張瑞明編著的《極微世界探極微》是“當代青年科普文庫”之一。 《極微世界探極微》的主要篇幅用於介紹極微世界探勝。平心而論，20世紀的粒子物理學，作為帶頭大科學，內容博瞻、豐富自不待言，因此讀者在其中會發現許多引人人勝的絕妙風光，會找到許多智慧思想的靈泉活水，會領略到發人遐思的頓悟通識，是斷乎可以期待的。
基本介紹
- 書名：極微世界探極微
- 出版社：湖北科學技術出版社
- 頁數：186頁
- 開本：32
- 作者：張端明
- 出版日期：2000年3月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：9787535224316, 7535224318
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,文摘,序言,
基本介紹
內容簡介
張瑞明編著的《極微世界探極微》除介紹了當代科學技術的重要知識內容，並竭力避免浮光掠影地粗淺描述外，還十分注重一定層次的整體描述，企望以此引導青年朋友改變傳統的、陳舊的思想觀念，確立新的科學理念、科學精神、科學方法和科學的思維方式。力求把科學技術放到大的文化背景中，採用合理的文化觀念描述人類、自然、社會相互間的關係，使當代青年從單純了解科學技術事實的局限中解脫出來，看到科學技術更為廣闊和動人的圖景。
作者簡介
張端明 華中科技大學特聘教授，凝聚態一材料物理中心學術委員會主任.博士生導師.湖北省物理協會理事。在特種納米複合功能材料及雷射沉積動力學、複雜網路拓撲結構及功能、非均勻顆粒系統和非平衡隨機動力學、基礎量子理論以及有序介質的拓撲理論等領域的研究中，成果卓著。在《美國物理評論》、《套用物理》、《歐洲物理》、《中國物理快報》等權威雜誌上發表論文約210篇，出版專著及教材10本，獲國家專利1項，主持國家級和省部級科研項目20餘項。
在科研和教學工作中多次獲得國家級、省部級獎勵。教授量子場論、規範場論、固體量子場論、鐵電和鐵磁物理、群論、基本粒子物理學、原子核物理、非線性物理、早期宇宙學、量子力學、熱力學與統計物理學等30餘門課程。歷訪國際理論物理中心、莫斯科大學、哈佛大學、麻省理工學院、紐約大學、康乃爾大學、賓夕法尼亞大學等，多次參加國際學術會議。
在科研和教學工作中多次獲得國家級、省部級獎勵。教授量子場論、規範場論、固體量子場論、鐵電和鐵磁物理、群論、基本粒子物理學、原子核物理、非線性物理、早期宇宙學、量子力學、熱力學與統計物理學等30餘門課程。歷訪國際理論物理中心、莫斯科大學、哈佛大學、麻省理工學院、紐約大學、康乃爾大學、賓夕法尼亞大學等，多次參加國際學術會議。
圖書目錄
撩開極微世界的面紗
極微世界的驚雷
宇宙的最小磚石
桂冠如何加冕
千古“興亡”一表收
“粒子王國”美的韻律
相互作用——物理世界的經緯
莎士比亞與牛頓
鏡花水月奈何天
上帝竟然是左撇子
餘波殃及反物質世界
神奇的CP魔鏡
最後的天堂——CPT對稱性
往事鉤沉心潮急
輕子世界漫遊
加冕100年的國王及其後裔
筆尖下冒出來的幽靈粒子
普里希娜小姐的故事及其他
深深的狄拉克海洋
決定宇宙命運的中微子
太陽風中隱藏的失竊案
微型孫行者的三副面孔
強子王國及桂冠的隕落
並非多餘的磚石
翩翩而至的不速之客
新粒子的傾盆大雨
電子陸戰隊向核子發動猛攻
通向夸克王國之路
殘缺的對稱的美
青萍之末的微風
王冠上的寶石
真實乎幻境乎
初探夸克宮
美輪美奐的彩色世界
還是從愛因斯坦談起
魏爾的寶貴遺產
楊振寧驚人的唯美設計
璀璨奪目的彩色世界
紅外奴役與漸近自由
最是銷魂霧中花
目斷天涯上層樓
早春二月傳佳音
團圓之夕話團圓
柳暗花明峰迴路轉
奇怪的對稱性自發破缺
富麗堂皇的弱電“統一宮”
火樹銀花展新篇
終極之夢
世紀之交的夢想
隱隱約約的深院簾幕
一個幾乎實現的玫瑰夢
宇宙學需要GUTS
終極之夢第一程——超引力
終極之夢再一程——超弦
似有若無的影物質
路漫漫其修遠兮
新世紀偉大探索的征程
極微世界的驚雷
宇宙的最小磚石
桂冠如何加冕
千古“興亡”一表收
“粒子王國”美的韻律
相互作用——物理世界的經緯
莎士比亞與牛頓
鏡花水月奈何天
上帝竟然是左撇子
餘波殃及反物質世界
神奇的CP魔鏡
最後的天堂——CPT對稱性
往事鉤沉心潮急
輕子世界漫遊
加冕100年的國王及其後裔
筆尖下冒出來的幽靈粒子
普里希娜小姐的故事及其他
深深的狄拉克海洋
決定宇宙命運的中微子
太陽風中隱藏的失竊案
微型孫行者的三副面孔
強子王國及桂冠的隕落
並非多餘的磚石
翩翩而至的不速之客
新粒子的傾盆大雨
電子陸戰隊向核子發動猛攻
通向夸克王國之路
殘缺的對稱的美
青萍之末的微風
王冠上的寶石
真實乎幻境乎
初探夸克宮
美輪美奐的彩色世界
還是從愛因斯坦談起
魏爾的寶貴遺產
楊振寧驚人的唯美設計
璀璨奪目的彩色世界
紅外奴役與漸近自由
最是銷魂霧中花
目斷天涯上層樓
早春二月傳佳音
團圓之夕話團圓
柳暗花明峰迴路轉
奇怪的對稱性自發破缺
富麗堂皇的弱電“統一宮”
火樹銀花展新篇
終極之夢
世紀之交的夢想
隱隱約約的深院簾幕
一個幾乎實現的玫瑰夢
宇宙學需要GUTS
終極之夢第一程——超引力
終極之夢再一程——超弦
似有若無的影物質
路漫漫其修遠兮
新世紀偉大探索的征程
文摘
莎士比亞與牛頓
藝術家，如莎士比亞、貝多芬、屈原、李白、杜甫、湯顯祖等等，他們是探求人間與社會的真、善、美的使者，並將這一切展示在我們的面前。科學家、物理學家，則是在自然界的紛繁多變中尋求“規律”與“秩序”，他們尋求自然與宇宙的真諦。但是，隨著探索的日漸深入，他們在紛繁中看到了單純，在變化中觸摸到永恆，在紊亂中梳理出秩序。在無窮地追求和探索中，他們為真理的樸素和單純的光輝而陶醉、而痴迷，為沉浸在大自然中無所不在的真理的節拍和韻律而歡欣、而跳躍。
真理的追求，就是對美的探求。20世紀物理學的發展，我們的世界，不管是大宇宙還是小宇宙，設計它們的以及洋溢在宇宙的“經緯”——相互作用中的方程，是和諧、韻律。而這韻律、和諧就是對稱性（symmetry）。
什麼是對稱性呢？按照英國《韋氏國際大辭典》的定義，“對稱性乃是相對於分界線或中央平面兩側物體各部分在大小、形狀或相對位置的對應性”。這個定義實質上是指的今日一般人所稱的空間幾何對稱性。現在科學家把對稱性分為兩大類：與時間、空間有關的對稱性（時空對稱性）；與時間、空問無關的對稱性（內稟對稱性）。
對稱性在現代科學中，幾乎就成了規律與和諧的同義語，極難準確定義。《韋氏國際大辭典》還談到“對稱性是適當或協調的比例，以及由這種和諧產生的形式美”，倒是告訴我們，這個概念的引申含意，及其美學屬性。
圖9、圖10和圖11都是日常生活中常見的幾何對稱例子。人們進入20世紀後逐漸明白，原來這些對稱性與自然界最基本的物理定律是緊密聯繫在一起的。例如，物理規律的空間平移對稱性（或稱不變性）導致物理系統的動量守恆。什麼是空間平移不變性？就是說，我們把觀察者在空間平移一個地方，物理規律是不會改變的，如牛頓三定律無論在地球還是天狼星都不變。這種對稱性又稱空間的均勻性。
與此類似的，還有時間的均勻性或稱物理規律隨時間平移（無論是唐朝，還是現代、乃至1000年以後的30世紀）具有不變性，原來與能量的轉換守恆定律相關；空間的各向同性，或稱物理規律相對於空間各個方向（無論指向哪個方向）具有不變性，原來與角動量守恆定律相關。
動量守恆、能量守恆與角動量守恆是自然界最基本守恆定律，迄今尚未發現有任何破壞的跡象。這就導致物理定律在自然界的普適性和可重複性，即無論宇宙中何時、何地和何方向，這些規律都不會變化，都有效。
迄今為止，我們討論的對稱性都稱為連續對稱性，因為它們可以用無窮小運動而實現，如無窮小的空間平移、空間轉動，或時間移動等等。我們舉例還限於幾何對稱性。在幾何對稱性中最有趣的也許要算鏡像對稱，或左右對稱性了。
鏡花水月奈何天
圖11所顯示的泰姬陵顯然有一個中軸面。建築左、右兩部分相對於中軸面顯然是對稱的。因此稱為左右對稱。同時，如果以水面為中軸面，泰姬陵建築的本身與其在水中的像，相對於水面也是完全對稱的，因此稱為鏡像對稱。實際上，整個畫面，如果把中軸面想像為一面鏡子，左邊（或右邊）建築物在此鏡中的像，正好與右邊（或左邊）建築物完全一樣。
可見左右對稱，實質上就是鏡像對稱。這種對稱，只要一次變換，即以中軸面為鏡子，鏡像與原物就具有鏡像對稱。這種對稱是以可數的分立變換（分立變換就是跳躍性的變換）實現的。鏡像對稱性只需一次變換就可以了。圖12中的四個葉片的風車，具有所謂四重對稱性（圖中黑點表示風車的軸，它是垂直於紙面的）。就是說，風車在繞軸轉動90°、180°、270°和360°後，其形狀與未轉動時的原來形狀重合，即圖形不變。顯然，正五角星具有五重對稱性。由此看來，對稱性往往導致不變性。反之，不變性往往蘊藏某種對稱性。
自然界有許多左右對稱結構的例子。例如人體結構、大多數建築物等。這種對稱似乎給予勻稱、和諧的優美氛圍。
類似的對稱性還有時間反演不變性。什麼是時間反演呢？就是讓時間倒流，將電影片倒過來放，所看到的就是時間反演後發生的事。許多物理過程，尤其是微觀現象都具有時間反演對稱性。圖13中左圖表示在電場中運動的電子，右圖表示在時間反演後（即所謂T變換），只是運動倒轉方向，軌跡依然不變。換言之，時間反演前後兩者運動軌跡相同（運動方向則反向），我們叫該過程具有時間反演不變性。實際上，經典力學和經典電動力學的規律，既具有鏡像對稱，又具有時間反演的不變性。
直到1956年，物理學家一直理所當然地認為自然界的規律，應該是不會有“偏愛”左或者右的情況發生。難道用右手坐標系描寫物理現象，會比用左手系描寫的有所不同嗎？在量子物理誕生以後，鏡像對稱性會得到一個新的守恆律——宇稱（parity）守恆。
簡單地說，宇稱守恆要求自然界所發生的一切，在鏡像世界對應的過程也應該真實存在，如圖13所示。上帝總不是左撇子或右撇子吧，宇稱守恆簡直被視為神聖的戒條。鏡中花，水中月，搖搖曳曳，蕩蕩晃晃，一向是詩人謳歌的對象，難道內中還有什“玄機”隱藏？
1956年6月，中國人楊振寧、李政道發表一篇歷史性的論文，對於宇稱守恆的普遍性提出質疑，並且提出了解決有關問題的實驗構想。這猶如晴天霹靂，轟動物理學界。這裡澄清一個問題，楊、李在撰寫論文，以及次年榮膺諾貝爾物理學獎時，並未加人美國籍。直言之，他們當時是道道地地的中國人。
P20-25
藝術家，如莎士比亞、貝多芬、屈原、李白、杜甫、湯顯祖等等，他們是探求人間與社會的真、善、美的使者，並將這一切展示在我們的面前。科學家、物理學家，則是在自然界的紛繁多變中尋求“規律”與“秩序”，他們尋求自然與宇宙的真諦。但是，隨著探索的日漸深入，他們在紛繁中看到了單純，在變化中觸摸到永恆，在紊亂中梳理出秩序。在無窮地追求和探索中，他們為真理的樸素和單純的光輝而陶醉、而痴迷，為沉浸在大自然中無所不在的真理的節拍和韻律而歡欣、而跳躍。
真理的追求，就是對美的探求。20世紀物理學的發展，我們的世界，不管是大宇宙還是小宇宙，設計它們的以及洋溢在宇宙的“經緯”——相互作用中的方程，是和諧、韻律。而這韻律、和諧就是對稱性（symmetry）。
什麼是對稱性呢？按照英國《韋氏國際大辭典》的定義，“對稱性乃是相對於分界線或中央平面兩側物體各部分在大小、形狀或相對位置的對應性”。這個定義實質上是指的今日一般人所稱的空間幾何對稱性。現在科學家把對稱性分為兩大類：與時間、空間有關的對稱性（時空對稱性）；與時間、空問無關的對稱性（內稟對稱性）。
對稱性在現代科學中，幾乎就成了規律與和諧的同義語，極難準確定義。《韋氏國際大辭典》還談到“對稱性是適當或協調的比例，以及由這種和諧產生的形式美”，倒是告訴我們，這個概念的引申含意，及其美學屬性。
圖9、圖10和圖11都是日常生活中常見的幾何對稱例子。人們進入20世紀後逐漸明白，原來這些對稱性與自然界最基本的物理定律是緊密聯繫在一起的。例如，物理規律的空間平移對稱性（或稱不變性）導致物理系統的動量守恆。什麼是空間平移不變性？就是說，我們把觀察者在空間平移一個地方，物理規律是不會改變的，如牛頓三定律無論在地球還是天狼星都不變。這種對稱性又稱空間的均勻性。
與此類似的，還有時間的均勻性或稱物理規律隨時間平移（無論是唐朝，還是現代、乃至1000年以後的30世紀）具有不變性，原來與能量的轉換守恆定律相關；空間的各向同性，或稱物理規律相對於空間各個方向（無論指向哪個方向）具有不變性，原來與角動量守恆定律相關。
動量守恆、能量守恆與角動量守恆是自然界最基本守恆定律，迄今尚未發現有任何破壞的跡象。這就導致物理定律在自然界的普適性和可重複性，即無論宇宙中何時、何地和何方向，這些規律都不會變化，都有效。
迄今為止，我們討論的對稱性都稱為連續對稱性，因為它們可以用無窮小運動而實現，如無窮小的空間平移、空間轉動，或時間移動等等。我們舉例還限於幾何對稱性。在幾何對稱性中最有趣的也許要算鏡像對稱，或左右對稱性了。
鏡花水月奈何天
圖11所顯示的泰姬陵顯然有一個中軸面。建築左、右兩部分相對於中軸面顯然是對稱的。因此稱為左右對稱。同時，如果以水面為中軸面，泰姬陵建築的本身與其在水中的像，相對於水面也是完全對稱的，因此稱為鏡像對稱。實際上，整個畫面，如果把中軸面想像為一面鏡子，左邊（或右邊）建築物在此鏡中的像，正好與右邊（或左邊）建築物完全一樣。
可見左右對稱，實質上就是鏡像對稱。這種對稱，只要一次變換，即以中軸面為鏡子，鏡像與原物就具有鏡像對稱。這種對稱是以可數的分立變換（分立變換就是跳躍性的變換）實現的。鏡像對稱性只需一次變換就可以了。圖12中的四個葉片的風車，具有所謂四重對稱性（圖中黑點表示風車的軸，它是垂直於紙面的）。就是說，風車在繞軸轉動90°、180°、270°和360°後，其形狀與未轉動時的原來形狀重合，即圖形不變。顯然，正五角星具有五重對稱性。由此看來，對稱性往往導致不變性。反之，不變性往往蘊藏某種對稱性。
自然界有許多左右對稱結構的例子。例如人體結構、大多數建築物等。這種對稱似乎給予勻稱、和諧的優美氛圍。
類似的對稱性還有時間反演不變性。什麼是時間反演呢？就是讓時間倒流，將電影片倒過來放，所看到的就是時間反演後發生的事。許多物理過程，尤其是微觀現象都具有時間反演對稱性。圖13中左圖表示在電場中運動的電子，右圖表示在時間反演後（即所謂T變換），只是運動倒轉方向，軌跡依然不變。換言之，時間反演前後兩者運動軌跡相同（運動方向則反向），我們叫該過程具有時間反演不變性。實際上，經典力學和經典電動力學的規律，既具有鏡像對稱，又具有時間反演的不變性。
直到1956年，物理學家一直理所當然地認為自然界的規律，應該是不會有“偏愛”左或者右的情況發生。難道用右手坐標系描寫物理現象，會比用左手系描寫的有所不同嗎？在量子物理誕生以後，鏡像對稱性會得到一個新的守恆律——宇稱（parity）守恆。
簡單地說，宇稱守恆要求自然界所發生的一切，在鏡像世界對應的過程也應該真實存在，如圖13所示。上帝總不是左撇子或右撇子吧，宇稱守恆簡直被視為神聖的戒條。鏡中花，水中月，搖搖曳曳，蕩蕩晃晃，一向是詩人謳歌的對象，難道內中還有什“玄機”隱藏？
1956年6月，中國人楊振寧、李政道發表一篇歷史性的論文，對於宇稱守恆的普遍性提出質疑，並且提出了解決有關問題的實驗構想。這猶如晴天霹靂，轟動物理學界。這裡澄清一個問題，楊、李在撰寫論文，以及次年榮膺諾貝爾物理學獎時，並未加人美國籍。直言之，他們當時是道道地地的中國人。
P20-25
序言
出版一套面向廣大青年的科普圖書，是許多地方科技出版社縈懷已久的願望，但是由於種種原因，一直沒有哪一家出版社獨自將之付諸實施，這常常讓我們引為憾事。1995年，新聞出版署確定了《當代青年科普文庫》為國家“九五”出版重點選題，才使我們有機會通過聯合出版的方式了卻大家的夙願。
今天，世界處在科學技術飛速發展、社會生活瞬息萬變的時代。處於高科技時代的青年人，通過耳濡目染或者孜孜以求，已經打開了曾經狹窄的眼界，而從各種不同的途徑汲取知識，豐富自己，以求得多元的而不是單一的知識結構。將會影響21世紀人類命運和前途的高新科學技術知識，便成為他們涉獵的熱點。青年人清醒地認識到，21世紀是青年人的世紀，他們背負著時代賦予的重大責任，而科學技術知識恰恰能開發他們擔負起這種責任的巨大潛能。
地方科技出版社承擔著向青年系統地進行科學普及教育的重要任務，這是具有使命性的任務。科學普及事業直接影響著社會進步和民族興衰。翻開歷史的卷頁，許多事實都證明，科學技術對社會的影響既取決於科學技術的發展水平，又取決於科學技術被公眾理解的程度，所以說，科學普及與一切科學活動、科學成就具有等量齊觀的價值。我們注意到，由於現代科學技術發展迅速，知識更新日益加快，自然科學的各分支學科之間、自然科學與社會科學之間的融合愈加緊密，再像過去那樣僅向青年人介紹一般的科學常識已經不足以提高他們的科學文化素質。因此，《文庫》除介紹了當代科學技術的重要知識內容，並竭力避免浮光掠影地粗淺描述外，還十分注重一定層次的整體描述，企望以此引導青年朋友改變傳統的、陳舊的思想觀念，確立新的科學理念、科學精神、科學方法和科學的思維方式。
在人類社會發展進程中，科學技術從來不是孤立存在的，它是社會文化的重要組成部分。今天，人們越來越重視科學技術的文化意義，這對當今社會的進步具有重大意義。我們力求把科學技術放到大的文化背景中，採用合理的文化觀念描述人類、自然、社會相互間的關係，使當代青年從單純了解科學技術事實的局限中解脫出來，看到科學技術更為廣闊和動人的圖景。
《當代青年科普文庫》的前期準備工作進行了將近兩年，總體策劃工作組在廣泛調查研究的基礎上，拿出了選題構想和文庫整體編輯方案，之後多次進行了充分的討論並召開專家論證會，確定了最後的選題編輯方案，這一方案經過地方科技出版社社長、總編年會通過後才正式加以實施。參加這一工程的共有27家地方科技出版社。
在《文庫》即將全部付梓之際，我們倍覺欣慰。與此同時，我們對在《文庫》策劃、編輯、出版過程中，給予關心和支持的中宣部出版局、新聞出版總署圖書司和中國版協科技委員會的領導表示敬意和感謝；對應邀擔任《文庫》顧問的各位領導和科學家表示誠摯的謝意；對在很短的時間內編寫出高質量稿件的各位作者表示衷心的感謝；對承擔《文庫》編輯、出版工作的各地方科技出版社的領導、責任編輯致以深切的慰問。作為跨世紀的大型科普書，這是我們奉獻給當代青年的一份禮物，希望他們能夠喜歡這份禮物。
中國出版工作者協會
科技委員會地方工作部
今天，世界處在科學技術飛速發展、社會生活瞬息萬變的時代。處於高科技時代的青年人，通過耳濡目染或者孜孜以求，已經打開了曾經狹窄的眼界，而從各種不同的途徑汲取知識，豐富自己，以求得多元的而不是單一的知識結構。將會影響21世紀人類命運和前途的高新科學技術知識，便成為他們涉獵的熱點。青年人清醒地認識到，21世紀是青年人的世紀，他們背負著時代賦予的重大責任，而科學技術知識恰恰能開發他們擔負起這種責任的巨大潛能。
地方科技出版社承擔著向青年系統地進行科學普及教育的重要任務，這是具有使命性的任務。科學普及事業直接影響著社會進步和民族興衰。翻開歷史的卷頁，許多事實都證明，科學技術對社會的影響既取決於科學技術的發展水平，又取決於科學技術被公眾理解的程度，所以說，科學普及與一切科學活動、科學成就具有等量齊觀的價值。我們注意到，由於現代科學技術發展迅速，知識更新日益加快，自然科學的各分支學科之間、自然科學與社會科學之間的融合愈加緊密，再像過去那樣僅向青年人介紹一般的科學常識已經不足以提高他們的科學文化素質。因此，《文庫》除介紹了當代科學技術的重要知識內容，並竭力避免浮光掠影地粗淺描述外，還十分注重一定層次的整體描述，企望以此引導青年朋友改變傳統的、陳舊的思想觀念，確立新的科學理念、科學精神、科學方法和科學的思維方式。
在人類社會發展進程中，科學技術從來不是孤立存在的，它是社會文化的重要組成部分。今天，人們越來越重視科學技術的文化意義，這對當今社會的進步具有重大意義。我們力求把科學技術放到大的文化背景中，採用合理的文化觀念描述人類、自然、社會相互間的關係，使當代青年從單純了解科學技術事實的局限中解脫出來，看到科學技術更為廣闊和動人的圖景。
《當代青年科普文庫》的前期準備工作進行了將近兩年，總體策劃工作組在廣泛調查研究的基礎上，拿出了選題構想和文庫整體編輯方案，之後多次進行了充分的討論並召開專家論證會，確定了最後的選題編輯方案，這一方案經過地方科技出版社社長、總編年會通過後才正式加以實施。參加這一工程的共有27家地方科技出版社。
在《文庫》即將全部付梓之際，我們倍覺欣慰。與此同時，我們對在《文庫》策劃、編輯、出版過程中，給予關心和支持的中宣部出版局、新聞出版總署圖書司和中國版協科技委員會的領導表示敬意和感謝；對應邀擔任《文庫》顧問的各位領導和科學家表示誠摯的謝意；對在很短的時間內編寫出高質量稿件的各位作者表示衷心的感謝；對承擔《文庫》編輯、出版工作的各地方科技出版社的領導、責任編輯致以深切的慰問。作為跨世紀的大型科普書，這是我們奉獻給當代青年的一份禮物，希望他們能夠喜歡這份禮物。
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