前言

這是一本以學生、一般大眾為預設讀者的基本粒子物理學解說書。

基本粒子是構成這個世界的最根本粒子。自古以來，人們就在爭論這個世界有哪些基本粒子，或者基本粒子到底存不存在。到了近代科學崛起的十八世紀，這樣的爭論仍持續著。現在的我們都同意原子的存在，且原子的結構為「原子核＋電子」。然而科學界是在二十世紀初才確立了這個事實。

在這之後，相關領域有了飛躍性的發展。愛因斯坦發表了光量子假說（1905）、量子力學誕生（1925、1926）、湯川秀樹發表介子論（1934）、夸克模型誕生（1964）、電弱統一理論誕生（1967），各種粒子陸續被發現後，科學家們發現了希格斯粒子（2012）。這一百年間，可以說是基本粒子物理學的黃金時代。

這是一本基本粒子物理學的解說書，同時也是其歷史的解說書。我會在極力避免寫出數學式的情況下，盡可能地描述前因後果。所以說，本文中常會出現各粒子的質量（重量）等數值。從這個角度來看，本書也可以說是一本教科書般的書籍。希望各位能在閱讀本書、動腦思考的過程中，明白到書中提到的原理。

在發現希格斯粒子，也就是二十世紀之後，終於確立了基本粒子的標準理論，但這只是一個里程碑，並不代表結束。本書會在最終章說明未來還需要解決那些問題。不過基本上，我們不會提到那些第一線的科學家們打算如何解決最新的問題。另一方面，本書也會簡單說明近代科學的物質觀點在二十世紀以前的發展。希望您能藉此感受到基本粒子物理學在人類發展的學問中，有什麼樣的定位。

十分感謝爽快答應出版本書的Beret出版社，以及負責編輯的坂東一郎先生。在我執筆本書的現在（2020年年初），世界正陷入前所未有的嚴重事態。期望基本粒子物理學界、出版業界，包括日本在內的全體人類社會，都能度過這次危機，繼續發展茁壯。

2020年8月

和田純夫

前言

這是一本以學生、一般大眾為預設讀者的基本粒子物理學解說書。

基本粒子是構成這個世界的最根本粒子。自古以來，人們就在爭論這個世界有哪些基本粒子，或者基本粒子到底存不存在。到了近代科學崛起的十八世紀，這樣的爭論仍持續著。現在的我們都同意原子的存在，且原子的結構為「原子核＋電子」。然而科學界是在二十世紀初才確立了這個事實。

在這之後，相關領域有了飛躍性的發展。愛因斯坦發表了光量子假說（1905）、量子力學誕生（1925、1926）、湯川秀樹發表介子論（1934）、夸克模型誕生（1964）、電弱統一理論誕生（1967），...

第1章 從原子到基本粒子
「物質皆由原子組成」
原子核與電子
質子與中子
從核子到夸克
其他基本粒子
粒子專欄 第1章中登場的粒子名稱

第2章 近代科學的確立Ⅰ——牛頓與萬有引力
近代科學的成就（整理）
地動說帶來的觀念轉換
牛頓力學

第3章 近代科學的確立Ⅱ——元素與原子／熱是什麼？
元素
原子論與反原子論
電子與原子核的發現
熱與能量
粒子專欄 熱力學第二定律（熵不減少定律）

第4章 光的歷史Ⅰ——光是波
光是粒子還是波？
光的干涉
波長與顏色
光是什麼東西的波？
粒子專欄 光的三原色、色的三原色

第5章 光的歷史Ⅱ——光是粒子
空腔輻射之謎
愛因斯坦的答案
普朗克與普朗克常數h
粒子專欄 愛因斯坦的三大奇蹟成就
光電效應
其他能證實光量子假說的現象
光子是波？
粒子專欄 如何解釋新的粒子樣貌（量子力學）

第6章 新的物理學——量子力學
新的粒子樣貌的兩個特徵
原子結構的兩個疑問
波耳的量子條件
德布羅意的物質波假說
夾在牆壁間的情況
薛丁格方程式
粒子專欄 使用電子的現代版楊格實驗
包立不相容原理與自旋
粒子專欄 電子殼層（electron shell）

第7章 粒子的生成與消滅／靜止能量
光子的生成、消滅
反粒子
靜止能量
光子的質量是多少？
能量守恆定律與動量守恆定律
虛擬狀態與實際狀態

第8章 基本粒子物理學的誕生——湯川的介子論
力的新觀點
原子核內的力
核力
湯川的介子論
π介子的發現
粒子專欄 湯川理論與日本
強子

第9章 弱交互作用
關於原子核的另一個疑問
β衰變與微中子
弱交互作用的頂點
微中子的發現與W玻色子的問題
為什麼一般的原子核不會發生β衰變
太陽光的由來
粒子專欄 人本原理

第10章 從核子到夸克
什麼是基本粒子？
暗示核子與介子是複合粒子的各個事實
夸克模型
夸克模型的問題
粒子專欄 「夸克」是鳥叫聲？
粒子專欄 nuclear democracy（核民主主義）

第11章 量子色動力學
夸克模型的另一個問題
加了「色」的夸克模型
反夸克與介子的色
規範場論
漸近自由性
關於量子色動力學
證明色的存在（有三種色）的實驗性「證據」

第12章 新粒子的發現
故事還沒完！
μ與νμ
奇夸克（s）
魅夸克（c）
τ與ντ
底夸克（b）
頂夸克（t）

第13章 電弱統一理論
電弱統一理論（溫伯格-薩拉姆理論）的誕生
希格斯場與希格斯粒子
溫伯格-薩拉姆理論
Z玻色子產生的現象
W玻色子、Z玻色子的發現
希格斯粒子的發現
粒子專欄 世界各大加速器

第14章 世代間混合／微中子振盪
電弱統一理論的「附註」
世代混合
小林、益川的論述
驗證CP對稱性的破缺
輕子的情況
微中子振盪的檢出

第15章 未來展望
大統一與質子衰變
階層問題與超對稱性
暗物質與真空能量
重力與超弦理論

補章1 兩個相對論
特殊相對論
一般相對論

補章2 宇宙的物質史——膨脹宇宙與元素合成
宇宙膨脹說
從暴脹到大爆炸
從基本粒子到原子
天體的形成
各種天體的一生與元素合成

年表
標準理論的粒子與交互作用
粒子表
索引

第1章 從原子到基本粒子
「物質皆由原子組成」
原子核與電子
質子與中子
從核子到夸克
其他基本粒子
粒子專欄 第1章中登場的粒子名稱

第2章 近代科學的確立Ⅰ——牛頓與萬有引力
近代科學的成就（整理）
地動說帶來的觀念轉換
牛頓力學

第3章 近代科學的確立Ⅱ——元素與原子／熱是什麼？
元素
原子論與反原子論
電子與原子核的發現
熱與能量
粒子專欄 熱力學第二定律（熵不減少定律）

第4章 光的歷史Ⅰ——光是波
光是粒子還是波？
光的干涉
波長與顏色
光是什麼東西的波？
粒子專欄 光的三原色、色的三原色...