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宇宙身边的“鬼”故事:《中微子振荡之谜》 精选

已有 5497 次阅读 2019-8-14 11:30 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

早上看电视上说,令人期待的2019年上海国际书展今天开幕了。下周一,我老人家也将亮相上海书展,替出版社推销我的科普新书《中微子振荡之谜》。

中微子振荡之谜立体图.jpg

说来惭愧,这是我第一部原创的科普著作。说它是著作其实有点大了,只有区区五万字。但是在这个阅读很奢侈的年代,五万字似乎已经足够了。


为了在上海书展上宣传这本书,出版社方面邀请了美女科学家徐东莲博士在19号的书展上作中微子与冰立方(IceCube)的报告,这是更为令人期待的!徐博士刚从美国回来不久,现在是上海交通大学李政道研究所的科学家,南极冰立方实验合作组的成员,一直致力于寻找宇宙中的幽灵粒子,尤其是超高能宇宙线中微子。我十分相信,她将给书展带来一个特别精彩、你会神往的“鬼”故事。


作为徐博士主演的配角,我会在她的演讲之后如果还有时间的话,补充几个与《中微子振荡之谜》有关的三个话题(最后这半句话明显是个病句,但是我没想到自己这把年纪了还能说出这么颠三倒四的病句,所以就不修改了----捂脸):


第一个:为什么东京大学的理论物理学家村山齐(Hitoshi Murayama)教授说“Neutrinos may be our mother”?


第二个:每个人都是中微子源,但幸好你不是探测器!


第三个:大亚湾实验启示录:成功就是你比别人干得好,别人比你运气差!


为我这本小书作序的是国际著名理论物理学家Harald Fritzsch教授。但我自己也写了个自序,而且这可能是本书写得比较精彩的部分之一。


作者自序

 

        1959年底,物理学大师费恩曼(Richard Feynman)在美国物理学会做了一场题为“底部有足够的空间”(There is Plenty of Room at the Bottom)的经典演讲,被后人称作纳米技术的先知宣言。世间万物的“底部”与“顶部”究竟何在,自然是仁者见仁、智者见智,但它们对应着微观与宇观两个世界,却是不言而喻的。如今科学家对“底部”的窥视,早已不限于纳米尺度,而是直达质子直径千分之一的微微微米尺度,即比纳米整整小了9个数量级。也许“底部”的空间之大,远远超过了费恩曼和所有人的想象。无论如何,这都是物理学和物理学家的胜利!

 

        无独有偶,英籍德国经济学家舒马赫(Ernst Friedrich Schumacher)在1973年出版了一部题为《小的是美好的》(Small is Beautiful)的畅销书,被誉为可持续发展的先知之作。2016年夏天经北大校友推荐,我第一次读到这本短小精悍的“旧”书,依然被其中那些超越经济学范畴的卓越思想和见解所打动。在我研究的粒子物理学领域,除了无质量、无结构的光子和胶子,最小的基本粒子当属中微子。中微子到底有多“小”的问题,就如同暗物质到底有多“暗”的问题一样,都是当今粒子物理学和宇宙学的未解之谜。更令人惊奇的是,中微子其实属于宇宙的“热”暗物质,它们像幽灵一般无处不在,既是宇宙演化的参与者,也是宇宙演化的见证者。

 

        作为已知的基本费米子家族的最轻成员,中微子不得不处于质量谱的“底部”,而那里的空间大到允许其中一类中微子的质量无穷小!正是由于中微子的“小”与“暗”,它们呈现出其他基本粒子不具备的奇特性质:振荡!中微子振荡作为宏观可测的量子相干现象,指的是一种类型的中微子在空间传播一定距离后,有可能转化成另一种类型的中微子。这是物质存在与转化的新形式,不同于散射、衰变和束缚态等人们较为熟悉的形式。本书的主旨就在于以通俗易懂的科普语言,解读中微子振荡的奥秘,并探讨与之相关的前沿科学问题。

 

        我与中微子振荡的不解之缘始于1995年。那一年秋天,我在慕尼黑大学物理系与弗里奇(Harald Fritzsch)教授合作,完成了一篇题为“轻子质量等级与中微子振荡”(Lepton Mass Hierarchy and Neutrino Oscillations)的论文。这是我发表的第一篇探讨中微子质量与振荡的学术文章,它与众不同地对轻子混合模式做出了今天看来定性上依然正确、定量上并不离谱的理论预言。两年半之后的19986月,随着日本的超级神冈实验令人信服地发现了大气中微子的振荡现象,中微子物理学从此进入了激动人心的黄金时代。当年作为一个对中微子知之虽少但倍感兴趣的博士后,我有幸从一开始就跟上了这一难得的潮流,像风口上的猪一样飞了一会儿,并且亲身见证了这段辉煌的历史。

 

   本书预想的读者群包含了正在中微子物理学前沿领域从事一线研究的学者和正在中学学习经典物理学基础知识的学生,以及知识面处于两者之间、但兴趣没有边界的广大科普爱好者。鉴于此,我重温了自己曾提出的关于科普与求职报告的“三分之一定理”:即三分之一的内容让所有人听得懂(否则你将失去听众)、三分之一的内容让专家听得懂(从而体现专业品质)、三分之一的内容让所有人听不懂(以便显得自己有水平)。但在接下来的写作过程中,我不得不借助几个至关重要的数学公式,目的在于尽可能准确地展现中微子振荡及物质效应的基本特征。不过我希望读者还是可以通过我的文字叙述和图表说明,获取有关中微子物理学的一些最重要信息,同时不觉得过于枯燥乏味。

 

尽管曾经与周顺博士合作撰写过一部颇受国内外同行好评的中微子物理学英文专著(即《Neutrinos in Particle PhysicsAstronomy and Cosmology》,浙江大学与施普林格出版社,2011年),这却是我第一次写作有关中微子的科普书籍。好在它的篇幅短小,与它所关注的对象一样,都符合舒马赫的美学观念。另一方面,诸如“作者水平有限、错误在所难免”之类的客套话我就不说了毫无疑问,对我的这次写作而言,由于时间紧迫,底部的确有足够的空间......



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