在本书的最开始，我们先对全书无限宇宙（无限大和无限小的世界）进行简要地介绍，并对本书中所用物理量的量级等作解释，以便读者更轻松地阅读本书。

20 世纪物理学从大的方向上和小的方向上观察宇宙，进行探索和研究，取得了许多重大的发现。大的方向上，通过望远镜向着宇宙的边缘观察，这个宏观的宇宙被称为大宇宙；另一方向就是从原子和亚原子的微观尺度上探索和研究宇宙，这个微观的宇宙被称为小宇宙。

物质结构的层次

自然界跨越的尺度范围是难以置信的巨大，从原子核里的质子和中子的微小组成成分（小宇宙）到宇宙空间里的亿万星体（大宇宙）。从尺度上看，人类大致上处于这两个宇宙极端的中间位置（图1-1 ）。

(空间尺度以10 为底的指数表示：有一种简便的方法表示很大或者很小的数，避免写很多0 。这就是以10 为底的指数表示方法。1 微米可以写成10 的-6 次方米，即10-6 米。1 亿可以写成10 的8 次方，即108 。例如，1032 有32 个0 。)

人们用肉眼向外太空观察可以感受到一个巨大的宇宙，延伸到最暗淡的星体。但是用肉眼观察微观世界就困难得多。用肉眼能够清晰观察的最小尺度就是一根头发丝直径的宽度，稍小于0.01 毫米，小于这个尺度的物体看起来就模糊了。

物体发射的光或者反射的光射入眼晴，转变成脑细胞可感知的信号，然后大脑对接收到的信号进行解释，形成物体的图像。然而，即使是视力最好的眼睛都不可能区别尺度小于视网膜敏感细胞之间的距离的物体，要想看见这样小的物体就需要使用放大镜或者显微镜。

第一台显微镜是荷兰人安东·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek ）发明的，他当时是一个没有受过科学训练的服装销售员，他的爱好就是制作透镜。他制造了一台能够放大200 倍的仪器，这在当时是最先进的。1683 年，列文虎克在研究雨滴的过程中第一次发现了微生物，他将其称作“小动物”。随后不久，列文虎克发现了许多小生物。尽管他的发现都用资料做了仔细的证明，但是当时的科学界对此仍然持有怀疑。在当时，人们认为上帝创造的最小生物就是奶酪里的小虫子。后来，从列文虎克的描述中可以推论，他可能是第一个看见细菌的人。

细菌是能够用光学显微镜看见的最小普通生物体，它的典型尺寸约为1 微米。1 微米是1 米的百万分之一，或者写为0.000 001 米。

小宇宙

第一台电子显微镜是在1931 年制造的，它开启了我们观察微观世界（大约10-6 米）之门。今天的电子显微镜可以观测分子的结构（大约10-9 米），还可以扫描各个原子的表面。一个原子的典型尺寸大约是10-10 米，1 平方毫米的面积内大约包含1014 个原子。原子的内部是空的。原子里的深处是密度很大的原子核（原子核的尺寸大约为10-14 米），原子核的外围是比原子核大10 000 倍的电子云，但是电子云的质量只有原子质量的1/2000 。电子显微镜的诞生开启了“微宇宙”（希腊语“小世界”）时代。物理学家为了观察微宇宙使用了另一类“显微镜”——一种被称为粒子加速器的机器，它可以产生更短波长的粒子作为探测仪器，就像显微镜一样。

20 世纪30 年代以前，物理学家们就知道原子核是由质子和中子组成的，并且相信这就是最终的微宇宙（图1-2 、图1-3 ）。但是，对从外太空投射来的宇宙射线的研究结果和更强大的加速器实验揭示了物质组成的更深层次：质子和中子是由名为夸克的更小的粒子组成的。夸克和电子就是现代物理学的“铺路小卵石”。

夸克和电子的尺寸小于10 -18 米，而且微观世界可能比这个尺度还小得多。有一种新理论认为，粒子不是点，而是长度只有10 -33 米的小弦。这样小的距离与宇宙在大爆炸之后在远小于第1 秒钟时形成的物质的尺度差不多。这样，微宇宙的结构又回到了宇宙产生的开始，可以帮助我们揭示大宇宙的奥秘（参见本书5.5 节、6.6 节）。

大宇宙

在我们的头顶上，天空如一张由星体的闪烁光点编织成的“挂毯”。在晴空万里的夜里，人们用肉眼可以看见大约3000 颗星体，这仅仅是宇宙最靠近我们的一个极小空间。我们生活的太阳系也只是巨大的银河系里的一个小星系。银河系包括1000 亿颗星体，一个星体就像是一个大房间里的一粒沙子。在整个宇宙空间里至少有1000 亿个银河系。

宇宙空间是如此之大，以致不能用普通的尺度来度量，而是要用“光年”来度量。1 光年就是光在真空里传播1 年的距离，即9.5 ×10 15 米。从太阳系外离地球最近的“比邻星”（半人半马α，Centaurio-Alpha ）发射出来的光传播到地球需要4 年时间，著名的昴星团（希腊神话中的七姊妹星）到地球的距离为400 光年，仙女座（以希腊神话中安德罗墨达女神命名）到地球的距离为230 万光年。

因为光从外太空传播到地球需要如此长的时间，我们今天看到的星光实际上是很早以前发射出来的，所以我们观察外太空就意味着在时间上往回看。使用功能强大的望远镜，天体物理学家可以探测到一些非常明亮的“类星体”物体，神秘的类星体离我们的距离为100 亿光年以上，每颗类星体每一次爆炸释放出的能量比普通的星系高几百倍。这几乎把我们带回到了宇宙诞生的时刻。

总之，从大的方向上探索宇宙能够把我们带回到很久以前的时间；从小的方向上探索微观世界，使我们能够了解早期宇宙的微观机制。两个不同的方向又汇聚在一点，这就是自然的规律吧！

光是观测小宇宙和大宇宙的重要手段，不同的观测对象需要应用不同波长的光源（电磁波或光子），如图1-4 所示，可见光只是其中的一小段。各波段除了对观测宇宙有极为重要的作用外（参见本书7.8 节、7.9 节和7.10 节），在人们的日常生活和国民经济中有更广泛的应用。图1-4 中从右至左依次为：无线电波（射频波段），即米波和更长的短波、中波、长波，用于电视、收音机等；微波，波长在厘米、毫米波段，用于通信、测距、加热等；红外线，用于医疗、夜视等；可见光波段；紫外线，用于消毒、科研应用（图1-4 中为同步辐射真空紫外线站）；X 射线与γ射线（波长很短，即光子能量更大），用于医疗CT （即计算机断层扫描）、科学研究等。

表1-1 给出了对各种微小对象的研究与测量方法。图1-5 中进一步定量地介绍各种光源的电磁波波长与其相应光子能量成反比的对应关系、与温度的关系，以及光源设备与应用。

这里，先回忆一下各种波长的电磁波和它们相应的光子能量及温度的关系，以便对各种波段有些了解，对本书有关各节的内容有较为明确的理解。本书第一部分的1.4 节、2.4 节分别介绍了古典波粒二相性和波的量子特性理论。由爱因斯坦光电效应可知，光子的能量E 同频率成正比，同波长λ成反比。图1-5 中波的长度单位为埃（Å ，angstrom ，1 埃=10-10 米），光子能量E 单位为电子伏（eV ）。换算后，二者有简单关系：E=1280/ λ。我们的电视波段在1 ～100 米范围。微波的波段在1 ～10 厘米区域，因此微波也称厘米波。可见光的波段很窄，为380 ～750 纳米（1 纳米=10 埃）。波长越短光子能量越高，其粒子性也就越强。习惯上，从X 射线到γ射线也就常用千电子伏（keV ）和兆电子伏（MeV ）表示了。另外，一般杂乱运动的粒子动能同其相应的温度有3kT/2 关系［k 为玻尔兹曼常量，为1.3 ×10-23 ，T 为热力学温标（K ，开尔文）的温度（其零度为-273 ℃）］。这些物理量在本书第一部分和第二部分的有关章节中经常用到。例如，在6.4 节中探测到的咝咝声恰在微波段，相应的辐射温度只有2.72K ，在绝对零度附近；在6.6 节和8.5 节中也要用到这些物理量。

宇宙无限，探索无限

宇宙从大的方向看是无限的，从小的方向看也是无限的。

在大的方向上，从宏观上探索和研究构成宇宙的物质世界就是宇宙学、天体物理学探索和研究的课题——宇宙的宏观结构、宇宙的构成和起源。在小的方向上，从微观上探索和研究构成宇宙的物质世界就是粒子物理学探索和研究的课题——物质的微观结构、物质的基本组成。这始终是人类进行科学研究的两个前沿科学研究课题，再加上“生命的起源”，这就构成了人们公认的科学研究的三大具有根本性或本质性的前沿尖端科学研究课题。这三大前沿尖端科学研究课题都能够进一步开拓出新的学科领域和许多尖端学科。

人类对于宇宙的认识是无止境的——因为宇宙无限，人类所进行的探索和研究只是在一定条件下得出的结论，只是相对“真理”，所以人类对宇宙的认识只能是逐层深入，永无止境。

当今人类对宇宙的认识的尺度范围是10 -21 ～10 27 米。人类的身高大约处于这尺度范围的中间点位置。人类对宇宙的认识正是从大的和小的两个方向上逐层深入的。

早在3000 多年前，人们就开始了天文学方面的观察和研究，昼夜交替、四季轮回、风云水火和雷电等自然现象给人们留下了深刻的印象。人们总是满怀敬畏地仰望夜空，寻找能够解释恒星位置、行星运动及太阳升落等天文现象的物理模型。人们通过观测星体的运动规律创立了历法。这就是天文学的开始。

约2800 年前，我国周朝创立的历法——农历现在看来仍然是非常科学、非常先进的。1000 多年前，我国汉代著名的天文学家张衡就制造出了精密完美的天文仪器——浑天仪、地动仪等。后来，科学家们开始研究地球表面发生的现象，如苹果落地、箭矢飞行、风雨和潮汐有规律的运动等，从而建立起一套“物理定律”。从此由天文学衍生出一门新学科——物理学。

随着时间的推移和生产的发展进步，以及望远镜、显微镜、真空泵和钟表等仪器的发明，科学家的观察和测量能力得到了大大提升，越来越多的现象被更加深入地揭示出来。科学家们用统一的数学语言描述各种自然现象，建立起了一系列经典物理学中的定律和定理，如万有引力定律和牛顿三大运动定律等。

到20 世纪初，原子成为物理学的前沿研究课题。在20 世纪40 年代，原子核成为研究的中心课题。随着工业和技术的发展，观测仪器日益改进，一些科学家在原子物理学和原子核物理学领域进行更深层次的研究。

第二次世界大战时期，由于交战双方对军事武器——原子弹的需求，美国、苏联和欧洲的一些国家投入了巨大的财力和人力研制原子弹，这在客观上大大地促进了对原子核的研究，使原子核物理学得到了快速的发展。科学家开始对物质的微观结构进行更深层次的研究，特别是20 世纪50 年代以来建造了很多台高能粒子加速器。随后发现了很多正、反粒子及共振态。这些发现远远超出了原子核物理学的范围。人们将正电子的发现作为粒子物理学成为独立学科的标志。近半个多世纪以来，作为科学研究的前沿，粒子物理学在物质微观结构的研究方面取得了许多重大的进展。

人类对宇宙进行不懈的探索和研究，学习和掌握了自然规律和自然法则，创造出了现代的物质文明世界。即使在大尺度上观测宇宙已经达到200 亿光年以内，我们还没有看到“边”，宇宙向大的方向的延伸是无限的！在小尺度上观测宇宙已经达到千万万亿分之一厘米，我们依然没有看到“头”，宇宙向小的方向的延伸也是无限的！宇宙无限，探索无止境。人类前进的步伐永远不会停止，未来的世界会更加美好、更加精彩。

20 世纪，人类在认识自我生存的物质世界方面取得了非常大的进展，从约10 -18 厘米的微观粒子，到130 亿~150 亿光年的宇宙。在这个认识层次不断递进的过程中，无数的科学家付出了毕生的心血。本书按历史发展脉络，将人类对微观世界和宏观宇宙的永无止境的探索历程结合在一起，讲述了一个个生动有趣、但又曲折艰辛的科学故事。

本书的作者和审阅者都是多年来参加了许多高能物理方面大型国际合作、国内科研工程或大型项目的科学家。他们结合自己的亲身经历和了解，用通俗的语言介绍了这个领域的历史和现状，也用由显的语言普及了一些重要的基础知识，特别介绍了微观粒子同宇宙演化与天体的密切联系，相信会给读者带来不一样的阅读体验。