[目錄]

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

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

為什麼世界看起來隻有三維

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

宇宙的想像力遠比我們豐富

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“卡路裡災難”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，眾裡尋他千百度

標準模型的精確驗證

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

規範玻色子、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：有效的涓滴理論

等級問題，大統一理論裡的依賴性問題

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：超越標準模型的大飛躍  

費米子和玻色子：一種不太可能的對稱

超對稱的發展歷史

標準模型的超對稱延伸

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  洩露秘密的通道：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

聯繫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

後續影響

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  漫遊彎曲空間王國的“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：你是在裡面，還是在外面
 

究竟什麼是維度

之後，我們該思考什麼

結語  即將被證實的宇宙真相 

譯者後記  

[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臺上，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輕、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- 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，隻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，還涉及星繫、太陽繫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，包括在銀河繫平面上，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。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（而不隻是一小部分帶電）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，或許這可能隻是因為：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。

[重磅贊譽]

人類真的生活在一個具有多維空間的膜宇宙之上嗎？暗物質真的是毀滅“地球霸主”恐龍的“幕後黑手”？發現了“上帝粒子”希格斯玻色子的大型強子對撞機，以及未來的超級對撞機，會為這些玄妙的問題提供深刻的答案嗎？聽天纔理論物理學家麗莎•蘭道爾教授用妙趣橫生的案例、通俗易懂的語言，對科學求索的真相與未來娓娓道來，讓人欲罷不能。這是時下科學研究前沿*振聾發聵的聲音！振奮人心，啟迪心智！

韓濤

 著名理論物理學家，美國匹茲堡大學物理天文繫傑出教授

匹茲堡大學粒子物理、天體物理及宇宙學中心主任

我們還沒有探測到暗物質，但恐龍的滅絕竟然是暗物質造成的？蘭道爾“宇宙三部曲”將告訴讀者，想理解地球和人類的現在、歷史與未來，我們必須搞清楚物質*深層次的結構和宇宙*尺度的規律！唉，我真為其他想寫類似主題的作家們擔心，再寫出這麼出色的書恐怕很難了。

張雙南

中國科學院高能物理研究所和國家天文臺雙聘研究員

中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任

蘭道爾教授先後在麻省理工學院、普林斯頓大學、哈佛大學這幾所世界*著名的大學擔任理論物理學教授，並一直開展著*前沿的科學研究。在這套科普書中，蘭道爾教授介紹了物理學家們是如何研究、探索宇宙之謎的。她並不滿足於僅僅介紹那些已經被廣泛接受的科學知識，而是著重展示科學家們現在正在進行的猜想和探索，使讀者真切地欣賞到科學研究的豐富多彩和趣味，體驗科學家們在構造假說、探索未知、獲得新發現時所體驗到的激情。我相信，想了解科學探索前沿的讀者一定會享受閱讀這套書帶來的樂趣。

陳學雷

 國家傑出青年科學基金獎獲得者

國家天文臺研究員及宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家

在蘭道爾教授的筆下，額外維度、暗物質、暗能量、對撞機，這些科學家的“燒腦伙伴”也變得平易近人起來。這套科普書繫通俗易懂，與晦澀無緣，揭示了即使是門外漢都讀得懂的宇宙真相。

朱 進

 北京天文館館長

幾千年來，人類一直在試圖回答“宇宙是什麼”這一古老問題。現代天文觀測和研究揭示，宇宙包含了時空和普通物質以及很多神秘“角色”。作為世界知名的粒子物理學家，哈佛大學物理繫教授麗莎·蘭道爾在她的這套繫列叢書中，以其淵博的知識、廣闊的視野、通俗的語言，以及豐富有趣的事例，給我們講述了宇宙的基本組成和包含萬物的時空，非常值得一讀。作者大膽推斷，地球上恐龍的滅絕與銀河繫中的某種暗物質有關。如果這能夠被證實，將顛覆我們對宇宙神秘物質的現有認識。

苟利軍

中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學教授

“第十一屆文津獎”獲獎圖書《星際穿越》譯者

簡明扼要、通俗易懂、內容獨創。地球人非讀不可！

吳 岩 

科幻作家，北京師範大學教授

過去幾十年來，理論物理學中*酷的話題已經從量子力學、相對論和黑洞變成了超弦、希格斯粒子和暗物質。如果說，黑洞讓人著迷、量子力學讓人困惑、相對論讓人腦洞大開，那這些新概念則更難讓人理解！不過一旦你理解了，就會獲得更大的智力愉悅感。物理學家一直致力於在不用公式的情況下讓公眾理解物理學，麗莎·蘭道爾正是這項事業的新晉翹楚。她用一貫的機智語言告訴我們，這一代的物理學正在發生什麼。

萬維鋼（同人於野）

科學作家，暢銷書《萬萬沒想到》作者

“得到”App《萬維鋼·精英日課》專欄作家

在這個信息爆炸的時代，我們收到的碎片化信息太多，反而難以獲得真知。碎片化文章看得再多，也不如讀一本真正的好書，尤其是深入淺出、結構恢弘的好書。蘭道爾“宇宙三部曲”就是難得一見的、視野遼闊的好書，每一本都選擇了令人好奇的話題：宇宙結構、宇宙歷史、宇宙物質，並且還與恐龍滅絕這樣有趣的話題相結合，更加吸引人，讓人讀起來手不釋卷。而*為難得的是，蘭道爾的文筆簡潔、優美，你在書中找不到像一般物理學科普圖書那種艱深晦澀的語句。她用小說一樣的文筆娓娓道來，讓你理解人類對宇宙*全面的認知。

郝景芳

2016年雨果獎獲得者，《北京折疊》作者

蘭道爾說：“在物理界，有幾個人從一開始就理解我們，而且相信我們是正確的。令我們感到無比幸運的是，史蒂芬·就是其中一位。”蘭道爾在《彎曲的旅行》一書中重在喚起讀者的好奇心，而不是講述專業知識。她耐心地引領讀者從簡單的直覺經驗出發，穿越當代物理學的主要概念，直達令人興奮的科學*前沿。

史蒂芬·平克

著名認知心理學家、科普作家

暢銷書《》《思想本質》《語言本能》作者

《彎曲的旅行》作者蘭道爾可以說是*為傑出的宇宙學家之一。她告訴我們，在咫尺之外可能還有另外一個宇宙，可惜我們看不到它，實際上我們被束縛在了三維空間——這實在是太吸引人了！

馬丁·裡斯爵士

會長，天文學家、宇宙學大師

作為一名傑出的探索的先驅，蘭道爾不僅講述了自己的探索歷程，而且駕輕就熟地描述了學早期發展的廣闊領地。正是它們，引出了更多維度的假說。

戴維·格羅斯

[精彩樣章-推薦序]

發現的激情

陳學雷

國家傑出青年科學基金獲得者

國家天文臺研究員及宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家

  拿到這套書的樣章，讓我想起20 多年前（1993年），我作為一名物理學研究生，參加了由李政道先生創辦的中國高等科學技術中心組織的一個國際物理學會議。會議日程上列出的報告中有幾位大名鼎鼎的學者，他們的名字，我們在粒子物理學教科書中早已熟悉。但當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。會議開始後，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，我聽說她酷愛攀岩。然而在會議中，無論是演講、問答還是討論，她都顯得學識淵博、機敏睿智、充滿自信，與那些年齡、資歷都老得多的學者辯論時，完全不落下風，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家的錯誤刻板印像。誠然，我從小遇到過很多成績比我更優秀的女同學，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、更擅長作業和考試而已。對於她們是否能深刻地思索或者作出創造性的發現，我內心總有一點兒懷疑。在物理學發展史上，女性物理學家，特別是理論物理學家，也確實屈指可數。然而，站在我面前的就是一位活生生的傑出的女性物理學家，這證明之前我錯了。當然，自那之後，我有幸遇到過很多優秀的女性物理學家，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，女性在物理學或者其他科學研究中，完全可以取得毫不遜色於男性的成就。

  蘭道爾教授先後在麻省理工學院、普林斯頓大學、哈佛大學這幾所世界著名的大學擔任理論物理學教授，並一直在進行著前沿的科學研究。她有許多卓越的成就，其中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隻是高維空間中的“膜”（參見《彎曲的旅行》一書）。蘭道爾教授的這套科普書繫，介紹了物理學家是如何研究、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，也用科學的道理和事實，澄清了人們對科學的各種誤解；《彎曲的旅行》一書，重點是對高維空間的探索；《暗物質與恐龍》一書則介紹了作者提出的一個特別的暗物質模型，並就此提出了一種關於恐龍滅絕的有趣假說，借此又闡述了從宇宙起源到暗物質、從太陽繫演化到恐龍等多方面的知識。所有這些著作的共同特點是，作者並不滿足於僅僅介紹那些已經被廣泛接受的科學知識，而是著重展示科學家現在正在進行的猜想和探索，當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，對這些內容的介紹更可以使讀者真切地欣賞到科學研究的豐富多彩和趣味，體驗到科學家們在構造假說、探索未知、獲得新發現時所體驗的激情。

  我相信，想了解科學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、希望未來從事科學研究的女孩子們。