描述
开 本: 32开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787559653741
1. 明尼苏达州700 余米深的矿山之下的低温暗物质搜寻计划；世界淡水湖泊贝加尔湖中的中微子探测器；夏威夷莫纳克亚山上的DEIMOS/DEEP 巡天；南极点站的冰立方中微子望远镜，作者以科学为笔，描绘人类探索宇宙的进程；以文字为媒，将宇宙学带回人间
2. 作者成功且适时地概括了现代宇宙学和粒子天体物理学，鲜活地勾勒出所遇到的物理学家的形象
3. 结合了基本物理学与崇高冒险精神的非凡叙事，仿佛睡前故事般将宇宙深处的奥秘娓娓道来
在本书中，作者踏上了寻找的道路，将科学描绘成人类的进程，用生动的语言把宇宙学重新带回人间。他前往位于智利安第斯山脉的阿塔卡马沙漠，那里寸草不生，异常晴朗的天空和干燥的大气层可以让天文学家收集到数十亿光年外星系的精彩图像；他登上南半球的帕拉纳尔山，甚大望远镜坐落于此，四个巨大的圆顶每晚向天空开放；他深入美国明尼苏达州一个废弃的铁矿，物理学家们在那里寻找难以捉摸的暗物质粒子。在东南极洲冰盖上，工程师们钻入地球上清澈的冰层，建造世界上的中微子探测器，助力量子物理学与爱因斯坦的广义相对论相一致。
第1章 修士和天文学家
第2章 什么都探测不到的实验
第3章 中性的小家伙
第4章 帕拉纳尔光之四重奏
第5章 火焰、岩石和寒冰
第6章 卡鲁的3000只眼睛
第7章 南极洲上空的反物质
第8章 爱因斯坦和量子物理相会于南极点
第9章 物质之心
第10章 来自平行宇宙的低语
尾 声
附录Ⅰ 标准粒子物理模型
附录Ⅱ 从宇宙大爆炸至今：标准宇宙模型
延伸阅读
致 谢
前 言
那是2004 年圣诞节后的第二天，加利福尼亚州伯克利一个阳光明媚的冬日。我在夏塔克大道和雪松街拐角处的一家咖啡馆外等候索尔· 珀尔马特。他是加州大学（University of California，简称UC）的一位天体物理学家。学校的校园就坐落在陡立于城市边缘、树木繁茂的丘陵脚下。而丘陵之上大约1000 英尺处是劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，简称LBNL）。20 世纪90 年代，辖有UC 和LBNL 成员的两个团队的天文学家，同时但又独立地发现了一些引起轩然大波，甚至令人惊慌的事件：我们的宇宙似乎正在爆炸。
珀尔马特是其中一个团队的领导者。他那被巨大镜片强化了的充满激情的好奇目光，连同发际线后移露出的高额，让我想到了伍迪·艾伦。但他找到的可不是什么笑料。实际上，珀尔马特承认，他们的发现已经将宇宙学置于危机之中。这两个团队研究了遥远的超新星，结果显示：宇宙的膨胀，这一初由埃德温·哈勃于1929 年观测到的现象是在加速进行的，而并非很多人所预测的减速。好像有某些神秘的能量在产生斥力以抵抗引力作用。由于不知其确切性质，宇宙学家们称之为“暗能量”。更为重要的是，它似乎占了宇宙物质和能量总量的四分之三。
暗能量是宇宙学家们面临的，也是令人生畏的难题。此外，还要加上另一个困扰他们数十年的谜团：暗物质。星系有几乎90% 的质量是由这种未知且看不见的物质组成的。我们知道它必然存在，因为没有它产生的引力束缚，星系就会瓦解。珀尔马特指出，对于大多数物理学家，尤其是宇宙学家来说，面临的严峻现实就是，宇宙大约96% 的物质无法用现有的理论来解释。为了理解物质世界而付出的所有努力，仅仅揭示了宇宙的极小一部分组成。
同时还有其他诸多未解之谜。质量的起源是什么？宇宙大爆炸之后，本应伴随着物质一起产生的反物质又发生了什么？使用现代物理学的两大支柱—量子力学和爱因斯坦广义相对论—来解释我们的世界并获得巨大成功约一个世纪之后，物理学家们进入了某种停滞期。正如珀尔马特所说，他和其他一些人正期待着去攀登通往宇宙全新认知的陡峭阶梯，而在高处等着他们的，仅仅是一些模糊的想法。
这看起来像是超越人类极限的企图，其中部分涉及将量子力学和广义相对论调合进一种量子引力理论中去。在这两个领域相冲突的地方—势不可当的引力遭遇微观体积之处，如黑洞或宇宙大爆炸中——其理论并没有很好地协同生效。确切地说，它们极为不幸地遭遇了失败。那些为雄心勃勃的统一尝试就包括弦论：一套在数学上极为复杂的理论体系。为热衷这一体系的支持者们希望，它不仅仅带我们走向量子引力理论，还通往一种万物理论，允许我们用一些简单的方程来描述宇宙的一切。但是，暗能量的发现和弦论本身的进展共同挫败了这一目标。在同珀尔马特会面的两年多以后，旧金山湾区的另一个冬日里，我亲身体会到了物理学所遭遇的麻烦是何其严重。
2007 年2 月底的一个下午，在旧金山希尔顿酒店一间宴会厅级别的会议室内，举办了美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，简称AAAS）年会。这次会议济济一堂。三位物理学家在讨论暗能量，以及它是如何与人们会问及的一些为严峻的问题产生关联的：为何我们的宇宙是这样的？它为使生命存在而被精细调节过吗？原来暗能量不仅神秘莫测，对于恒星和星系的形成来说，它的占比还似乎处在合适的值上。“的谜团并非是为什么会有暗能量，而是为什么它会如此之少。” 莱昂纳特·萨斯坎德这样告诉希尔顿会场的听众们，他是斯坦福大学理论物理学费利克斯·布洛赫教授，同时也是弦论的创立者之一。他以一种诗意的风格继续道：“事实是，我们的存在恰似站在刀锋之上，（也就是说）如果暗能量大得多的话，我们就不会出现在这儿，这才是谜团所在。”
直到近，科学家们才有望以弦论来解释此事：暗能量的值可以很自然地作为该理论简洁方程的解—就像其他那些令人困惑的问题的答案一样。为什么质子比电子重了2000多倍？为什么引力比电磁力弱了那么多？本质上来说，为什么自然中的基本常数是这些值？暗能量问题就是这些关注点的标志。物理定律中没有什么能够解释，为何我们宇宙的诸多方面就是它们所展现的那样。它们似乎被格外精细地调节过，以产生一个能够支撑生命存在的宇宙—这一事实一直困扰着物理学家们。
然而弦论所期望的结局依然遥遥无期。的确，一些物理学家正在慢慢地摒弃这样的打算，即有关宇宙的一切可以被简化为少量方程。在旧金山，萨斯坎德站出来就这个问题发表演讲。他的演讲以“为什么老鼠正在逃离船只”为题。然而，放弃简化并不意味着抛弃弦论。恰恰相反，对于萨斯坎德和其他许多人来说，这意味着接受该理论在数学上的所有辉煌，尽管它有着令人难以置信的结果。就现状来说，弦论为奇异的蕴涵就是多重宇宙的存在。这一想法说的是，我们的宇宙可能只是至少10500 个宇宙中的一个。并且在这一特别的设想中给出了前面那些问题的答案，即为什么暗能量和其他基本常数有着它们现有的值。在一个多重宇宙中，暗能量和基本常数取任何值都是有可能的。事实上，物理定律能够随着宇宙的不同而不同。如此一来，物理学家们解释我们的宇宙就无须再诉诸精细调节。如果多重宇宙存在的话，那么就存在一个无论多么小但总归是有限的概率，使得我们的宇宙会以其所具备的特征随机地出现。而掌控这一宇宙的定律则引发星系和恒星，乃至行星和智慧生命，包括正在问出“我们的宇宙为什么是这个样子的”这一问题的物理学家们的出现。
这就是所谓的人择原理，不严谨地说，我们的宇宙之所以是这样，就是因为我们在这里说它是这样，假如它有任何不同之处，那么我们也就不存在而无法去质询这一问题。该想法被许多人视作一种逃避，那样物理学家们就不必如此辛苦地从性原理出发去解释一切。萨斯坎德在斯坦福的同事、另一位演讲者、宇宙学家安德烈·林德回忆起近20年前，当他试图和芝加哥城外费米实验室的物理学家们讨论人择原理时的情形。林德曾被警告说，讨论这些事的人会被扔鸡蛋，所以他从一些完全无关的事情上入手，在假定费米实验室的人“没有时间去西夫韦超市买鸡蛋”后，才中途把话题转移到这上面来。
考虑到弦论对多重宇宙的支持，人择原理正在获得发展的动力。但弦论本身距离其能被实验证实还很遥远，以至于很多物理学家发现很难—如果不是不可能的话—认真地去对待它的蕴涵。那天下午的第三个参与发言者、来自凯斯西储大学的宇宙学家劳伦斯·克劳斯总结了反对派的观点。他说：“我认为你可以去想象一个将多重宇宙当作科学的理论。如果有这样一个理论，一个真正的理论，它预言了我们所看到的宇宙中的很多事情，预言了我们可以检验的很多事情，但也预言了我们无法检验的很多事情，那么我认为我们中的大多数人会说，我们相信那些无法检验的事情（诸如一个多重宇宙的存在)。”
其间，萨斯坎德锐利地盯着克劳斯。但是萨斯坎德在会议结束时那低沉的嗓音表明，要回答这一批评并不容易。“我能说的是我们对此表示担忧，”他说道，“（弦论）是目前物理上的疑问。我们能够从中开展科学观测吗？” 三位发言者都赞同一件事：唯有实验方可打破这一僵局。
当理论的步调与实验近乎一致时，物理学上伟大的进展也就到来了。有时理论会领先一步，而有时则是反过来的。比如，正是1887 年由阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷操作的实验—显示了在任何方向上光速都是恒定的—影响了1905 年爱因斯坦狭义相对论的提出。10 年后，爱因斯坦创立了广义相对论，但只有在1919 年的实验证实了广义相对论一个迷人的蕴涵—太阳的引力使星光弯曲—之后，该理论才被广泛地接受。纵观20 世纪初的几年，理论家和实验家们在塑造量子力学的过程中也是彼此竞逐的。另一项同样富有成效的合作发生在20 世纪六七十年代，彼时粒子物理学家们建立起构筑物质世界的基本粒子和基本力的理论，并且实验证明了他们惊人准确的预言。然而这种充满活力的互动如今已经陷入僵局。暗物质和暗能量的发现，伴随着迄今为止仍未找到的希格斯玻色子（被认为赋予基本粒子质量），使得理论家们的行动完全自由了。想法比比皆是，但都是漫无目的的猜测。宇宙学和粒子物理学的下一代实验能够帮助理论锁定现实吗？
本书是我为了给出一个答案而做的尝试。这也是一次探索，带着我从工作和生活过的伦敦到达地球遥远的彼端，从荒凉的沙漠到废弃矿井的深处，从山峰之巅到世界之底（指南极），去寻找那些有希望将物理拽出理论泥潭的尖端实验。我造访的众多实验室都在以自己的方式去擒获暗物质和暗能量这对神秘之物。同时，我也造访了用于搜寻反物质、希格斯玻色子和中微子的望远镜和探测器，这些难以捉摸的亚原子粒子遍布在宇宙之中。中微子几乎不与物质相互作用，并且在空间中的传播也几乎不受阻碍，它以其他粒子所没有的方式携带了宇宙遥远彼端的信息。所有这些实验正在垒砌珀尔马特那座隐喻楼梯的每一级阶梯。我的旅程也成为一则隐喻：科学家正在探索他们理解的极限—物理学的边缘。故事始于一次朝圣之旅，对象是加利福尼亚州威尔逊山上100 英寸（1 英寸≈ 2.54 厘米）望远镜，在那里，哈勃发现我们的宇宙正在膨胀，因此奠定了宇宙大爆炸理论和现代宇宙学的观测基础。这架100 英寸望远镜打破了当时的技术界限，然而它早已被如今正在扫描夜空的诸多现代望远镜所超越。每到夜晚，它们打开自己巨大的圆顶去凝视大半个宇宙，收集光——有时一次仅有一个光子。分析这些光的仪器同样强大。考虑到那重达8.6 吨的摄谱仪以其不可思议的精度帮助天文学家们一片片地研究宇宙，而与之形成鲜明对比的则是小如曲棍球的硅探测器和锗探测器，如此精巧的设计使得它们像艺术品一般被操作。它们耐心地、日复一日地等待暗物质那微弱的线索。
这些实验比起另一些通过飙升至平流层的巨大气球所支撑的、去搜寻原初反物质及研究微波背景辐射（宇宙大爆炸遗留的一种辐射）的实验来，就相形见绌了。实验物理学在大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）——世界上的粒子加速器——上达到了。重达数千吨的机器以千分尺精度监控着亚原子粒子的轨迹。这些粒子从质子束流的碰撞中喷涌而出——每条束流携带着相当于重达40 吨的列车以时速150 千米运行时的能量。比深空还要寒冷的超导磁体倾力将这些束流限制在其环绕的一条27 千米长的地下隧道路径上。从这口质子撞击的大锅中浮现的新粒子，或许囊括了从希格斯玻色子到暗物质，再到额外维的条线索等任何东西。
这些宏伟的望远镜和探测器只有在为的条件下才能够工作。在这个尚未展开的故事中，它们那超越现实的环境是籍籍无名的——极少被欣赏且经常被忽视。寸草不生的阿塔卡马沙漠高踞智利安第斯山脉之中，沙漠上空寒冷、干燥的大气使得历经数十亿年旅程的星光在进入望远镜时，不会于其终点处被凡俗如水蒸气之类的东西所污染。（空基仪器——如哈勃空间望远镜——当然，无须去应付大气层对光造成的有害影响。）对一架开创性的水下中微子望远镜来说，西伯利亚那水晶般透明的贝加尔湖至关重要，俄罗斯的物理学家们忍受着刺骨的寒冷在冰封的湖泊上扎营，运行着他们的水下仪器。
地壳深处也会提供类似的有利条件。明尼苏达州一个废弃铁矿的深处，物理学家们在捕猎暗物质，他们的探测器在约800 米厚的岩石包裹下屏蔽了宇宙线的影响。那些做着挥舞大锤和钻孔工作的矿工在挥汗如雨之际，几乎不可能想象得到，他们的矿井有朝一日会承担揭秘宇宙本质的任务。同时，南非内陆一片巨大且干旱的土地——荒凉而未被污染的广阔区域——已经被提名为世界上射电望远镜的台址。它的3000 架天线能够比任何已有的仪器更为快速地扫描浩瀚的宇宙。
遍寻这些之地，少有能比得过南极洲的。这是地球上平均温度、干燥且高海拔的大陆，这片土地寒冷得猛吸一口气都有可能冻伤肺部。潮湿的呼吸被瞬间冻结，致命危险——白雪覆盖下的冰裂隙——只在一分神间。即便如此，宇宙学家们依然珍爱着这片高原—因为它那稀薄、干燥、稳定且无污染的大气。他们建造起巨大的望远镜，以地球上其他任何地方都不可能找到与之媲美的精度探测宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，简称CMB）。南极洲并不只有大气在吸引着科学家们。他们还在南极点处将千米厚的冰层变成了中微子探测器。再没有其他地方存在如此巨大、干净且固态的大块材料，能够被用来研究宇宙中为狡猾的粒子。这片冰冻的荒原有可能引领我们通向量子引力的正确理论。
这是一本为偏僻之地高唱赞歌的书卷，当今实验宇宙学的灵魂属于这些地方。无论是横跨智利暗夜的银河，还是在8000 多米高的喜马拉雅山脉下与世隔绝、隐藏在青藏高原一角的缥缈的汉勒谷，都有着打动世人的说服力。尽管这些地方各有差异，但却共享着意义深远的极简主义：没有多余的事物，没有来自现代社会的噪声和干扰。我在南极洲遇到的一位冰川学家就谈及了他在那片大陆上所感受到的“寂静”，而要面对的，唯有过于且不容忽视的自然之力。但如果要解决关于我们存在的迫切问题，那么宇宙学需要这些地方。
1. 无论从何种意义上说，这些实验都是英雄，阿南塔斯瓦米用热情和洞察力捕捉到了它们的精彩之处，以及它们背后的科学家的个性。——《出版人周刊》（Publishers Weekly）
2.本书没有在枯燥与学术的物理学主题中探讨的哲学和数学，肯定会吸引对科学感兴趣的普通读者。——《图书馆杂志》（Library Journal）
3.阿南塔斯瓦米把握住了引人入胜的细节。无论是在明尼苏达州的废弃铁矿，还是在寒冷的西伯利亚广袤土地上，他都能找到无畏的物理学家，并向我们解释为什么这些奇怪的地方是地球上可以完成这些实验的地方。——《华盛顿邮报》（The Washington Post）
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