编辑推荐：

这是一部短小精悍但内容涵盖广泛的物理学科普读物，它成功地避开了复杂的数学语言，仅用文字和图表就清晰地道出了有关物质的☆为深奥的知识，对于非专业读者来说，可以无障碍地畅游物质的宏观和微观世界，有效激发探索宇宙奥秘的兴趣与热情。

作者简介：

杰夫·科特雷尔  英国皇家天文学会会员、牛津大学天体物理学系和卢瑟福阿普尔顿实验室访问科学家，在剑桥大学卡文迪许实验室获射电天文学博士学位，自1999年开始致力于研究聚变能发展的核心问题——聚变材料，特别是计算高能聚变中子对动力反应堆壁的影响。2006年至2011年曾任卡勒姆国际等离子体物理暑期学校主任。

序言作者简介：

李学潜  南开大学物理学教授、博士生导师，1966年南开大学物理系本科毕业，1985年获美国明尼苏达大学博士学位。曾担任天津物理学会副理事长、全国高能物理学会常务理事，主要从事高能物理学唯象学研究，且在重味强子的产生及衰变、标准模型的精确检验、CP破坏、中微子物理以及相对论重离子碰撞和QGP信号等方面亦有涉猎，发表学术论文二百余篇，并著有多篇科普文章。

内容简介：

物质无处不在，既有我们熟悉的固体、液体和气体的日常形式，也有等离子体、量子物质和反物质的奇异形式。微而观之，物质是由极小的原子构成，而每个原子的内部都有一个微小的原子核，绕原子核旋转的是一团电子云。原子核由质子和中子组成，而质子和中子则由有更小的粒子夸克组成。夸克和电子是迄今我们所能见的☆小粒子，是自宇宙大爆炸以来就存在的不可分割的自然基本粒子。在宏观尺度上，物质被引力塑造成为行星、恒星、星系和庞大的星系团，而我们通常接触到的所有物质仅占已存在物质的5%，剩下的95%则以暗物质和暗能量的形式存在。暗物质是阻止星系分裂所必需的，而所观测到的宇宙加速膨胀则需要暗能量来解释。在本书中，杰夫·科特雷尔不仅考察了有关物质的☆新研究，而且清晰地表明我们对于构成宇宙的物质还有许多未知，而这正是科学家们不懈探索宇宙奥秘的动力之源。

媒体评价及名人推荐：

能够避开复杂数学，直接用文字来介绍物质的物理实质的书是可以让广大读者受益的……英国科普作家杰夫·科特雷尔的《物质》一书确实是向普通读者介绍深奥物理的典范之作。

——南开大学物理学教授、博士生导师 李学潜

目  录

致　谢　

第一章 什么是物质？　

第二章 原子　

第三章 物质的形式　

第四章 能量、质量和光　

第五章 原子的量子世界　

第六章 量子物质　

第七章 基本粒子　

第八章 元素从何而来？　

第九章 暗物质和暗能量　

索　引　

英文原文　

序 言

李学潜

物质不仅在物理上是我们关注的对象，它也有深刻的哲学含义。然而哲学也许太深奥，跟我们息息相关的还是周围绚烂多彩又光怪陆离的物质世界。正因为我们生活在物质世界中，不识庐山真面目，只缘身在此山中，探讨物质世界的难度似乎是巨大的。这点在霍金晚年的著作中，当他论证宇宙演化时做了很清晰的表述。然而自几十万年前开始，人类就对大自然感兴趣，对物质的研究薪火相传，从未断绝。我们的根本问题就在于什么是物质，它的特征是什么。

虽然长达几十万年的人类的不懈努力聚集了很多对自然的观测和一些天才的成果，但物理学成为真正的科学，它的预言能与物质世界相吻合，则是从伽利略和牛顿的理论开始的。有了第一步，物理学就以越来越快的速度高速前进了，对物质世界的认识逐渐走向深入，在量子力学问世之后，人类的认知水平发生了断层式的飞跃！然而，随着物理学的快速发展，物理学家与普通百姓的隔层也越来越大，越来越明显。物理学家倾向于用越来越复杂的数学来描述物质结构，以及在自然界发生的各种现象。在研究高能物理时这个倾向更明显，一些唯象模型往往被嘲笑和忽视，而如超弦等深奥理论往往被学术界欢迎。这种趋势似乎在一定程度上背离了物理学的初衷。但是物理就是物理，是研究自然现象的根本，再复杂的理论最终也一定要回归到和自然界相关的形式。

其实，能够避开复杂数学，直接用文字来介绍物质的物理实质的书是可以让广大读者受益的。真的，要理解这个物质世界，普通人，包括工人、农民、经济学家、律师，乃至化学、生物学领域的专家，不需要知道量子色动力学是如何把夸克束缚在一起的细节，但他们想要对物质世界有个形象的理解，这既是由于人类的好奇心，也是对其他领域研究的促进（又回到哲学啦），特别是与物理相关的技术和工程学科。英国科普作家杰夫·科特雷尔的《物质》一书确实是向普通读者介绍深奥物理的典范之作。

科特雷尔从最基本的宏观物质开始，一层一层地深入下去，直到构成强子的夸克结构和轻子、光子、胶子、希格斯粒子的理论框架。他的做法是现代物理学的一个重要研究方式：回归法（reduction）。这个方式必须归功于伟大的玻尔兹曼，他的分子运动论建议宏观上能够观测到的现象都由微观粒子（当时认为是分子，但本书中追根溯源，认为所有物质都是量子的，那就要追到夸克层次了）的运动决定，这解释了当年让人困惑的布朗运动和比热公式。玻尔兹曼建立起宏观与微观间的桥梁，这绝对是概念上的突破，也是今天研究“物质”的唯一正确途径。

《物质》一书遵循着这个原则，开始介绍宏观物质，深入到原子层次。然而到了这个层次，经典的物理机制就必须抛弃，被量子力学所代替。当然，在认识物质的过程中，最先开始的还是对宏观乃至天文客体运动规律的了解。在“物质的形式”一章中，作者介绍了多种物质的存在形式：气体、液体、固体和等离子体。宏观上它们有很大差别，但到了微观世界，我们可以看到它们都是由相同的机制决定的。

我们特别注意到作者讨论了热力学。热力学看似完全是宏观现象（建立了热力学定律），但热力学第二定律的原则可以推广到更深层次（乃至宇宙学）。熵的引入无疑又是玻尔兹曼的伟大功绩（当然最开始熵这个名词是由克劳修斯提出的，但这个概念的发展要归功于玻尔兹曼），我们在不断应用熵增原则解释自然界（包括宇宙）的一切难题。

在讨论物质的基本属性方面，作者首先考虑的是质量，今天我们知道，电荷、自旋都和质量一样是物质的基本属性。但我们都知道，宏观物质由原子构成，而原子由原子核和电子构成，原子核包含质子和中子，而质子、中子由夸克构成，那么在宏观物质的质量中，电荷就不是基本的，这样推演下去只有夸克的质量、电荷和自旋（还有颜色，但这个颜色并非是我们熟知的宏观颜色，只不过是类比而已）才是最基本的。这里，我们并不同意作者的观点：夸克就到了可分的极限。不错，我们目前的实验手段还不足以找到下一个层次的结构（如果存在），但绝不意味这就是最终。事实上，很多理论都探索了构成夸克的物质，例如前子（preon）等。的确，这个序列可能是无尽头的，至少要延展到普朗克尺度（本书中多次提及）。

在本书中，作者论述了夸克结构不足以解释质子的质量起源，也就是简单的加法不适用。质子的质量远大于三个夸克质量之和，超过99%的质子质量是由夸克和胶子的动能决定的。这需要用量子色动力学（QCD）来解释。即使这样，退一万步讲，假如夸克是最基本的，它们（除了三代轻夸克，还有重的粲、底和顶夸克）的质量从何而来，电荷、自旋、颜色又是如何被赋予的？理论上可以从希格斯理论中由于真空的自发破缺得到，但马上出现了不同夸克与希格斯场的不同耦合系数这个难题，仍然没法完美解决。和宇宙学的难题一样，它被认为自然界就是这样，不必再深究了。但是，物理学家并不满足于停留于此，于是超对称、超弦理论就出现了。我们并不一定认为这些新理论就是正确的，但这个方向绝对是物理学家所崇尚的。还有另一种方式，也是宇宙学家目前接受的，即人择原理。霍金曾大力推崇这个原理，在他的著作《时间简史》中有大量论述。但在晚年，他不再满意这个“人择”，而是希望探索更深层次的支配原则。那么对“物质”结构的探索，我们或许也不能停留在夸克带+2/3或-1/3电子电荷（绝对值），自旋为1/2的论断。有很多新的理论（大部分不成功）在探索这个新层次。

本书给读者的启发就是物理“物质”是有层次的，但是作者自己就违反了这个原则，希望停留在夸克层次，这时我们目前接受的“标准模型”有两个：一个是关于粒子物理的，另一个是关于宇宙学的ΛCDM。但显然它们并没有走到一起，量子论和相对论也没有融合（并非如作者所认为的狄拉克的相对论量子力学公式解决了这两个伟大理论的矛盾，相对论是确定论，而量子力学是概率论），因而物理学在理解物质这个概念上还有漫长的路要走。

作者是一个科普作家，虽然他深入浅出地介绍了“物质”这个深奥概念，给读者一个清晰的图像来理解物质是什么，但由于他的视野还有一定的局限性，有些提法与现代理论和实验结果不符合。例如，作者认为能量（当然也是动量）可以在短暂的瞬间内不守恒。这显然是错误的。早年为了解释中子衰变产生的电子能量不确定的疑难，玻尔提出能量守恒只是在宏观统计意义下得到保证的，但这个论点被泡利、爱因斯坦等人坚决拒绝。最后泡利提出中微子的存在完满地解决了中子衰变中电子能量的困惑。我想，我们应该有一个共识，一个理论家可能犯错误，提出不合理甚至是谬误的理论假说，最后被证明是错误的，要被抛弃；但这不能否定他在探索自然规律的漫长道路上所做的努力，他的错误理论可以被后来者作为借鉴，鼓励他们寻找正确的途径。玻尔尽管在这个问题上犯了错，但他仍然是伟大的学者，是量子论的先驱，受到了应有的尊敬。瑕不掩瑜，尽管有这样那样的错误和不恰当的地方，但本书在致力为读者构造物理图像框架的努力上基本是成功的。

特别是作者强调，现有的理论只不过是近似的，很多问题，例如暗物质、暗能量都没有合适的理论去解决。就像19世纪末的两朵乌云，最后导致量子论和相对论的出现，而今天理论在这些问题前的无能为力也许正预示新的、更合理的理论将在年轻人的努力下创生，这个论断也许可以激起年轻人的兴趣，将他们吸引到物理学的研究中来，成为新鲜血液！

本书译者中刘翔教授是我国杰出的年轻学者，在强子（介子、重子、多夸克态）结构方面以及将动力学应用到强子的产生、衰变和诸如CP破坏等方面的工作都受到了国内外学者广泛的赞扬。在教学和科研的同时，他也致力于为广大物理爱好者做科普工作，他认识到科普的重要性，认为只有得到社会的广泛支持，特别是青少年学子的认可和参与，物理学才能得到真正的发展。

本书是刘翔和他的团队翻译的一本科普书，希望广大读者通过阅读此书能从中受益，并喜欢这本书。

文摘：

第一章  什么是物质？

世界上的所有事物都是由物质构成的。当我们用最强大的显微镜观察自己的身体，会发现我们是由原子构成的。在原子内部的中心，有一个微小的原子核，围绕原子核运行的是一团电子。原子核是由质子和中子组成的。当我们放大一个核子时，会发现里面有更小的粒子—夸克，夸克是最强大的显微镜在分辨率极限下所能看到的最小粒子。据我们所知，电子和夸克不是由更小的粒子构成，因此我们称它们为基本粒子。所有的物质都是由电子和夸克构成的。

原子是如此之小，以至于100万个原子仅仅能覆盖住一根头发丝的截面。如果把一个苹果放大到地球那么大，构成苹果的原子才会像苹果一样大。原子的直径约为10-10米（当某个量是10的几次幂时，比如106，这就代表要在1后面加6个零，也就是1000000或一百万；当某个量是10的负几次幂时，比如10-6，这代表小数点后第6位的数字为1，也就是0.000 001或百万分之一）。你的身体包含了大约1029个原子，这决定了人体尺度大约为两米。

物质存在形式多种多样，纷繁复杂。我们所熟悉的书、桌子、水、猫等事物，都有复杂的结构和成分。它们由大量的原子构成，并以形状不同、大小不同的团簇形式黏合在一起。把原子聚集成团簇和将电子束缚在原子核周围的“黏合剂”，是电性相反的电荷之间相互吸引的电场力。粒子相互作用，在空间中形成不同的物理形态和排列，这使得物质有着各种各样可能的结构。原子之间以不同形式存在的电场力相互作用，形成了各种类型的原子键，这使原子连接在一起形成分子，并构成了化学的基础。分子可以像水分子一样简单（两个氢原子和一个氧原子，或H2O），也可以像你身体中由数百万个原子构成的蛋白质大分子一样复杂。

如果一种物质不能通过普通的物理或化学过程分解成两种或两种以上的物质，那么这个物质就是一种元素。地球上共有92种自然存在的化学元素，每一种元素都有它独特的性质。在1867年之前，人们只发现了63种元素。后来，人们发现，不同的原子有不同的原子量，最轻的氢原子的原子量仅为1，而最重的铅原子的原子量为207（人们将氢原子的质量1.67×10-27千克定义为基本化学单位，即为原子质量单位）。当时，科学家们正在寻找能描述元素性质的规律，从而揭示更深层次的结构。俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫熟知这些元素的性质，他将它们的名称和性质写在卡片上，并将它们按原子质量排序。他注意到元素的化学性质有一个规律，即它们按照一种周期规律重复排列。门捷列夫这样描述他的发现：“在梦中，我看到了一张表，所有元素各居其位。醒来后，我马上将其写在一张纸上。梦境是如此准确，以至于后来只有一个地方需要更正。”根据规律，表格中缺少一些元素，门捷列夫为这些元素留下了空位，并自信地预测了锗、镓、钪三种元素。之后，这些元素很快都被发现了。

现代元素周期表不是按原子量排列的，而是按原子序数排列的。原子序数是原子核中质子的数量，它也等于原子中所包含电子的数量，范围从1（氢）到92（铀）。其他比铀重的元素，都是人工合成的。后来，亨利·莫斯利发明了一种X射线技术，这种技术可以测量原子核中质子的数量。我们现在使用的元素周期表，正是通过这种X射线技术得到的。随着原子序数的增加，原子的性质成周期性递变规律：第一排有两种元素（氢和氦），第二、三排有8种元素（锂到氖，钠到氩），接下来的三排各有18种元素。这个表格不仅仅代表了元素排列的规律，它更揭示了一种深深植根于自然界和原子结构中的规律。

元素周期表由量子规律决定。原子中的电子以原子轨道的方式分散地围绕着原子核，在原子核周围形成壳层结构。核外电子在壳层中排布的时候，尽可能使原子整体的能量最小化，当电子壳层完全被填满时，原子的能量最低。比如说，第一个具有全壳层的原子是氦（原子序数为2），第二个是氖（原子序数为2+8=10），第三个是氩（原子序数为2+8+8=18），依此类推。这些稳定的满壳层原子位于元素周期表的最后一列，它们在化学中被称为惰性气体。

不同的原子可以相互组合，形成分子。这就类似于字母表中的字母，相互组合构成单词。世界上到底有多少种分子？英语中目前大约有25万个单词，它们全部基于包含26个字母的字母表。同一个字母可以出现在两个意义完全不同的单词中。例如，字母“a”可以出现在“cat”（猫）中，也可以出现在“bat”（蝙蝠）中，这两个单词的意思完全不同。与字母类似，氢原子（H）既可以存在于水分子（H2O）中，也可以和碳原子（C）结合形成甲烷（CH4），但水分子和甲烷确实是两种性质完全不同的分子。理论上，以不同方式组合元素周期表中的元素，就可以形成数十亿种不同的稳定化合物。

物质的尺度

为了对物质的尺度有一个基本概念，重要的是要了解各种各样的物质的尺度。出乎意料的是，从我们目前认知的最小结构到最大结构（可观测宇宙）之间，这涵盖了大约六十二个数量级区间。这把我们从最小结构的量子世界带到由引力主导的最大结构的世界。人的尺度在圆环底部，大致位于图的两臂中间。最大结构的范围可以从地球大小的对象到星系团和超星系团。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，就对这些大尺度结构及其所占据的空间做了描述。在最小尺度这一端，所有的物质都遵循量子力学的规律。目前，还没有一个完整的理论能将量子世界和由引力主导的世界联系起来。因此，人们提出了各种量子引力理论，尝试去弥合这一鸿沟，我们在此不作描述。

让我们用一个假想的变焦镜头，从人体尺度出发，将镜头显示放大到越来越小的尺度。如果想看到你体内的细胞，你需要从人体尺度放大10万倍。利用可见光的波长就可能观察到细胞。然而，光不能用于分辨小于其波长的结构。光的波长约为500纳米（1纳米等于10-9米，1厘米包含2万个光波长），为了看到更小的事物，我们必须使用更短的波长。电子显微镜中被加速的电子有着更短的波长，这足以让我们观察到像原子一样小的结构。在从细胞放大到原子的过程中，放大倍数又需要增加10万倍。从原子尺度再放大10万倍，我们就可以观察到原子核。当总的放大倍数达到1万亿倍时，我们就到达了量子世界的尺度，物质的波动性质使我们观察到的事物变得模糊不清。为了能进一步放大并观察质子的内部结构，我们必须将电子加速到具有高能量，令其速度达到光速的99.9%以上，并使它们撞击到原子核中，这样便可以观察质子内部的亚结构——夸克。（真空中的光速约为每秒30万千米。）在这段旅程中，我们不能再借助显微镜继续走下去，从进入量子世界起，我们就必须依靠理论。被认为存在并在物理学规律方面具有意义的空间的最精细划分，是10-35米尺度上的微小量子涨落。要想看到这一尺度的任何结构，需要放大倍数的巨大飞跃（1017倍）。

如果我们再次从人体尺度出发，将镜头显示缩小1000万倍，我们的视野就会被地球填满。从现在起，这些大的结构都是由引力塑造的。将镜头显示再缩小100倍，充满整个画面的就是我们的恒星—太阳。下一个最大的结构是直径为300万亿米的太阳系，如果想看到它，我们就必须将镜头显示进一步缩小1万倍。光到达太阳系外的冥王星大约需要五个小时。我们需要等待4.2年，一束来自距离太阳最近的恒星—比邻星—的光才能到达我们眼前，也就是说，比邻星距离我们有4.2光年。当镜头中的视野继续缩小，我们将会看到令人敬畏和激动人心的景象—我们的家园银河系。银河系是一个盘状螺旋星系，它包含了1000亿颗恒星，直径为10万光年，我们必须再把镜头显示缩小1万倍以上，才能看见它的轮廓。

一个世纪以前，人们认为银河系就是整个宇宙，但事实并不是这样。我们所在的银河系只是本星系群的大约30个成员之一，为了能让本星系群装进镜头框内，我们需要将显示再缩小10倍左右。除此之外，甚至还有更大的结构，例如直径超过3亿光年的后发星系团，它包含1000个星系，这些星系在引力作用下结合成一个大致呈球形的星系团。要看到这个星系团，我们需要将镜头显示再缩小100倍。宇宙中已知的最大结构是巨大的超星系团，以及包围着宇宙中广袤空间的纤维状结构。除此之外，我们能用望远镜看到的最远距离，是可观测宇宙的边界，其直径约为1000亿光年。这个球形的可观测宇宙包含了所有可观测到的结构，它由1000亿个星系组成，总的物质含量为1080个氢原子。我们将会在第九章中讨论这些大尺度的结构。值得注意的是，可观测宇宙中物质的平均密度约为每立方米几个氢原子。宇宙的大部分区域是空的，相比之下，地球上的氢原子密度几乎是它的1030倍，这使得地球成为宇宙中一个高度非典型的区域。

我们将在本书的第三章中看到物质的固态、气态、液态是如何产生的，并可以看到一些其他的物质状态。如果我们像艾萨克·牛顿一样，将物质定义为质量，那么本书第四章所描述的质量和能量的等价性，将会使我们对物质有更深层次的理解。同时，这一性质还揭示了原子核释放的巨大原子能的起源。在第五章中，我们将进入奇怪而模糊的量子世界，去了解量子理论是如何解释原子的结构和元素周期表的。第六章中会讲到，当大量的粒子在一定条件下聚集在一起时，它们可以在宏观尺度上表现出有趣且连贯的量子行为。这一现象的发现促进了量子测量仪器的发展，使得“千克”这一基本质量单位可以用自然界的基本常数精确定义。第七章介绍了组成物质（包括反物质）的基本成分，阐述了如何利用大约二十个不同的量子场来理解世界。多数物质的质量可以用这些量子场中的能量来解释。为了理解元素的起源，在第八章中，我们从宇宙形成初期开始，回顾了宇宙的历史，并探索了元素是如何在宇宙大爆炸中形成的。物质就是能量，能量导致空间弯曲。天文学家正在利用这一特性推测宇宙中有多少物质，并确定它们的位置。最后，在第九章中，我们认识到，我们生活中常见的由原子、分子组成的普通物质，只占宇宙中所有物质类型的5%。宇宙中剩余的物质似乎由两种完全神秘的物质组成：暗能量和暗物质。然而，了解以上一切的基础是，我们需要确保组成物质的基本成分——原子——真实存在，这是第二章的主题。