《物质与能量》一书根据美国科学新闻杂志社中有关物质与能量方面的相关文章精选、重新组织和翻译而成。内容涉及六方面，包括：化学的艺术、后信息革命、万物理论、量子领域、生活中的科学、明日科技。

翻开本书，开启一场精彩纷呈的对物质核心的前沿探索。

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（ScienceNews）倾力合作，陆续推出《科学新探索》丛书，《物质与能量》正是该丛书的第五本书。本书介绍了人类对物质以及物质有怎样的行为孜孜不倦的探索，以及对于物质本质理解永无止境的研究，这再一次证明，人类是处理自然生物原料的专家。

本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。

本书由科学新闻杂志社编著。

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

 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

2010年9月，预测终于收获了实验。物理学家向一厘米长的叫作黑体辐射空腔的金属圆筒点燃了NIF激光。飞快的脉冲激发黑体辐射空腔释放出X射线，然后X射线轰炸着胶囊内储存的氢燃料，胶囊的外壳气化爆炸，触发了火箭效应，这让氢原子飞速地向内收缩。

这几步全部依照计划进行。但是一旦胶囊开始崩塌，奇怪的事情就发生了。胶囊弯曲成了无定形的一团，而不是像模拟预测的那样保持球形。物理学家已经特别设计了带有192条激光束的国家点火装置（NIF）从各个方向开火，就是为了在胶囊内爆炸时保持对称性，但是压缩的胶囊看起来更像是被两只手挤压的水球。

在试验运行的过程中，胶囊会开始对称地压缩，但是随后一些小团块出现在它的表面。内爆继续，这些微小的缺陷指数倍地增长。胶囊表面的小丘变成了大山，微斜的小槽变成了深谷。在十亿分之一秒内，开始时看起来光滑完美的球此时看起来更像是中世纪骑士的狼牙棒。

这些混乱的早期实验清楚地显示出点火不会乖乖地被搞定。“结果告诉我们，这将会是一场极其艰苦的跋涉。”利维多说。

物理学家飞快地转换了他们的计划。贯穿整个2011及2012年早期，他们中的很多人预期他们位于点火的边缘，物理学家仅仅试图简单地搞明白到底出了什么事。

他们设计了常规目标，安装监控设备来探测内爆的特殊性质。

NIF的物理学家确定从被辐射的黑体空腔释放出的X射线并没有均匀地压缩胶囊。此外，弯曲的胶囊有时候会在它塌缩的时候断裂。这让外部的冷粒子与内部的高温物质混合，使任何核聚变反应都短路了。

作为回应，NIF团队扭曲了黑体辐射空腔的设计，重新设计了激光束，以便激发更对称的反应。物理学家还调整了激光脉冲，这样它可以传递最佳的力来促成燃料壳的压缩。到2012年，NIF在内爆胶囊方面获得了重大的进展，更大程度地压缩胶囊，而同时又保持球形。

即使这样，到2012年那个截止日期到来的时候，点火连接近可行都没有达到。根据12月的报告，到那时，获得的最高的能量输出仅达到了需要激发氦撞击点燃燃料所需能量的三分之一。

穿过利弗莫尔的校园，这个从前为第二次世界大战训练海军飞行员的训练场地难以说明为什么NIF错过了靶心。一个巨大的“将太阳带到地球”的横幅悬挂在主综合设施的外面。科学家看起来还很乐观，渴望克服曲线球核聚变。

这是因为，物理学上的问题错误的和正确的基本上一样多。物理学家希望他们的理论尽可能精确，但是他们也知道他们的理论有时也不完整。确定意料之外的现象是构建更好理论的关键。

NIF主任爱德华·摩西（Edward Moses）指出了另一个创纪录的设施：欧洲的大型强子对撞机。它是世界上最强劲的粒子加速设备。机器的主要作用是观测叫作希格斯波色子的粒子。希格斯波色子是标准模型的一种基本粒子。标准模型是一个描述宇宙中所有力和粒子的前沿理论。2012年7月4日，物理学家自豪地宣称他们发现了希格斯玻色子。

但是从那之后，LHC的物理学家的兴奋严重衰退了。是的，他们发现了希格斯玻色子，但是到目前为止，粒子看起来就跟理论描述的一模一样。实验证实了标准模型，但是除非是奇怪的东西出现，物理学家没办法添加或者改进这项理论。NIF的物理学家希望他们的模拟能变得更好，而LHC的物理学家却抱怨他们模拟得太好了。

P20－21

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