凱爾·柯克蘭德博士所著的《粒子與宇宙》評述了艾薩克·牛頓爵士以及與他同時代的物理學家的定律和理論如何通過研究和實驗而演化成了“現代”物理學。本書論及的那些觀察、理論及其檢驗極大地推動了人類先前未曾涉足的宇宙新領域的科學知識發展。
本書包括40多幅黑白照片和插圖，附錄化學元素周期表和化學元素表。

世界上最小的粒子是什麼？浩瀚的宇宙又蘊藏著什麼樣的奧秘？翻開 凱爾·柯克蘭德博士所著的《粒子與宇宙》這本書，你就開始了一段穿越 時空的旅行。你可以到粒子動物園去看看誇克是什麼樣子，也可以乘上宇 宙飛船到蒼茫的太空中去捕捉來自天外的信號，你還可以扇動著想像的翅 膀回到時間的起點去一睹大爆炸的悲壯，或者飛向未來去看看數十億年之 後的宇宙將會怎樣。一個小小的原子何以能毀滅地球？光是波還是粒子？ 所有的物質都是由什麼構成的？我們能回到過去嗎？宇宙從哪裡來又將到 哪裡去？所有這些已知的、未知的世界之謎都等待著你去探索。《粒子與 宇宙》一書分5章介紹了核物理、量子理論、粒子物理、相對論和宇宙學的 有關知識，深入淺出地為我們再現了知識發現的過程，並介紹了這些知識 的當前或者潛在應用。這本書集科學性與趣味性於一身，從微觀到宏觀， 從過去到未來，既傳遞信息，又啟發思考。經典物理學讓位於現代物理學 是科學發展的必然結果，然而，關於世界的奧秘，我們要去探索的還有很 多很多……

前言
鳴謝
簡介
1 核物理：輻射、**和反應堆
原子核
輻射
原**
E=mc2
核能
核醫療學
核動力宇宙飛船
聚變：未來的核能
2 量子力學
微小粒子的力與運動
波粒二像性
電子顯微鏡
知識的限度
量子計算機
傳送“我”：量子隱形傳送
3 粒子物理學
粒子加速器
回旋加速器——R約去R
所有物質是由什麼構成的
反物質
物質一反物質湮滅
用反物質給人體照相
用反物質推進宇宙飛船
標準模型：基本粒子及其相互作用
4 相對論
阿爾伯特·愛因斯坦的假設
邁克爾遜一莫雷實驗
時間膨脹和長度收縮
狹義相對論的方程式
雙生子悖論
引力和廣義相對論
黑洞
5 宇宙學
宇宙大**
超新星、脈衝星和類星體
萬物的理論
宇宙的命運
結語
元素周期表
化學元素表
譯者感言

然而，輻射的電離作用也有好處。在醫學上的某些情況下，醫生希望 病人體內的某些細胞死亡。其中一種情況就是針對癌癥的治療。
癌癥有多種不同形式，並且可以攻擊人體許多不同的器官和繫統，但 所有癌癥有一個共同特征：它們都是沒有控制的生長。生長對生命來說是 必要的，對於幼小的尚需發展成熟的有機體來說尤其如此。生長對於成熟 的個體來說也是必要的，因為機體的細胞和組織需要不斷地得到*新。舉 例來說，人體內的紅血球壽命很短，每個人**平均要死亡約10億個紅血 球。人體的紅血球通過細胞分裂過程來得到補充——細胞長大然後一分為 二，實現自我復制。細胞分裂是有機體生長、維持和修復組織及器，官的 正常途徑。
所有這些細胞分裂都應該得到很好的控制和協調，隻有這樣，機體纔 會在需要的時間，在合適的地點生產出適當數量的細胞。當一群細胞或者 單一一個細胞開始無休止地分裂時，癌癥就慢慢形成了。細胞內部存在一 些機制可以防止經常發生這種形式的細胞分裂，那些不聽使喚地自我復制 的細胞大多數都會死去。所以，很少有細胞能擺脫這些限制而沒有控制地 自我復制。如果有的話，這個細胞很有可能遭受了一繫列基因突變，這些 基因突變組合在一起讓這個細胞得以繞過種種限制，這種事情發生的幾率 **小。很不幸的是，像其他遺傳因素一樣，基因突變也是可以遺傳的。
細胞分裂過程需要復制細胞的DNA，生成的兩個姐妹細胞都得到一份**相 同的DNA。對於一個癌細胞來說，這意味著突變被傳遞給了子細胞，這樣， 子細胞又可以沒有控制地進行細胞分裂。像腫瘤這樣的人體不需要的組織 就是這樣形成的。
在美國，癌癥是導致人體死亡的第二大殺手。幾十年前，癌癥是如此 可怕，以至於它的名字都不能被提起。**，癌癥仍然**可怕，但由於 醫療技術的改進，癌癥病人已經有了存活的可能。治療癌癥需要殺死或者 移除人體內的癌細胞，同時要盡量避免對正常組織造成損傷。殺死癌細胞 的一種方法就是使用放射線。
大約一半的癌癥病人接受了各種形式的放射治療，或者單獨使用，或 者和其他醫療程序結合起來使用。通常，用於治療的射線束來源於高能粒 子和電磁輻射。在有些情況下，射線束隻應用於機體表面，但*多時候需 要在機體內部進行治療。放射治療對大部分固態腫瘤(異常生長的腫塊)都 有效，包括腦部、胃、肺和其他器官的普通癌癥。治療所需的射線劑量取 決於癌癥的種類、位置和病程等許多因素。對癌癥及早作出診斷總是*好 的；某些類型的癌癥能夠擴散至全身，如果發展到晚期，治療起來就** 困難了。
這些醫療程序中使用的某些射線並不是來自放射源。在醫療中應用得 很普遍的X射線和γ射線通常是通過粒子加速器發射出來的，電子、質子和 中子這些粒子本身也是由加速器產生的(本書的第三章將討論到粒子加速器 )。然而，很多治療采用了鈷60，這是一種半衰期略長於5年的放射性同位 素。鈷60是一種優良的7射線源，而且通過用中子轟擊自然鈷(沒有放射性) 可以容易地得到大量的鈷60。盡管鈷60治療會產生一些放射性垃圾(像其他 核燃料一樣，這種同位素在發揮醫療用途之後還具有放射性)，但對於沒有 加速器可用的醫院和診所來說，它還算一個相對便宜的選擇。
放射治療的目標是殺死癌細胞而不影響正常的細胞。但不管放射束的 來源和性質怎樣，它都不可能如醫生所期望的那麼精準。不可避免地，有 一些健康的組織要受到損傷，但隻要不是特別嚴重，大多數細胞都能通過 某些機制來修復由射線造成的損傷。對病人來說，**幸運的是，癌細胞 的這些修復機制一般都不完善，所以它們*容易向射線屈服。然而，放射 治療總會帶來一定量的副作用或者間接損傷。這些無意的損傷通常發生在 由頻繁分裂的細胞(和癌細胞不同的是，其生長和分裂仍處於控制之中)所 組成的組織上面。常見的例子有毛囊細胞和血液、皮膚及腸中的細胞。這 就解釋了為什麼放射治療中經常出現脫發和惡心等副作用。
核醫療學這個術語有時僅僅局限於將某種放射性物質注射人人體內， 而不包括在各種放射治療中對外部放射源的使用。注射無疑是*直接的利 用核活動來進行醫療的方法，但正如上面談到的那樣，放射性同位素即使 在體外，也可以應用到各種醫療情境中發揮多種不同功效。
放射性同位素一旦被注射到體內，就能在疾病診斷(確定哪裡出了問題 )和治療中發揮作用。診斷通常采用很少量的同位素，以避免輻射過多造成 危害。治療則采用*大的劑量，通常是企圖殺死癌細胞。
醫生在診斷某種疾病時經常需要對受感染的組織做仔細的檢查。對於 位於皮下的組織來說，要麼進行手術，要麼使用X光機或磁共振成像技術 (MRI)來對組織攝像。X光機很適於對骨組織成像，但對軟組織卻不怎麼有 效。MRI，後面將會簡略地介紹到，能提供許多器官的高質量圖像，但有些 時候，注入到體內的放射性同位素會有*好的效果。這些同位素一般被注 射到靜脈中，往往可以定位到機體的特定部位。醫生使用專門的檢測器來 捕獲由這些同位素發放的射線，從而對內部組織進行測量甚至得到它們的 圖像。這些同位素*終被機體的正常代謝過程慢慢消耗掉。
一個很常見的粒子就是甲狀腺疾病的診斷和治療。甲狀腺是位於頸部 的一個腺體，它分泌的激素對機體的生長和代謝有著重要作用。碘是甲狀 腺正常發揮功能所必需的一種元素，它會聚集在腺體內。醫生巧妙地利用 了這個特點，他們把碘131等放射性同位素注入到體內，這些同位素會聚集 到甲狀腺中。有的時候也使用其他同位素。锝的同位素在各種核醫療中經 常使用到。這是核醫療學中*古老的程序之一，20世紀50年代，當醫生們 還在學習放射的原理時就開發出了這個程序。這樣的測試能夠提供甲狀腺 不同部分的形狀和活動等方面的信息。在治療甲狀腺癌時，則需要增加放 射劑量。
放射性示蹤劑在醫療實踐和科學研究中都應用得很廣泛。本章的開篇 部分介紹了赫維西所做的一個早期實驗，後來發展出了越來越多的利用放 射性標記和追蹤各種物質的方法。一個常見的例子就是正電子發射斷層攝 影術(PET)，某些同位素在衰變時會發射出一個叫做正電子的粒子，PET技 術就是利用這個原理來成像的。
MRI是對機體內部成像的另一種技術。MRI名字中表明的磁學特性來源 於氫原子核，核物理對MRI技術很關鍵。這項技術原來的名字叫做核磁共振 ，後來“核”字從名字中消失了，部分原因是醫務人員擔心病人會把這項 技術和輻射聯繫起來。MRI技術通過引入一個強磁場來排列機體內的氫原子 ，引入磁場的強度比地球本身的磁場強了約4萬倍(所謂的場，就是力發生 作用的空間區域。磁場就是磁力發生作用的區域)。氫原子核是一個質子， 其行為表現有點像一根細小的條形磁鐵。當病人處於磁場中時，體內的氫 原子就會朝向一定的方向。低頻的電磁輻射(無線電波)被用來定位體內的 質子。MRI機器由此生成一張有關病人體內質子即氫原子核分布的地圖。
為什麼氫如此重要呢？人體重量的大約65％是水，而每個水分子(H2O) 都包含兩個氫原子。通過研究MRI信號的分布，醫生通常能判斷機體軟組織 (含水的組織)的健康狀況。舉例來說，腦部腫瘤的MRI影像可能會比正常腦 組織*亮或*暗(取決於腫瘤本身以及MRI掃描的類型)而且可能會有不同的 紋理。
核動力宇宙飛船 人們已經從原子核中獲得了**、電能和醫療方法。現在，人們希望 這個微小的能源庫可以把宇航員帶往其他星球。
把核能應用於運輸已經不是一件新鮮的事情。世界上**艘核動力潛 艇，美國軍艦“鸚鵡螺”號於1955年下水。1958年，這艘艦艇在北極冰帽 下進行了一次歷史性的航行，這在美國海軍核潛艇中尚屬**。一些現代 化的水面船艦也配備了依靠核反應堆來工作的發動機。
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