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我们正沐浴在一道划时代发现的曙光之下。
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世界上规模最大的粒子物理学及宇宙学实验正在缓缓拉开序幕，全球顶尖的物理学家和天文学家纷纷投身于这场科学盛宴中。科学家们未来10年将要作出的发现，终将使我们对物质的基本构成乃至空间本身的认知发生巨变。这将为我们理解物理世界的本质提供更为全面的视角。关注这些进展的人们不会仅仅把它们当成后现代时期的“附属品”。我们致力于探索一些伟大的发现，这些发现有可能引出属于21世纪的科学新范式。这种范式将有助于我们探索宇宙的潜在构造，从那些尚未被人们发现的视角，改变人们对宇宙基本构造的认识。
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2008年9月10日是一个历史性的日子。就在这一天，大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）首次试运行。尽管“大型强子对撞机”这个名字直白乏味、毫无创意，然而正所谓“圣人无名”，它取得的科学成就必将令世界惊叹。在“大型强子对撞机”这个名字中，“大型”是指对撞机本身，而非其中参与对撞的强子。大型强子对撞机包含一个全长26.6公里的巨型地下环形隧道，该隧道穿过了法国与瑞士的国界线，把侏罗山和日内瓦湖连接了起来。隧道中的电场同时加速两个粒子束，每一束都包含着数十亿质子（隶属于强子，对撞机也因此得名），它们以每秒11000圈的速率在隧道中狂飙。
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大型强子对撞机要负责有史以来从很多方面来看都规模最大、最引人注目的物理实验的运行。其目的是，在小到无人测量过的尺度，以及高到无人探索过的能标上揭示物质结构之谜。这些能量会形成一批基本粒子，并揭示早期宇宙演化过程中出现的相互作用——这些都是在宇宙大爆炸之后大约一万亿分之一秒的时间内发生的。
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大型强子对撞机的设计穷人类之智慧，可谓巧夺天工，但它实际的建造过程却存在许多预期之外的困难。令那些急于探索自然奥秘的物理学家以及其他好奇者懊恼的是，在大型强子对撞机试运行仅仅9天之后，某个不良的焊点就引发了一场爆炸。但是，随着大型强子对撞机在2009年秋天的回归，并以超出所有人的期待良好运行的这一事实，让25年前人们的承诺终于逐渐变成了现实。
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2009年春天，普朗克（Planck）卫星与赫歇尔（Herschel）卫星在法属圭亚那发射。我从一个来自加州理工学院的兴奋的天文学观测组那里获知了发射时间，即5月13日早上5：30。当时，我在帕萨迪纳（Pasadena），从远处亲眼见证了这个意义重大的事件。赫歇尔卫星将提供关于恒星形成过程的观测，而普朗克卫星将为我们提供大爆炸残余辐射的细节信息——这有助于我们了解宇宙的早期历史。发射虽然激动人心，但也令人紧张——毕竟还存在2%～5%的失败率，而一旦发射失败，科学家们数年来的辛勤工作，就会随着坠毁于地球的卫星中的定制科学仪器一同付诸东流。所幸，这次意义重大的发射非常顺利，它在日间发回的宝贵信息宣示着它所取得的巨大成功。即便如此，我们也还要等待许多年，以待这些卫星中关于恒星和宇宙的最有价值的数据被科学家们揭示出来。
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科学之美，拓宽知识的边界
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对于宇宙在大尺度上以及在高能标下的行为，物理学家已经建立了基础牢靠的理论模型。现有的理论和实验，已经让科学家们对宇宙的基本元素和结构有了深刻的理解，这种理解涵盖了极为广阔的尺度范围。这些年来，我们已经逐渐推演出了一个综合而细节明晰的架构，它可以把之前我们已经获得的理论碎片拼合在一起。这些理论成功地描述了宇宙是如何演化而来的：极小的成分形成了原子，然后聚合为恒星，继而形成星系以及更大的、遍布宇宙的结构；还描述了某些恒星如何爆炸、产生重元素，这些重元素又如何进入银河系、太阳系，并最终成为生命诞生的基石。 通过大型强子对撞机以及上面提到的卫星探测的实验结果，如今的物理学家们希望能建立一个基础更加坚实、涵盖领域更广的理论，该理论可以加深人们在更小尺度与更高能标上对宇宙的理解，使理论达到之前从未达到的精确度。这将是人类迈出的一大步，而你我对此都怀有凌云壮志。
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你应该已经了解过一些清晰明确的科学定义，它们比宗教信仰中的定义要明了得多。然而，这些定义形成的真实过程却极为复杂。即使我们倾向于认为，它们是外在真实世界以及物理世界运作规则的真实反映（至少我在科学之路上启程时是这么想的），然而实际的研究几乎不可避免地都是在一种不确定的状态下进行的。在这种状态下，我们期望取得进展，但不确定方向是否正确。科学家面临的挑战是：坚持那些有前途的理念，并不断地质疑它们，以确认其真实性及其蕴涵的真正意义。科学研究不可避免地涉及对那些精致、优美理念的权衡。这些理念往往处于困难、竞争与矛盾的边缘，也因此令人备加兴奋。总之，我们的目标是尽力拓展已有知识的边界。 当有人开始刻意篡改数据、概念以及方程式时，即使是那些原本正确的理念，也变得不确定起来。
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我的主要研究对象是基本粒子——对已知尺度最小的事物的研究，领域涉及弦理论以及宇宙学——对已知尺度最大的事物的研究。我与同事们致力于理解以下这些问题：
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●物质的核心是什么？
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●宇宙中正在发生什么？
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●那些由实验发现的基本物理量和性质，在本质上是如何联系在一起的？
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像我这样的理论物理学家并不会亲自去判定什么理论适用于真实世界的实验，而是试图对可能的实验结果进行预测，以及帮助设计测试某些理论有效性的新实验方法。在可预见的未来，我们试图回答的问题对于改善人们晚餐食物这种事情毫无裨益，但这些研究将会回答以下终极问题：我们是谁？我们从哪里来？
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《叩响天堂之门》讲述的是我们的研究内容，以及我们面对的最重要的科学问题。粒子物理学与宇宙学的新发展有望修正我们理解世界的理论，譬如世界的诞生与演化，以及驱动其运作的基本作用力。本书将要描述在大型强子对撞机上进行的、期望能够发现新事物的实验和理论研究；也会描述宇宙学的研究成果，即我们如何试图推断出宇宙的本质，尤其是宇宙中无所不在的神秘暗物质。
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本书的视角不止如此，它还将探索适用于所有科学研究的普遍原则。虽然我们要描述当今科学研究的前沿，但是本书的核心目的在于辨析科学的本质。它将描述如下过程：
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●我们如何决定提出什么样的问题是恰当的；
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●为何科学家们对这些问题众说纷纭；
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●正确的科学观念如何最终得以成为主流观点。
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本书将要探索科学发展的真实方法，并将之与人类对其他探寻真理方法的尝试相对比，给出一些科学的哲学基础以及描述一些“中间阶段”。在这些阶段，我们尚不确定孰对孰错，也不清楚前路终于何方。但是这些思考的重要之处在于，它们向我们展示了科学理念、科学方法是如何在科学之外的领域应用的，进而如何促进了那些领域中更加合理的决策的形成。
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漫漫科学旅程，看尽将实而仍虚的奇迹
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《叩响天堂之门》面向的是非科学专业的读者，他们可以通过本书对现代理论物理学和实验物理学有更深入的了解，对科学思想的基本原理以及现代科学的本质产生更高的审美情趣。人们往往并不真正懂得“科学是什么”“我们可以期待科学告诉我们什么”。本书是我意图纠正人们一些误解的尝试，或许还包含一些沮丧心情的发泄——这些发泄针对的是科学在当代被理解和应用的方式。
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近年的工作使我拥有了一些不平凡的经历以及社交经验，从这些经历与交流中我获益良多。我打算以分享这些经历为切入点，开始我们对一些重要理念的探索。即使在本书涉及的领域中我并非全能专家，而且出于篇幅所限，我不可能在描写中做到面面俱到，然而我依旧希望，通过《叩响天堂之门》，能够带领读者走向更加丰富的思考方向，并尽可能地解释一些在这些方向上最新的、最令人兴奋的进展。本书也会帮助那些有志于在未来探寻更深层次答案的读者，帮他们确定那些最值得信赖的科学信息和误导信息的来源。本书深入浅出地表达了一些理念，这些理念有助于我们更彻底地理解隐于现代科学之下的一些思辨，从而为科学研究以及当代社会面临的重要问题铺就一条光明大道。
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在这个电影前传盛行的时代，你可以认为本书是《弯曲的旅行》（Warped Passages ）[0] 的前传，以及对“我们已经走到了哪一步”“我们正在预期什么”这些内容的更新。它补充了之前没有讲到的内容、回顾了新观点及新发现之后的科学基础，进而解释了为何我们当下静候于进展的边缘，等待新的数据以便迈步前行。
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本书将在以下两点之间交替叙述：一为今日科学已经取得进展的细节，二为隐含在科学之下的那些必要话题以及概念——提出这些，对理解更为广阔的世界也很有用。本书第一部分、第二部分的第11章与第12章、第三部分的第15章与第18章以及最后一章，偏重讨论科学思想，其他章节则偏重物理学本身，包括在物理学上我们已经走到了哪里，以及对漫漫来路的回首。从某种意义上来讲，《叩响天堂之门》和《弯曲的旅行》这两本书是一体的，建议读者一同阅读。现代物理学宛在天上，它晦涩难懂，与日常生活毫不相干。然而，指导我们思考的哲学和方法论基础，应当能够明晰科学及其相关的思想，正如本书给出的许多例子一样。相反，一个人只有具备一些真正的科学基础知识才能完全领会科学思想中的一些基本元素，并落实这些想法。有着更高要求的读者也许会略读或干脆跳过其中一方面的内容，然而两者的适度结合才能在我们这道科学盛宴中烹饪出绝佳美味。
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