深層含義：質量是能量的一種錶現形式。 強相互作用力的戰場： 質量的真正來源，隱藏在將誇剋束縛在一起的強大力量——強相互作用力之中。本部分將詳細闡述“誇剋膠子等離子體”的概念，以及漸進自由和禁閉這兩個看似矛盾的現象。正是膠子（傳遞強作用力的粒子）在誇剋之間不斷交換能量，創造齣巨大的結閤能。正是這些動態的、場論性質的能量，構成瞭質子和中子的絕大部分質量。 第二部分：希格斯場的揭示與宇宙的“粘性” 如果說強作用力解釋瞭核子的質量，那麼電子、μ子、τ子，以及W和Z玻色子如何獲得它們各自的質量？這些粒子沒有強相互作用力將其束縛，它們的質量起源需要一個不同的，更加普適的機製。 自發對稱性破缺的優雅： 在理論物理學的構建中，早期版本的標準模型預測所有基本粒子都應是無質量的。為瞭解釋為什麼某些粒子帶有質量而其他粒子（如光子）沒有，物理學傢們引入瞭一個革命性的概念——希格斯機製。 本書將以清晰、嚴謹但不失故事性的筆觸，描繪這個機製如何運作。想象宇宙中彌漫著一種無處不在的、看不見的“希格斯場”。當某些基本粒子穿過這個場時，它們會與其發生相互作用，這種相互作用的“阻力”或“粘滯感”，就是我們所感知的質量。 諾貝爾奬背後的故事： 這一部分將迴顧圍繞希格斯玻色子發現的漫長而艱辛的曆程。它不僅僅是理論預測的實現，更是對人類在探究宇宙規律上的耐心和協作精神的最高禮贊。我們探討瞭大型強子對撞機（LHC）的工程奇跡，以及如何從每秒數十億次的粒子碰撞中，最終篩選齣那個“失落的”希格斯玻色子。 第三部分：超越標準模型——仍在追尋的質量之謎 盡管標準模型在解釋已觀測到的質量起源方麵取得瞭巨大成功，但它仍然不是終極理論。本書的第三部分將目光投嚮前沿，探討那些尚未解決的質量謎團，以及物理學傢們為之奮鬥的下一代理論。 中微子的微小質量： 中微子（Neutrinos）是宇宙中數量最多的基本粒子之一，它們幾乎不與物質發生相互作用。標準模型最初預測它們是無質量的，但實驗已確鑿證明它們具有微小的質量，並且可以在三種“味道”之間振蕩。中微子質量的起源可能指嚮一種新的物理學，例如馬約拉納費米子的特性，或是蹺蹺闆機製，這可能預示著我們對基本粒子譜係的理解存在巨大漏洞。 暗物質的重量： 宇宙中約27%的物質是暗物質，它通過引力影響星係的運動，但它不發光，也不參與電磁相互作用。暗物質的粒子性質至今仍是物理學最大的謎團之一。本書將探討候選的暗物質粒子，如弱相互作用重粒子（WIMP）或軸子（Axions）。如果這些粒子確實構成宇宙的絕大部分“物質”，那麼它們的質量起源又將如何融入或挑戰現有的質量生成框架？ 引力的重量——引力子的猜想： 在標準模型中，引力被排除在外。我們對引力的量子化——引力子——一無所知。量子引力理論的建立，特彆是弦理論和圈量子引力，或許能提供一個統一的質量起源圖景，將引力本身納入到質量的生成體係中。 結語： 《物質之輕》不僅是對物理學成就的迴顧，更是對人類求知本能的贊歌。它提醒我們，看似堅實的物質世界，其基石卻建立在能量的舞蹈、場的波動以及對稱性的破缺之上。從誇剋的禁閉到希格斯場的彌漫，我們對“輕”的理解，正在重塑我們對“重”的認知。這場關於質量起源的旅程尚未結束，最激動人心的發現，或許就在下一個粒子對撞的瞬間等待著我們。 本書適閤對宇宙學、粒子物理學有濃厚興趣的讀者，以及任何渴望理解我們腳下世界和遙遠星辰是如何被基本規律塑形的探索者。

作者簡介

法蘭剋‧維爾澤剋Frank Wilczek
少年時期就嶄露頭角，高中獲「西屋科學奬」（後更名「英特爾科學奬」），23歲完成博士學位，30歲任普林斯頓大學正教授，43歲時獲得理論物理學界的最高榮譽「狄拉剋奬」現為MIT講座教授。在普林斯頓大學攻讀博士期間，與恩師戴維．格婁斯發現量子色動力學中的漸近自由，因此獲得2004年諾貝爾物理學奬。維爾澤剋研究範圍異常廣泛，著有《萬物皆數》、《奇妙的真實》、《和諧之嚮往》等。

相關著作:《萬物皆數——諾貝爾物理奬得主探索宇宙深層設計之美》

譯者簡介

柯明憲
清大資工所畢業，現正職為專利工程師。
　譯有《神擇基因》、《上帝的粒子》、《人種源始》（以上為貓頭鷹齣版）以及《不存在的人》（圓神齣版）等書。

第一部：物質起源
　　問對問題
　　牛頓第零定律
　　愛因斯坦的第二定律
　　對物質來說，重要的是……
　　潛藏的九頭蛇
　　萬物內含的細碎片段
　　對稱性的化身
　　網格（堅守陣地的乙太）
　　計算物質
　　質量起源
　　網格的音樂：兩個方程式裏的詩篇
　　深遠的簡單
第二部：微弱的重力
　　重力微弱嗎？是，實務上是
　　重力微弱嗎？不，理論上不是
　　正確的問題
　　美麗的答案
第三部：美就是真？
　　統一：海妖之歌
　　統一：穿過黑暗玻璃
　　證真
　　統一♥蘇西
　　預期一個黃金新時代
尾聲

 
    1940年代間，有一套「在世哲學傢叢書」（The Library of Living Philosophers），齣版一係列論文集，討論當時在世的大哲學傢思想。1949年齣瞭一本《愛因斯坦：哲學傢－科學傢》（Albert Einstein: Philosopher-Scientist），收錄其他大科學傢和哲學傢評論愛因斯坦思想的文章。愛因斯坦不是物理學（科學）傢嗎？為什麼稱他為「哲學傢」？如同 philosopher-scientist 這個雙聯名詞顯示，愛因斯坦是一位哲學傢型的科學傢，因為他總是企圖去理解世界的基本構造並希望由此揭開世界的真實（reality）。
    由寫作《萬物皆數》、《物質之輕》這些科普著作，諾貝爾物理奬得主也是量子色動力學的創建者維爾澤剋，極力證明自己也是一位哲學傢型的科學傢，他的野心甚至不止於此，他還想證明自己是一位優秀的科普作傢、散文學傢。
    打開《物質之輕》，你會讀到一大堆看似艱澀的物理名詞：質量、原子、強子、誇剋、漸近自由、色荷……可是，在我讀來，《物質之輕》到處充滿哲學（也許是我戴瞭哲學眼鏡在讀它），可以說，它的目標、敘述風格、思考方式和行文結構都是哲學的。
    它的目標是哲學的，因為維爾澤剋想透過當前已知的物理理論去勾勒齣一幅世界如何被構造的圖像，他也相信這幅圖像是「世界的真實樣貌」，這是一個典型的哲學大哉問。它的敘述風格和思考方式是哲學的，因為行文以解釋物理概念的深層意義（即形上學意義）為主。維爾澤剋以清晰的語言、概念的推演、生動的比喻努力讓讀者理解那些深奧的物理概念如何告訴我們這世界的真實樣貌（並佐以文學的筆法和幽默的口吻）。例如，在解釋「為何誇剋不能獨立存在」時，他寫道：
 
誇剋的色荷會在網格內（更明確來說，在膠子場內）造成擾動，而這樣的擾動會隨著距離增長。這就像是一朵奇怪的風暴雲，由一縷飄緲的中心長成一大團陰鬱的積雨雲，對場加以擾動，意思就是把場擺到一個較高能量的狀態裏。如果你越過無盡空間持續去擾動場，那麼耗費的能量就會是無限大。… 所以獨立的誇剋不能存在。
 
濾去那些比喻的文學調味，這段話是告訴我們：如果想隔離齣一個單獨的誇剋時，必須使用無限大的能量，但這是不可能的，所以大自然無法找到獨立存在的誇剋。（請注意：這段話也是解釋「質量起源」的一部分[1]。）但是，這馬上跑齣一個有趣的哲學議題：可以說不能單獨存在的誇剋真實存在嗎？
    本書的結構也是哲學的。在第一章，維爾澤剋以「感官與世界模型」開場，討論我們如何從感官接受的大量感覺訊息，透過心靈的思考，以及曆史上已有的科學成就，逐步建立各種世界模型，從而揭示齣世界的深層構造。這就是標準的哲學思考程序。在討論物理核心概念如「質量」、「乙太」時，維爾澤剋總是迴溯這些概念的曆史，追蹤它們的演變，再討論它們在當代物理理論中的意義，這樣的手法也是典型的哲學手法──雖然內容非常物理。一言以蔽之，本書屬於物理學哲學、科學形上學。
    「質量起源」是本書的核心問題，維爾澤剋企圖統一馬剋士威的電磁場理論、愛因斯坦的狹義廣義相對論、量子力學、量子場論、誇剋理論與量子色動力學，建立一個可以迴答「質量起源」的世界模型。在這個世界模型中，物質所在的時空並不是空無一物的空間與獨立流逝的時間，而是一個不斷與物質互動的「時空場」（廣義相對論的核心概念），維爾澤剋又特彆以「網格」（Grid，一個來自電腦科學的術語）來描繪它，因為這個概念捕捉到時空場的各種特徵。有趣的是，維爾澤剋也把「網格」當成古老的「乙太」的當代新解，所以「網格」後又加瞭個按語：堅守陣地的乙太。[1]
    維爾澤剋的世界模型真是十分細緻、精采，也十分深奧。然而，對科學哲學傢來説仍有問題：我們怎麼證明這幅精心繪製的世界圖像真的是世界真實樣貌？維爾澤剋其實預見瞭這個問題，他舉齣證據──在第九章討論的電腦計算與模擬──證明他的世界圖像可以迴答「質量起源」，從而支持瞭整個世界模型。可是，這仍然有個科學哲學問題：電腦模擬真的足以證實一個世界模型（一個巨大的假設）？模擬要根據理論，這不會變成用自己證明自己嗎？維爾澤剋最後訴諸於他的「美＝真」的理念，這是本書第三部分的內容。[2] 可以這樣說：這幅世界圖像「完美和諧地統一」瞭各種理論和經驗，它怎麼可能不真呢？這個理由能說服您嗎？
    我相信這本書不僅對物理、科學學者有益，對科學哲學、物理哲學、形上學有興趣的學者也應該讀它，研究科技與社會的學者，也可以在這本書中看到物理學傢究竟是怎麼思考的。

註一：從哲學的角度來看，「質量」這個字的英文是 mass，原本是「物質」的意思。後來它被用為錶達「質量」──牛頓所說的「物質（質料）的量」（quantity of matter）──牛頓相信，所有物質物體都有自己特定的量。因此，mass其實有雙重涵義：一是質量，另一是物質，因此本書的核心問題「質量起源」也有「（一般）物質起源」的涵義。
註二：雖然維爾澤剋已經追溯瞭「乙太」這個概念的一點發展曆史，這裏仍然值得補充一下。在亞裏斯多德的理論中，「乙太」其實是「土、水、氣、火」之外的第五元素，是構成固體天球的元素，充塞整個天球之下，而天球就是整個宇宙。在笛卡兒的世界中，「乙太」是一種連續不斷的物質，雖然可以被分解成微粒子，但是微粒子和微粒子的空隙之間，仍然充滿瞭乙太物質。
註三：關於這個理念，維爾澤剋以《萬物皆數》一整本厚書來討論。

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拿到這本《物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》，我第一反應就是，這書名取得真有意思。「物質之輕」，聽起來像是一種哲學的感悟，又像是一種詩意的描寫，但旁邊加上「諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅」，就瞬間將這份詩意拉迴瞭科學的嚴謹。身為一個對宇宙萬物運行法則充滿好奇的普通讀者，質量這個概念對我來說，既熟悉又陌生。我們每天都在談論「重量」，但質量究竟是什麼？它又是如何產生的？這本書似乎就是要帶我們深入這個問題的核心，而且是跟著諾貝爾獎得主的腳步。我一直覺得，要理解這些深奧的物理學概念，最好能有權威人士的引導，而諾貝爾獎得主無疑是這個領域的頂尖人物。我期待這本書能用清晰易懂的語言，為我們揭示質量背後那令人驚嘆的科學故事，讓我們不僅是知道「有」質量，更能理解「為什麼」物質會有質量，以及這個過程中牽涉到哪些精妙的理論和實驗。那種感覺，就像是走進一座科學的殿堂，由最睿智的嚮導帶領，一窺宇宙最基礎的奧秘。

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說實話，一開始看到這本書的書名，我腦中閃過的畫麵是各種漂浮的、輕盈的粒子，像羽毛一樣在空中飛舞。然而，《物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》顯然不是要談論這種日常意義上的「輕」。它指涉的，應是物理學中對「質量」這個基本屬性的深刻探討。質量，這個我們從小在課本上就學到的名詞，它到底代錶瞭什麼？是抵抗運動的慣性？還是產生引力的根源？這本書如果能從最基本、最核心的概念齣發，一步步剖析質量的起源，那將是一場極具啟發性的閱讀體驗。我尤其期待，作者（或者說透過諾貝爾獎得主的視角）如何去解釋我們為何會擁有質量。是什麼機製賦予瞭基本粒子質量？其中會不會牽扯到我們常聽到的希格斯粒子，以及它與標準模型之間的關聯？我希望能透過這本書，不僅是複習過去學到的物理知識，更能對這些概念有更深層次的理解，甚至是被引領到一些全新的、更前沿的思考領域。這本書的潛力，在於它能否將抽象的物理概念，轉化為讓普通讀者都能感受到其震撼與美麗的知識。

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翻開《物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》這本書，腦袋裡的第一個念頭就是：質量，這個看似平凡的概念，竟然可以有如此「深度」的探討空間？我們每天都在與質量打交道，從買菜的重量到開車的慣性，它無處不在，卻又常常被視為理所當然。這本書的書名，特別強調瞭「起源」二字，這讓我對其內容充滿瞭好奇。它會不會追溯到宇宙誕生之初，解釋為何物質會擁有質量？還是會聚焦於粒子物理學的最新進展，探討標準模型中的質量產生機製？我非常希望能透過本書，瞭解那些引領物理學界前進的偉大頭腦，是如何一步步解開質量之謎的。那些艱澀的公式、複雜的實驗，在諾貝爾獎得主的視角下，是否會變得生動有趣？我期待的，不僅是知識的獲取，更是一種探索的樂趣，一種跟隨科學傢們的思維，去感受發現的喜悅。畢竟，質量作為物質最基本的屬性之一，理解它的起源，就如同理解瞭物質世界的基石。

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拿到《物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》這本書，我的第一個感覺是「書名取得真妙」。質量，這個我們每天都在接觸的概念，但「起源」二字，瞬間就將它拔高到瞭哲學和宇宙論的高度。身為一個對科學有點興趣，但又沒有專業背景的讀者，我一直覺得理解質量的本質是一件很難的事情。它到底是什麼？為什麼有些粒子有質量，有些卻沒有（比如光子）？這本書既然是以諾貝爾獎得主的視角來展開，我對它寄予瞭厚望。我希望它能帶我進入一個更宏觀、更基礎的視野，去探討質量的來源。是宇宙大爆炸的產物？還是某種更深層次的物理原理所賦予的？我期待作者（透過諾貝爾獎得主們的智慧）能夠用清晰的語言，將這些抽象的概念具象化，讓我們能夠理解那些複雜的理論背後的邏輯和美感。這本書的吸引力，在於它承諾要解開一個關於「物質」最基本屬性的謎團，而這個謎團的解答，將會大大拓展我們對世界的認知。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始看到《物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》這個書名，我的第一反應是「哇，這聽起來很學術，但又有點詩意」。質量，這個詞在我們的日常生活中隨處可見，但真正去思考它的「起源」，就顯得有些超然。這本書的重點在於「質量起源」，這讓我對其內容充滿瞭期待。我想像中，這本書會帶領我們進入一個微觀的世界，去探究那些構成物質最基本單位的粒子，它們是如何獲得質量的。是像許多傳言中提到的，有什麼「場」在裡麵起作用？亦或是，質量本身並非如我們所想的那樣，是粒子與生俱來的屬性？我希望這本書能夠用一種相對易懂的方式，來解釋這些可能非常複雜的物理理論，並且是從那些為此做齣傑齣貢獻的諾貝爾獎得主的視角來呈現。這就像是走進科學傢的實驗室，看他們如何一步步地解構問題，最終獲得令人驚嘆的答案。我相信，理解質量的起源，對於理解整個宇宙的運作機製，都將有著極為重要的意義。