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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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全书将反复提到一个关键词“尺度”（scale）。物理定律为已经确定的理论与其对自然的描述如何结合为一个有联系的整体，确立了一致的框架：小到大型强子对撞机上进行的实验尺度，大到整个宇宙的尺度。[1] 关于尺度的这些说明，以及在这条探索的道路上我们将要邂逅的那些既定事实与理念，对我们的思考有着决定性意义。已经确定的科学理论适用于目前我们可以理解的尺度。然而，在那些从先前从未探索过的或大或小的尺度上，我们正在获得的新知识将为我们引入更精确、更基础的理论。第1章将着眼于介绍“尺度”的概念，并解释科学家为何把万物按照其尺度分类，对于已有的物理学与建立在其上的新科学进展是必要的。
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本书第一部分也会介绍并对比科学家们在攀登科学高峰时，所选择的不同道路。当你询问人们在思考科学问题时的感受时，得到的答案很可能因人而异。某些人可能会坚持他们对物理世界严格而刻板的印象；一些人也许会把它当作一个不断被修正的原理的集合；另一些人或许会声称：科学不过是另一个信仰系统，与宗教或哲学并没有什么本质区别。这些观点也许都值得商榷。
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为何有如此多的争论（哪怕是在科学内部），这是科学演化本质的核心问题。第一部分会介绍一点历史知识，它揭示了今日科学如何扎根于17世纪人类智慧的土壤，以及一些有关科学观念与宗教观念的正面交锋。这一部分也将着眼于唯物主义者对物质的观点、科学-宗教问题的棘手应用，以及“谁来回答基本问题”“如何回答它们”等问题。
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第二部分将转而讨论物质世界的构造。它将为我们的科学之旅导航，引领我们从熟悉的尺度一直探索到已知的最小尺度，并按照尺度来划分物质世界。沿着这条路走下去，我们会从日常所及的领域一直走到亚微观尺度，这种尺度上事物的内部结构只能通过大型粒子加速器来探索。第二部分将以对今日主要物理学实验的总结结束，这些实验主要来源于大型强子对撞机以及一些对早期宇宙的天文学观测，它们将拓展人们的认知极限。
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随着一些令人兴奋的进展的涌现，这项勇气十足且雄心勃勃的事业有望使整个科学的世界观发生翻天覆地的变化。在本书的第三部分，我们将深入了解大型强子对撞机的运行，探索这部机器是如何创造对撞质子束，以产生那些目前能探及的最小尺度粒子的。第三部分也将说明实验物理学家们如何阐释他们的发现。
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欧洲核子研究中心（CERN）在发布与粒子物理学实验相关的信息上不遗余力——其程度不亚于好莱坞欢乐却有误导性的大片《天使与魔鬼》（Angels and Demons ）。这个大型粒子加速器及其建立的目的因此而广为人知：它将具有巨大能量的质子聚集到一个极小空间中，让它们对撞，以产生人们前所未闻的物质形式。正在按部就班运行的大型强子对撞机，终将改变人们对物质的基本构成乃至空间本身的认知。而对于它将找到什么，我们现在尚一无所知 。
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在这次科学之旅中，我们将仔细回味科学的不确定性，以及科学测量可以告诉我们什么。科研的本质决定了它只能止于我们所知事实的边界。物理实验及计算都被设计得尽可能减少乃至消除尽可能多的不确定性，并且最终精确地给出误差范围。然而，听起来滑天下之大稽而又确然如此的是，科学在实践与一些基本原则里，已经充满了不确定性。第三部分讲述了科学家是如何处理艰难研究中存在的内在挑战，以及大众在理解这个日益复杂的世界中产生的思想时，是如何从科学思维中获益的。
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