宇宙的故事
得知我的三本书将在中国出版,我感到十分兴奋。不论在理论物理学还是在实验物理学的舞台上,中国都在扮演着日益重要的角色。
我有一些优秀的中国学生以及博士后,而且我也发现,近年来在中国这片土地上,人们对我研究方向的兴趣正在不断增长。不仅如此,中国的实验物理学也在近期取得了一些重要成果。例如,在大亚湾中微子实验室中对最轻、最重中微子混合的振荡测量,其结果震惊了世人,而且它比人们的预期早了至少一年。现有的暗物质探测器,包括PandaX与CDEX,标定了一些重要的能量范围,并且仍在不断探索,以揭示神秘的暗物质粒子的本质。展望未来,计划在中国建造的最大型的对撞机至关重要,它将成为国际主要的粒子物理学实验装置,并能够胜任探索超越已知领域的重任。
作为一位理论物理学家,我的研究领域涉猎甚广,小到物质的内部结构,大到宇宙、空间的本质。这些研究令人兴奋,然而又很难向他人解释清楚——在没有对应语境的情况下更难说清。这三本书给了我一次机会,不仅可以向世人解释我的研究,还可以同时解释作为我研究基础的量子力学、相对论、粒子物理学与天体物理学等物理学知识。我将乐于讲述一些展现这些领域中研究前沿的宏大故事。
《叩响天堂之门》一书,解释了科学的本质,并强调了尺度的重要性,也即如何在基本粒子、原子、普通物质或是宇宙的尺度上思考科学问题。《叩响天堂之门》一书也探索了科学的发展历程、什么是“对”与“错”,以及创造力在科学发展中的意义。在这本书中,我还预测了大型强子对撞机(LHC)上的物理结果。大型强子对撞机是建造在日内瓦附近的大型加速器,能让高能质子对撞,以产生新的粒子与新的相互作用,它可以用来研究人类之前所不能及的更小尺度。这本书解释了大型强子对撞机如何运作,以及在这一实验中,科学家正在研究什么以及他们未来将要研究什么。
《弯曲的旅行》一书讲述了我对空间中可能存在的卷曲的额外维度的研究——额外维度是在我们容易观察到的三个维度(左-右、前-后、上-下)之外的某个维度。额外维度可能具有重要意义,它将解释基本粒子的质量,并为它们之间的相互作用引入新的理论可能性。这些卷曲也将容许空间具有一个无穷大的额外维度,它将与我们观测到的一切事物相容。为了讲述这个故事,我回顾了前沿研究中的量子力学、相对论、粒子物理学的基础(既有理论,也有实验),还回顾了弦理论。在这本书中,我会讲述我们是如何把所有研究领域联系在一起,我们是如何得到了这一切,以及我们已经走到了哪一步的大故事。
《暗物质与恐龙》一书,既向外审视宇宙的宏大图景,又向内一窥物质的内部结构。它解释了暗物质的本质及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物质是宇宙中捉摸不定的物质,只与引力而不与光相互作用。《暗物质与恐龙》一书也强调了物质的基本性质与我们今日所见的地球、宇宙之间的联系。这本书的内容不仅涵盖了宇宙学,还涉及星系、太阳系和地球之间的相互作用,及其与周边环境的联系。在这一旅程中,我还将解释我对暗物质的新理念:暗物质可能包含了某个小组分,这个组分通过自身的媒介物质——光进行相互作用,而普通物质不与之相互作用。这可能会产生激动人心的结果,包括在银河系平面上,暗物质盘将形成,其引力效应可能导致巨大的流星体撞击地球,从而最终导致恐龙的灭绝。
《叩响天堂之门》《弯曲的旅行》《暗物质与恐龙》三本书包含了粒子物理学的广阔思想领域,是对我的研究以及更宽泛的粒子物理学和宇宙学的一个简述。这三本书把许多新颖且多元的理念与科学领域结合在一起,给出了对今日科学家工作状态的一个感性认知。
在完成《暗物质与恐龙》这本书之后,我已继续投身于对暗物质的研究中。在许多已有研究的基础上,暗物质已经是一个比较成熟的研究主题了。我们在实验上有了许多直接的结果,也开始着手于更好地理解用来探索宇宙的天文望远镜、人造卫星是如何阐明“暗物质是什么”这一问题的。同时,理论也在不断发展,人们已经超越了对暗物质粒子非常狭隘的假设,并对“暗物质如何相互作用”有了更深刻的想法。我正在思考关于暗物质粒子全部带电(而不只是一小部分带电)的可能性,并自问这一假设可能导出什么结果。现有的研究忽视了某些使这个假设可行的重要结果,或许这可能只是因为:暗物质着实不像粒子物理学家之前所假设的那么无趣。
理解暗物质这种神秘物质的本质,是一个非常令人兴奋的研究主题,毕竟它占据了全部物质能量的85%。我希望中国的读者能享受这一旅程:跟随我一起探索我们是由什么组成的,宇宙中的相互作用是如何发生的,以及我们这些科学家是如何研究宇宙问题的。我确信,你们将会从中学到许多新知识,同时又能提出属于自己的问题和观点。
暗物质是什么?
是它毁灭了“地球霸主”恐龙吗?
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听兰道尔教授解答
其中的神秘关联。