世界上最小的粒子是什么？浩瀚的宇宙又蘊藏著什么樣的奧秘？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夸克是什么樣子，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，你還可以扇動著想象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(shù)十億年之后的宇宙將會怎樣。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(zhì)都是由什么構(gòu)成的？我們能回到過去嗎？宇宙從哪里來又將到哪里去？所有這些已知的、未知的世界之謎都等待著你去探索�！读Ｗ优c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(xué)的有關(guān)知識，深入淺出地為我們再現(xiàn)了知識發(fā)現(xiàn)的過程，并介紹了這些知識的當(dāng)前或者潛在應(yīng)用。這本書集科學(xué)性與趣味性于一身，從微觀到宏觀，從過去到未來，既傳遞信息，又啟發(fā)思考。經(jīng)典物理學(xué)讓位于現(xiàn)代物理學(xué)是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，然而，關(guān)于世界的奧秘，我們要去探索的還有很多很多……
作者簡介：
凱爾·柯克蘭德博士(KyleKirkland)，1998年在賓夕法尼亞大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位，主要研究方向是視覺系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他的跨學(xué)科背景和興趣促使他發(fā)表了關(guān)于科學(xué)的歷史以及科學(xué)在當(dāng)前和未來對社會的影響等多篇文章。凱爾·柯克蘭德同時也是FsctsonFile出版公司出版的“科學(xué)與技術(shù)焦點”叢書中的《光學(xué)》一書的作者之一。
目錄：
前言
鳴謝
簡介
1核物理：輻射、武器和反應(yīng)堆
原子核
輻射
原子彈
E=mc2
核能
核醫(yī)療學(xué)
核動力宇宙飛船
聚變：未來的核能
2量子力學(xué)
微小粒子的力與運動
波粒二象性前言
鳴謝
簡介
1 核物理：輻射、武器和反應(yīng)堆
原子核
輻射
原子彈
E=mc2
核能
核醫(yī)療學(xué)
核動力宇宙飛船
聚變：未來的核能
2 量子力學(xué)
微小粒子的力與運動
波粒二象性
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(xué)
粒子加速器
回旋加速器——R約去R
所有物質(zhì)是由什么構(gòu)成的
反物質(zhì)
物質(zhì)一反物質(zhì)湮滅
用反物質(zhì)給人體照相
用反物質(zhì)推進(jìn)宇宙飛船
標(biāo)準(zhǔn)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(shè)
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(xué)
宇宙大爆炸
超新星、脈沖星和類星體
萬物的理論
宇宙的命運
結(jié)語
元素周期表
化學(xué)元素表
譯者感言 然而，輻射的電離作用也有好處。在醫(yī)學(xué)上的某些情況下，醫(yī)生希望病人體內(nèi)的某些細(xì)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，并且可以攻擊人體許多不同的器官和系統(tǒng)，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，對于幼小的尚需發(fā)展成熟的有機體來說尤其如此。生長對于成熟的個體來說也是必要的，因為機體的細(xì)胞和組織需要不斷地得到更新。舉例來說，人體內(nèi)的紅血球壽命很短，每個人一天平均要死亡約10億個紅血球。人體的紅血球通過細(xì)胞分裂過程來得到補充——細(xì)胞長大然后一分為二，實現(xiàn)自我復(fù)制。細(xì)胞分裂是有機體生長、維持和修復(fù)組織及器，官的正常途徑。
所有這些細(xì)胞分裂都應(yīng)該得到很好的控制和協(xié)調(diào)，只有這樣，機體才會在需要的時間，在合適的地點生產(chǎn)出適當(dāng)數(shù)量的細(xì)胞。當(dāng)一群細(xì)胞或者單一一個細(xì)胞開始無休止地分裂時，癌癥就慢慢形成了。細(xì)胞內(nèi)部存在一些機制可以防止經(jīng)常發(fā)生這種形式的細(xì)胞分裂，那些不聽使喚地自我復(fù)制的細(xì)胞大多數(shù)都會死去。所以，很少有細(xì)胞能擺脫這些限制而沒有控制地自我復(fù)制。如果有的話，這個細(xì)胞很有可能遭受了一系列基因突變，這些基因突變組合在一起讓這個細(xì)胞得以繞過種種限制，這種事情發(fā)生的幾率非常小。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(xì)胞分裂過程需要復(fù)制細(xì)胞的DNA，生成的兩個姐妹細(xì)胞都得到一份完全相同的DNA。對于一個癌細(xì)胞來說，這意味著突變被傳遞給了子細(xì)胞，這樣，子細(xì)胞又可以沒有控制地進(jìn)行細(xì)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(dǎo)致人體死亡的第二大殺手。幾十年前，癌癥是如此可怕，以至于它的名字都不能被提起。今天，癌癥仍然非�？膳拢捎卺t(yī)療技術(shù)的改進(jìn)，癌癥病人已經(jīng)有了存活的可能。治療癌癥需要殺死或者移除人體內(nèi)的癌細(xì)胞，同時要盡量避免對正常組織造成損傷。殺死癌細(xì)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(yī)療程序結(jié)合起來使用。通常，用于治療的射線束來源于高能粒子和電磁輻射。在有些情況下，射線束只應(yīng)用于機體表面，但更多時候需要在機體內(nèi)部進(jìn)行治療。放射治療對大部分固態(tài)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于癌癥的種類、位置和病程等許多因素。對癌癥及早作出診斷總是最好的；某些類型的癌癥能夠擴(kuò)散至全身，如果發(fā)展到晚期，治療起來就非常困難了。
這些醫(yī)療程序中使用的某些射線并不是來自放射源。在醫(yī)療中應(yīng)用得很普遍的X射線和γ射線通常是通過粒子加速器發(fā)射出來的，電子、質(zhì)子和中子這些粒子本身也是由加速器產(chǎn)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于5年的放射性同位素。鈷60是一種優(yōu)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(chǎn)生一些放射性垃圾(像其他核燃料一樣，這種同位素在發(fā)揮醫(yī)療用途之后還具有放射性)，但對于沒有加速器可用的醫(yī)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(biāo)是殺死癌細(xì)胞而不影響正常的細(xì)胞。但不管放射束的來源和性質(zhì)怎樣，它都不可能如醫(yī)生所期望的那么精準(zhǔn)。不可避免地，有一些健康的組織要受到損傷，但只要不是特別嚴(yán)重，大多數(shù)細(xì)胞都能通過某些機制來修復(fù)由射線造成的損傷。對病人來說，非常幸運的是，癌細(xì)胞的這些修復(fù)機制一般都不完善，所以它們更容易向射線屈服。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(fā)生在由頻繁分裂的細(xì)胞(和癌細(xì)胞不同的是，其生長和分裂仍處于控制之中)所組成的組織上面。常見的例子有毛囊細(xì)胞和血液、皮膚及腸中的細(xì)胞。這就解釋了為什么放射治療中經(jīng)常出現(xiàn)脫發(fā)和惡心等副作用。
核醫(yī)療學(xué)這個術(shù)語有時僅僅局限于將某種放射性物質(zhì)注射人人體內(nèi)，而不包括在各種放射治療中對外部放射源的使用。注射無疑是最直接的利用核活動來進(jìn)行醫(yī)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(yīng)用到各種醫(yī)療情境中發(fā)揮多種不同功效。
放射性同位素一旦被注射到體內(nèi)，就能在疾病診斷(確定哪里出了問題)和治療中發(fā)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。治療則采用更大的劑量，通常是企圖殺死癌細(xì)胞。
醫(yī)生在診斷某種疾病時經(jīng)常需要對受感染的組織做仔細(xì)的檢查。對于位于皮下的組織來說，要么進(jìn)行手術(shù)，要么使用X光機或磁共振成像技術(shù)(MRI)來對組織攝像。X光機很適于對骨組織成像，但對軟組織卻不怎么有效。MRI，后面將會簡略地介紹到，能提供許多器官的高質(zhì)量圖像，但有些時候，注入到體內(nèi)的放射性同位素會有更好的效果。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(yī)生使用專門的檢測器來捕獲由這些同位素發(fā)放的射線，從而對內(nèi)部組織進(jìn)行測量甚至得到它們的圖像。這些同位素最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。甲狀腺是位于頸部的一個腺體，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(fā)揮功能所必需的一種元素，它會聚集在腺體內(nèi)。醫(yī)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(nèi)，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(yī)療中經(jīng)常使用到。這是核醫(yī)療學(xué)中最古老的程序之一，20世紀(jì)50年代，當(dāng)醫(yī)生們還在學(xué)習(xí)放射的原理時就開發(fā)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(yī)療實踐和科學(xué)研究中都應(yīng)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，后來發(fā)展出了越來越多的利用放射性標(biāo)記和追蹤各種物質(zhì)的方法。一個常見的例子就是正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)(PET)，某些同位素在衰變時會發(fā)射出一個叫做正電子的粒子，PET技術(shù)就是利用這個原理來成像的。
MRI是對機體內(nèi)部成像的另一種技術(shù)。MRI名字中表明的磁學(xué)特性來源于氫原子核，核物理對MRI技術(shù)很關(guān)鍵。這項技術(shù)原來的名字叫做核磁共振，后來“核”字從名字中消失了，部分原因是醫(yī)務(wù)人員擔(dān)心病人會把這項技術(shù)和輻射聯(lián)系起來。MRI技術(shù)通過引入一個強磁場來排列機體內(nèi)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(fā)生作用的空間區(qū)域。磁場就是磁力發(fā)生作用的區(qū)域)。氫原子核是一個質(zhì)子，其行為表現(xiàn)有點像一根細(xì)小的條形磁鐵。當(dāng)病人處于磁場中時，體內(nèi)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(nèi)的質(zhì)子。MRI機器由此生成一張有關(guān)病人體內(nèi)質(zhì)子即氫原子核分布的地圖。
為什么氫如此重要呢？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(yī)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更亮或更暗(取決于腫瘤本身以及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(jīng)從原子核中獲得了炸彈、電能和醫(yī)療方法。現(xiàn)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(yīng)用于運輸已經(jīng)不是一件新鮮的事情。世界上第一艘核動力潛艇，美國軍艦“鸚鵡螺”號于1955年下水。1958年，這艘艦艇在北極冰帽下進(jìn)行了一次歷史性的航行，這在美國海軍核潛艇中尚屬首次。一些現(xiàn)代化的水面船艦也配備了依靠核反應(yīng)堆來工作的發(fā)動機。
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