[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(shí)驗(yàn)物理學(xué)的舞臺(tái)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(duì)我研究方向的興趣正在不斷增長。不僅如此，中國的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中對(duì)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(jì)劃在中國建造的最大型的對(duì)撞機(jī)至關(guān)重要，它將成為國際主要的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)語境的情況下更難說清。這三本書給了我一次機(jī)會(huì)，不僅可以向世人解釋我的研究，還可以同時(shí)解釋作為我研究基礎(chǔ)的量子力學(xué)、相對(duì)論、粒子物理學(xué)與天體物理學(xué)等物理學(xué)知識(shí)。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(qiáng)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(duì)”與“錯(cuò)”，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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的物理結(jié)果。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是建造在日內(nèi)瓦附近的大型加速器，能讓高能質(zhì)子對(duì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)如何運(yùn)作，以及在這一實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)維度（左- 右、前- 后、上- 下）之外的某個(gè)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(gè)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(gè)故事，我回顧了前沿研究中的量子力學(xué)、相對(duì)論、粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)（既有理論，也有實(shí)驗(yàn)），還回顧了弦理論。在這本書中，我會(huì)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�！栋滴镔|(zhì)與恐龍》一書也強(qiáng)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(duì)暗物質(zhì)的新理念：暗物質(zhì)可能包含了某個(gè)小組分，這個(gè)組分通過自身的媒介物質(zhì)——光進(jìn)行相互作用，而普通物質(zhì)不與之相互作用。這可能會(huì)產(chǎn)生激動(dòng)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(duì)我的研究以及更寬泛的粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的一個(gè)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(duì)今日科學(xué)家工作狀態(tài)的一個(gè)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(duì)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(gè)比較成熟的研究主題了。我們在實(shí)驗(yàn)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(shí)，理論也在不斷發(fā)展，人們已經(jīng)超越了對(duì)暗物質(zhì)粒子非常狹隘的假設(shè)，并對(duì)“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�，F(xiàn)有的研究忽視了某些使這個(gè)假設(shè)可行的重要結(jié)果，或許這可能只是因?yàn)椋喊滴镔|(zhì)著實(shí)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(gè)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(huì)從中學(xué)到許多新知識(shí)，同時(shí)又能提出屬于自己的問題和觀點(diǎn)。