《看不见的世界——碰撞的宇宙膜弦及其他》试图与非数学专业读者分享现代理论物理学中最具吸引力、最激动人心的一些想法。在本书中，斯蒂芬·韦伯详细地研究了最新理论的奥妙之处。在介绍了广义相对论与量子力学之后，韦伯解释了这两种理论根本上的矛盾之处。在接下来几章令人惊奇的内容之后，韦伯将我们引向了物理学家们为解决这一矛盾而提出的种种古怪诡异的见解——从难以置信的小粒子到大得足以盖住宇宙的膜，最后作者把我们带到了理解力的全新领域。

看看大爆炸之外……

尽管人们已经差不多接受了宇宙起源于大爆炸这一思想，但是我们却没有一个合理的理论可以描述导致这一创造性大冲撞的力。现代科学一些最深刻的问题来自于科学家解释宇宙起源时所遇到的困难。大爆炸之前又有些什么？过去的几年里，宇宙学家们已经开始致力于发展新的、有时甚至难以想象的想法，并且他们已经发现了一些线索。

在《看不见的世界——碰撞的宇宙膜弦及其他》中，斯蒂芬·韦伯详细地研究了最新理论的奥妙之处。在介绍了广义相对论与量子力学——20世纪物理学的两大基础——之后，韦伯解释了这两种理论根本上的矛盾之处。在接下来几章令人惊奇的内容之后，韦伯将我们引向了物理学家们为解决这一矛盾而提出的种种古怪诡异的见解——从难以置信的小粒子到大得足以盖住宇宙的膜，最后作者把我们带到了理解力的全新领域。

这些还处于研究中、奇怪又美妙的想法到了韦伯的手里，便变得既通俗易懂又迷人有趣。《看不见的世界——碰撞的宇宙膜弦及其他》带给读者的并不仅仅是有关物理学家现在如何看待宇宙的内容，还有在新的宇宙图像慢慢浮现时科学家们所感受到的敬畏与激动之情。

前言

导言

 理想物理 

 洞穴寓言 

 寻找对称性

第一章 对称性

 日常生活中的对称性

 雪花

 物理学中的对称性

 群论：对称性的数学

第二章 物理学的两大支柱

 全球卫星定位系统

 大尺度物理：广义相对论 

 小尺度物理：量子的神秘世界 

 广义相对论遭遇量子力学：小尺度上的大麻烦

第三章 构建宇宙的基块

 基本粒子的产生 

 为基本粒子分类 

 初探基本粒子 

第四章 标准模型

 我们最好的理论

 局域规范对称性

 电磁相互作用

 强相互作用

 弱相互作用

 电弱统一与希格斯粒子

 标准模型的成功

 标准模型并非终极理论

第五章 大统一理论与超对称

 大统一理论

 超对称

 局域超对称

第六章 更高的维度

 卡鲁扎一克莱因理论

 然而更多的维度

第七章 超弦

 超弦的早期历史

 第一次超弦革命

 硕果累累的革命

第八章 M的故事

 电磁对偶性

 弦论中的对偶性

 M理论 

 结论

第九章 关于膜与黑洞 

 膜

 D一膜

 黑洞 

第十章 我们的世界是一幅全息图 

 熵 

 全息原理 

 Ads／CFT对应

 将弦捆在一起：Ads／CFT与大N

第十一章 当世界碰撞时

 膜的新世界 

 探索更高的维度

 为什么两个膜比一个更好：兰德尔一山德拉姆方案

 时空真的是对称的吗？

 火宇宙：当世界碰撞时

 人存原理

 即将到来的吸引力 

小辞典

索引

参考书目 

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译后记

有些对称性明显、直观，看起来不值得特别地讨论一番。但是充分地理解了这些对称性会有助于我们欣赏人类关于大自然的智慧中最重要的内容之一：诺特定理。

我们现在来对一个物理对象做下列变换：将一个物体从一处移动(或者用术语说，平移)到另一处。这样的操作称为空间平移，这一变换差不多是最简单的变换了。稍稍思考一下，我们就会明白，这种变换事实上是一种精确对称性变换。把一把椅子从你的餐厅移到卧室，然后想一想你的椅子可有哪种物理性质由于这次平移而发生改变——组成椅子的亚原子粒子并没有在移动之后发生改变；椅子颜色、强度和形状取决于椅子的分子性质，这些分子性质移动后也没有发生改变。因此，物理学家们用以描述椅子性质的任何物理学内容——描述椅子的承重能力，或者电阻，再或者光吸收性质的方程——在空间平移后都没有发生改变。我们也可以将同样的论述应用于任何系统以及任何空间中的平移。由空间中移动物体这样的操作组成的变换前后，物理定律保持不变。而变换下的不变性，正是对称性的真正含义。自然定律在空间平移变化下具有对称性。事实上，我们的宇宙并不是非得如此不可：我们完全可以构建一个具有晶体结构的宇宙，其中一个实验的结果一定要与平移的方向有关。但在现实中，我们的宇宙可不是这样。

下面是另一个关于变换的例子：时间平移——物理对象在时间上的平移。(这种变换并不需要时间机器；它的意思只是，我们可以在不同的时间测量某个系统——无论现在、过去还是未来。)物理定律在时间平移变换下具有不变性。比如，假如你需要测量你家餐厅椅子的电阻，那么不论你是今天测，昨天测，还是明天测，你得到的结果都是一样的(这里当然需要假定是在其他条件一致，而且你不曾也不会在某些地方修整你的椅子)。如同空间平移一样，大自然也具有时间平移对称性。

另外一个简单的例子是转动下的物理定律的对称性。比如，你家餐厅的椅子不管是朝向北方还是朝向东方，它的性质都一如既往。

以上的三个对称性例子——物理定律在空间平移、时间平移以及转动下具有不变性——是观测事实。或许未来的某天，人们可能会观测到破坏这三种对称性的物理事实，不过这一天还没有到来。物理学家、天文学家、地理学家们已经做过大量的实验并且留下了数量惊人的观测记录，其中无一提到上述三种对称性破缺的例子。任何旨在描述宇宙的方程必须满足这三个简单对称性的要求。这些看似简单的事实到底重要在哪里呢？

变换下具有不变性意味着某些量在整个变换过程中没有改变——或者说守恒。所以毫不奇怪，对称性与我们所拥有的最基本、最具广泛性以及最强大的物理定律——守恒律——有某种联系。1915年，德国数学家艾米·诺特(图9)证明了一条著名的定理：物理定律的任意一种连续对称性都对应着一条守恒律；反之，每一条守恒律都对应着一种连续对称性。这条定理本身也是物理学家们苦苦追寻对称性的一个原因。

考虑一组研究对象——一比如说台球桌上的台球，只不过我们这里要求它们具有完美的弹性，也就是说不会因为摩擦等原因损失动量。这些球在一个封闭孤立的球台内到处乱撞。我们可以将这个球台在空间中平移到另外一个地方，显然球台内的物理定律不会发生任何变化。根据诺特定理，物理定律在空间平移下的不变性会导致动量守恒。所以，无论球台内的球何时如何彼此碰撞，它们的总动量在空间平移操作前后保持不变。这就是我们所熟悉的动量守恒定律，每天全世界的台球桌上都上演着同样的守恒过程(实际中会由于外力——摩擦力的存在破坏该守恒)。相反，大量的实验——从台球桌到粒子加速器——在精确地表明动量守恒的同时，也表明在空间平移变换下，空间是对称的。也就是说，空间是均匀的。

根据诺特定理，物理定律在时间平移下的不变性意味着能量守恒。不论封闭系统内的物体如何彼此相互作用，其总能量在相互作用前后保持不变，这就是能量守恒定律。同时，所有那些精确证明了能量守恒的效应——比如，每天都在电站发生的效应——同时证明了物理定律在过去、现在、未来都一样。

最后，根据诺特定理，物理定律在转动下的不变性意味着角动量守恒。不论封闭系统内的物体何时如何彼此相互作用，其作用之前的总角动量总是和作用之后的总角动量一样。这就是角动量守恒定律。再次要说，所有那些精确证明了角动量守恒的观测——从滑冰的人将双手收拢时可以加速到星震之后的中子星将改变其转动速率——同时证明了物理定律在转动变换下具有对称性。也就是说，空间是各向同性的。P27-30

科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。

科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。

的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难地进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。

正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。

科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。

正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。

近百年来，无数仁人智士意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的斗争，中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想，科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。

正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。

然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了。但是，毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力，科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。

科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说；科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学的。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化的地域的差别，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。

湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为《第一推动》，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的主宰。

《第一推动》丛书编委会

结束本书翻译工作之际，感慨良多，借此略抒胸怀。

首先必须向读者朋友们致歉。译者是首次进行这样一本非常专业的科普书的翻译工作，虽然尽量地查找资料，克服文化差异以及细节处的专业内容带来的麻烦，但是书中还是不可避免地存在着很多表述不够准确的地方，有不少地方未能很好地传达原作者的感觉。在真诚地向读者朋友们致歉的同时，译者欢迎读者朋友批评指正或进行有益的讨论，以更好地促进本人未来的工作。

接下来，作为本书的译者，我必须同读者朋友们分享一下在翻译本书的过程中我个人的一些体会和感触。

刚从编辑手中拿到本书的时候，我很兴奋，因为以前没有料到在一本科普书中会出现很多当前最新的理论进展，书中提到的一些工作，我甚至曾经读过原始的论文，因而有一种特别的亲切感。在翻译全书之前，自然要先通读几遍，很快地，我就被其中深入浅出的讲解吸引了。比如读到GPS的原理那部分内容时，感觉真是非常惊奇，原来我们学习过程中所接触到的广义相对论、量子力学等，竟然有这么“现实”的应用。越读到后来，最开始拿到本书时的那种亲切感就越强烈，标准模型、超对称，甚至额外维的ADD、RS等模型也都被收入本书，要知道，这两项工作都是1998～1999年才出现的(值得一提的是，关于ADD、Rs这两个模型的原始论文，在短短的几年内被引用了超过2000次，由此可见，这些理论正是当前的研究热点所在)。本书的作者在几乎不使用数学的情况下，清晰地阐明了其中的物理知识，令人叹服。到了后面的章节，很多以前我没有听说过的最新理论进展，在本书中也一一提及。特别值得注意的是，本书的作者并没有空泛地罗列理论，而是详细地解释每一种理论试图告诉人们的是什么；更辅以实验证据，告诉大家物理学家们为什么会相信某某理论而不相信另外的理论。凡此种种，都在告诉我本书的确是一本关于当前理论物理最新进展的好书，专业读者与非专业读者都可以在阅读本书的过程中有所收获。将这样的一本科普读物介绍给读者，实在是一种荣幸。

但是，译书之余，我也想到了另外的一些事情。那就是，在这些优秀的科普读物的作者栏上，看到的都还是“洋名字”。令我们多少有些气馁但又不得不承认的一个事实是，国内原创的科普出版几乎一片空白。这种空白不仅仅表现在绝对数量少，更表现在科普书或文章的内容深度不够、前沿性远远滞后等方面。反观国外的科普出版，我们到amazon.tom上稍稍搜索一下自己感兴趣的领域，就会发现大量的科普书；而且更值得我们借鉴的是，其中的很多书在内容上都是紧跟当前最新的科学动向的。

我们的原创科普出版工作不理想，还体现在对当前世界最受瞩目的科学问题的关注不够，这一点值得我们全体从事相关工作的人思考。举个例子，当前基本粒子领域最重大的事情就是欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)的即将运行，这一大型加速器的运行，将极大地促进当前基本粒子领域的科研工作，其成果注定意义非凡。如果LHC能够发现粒子物理标准模型中最后一个未发现的粒子——Higgs粒子，那么标准模型就会完成最后一块拼图；如果不能发现这一粒子，那很有可能是更为重要的发现！这意味着人们现有的关于基本粒子世界的认识必须修改；而如果任何一种新的粒子都发现不了的话，很有可能意味着人们现在用于研究基本粒子的工具——量子场论——需要修改。可是，这样一件对基础物理学影响巨大的重大事件，在我们国内的报道却少之又少。笔者在读一篇专业领域的报告时发现，像LHC这样重大的科学事件，在国外是受到普遍关注的，纽约时报等著名报纸都曾先后报道过这一重大实验的进展情况，LHC可以说是受到了世界重要媒体的全程关注。但是在我们国内，即使大学物理系的本科生、研究生，又有多少了解当前的这些进展呢？

我想造成这种现状的原因是多方面的。首先，人们普遍有一种倾向，即认为对科学研究人员而言，科研工作才是重要的；一个科普作家的工作，在某种意义上，只是为了宣传别人。因而，与其投入精力去做什么科普工作，还不如实实在在地发表几篇论文呢！那样的话，一来有利于评各种头衔称谓，二来不会自降身价。正是这样的一些思维导致了很多有能力写科普的科研人员不愿意从事这样一件有意义的工作。另外，科普工作的不足归根结底是我们国家对科研，特别是基础科研领域的重视不够。总是认为科学之所以存在，是要带来现实的生产力的。因而人们相对来说，更加关心技术，而不是基础的科研领域。而对科研人员的培养，也带有很强的功利性，以发表论文的数量等决定科研人员的职称之类的利益，因此导致了科研人员的急功近利。

那么我们需不需要重视科普工作呢？更进一步说，我们应不应当重视基础科学呢？

答案是显然的。当今世界任何一个真正的经济强国，一定是一个技术强国，而一个技术强国一定是一个基础科学强国。以高能物理的大型实验室或加速器为例，美国有Tavatron、SLAC，欧洲有LHC，日本有KEK。而这些还不是美国、欧洲、日本所拥有的全部。我们国家则没有这样的大型加速器和实验室(北京的正负电子对撞机能量要低得多，相应的重要性更是不可同日而语)。技术并不是凭空生长的，它们一定要生长在基础科学肥沃的土壤上。我们国家基础科学的不足，导致了我们技术的不足；而科普工作的空白又导致了全民科学意识淡薄、在技术上的追求不足、发展潜力不足。我想，说中国是世界上第一的自行车大国，大概大部分国人都会认同。但是我们是不是一个自行车技术大国呢？我是说，那些能用于参加环法大赛或者山地越野赛之类的自行车中，哪个品牌是属于中国的呢？一个都没有！多么令人惊讶的事实呀！有一次，一个喜欢山地自行车越野的同学告诉我：“对于山地车，我们真的想买国货，但我们真的没办法买国货呀！”这样的话带给我的感受是震撼的。

读者朋友们，我们真的需要提高全民科学素质，只有全民的科学素质提高了，我们才可以更好地发展技术与经济。从更深层次的意义上讲，人类对于科学的追求，也并不仅仅是为了满足经济的需求，更是为了满足人类本身对未知的好奇心，正是知识与理性使人类成为了人类。而所有这一切的基础，就是要有一种对科学的热爱与向往，科普工作的目标正在于此——激发人们对科学的了解与热爱。因此，我们很有必要重视科普工作、发展科普工作。

我们有幸看到，在出版了霍金著名的《时间简史》之后，湖南科学技术出版社一发而不可收，为我们引进了大量的国外优秀科普读物。此后，很多其他的出版单位也加入了这个行列，我们在图书馆中可以找到的科普读物正在增多。

但是，科普工作并不仅仅是将国外科普作家的作品翻译成汉语，更重要的是，要有我们的人参与到科普工作中来，用自己的语言、自己的俚语、自己的常识与文化传统来为大家解释科学，用更容易为国人所接受的方式将科学讲给大家听。我们需要自己的科普作家，在这方面我们还差得很远。近年来，我们欣喜地看到，已经有一些人愿意在这方面做一些工作，比如网上流传的《相对论通俗演义》、《弦论通俗演义》等。这样的一些读物所受到的欢迎使我们确信，如果有好的作品，国人是很有兴趣来了解科学的。但是，我们还需要更多有能力的专业人士，以更加专业的姿态投入到我们国家的科普工作中来，为我们带来更多更好的科普作品，将各个科研领域最前沿的知识以大家能理解的方式介绍给大家，使我们能够有机会与他们一起分享他们对于科学的热情与感悟。这是一个长期的过程，需要各方面的努力，不仅要有出版社、要有有志于从事科普事业的有能力的专业人才的积极参与，更要得到全社会的重视与支持，甚至还要有对知识产权的保护与尊重。

总之，我们国家需要基础科学，需要全民科学素质的提高。要在全社会树立正确的科学意识、培养全民的科学素养，离不开科普工作者的努力。我们需要科普工作者，需要自己的科普作家，需要尽快摆脱科普工作严重落后的局面。希望未来也有一天，有外国的译者将我们的科普作家写成的科普读物介绍到国外去。

我们需要越来越多的人加入这一平凡而伟大的工作！

译者

2007年10月