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人类是加工自然物质的专家。从早期石器到罗马水渠，再到硅晶时代，我们已经通过自己对物质的理解，创造出新奇的材料，广泛地利用能量，推动了人类文明的进步。过去几年里，人类取得了重大进步，聚变能、量子计算机、量子通信和超材料斗篷成为物质科学的新里程碑。探索物质与能量的前沿科学；这是一场精彩纷呈的对物质核心的探索，且这场探索永无止境。

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内容简介

《物质与能量（全彩）》内容简介：电子工业出版社与美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）及其出版的《科学新闻》杂志（Science News）倾力合作，陆续推出《科学新探索》丛书，《地球与环境》正是该丛书的第五本书。本书介绍了人类对物质和物质有怎样的行为孜孜不倦的探索，以及对物质本质永无止境的研究，这再一次证明，人类是加工自然物质的专家。 《物质与能量》一书的文章均选自近几年《科学新闻》杂志中尤为精彩、受读者欢迎且值得阅读的文章。《科学新闻》杂志是美国专业、全面、及时的科学新闻来源之一。

作者简介

美国《科学新闻》杂志（Science News）由非营利机构美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）出版，出版地为华盛顿特区。纸质版《科学新闻》杂志（Science News）为双周刊，同时开通了每日更新的新闻网站 (www.ScienceNews.org)。纸质版《科学新闻》杂志拥有超过9.3万的付费订阅者，网站年独立访问量高达1200万。此外，《科学新闻》杂志在社交媒体上也十分活跃，拥有220万脸谱网粉丝和150万推特粉丝。《科学新闻》杂志已有94年的历史，一直致力于为公众提供值得信赖的科学信息。1922年，报纸出版人爱德华·W. 斯克里普斯（Edward W. Scripps）创办了《科学新闻》杂志，最初名为Science News-letter，这是美国第一份旨在为公众提供客观严谨的科学新闻的出版物。如今，《科学新闻》杂志的使命依然没有改变，始终以“传播育人”为己任，继续将各个科学领域的重要发现传递给公众。《科学新闻》杂志由优秀的团队撰写、编辑和设计，面向科学爱好者、希望更深了解前沿科学成果的学者，以及时刻关注其他领域发展的科学家。

内页插图

精彩书评

“随着科学家们对物质的深入研究，人类将有更多操纵和创造物质的可能性。”——美国《科学新闻》杂志社（Science News）

目录

I. 化学的艺术（The Art of Chemistry）

发现氢元素新相

遇见鈇和鉝

勘探准晶

撞击激发出强子对撞机内物质的古怪行为

点火失败

刻蚀的玻璃让光线拐弯

回弹之际

细菌电池获得了坚实的发展

以蜻蜓翅膀为灵感的材料可以使细菌爆裂

奇特的盐类动摇了化学理论的根基

为点火采取的措施

生物能

石墨烯类似物被引进

滤光器仅仅让来自一个方向的光通过

奇怪的材料找到了实际应用

石墨烯允许质子渗透

强化学反应论文被撤稿

石墨烯的引力可以磁化

旧发现颠覆电池时代

纳米尺度范围的温度测量

超导记录获得突破

关于103号元素在周期表中位置的争论

II. 后信息革命（Post-information Revolution）

混合并匹配量子位

揭露神出鬼没的费米子

量子通信的飞跃

让不确定性更加确定

时光斗篷终于派上用场

利用光的灵活内存芯片

扭曲的光可以传输更多信息

组合晶体管提高了速度和效率

装置让信息实现量子跃迁

非破坏性光子检测

寻找稳定的量子位

黑客难以涉足的数据加密计划

量子计算机挑战失败

量子摄像机捕捉薛定谔猫

数字化使数学问题简单化

隐形传输向前推动两大步

光线消失后残留信息

拥挤的量子纠缠态

III. 万物理论（The Theory of Everything）

物质的核心

旋转地心

后希格斯粒子世界——理论学家的困难时期

物理常数又有了新限制

在超冷混合物中出现磁单极子类似物

被抑制的质子磁性

发现量子力学中的柴郡猫

并非真实存在的粒子

已发现其他的方法生成氧气

实验室中生成霍金辐射

马约拉纳粒子的信号出现

某些负质量粒子可能存在

碰撞可能促进了生命起源

光速并不是一成不变的

关注暗物质

组成生命的各种元素同时生成

IV. 微观操纵，量子领域的波谲云诡（Micromanipulation, Bizarrerie of Quantum World）

围绕着质量的新时钟

最热的温度是负数

原子核变成了梨形

插电激光技术获得了飞跃

光阱成就完美镜子

量子计时器

科学家将晶体扔进了一个曲面

光镊操纵仅50 纳米宽的物体

分子笼捕获稀有气体

V. 生活中的科学（Science in Life）

带电面粉的电压检测

水上行走的秘密被解决了

用涡流打结

破裂的玻璃有故事要说

回声激活的室内地图APP

隐形斗篷也可以是低科技的

茶叶之谜背后的张力

多普勒效应应用于自旋

维生素E 可以消除静电

水滴作试管

磁成像仪可以扫描单个质子

数学可以用来描述行人的某些行为

尖端现象可以解释碱式爆炸

空气污染破坏免疫能力

VI. 明日科技（Science in the Future）

用能量擦除记忆

3D 打印革命

声波悬物

激光通过将颗粒推到一起来制造镜子

将光变成死光

牵引束用声音拖动物体

藏在雾中的新型隐形斗篷

超快速3D 打印机利用黏性物质打印新物体

调控声音的新纪元

精彩书摘

撞击激发出强子对撞机内物质的古怪行为

粒子的协调运动使理论学家百思不得其解

安德鲁·格兰特

在世界最强劲的粒子加速器中，亚原子粒子会表现出古怪的行为，这也许可以引导我们对超微尺度超高能量下物质的行为有一个全新的认识。

通常，日内瓦大型强子对撞机（LHC）会使亚光速质子相互碰撞。在2012年9月的几个小时里，机器将质子撞进由82个质子和126个中子紧紧捆成一体的铅核中。这只是一项为将来实验而校准仪器的试运行。

但是当科学家用紧凑μ子线圈（CMS）分析数据后，他们很快发现有什么出了差错。当一个质子和铅核碰撞，它们会四散成更小的粒子。每片霰弹的运动本应是随机的，一个粒子的运动方向应当与其他粒子没有关系，但是，在这次对撞中，粒子的方向倾向于相互联系，甚至看起来相距甚远的粒子也在相互协调轨迹。

“这是我们在LHC中观测到的最意想不到的成果之一。”麻省理工学院暨CMS团队成员巩特尔·罗兰说道。研究团队打算将不对这个奇怪的行为做任何解释，而直接发表在最近的《物理快报B》上。但是罗兰表示其他物理学家或许可以想出一些点子。

一种可能性是高热量和高密度的撞击环境使部分物质液化了。2005年，在纽约布鲁克黑文国家实验室，物理学家用相对论重离子对撞机将金原子核轰击到一起。科学家第一次观察到了液体般的物质新相——夸克胶体等离子态。由于夸克胶体等离子体像液体一般流动，在LHC观察到的现象可能是等离子冷却时从外边缘涌出的粒子产生的。

布鲁克海文的物理学家拉朱· 温卢勾普兰（Raju Venugopalan） 和凯文·杜斯林（Kevin Dusling）提供了一个选择：粒子实际上是会相互影响对方的运动的。如果是真的，这将会是量子力学的表现。量子力学是统治超小尺寸的物理学原理。科学家提出将质子约束在一起的微小胶子粒子，在以接近光速运动时可以形成场。这种场使不同质子中的胶子可以相互作用，互相影响。本质上，温卢勾普兰和杜斯林声称，在恰当的条件下，一些粒子可以不再表现为孤立的物质碎片，而更像是一个协同一致的团队。

并不属于CMS团队的杜克大学物理学家伯恩特·米勒偏向于夸克胶体等离子体理论，因为它更简洁。他同时建议，如果理论被证实是正确的，将帮助物理学家更好地理解规律，同时诠释了在大多数极端条件下物质行为的古怪规律。物理学家希望更多地学习夸克胶体等离子体，因为他们相信，在宇宙大爆炸后的百万分之一秒内所有的物质都处于这种状态。

但是这两种解释都有漏洞。罗兰指出质子－铅核对撞应该不足以产生夸克胶体等离子体那样的极端条件。而温卢勾普兰和杜斯林的预测则仅仅在理论是可能的，从未被实验证实。

或许可以快速地找到谜团的解决方案。2013年1月，LHC再次用质子轰击铅核。这次，实验将持续数周，应该可以为团队提供足足超过十万次的数据， 来决定谁的解释站得住脚。

前言/序言

序言

2012年7月，研究者们宣布发现了希格斯玻色子。人们普遍认为这是数十年来物理学界最重大的发现之一。人们彻夜不眠地排队参加欧洲物理实验室的研讨会，这场研讨会由位于日内瓦郊外的欧洲核子研究委员会主办，全世界有超过50万人观看了网络直播。在《科学新闻》杂志的一篇文章里，玻色子被比喻成亚瑟王的圣杯、德莱昂的不老泉和亚哈船长的白鲸。玻色子在1964年被首次提出，它被认为是标准模型的最后一块拼图。标准模型是物理学家提出的组成宇宙的粒子及其相互作用方式的最佳描述。为了找到玻色子，物理学家们已经等待了近半个世纪。

但是，对于物质本质理解的研究则要追溯到很久以前。古希腊人拥有自己的经典元素理论：土、水、空气和火。17世纪，艾萨克·牛顿将物质描述为“结实、厚重、坚硬、坚不可摧且可以移动的颗粒”。19世纪，在德米特里·门捷列夫编纂的元素周期表中，化学元素（钠、铜、锌等）依照它们的元素质量被分门归类，元素物理属性的周期性因此被揭示。这项理论是如此成功，以至于我们至今依然在使用它。

现代物质科学始于英国物理学家约瑟夫·汤姆孙，他于1897年发现了电子。汤姆孙证明了比原子更小的粒子的存在。一场精彩纷呈的亚原子粒子捕猎由此拉开了帷幕。

多亏了20世纪的理论和实验工作的积累，其中包括揭示玻色子的高能粒子撞击，研究者们现在比汤姆孙时代知道的更多了。始于20世纪20年代的量子革命从根本上改变了我们对微观世界如何运转的理解。例如，光既是粒子也是波，就如同“鬼魅般的超作用”一样纠缠在一起。量子力学为标准模型的发展奠定了基础，其中包括：汤姆孙的电子，组成质子和中子的夸克，能够变换属性的中微子，以及其他基本亚原子粒子。光和其他“力携带者”是标准模型的介质，力在形形色色的粒子间来回传递。

关于什么是物质以及物质有怎样的行为还存在很多疑问。例如，暗物质和暗能量就仍然是个谜，它们约占据宇宙物质能量的95%。一些超对称理论提出，标准模型的每一个粒子都有一个还未被发现的伙伴。目前还没有一个明确的方法可以调和统治超微世界的理论（量子力学）和统治宏观尺度物质的理论（重力）。虽然所有谜团并未破解，但这并不能阻止研究者们操纵物质来发展新技术的脚步。

人类是加工自然物质的专家。从早期石器到罗马水渠，再到硅晶时代，我们已经通过自己对物质的理解，创造出了新奇的材料，广泛地利用能量，推动了人类文明的进步。过去几年里，人类取得了重大进步，聚变能、量子计算机、量子通信和超材料斗篷成为物质科学的新里程碑。

随着科学家们对物质的深入研究，人类将有更多操纵和创造物质的可能性。

美国《科学新闻》杂志社（Science News）

2016 年10月

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