我們了解宇宙嗎？宇宙有哪些奧秘？我們生活在一個膜宇宙之上嗎？
宇宙隱藏著與我們想象中完全不同的維度嗎？我們將怎樣證實這些維度的存在？四維世界甚至五維世界的存在，是否會顛覆傳統(tǒng)的物理學(xué)定律？
在《彎曲的旅行》中，理論物理學(xué)大師麗莎?蘭道爾以輕松愉快、淺顯易懂的文風(fēng)，深入淺出地介紹了宇宙的隱秘之維。跟隨蘭道爾教授的腳步，踏上體驗額外維度的探索旅程，一窺五維空間的奧秘，一直到達令人興奮的科學(xué)前沿！
向愛因斯坦宣戰(zhàn)的理論物理學(xué)大師、國際理論物理學(xué)、當(dāng)今世界著名的額外維度物理學(xué)家麗莎?蘭道爾風(fēng)靡世界之作。
麗莎?蘭道爾“宇宙三部曲”首部重磅新書。
一本書讀懂神秘的額外維度，科學(xué)小白與科學(xué)大V都不可錯過的年度具佳科普巨作。
眾多著名科學(xué)家與科學(xué)達人摯愛推薦。美國匹茲堡大學(xué)物理天文系杰出教授韓濤，中國科學(xué)院高能物理研究所和國家天文臺雙聘研究員張雙南，國家天文臺研究員及宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席科學(xué)家陳學(xué)雷，北京天文館館長朱進，中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍，科幻作家、北京師范大學(xué)教授吳巖，科學(xué)作家萬維鋼，2016年雨果獎獲得者、《北京折疊》作者郝景芳等眾多科學(xué)家與科學(xué)達人摯愛推薦。
湛廬文化特設(shè)“科學(xué)素養(yǎng)”書系專家委員會。其中，“嫦娥之父”歐陽自遠(yuǎn)擔(dān)任委員會主席，其他委員有的來自中國科學(xué)院國家天文臺，有的來自中國科學(xué)院高能物理研究所，有的來自國內(nèi)物理學(xué)界知名學(xué)府清華大學(xué)、北京師范大學(xué)與中山大學(xué)，有的來自大洋彼岸的名校加州理工學(xué)院。這些專家學(xué)者匯集到一起，只愿把前沿的科學(xué)成果傳遞給讀者，將科學(xué)家的真實的科研世界展現(xiàn)在讀者面前。
湛廬文化出品。
[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(xué)還是在實驗物理學(xué)的舞臺上，中國都在扮演著日益重要的角色。
我有一些優(yōu)秀的中國學(xué)生以及博士后，而且我也發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(jié)果震驚了世人，而且它比人們的預(yù)期早了至少一年。現(xiàn)有的暗物質(zhì)探測器，包括PandaX與CDEX，標(biāo)定了一些重要的能量范圍，并且仍在不斷探索，以揭示神秘的暗物質(zhì)粒子的本質(zhì)。展望未來，計劃在中國建造的最大型的對撞機至關(guān)重要，它將成為國際主要的粒子物理學(xué)實驗裝置，并能夠勝任探索超越已知領(lǐng)域的重任。
作為一位理論物理學(xué)家，我的研究領(lǐng)域涉獵甚廣，小到物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大到宇宙、空間的本質(zhì)。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(yīng)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(chǔ)的量子力學(xué)、相對論、粒子物理學(xué)與天體物理學(xué)等物理學(xué)知識。我將樂于講述一些展現(xiàn)這些領(lǐng)域中研究前沿的宏大故事。
《叩響天堂之門》一書，解釋了科學(xué)的本質(zhì)，并強調(diào)了尺度的重要性，也即如何在基本粒子、原子、普通物質(zhì)或是宇宙的尺度上思考科學(xué)問題。《叩響天堂之門》一書也探索了科學(xué)的發(fā)展歷程、什么是“對”與“錯”，以及創(chuàng)造力在科學(xué)發(fā)展中的意義。在這本書中，我還預(yù)測了大型強子對撞機（LHC）上的物理結(jié)果。大型強子對撞機是建造在日內(nèi)瓦附近的大型加速器，能讓高能質(zhì)子對撞，以產(chǎn)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(xué)家正在研究什么以及他們未來將要研究什么。
《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?nèi)菀子^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(zhì)量，并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(xué)、相對論、粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)（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(lǐng)域聯(lián)系在一起，我們是如何得到了這一切，以及我們已經(jīng)走到了哪一步的大故事。
《暗物質(zhì)與恐龍》一書，既向外審視宇宙的宏大圖景，又向內(nèi)一窺物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它解釋了暗物質(zhì)的本質(zhì)及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物質(zhì)是宇宙中捉摸不定的物質(zhì)，只與引力而不與光相互作用。《暗物質(zhì)與恐龍》一書也強調(diào)了物質(zhì)的基本性質(zhì)與我們今日所見的地球、宇宙之間的聯(lián)系。這本書的內(nèi)容不僅涵蓋了宇宙學(xué)，還涉及星系、太陽系和地球之間的相互作用，及其與周邊環(huán)境的聯(lián)系。在這一旅程中，我還將解釋我對暗物質(zhì)的新理念：暗物質(zhì)可能包含了某個小組分，這個組分通過自身的媒介物質(zhì)——光進行相互作用，而普通物質(zhì)不與之相互作用。這可能會產(chǎn)生激動人心的結(jié)果，包括在銀河系平面上，暗物質(zhì)盤將形成，其引力效應(yīng)可能導(dǎo)致巨大的流星體撞擊地球，從而最終導(dǎo)致恐龍的滅絕。
《叩響天堂之門》《彎曲的旅行》《暗物質(zhì)與恐龍》三本書包含了粒子物理學(xué)的廣闊思想領(lǐng)域，是對我的研究以及更寬泛的粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的一個簡述。這三本書把許多新穎且多元的理念與科學(xué)領(lǐng)域結(jié)合在一起，給出了對今日科學(xué)家工作狀態(tài)的一個感性認(rèn)知。
在完成《暗物質(zhì)與恐龍》這本書之后，我已繼續(xù)投身于對暗物質(zhì)的研究中。在許多已有研究的基礎(chǔ)上，暗物質(zhì)已經(jīng)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(jié)果，也開始著手于更好地理解用來探索宇宙的天文望遠(yuǎn)鏡、人造衛(wèi)星是如何闡明 “暗物質(zhì)是什么”這一問題。同時，理論也在不斷發(fā)展，人們已經(jīng)超越了對暗物質(zhì)粒子非常狹隘的假設(shè)，并對“暗物質(zhì)如何相互作用”有了更深刻的想法。我正在思考關(guān)于暗物質(zhì)粒子全部帶電（而不只是一小部分帶電）的可能性，并自問這一假設(shè)可能導(dǎo)出什么結(jié)果。現(xiàn)有的研究忽視了某些使這個假設(shè)可行的重要結(jié)果，或許這可能只是因為：暗物質(zhì)著實不像粒子物理學(xué)家之前所假設(shè)的那么無趣。
理解暗物質(zhì)這種神秘物質(zhì)的本質(zhì)，是一個非常令人興奮的研究主題，畢竟它占據(jù)了全部物質(zhì)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么組成的，宇宙中的相互作用是如何發(fā)生的，以及我們這些科學(xué)家是如何研究宇宙問題的。我確信，你們將會從中學(xué)到許多新知識，同時又能提出屬于自己的問題和觀點。
麗莎·蘭道爾
國際理論物理學(xué)木又威，粒子物理學(xué)、弦理論、宇宙學(xué)專家。當(dāng)今全球著名的額外維度物理學(xué)家。挑戰(zhàn)愛因斯坦，9年實驗首度提出第五維空間，震驚全球物理界。
普林斯頓大學(xué)物理系di一位女性終身教授，哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院di一位女性理論物理學(xué)終身教授。
《時代周刊》“100位具影響力人物”之一，《紐約時報》超級暢銷書作家，并登上《時尚》雜志封面。
重磅贊譽
推薦序1 看不見的第五維
推薦序2 發(fā)現(xiàn)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(xì)枝末節(jié)
02 額外維度究竟有多大
為什么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(nèi)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(zhì)內(nèi)核
宇宙的想象力遠(yuǎn)比我們豐富
第二部分 20 世紀(jì)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
一切源于宇宙的彎曲
彎曲的時空
愛因斯坦的廣義相對論
奇跡總發(fā)生在最不可能的地方
06 量子力學(xué)：上帝不擲骰子
沒有比量子力學(xué)更離奇的了
起源：一切就像“卡路里災(zāi)難”那樣
發(fā)現(xiàn)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(zhì)的已知最基本結(jié)構(gòu)
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(xiàn)實
弱力和中微子
夸克和強力
已知的基本粒子
08 高能粒子加速器的驚人新發(fā)現(xiàn)
頂夸克，眾里尋他千百度
標(biāo)準(zhǔn)模型的精確驗證
09 對稱：粒子獲得質(zhì)量的基本組織原則
化繁為簡，完美的對稱
內(nèi)部對稱，與空間無關(guān)
對稱和力，排除虛假偏振
規(guī)范玻色子、粒子和對稱
10 基本粒子的質(zhì)量來源：有趣的自發(fā)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(fā)破缺
意外收獲：電磁力為何如此特別
兩難境地
11 大統(tǒng)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
相互作用強度為什么會依賴于距離
大統(tǒng)一理論
12 等級問題：唯一有效的涓滴理論
等級問題，大統(tǒng)一理論里的依賴性問題
對希格斯粒子質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(fā)展歷史
標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量之謎
超對稱：稱量證據(jù)
第四部分 弦理論，神秘膜宇宙的創(chuàng)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(zhàn)與機會并存
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
對偶性到底是什么
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(zhì)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(zhì)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?qū)⒊傻燃墕栴}的解
聯(lián)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(xù)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(fā)展
彎曲幾何與力的統(tǒng)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(yuǎn)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(dāng)?shù)鼐钟蚧?/p>
第六部分 彎曲的旅行
24 額外維度：你是在里面，還是在外面
究竟什么是維度
之后，我們該思考什么
結(jié)語 即將被證實的宇宙真相
譯者后記
[精彩樣章-推薦序]
發(fā)現(xiàn)的激情
——陳學(xué)雷
國家杰出青年科學(xué)基金獲得者
國家天文臺研究員及宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席科學(xué)家
拿到這套書的樣章，讓我想起20 多年前（1993年），我作為一名物理學(xué)研究生，參加了由李政道先生創(chuàng)辦的中國高等科學(xué)技術(shù)中心組織的一個國際物理學(xué)會議。會議日程上列出的報告中有幾位大名鼎鼎的學(xué)者，他們的名字，我們在粒子物理學(xué)教科書中早已熟悉。但當(dāng)時還有一個我不很熟悉的名字“Lisa Randall”，而且在日程中排在十分顯著的位置。會議開始后，我見到了她: 一位面容美麗、身材苗條的女子。她看上去似乎比我大不了幾歲，卻十分高冷。而且，我聽說她酷愛攀巖。然而在會議中，無論是演講、問答還是討論，她都顯得學(xué)識淵博、機敏睿智、充滿自信，與那些年齡、資歷都老得多的學(xué)者辯論時，完全不落下風(fēng)，成為會議的中心人物之一。這完全打破了我那時對女性物理學(xué)家的錯誤刻板印象。誠然，我從小遇到過很多成績比我更優(yōu)秀的女同學(xué)，但也許是因為女孩子們的謙讓、文靜和不好爭辯，總讓我懷疑她們不過是比我更用功、更擅長作業(yè)和考試而已。對于她們是否能深刻地思索或者作出創(chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)，我內(nèi)心總有一點兒懷疑。在物理學(xué)發(fā)展史上，女性物理學(xué)家，特別是理論物理學(xué)家，也確實屈指可數(shù)。然而，站在我面前的就是一位活生生的杰出的女性物理學(xué)家，這證明之前我錯了。當(dāng)然，自那之后，我有幸遇到過很多優(yōu)秀的女性物理學(xué)家，其中也包括麗莎·蘭道爾教授的一位中國女弟子蘇淑芳博士。她們都向我證明了，女性在物理學(xué)或者其他科學(xué)研究中，完全可以取得毫不遜色于男性的成就。
蘭道爾教授先后在麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)這幾所世界最著名的大學(xué)擔(dān)任理論物理學(xué)教授，并一直在進行著最前沿的科學(xué)研究。她有許多卓越的成就，其中最著名的是她與桑卓姆合作提出的“額外維度”模型。在這個模型中，我們所熟知的三維空間只是高維空間中的“膜”（參見《彎曲的旅行》一書）。蘭道爾教授的這套科普書系，介紹了物理學(xué)家是如何研究、探索宇宙之謎的。《叩響天堂之門》一書不僅介紹了大型強子對撞機所進行的研究的意義，也用科學(xué)的道理和事實，澄清了人們對科學(xué)的各種誤解；《彎曲的旅行》一書，重點是對高維空間的探索；《暗物質(zhì)與恐龍》一書則介紹了作者提出的一個特別的暗物質(zhì)模型，并就此提出了一種關(guān)于恐龍滅絕的有趣假說，借此又闡述了從宇宙起源到暗物質(zhì)、從太陽系演化到恐龍等多方面的知識。所有這些著作的共同特點是，作者并不滿足于僅僅介紹那些已經(jīng)被廣泛接受的科學(xué)知識，而是著重展示科學(xué)家現(xiàn)在正在進行的猜想和探索，當(dāng)然也清楚地說明了哪些仍僅僅是猜想和假說。這些猜想也許未必都正確，其中許多可能也會被未來的實驗和觀測所否定。但是，對這些內(nèi)容的介紹更可以使讀者真切地欣賞到科學(xué)研究的豐富多彩和趣味，體驗到科學(xué)家們在構(gòu)造假說、探索未知、獲得新發(fā)現(xiàn)時所體驗的激情。
我相信，想了解科學(xué)探索前沿的讀者一定會享受閱讀這套書帶來的樂趣。我也特別希望，這些書能鼓勵那些喜愛科學(xué)、希望未來從事科學(xué)研究的女孩子們。
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