《弯曲的旅行》是哈佛大学理论物理学家、美女教授丽莎·兰道尔的代表著作。本书以艾克和阿西娜兄妹俩的对话开始引入维度。每一章都会插入他们的梦幻、经历和故事来引入主题，别有风趣。本书语言幽默，图文并貌。书中多处以有趣的例子、图画和故事来描述和比喻深刻的理论：从在婴儿床里爬行时感受到的维度，到不粘锅中准晶体的高维结构，又以喷壶浇花时水的流量比喻力的强度，用漏斗的型状来比喻扭曲的额外维度，等等，即生动又贴切，极具可读性。该书的中译本翻译严谨，语言通俗，适合于对现代前沿科学有兴趣的广大国内读者。

《弯曲的旅行》是哈佛大学理论物理学家、美女教授丽莎·兰道尔的代表著作，在书中，作者以轻松愉快、浅显易懂的文风，深入浅出地谈论了宇宙的奥秘。同时，《弯曲的旅行》还给读者奉献了一个令人振奋的文献综述，它回顾了二十世纪早期物理直到当今粒子物理和弦理论最前沿的发现，化解了当今有关相对论、量子力学和引力的争议和纠纷。作者极大地调动了读者的好奇心，举重若轻、饶有兴趣地引领读者由简单的直觉经验出发，穿越当代物理学的主要概念，一直到达令人兴奋的科学最前沿。

引言

第一部分 空间的维度

 第1章 维度之谜

 第2章 额外维度究竟有多大

 第3章 我们生存在“膜宇宙”上吗

 第4章 踏上理论物理的探索历程

第二部分 20世纪革命性的宇宙观念

 第5章 相对论：弯曲的时空

 第6章 量子力学：充满不确定性的微观世界

第三部分 基本粒子物理

 第7章 粒子物理的标准模型：物质的已知最基本结构

 第8章 实验插曲：高能粒子加速器的新发现

 第9章 对称：基本的组织原则

 第10章 基本粒子的质量来源：自发对称破缺和希格斯机制

 第11章 标度和大统一：不同尺度和能量的相互作用

 第12章 等级问题：唯一有效的涓滴理论

 第13章 超对称：超越标准模型的大飞跃

第四部分 弦理论和膜

 第14章 弦的律动：超弦革命

 第15章 辅助通道：膜的发展

 第16章 熙熙攘攘的通道：膜宇宙

第五部分 额外维度宇宙假说

 第17章 人迹罕至的通道：多重宇宙与隔离

 第18章 泄露秘密的通道：四维世界的高维来客

 第19章 宽阔的通道：大额外维度

 第20章 弯曲的通道：粒子质量差异的来源

 第21章 弯曲空间里的“爱丽丝”

 第22章 深远的通道：无穷大的额外维度

 第23章 曲折延展的通道：四维引力的孤岛

第六部分 弯曲的旅行

 第24章 额外维度：你是在里面，还是在外面

 第25章 即将被证实的宇宙真相

译者后记

忽略另外一个看不见的维度没有什么不对，不仅仅是视觉效果，即使是物理作甩，如果微小到难以察觉，也常常可以忽略。科学家们在阐述自己的理论或进行计算时，常常忽略(通常是无意识地)一些微小到不可察觉的物理过程。牛顿的运动定律在他能观测的距离和速度上是有效的，他不需要广义相对论的细节仍作出了成功预言；生物学家研究细胞时，也不需要了解中子里的夸克。

挑选相关信息，略去细枝末节，这是一种实用主义的做事方法，我们每个人每天都会这样做。这是一种应对过多信息的办法，对于你所看到、听到、尝到、闻到或摸到的任何东西，你都可以选择，是细细品味不放过任何一个细节，还是只需了解其“大概”，抓住主要特征？无论是欣赏油画、品味美酒、阅读哲学，或是安排下次旅游，你都会不由自主地将自己的想法按照兴趣归类——可能是大小、口味。也可能是观念，而当时你并未发现这些归类有什么相关。适当的时候，你会忽略一些细节，以便将精力集中在你感兴趣的问题上，而不至于被一些无关紧要的细节所迷惑。

这种摒弃细微信息的过程应该并不陌生，因为它实际上是我们人类一直在做的一个概念的跳跃。以纽约为例，身居这个繁华都市的纽约人都能够看到曼哈顿的细节和变化。对他们来说，闹市区更为繁荣、古老；街道更为弯曲、狭窄；而城郊为了方便人们居住建造了更多的房产，还有中心公园、许多博物馆。尽管对外人来说，这些差别实际是很模糊的，但在这个城市之内，它们却真实存在。

但想想远离纽约的人是怎么看的：对他们来说，纽约就是地图上的一个点，也许是一个重要的点，一个有着鲜明特征的点，但仅此而已。即便各不相同，可在别处看来，‘比如说中西部或是哈萨克斯坦，纽约人就只有一个类别。当我提起这个比方时，住在闹市区(具体来说，是西村)的表弟大为不满，不愿将居住在闹市区和城郊的纽约人归为一类，这更证实了我的观点。但任何一个非纽约人都会告诉他，对并不生活在他们中间的外人来讲，其间的差别实在太小，真的无关紧要。

在物理学中，正式使用这种直觉并以相关的距离或能量来划分范畴已成为常规做法。物理学家接受这种做法，并为它取名——有效理论(effective theory)。

有效理论集中研究那些在相关距离内产生“效果”的粒子和力，我们不会用不可测量的描述超高能行为的参数来描述粒子及其相互作用，只用那些与我们能探测的尺度相关的事物来构建我们的发现。任何一个距离尺度的有效理论都不会深入探究作为其基础的小尺度物理理论的细节，它只关注可望测量或是观察到的东西。如果某个事物超出了你所在尺度的精度，那么你无须考虑其详细结构。这种做法并非科学诈骗，而是忽略冗余信息的一种方式，这是获得正确答案的一种“有效”方式。

当高维度的细节超出我们的能力时，所有人，包括物理学家在内，都乐于回到三维世界。正如物理学家常常把一根电线当做一维对待一样，如果额外维度极其微小，高维细节无关紧要，我们也常常以低维方式来描绘高维宇宙。额外维度小到无法看见，这样所有可能的高维理论，我们都可以通过这种低维描述来总结其可观察的效果。这个低维描述不受那些额外维度数量、大小和形状的影响，足以实现很多目的。

低维的量不提供根本描述，但它们却是归纳发现和预言的简便方法。如果你确实了解一个理论的短距离细节(即微观结构)，就可以利用它们导出发生在低能描述里的量，否则，那些量就只能是等待实验来确定的未知数。

接下来的章节：我们将详细讲述这些观点，并探究微小、卷曲的额外维度的作用。我们将首先探讨的那些维度非常微小，小到根本不会产生任何影响；然后，当我们再次回到额外维度时，我们会探索庞大且无限延伸的维度，它们彻底改变了我们现在描绘的这幅图像。P23-25

人类对自然现象的好奇心驱动着我们探索时间和空间(时空)的奥秘。时空是物质存在的形式。可是时空本身到底以什么形式展现、如何确切地描述，却是古今中外物理学家、数学家以及哲学家们煞费苦心研讨的问题。自从有了科学以来，研究时空性质几乎成了永久的课题。

本书作者丽莎·兰道尔现任教于美国哈佛大学。她曾是普林斯顿大学物理系的第一位终身女性教授。也是哈佛大学、麻省理工学院的第一位理论物理终身女性教授。她从事高能理论物理研究工作20多年来，获得了多项开创性的重要成果，是当前最有影响的理论物理学家之一。她和拉曼·桑卓姆10年前提出的额外维度模型，同另一个大额外维度理论一起，产生了划时代的意义。现在，她仍然活跃在科学前沿，研究基本粒子理论和宇宙论。

作为对额外维度理论的最新进展做出开创性贡献的物理学家之一，本书作者相信额外维度的存在。可这些扭曲的额外维度不论有多大，都是我们肉眼看不见的！那么我们如何从实验上确认它们的存在呢？幸运的是，这种理论很可能在我们目前及未来的实验中留下蛛丝马迹。现在国际上最大的科学实验装置、设在日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)已经投入运行。

LHC使高能质子对撞，发生高能反应。能量转变成质量，产生新的粒子。一种称做卡鲁扎一克莱因的粒子就是额外维度理论的预言，也是LHC实验中希望发现的。如果LHC中的高能反应有幸达到强引力的范畴，那么还可能产生出高维黑洞！

同许多高能物理学家一起，丽莎·兰道尔也积极投身于LHC物理的研究，她近来关于卡鲁扎一克莱因粒子及高维黑洞现象的理论预言都对LHc实验具有指导意义。高能物理领域热切期待着革命性的新发现！这种额外维度理论甚至对早期宇宙论、暴涨，以及暗物质的来源都会提供新意。

从目前的观测看来，我们生活在一个均匀的、各向同性的三维空间加上一维时间，即四维时空，还没有实验证据揭示三维空间外的“额外维度”的存在。然而，自上个世纪初以来就有理论物理学家提出额外维度存在的可能性。这些额外维度不像我们周围的三维空间那样延伸，而是紧缩到小得看不见。无独有偶，有希望统一引力与量子力学的弦理论恰恰要求额外维度的存在。这个观点引起物理学家及数学家的极大兴趣，甚至被认为是物理学中的一次革命！传统的弦理论认为，我们生活的三维空间只不过是一个更高维空间的一部分，但额外维度微小到永远无法观测的程度，接近所谓的“普朗克长度”，约10-33厘米。如果是这样，额外维度的存在与否似乎对我们的可观测世界没有什么效应，因此其存在很难由实验来证实或证伪。

但是，理论物理学研究的最新结果改变了物理学家对额外维度的认识。其实，额外维度可以很大。有的甚至可以延伸到无穷大！它们可以不是平直的，是变形的、扭曲的。这种观点源于爱因斯坦广义相对论中的一个概念。物质能量对时间和空间的制约关系导致了这些不平常性质的出现。更引起物理学家重视的是，这些新的理论有其他方面的意义和应用。比如，与我们周围的核力和电磁力相比，引力如此之微弱。这种扭曲空间的新理论可以解释这个长期以来的困惑：在严重扭曲的空间里，引力可以在某些区域里很强，而在其它区域里很弱。进而，这种扭曲的额外维度理论还可以帮助理解弱核力可以稳定存在的事实。

作者在本书最后一部分提出了一个让读者感到惊讶的问题：究竟什么是维度？“确定一个点所需要的独立坐标数就是维度”，不是吗？其实答案要比想象的复杂得多！物理现象都是由物质间的相互作用所决定的。如果存在很强的相互作用，那么情况会变得模糊。近10年来理论物理学的最新进展表明，一个四维的强相互作用理论可以等效于一个高维的引力理论，既所谓的对偶性。在这种情况下，维度的概念不再明确。其实，弦理论家早就发现了另外一个对偶性，称做T对偶。在弦理论里，卷曲空间的极小体积和极大体积产生的物理结果是一样的，这使维度的含义再次模糊起来。这些属性实在太玄妙了！本书作者以及许多顶尖物理学家都认为，时间和空间一定还有更为基本的描述。

本书以艾克和阿西娜兄妹俩的对话开始引入维度。每一章都会插入他们的梦幻、经历和故事来引入主题，别有风趣。本书语言幽默，图文并貌。书中多处以有趣的例子、图画和故事来描述和比喻深刻的理论：从在婴儿床里爬行时感受到的维度，到不粘锅中准晶体的高维结构，又以喷壶浇花时水的流量比喻力的强度，用漏斗的型状来比喻扭曲的额外维度，等等，即生动又贴切，极具可读性。该书的中译本翻译严谨，语言通俗，适合于对现代前沿科学有兴趣的广大国内读者。

时空的性质的确是高能物理及宇宙论中最重要的研究论题，那么额外维度真的存在吗？这样引人如胜的想法到底会不会得到实验观测的肯定呢？读者还是从这本妙趣横生的书中寻味吧！

2008年9月10日，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行了首次实验。无数科学家对此翘首以待，其中就包括本书的作者。对撞实验也引起了全球许多普通民众的关注，关于高能物理，关于宇宙起源，关于物质本源，人们想知道的更多。本书可以让我们更多地了解近代物理学家的研究成果和面临的未解问题。

大型强子对撞机实验究竟会给我们、给科学家们提供什么样的答案？实验会发现希格斯粒子？还是黑洞？还是额外维度？这是眼下人们正期待的结果，也是作者在本书中探寻的问题。如今，两年多已经过去，对撞实验进展如何？欧洲大型强子对撞机项目的科学家表示，他们有望到2012年底发现“上帝粒子”——希格斯玻色子。如果仍然无法找到希格斯玻色子存在的证据，那么科学家将有必要改变他们对现有物理学定律的认识。看来，正如本书的书名《弯曲的旅行》一样，科学探索的道路果然是曲折的。

从这本书中，你会明白什么是相对论，了解粒子物理、量子力学的发展及其未能解决的问题，也会学到弦理论、超对称、额外维度等物理学家提出的新方案。为了让我们最终了解额外维度和高维世界，作者丽莎·兰道尔追溯了理论物理的发展历史，给我们呈现了一份详尽的文献，引领读者从宏观世界游览到微观世界。即便我们并不具备专业知识，也能跟上她的脚步。我们可以看到，早期的物理学家为了揭示物质的最基本构成，怎样进行了孜孜不倦的探索；也明白了正是由于粒子物理的贡献，我们的现代生活才有如此先进的科技。电视、电子通信、电脑技术、网络技术，又有哪项离得开这些根本理论的发现，我们现在使用的www.万维网正是从欧洲核子研究中心衍生出来的副产品。

作者给我们的是一本科普读物，而非学术论著，所以阅读本书并不要求读者具备高深的专业知识。本书理论阐述深入浅出、通俗易懂，作者更多地用比喻来描述一些原本高深的物理现象，使它们与我们日常熟悉的现象联系起来。比如，她讲对称的自发破缺：一支铅笔立在圆中心，在那短暂的一刻，所有方向对它都是相同的，存在着一种旋转对称，但铅笔不会总这么站着，一旦它倒下，原来的旋转对称则被打破；再如她用层层官僚机构、秘密在朋友问的传播、甚至是特洛伊战争，让我们理解了虚粒子的作用，还有，微扰理论就像是调颜料，为了得到理想的颜色，一点一点循序渐进地加入少量的接近色。

翻译过程中查阅相关资料，有时会碰到论文或教科书之类，由于有太多的计算和专业术语，很多都是我难以领会的，我想，如若那不是给科学家看的，至少也是给物理学专业学生看的。还是回到这本《弯曲的旅行》，才能更轻松地解读理论物理，这才是给我们大众读者看的书。作者把枯燥的物理理论变得生活化起来，引领我们饶有兴味地读下去。

本书中，生动有趣的比喻处处可见，池塘边的野鸭、橡胶管里的小虫、身材相差悬殊的同胞兄弟。作者说大统一的三种力就如同一个受精卵发育成的三胞胎，虽然最终长成了三个性格迥异的青年：一个留着染了色的朋克头；一个留着水手样的小平头；而另一个像艺术家一样扎着小辫子，但他们都有着相同的DNA，小时候让人难以分辨。有了这样的比喻，你还会感觉理论物理超出我们的理解吗？为了增加阅读的乐趣，抓住读者的注意力，她还在每章的篇首都给出一个短短的生活故事，由阿西娜和他的哥哥艾克贯穿始终。同时，每章标题下还引用了一段或小诗、或歌词、或短评。从中，我们可预期本章的内容，由此唤起阅读的兴致。

书中，我们还能从一个侧面了解到科学家们的生活点滴：在欧洲核子研究中心工作的物理学家是幸运的，尽管城里的冬天常常阴云密布，而他们却能沐浴着阳光，皮肤黝黑地度过冬季，因为在附近的山上就能滑雪、溜冰或是徒步旅行；而有时，他们又会过度专注于自己的思考，甚至过边境时都忘了停车接受检查。拉曼·桑卓姆，作者的一位合作者，尽管他们两人的研究在史蒂芬·霍金那里都倍受推崇，此前他却因难以得到一份正式的教职而不得不做了好几期博士后，甚至差点儿放弃了物理学，好在事情以后有了转机，他已不再难找工作。由此，我们也看出了一位博士后的无奈。还有，作者在咖啡馆里，品着冰激凌，与同事共同探讨新的论题；或者坐在公园的长椅上，看着湖光山色，得出自己的计算。这些点滴，将科学家们作为普通人的一面栩栩如生地展现在我们面前。

翻译该书的过程，也是我学习成长的过程。每译完一章，像是登上了一个山头，极目望去，风光无限。长舒一口气，满怀信心地展望下一山头，又是一片全然不同的风景，迫不及待地要去领略。在翻译过程中，尤其日本人名的翻译是件颇费周折的事，你不可能从英文直接音译成汉字，必须恢复其日语发音，像朝永振一郎是在文献里能查到的，而其他几位如外村彰(Akira Tonomura)等就不那么容易找到了。我请教教日语的同事程笙教授，而程教授又不辞辛劳地打国际长途问过几位日本学者，几经周折才最终从早稻田大学的一位教授那里得到确认。由此，我深深敬佩程教授的严谨和不懈，同时深表感激。另一日本名字村山齐(Hitoshi Murayama)是我的爱人张宏伟先生帮助查阅日本网站找到的，在翻译这本书的过程中，他给予了我许多帮助和支持，在此，也对他说声“谢谢”。田南阳老师为本书校稿，帮我字斟句酌，他付出很多，是我最应表示感谢的人。我要致谢的人还有李绍明老师、季阳老师，正是他们对我的信任和支持，才让我有机会和勇气承担起翻译此书的任务。另外王明岩、杨桂玲、谭慧英也参与了本书的部分工作，在此一并表示感谢。

由于时间紧促，专业知识有限，书中难免出现疏漏和不足，敬请读者不吝指正。

窦旭霞

兰道尔在书中重在唤起读者的好奇心，而不是讲述专业知识，她耐心地引领读者从简单的直觉经验出发，穿越当代物理学的主要概念，直达令人兴奋的科学最前沿。

——史蒂芬平克 麻省理工学院教授，畅销书《语言本能》作者

本书作者可以说是最为杰出的宇宙学家之一。她告诉我们，在咫尺之外可能还有另外一个宇宙，可惜我们看不到它，实际上我们被束缚在了三维空间——这实在是太吸引人了！

——马丁里斯爵士 英国皇家学会会长，剑桥大学天文学家、宇宙学大师

作为一名杰出的探索额外维度的先驱，作者不仅讲述了自己的探索历程，而且驾轻就熟地描述了粒子物理早期发展的广阔领地，正是它们，引出了更多维度的假说。

——戴维格罗斯 诺贝尔物理学奖获得者

读这本书，就如同进入当代粒子物理学前沿做了一次令人兴奋的旅行。你会看到一个顶尖的物理学家，正在思考当今科学领域最棘手的问题，并孜孜以求地探索着答案。

——李斯莫林 加拿大圆周理论物理研究所创立者之一