亚原子粒子的发现/第一推动丛书

序言

再版前言

第一章 粒子世界

第二章 电子的发现

 背景知识回顾：电的本质

 放电和阴极射线

 背景知识回顾：牛顿运动定律

 阴极射线的偏转

 背景知识回顾：电力

 阴极射线的电偏转

 背景知识回顾：磁力

 阴极射线的磁偏转

 汤姆逊的研究结果

 背景知识回顾：能量

 汤姆逊实验中的能量关系

 作为基本粒子的电子

第三章 原子的尺度

 背景知识回顾：原子量

 背景知识回顾：电解

 电子电荷的测量

第四章 原子核

 放射性的发现和解释

 原子核的发现

 原子序数和放射性系列

 中子

第五章 其他基本粒子

 光子

 中微子

 正电子

 其他反粒子

 “子和丌介子

 W粒子和Z粒子

 奇异粒子

 其他强子

 夸克

 胶子

附录

 A牛顿第二运动定律

 B 阴极射线的电偏转和磁偏转

 C 电场强度和电力线

 D功和动能

 E 阴极射线实验中的能量守恒

 F气体性质和玻尔兹曼常数

 G密立根油滴实验

 H放射性衰变

 I原子内的势能

 J卢瑟福散射

 K动量守恒和粒子碰撞

 L本书使用的物理量单位

 M本书使用的一些常数

 N化学元素表

 O进一步阅读的材料

索引

  1980年春，我在哈佛大学开了一门课，作为新的公共基础课程的一部分；1981年，作为访问学者，我在得克萨斯大学又讲了一次。这本书就是根据这门课的讲稿编写的。简言之，开设这门课程的目的是为了让原来没有受过数学和物理学训练的学生，能够了解20世纪物理学的伟大成就。为了让学生们更好地理解这些更为近代的新发展，我在适当的地方插入了一些经典物理学的背景知识——力学、电磁学和热学等知识。我觉得这门课程开设的效果不错，因此有了将讲稿整理成一本教科书的想法，但却因没有时间不能如愿。弗里曼公司(W．H．Freeman(；ompany)的奈尔·帕特森(Neil Patterson)请我把这门课程中有关20世纪物理学内容的第一部分，作为《科学美国人》(Scientic American)新丛书的一种，献给它的读者，于是这本书就问世了。或许在今后的各卷中，我能完成从本书开始的对20世纪物理学的介绍。

  本书介绍了组成所有原子的基本粒子的发现，这些基本粒子包括电子、质子和中子。叙述的基本原则是既遵循历史的大轮廓，又与历史的顺序有明显的不同。大多数有关科学史的书籍是为以下两类读者写的：一类是不熟悉这门基础科学的一般读者，因此在历史的描述上只能是粗线条的和内容肤浅的；另一类是熟悉这门科学的专业读者，结果写得让那些不熟悉这门科学的人望而却步。我写的这本书是为这类读者写的：他们可能不熟悉经典物理学，但愿意掌握一些必要的知识，以便今后在有机会深造时能理解构成20世纪物理学历史中思想和实验的饶有趣味的纠缠、争论。这方面的种种背景知识，我都在“背景知识回顾”中做了适当的说明，例如电的本质、牛顿运动定律、电力和磁力、能量、原子量等。通过这些背景知识回顾，读者可以了解接着要讲的重点问题的历史要点。

  在这里我想透露(反正没有人阅读序言)一点秘密，正是在这些背景知识回顾和散布在某些章节中的背景材料中，反映了我写这本书的个人动机。像许多科学家一样，我也认为科学上的发现属于20世纪文化最珍贵的部分。可是，有很多在其他方面受过良好教育的人，因为不熟悉科学的基础而与文化的这一部分隔绝了，在我看来这近乎是一个悲剧，令人痛心。不过，教育上出现这样一块空白并不足为奇。一般来说，有志于精通物理学的大学生或读者，唯一的途径是他(或她)必须从历代职业科学家学过的和由来已久的系列课程开始，循序渐进地学下去。先学力学，然后是热学、电磁学、光学，最后学一点“现代物理学”作为应景的点缀。对于那些打算成为物理学家的大学生来说，这可能是一条颇为理想的路，但对很多其他不想成为物理学家的人来说，这似乎是一条走不通的死胡同。这种看法不是没有道理。物理学家是一群古怪的人，总是热衷于按在标准物理学课程中学会的方法计算：计算弹子球碰撞、导线中的电流、望远镜中光的路径。希望所有的学生和读者都以这种方法学习是不合情理的，就像让那些不准备弹钢琴的人去练指法一样。在我看来，当人们尝试为一般读者编写物理学基础知识读物时，最大的障碍就是这个写作动机的问题。

  我处理这个问题的出发点是先假定：无论读者是不是喜欢计算弹子球的碰撞，但他们确实希望具有我们时代革命的科学思想和科学发现的文化背景。因此在这本书里，我没有从长篇大论的经典物理学导论开始，而是让读者直接进入20世纪物理学的一系列关键的专题，并以这些专题作为引线，让读者迅速掌握理解这一专题所需的经典物理学的各种概念和方法。例如第一个专题讲的是第一个基本粒子——电子的发现。为了让读者弄懂J·J·汤姆逊(J．J．Thomson)和其他人的导致这一发现的一些实验，读者就必须先掌握牛顿运动定律、能量守恒定律和电磁力理论。下一个专题讲的是原子大小的测量，在这里读者将学到更多的力学知识，也将学到一点化学知识，如此等等。这种写法的要点是：仅当读者为了理解20世纪物理学的进展，必须了解与之相关的经典物理学和化学的知识时，我才向读者介绍这些知识。

  像本书以这样的次序来引入物理学基本原理，显然不可能是物理学家们习以为常的逻辑顺序。例如，动量的概念通常是与能量一起讲的，而在这本书里则到讲述原子核的发现时才需要用到动量，因此在这之前我一直没有介绍动量这个概念。对内容做这样的重新安排，我并不认为是一种弊端。因为，从我个人的经历来看，我所学到的大部分物理学和数学知识，大多是由于工作的需要而别无选择时才学到的。我想大多数科学家都是这样的。因此，我选择的这种写法更接近于在职科学家所受的实际教育，而不同于为专业知识教学而写的大学生课本。

  我还希望我的这种写法有助于从根本上改变把科学传授给一般读者的方法。至于我的希望能否实现，这种写法是否有效，那将由时间和读者来判定。如果效果好，我就会继续编写20世纪物理学丛书，其中下一本将在本书所涉及的经典物理学基础上，讨论相对论和量子论。

  这本书是写给那些没有科学知识背景而对数学只懂得算术的普通读者们的，因此在正文中我基本上只用文字表述，仅仅列出了几个最重要的公式，而且没有使用抽象的符号。对于那些习惯于代数方法的读者，可以参看附录，那儿提供了用文字表述的推理和计算。

  尽管本书主要是为一般读者写的，但它也许有一些使我的同行们感兴趣的地方。我所描述的伟大科学家生长的土壤，也会是我们发芽、生长和丰收之源。当我在哈佛大学和得克萨斯大学开始学习物理学的时候，对20世纪物理学的早期历史只有非常模糊的认识。我想，我的许多物理学界的同行也是这样。我希望科学家们能发现本书提供的某些史实具有启发意义，即使不是物理学方面的。

  我同样希望这本书对研究科学史的学生和专家有用。不过有一点得请他们原谅，我不可能在这样小小的一本书中，对发生在20世纪物理学革命中丰富而复杂的诸多因素做全面的判断。我所能够做的只是提供几个关键性的实验发现和理论发现，由此使我有机会解释经典物理学和现代物理学的要点。我将努力使历史事实准确，但材料的选择和叙述的顺序不仅要考虑历史的顺序，还必须服从于科学的解释。我并没有想把这本书写成一本对科学史有贡献的书。在写这本书的时候，我读了汤姆逊、卢瑟福(E．Rutherford)、密立根(R．Millikan)、莫斯莱(H．G．J．Moseley)和查德威克(Sir James Chadwick)等人的一些经典文章，但大部分内容还是取自于第二手材料，这些材料都附在书后的参考书目中。在每一章后面所附的注释中，列出了正文中讨论的一些经典论文以及我写作时主要参考的近代著作。

  我衷心感谢霍华德·博耶(Howard Boyer)、安德鲁·库德拉西克(Andrew KLldlacik)、奈尔·帕特森和杰拉德·皮尔(Gerard Piel)。他们仔细阅读了本书手稿并给予了友好的合作。还应该感谢艾登·凯利(Aidan Kelly)，他精心校对了本书，提出了许多有益的建议。在哈佛大学第一次讲授这门课程时，保罗·班伯格(Paul Bamberg)曾提供了很有价值的帮助。我还要真诚地感谢伯纳德·科恩(I．Betnard Cohen)、伽利亚昂(Peter Galiaon)、霍尔顿(Gerald Holton)、米勒(Arthur Miller)和皮帕德(Brian Pippard)，他们耐心地阅读了本书的各个章节，并给出评注，这使我避免了很多史料上的错误。

               斯蒂芬·温伯格

           1982年5月于得克萨斯州，奥斯汀

  温伯格……在把深奥难懂的科学知识解释得清晰和美丽动人方面，是一位老手，这本书也同样如此。建构物质的砖块——从电子直到“子、π介子、重子和粲夸克——在他的手中，都成了如此具有智慧的宝石磨粉。

  ——《波士顿环球报》(The Boston Globe)

  人们不可能不被这本书感动。

  ——《新科学家》(New Scientist)

  一些最伟大的科学家能把他们研究的内容，熟练地解释给科学知识不多的读者，使他们明白，这是很幸运的事情。爱因斯坦、爱丁顿和费曼已经这样做了，而且广为人知；斯蒂芬·温伯格，一位诺贝尔奖获得者和现代著名的理论家，也属于这个行列……(这本书)对下一代物理学家肯定会起到很好的激励作用。

  ——《美国物理杂志》(American Journal of Physics)

  一个新探索漂亮的范例，它使懂得科学知识不多的读者可以获得更多的物理学知识。

  ——《今日物理》(Physics Today)

  温伯格让读者获得从库仑到法拉第的有关电力的简要历史知识，使他们能够根据第一原理计算偏转。十分令人注目的是，这种比较容易获得物理学基本思想的道路，是十分成功的……这本书以及其中珍贵的照片，使人想起温伯格较早期的优秀科普著作《最初三分钟》。

  ——伦敦《泰晤士报》(The Times，London)

  这本书的成功，不仅仅在于它讲述了许多现代和经典物理学的重要结果，而且在于它给出了19～20世纪物理学所完成这些业绩的风格和特点。

  ——《科学》(Science)