向爱因斯坦宣战的理论物理学大师、国际理论物理学木又威、当今世界著名的额外维度物理学家丽莎·兰道尔风靡世界之作。

丽莎·兰道尔“宇宙三部曲”首部重磅新书。

《叩响天堂之门(宇宙探索的历程)》，一本书读懂宇宙求索的漫漫历程，科学小白与科学大V都不可错过的年度科普巨作。

人类对宇宙的探索经历了怎样艰辛的历程？宇宙是如何起源的？

科学研究的本质是什么？科学求索的艰辛与惊喜又体现在何处？

丽莎·兰道尔所著的《叩响天堂之门(宇宙探索的历程)》语言通俗易懂、案例妙趣横生，不是聚焦于高深晦涩的术语解释，而是对科学求索的真相与未来娓娓道来，是普通读者了解物质世界的最佳科普图书之一。

重磅赞誉

推荐序发现的激情

中文版序宇宙的故事

引言 欢迎来到科学的世界

第一部分 从宏观到微观，探秘宇宙的历程

 01 神奇的科学尺度

科幻界的怪力乱神

南辕北辙，科学不是魔法

有效理论，忽略细枝末节

光子与光的发展历程

 02 伽里略的科学求索

科学时代的来临

实验观测与思想实验

将望远镜对向太空

探秘微观世界

 03 生于物质世界

未知的尺度

宗教与科学是否彼此相容

物理关联

理性的争端与非理性的例外

 04 物中之妙

谁是“权威”

人们为什么关心这些

第二部分 进入物质世界

 05 谜般的梦幻之旅

从人类尺度到测量宇宙

物质内部的旅行

在人体与原子之间

进入原子核内部

技术之上

 06 “眼见”为实

更小的波长，更小的尺度

把电子扯开

发现夸克

固定靶实验与粒子对撞机

哪种对撞机才是最佳选择

粒子还是反粒子

 07 宇宙的答案

超越标准模型，粒子质量如何非零

探秘暗物质

暗能量，比暗物质更神秘的存在

寻找更多问题的答案

第三部分 大型强子对撞机的传奇历程

 08 一个约束它们的加速环

大型强子对撞机，惊为天人的艺术品

25年，从设想到现实

加速环的成员

低温二极磁铁是关键

穿过真空而对撞

 09 加速环的归来

世界究竟很小

大型强子对撞机是怎么炼成的

2008年9月：第一次试开机

2009年11月：姗姗来迟的胜利

 10 吞噬世界的黑洞

担心世界毁灭的人们

大型强子对撞机中的黑洞

 11 这是一项风险差事

世界上的风险

计算风险是第一步

缓解风险

专家的角色，科学里没有金色降落伞

超级预测

 12 一切都是概率

科学的不确定性

测量的客观性

走运的粒子物理学家

大型强子对撞机的全新可能性

 13 进入大型强子对撞机

一般原理

超环面仪器与紧凑μ子线圈探测器

三个跟踪器

电磁量能器

强子量能器

μ子探测器，发现有趣的碰撞

端帽

磁铁

计算

 14 鉴定粒子

发现轻子

发现强子

发现弱相互作用载体

第四部分 寻找“上帝粒子”

 15 真、美与其他科学错觉

美

看起来很好

科学中的美

美的标准并不唯一

 16 希格斯玻色子，宇宙万物为何产生

希格斯机制，给出基本粒子质量的唯一方法

实验证据的搜寻

希格斯区，对撞足够多的质子

为什么引力如此弱？

 17 谁才是世界的下一个顶级模型？

模型一：超对称

模型二：技术色理论

模型三：额外维度

模型四：大尺度的额外维度与等级

模型五：弯曲的额外维度

回归，等待新世界的出现

 18 “自下而上”还是“自上而下”

弦理论

景观

重归实地

第五部分 缩放宇宙，让我们极目远眺

 19 内外翻转

宇宙之旅

大爆炸：从小到大的演变

 20 君之须弥，我之芥子

宇宙学暴胀理论

暗黑之心

能量、宇宙物质与暗物质谜题

 21 暗黑世界的来访者

透明物质

大型强子对撞机中的暗物质

直接测量暗物质的实验

间接测量暗物质的实验

第六部分 宇宙的探索仍在继续

 22 海阔天空与脚踏实地

另类才能

一沙一世界

结语 寻路宇宙边缘

致谢

注释

译者后记

即便飞速发展的技术让一系列更广泛的观察得以实现，我们也不必直接否定过去曾使用过的理论，毕竟它们曾经对我们可以理解的尺度、能量、速度以及密度，作出了成功的预言。科学理论是推陈出新的体系，它会把旧知识纳入更加综合的图景，而这个图景产生于一系列更大范围的理论和实验观察。这种变化并不意味着旧理论必然是错的，而只表示当更小尺度上的新要素被揭示时，原有的规则就不再适用了。因此，知识可以在随时间扩张的同时容纳旧有的理论。学无止境，永远有新的事物等待我们去探索。正如跋山涉水可使人心荡神驰，即便你不可能遍历全球(更遑论宇宙了)，格物致知也是丰富我们生命的一种追求。“吾之知也无涯”，这激励着我们继续迈出求知的脚步。

我自己的研究领域，即粒子物理学，正在探索更小的尺度，以研究越来越小的物质组分。现在的理论与实验研究试图揭示潜藏在物质内部的存在。但是，物质并非如俄罗斯套娃一样，不断由更小尺度的相同元素嵌套而成。在不断变小的尺度上进行研究的有趣之处在于，在我们进入新领域时，原有的规则将不再适用。新的基本作用力与相互作用也许会在那些尺度上出现，而这些元素的强度在我们现在所研究的尺度上极其微弱，以至于现有的手段根本无法探测到它们的存在。

尺度让物理学家能够确定与任何特定研究相关的尺寸和能量的范围，它对理解科学的进步以及我们所处世界的诸多方面而言，都至关重要。通过把宇宙按照不同尺度分割为各个可以理解的部分，我们认识到，最佳的物理定律并非必然在一切情形下都相同。我们必须把那些在某个尺度上表现更好的概念，与那些在另一个尺度上更有用的概念联系在一起。采用这种归类方式，我们得以把已知的全部事物都纳入一个统一的图景中。在这个图景中，对不同尺度上事物的描述可以截然不同。

在本章我们将会看到，按照尺度对事物进行分类，对于明晰我们对科学以及其他事物的思考颇为有益。它也可以帮助我们厘清为何在日常生活的尺度下，构建物质基石的一些微妙性质是如此难以被我们注意到。在这个过程中，本章也会详细辨析科学中的“对”与“错”，以及为什么一些明显激进的理论进展也未必会导致我们已经熟知尺度上的巨变。

科幻界的怪力乱神

人们常常分不清“科学知识的演化”与“没有科学知识”之间的区别。他们误解了一种情况，即我们在完全没有一些可信赖规则的前提下，试图发展新的物理定律。在一次加州之行中，我与编剧斯科特·德瑞克森(Scott Derrickson)的一次交谈，使我明确了一些误解的起源。那时，德瑞克森正在忙于一些电影剧本的创作，这些剧本试图提出科学与一些可能被科学家们归入超自然现象的事物之间的潜在联系。为了避免专业性错误，德瑞克森决定让一位物理学家(也就是我)来帮忙审核他那些富有想象力的故事情节。于是，我们在一个阳光明媚的下午，在洛杉矶的一家咖啡店共进午餐，以交流我们的想法。

P19-P20

得知我的三本书将在中国出版，我感到十分兴奋。不论在理论物理学还是在实验物理学的舞台上，中国都在扮演着日益重要的角色。

我有一些优秀的中国学生以及博士后，而且我也发现，近年来在中国这片土地上，人们对我研究方向的兴趣正在不断增长。不仅如此，中国的实验物理学也在近期取得了一些重要成果。例如，在大亚湾中微子实验室中对最轻、最重中微子混合的振荡测量，其结果震惊了世人，而且它比人们的预期早了至少一年。现有的暗物质探测器，包括PandaX与CDEX，标定了一些重要的能量范围，并且仍在不断探索，以揭示神秘的暗物质粒子的本质。展望未来，计划在中国建造的最大型的对撞机至关重要，它将成为国际主要的粒子物理学实验装置，并能够胜任探索超越已知领域的重任。

作为一位理论物理学家，我的研究领域涉猎甚广，小到物质的内部结构，大到宇宙、空间的本质。这些研究令人兴奋，然而又很难向他人解释清楚——在没有对应语境的情况下更难说清。这三本书给了我一次机会，不仅可以向世人解释我的研究，还可以同时解释作为我研究基础的量子力学、相对论、粒子物理学与天体物理学等物理学知识。我将乐于讲述一些展现这些领域中研究前沿的宏大故事。

《叩响天堂之门》一书，解释了科学的本质，并强调了尺度的重要性，也即如何在基本粒子、原子、普通物质或是宇宙的尺度上思考科学问题。《叩响天堂之门》一书也探索了科学的发展历程、什么是“对”与“错”，以及创造力在科学发展中的意义。在这本书中，我还预测了大型强子对撞机（LHC）上的物理结果。大型强子对撞机是建造在日内瓦附近的大型加速器，能让高能质子对撞，以产生新的粒子与新的相互作用，它可以用来研究人类之前所不能及的更小尺度。这本书解释了大型强子对撞机如何运作，以及在这一实验中，科学家正在研究什么以及他们未来将要研究什么。

《弯曲的旅行》一书讲述了我对空间中可能存在的卷曲的额外维度的研究——额外维度是在我们容易观察到的三个维度（左-右、前-后、上-下）之外的某个维度。额外维度可能具有重要意义，它将解释基本粒子的质量，并为它们之间的相互作用引入新的理论可能性。这些卷曲也将容许空间具有一个无穷大的额外维度，它将与我们观测到的一切事物相容。为了讲述这个故事，我回顾了前沿研究中的量子力学、相对论、粒子物理学的基础（既有理论，也有实验），还回顾了弦理论。在这本书中，我会讲述我们是如何把所有研究领域联系在一起，我们是如何得到了这一切，以及我们已经走到了哪一步的大故事。

《暗物质与恐龙》一书，既向外审视宇宙的宏大图景，又向内一窥物质的内部结构。它解释了暗物质的本质及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物质是宇宙中捉摸不定的物质，只与引力而不与光相互作用。《暗物质与恐龙》一书也强调了物质的基本性质与我们今日所见的地球、宇宙之间的联系。这本书的内容不仅涵盖了宇宙学，还涉及星系、太阳系和地球之间的相互作用，及其与周边环境的联系。在这一旅程中，我还将解释我对暗物质的新理念：暗物质可能包含了某个小组分，这个组分通过自身的媒介物质——光进行相互作用，而普通物质不与之相互作用。这可能会产生激动人心的结果，包括在银河系平面上，暗物质盘将形成，其引力效应可能导致巨大的流星体撞击地球，从而最终导致恐龙的灭绝。

《叩响天堂之门》《弯曲的旅行》《暗物质与恐龙》三本书包含了粒子物理学的广阔思想领域，是对我的研究以及更宽泛的粒子物理学和宇宙学的一个简述。这三本书把许多新颖且多元的理念与科学领域结合在一起，给出了对今日科学家工作状态的一个感性认知。

在完成《暗物质与恐龙》这本书之后，我已继续投身于对暗物质的研究中。在许多已有研究的基础上，暗物质已经是一个比较成熟的研究主题了。我们在实验上有了许多直接的结果，也开始着手于更好地理解用来探索宇宙的天文望远镜、人造卫星是如何阐明“暗物质是什么”这一问题。同时，理论也在不断发展，人们已经超越了对暗物质粒子非常狭隘的假设，并对“暗物质如何相互作用”有了更深刻的想法。我正在思考关于暗物质粒子全部带电（而不只是一小部分带电）的可能性，并自问这一假设可能导出什么结果。现有的研究忽视了某些使这个假设可行的重要结果，或许这可能只是因为：暗物质着实不像粒子物理学家之前所假设的那么无趣。

理解暗物质这种神秘物质的本质，是一个非常令人兴奋的研究主题，毕竟它占据了全部物质能量的85%。我希望中国的读者能享受这一旅程：跟随我一起探索我们是由什么组成的，宇宙中的相互作用是如何发生的，以及我们这些科学家是如何研究宇宙问题的。我确信，你们将会从中学到许多新知识，同时又能提出属于自己的问题和观点。

众所周知，2012年，“科学家发现‘上帝粒子’”的新闻席卷了全球，为了验证希格斯玻色子存在性的大型强子对撞机也在一夜之间家喻户晓。公众对科学的热情也在与日俱增，一些“民间人士”也发表了对该科学发现的一些观点。现代意义下的科学应该从伽利略说起，因为公理化的理论体系以及实验验证的方法才是现代科学的特征。所以，在“什么是科学”这个问题上，为何不来听一听一线科学家的观点呢?

本书作者兰道尔教授绝非公众所认为的“传统科学家要么是nend要么是geek”——这里我们不单指她那曾经在《时尚》杂志中占据一版的女性魅力，更指她的个人魅力：她对哲学、历史、宗教、文学、艺术和电影等方面，都有着深入的涉猎与思考，并且善于从科学的角度提出自己的见解。作为一位弦理论学家，她的代表性成果是兰道尔一桑卓姆模型。这项研究工作于21世纪初在弦理论和宇宙学界引起了一番轰动。在本书中，兰道尔教授也用一定的篇幅介绍了这项工作，并采用比喻、图示等方法以让读者更好地理解它。

近年来，兰道尔教授的主攻方向是对额外维度的研究。在本书中，她也将花大量篇幅介绍额外维度如何帮助我们解决宇宙学常数、希格斯等级问题、黑洞、暗物质等问题。同时，她也是直接参与大型强子对撞机工作的一线物理学家。她的叙述让我们了解了大型强子对撞机在建造、运行过程中的许多轶事，让我们不禁赞叹大型强子对撞机是多么浩大的一项工程。书中同时向我们指出该实验如何为物理理论服务，譬如，可以用来检验什么理论模型。其中，她向我们展示的科学研究的苦痛与欢乐，只有身在其中方能体会。可以说，《叩响天堂之门》是一本内容丰富又有趣的科普作品。它将一位理论物理学家对生命、宇宙以及物理规律的理解娓娓道来。

记得当时湛庐文化的编辑找到我，问我认不认识具有物理学背景的专家学者，或者我自己是否感兴趣翻译兰道尔教授的几本著作时，我在几本相关资料中，对这本《叩响天堂之门》产生了极大的兴趣，也立即想到了杨洁老师。杨洁老师在加州理工学院获得博士学位，科研方向是拓扑弦理论，理论物理背景深厚，应是翻译此书的上佳人选。彼时，杨洁老师在美国做访问学者，学术工作繁忙，无法在编辑要求的时间内完成任务。于是，我请缨与她合作翻译本书，并且商定：本书前10章由我翻译，后面的章节由她翻译，并且交换审阅译稿。

在此我感谢湛庐文化的信任与支持；感谢兰道尔教授的平易近人与大家风范。当我们把翻译过程中遇到的80余个问题以电子邮件的形式-咨询她时，她耐心地一一给出了解答与回应，并且修正了一些错误。

正如著名物理学家费曼在自己的《费曼物理学讲义》一书中所说：

一个诗人曾经说过，“这个宇宙就在一杯葡萄酒中”，我们大概永远也不会知道他是在什么背景下说这句话的。但是如果我们足够细致地观看一杯葡萄酒，我们的确看到了这个宇宙。这里有物理学的东西：涡动的液体，其蒸发依赖于风和天气，酒杯玻璃上的反射，我们想象的原子。玻璃是地上岩石的提纯物，在其成分中我们看到了宇宙年龄和恒星演化的奥秘。葡萄酒中的种种化合物又有着怎样奇特的排列?这些化合物是怎样产生的?这里有种种酵素、酶、基质和它们的生成物。在葡萄酒中发现了伟大的结论：整个生命过程就是发酵。所有研究葡萄酒化学成分的人都会像巴斯德那样，发现许多疾病的原因。红葡萄酒多么鲜艳!把它深深地铭刻在你脑海中吧!如果我们微弱的心智为了某种便利，把这杯葡萄酒——这个宇宙分为几部分：物理学、生物学、地质学、天文学、心理学等，那么让我们记住，大自然并不知道这种分法。所以让我们把所有这些都放到一起，别忘记这杯酒最终的用途。让它最后再给我们一次欢乐：干杯，忘了它!

让我们跟着兰道尔教授一起，饮下《叩响天堂之门》这杯“佳酿”吧！