彎曲的旅行：隱秘的宇宙之維

重磅贊譽
推薦序1 看不見的第五維
推薦序2 發現的激情
中文版序 宇宙的故事
引 言 宇宙中的隱秘之維

第一部分 三維之外
01 維度之謎
從一維到多維
《巧克力工廠》旺卡梯的秘密
二生三
有效理論，忽略細枝末節

02 額外維度究竟有多大
為什麼世界看起來只有三維
有額外維度的牛頓引力定律
牛頓定律與卷曲維度
額外維度必須小到不可見嗎

03 我們生活在一個膜宇宙上嗎
像切片一樣薄
邊界膜和內嵌膜
被膜俘獲
神秘的膜宇宙

04 理論物理世界的奇幻旅行
自上而下，還是自下而上
進入物質內核
宇宙的想象力遠比我們豐富

第二部分 20 世紀兩大革命性宇宙觀
05 相對論：彎曲的時空
牛頓的萬有引力王國
狹義相對論，顛覆時空觀念
等效原理，廣義相對論的開始
兩大實驗，驗證廣義相對論
一切源於宇宙的彎曲
彎曲的時空
愛因斯坦的廣義相對論
奇跡總發生在最不可能的地方

06 量子力學：上帝不擲骰子
沒有比量子力學更離奇的了
起源：一切就像「卡路里災難」那樣
發現原子
原子的電子軌道
粒子的使命恐懼
海森伯的不確定性原理
兩個重要的能量值及其在不確定性原理下的意義
玻色子和費米子

第三部分 探秘基本粒子物理

07 物質的已知最基本結構
電子與無處不在的電磁場
光子，力的傳遞者
量子場論
反粒子與正電子，從科幻進入現實
弱力和中微子
誇克和強力
已知的基本粒子

08 高能粒子加速器的驚人新發現
頂誇克，眾里尋他千百度
標准模型的精確驗證

09 對稱：粒子獲得質量的基本組織原則
化繁為簡，完美的對稱
內部對稱，與空間無關
對稱和力，排除虛假偏振
規范玻色子、粒子和對稱

10 基本粒子的質量來源：有趣的自發對稱破缺和希格斯機制
弱力謎題
希格斯場，上帝粒子的源泉
弱力對稱的自發破缺
意外收獲：電磁力為何如此特別
兩難境地

11 大統一理論：不同尺度和能量的相互融合
從大到小
虛粒子，真實粒子鬼魅般的孿生兄弟
相互作用強度為什麼會依賴於距離
大統一理論

12 等級問題：唯YI有效的涓滴理論

等級問題，大統一理論里的依賴性問題
對希格斯粒子質量的量子貢獻
粒子物理的等級問題
高能量的虛粒子

13 超對稱：超越標准模型的大飛躍
費米子和玻色子：一種不太可能的對稱
超對稱的發展歷史
標准模型的超對稱延伸
超對稱與等級問題
破缺的超對稱
希格斯粒子質量之謎
超對稱：稱量證據

第四部分 弦理論，神秘膜宇宙的創世者
14 弦的律動：轟動世人的超弦革命
早期的躁動
弦是一切之源
起源：強力而非引力
高潮：超弦革命
挫折：舊制度的忍耐
尾聲：挑戰與機會並存

15 輔助通道：膜的狂飆突進
膜的興起
收緊的膜與失蹤的粒子
十維超弦理論與十一維超引力論的對偶性
對偶性到底是什麼

16 熙熙攘攘的通道：膜宇宙
被困在膜上的粒子
逃出重圍的引力子
膜宇宙真的存在嗎
霍扎瓦- 威滕模型

第五部分 額外維度宇宙假說
17 人跡罕至的通道：多重宇宙與隔離
我的額外維度歷程
自然與隔離, 信息封鎖王國
隔離，超對稱的破壞者
閃光質量

18 泄露秘密的通道：四維世界的高維來客
神秘的卡魯扎- 克萊因粒子，額外維度的印記
確定卡魯扎- 克萊因粒子質量
實驗限制

19 寬闊的通道：龐大的額外維度
大至１毫米的維度
高維引力，或將成等級問題的解
聯系高維引力和低維引力
回到等級問題
尋找大的維度
高能粒子對撞機的維度探尋之旅
后續影響

20 彎曲的通道：一個五維世界
令人驚訝的彎曲幾何
卷曲宇宙的伸縮
進一步發展
彎曲幾何與力的統一
實驗意義
一個更加離奇的可能性
五維黑洞與五維弦
尾 聲

21 漫游彎曲空間王國的「愛麗絲」
去往弱力膜村

22 深遠的通道：不為人知的無窮大額外維度
改變時空的引力膜
引力子的卡魯扎-克萊因粒子伙伴

23 曲折延伸的通道：我們生活在一個四維引力的孤島上
回 顧
當地局域化引力

第六部分 彎曲的旅行
24 額外維度：你是在里面，還是在外面
究竟什麼是維度
之后，我們該思考什麼

結語 即將被證實的宇宙真相
譯者后記

宇宙的故事
得知我的三本書將在中國出版，我感到十分興奮。不論在理論物理學還是在實驗物理學的舞台上，中國都在扮演着日益重要的角色。

我有一些優秀的中國學生以及博士后，而且我也發現，近年來在中國這片土地上，人們對我研究方向的興趣正在不斷增長。不僅如此，中國的實驗物理學也在近期取得了一些重要成果。例如，在大亞灣中微子實驗室中對最輕、最重中微子混合的振盪測量，其結果震驚了世人，而且它比人們的預期早了至少一年。現有的暗物質探測器，包括PandaX與CDEX，標定了一些重要的能量范圍，並且仍在不斷探索，以揭示神秘的暗物質粒子的本質。展望未來，計划在中國建造的最大型的對撞機至關重要，它將成為國際主要的粒子物理學實驗裝置，並能夠勝任探索超越已知領域的重任。

作為一位理論物理學家，我的研究領域涉獵甚廣，小到物質的內部結構，大到宇宙、空間的本質。這些研究令人興奮，然而又很難向他人解釋清楚——在沒有對應語境的情況下更難說清。這三本書給了我一次機會，不僅可以向世人解釋我的研究，還可以同時解釋作為我研究基礎的量子力學、相對論、粒子物理學與天體物理學等物理學知識。我將樂於講述一些展現這些領域中研究前沿的宏大故事。

《叩響天堂之門》一書，解釋了科學的本質，並強調了尺度的重要性，也即如何在基本粒子、原子、普通物質或是宇宙的尺度上思考科學問題。《叩響天堂之門》一書也探索了科學的發展歷程、什麼是「對」與「錯」，以及創造力在科學發展中的意義。在這本書中，我還預測了大型強子對撞機（LHC）上的物理結果。大型強子對撞機是建造在日內瓦附近的大型加速器，能讓高能質子對撞，以產生新的粒子與新的相互作用，它可以用來研究人類之前所不能及的更小尺度。這本書解釋了大型強子對撞機如何運作，以及在這一實驗中，科學家正在研究什麼以及他們未來將要研究什麼。

《彎曲的旅行》一書講述了我對空間中可能存在的卷曲的額外維度的研究——額外維度是在我們容易觀察到的三個維度（左-右、前-后、上-下）之外的某個維度。額外維度可能具有重要意義，它將解釋基本粒子的質量，並為它們之間的相互作用引入新的理論可能性。這些卷曲也將容許空間具有一個無窮大的額外維度，它將與我們觀測到的一切事物相容。為了講述這個故事，我回顧了前沿研究中的量子力學、相對論、粒子物理學的基礎（既有理論，也有實驗），還回顧了弦理論。在這本書中，我會講述我們是如何把所有研究領域聯系在一起，我們是如何得到了這一切，以及我們已經走到了哪一步的大故事。

《暗物質與恐龍》一書，既向外審視宇宙的宏大圖景，又向內一窺物質的內部結構。它解釋了暗物質的本質及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物質是宇宙中捉摸不定的物質，只與引力而不與光相互作用。《暗物質與恐龍》一書也強調了物質的基本性質與我們今日所見的地球、宇宙之間的聯系。這本書的內容不僅涵蓋了宇宙學，還涉及星系、太陽系和地球之間的相互作用，及其與周邊環境的聯系。在這一旅程中，我還將解釋我對暗物質的新理念：暗物質可能包含了某個小組分，這個組分通過自身的媒介物質——光進行相互作用，而普通物質不與之相互作用。這可能會產生激動人心的結果，包括在銀河系平面上，暗物質盤將形成，其引力效應可能導致巨大的流星體撞擊地球，從而最終導致恐龍的滅絕。

《叩響天堂之門》《彎曲的旅行》《暗物質與恐龍》三本書包含了粒子物理學的廣闊思想領域，是對我的研究以及更寬泛的粒子物理學和宇宙學的一個簡述。這三本書把許多新穎且多元的理念與科學領域結合在一起，給出了對今日科學家工作狀態的一個感性認知。

在完成《暗物質與恐龍》這本書之后，我已繼續投身於對暗物質的研究中。在許多已有研究的基礎上，暗物質已經是一個比較成熟的研究主題了。我們在實驗上有了許多直接的結果，也開始着手於更好地理解用來探索宇宙的天文望遠鏡、人造衛星是如何闡明「暗物質是什麼」這一問題。同時，理論也在不斷發展，人們已經超越了對暗物質粒子非常狹隘的假設，並對「暗物質如何相互作用」有了更深刻的想法。我正在思考關於暗物質粒子全部帶電（而不只是一小部分帶電）的可能性，並自問這一假設可能導出什麼結果。現有的研究忽視了某些使這個假設可行的重要結果，或許這可能只是因為：暗物質着實不像粒子物理學家之前所假設的那麼無趣。

理解暗物質這種神秘物質的本質，是一個非常令人興奮的研究主題，畢竟它占據了全部物質能量的85%。我希望中國的讀者能享受這一旅程：跟隨我一起探索我們是由什麼組成的，宇宙中的相互作用是如何發生的，以及我們這些科學家是如何研究宇宙問題的。我確信，你們將會從中學到許多新知識，同時又能提出屬於自己的問題和觀點。