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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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第三部分也将讨论可能产生于大型强子对撞机的微型黑洞，以及大众随之而来的恐慌，并把它和我们目前所面对的一些真正危险做对比。我们将会考虑有关的重要主题，包括收支分析、风险评估，以及人们如何做才会为这些问题提供有价值的意见——不论是在实验室内，还是在实验室外。
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第四部分将详述人们寻找希格斯玻色子（Higgs boson）及具体模型的研究过程，这些正是科学家们对大型强子对撞机中存在什么及其搜索目标的合理猜想。如果大型强子对撞机的实验确证了某些理论家提出的观点，甚至只是偶然发现了一些预期之外的东西，那么这些结果都将改变我们看待世界的方式。在这一部分，我们将解释基本粒子如何得以产生质量的希格斯机制（Higgs mechanism），以及昭示着我们应该能找到更多东西的等级问题（hierarchy problem）。这一部分也将讨论处理这些问题的模型，以及它们所预言的那些奇异粒子，比如那些与超对称性（supersymmetry）和空间额外维度（extra dimension）相关的粒子。
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除了介绍一些具体的猜想之外，第四部分还将解释物理学家如何处理理论模型的建立以及那些指导性原则的有效性。这些原则包括“与美相伴的真理”（truth through beauty），以及“自上而下”（top-down）、“自下而上”（bottom-up）两种研究方法。它解释了大型强子对撞机正在寻找什么，以及物理学家们希望它找到什么。第四部分还将描述科学家如何试图把大型强子对撞机中看似抽象的实验数据联系在一起，并建立一些深刻、基础的理念以供人们审视。
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随着对物质本质的深入研究，在第五部分我们将极目远眺。此时，大型强子对撞机在探索物质的最小尺度，而人造卫星和望远镜在探索宇宙的最大尺度，以研究宇宙的加速膨胀率以及大爆炸残余辐射的细节。这个时代也许会成为令人震惊的宇宙学进展的见证者，而宇宙学正是研究宇宙演化过程的科学。在这一部分，我们将在更大尺度上探寻宇宙的奥秘，讨论粒子物理学与宇宙学的联系，讨论神秘的暗物质以及与之相关的实验探究。
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作为全书尾声的第六部分是一个综述，着眼于创造力以及创造性思维中那些丰富而多变的元素。它回顾了我们如何从源于日常所见的平凡事物出发，试图回答一些大问题。我们将以一些终极思考作为全书的尾声，包括当今科学与科学思维如此重要的原因以及科学与技术的共生关系——众所周知，它们彻底改变了现代世界。
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我时常反思，试图使非科学工作者领会对其而言非常陌生的现代科学的精要，是多么棘手。这个挑战的困难性在我遇到一个班的大学生时彰显无遗。当时我正在做一个有关物理学与额外维度的公开演讲，当获悉听众们都急切地想要提问时，我本以为他们是对空间额外维度的概念有一些困惑，不料他们却只想知道我的年龄。大众对科学缺少兴趣并非唯一的困难——那些学生确实在八卦之后转向关心严肃的科学问题了。然而，基础科学往往过于抽象、难于理解，这是无可辩驳的事实。在一个阐述基础科学重要性的国会听证会上，我曾经因为这一点与他人产生了交流障碍。当时与我一同参会的人有：美国能源部高能物理所主任丹尼斯·科瓦（Dennis Kovar）、费米国家加速器实验室（FNAL）主任皮耶·奥登（Pier Oddone）、托马斯·杰斐逊国家加速器实验室（Jefferson Lab）主任休·蒙哥马利（Hugh Montgomery）。自我多年之前在高中时代作为西屋科学竞赛（WSC）决赛的选手，被国会议员本杰明·罗森塔尔（Benjamin Rosenthal）带到这里周游一圈以来，这还是我成年后第一次走进政府大楼。罗森塔尔当时为我提供了高于其他入围者的礼遇——他们只收到了照片。
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这次故地重游，我再次有幸参观了制定国家政策的那些政府办公室。众议院科学技术委员会的办公区域位于雷伯恩众议院大厦内。议员们坐在办公区后，我们面向他们而坐以“见证”他们的办公过程。有一些写有励志名言的牌匾悬挂在议员们的头顶，其中第一块写着：
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没有异象，民就放肆；唯遵守律法的，便为有福。
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WHEN THERE IS NO VISION THE PEOPLE PERISH.PROVERBS 29：18.
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看来，美国政府哪怕在负责科学与技术事务的国会办公区中也需要《圣经》。虽然如此，这句引文确实表达了一种高贵而精确的情感，我们都喜欢如此引经据典。
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第二个不朽名言更常被人们引用，它是伟大诗人阿尔弗雷德·丁尼生（Alfred Tennyson）的：
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我曾沉入到世人的目光所不能及的未来，看到了世界的幻象以及所有将实而仍虚的奇迹。
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FOR I DIPPED INTO THE FUTURE, FAR AS MY EYES COULD SEE/SAW THE VISION OF THE WORLD AND ALL THE WONDER THAT WOULD BE.
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