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人類是加工自然物質的專傢。從早期石器到羅馬水渠，再到矽晶時代，我們已經通過自己對物質的理解，創造齣新奇的材料，廣泛地利用能量，推動瞭人類文明的進步。過去幾年裏，人類取得瞭重大進步，聚變能、量子計算機、量子通信和超材料鬥篷成為物質科學的新裏程碑。探索物質與能量的前沿科學；這是一場精彩紛呈的對物質核心的探索，且這場探索永無止境。

海報：

內容簡介

《物質與能量（全彩）》內容簡介：電子工業齣版社與美國科學與公眾協會（The Society for Science & the Public）及其齣版的《科學新聞》雜誌（Science News）傾力閤作，陸續推齣《科學新探索》叢書，《地球與環境》正是該叢書的第五本書。本書介紹瞭人類對物質和物質有怎樣的行為孜孜不倦的探索，以及對物質本質永無止境的研究，這再一次證明，人類是加工自然物質的專傢。 《物質與能量》一書的文章均選自近幾年《科學新聞》雜誌中尤為精彩、受讀者歡迎且值得閱讀的文章。《科學新聞》雜誌是美國專業、全麵、及時的科學新聞來源之一。

作者簡介

美國《科學新聞》雜誌（Science News）由非營利機構美國科學與公眾協會（The Society for Science & the Public）齣版，齣版地為華盛頓特區。紙質版《科學新聞》雜誌（Science News）為雙周刊，同時開通瞭每日更新的新聞網站 (www.ScienceNews.org)。紙質版《科學新聞》雜誌擁有超過9.3萬的付費訂閱者，網站年獨立訪問量高達1200萬。此外，《科學新聞》雜誌在社交媒體上也十分活躍，擁有220萬臉譜網粉絲和150萬推特粉絲。《科學新聞》雜誌已有94年的曆史，一直緻力於為公眾提供值得信賴的科學信息。1922年，報紙齣版人愛德華·W. 斯剋裏普斯（Edward W. Scripps）創辦瞭《科學新聞》雜誌，最初名為Science News-letter，這是美國第一份旨在為公眾提供客觀嚴謹的科學新聞的齣版物。如今，《科學新聞》雜誌的使命依然沒有改變，始終以“傳播育人”為己任，繼續將各個科學領域的重要發現傳遞給公眾。《科學新聞》雜誌由優秀的團隊撰寫、編輯和設計，麵嚮科學愛好者、希望更深瞭解前沿科學成果的學者，以及時刻關注其他領域發展的科學傢。

內頁插圖

精彩書評

“隨著科學傢們對物質的深入研究，人類將有更多操縱和創造物質的可能性。”——美國《科學新聞》雜誌社（Science News）

目錄

I. 化學的藝術（The Art of Chemistry）

發現氫元素新相

遇見鈇和鉝

勘探準晶

撞擊激發齣強子對撞機內物質的古怪行為

點火失敗

刻蝕的玻璃讓光綫拐彎

迴彈之際

細菌電池獲得瞭堅實的發展

以蜻蜓翅膀為靈感的材料可以使細菌爆裂

奇特的鹽類動搖瞭化學理論的根基

為點火采取的措施

生物能

石墨烯類似物被引進

濾光器僅僅讓來自一個方嚮的光通過

奇怪的材料找到瞭實際應用

石墨烯允許質子滲透

強化學反應論文被撤稿

石墨烯的引力可以磁化

舊發現顛覆電池時代

納米尺度範圍的溫度測量

超導記錄獲得突破

關於103號元素在周期錶中位置的爭論

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

混閤並匹配量子位

揭露神齣鬼沒的費米子

量子通信的飛躍

讓不確定性更加確定

時光鬥篷終於派上用場

利用光的靈活內存芯片

扭麯的光可以傳輸更多信息

組閤晶體管提高瞭速度和效率

裝置讓信息實現量子躍遷

非破壞性光子檢測

尋找穩定的量子位

黑客難以涉足的數據加密計劃

量子計算機挑戰失敗

量子攝像機捕捉薛定諤貓

數字化使數學問題簡單化

隱形傳輸嚮前推動兩大步

光綫消失後殘留信息

擁擠的量子糾纏態

III. 萬物理論（The Theory of Everything）

物質的核心

鏇轉地心

後希格斯粒子世界——理論學傢的睏難時期

物理常數又有瞭新限製

在超冷混閤物中齣現磁單極子類似物

被抑製的質子磁性

發現量子力學中的柴郡貓

並非真實存在的粒子

已發現其他的方法生成氧氣

實驗室中生成霍金輻射

馬約拉納粒子的信號齣現

某些負質量粒子可能存在

碰撞可能促進瞭生命起源

光速並不是一成不變的

關注暗物質

組成生命的各種元素同時生成

IV. 微觀操縱，量子領域的波譎雲詭（Micromanipulation, Bizarrerie of Quantum World）

圍繞著質量的新時鍾

最熱的溫度是負數

原子核變成瞭梨形

插電激光技術獲得瞭飛躍

光阱成就完美鏡子

量子計時器

科學傢將晶體扔進瞭一個麯麵

光鑷操縱僅50 納米寬的物體

分子籠捕獲稀有氣體

V. 生活中的科學（Science in Life）

帶電麵粉的電壓檢測

水上行走的秘密被解決瞭

用渦流打結

破裂的玻璃有故事要說

迴聲激活的室內地圖APP

隱形鬥篷也可以是低科技的

茶葉之謎背後的張力

多普勒效應應用於自鏇

維生素E 可以消除靜電

水滴作試管

磁成像儀可以掃描單個質子

數學可以用來描述行人的某些行為

尖端現象可以解釋堿式爆炸

空氣汙染破壞免疫能力

VI. 明日科技（Science in the Future）

用能量擦除記憶

3D 打印革命

聲波懸物

激光通過將顆粒推到一起來製造鏡子

將光變成死光

牽引束用聲音拖動物體

藏在霧中的新型隱形鬥篷

超快速3D 打印機利用黏性物質打印新物體

調控聲音的新紀元

精彩書摘

撞擊激發齣強子對撞機內物質的古怪行為

粒子的協調運動使理論學傢百思不得其解

安德魯·格蘭特

在世界最強勁的粒子加速器中，亞原子粒子會錶現齣古怪的行為，這也許可以引導我們對超微尺度超高能量下物質的行為有一個全新的認識。

通常，日內瓦大型強子對撞機（LHC）會使亞光速質子相互碰撞。在2012年9月的幾個小時裏，機器將質子撞進由82個質子和126個中子緊緊捆成一體的鉛核中。這隻是一項為將來實驗而校準儀器的試運行。

但是當科學傢用緊湊μ子綫圈（CMS）分析數據後，他們很快發現有什麼齣瞭差錯。當一個質子和鉛核碰撞，它們會四散成更小的粒子。每片霰彈的運動本應是隨機的，一個粒子的運動方嚮應當與其他粒子沒有關係，但是，在這次對撞中，粒子的方嚮傾嚮於相互聯係，甚至看起來相距甚遠的粒子也在相互協調軌跡。

“這是我們在LHC中觀測到的最意想不到的成果之一。”麻省理工學院暨CMS團隊成員鞏特爾·羅蘭說道。研究團隊打算將不對這個奇怪的行為做任何解釋，而直接發錶在最近的《物理快報B》上。但是羅蘭錶示其他物理學傢或許可以想齣一些點子。

一種可能性是高熱量和高密度的撞擊環境使部分物質液化瞭。2005年，在紐約布魯剋黑文國傢實驗室，物理學傢用相對論重離子對撞機將金原子核轟擊到一起。科學傢第一次觀察到瞭液體般的物質新相——誇剋膠體等離子態。由於誇剋膠體等離子體像液體一般流動，在LHC觀察到的現象可能是等離子冷卻時從外邊緣湧齣的粒子産生的。

布魯剋海文的物理學傢拉硃· 溫盧勾普蘭（Raju Venugopalan） 和凱文·杜斯林（Kevin Dusling）提供瞭一個選擇：粒子實際上是會相互影響對方的運動的。如果是真的，這將會是量子力學的錶現。量子力學是統治超小尺寸的物理學原理。科學傢提齣將質子約束在一起的微小膠子粒子，在以接近光速運動時可以形成場。這種場使不同質子中的膠子可以相互作用，互相影響。本質上，溫盧勾普蘭和杜斯林聲稱，在恰當的條件下，一些粒子可以不再錶現為孤立的物質碎片，而更像是一個協同一緻的團隊。

並不屬於CMS團隊的杜剋大學物理學傢伯恩特·米勒偏嚮於誇剋膠體等離子體理論，因為它更簡潔。他同時建議，如果理論被證實是正確的，將幫助物理學傢更好地理解規律，同時詮釋瞭在大多數極端條件下物質行為的古怪規律。物理學傢希望更多地學習誇剋膠體等離子體，因為他們相信，在宇宙大爆炸後的百萬分之一秒內所有的物質都處於這種狀態。

但是這兩種解釋都有漏洞。羅蘭指齣質子－鉛核對撞應該不足以産生誇剋膠體等離子體那樣的極端條件。而溫盧勾普蘭和杜斯林的預測則僅僅在理論是可能的，從未被實驗證實。

或許可以快速地找到謎團的解決方案。2013年1月，LHC再次用質子轟擊鉛核。這次，實驗將持續數周，應該可以為團隊提供足足超過十萬次的數據， 來決定誰的解釋站得住腳。

前言/序言

序言

2012年7月，研究者們宣布發現瞭希格斯玻色子。人們普遍認為這是數十年來物理學界最重大的發現之一。人們徹夜不眠地排隊參加歐洲物理實驗室的研討會，這場研討會由位於日內瓦郊外的歐洲核子研究委員會主辦，全世界有超過50萬人觀看瞭網絡直播。在《科學新聞》雜誌的一篇文章裏，玻色子被比喻成亞瑟王的聖杯、德萊昂的不老泉和亞哈船長的白鯨。玻色子在1964年被首次提齣，它被認為是標準模型的最後一塊拼圖。標準模型是物理學傢提齣的組成宇宙的粒子及其相互作用方式的最佳描述。為瞭找到玻色子，物理學傢們已經等待瞭近半個世紀。

但是，對於物質本質理解的研究則要追溯到很久以前。古希臘人擁有自己的經典元素理論：土、水、空氣和火。17世紀，艾薩剋·牛頓將物質描述為“結實、厚重、堅硬、堅不可摧且可以移動的顆粒”。19世紀，在德米特裏·門捷列夫編纂的元素周期錶中，化學元素（鈉、銅、鋅等）依照它們的元素質量被分門歸類，元素物理屬性的周期性因此被揭示。這項理論是如此成功，以至於我們至今依然在使用它。

現代物質科學始於英國物理學傢約瑟夫·湯姆孫，他於1897年發現瞭電子。湯姆孫證明瞭比原子更小的粒子的存在。一場精彩紛呈的亞原子粒子捕獵由此拉開瞭帷幕。

多虧瞭20世紀的理論和實驗工作的積纍，其中包括揭示玻色子的高能粒子撞擊，研究者們現在比湯姆孫時代知道的更多瞭。始於20世紀20年代的量子革命從根本上改變瞭我們對微觀世界如何運轉的理解。例如，光既是粒子也是波，就如同“鬼魅般的超作用”一樣糾纏在一起。量子力學為標準模型的發展奠定瞭基礎，其中包括：湯姆孫的電子，組成質子和中子的誇剋，能夠變換屬性的中微子，以及其他基本亞原子粒子。光和其他“力攜帶者”是標準模型的介質，力在形形色色的粒子間來迴傳遞。

關於什麼是物質以及物質有怎樣的行為還存在很多疑問。例如，暗物質和暗能量就仍然是個謎，它們約占據宇宙物質能量的95%。一些超對稱理論提齣，標準模型的每一個粒子都有一個還未被發現的夥伴。目前還沒有一個明確的方法可以調和統治超微世界的理論（量子力學）和統治宏觀尺度物質的理論（重力）。雖然所有謎團並未破解，但這並不能阻止研究者們操縱物質來發展新技術的腳步。

人類是加工自然物質的專傢。從早期石器到羅馬水渠，再到矽晶時代，我們已經通過自己對物質的理解，創造齣瞭新奇的材料，廣泛地利用能量，推動瞭人類文明的進步。過去幾年裏，人類取得瞭重大進步，聚變能、量子計算機、量子通信和超材料鬥篷成為物質科學的新裏程碑。

隨著科學傢們對物質的深入研究，人類將有更多操縱和創造物質的可能性。

美國《科學新聞》雜誌社（Science News）

2016 年10月

大自然如何孕育的生命，生命又是如何進化的，越想越神奇

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