引言

欢迎来到科学的世界

我们正沐浴在一道划时代发现的曙光之下。

世界上规模最大的粒子物理学及宇宙学实验正在缓缓拉开序幕，全球顶尖的物理学家和天文学家纷纷投身于这场科学盛宴中。科学家们未来10年将要作出的发现，终将使我们对物质的基本构成乃至空间本身的认知发生巨变。这将为我们理解物理世界的本质提供更为全面的视角。关注这些进展的人们不会仅仅把它们当成后现代时期的“附属品”。我们致力于探索一些伟大的发现，这些发现有可能引出属于21世纪的科学新范式。这种范式将有助于我们探索宇宙的潜在构造，从那些尚未被人们发现的视角，改变人们对宇宙基本构造的认识。

2008年9月10日是一个历史性的日子。就在这一天，大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）首次试运行。尽管“大型强子对撞机”这个名字直白乏味、毫无创意，然而正所谓“圣人无名”，它取得的科学成就必将令世界惊叹。在“大型强子对撞机”这个名字中，“大型”是指对撞机本身，而非其中参与对撞的强子。大型强子对撞机包含一个全长26.6公里的巨型地下环形隧道，该隧道穿过了法国与瑞士的国界线，把侏罗山和日内瓦湖连接了起来。隧道中的电场同时加速两个粒子束，每一束都包含着数十亿质子（隶属于强子，对撞机也因此得名），它们以每秒11000圈的速率在隧道中狂飙。

大型强子对撞机要负责有史以来从很多方面来看都规模最大、最引人注目的物理实验的运行。其目的是，在小到无人测量过的尺度，以及高到无人探索过的能标上揭示物质结构之谜。这些能量会形成一批基本粒子，并揭示早期宇宙演化过程中出现的相互作用——这些都是在宇宙大爆炸之后大约一万亿分之一秒的时间内发生的。

大型强子对撞机的设计穷人类之智慧，可谓巧夺天工，但它实际的建造过程却存在许多预期之外的困难。令那些急于探索自然奥秘的物理学家以及其他好奇者懊恼的是，在大型强子对撞机试运行仅仅9天之后，某个不良的焊点就引发了一场爆炸。但是，随着大型强子对撞机在2009年秋天的回归，并以超出所有人的期待良好运行的这一事实，让25年前人们的承诺终于逐渐变成了现实。

2009年春天，普朗克（Planck）卫星与赫歇尔（Herschel）卫星在法属圭亚那发射。我从一个来自加州理工学院的兴奋的天文学观测组那里获知了发射时间，即5月13日早上5：30。当时，我在帕萨迪纳（Pasadena），从远处亲眼见证了这个意义重大的事件。赫歇尔卫星将提供关于恒星形成过程的观测，而普朗克卫星将为我们提供大爆炸残余辐射的细节信息——这有助于我们了解宇宙的早期历史。发射虽然激动人心，但也令人紧张——毕竟还存在2%～5%的失败率，而一旦发射失败，科学家们数年来的辛勤工作，就会随着坠毁于地球的卫星中的定制科学仪器一同付诸东流。所幸，这次意义重大的发射非常顺利，它在日间发回的宝贵信息宣示着它所取得的巨大成功。即便如此，我们也还要等待许多年，以待这些卫星中关于恒星和宇宙的最有价值的数据被科学家们揭示出来。

科学之美，拓宽知识的边界

对于宇宙在大尺度上以及在高能标下的行为，物理学家已经建立了基础牢靠的理论模型。现有的理论和实验，已经让科学家们对宇宙的基本元素和结构有了深刻的理解，这种理解涵盖了极为广阔的尺度范围。这些年来，我们已经逐渐推演出了一个综合而细节明晰的架构，它可以把之前我们已经获得的理论碎片拼合在一起。这些理论成功地描述了宇宙是如何演化而来的：极小的成分形成了原子，然后聚合为恒星，继而形成星系以及更大的、遍布宇宙的结构；还描述了某些恒星如何爆炸、产生重元素，这些重元素又如何进入银河系、太阳系，并最终成为生命诞生的基石。通过大型强子对撞机以及上面提到的卫星探测的实验结果，如今的物理学家们希望能建立一个基础更加坚实、涵盖领域更广的理论，该理论可以加深人们在更小尺度与更高能标上对宇宙的理解，使理论达到之前从未达到的精确度。这将是人类迈出的一大步，而你我对此都怀有凌云壮志。

你应该已经了解过一些清晰明确的科学定义，它们比宗教信仰中的定义要明了得多。然而，这些定义形成的真实过程却极为复杂。即使我们倾向于认为，它们是外在真实世界以及物理世界运作规则的真实反映（至少我在科学之路上启程时是这么想的），然而实际的研究几乎不可避免地都是在一种不确定的状态下进行的。在这种状态下，我们期望取得进展，但不确定方向是否正确。科学家面临的挑战是：坚持那些有前途的理念，并不断地质疑它们，以确认其真实性及其蕴涵的真正意义。科学研究不可避免地涉及对那些精致、优美理念的权衡。这些理念往往处于困难、竞争与矛盾的边缘，也因此令人备加兴奋。总之，我们的目标是尽力拓展已有知识的边界。当有人开始刻意篡改数据、概念以及方程式时，即使是那些原本正确的理念，也变得不确定起来。

我的主要研究对象是基本粒子——对已知尺度最小的事物的研究，领域涉及弦理论以及宇宙学——对已知尺度最大的事物的研究。我与同事们致力于理解以下这些问题：

●物质的核心是什么？

●宇宙中正在发生什么？

●那些由实验发现的基本物理量和性质，在本质上是如何联系在一起的？

像我这样的理论物理学家并不会亲自去判定什么理论适用于真实世界的实验，而是试图对可能的实验结果进行预测，以及帮助设计测试某些理论有效性的新实验方法。在可预见的未来，我们试图回答的问题对于改善人们晚餐食物这种事情毫无裨益，但这些研究将会回答以下终极问题：我们是谁？我们从哪里来？

《叩响天堂之门》讲述的是我们的研究内容，以及我们面对的最重要的科学问题。粒子物理学与宇宙学的新发展有望修正我们理解世界的理论，譬如世界的诞生与演化，以及驱动其运作的基本作用力。本书将要描述在大型强子对撞机上进行的、期望能够发现新事物的实验和理论研究；也会描述宇宙学的研究成果，即我们如何试图推断出宇宙的本质，尤其是宇宙中无所不在的神秘暗物质。

本书的视角不止如此，它还将探索适用于所有科学研究的普遍原则。虽然我们要描述当今科学研究的前沿，但是本书的核心目的在于辨析科学的本质。它将描述如下过程：

●我们如何决定提出什么样的问题是恰当的；

●为何科学家们对这些问题众说纷纭；

●正确的科学观念如何最终得以成为主流观点。

本书将要探索科学发展的真实方法，并将之与人类对其他探寻真理方法的尝试相对比，给出一些科学的哲学基础以及描述一些“中间阶段”。在这些阶段，我们尚不确定孰对孰错，也不清楚前路终于何方。但是这些思考的重要之处在于，它们向我们展示了科学理念、科学方法是如何在科学之外的领域应用的，进而如何促进了那些领域中更加合理的决策的形成。

漫漫科学旅程，看尽将实而仍虚的奇迹

《叩响天堂之门》面向的是非科学专业的读者，他们可以通过本书对现代理论物理学和实验物理学有更深入的了解，对科学思想的基本原理以及现代科学的本质产生更高的审美情趣。人们往往并不真正懂得“科学是什么”“我们可以期待科学告诉我们什么”。本书是我意图纠正人们一些误解的尝试，或许还包含一些沮丧心情的发泄——这些发泄针对的是科学在当代被理解和应用的方式。

近年的工作使我拥有了一些不平凡的经历以及社交经验，从这些经历与交流中我获益良多。我打算以分享这些经历为切入点，开始我们对一些重要理念的探索。即使在本书涉及的领域中我并非全能专家，而且出于篇幅所限，我不可能在描写中做到面面俱到，然而我依旧希望，通过《叩响天堂之门》，能够带领读者走向更加丰富的思考方向，并尽可能地解释一些在这些方向上最新的、最令人兴奋的进展。本书也会帮助那些有志于在未来探寻更深层次答案的读者，帮他们确定那些最值得信赖的科学信息和误导信息的来源。本书深入浅出地表达了一些理念，这些理念有助于我们更彻底地理解隐于现代科学之下的一些思辨，从而为科学研究以及当代社会面临的重要问题铺就一条光明大道。

在这个电影前传盛行的时代，你可以认为本书是《弯曲的旅行》（Warped Passages）的前传，以及对“我们已经走到了哪一步”“我们正在预期什么”这些内容的更新。它补充了之前没有讲到的内容、回顾了新观点及新发现之后的科学基础，进而解释了为何我们当下静候于进展的边缘，等待新的数据以便迈步前行。

本书将在以下两点之间交替叙述：一为今日科学已经取得进展的细节，二为隐含在科学之下的那些必要话题以及概念——提出这些，对理解更为广阔的世界也很有用。本书第一部分、第二部分的第11章与第12章、第三部分的第15章与第18章以及最后一章，偏重讨论科学思想，其他章节则偏重物理学本身，包括在物理学上我们已经走到了哪里，以及对漫漫来路的回首。从某种意义上来讲，《叩响天堂之门》和《弯曲的旅行》这两本书是一体的，建议读者一同阅读。现代物理学宛在天上，它晦涩难懂，与日常生活毫不相干。然而，指导我们思考的哲学和方法论基础，应当能够明晰科学及其相关的思想，正如本书给出的许多例子一样。相反，一个人只有具备一些真正的科学基础知识才能完全领会科学思想中的一些基本元素，并落实这些想法。有着更高要求的读者也许会略读或干脆跳过其中一方面的内容，然而两者的适度结合才能在我们这道科学盛宴中烹饪出绝佳美味。

全书将反复提到一个关键词“尺度”（scale）。物理定律为已经确定的理论与其对自然的描述如何结合为一个有联系的整体，确立了一致的框架：小到大型强子对撞机上进行的实验尺度，大到整个宇宙的尺度。关于尺度的这些说明，以及在这条探索的道路上我们将要邂逅的那些既定事实与理念，对我们的思考有着决定性意义。已经确定的科学理论适用于目前我们可以理解的尺度。然而，在那些从先前从未探索过的或大或小的尺度上，我们正在获得的新知识将为我们引入更精确、更基础的理论。第1章将着眼于介绍“尺度”的概念，并解释科学家为何把万物按照其尺度分类，对于已有的物理学与建立在其上的新科学进展是必要的。

本书第一部分也会介绍并对比科学家们在攀登科学高峰时，所选择的不同道路。当你询问人们在思考科学问题时的感受时，得到的答案很可能因人而异。某些人可能会坚持他们对物理世界严格而刻板的印象；一些人也许会把它当作一个不断被修正的原理的集合；另一些人或许会声称：科学不过是另一个信仰系统，与宗教或哲学并没有什么本质区别。这些观点也许都值得商榷。

为何有如此多的争论（哪怕是在科学内部），这是科学演化本质的核心问题。第一部分会介绍一点历史知识，它揭示了今日科学如何扎根于17世纪人类智慧的土壤，以及一些有关科学观念与宗教观念的正面交锋。这一部分也将着眼于唯物主义者对物质的观点、科学-宗教问题的棘手应用，以及“谁来回答基本问题”“如何回答它们”等问题。

第二部分将转而讨论物质世界的构造。它将为我们的科学之旅导航，引领我们从熟悉的尺度一直探索到已知的最小尺度，并按照尺度来划分物质世界。沿着这条路走下去，我们会从日常所及的领域一直走到亚微观尺度，这种尺度上事物的内部结构只能通过大型粒子加速器来探索。第二部分将以对今日主要物理学实验的总结结束，这些实验主要来源于大型强子对撞机以及一些对早期宇宙的天文学观测，它们将拓展人们的认知极限。

随着一些令人兴奋的进展的涌现，这项勇气十足且雄心勃勃的事业有望使整个科学的世界观发生翻天覆地的变化。在本书的第三部分，我们将深入了解大型强子对撞机的运行，探索这部机器是如何创造对撞质子束，以产生那些目前能探及的最小尺度粒子的。第三部分也将说明实验物理学家们如何阐释他们的发现。

欧洲核子研究中心（CERN）在发布与粒子物理学实验相关的信息上不遗余力——其程度不亚于好莱坞欢乐却有误导性的大片《天使与魔鬼》（Angels and Demons）。这个大型粒子加速器及其建立的目的因此而广为人知：它将具有巨大能量的质子聚集到一个极小空间中，让它们对撞，以产生人们前所未闻的物质形式。正在按部就班运行的大型强子对撞机，终将改变人们对物质的基本构成乃至空间本身的认知。而对于它将找到什么，我们现在尚一无所知。

在这次科学之旅中，我们将仔细回味科学的不确定性，以及科学测量可以告诉我们什么。科研的本质决定了它只能止于我们所知事实的边界。物理实验及计算都被设计得尽可能减少乃至消除尽可能多的不确定性，并且最终精确地给出误差范围。然而，听起来滑天下之大稽而又确然如此的是，科学在实践与一些基本原则里，已经充满了不确定性。第三部分讲述了科学家是如何处理艰难研究中存在的内在挑战，以及大众在理解这个日益复杂的世界中产生的思想时，是如何从科学思维中获益的。

第三部分也将讨论可能产生于大型强子对撞机的微型黑洞，以及大众随之而来的恐慌，并把它和我们目前所面对的一些真正危险做对比。我们将会考虑有关的重要主题，包括收支分析、风险评估，以及人们如何做才会为这些问题提供有价值的意见——不论是在实验室内，还是在实验室外。

第四部分将详述人们寻找希格斯玻色子（Higgs boson）及具体模型的研究过程，这些正是科学家们对大型强子对撞机中存在什么及其搜索目标的合理猜想。如果大型强子对撞机的实验确证了某些理论家提出的观点，甚至只是偶然发现了一些预期之外的东西，那么这些结果都将改变我们看待世界的方式。在这一部分，我们将解释基本粒子如何得以产生质量的希格斯机制（Higgs mechanism），以及昭示着我们应该能找到更多东西的等级问题（hierarchy problem）。这一部分也将讨论处理这些问题的模型，以及它们所预言的那些奇异粒子，比如那些与超对称性（supersymmetry）和空间额外维度（extra dimension）相关的粒子。

除了介绍一些具体的猜想之外，第四部分还将解释物理学家如何处理理论模型的建立以及那些指导性原则的有效性。这些原则包括“与美相伴的真理”（truth through beauty），以及“自上而下”（top-down）、“自下而上”（bottom-up）两种研究方法。它解释了大型强子对撞机正在寻找什么，以及物理学家们希望它找到什么。第四部分还将描述科学家如何试图把大型强子对撞机中看似抽象的实验数据联系在一起，并建立一些深刻、基础的理念以供人们审视。

随着对物质本质的深入研究，在第五部分我们将极目远眺。此时，大型强子对撞机在探索物质的最小尺度，而人造卫星和望远镜在探索宇宙的最大尺度，以研究宇宙的加速膨胀率以及大爆炸残余辐射的细节。这个时代也许会成为令人震惊的宇宙学进展的见证者，而宇宙学正是研究宇宙演化过程的科学。在这一部分，我们将在更大尺度上探寻宇宙的奥秘，讨论粒子物理学与宇宙学的联系，讨论神秘的暗物质以及与之相关的实验探究。

作为全书尾声的第六部分是一个综述，着眼于创造力以及创造性思维中那些丰富而多变的元素。它回顾了我们如何从源于日常所见的平凡事物出发，试图回答一些大问题。我们将以一些终极思考作为全书的尾声，包括当今科学与科学思维如此重要的原因以及科学与技术的共生关系——众所周知，它们彻底改变了现代世界。

我时常反思，试图使非科学工作者领会对其而言非常陌生的现代科学的精要，是多么棘手。这个挑战的困难性在我遇到一个班的大学生时彰显无遗。当时我正在做一个有关物理学与额外维度的公开演讲，当获悉听众们都急切地想要提问时，我本以为他们是对空间额外维度的概念有一些困惑，不料他们却只想知道我的年龄。大众对科学缺少兴趣并非唯一的困难——那些学生确实在八卦之后转向关心严肃的科学问题了。然而，基础科学往往过于抽象、难于理解，这是无可辩驳的事实。在一个阐述基础科学重要性的国会听证会上，我曾经因为这一点与他人产生了交流障碍。当时与我一同参会的人有：美国能源部高能物理所主任丹尼斯·科瓦（Dennis Kovar）、费米国家加速器实验室（FNAL）主任皮耶·奥登（Pier Oddone）、托马斯·杰斐逊国家加速器实验室（Jefferson Lab）主任休·蒙哥马利（Hugh Montgomery）。自我多年之前在高中时代作为西屋科学竞赛（WSC）决赛的选手，被国会议员本杰明·罗森塔尔（Benjamin Rosenthal）带到这里周游一圈以来，这还是我成年后第一次走进政府大楼。罗森塔尔当时为我提供了高于其他入围者的礼遇——他们只收到了照片。

这次故地重游，我再次有幸参观了制定国家政策的那些政府办公室。众议院科学技术委员会的办公区域位于雷伯恩众议院大厦内。议员们坐在办公区后，我们面向他们而坐以“见证”他们的办公过程。有一些写有励志名言的牌匾悬挂在议员们的头顶，其中第一块写着：

没有异象，民就放肆；唯遵守律法的，便为有福。

WHEN THERE IS NO VISION THE PEOPLE PERISH.PROVERBS 29：18.

看来，美国政府哪怕在负责科学与技术事务的国会办公区中也需要《圣经》。虽然如此，这句引文确实表达了一种高贵而精确的情感，我们都喜欢如此引经据典。

第二个不朽名言更常被人们引用，它是伟大诗人阿尔弗雷德·丁尼生（Alfred Tennyson）的：

我曾沉入到世人的目光所不能及的未来，看到了世界的幻象以及所有将实而仍虚的奇迹。

FOR I DIPPED INTO THE FUTURE, FAR AS MY EYES COULD SEE/SAW THE VISION OF THE WORLD AND ALL THE WONDER THAT WOULD BE.

这确实也是描写我们的研究目标时，一句应该永铭于脑海的箴言。

然而颇具讽刺意味的是，我们在一个被如此布置的房间中，作为已经广为承认这些思想的科学世界“见证者”，还要面对这些光辉名句，即便我们的日常工作中无所不在地渗透着这些理念。另一方面，那些议员并不真正理解这些名句的真正含义，因为这些意义于他们的日常体验而言，只是无源之水。国会议员利平斯基在他的开场词中讲道，科学发展鼓舞了更多问题的提出以及形而上学的追问——这说明他曾经注意过那些名人名句，然而现在已显然把它们忘记了。“很少有人会看到那个高度”，他被人提醒道，他对此点头表示感谢。

处理完这些杂事，我们投入到了本职工作中——解释是什么造就了这个属于粒子物理学和宇宙学、前所未有、令人激动的时代。尽管这些议员时而提出一些多疑而尖锐的问题，我还是感受到了他们平日里受到的阻力。这些阻力来源于他们需要向选民解释，为何缩减科学研究资金是不明智之举——即便当经济形势不好时也是如此。这些问题涉及的范围广泛而细致，从具体的科学实验的目的到有关科学所扮演角色的更广泛的主题，还有对科学将把我们导向何处的追问。

由于议员们需要定期去投票，会时而缺席，所以我们对此断断续续地给出了一些支持基础科学并获益的例子。即使是着力于基础科学的研究也经常会产生意想不到的影响其他领域的硕果。我们讨论了蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）对万维网的贡献，这使得来自不同国家的物理学家可以在大型强子对撞机上进行的联合实验项目中，更加便捷地进行合作；讨论了物理理论的医学应用，比如PET扫描，即正电子成像术，这是一种以电子的反粒子来探测人体内部结构的方法；还讨论了超导磁铁的工业化生产所扮演的角色，这些本为对撞机而设计的磁铁，现在也可以用于核磁共振成像（MRI），以及广义相对论在精确测量方面的卓越应用，包括我们已经广泛应用于汽车导航之中的全球定位系统。

当然，有重大意义的科学发现并不一定能在可预期的时间内产生短期的利益。即使它最终可以产生效益，我们也往往不能在最初发现的时候便得知这一点。当本杰明·富兰克林意识到天上的闪电即凡间之电时，他并没有意识到电力将迅速改变整个世界的面貌；而爱因斯坦在提出广义相对论时，也并没有预期它可以应用于任何实际项目。

所以，我们今日首要关注的并非科学具体的实际应用，而是至关重要的纯粹科学。即使在美国科学研究的现状摇摇欲坠，很多人还是认识到了其长期价值。大众对宇宙与时空的观念被爱因斯坦改变了，正如我在《弯曲的旅行》一书中引用的《随时光流逝》（As Times Goes By）的歌词所显示的那样，人类特有的语言与思维，随着人们对物质世界理解的变化以及思维方式的进步而变迁。科学家们今日正在研究的课题以及我们对它们的理解，不论是我们对世界的理解，还是对这个体力与脑力相结合的社会本身的理解，都极为重要。

随着之前一些尖端研究计划的提出，我们当下生活在一个不论于物理学而言还是宇宙学而言，都令人极其激动的时代。通过对大量科学发现的介绍，《叩响天堂之门》一书将会拓展我们理解世界的不同方式，不论是从艺术、宗教还是科学的角度出发，最终都会聚焦于现代物理学的目标及方法。最后我要说的是，我们对极小尺度上事物的探索，对于回答“我们是谁”“我们从哪里来”这些终极问题而言，非常必要。我们希望了解更多的大尺度结构，它们将会揭示关于宇宙的一切，包括宇宙的起源及其终将面对的命运。本书将讲述我们希望找到什么以及如何找到它们。

这将是一次迷人的历险——欢迎来到科学的世界！