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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950051]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 中文版序 宇宙的故事
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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。
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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。
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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。
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《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。
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《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。
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《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。
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《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。
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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”这一问题的。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。
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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。
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大型强子对撞机是什么？扫码关注“庐客汇”，回复“叩响天堂之门”，听兰道尔教授用3分钟解答大型强子对撞机的秘密。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 引言 欢迎来到科学的世界
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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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