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中文版序

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,中國都在扮演著日益重要的角色。

我有一些優秀的中國學生以及博士後,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蕩測量,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範圍,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,計劃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捲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-後、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。這些捲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繫在一起,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、宇宙之間的聯繫。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繫。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》這本書之後,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,也開始著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」這一問題的。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:暗物質著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,畢竟它佔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。

暗物質是什麼?

是它毀滅了「地球霸主」恐龍嗎?

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聽蘭道爾教授解答

其中的神秘關聯。