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从荒凉沙漠到废弃矿井的深处

从山峰之巅到世界之底

探访汇集人类智慧与胆魄的尖端实验

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◎ 编辑推荐

1.明尼苏达州700 余米深的矿山之下的低温暗物质搜寻计划；世界最大淡水湖泊贝加尔湖中的中微子探测器；夏威夷莫纳克亚山上的DEIMOS/DEEP 巡天；南 极点站的冰立方中微子望远镜，作者以科学为笔，描绘人类探索宇宙的进程；以文字为媒，将宇宙学带回人间

2.作者成功且适时地概括了现代宇宙学和粒子天体物理学，鲜活地勾勒出所遇到的物理学家的形象

3.结合了基本物理学与崇高冒险精神的非凡叙事，仿佛睡前故事般将宇宙深处的奥秘娓娓道来

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◎ 媒体推荐

无论从何种意义上说，这些实验都是英雄，阿南塔斯瓦米用热情和洞察力捕捉到了它们的精彩之处，以及它们背后的科学家的个性。

——《出版人周刊》（Publishers Weekly）

本书没有在枯燥与学术的物理学主题中探讨的哲学和数学，肯定会吸引对科学感兴趣的普通读者。

——《图书馆杂志》（Library Journal）

阿南塔斯瓦米把握住了引人入胜的细节。无论是在明尼苏达州的废弃铁矿，还是在寒冷的西伯利亚广袤土地上，他都能找到无畏的物理学家，并向我们解释为什么这些奇怪的地方是地球上唯一可以完成这些实验的地方。

——《华盛顿邮报》（The Washington Post）

本书结合了基本物理学与崇高冒险精神的非凡叙事。阿南塔斯瓦米是这两种旅程的出色向导。

——《新科学家》(New Scientist)

这本书成功且适时地概括了现代宇宙学和粒子天体物理学。阿南塔斯瓦米非常到位地勾勒出了所遇到的物理学家的形象。

——《自然》(Nature)

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◎ 名人推荐

物理学家们正在努力了解最遥远的空间与最极端的物质和能量。为了做到这一点，他们必须跋涉到地球上最偏远的地方--从地下深处到神圣的山脉，再到极寒的南极洲。阿南塔斯瓦米带领我们踏上了一段惊心动魄的旅程，环游地球、遨游宇宙，揭示了理解我们宇宙的真正工作。

——肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)，加州理工学院理论物理学家，著有《寻找希格斯粒子》等杰出的著作

作者巧妙地让困难的主题变得容易理解。我非常喜欢这本书。

——帕特里克·摩尔爵士，英国天文学会前主席

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◎ 内容简介

在本书中，作者踏上了寻找的道路，将科学描绘成人类的进程，用最生动的语言把宇宙学重新带回人间。他前往位于智利安第斯山脉的阿塔卡马沙漠，那里寸草不生，异常晴朗的天空和干燥的大气层可以让天文学家收集到数十亿光年外星系的精彩图像；他登上南半球的帕拉纳尔山，甚大望远镜坐落于此，四个巨大的圆顶每晚向天空开放；他深入美国明尼苏达州一个废弃的铁矿，物理学家们在那里寻找难以捉摸的暗物质粒子。在东南极洲冰盖上，工程师们钻入地球上最清澈的冰层，建造世界上最大的中微子探测器，助力量子物理学与爱因斯坦的广义相对论相一致。

第1章 修士和天文学家

第2章 什么都探测不到的实验

第3章 中性的小家伙

第4章 帕拉纳尔光之四重奏

第5章 火焰、岩石和寒冰

第6章 卡鲁的3000只眼睛

第7章 南极洲上空的反物质

第8章 爱因斯坦和量子物理相会于南极点

第9章 物质之心

第10章 来自平行宇宙的低语

尾 声

附录Ⅰ 标准粒子物理模型

附录Ⅱ 从宇宙大爆炸至今：标准宇宙模型

延伸阅读

致 谢

作者简介

阿尼尔· 阿南塔斯瓦米，作家和记者，他是伦敦《新科学家》杂志的咨询编辑，同时也是该杂志的副新闻编辑；此外，他还为《国家地理新闻》撰稿，著有多本畅销专著，本书是其代表作。

译者简介

尹倩青，理学博士，毕业于中国科学院高能物理研究所，现任高能所助理研究员，研究方向为粒子天体物理、空间天文。

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附录I标准粒子物理模型

自然界中有四种已知的基本相互作用（通俗地讲，也称为力）：电磁相互作用、弱核相互作用、强核相互作用和引力作用。标准粒子物理模型是关于基本粒子（除引力之外）之间相互作用的基础理论。

该模型中，根据属性的不同，可以将基本粒子划分成不同的类型。总体来讲，可以分成两大类：玻色子和费米子。

◇玻色子包括标量粒子和矢量玻色子。其中，矢量玻色子可以作为力的载体，包括光子（电磁相互作用）人、W和Z粒子（弱相互作用）以及胶子（强相互作用）。光子和胶子是无质量的粒子，但是W（在80GeV处，大约是一个质子质量的80倍）和Z（91GeV）可跻身已发现的最大质量粒子之列。

◇费米子则被细分为轻子和夸克：·轻子可分为三代：电子和电子中微子；μ子和μ子中微子；τ子和τ子中微子。

·夸克也可分为三代（与三代轻子相对应）：上夸克和下夸克；粲夸克和奇夸克；顶夸克和底夸克。

三种夸克的不同组合可以产生被称为重子的粒子。质子（上夸克、上夸克、下夸克）和中子（下夸克、下夸克、上夸克）是最常见的重子。还有许多其他重子存在，但它们并不稳定，即使产生，也很快就会衰变。因此，普通物质的原子是由轻子（电子）和重子（质子和中子）组成的。

标准模型虽然已经得到了极好的检验，但并非是完美的。首先，它没有将引力包含在内。此外，该模型描述的三种基本相互作用在更高能量处并不统一，而物理学家们倾向于认为它们本该是统一的。为此，通过引入一个被称为超对称（SUSY）的概念，即通过为每一个费米子假定一个玻色子伙伴且为每一个玻色子假定一个费米子伙伴，对标准模型进行了扩展。在一些理论中，比如超弦理论，引力有它自己的玻色子载体：引力子。随着超对称的引入，除引力外的三种基本相互作用可以在更高能量处精确地统一起来。标准模型已经为实验所证明，然而目前还没有证据表明宇宙是超对称的。

附录Ⅱ

从宇宙大爆炸至今：标准宇宙模型

在大爆炸时，宇宙是一个非常炽热且致密的时空点。它开始膨胀并冷却。从宇宙诞生到随后的10⁻⁴³秒

一所谓的普朗克时期一一自然界中的四种基本力是统一的一种力。在这一时期结束时，引力和其他力之间的对称性破缺。这就开始了下一个阶段，即大统一时期，它持续到大爆炸后的10⁻³⁶秒，在其结束时，强作用力与弱电力分离。这个相变触发了暴胀（一个短暂而剧烈的时期），该时期仅仅持续了不到10⁻³²秒的时间，但在此期间，宇宙呈指数膨胀，变大了很多个数量级。暴胀结束时，宇宙再加热，产生辐射和基本粒子，如夸克和电子，以及暗物质粒子。到那时，暴胀已经拉伸了早期宇宙的量子涨落，并将它们变成物质和能量密度中的微小变化，

而这最终又成为宇宙大尺度结构的种子。除去这些变化，宇宙是均匀的，且恢复了暴胀之前更稳定的膨胀率。在弱电时期结束时，即大爆炸后的约10⁻¹²秒，甚至电磁力也和弱作用力分离了。宇宙现在有四种截然不同的基本力（见附录I）。此外，一个还不太清楚的过程（重子合成），导致物质多于反物质，从而产生了质子和中子。大爆炸约3分钟后，宇宙冷却到足以形成氢、氦和其他一些轻元素的原子核。尽管如此，宇宙还是足够炽热，所以它仍然是由辐射、电子和轻核组成的等离子体。在大爆炸后约38万年后，温度大幅下降，电子与原子核结合形成中性的氢和氦及其他各类原子，这就是复合时期。宇宙微波背景的光子被释放出来。数亿年后，第一批恒星和星系开始形成。宇宙继续膨胀，但由于引力的作用，其膨胀率正在减慢。接着，在大爆炸数十亿年后，膨胀时空的真空累积能量一现在被称为暗能量—

强到足以开始排斥引力。宇宙的膨胀非但没有减慢，反而开始加速。

这就是标准宇宙学模型，考虑到目前的理论和技术，其中有部分（特别是普朗克和大统一时期）仍然是推测性的，无法验证。这个模型又被称为∧...

要理解这个奇异的过程，我们不妨把景观想象成丘陵和山谷的地形。）每条山谷代表某个下降到局部稳定点的场或参数。因为弦论有数百个这样的场和参数，所以该地形实际上是超维的，而山谷代表每个参数的能量最稳定值。当宇宙暴胀且它的标量场向下滚动到某个山谷的底部时，它突然隧穿过邻近的丘陵，最后停在景观其他地方的另一个斜坡上。这不像听起来那么离谱。在量子力学中，一个系统会从高能态转变为低能态一只要它不被某些守恒定律所禁止一即使在它的路径上有壁垒。这是通过一种被称为量子隧穿的现象来实现的。例如，电子在实验室条件下通常会发生量子隧穿。“与这里发生的情况类似，只不过不是一个粒子从一个态隧穿到另一个态，而是整个宇宙从一个态隧穿到另一个态。”格林说。

在弦论的情况下，事实证明，景观的超维复杂性使得隧穿极有可能发生，而且在时标上比暴胀所需的时间更短。因此，从本质上讲，一个婴儿宇宙最终会探索景观，从一个地方跳到另一个地方，直到暴胀最终结束，而时空至少目前是处于一个稳定的位置。由于暴胀本身是永恒的，这个时空的碎片将仍然在暴胀，每一片都有自己的宇宙。“各种各样的宇宙经历着不同的轨迹，而我们只是其中之一一我们的轨迹让我们落在了某个稳定态或伪稳定态，”格林说。“谁知道明天或1000亿年后会发生什么？可以想象的是，我们处于某个暂时适宜生命存在的伪稳定组态中。这个暂时可能会很久，所以我不想吓到任何人。”

在格林职业生涯的早期，当弦论所承诺的唯一解似乎很可能实现时，他花费了大量的时间和精力，试图弄清楚如何让实验与理论联系起来。他专门寻找会从各种紧化额外维的方式中得出的可观测现象。他希望，当弦论确实选择了一种特定的紧化来创造我们的宇宙时，他会准备好一些物理知识。“这是我真正相信的，也是很多人相信的，”他说。

但是暗能量的发现和弦论景观的兴起改变了一切。“那你又该怎么办？”格林说。“你要么说某件事从根...

穿过景观的量子隧穿会产生实验结果，而普朗克卫星是我们检验它们的最大希望。如果我们的宇宙在一系列隧穿事件后出现，那么一些用弦论构建的宇宙模型预测时空将会有负曲率，使我们的宇宙成为一个开宇宙（而正曲率则导致个闭宇宙）。这些模型假设刚好发生了足够的暴胀来解释我们宇宙的某些性质（比如它的均匀性），但没能让它完全平坦。开宇宙一

也就是曲率为负的宇宙一的宇宙学参数2（宇宙密度与使其平坦所需的临界密度之比）小于1。目前的测量结果显示Ω等于1，这意味着宇宙是平坦的（见第4章）。“但其不确定性导致，它也可能是一个稍微闭合的宇宙，或者稍微开放的宇宙，”林德说。“从弦论中很难得到一个闭宇宙一困难但并非完全不可能。所以，这是一些人正在思考的事情之一。”

弦论和永恒暴胀理论都为多重宇宙的存在提出了充分的理由。但直到最近，这两种理论还不能很好地结合在一起。其原因与弦论的核心挑战有关：如何将10维时空转变为4维。紧化这些额外维的标准方法是使用被称为卡拉比一丘流形的数学形式；其中，10个维度中的6个维度被紧紧地卷曲，以至于无法在我们的宇宙中显现。每一种紧化都会产生一个不同的时空真空。2000年，约瑟夫·波尔软斯基和拉斐尔·布索证明了这些流形的某些性质一被称为流量——也可能发生变化，从而产生更大数量的时空。但有一个严重的问题：这些时空都不稳定。额外维要么卷曲，要么膨胀，超出了可接受的极限一他们这么做的原因之一是引入了暴胀所需要的场。这个问题在2003年得到了解决，当时沙米特·卡赫鲁、雷纳塔·卡洛什、林德和桑迪普·特里维迪想出了一种使额外维稳定的方法。该方法如今被称为KKLT机制，是弦论中一个里程碑式的成就。这四人与其他物理学家联手证明了暴胀在弦论的背景下是如何发生的一它基本上与一项在数学上很重要的任务有关，即找到能引起暴胀的正确的标量场。当时在罗格斯大学的迈克尔·道格拉斯和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德把所有的线索拼凑起来，而萨斯坎德给出了支持弦论景观的理由；该景观预测了惊人的10⁵⁰⁰个甚至更多不同的宇宙。

在弦论景观的背景下，暴胀时期动荡狂乱。想象一下，有一块时空具有随机确定的性质。如果初始条件有利于暴胀，这个过程就开始了。导致暴胀的标量场开始慢慢地沿着斜坡向下滚动。但接下来发生了一些不可思议的事情。一个暴胀的宇宙隧穿进人了景观的另一部分，就好像一个宇宙变成了另一个完全不同的宇宙。

然而，故事并没有就此结束。1986年，林德意识到混沌暴胀将是永恒的，也就是说，时空的某些部分总是在暴胀。这是因为当标量场沿着斜坡慢慢向下滚动时，该场在某些区域会受到一个量子力学的冲力，把它推回到斜坡上。在这些区域，暴胀更加猛烈，导致它们比周围区域膨胀得更快。在这一片片时空中，同样的事情可以一而再，再而三地发生。这个理论现在被称为混沌永恒暴胀，或简称为永恒暴胀，它预言了一个大得让人头晕的、多样的宇宙。根据该理论，这一过程在我们的这片时空中结束了，并产生了我们的宇宙，其可观测部分的直径约为930亿光年。时空的其他部分可能仍在暴胀。因此，宇宙是各区域的分形拼凑，每个区域都有不同的属性。暴胀在某个特定区域结束的时间和方式与标量场向下滚动的斜率有关，这也决定了特定区域的性质，比如其真空能量密度值，或者其中粒子的确切性质和类型。我们的宇宙是这个时空区域拼凑的一部分，或者说是多重宇宙的部分。

书籍介绍

从荒凉沙漠到废弃矿井的深处

从山峰之巅到世界之底

探访汇集人类智慧与胆魄的尖端实验

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◎ 编辑推荐

1.明尼苏达州700 余米深的矿山之下的低温暗物质搜寻计划；世界最大淡水湖泊贝加尔湖中的中微子探测器；夏威夷莫纳克亚山上的DEIMOS/DEEP 巡天；南 极点站的冰立方中微子望远镜，作者以科学为笔，描绘人类探索宇宙的进程；以文字为媒，将宇宙学带回人间

2.作者成功且适时地概括了现代宇宙学和粒子天体物理学，鲜活地勾勒出所遇到的物理学家的形象

3.结合了基本物理学与崇高冒险精神的非凡叙事，仿佛睡前故事般将宇宙深处的奥秘娓娓道来

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◎ 媒体推荐

无论从何种意义上说，这些实验都是英雄，阿南塔斯瓦米用热情和洞察力捕捉到了它们的精彩之处，以及它们背后的科学家的个性。

——《出版人周刊》（Publishers Weekly）

本书没有在枯燥与学术的物理学主题中探讨的哲学和数学，肯定会吸引对科学感兴趣的普通读者。

——《图书馆杂志》（Library Journal）

阿南塔斯瓦米把握住了引人入胜的细节。无论是在明尼苏达州的废弃铁矿，还是在寒冷的西伯利亚广袤土地上，他都能找到无畏的物理学家，并向我们解释为什么这些奇怪的地方是地球上唯一可以完成这些实验的地方。

——《华盛顿邮报》（The Washington Post）

本书结合了基本物理学与崇高冒险精神的非凡叙事。阿南塔斯瓦米是这两种旅程的出色向导。

——《新科学家》(New Scientist)

这本书成功且适时地概括了现代宇宙学和粒子天体物理学。阿南塔斯瓦米非常到位地勾勒出了所遇到的物理学家的形象。

——《自然》(Nature)

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◎ 名人推荐

物理学家们正在努力了解最遥远的空间与最极端的物质和能量。为了做到这一点，他们必须跋涉到地球上最偏远的地方--从地下深处到神圣的山脉，再到极寒的南极洲。阿南塔斯瓦米带领我们踏上了一段惊心动魄的旅程，环游地球、遨游宇宙，揭示了理解我们宇宙的真正工作。

——肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)，加州理工学院理论物理学家，著有《寻找希格斯粒子》等杰出的著作

作者巧妙地让困难的主题变得容易理解。我非常喜欢这本书。

——帕特里克·摩尔爵士，英国天文学会前主席

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◎ 内容简介

在本书中，作者踏上了寻找的道路，将科学描绘成人类的进程，用最生动的语言把宇宙学重新带回人间。他前往位于智利安第斯山脉的阿塔卡马沙漠，那里寸草不生，异常晴朗的天空和干燥的大气层可以让天文学家收集到数十亿光年外星系的精彩图像；他登上南半球的帕拉纳尔山，甚大望远镜坐落于此，四个巨大的圆顶每晚向天空开放；他深入美国明尼苏达州一个废弃的铁矿，物理学家们在那里寻找难以捉摸的暗物质粒子。在东南极洲冰盖上，工程师们钻入地球上最清澈的冰层，建造世界上最大的中微子探测器，助力量子物理学与爱因斯坦的广义相对论相一致。