從夸克到宇宙

序言
第一章　內太空與外太空的介紹
第二章　近代物理學的起源
第三章　次原子粒子的探測
第四章　粒子加速器與標準模型
第五章　大霹靂理論的建立
第六章　內太空與外太空的會合
第七章　1990年代的工具
第八章　尾聲

圖片來源說明
附錄：中英名詞對照索引

　人們在沉靜中思考的時候，常會問身外之事：為什麼我會在這裡？這些東西存在的理由是什麼？我們懷著敬畏的心仰望少有的清朗夜空，問說：在上面的是什麼？宇宙是怎麼來的？為什麼它這麼美麗？這些問題一直是宗教、哲學和科學談論的焦點。這本書的目的是想揭示，現代物理學正在建構很雄偉的智慧殿堂──要完整瞭解這個世界──包括的範圍很廣，從宇宙的創生，到原子內極微小的世界，而這小世界正是瞭解大自然定律的起點。
　　這是一篇兼述不可想像小的和超大的故事。這個故事敘述了原子的內太空是如何組成，也娓娓道來外太空的行星、星球和銀河系，也就是全宇宙。
　　內太空與外太空這兩個故事，在1980年代戲劇性地合而為一。說真的，這種會合反映在我們的專業生活中。我們之一的薛拉姆是理論天文物理學家；另外一位李德曼則是粒子實驗家出身的研究所所長。這個實驗室是費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory），此地曾於1989年進行過全世界最高能量的粒子撞擊。回溯至1981年，我們在義大利的多羅麥特山（Dolomite mountains）一起健行的時候，我們就認為粒子物理和早期的宇宙一定關連密切，如果將理論天文物理學界和加速器實驗室合在一起探討，一定可以得到很好的結果。從美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）獲得初期的經費，我們就共同召集一群年輕、又有活力的天文物理學家，他們的研討和演講，激起了實驗室的智慧火花。「天文」也受次核子詳細現象的引發，也極需要用來塑造早期宇宙形成的模式，在那個時候只有夸克（quark）和輕子（lepton）的太初渾沌存在而已。這種獨特的合作，鼓勵我們去撰寫這一本正在你手上的書。我們想特別謝謝費米實驗室和它的贊助者──美國能源部，提供了場所、氣氛和智慧參與的激發，這些對書寫這篇故事特別有助益。
　　雖然，有很多從內太空∕外太空的會合而出現的是抽象觀念，它們確有實驗科學的驗證。我們希望傳達實驗和理論的密切關係，這樣可以導致對宇宙新的瞭解。這個關係就是所謂科學方法的核心。很清楚它是一個很深入的主題，但是我們會試著去避免哲學的微妙，保持著必要的觀點，以使讀者可以享受這一趟內太空∕外太空探險。
　　因為這些是實驗科學的核心，我們決定要特別集中在實驗的工具上，這些是過去五十多年來獨力演變出來的，與設造理論的深度，同樣有非凡的成就。「望遠鏡和顯微鏡」的故事，敘說了粒子和輻射探測器的發展──從早期蓋格計數器（Geiger counter），到最近的微頂矽片器材（silicon strip microvertex），從本生燈到超導超級對撞機（superconducting supercollider），從伽利略的手持望遠鏡，到巨大的無線電望遠鏡，還有很快就有的，哈伯太空望遠鏡的運行。
　　最後，我們引用雨果的詩，他們問：「望遠鏡抵達不到的地方，顯微鏡就發生了作用。兩者哪一個的視野比較大？」極小及極大都要去觀看才能瞭解這個宇宙。
1989年4月                            李德曼、薛拉姆
　　
　　自從六年前我們鬆了一口氣交出手稿後，內太空∕外太空的關連又發生很多美好的事情。對於我們的書，我們接到無數致賀的明信片，但是有十六封指出我們的錯誤，我們一直無法更正，直到此新版本再次出版才有機會。這本平裝書也包括了一些及時且讓人興奮的新發展，諸如在1995年發現的頂夸克，以及在1990年代初的宇宙背景探測衛星的極佳成果。這些新的結果加強了，也更使這本《從夸克
到宇宙》的色彩圖片更美。我們也為超導超級對撞機計畫的胎死腹中感到遺憾，但我們仍樂觀地希望擬議的大型強子對撞機（Large Hadron Collider）會在瑞士日內瓦的CERN實驗室完成。如此本平裝書就反映了兩個科學的最新發展，以及兩者的關連，包括政治上及科學上的。