艾弗琳·蓋茨是科維理（Kavli）宇宙物理學研究所助理所長和芝加哥大學的高級研究助理。作為阿爾德（Alder）天文館和天文學博物館的天文學部前部長和科教部副主任，Evalyn Gates在威廉瑪麗學院（College of William and Mary）獲得學士學位，並在凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）獲得理論物理博士學位。畢業後，她先後在耶魯大學和芝加哥大學進行博士後工作，並任費米國家加速器實驗室訪問學者。她的主要研究領域為粒子宇宙學和天體物理學，包括暗物質、MACHO和白矮星等。

從某種意義上說，科學又進入了新一輪的探索，而這次探索將比任何 魔幻小說都更神奇。在我們的眼睛和望遠鏡中出現的宇宙，將是一片壓倒 性的黑暗，其中近乎四分之三是暗能量，四分之一是暗物質，而我們以前 所熟悉的常規物質，隻是零星散布在宇宙中的些許點綴，就像夜幕中無邊 大海上的一點閃光。在20世紀物理學良好發展的基礎之上，如今我們又踏 入了一個全新的領域。 如此先進的新世界觀，必然要求一種同樣先進的新觀察方法。愛因斯 坦的廣義相對論，給我們帶來了一種對宇宙的顛覆性理解，而這種理解正 在指引科學家們將空間本身做成望遠鏡。這種構想一旦成功，這些由萬有 引力打造的宇宙望遠鏡，其能力將遠遠超過我們能在地球上建造的任何設 備。 根據愛因斯坦的理論，空間和時間能被任何形式的質量扭曲。每一個 行星、恆星和星繫都會在空間中產生一個凹陷——物體的質量越大，凹陷 越大。因此，無論暗物質是什麼，也無論它在哪裡聚集，都會使周圍的空 間變形。當光穿過這些由大質量物體所產生的凹陷時，自然而然地就會改 變方向，其結果和在空間放置一個巨大的透鏡是一樣的。單從引起光線彎 曲和偏轉的效果來看，這種由空間結構變化所產生的引力透鏡，和傳統的 由玻璃或塑料制成的光學透鏡沒什麼兩樣。 盡管這是一個很抽像的理論，但在現實中，這一理論可能會成就一項 非常實際的應用，並由此衍生出當代宇宙探索者手中最強大的工具。就像 我們能通過理解量子力學，創造出一項革新性的影像技術——核磁共振成 像（MRI）。通過該技術醫生可以直接觀察人體的內部結構，而這在一百年前 根本是無法想像的。廣義相對論同樣給予了天體物理學家一種觀測宇宙的 新方法。愛因斯坦理論將我們的視線推廣到了一個新極限，並首次為我們 揭示了宇宙中黑暗組成部分的細節。在引力透鏡的幫助下，我們能夠將觀 察範圍擴大到最遙遠的星繫，發現其他遠離太陽繫的神秘行星以及空間中 旋轉的黑洞。 更重要的是，我們可以借助引力透鏡去揭開暗物質和暗能量的神秘面 紗。科學家已經開始研究這些包裹著星繫和恆星、並占據宇宙大部分組分 的暗物質，同時著手探究無光區域的宇宙結構。在無限延展的宇宙中，暗 物質形成了一個由引力刻畫、並帶有暗能量印鋻的網絡，而引力透鏡是唯 一可以幫助我們繪制出這張網的工具。這種新式的引力望遠鏡——即愛因 斯坦望遠鏡——將幫助我們破解暗物質和暗能量的謎題，並最終帶領我們 獲得對空間、時間、物質和能量的基礎本質更深層次的領悟。核心問題 在嘗試尋找答案之前，我們必須先理解所面對的核心問題。進入2l世 紀以來，研究宇宙的科學家們所面臨的最嚴峻、同時也是最引人注目的問 題，正是人類在嘗試理解周圍世界時所提出的一個最古老的問題： “宇宙是由什麼構成的？” 這個問題是數千年來科學研究的焦點所在，且毫無疑問已經取得了足 以令人震驚的進展。我們現在可以解釋視線所及的一切事物：從地球上的 物體到地球本身，再到最遙遠星繫中的恆星。在最基本的層面上，它們都 是由原子和分子組成的，而原子和分子又可以分解為誇克和電子。在過去 的一百年間，我們深人發掘了原子和分子的特性。直到20世紀末，一些學 術權威甚至迫不及待地想要宣稱，我們已經找到了這個古老問題的答案— —科學的盡頭已經到來。 他們顯然是錯誤的。P2-3

在一般公眾的眼中，物理應該是一門高深的學問。從牛頓到愛因斯坦 ，從費曼(Richard Feynman）到霍金(Stephen Hawking），物理學家的頭頂 永遠籠罩著天纔的光環。這層光環不僅照耀著這些我們自高中時期就耳熟 能詳的名字，還慷慨地將光輝與每一個和物理有關的人分享。無論是從事 研究或教學工作的物理學工作者，還是在各個階段物理學得好的學生，都 能自然而然地享受到這些光芒，從而被自然而然地歸為聰明人。 在過去的十幾年中，譯者作為物理學工作者，都不可避免地受到這種 光輝的照耀。在它的影響下，我們各自有那麼一段時間變得忘乎所以，肆 無忌憚地用看似高深的理論和晦澀難懂的學術名詞來談論物理，似乎隻有 這樣纔能彰顯自己的與眾不同。幸運的是，這種丑惡的嘴臉並沒有保持太 長時間(否則我們不確定是否能在清醒過來後，頂住隨之而來的羞愧與自厭 ），並隨之認識到，物理學的美，恰恰在於簡單。 對於這個結論，絕大多數學過物理的人肯定不會同意。在公眾看來， 物理不僅高深晦澀，而且枯燥乏味。事實上，即使是物理學工作者(比如我 們自己），也時不時會產生類似的想法。但是，在將“覺得乏味——感興趣 ——再覺得乏味——再感興趣”這個循環重復了無數次之後，我們卻不得 不承認，物理既不高深，也不乏味。高深的是描述物理的方法，乏味的則 是我們這些搞物理的人。 誰都不希望變成乏味的人，物理學工作者也不例外。但是，我們在很 多時候卻不得不求助於高深的數學或其他工具，因為除此之外，我們根本 不知道該怎樣去描述世界運行的道理。說得再坦白一點，物理的高深恰恰 是因為人類自身的無知。隻有當我們對自然的領悟已經達到了運籌帷幄、 存乎一心的時候，纔可能將一切的邏輯和法則用最淺顯的語言描繪出來。 這樣的天纔確實存在，但絕大多數人(當然包括我們）都不是。 說到這裡，我們希望已經澄清了一些不應該出現在自己身上的光環， 更希望能消除讀者心中對物理的畏懼和憎惡。誠然，如果你想從事物理研 究工作，且不是上述的那種天纔(就和我們一樣是個中人之資的普通人）， 那麼很遺憾，你就不得不借助高深乏味的工具，並在一生中不斷體會著“ 乏味——興趣——乏味”的循環。但是，如果你隻是想欣賞物理學的美， 並享受它所帶來的興奮和愉悅，那你完全可以拋卻過去曾經有過的不愉快( 比如高中時期的習題和考卷），並嘗試著用全新的方式重新擁抱物理。 如果你真的有此決心，那麼手上的這本書絕對是一個很好的開始。本 書的作者艾弗琳·蓋茨作為一名活躍在科研第一線的宇宙學家，以她深厚 的學術功底為基礎，為我們講述了有關引力透鏡、暗物質和暗能量的故事 。隨著作者充滿感性和魅力的筆觸，我們得以從完全不同的視角欣賞和享 受物理學中最純粹(因此也被誤解為最枯燥）的分支——宇宙學和粒子物理 學——所帶來的衝擊和震撼。在物理學的幫助下，身為地球上的普通人， 我們不僅可以“看到”宇宙深邃的盡頭，還可以探究隱藏在無盡夜空下神 秘的天體，而這些認知又和比原子還要小很多倍的基本粒子研究聯繫在一 起。所有這些激動人心的概念，都將在你閱讀的過程中一一呈現。 最後，我們要感謝在本書翻譯過程中提供幫助的人。首先要感謝策劃 編輯唐奇，如果沒有她的鼓勵和幫助，我們也許根本不會積攢起足夠的信 心來開始這項工作。其次，要感謝中國科學院理論物理研究所的李淼老師 ，他仔細閱讀了全書的每一個章節，並給出了很多專業的意見。我們還要 感謝北京科技大學國家材料服役安全科學中心的劉劉老師和中國人民大學 物理繫的周曉瑋老師，她們從非物理專業的角度對本書的語言和行文提出 了不少見解。本書的翻譯工作時間並不緊張，條件也很優越，但由於自身 水平所限，疏漏之處在所難免。如果因為我們的原因，使你在閱讀過程中 沒能獲得應該享受的樂趣，我們在此表示最真誠的歉意，並希望你能相信 ，這絕不是物理本身的過錯。 張威上官慧敏 2010年8月於北京

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