宇宙是无中生有的吗？
世间的万物从何而来？
人类如何走到今天，如何拥有如此多伟大的科学发现？
物理学如何让这个世界变得更美好？
宇宙和真实世界中有着怎样的运行规律？
人类存在的意义是什么，未来又会何去何从？
……
想知道这些深奥问题的答案吗？请翻开《最伟大的智力冒险》。它将用诗意的故事告诉你关于物理学、宇宙、时空、人类的一切奥秘。
此外，还有引力。之后，万物接踵而来……就让我这样开始讲述我要讲的故事——人类历史上最伟大的智力冒险。”由此开始，作者劳伦斯·M.克劳斯带开启了一个未知的世界，以专业的科普知识带领我们与宇宙相连。他用简洁生动的文字阐述了人类目前对于自然世界的认知，并建构了粒子物理学的标准模型，借由宇宙的起源使我们理解人类存在的意义。从望远镜到显微镜，穿越时间与空间，去发现自然世界的美好和地球源源不绝的生命力。让我们跟随克劳斯的脚步，回到一切的开端，见证宇宙的演化。一场跨越时空的智力冒险之旅即将开始，做好准备颠覆你的思维和想象力吧！

劳伦斯·M.克劳斯，美国著名理论物理学家、评论家和备受赞誉的科普作家。是宇宙学和天体物理学研究领域备受推崇的国际领导者，凯斯西储大学的教授和教育与研究中心主任。出版了多部具有影响力的科普作品，著作《无中生有的宇宙》曾获2011年美国最佳科普图书奖。他还是纽约时报的评论家，被《科学美国人》杂志誉为“罕见的公共知识分子”。

前言 我们为何生活于此
第一部分 未知与探索
01 从纳尼亚的衣橱到柏拉图的洞穴
对隐秘世界的向往
科学发现的本质
02 望穿黑暗，揭开光学奥秘的面纱
光到底是什么，一个长达400年的疑问
是粒子，还是光波？
法拉第的“场”
03 光在镜中，找寻光的本质
从白光到七色光谱
电磁统一
光就是一种电磁波
04 去而复返，解开光速的谜题
所谓静止状态，不过是一种幻觉
到底怎样测量光速
05 四维时空，缝合时间与空间
“先来”与“后至”
什么才叫“真实”
06 现实的影子
光是波也是粒子
上帝不和宇宙掷骰子
07 量子世界，奇幻宇宙
海森堡不确定性原理
大自然并不关心人类的想法
疯狂的量子世界
08 时间的褶皱
反粒子真的存在吗
虚粒子为什么必须是一个
对称性必不可少
09 衰变与碎片
一毫厘质量之差，让我们能够存在于世上
10分钟的永恒
10 核裂变，太阳光芒万丈之源
处处皆有弱相互作用
太阳能量的来源之谜
第二部分 绝望与拯救
11 构想新粒子，绝望时代的绝望之举
原子核问题，物理学家最为困惑的问题
去构想些新粒子
问题依然存在
12 巨人们的远征
一切始于两大理论
如果让“左”“右”互换
13 进化至美：对称性的反击
将完美隐藏于我们司空见惯的事物之中
别将棋子挪得太远
14 冷酷世界：破缺的到底是好是坏
从秩序到对称破缺
发现超导
15活在超导世界
夸克，一个美妙的粒子
磁悬浮，超导体最为惊人的特质之一
16 物理学所能承受之重：对称性破缺
自发对称性破缺的破绽
希格斯粒子。一个“漂亮的模型”
第三部分 荣耀与启示
17 希格斯场：错误的地方，正确的时间
我们生活的世界，真的就是一个“超导体”
希格斯场如何凝聚，决定了你我的存在
18 大雾散去，量子力学的黄金时代
电弱统一理论的两面
“飞机”是隐形的
19 我们存活于一个自由世界
是时候彻底“杀死”量子场论了
正反夸克的相互作用
那些和我们存在有关的“基本量”并不是基本的
W玻色子和Z玻色子，我们房间里的两头大象
20 让粒子对撞。发现新粒子
建造高能加速器，让两束粒子对撞
希格斯粒子。粒子物理的大圣杯
21 21世纪大教堂
大型强子对撞机，人类有史以来最为复杂的机器
大教堂和加速器都是人类文明最好的纪念
22 问题多过答案
下一层现实正在召唤我们
把大统一事业进行到底
23 漫无目的的宇宙
宇宙正处于一个新的“暴胀”阶段
宇宙根本就不在乎我们的喜好
后记 虚怀宇宙

我们为何生活于此
看透真相。最为困难。
——J.A.贝克，《游隼》
创世之初，便有了光。
此外，还有引力。之后，万物接踵而来……就让我这
样开始讲述我要讲的故事——人类历史上最伟大的智力冒
险。故事里，世界各地的科学家们，竭尽所有的创造力、
智力与勇气，一起探索我们无法感知的真实世界。为此，
科学家们抛弃了一切的主义、偏见、信条，无论它们源于
科学还是其他领域。这段故事跌宕起伏，千回百转，横贯
了人类历史。更令人惊叹的是，故事仍尚未定型——我们
所有的，不过是它的初稿。
这是一个值得广为传颂的故事。千百年来，神话和迷
信慰藉着大众。而现在，科学正在世界范围内，一步一步
地取而代之。然而，得益于导演乔治·史蒂文斯（George
Stevens）和大卫·里恩（David Lean）的电影，基督教
徒和犹太教徒的《圣经》常常被人们冠以“史上最伟大的
故事”之名。这样的盛誉让我诧异。尽管《诗篇》
（Psalms）中有诗歌，但《圣经》的文学价值还是不能与
古罗马的史诗《埃涅阿斯纪》（Aeneid）和古希腊的史诗
《奥德赛》（Odyssey）同日而语。《圣经》提出的世界观
和伦理观，现在看来已经过时。
对于科学来说，“神圣”是一种亵渎。没有什么观点
是神圣到不容争辩的，无论它出自何处。正因为如此，先
知们的牺牲并不是史上最伟大的故事的终结。千百年来，
人类从何处来、向何处去的故事不断口耳相传。岁月流转
，这些故事也愈发变得有趣。其中的原因，并非来自天启
，而是源于接连不断的科学发现。
与大家的先人之见不同，这段关于科学的故事充满诗
意，蕴藏着巨大的精神力量。这种精神力量和现实世界紧
密相连，却和人类的梦想与希望无关。
在这段探索未知的旅途上，引领我们的并不是人类的
渴求，而是科学实验的力量。科学上下五百年，人类因此
摆脱了无知的枷锁。一路走来，我们学到的教训，就是要
始终保持虚怀若谷。按照这个标准，妄言宇宙的存在是为
了人类的存在，是多么自大；臆断宇宙时时刻刻都与我们
能够感知的世界一样，是多么浅薄！
科学使我们最终丢弃了人类中心论。代替这一观点的
，又会是什么呢？人类是否在这一过程中遗失了一些东西
？或是如我所见的那样，收获了更多？
我在一次公众演讲中这样说过，科学就是让人感觉“
不舒服”。事后我有些后悔，担心这会把一些人吓跑。然
而，让人感觉“不舒服”，并不是科学制造的阻碍，而是
它的一大优点。在漫长的进化过程中，人类固化了一种感
觉：我们会欣然接受那些有助于人类生存的概念。比如说
，孩子们经常会这样想，事物的存在是有目的性的，是为
人类服务的，没有生命的物件其实是具有能动性的。毕竟
，错把某个一动不动的物体视作潜在的威胁，总是好过错
把某个威胁视作一动不动的物体。
可是，进化并没有帮助我们准备好理解微观世界、宏
观世界、高速运动的世界所需要的直觉。它们存在于我们
的感知之外。而一些最为重要的科学发现，比如说进化论
、量子力学，恰恰发生在这些领域。因此，我们理所当然
地觉得这些理论反直觉，让我们不舒服。
可回过头来看，这也恰恰说明了科学故事的价值所在
。那些最好的故事，总会带给听众一些挑战。它们允许我
们通过不同的视角审视自我，探究人与自然的奥秘。那些
最伟大的文学、音乐、艺术作品，都是这样的故事。而科
学亦然。
一些人说，现代的科学启蒙取代传统的宗教信仰，意
味着人类“信仰的沦丧”。这样的想法相当不幸。请想象
一下，将来，我们的孩子能够讲述多少我们从未听过的故
事？科学对人类文明最大的贡献，正是在于它向我们保证
了这样一点：人类最伟大的篇章，并不存在于过去，而是
存在于未来。
每段史诗的背后，总有一种道德价值。在我要讲的故
事中，人类通过实证发现，追寻着宇宙为人类指明的方向
，并在这一过程中展现出人性最好的精华，可以创造出巨
大的精神力量。这个故事赋予我们投身未来所必备的工具
、视野和正向期待。
我们所生活的世界，没有明显的计划或目的
在我的上一本书《无中生有的宇宙》（A Universe
from Nothing）中，我描述了过去百年里革命性的科学发
现是如何重塑人类的宇宙观的。这些改变使得科学开始直
面这样一个本属于神学的难题——为何宇宙充满物体，而
不是空无一物？科学的介入使得这个问题少了一些唯我论
的特征，多了几分操作层面的实用性。
本书所讲的故事，源于我在华盛顿特区史密森尼学会
（Smithsonian Institution）所做的一次报告。当时的
反响相当不错。这促使我提炼报告的观点，开始本书的写
作。以上经历和《无中生有的宇宙》如出一辙。与上一本
书的侧重点有所不同，本书中，我将潜入人类知识的另一
个极端，探索这些知识如何改变我们对一些世纪难题的理
解。过去百年间，我们对微观世界的认知发生了翻天覆地
的变化，这些改变使我们能够回答另一个根本性的问题：
“我们为何生活

著名理论物理学家、宇宙学家，引力波领域研究专家劳伦斯·M.克劳斯重磅新作！
在本书讲述的伟大故事里，世界各地的科学家们竭尽所有的创造力、智力与勇气，一起探索我们无法感知的真实世界。情节起伏，千回百转，带领读者穿越了人类历史及科学发展史，激发出无穷的想象力。
史蒂芬·平克、理查德·道金斯、马丁·里斯、布莱恩·格林等学界大咖联袂推荐。

虚怀宇宙
“万事有泪，死生同悲。”
在古典时代的第一部伟大史诗中，维吉尔写下了这样
的诗句。之所以选择这句话为本书点题，不但是因为我的
故事包含了史诗的一切要素：跌宕的情节、人性的悲剧和
升华，更是因为我写作的动机与先人创作史诗的动机相似
。
为什么我们要从事科学研究？部分原因在于，它能加
强我们对环境的控制。通过更好地理解宇宙，我们可以更
加准确地预测未来，造出改善未来的仪器。
然而，我觉得人类从事科研的终极原因来源于一种紧
迫感：我们需要更好地了解人类的起源、人类有限的生命
以及你我自身。人类通过解决一个又一个的难题，得以生
生不息。当人类在进化过程中建立优势之后，我们产生了
解决更多难题的奢望——这些新的难题并非如何发现食物
，如何逃避狮子的追捕，这些难题关乎我们所在的宇宙。
恐怕没有什么问题比它们更加吸引人了。
在生物进化的过程中，人类缺乏选择。我们发现自己
生活在一个形成于45亿年前的行星上，这颗行星位于一个
形成于120亿年前的星系中，这个星系属于一个诞生于138
亿年前的宇宙，这个宇宙拥有1000亿个星系，所有这些星
系因为一些未知的原因，正离开我们，加速远去。
在以上这幅图景中，人类起了什么作用呢？对宇宙来
说，人类的存在有特别的意义吗？这个宇宙经历过大起大
落，我们的存在和这些起落有什么关联呢？
对大多数人来说，人类存在的核心问题总是可以归结
为一系列先验的问题：为什么会有宇宙？我们为何活在此
地？
当我们想回答“为什么会这样”的问题时，我们最好
先回答“如何会变得这样”，后者会让前者变得更加精确
。在我的上一本书《无中生有的宇宙》中，我描述了科学
如何回答上述第一个问题。在本书中，我所讲的故事或许
是第二个问题的最佳答案。
人类为何在这里存在？面对这样一个难题，我们拥有
两个选项。我们可以假设人类的存在具有特殊的意义，宇
宙是为了人类存在而存在的。对于大多数人来说，这是一
个让人舒服的选项。它也是古人的选项。古人把大自然拟
人化，对他们来说，世界遍布饥饿和死亡，充满对人类的
敌意。只有在拟人化之后，古人才能获得理解这个世界的
些许希望。它同时也是世界上几乎每一个宗教的选项。面
对人类为何存在这个难题，每个宗教各有自己的主张。
可到底该接受哪一种主张呢？人们的不同选择孕育了
各自的圣典。《新约》常常被人们称作“人类有史以来最
伟大的故事”，它告诉我们一个文明如何发现自身的神性
。然而，我发现人类会为了缔结怎么样的婚姻、背诵哪一
段祷文、追随哪一位先知而展开杀戮和战争。这不禁又让
我想起了《格列佛游记》里的故事：人们会因为信仰不同
的敲蛋方式而相互厮杀。
想要解释人类为何存在这个难题，我们还有另外一个
选项：我们不需要做任何假设。这个选项引出了另外一段
故事。在这段故事中，人类扮演着谦卑的角色，宇宙定律
独立于人类的存在，我们可以仔细检验定律的细节，并为
每一个波折大为惊叹。
本书中，我讲述了一出关于人类的戏剧。和所有的戏
剧一样，我们的故事描述了人类历史上最为大胆的智力追
求。对于一些人来说，它甚至和圣经故事有着对应。自标
准模型完成以来，我们在沙漠中徘徊了40年。最终我们发
现了应许之地。真相，至少是我们目前所知的真相，已经
摆在了我们面前。它便是规范对称性理论。尽管对多数人
来说，它不过是一幅难以理解的涂鸦。这部分真相不是天
使通过金片传给我们的，它们的来源更加贴近我们的实践
：它们来自实验，来自一大群个体的辛勤劳作。这些人想
要知道自己提出的模型是否正确描述了这个世界，这个可
以被观测和实验的世界。我们的艰苦奋斗是伟大的，同样
伟大的是我们通过艰苦奋斗所取得的成果。
这里，我想总结一下本书的结论，即：我们为何生活
于此？这个问题的答案非常重要，它向我们揭示了，我们
日常体验的宇宙不过是真实宇宙的投影。
博物学家J．A．贝克在《游隼》中这样写道：“看透
真相，最为困难。”在本书开头，我引用了这句话。之所
以这么做，是因为我所讲的故事正是这句箴言最好的印证
。
我以柏拉图的“洞穴寓言”作为本书的开头。我不知
道还有什么寓言能够更加贴切、更加抒情地隐喻科学的发
展。人类生存的伟大胜利，在于摆脱人类感官强加于你我
认知的枷锁。真实的世界或许拥有人类无法理解的数学美
感。对真实世界来说，人类的存在与否也是完全无所谓的
。
现在你问我“我们为何生活于此”，我所能给出的最
佳答案就是，这不过是一系列“巧合”的产物。真空中的
希格斯场，恰好以某种特定的方式发生了凝聚，接着演化
出了今日的世界。你或许会想，这次凝聚肯定有特别意义
。可就意义而言，它其实和早晨在玻璃窗上结的霜差不了
多少。探讨人类存在与否的物理定律，就其重要性而言，
和霜花世界中的“上…‘下”之争差不多，和《格列佛游

《最伟大的智力冒险》确实堪称一个最伟大的故
事，它讲述了宇宙如何诞生、由什么构成，以及它是
如何运作的。而克劳斯正是这段伟大故事的温暖而
quan威的向导。未来的人们无疑会这样评价此书：这
是人类最伟大的成就之一。
——史蒂芬·平克 世界著名语言学家、认知心
理学家，畅销书“语言与人性”四部曲作者
与一些非常“聪明”的科学家不同，劳伦斯·M.
克劳斯并不满足于在现代物理学的奥林匹斯山上“晒
太阳”。他是一位伟大的教育家，也是一位伟大的物
理学家。与一些科学教育者不同的是，克劳斯并没有
降低整本书的难度，却真正实现了爱因斯坦的愿景，
让这次伟大的智力冒险变得“尽可能简单，但绝不简
单”。
——理查德·道金斯 全球知名科学家、演化论
生物学家，畅销书《自私的基因》作者
发现物质现实的基本特性是人类最伟大的集体成
就之一。《最伟大的智力冒险》这本书很好地叙述了
这一主要思想及其产生的过程。作为一位在物理学领
域耕耘多年的科学家，克劳斯拥有得天独厚的条件，
是深入了解推动这一关键进展的人物。而作为一位成
熟的作家，他又成功地使物理学变得“尽可能简单，
但绝不简单”。在这个主题上，我找不到比《最伟大
的智力冒险》更好的书了。
——马丁·里斯 英国皇家学会前任主席，剑桥
大学天体物理学家，坦普尔顿奖获得者
在一个世纪的时间里，物理学从怀疑原子是否真
实存在，发展到出现可以预测亚原子粒子性质的精确
到小数点后十位的方程式。劳伦斯·M.克劳斯恰如其
分地将其列为所有故事中最伟大的成就之一。这本书
既引人入胜，又富有诗情画意，克劳斯以科学家的洞
见和作家精湛的写作技巧讲述了整个故事。
——布莱恩·格林 哥伦比亚大学理论物理中心
主任，《宇宙的琴弦》作者

01 从纳尼亚的衣橱到柏拉图的洞穴
在我的故事之初，便有了光。
当然，在时间的起点，光就已经存在。可在我们谈论时间的起点之前，不妨先去探索一下人类自身的起点，也是科学探索的起点。这趟探索之旅意味着回归科学与宗教的初衷：渴望发现我们经验中的宇宙之外的存在。
对隐秘世界的向往
对许多人而言，正是这种渴望赋予了宇宙某种目的和意义。人们将其升华为一种对隐秘世界的向往。那片隐秘世界应该是个世外桃源，没有原罪，没有痛苦，也没有死亡。可对另一些人而言，隐秘世界有着完全不同的含义。它应该是一个存在于我们感知之外的物理世界。透过这个隐秘世界，我们可以洞悉事物的行为，而非空谈行为的意义。这个隐秘世界筑起了我们的生活体验，对它的理解是我们改变人生、环境和未来的力量源泉。
这两个世界的对比，出现在两部风格迥异的文学作品之中。
第一部是C.S.刘易斯（C.S.Lewis）的小说《狮子、女巫和魔衣橱》（The Lion, the Witch and the Wardrobe）。这部20世纪奇幻儿童文学经典充满了基督教的色彩。它描绘了一段发生在很多人身上的童年经历—到床底下、壁橱里或阁楼上寻宝，搜索隐秘世界的蛛丝马迹。故事讲述了第二次世界大战期间，几个学童为躲避战火而离开伦敦，来到乡下生活。某天，他们意外地爬进了一栋乡下别墅的大衣橱里，进而发现了一个名为纳尼亚的奇妙世界。故事中，孩子们得到了狮王的帮助，最终拯救了纳尼亚王国。而为了战胜邪恶，狮王如同基督一般甘受羞辱，并在祭坛上自我牺牲。
尽管刘易斯的童话有着明显的宗教暗示，我们仍然可以换个角度来看看这个故事—它是一则无关乎神明或者恶魔的寓言。这则寓言向我们揭示了一个波澜壮阔、令人生畏的未知世界。它就静静地存在于我们的感知之外，等待着我们鼓足勇气将其发现。而一旦被发现，它便能够丰富我们对自身的理解，并为那些急需归属感的人提供人生的目的和价值。
大衣橱散发着熟悉的旧衣服的味道。藏在里面的传送门安全地与外界隔离，却又显得愈发神秘。这样的设定需要突破经典的时空观。如果一个观测者只是徘徊于衣橱的前后，那他什么也发现不了。只有进入衣橱之后，他才能发现那个隐秘世界。这也意味着，人在衣橱内感知到的实际空间肯定比衣橱本身要大得多。
而这恰恰是宇宙的一个特征。广义相对论中，时间和空间具有动态性。举个例子，对站在黑洞“视界线”（物质一旦进入视界线，便再也无法逃脱）以外的人来说，黑洞的体积可能极小；可对于进入黑洞内部的观测者来说（假设他尚未被引力撕成碎片），他所看到的黑洞体积可能大不相同。尽管没有确凿的计算支持，但确实存在一种可能性，即黑洞内部存在着一扇通往其他宇宙的传送门。
让我们回到正题。在文学作品、哲学想象及其他领域中，还存在着另一种针对隐秘世界的想象。在这种想象中，那个总是存在于我们感知之外的宇宙，与现实空间的真相有着密切的联系。
以上观点的雏形出现在一段“上古”故事中，它比刘易斯的奇幻小说足足早了2300年。此处，我所指的故事即是柏拉图所著《理想国》（Republic）中的“洞穴寓言”。在整部《理想国》中，这则寓言是我的最爱。尽管出现甚早，“洞穴寓言”却一针见血地阐明了理解隐秘世界的必要性，及其可能带来的风险。
在这则寓言中，柏拉图将生活在经验现实中的人们比作一群从小就生活在洞穴中的囚徒。他们被迫终生面朝石壁。石壁是他们眼中唯一的真实世界。囚徒们的背后有火堆，一些物体在火堆前移动，火光将石壁照亮，也将物体投影到石壁上。于是，囚徒们总能看到一些影子在石壁上移动。
在高中课本里，我第一次读到了“洞穴寓言”。课文取自柏拉图《对话录》1961年英译本。下面这幅图来自我当年的教科书。现在看来，这幅图显得有些可笑。尽管它只是图形化了《对话录》对洞穴的描述，可它带着几分鲜明的时代感。举个例子，为什么所有的囚徒都是衣着不多的女性？在柏拉图的时代，男孩子大概更受欢迎。
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