驶向星辰大海的一叶扁舟 | 周末赠书

这是一本给中学生的关于科学教育的用书,同时是一部宇宙线发现的简史,一本科普读物,一本有趣的故事书。

宇宙线是来自遥远宇宙空间的唯一物质样本,与电磁波、引力波并列为人类观测宇宙的三大信使之一,是科学家进行粒子物理、高能天体物理、暗物质、太阳物理、日地空间环境等多学科前沿研究的利器,而其自身的起源被称为“世纪之谜”,是21世纪十一大科学难题之一。

宇宙线的发现要追溯到1785年,当时的法国物理学家库仑在用库仑扭秤测量电荷之间的库仑力时,发现了“验电器电荷消失之谜”。之后,英国物理学家法拉第确认了库仑的发现。自此科学家们开启了探索这一谜团的旅程,包括入地、下海、上天。1912年8月,奥地利物理学家赫斯的那次高达5300米的历史性气球飞行,发现验电器电荷消失是由于天外辐射,这标志着宇宙线的发现。此后,科学家们对宇宙线的性质进行了深入研 究,相继开启了粒子物理学和高能天体物理学的大门。近150年的宇宙线发现之旅,充满了迷雾和曲折,处处 体现了科学研究的真谛、科学探索的艰辛与乐趣,是科 学教育的绝佳素材。

宇宙线作为微观粒子,其速度之快,超过空气中的光速;其能量之高,让人类的粒子加速器望尘莫及;其来源之远,非天涯海角可比拟;其年岁之久,远超人类祖先。这些淘气的高能粒子携带着遥远宇宙的神秘信息,闯进地球大气层,犹如一发发粒子炮弹轰击大气层中的原子核,产生成千上万的次级粒子,形成一阵阵“粒子雨”。这些神秘的高能粒子时刻掠过我们的身体,为中学生进行科学教育、大学生进行近代物理实验提供了唾手可得的免费样品。

有了绝佳的科学教育素材和免费的实验样品,缺少 的便是教具和教材了。“校园宇宙线观测联盟”技术团 队研制了一套简单易用的宇宙线探测器作为教具,并‍‍‍‍‍‍‍‍推 出了一系列生动有趣的实验,引领学生“重走宇宙线发 现之旅”:以历史上宇宙线发现过程中的一系列科学问 题为导向,引导学生大胆猜想,自己设计并实施实验,获 取并分析实验数据,检验猜想,一步步探知宇宙线的世 界,激发学生探索未知的兴趣和欲望。这不仅可以培养学生提出和发现问题、分析问题、自己动手解决问题的能力,还可以培养学生的科学精神、科学素质以及创新性和批判性思维。基于中学知识和电子表格软件便可以完成一系列宇宙线实验和数据分析,一窥这些神秘的高能粒子的起源和性质,重走产生多项诺贝尔奖的宇宙线发现之旅,直捣这些“小淘气”的巢穴,破解“世纪之谜”。

教育为基础研究输送人才,基础研究更要回馈教育。适逢国家大科学装置———高海拔宇宙线观测站(LHAASO)建成并投入科学运行之际,一支常年奋战在科研一线的博士团队倾心撰写了这本书:刘佳悉心撰写的旅行装备一章是本书必读的;熊峥和刘佳追寻空气电离之谜,直捣电荷怪盗的老巢;赵静和马玲玲边走边数有多少宇宙线穿过了身体,计算它们对人体的损害;吕洪魁则在追逐光的速度;张笑鹏和刘佳发现宇宙线缪子青春永驻却寿命极短;左雄和齐金灿发现大气保护了地球生命免遭“粒子雨”的轰击;李骢和高卫发现宇宙线带电;侯超和董绪强进一步得出宇宙线带正电;武莎和南云程否定了宇宙线起源的“日源说”,并邀请大家共同探索宇宙线起源这一“世纪之谜”。附录一中,徐吉磊教大家如何自己制作一个水桶探测器。附录二中,李凯和刘佳教大家如何在家看到微观粒子———自己制作一个云雾室。

特别感谢北京东直门中学的张颖老师,百忙中抽出时间在线上听了每节课,并从专业教学的角度提出了许多宝贵的意见;感谢四川师范大学的钱华敏老师授权使用其作品作为本书的封面。《现代物理知识》逐篇刊出了基于这些课程的系列文章,并推送至其公众号上。中国科学院大学关心下一代工作委员会对本书的出版给予了大力支持,在此致以衷心的感谢!

如果说高海拔宇宙线观测站是驶向星际的旗舰,这本书便是接驳你的那叶扁舟。请上船吧,让我们一起驶向星辰大海。

何会海