导语

  

    自相对论和量子力学诞生以来，科学家们以其非凡的才智和超人的想象力为我们描述了一幅愈发让人觉得不可思议的宇宙图景。在本书中，知名物理学家阿尔瓦罗·德·鲁朱拉博士以幽默的语言讲述了现代物理学和宇宙学领域取得的激动人心的研究成果。小至亚原子世界，大至可观测宇宙，这本书将带领你快乐地在微观与宏观世界之间穿行，让你领略暗物质、引力波、反物质、中子星、超新星、黑洞、宇宙膨胀、时间旅行等宇宙奇迹。

内容提要

  

    这是一本快速了解宇宙学和粒子物理学基本概念和前沿研究进展的通俗读物。本书从亚原子粒子和天体宇宙两个极端尺度进行介绍，内容涉及暗物质、引力波、宇宙背景辐射、反物质、玻色子、力的统一、黑洞、大爆炸、宇宙膨胀、宇宙未来的命运等。为了便于读者更好地理解这一奇妙而又高深的领域，作者尽量采用通俗的语言和各种类比进行描述，并搭配了大量有趣的插图。我们可以从中体验到宇宙之美和物理学之美。
    本书适合对天文学和物理学感兴趣的读者阅读。

    人类历史上最伟大、最美妙的故事不是游吟诗人唱出来的，也不是剧作家和作家写出来的，而是科学讲出来的；科学所讲的故事，其恢弘壮丽、曲折幽深、惊悚诡异、恐怖神秘，甚至浪漫和多愁善感都远超出文学故事。
    ——刘慈欣，科幻作家，《三体》作者
    从大爆炸、宇宙膨胀到错综复杂的量子物理，阿尔瓦罗-德-鲁朱拉博士带领我们进行了一次激动人心的旅行。他告诉我们已经知道了多少，还有多少我们尚不知道。他那独特的幽默风格和出色的洞察力将给我们带来非凡的阅读体验。
    ——巴里·巴里什，诺贝尔物理学奖得主，加州理工大学教授
    这本书涵盖了超级广泛的科学尺度：从粒子理论到宇宙学。阿尔瓦罗·德·鲁朱拉博士以其出色的洞察力和想象力将这些高深的科学理论讲述得通俗易懂，向我们展示了一幅奇妙的宇宙图景。
    ——谢尔顿·李·格拉肖，诺贝尔物理学奖得主，波士顿大学教授

第1章  把物理作为一种艺术形式
第2章  把科学当作一种体育运动
第3章  麻烦的单位问题★
第4章  科学的方法
第5章  三个相对论
第6章  一次快速宇宙旅行
第7章  基本作用力及其“携带者”
第8章  迄今为止发现的所有基本粒子
第9章  量子力学插曲
第10章  理解相对论和量子力学
第11章  自旋、统计学、超新星、中子星和黑洞
第12章  平行世界
第13章  一段有关“R2QFT”的插叙★★
第14章  力的统一
第15章  一段插叙：基础科学有用吗
第16章  再谈双生子
第17章  宏观物理学的一些工具
第18章  引力波辐射的发现
第19章  对引力波的直接探测
第20章  微观物理学的一些工具
第21章  LHC及其探测器
第22章  希格斯玻色子及其真空场
第23章  现今的粒子和引力的标准模型
第24章  宇宙膨胀
第25章  寻找宇宙化石
第26章  宇宙中的反物质在哪里
第27章  再谈宇宙背景辐射
第28章  “旧”大爆炸理论的问题★★
第29章  暴胀
第30章  标准模型的局限和奇异之处
第31章  基本相互作用的离散对称★★★
第32章  暗物质
第33章  “结构”的起源
第34章  宇宙的命运
第35章  重提以太
第36章  碰撞
第37章  尽管我们承认自己无知
术语解释

前言

  

    大多数人，包括他们中的大多数科学家，之所以熟悉一些体育项目的规则和近期比赛的结果，可能是因为他们自己参与过这些项目，或者只是因为关注这些体育赛事。大多数科学家也会在他们的行业中进行实践，即使不自己动手，也会认为关注科学的发展是很有趣的。我们对体育和科学或者“大多数科学家”和“大多数人”的类比就到这里为止了。
    大多数非科学工作者不会坚持认为理解我们恰好所在的宇宙或者只是试图去理解它也是非常有趣的。对于科学文章来说，“我什么都弄不懂”可不是什么少见的反应。在我看来，主要的原因不是科学有多无聊或者高深莫测，更普遍的情况是科学没有得到很好的普及。
    但即使是在一个幼儿园里，孩子们也会被教给一些“科学方法”：做实验并从结果中得出结论。具体来说，可以给一群非常小的孩子一架天平、一个水壶、一种用来测量液体体积的厨房用具和不同类型的球（比如网球、高尔夫球、乒乓球、台球……），这个实验的主要目的是找出什么使得这些球浮起来或沉下去。
    结果有点让人惊讶：孩子们很快就弄明白了大小不是问题，关键是某些和质量相关的东西。如果他们不是还在蹒跚学步的小孩子，那么稍微给他们一点提示，或者给他们一些同样大小而质量不同的球，他们甚至有可能发现答案与质量和体积之间的关系（二者之比是密度）有关。游戏更有效率，而且如果是以小组的形式进行的，则能让孩子们了解到合作的益处。游戏还可以给孩子们带来很多乐趣、有用的思考方式，使孩子们获得基于好奇心和建设性疑问的解决问题的方法。
    上面这段话并非基于科学家非常热衷的思想实验，而是来自真实世界中的孩子们所参与和操作的很多“实验”的结果。有一个成功而资金并不充裕的教育项目，由美国诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼发起，被称为“动起手来”（Hands On）。这个项目采用了“尝试-错误-再尝试”的教学方法，并特别对芝加哥的“问题街区”的小孩进行了测试。该项目已经从美国传到了法国等国家，它在法国被称为“动手玩面团”，由诺贝尔物理学奖获得者乔治·夏帕克发起。
    在中学甚至大学阶段也存在类似“动起手来”这样的主动学习项目。在这一教学阶段，存在的问题可能是老师自己并不是很擅长教学，至少卡尔·威曼是这么认为的。卡尔·威曼同样是诺贝尔物理学奖获得者，他积极从事这一阶段的教学活动。在该阶段，关键是抛弃过时的、强调不断重复和死记硬背的教育方式，代之以更有建设性的方法。
    本书不是为（特别小的）孩子而写的，也不是为物理学家而写的。本书是为任何有兴趣了解当前我们对宇宙的基本科学认识的人而写的，不管他受过什么样的教育。“宇宙”一词在这里指的是从最大的天体（宇宙本身）到最小的物质（基本粒子，它们的性质不需要通过更小的组成部分就能解释）的所有可观测的对象。在这个领域已经出版了许多著作，那么为什么要再写一本呢？因为试图认识宇宙的那些尝试真的很有趣，我无法抵挡分享它们并表达出我个人所体验到的这份愉悦的冲动。
    某些读者也许对数学比较敏感。别怕，我只会用到很少的代数『即用符号来表示概念（比如E=mc2）或者概念之间的关系（比如不等号≠、约等号≈、正比号∝、大于号>）]和算术[即加减乘除四则运算和幂运算（比如103，也叫10的立方，等于1000）］知识。我可能偶尔也会用到平方根和向量，但一定会进行提醒。
    另外，还有3项事先的提醒。对于每个稍微涉及代数知识或不可避免有些难懂的章节，我都会在标题中标注一个、两个或三个星号进行提醒。读者可以根据自己的喜好跳过不看。一些脚注包含技术性的说明，以满足有相当知识储备的读者的需要。在全书的最后附有术语解释，因为很多在一处出现而又在后文中被用到的概念和名词读者在阅读时很难全部记下来，比如费米子、玻色子以及第10章中各种力的名字。