最伟大的智力冒险

01 从纳尼亚的衣橱到柏拉图的洞穴

对隐秘世界的向往

科学发现的本质

02 望穿黑暗，揭开光学奥秘的面纱

光到底是什么，一个长达 400 年的疑问

是粒子，还是光波？

法拉第的“场”

03 光在镜中，找寻光的本质

从白光到七色光谱

电磁统一

光就是一种电磁波

04 去而复返，解开光速的谜题

所谓静止状态，不过是一种幻觉

到底怎样测量光速

05 四维时空，缝合时间与空间

“先来”与“后至”

什么才叫“真实”

06 现实的影子

光是波也是粒子

上帝不和宇宙掷骰子

07 量子世界，奇幻宇宙

海森堡不确定性原理

大自然并不关心人类的想法

疯狂的量子世界

08 时间的褶皱

反粒子真的存在吗

虚粒子为什么必须是一个

对称性必不可少

09 衰变与碎片

一毫厘质量之差，让我们能够存在于世上

10分钟的永恒

10 核裂变，太阳光芒万丈之源

处处皆有弱相互作用

太阳能量的来源之谜

第二部分 绝望与拯救

11 构想新粒子，绝望时代的绝望之举

原子核问题，物理学家*为困惑的问题

去构想些新粒子

问题依然存在

12 巨人们的远征

一切始于两大理论

如果让“左”“右”互换

13 进化至美：对称性的反击

将完美隐藏于我们司空见惯的事物之中

别将棋子挪得太远

14 冷酷世界：破缺的到底是好是坏

从秩序到对称破缺

发现超导

15 活在超导世界

夸克，一个美妙的粒子

磁悬浮，超导体*为惊人的特质之一

16 物理学所能承受之重：对称性破缺

自发对称性破缺的破绽

希格斯粒子，一个“漂亮的模型”

第三部分 荣耀与启示

17 希格斯场：错误的地方，正确的时间

我们生活的世界，真的就是一个“超导体”

希格斯场如何凝聚，决定了你我的存在

18 大雾散去，量子力学的黄金时代

电弱统一理论的两面

“飞机”是隐形的

19 我们存活于一个自由世界

是时候彻底“杀死”量子场论了

正反夸克的相互作用

那些和我们存在有关的“基本量”并不是基本的

W 玻色子和 Z 玻色子，我们房间里的两头大象

20 让粒子对撞，发现新粒子

建造高能加速器，让两束粒子对撞

希格斯粒子，粒子物理的大圣杯

21 21 世纪大教堂

大型强子对撞机，人类有史以来*为复杂的机器

大教堂和加速器都是人类文明*好的纪念

22 问题多过答案

下一层现实正在召唤我们

把大统一事业进行到底

23 漫无目的的宇宙

宇宙正处于一个新的“暴胀”阶段

宇宙根本就不在乎我们的喜好

后记 虚怀宇宙

在我的故事之初，便有了光。

当然，在时间的起点，光就已经存在。可在我们谈论时间的起点之前，不妨先去探索一下人类自身的起点，也是科学探索的起点。这趟探索之旅意味着回归科学与宗教的初衷：渴望发现我们经验中的宇宙之外的存在。

对隐秘世界的向往

对许多人而言，正是这种渴望赋予了宇宙某种目的和意义。人们将其升华为一种对隐秘世界的向往。那片隐秘世界应该是个世外桃源，没有原罪，没有痛苦，也没有死亡。可对另一些人而言，隐秘世界有着完全不同的含义。它应该是一个存在于我们感知之外的物理世界。透过这个隐秘世界，我们可以洞悉事物的行为，而非空谈行为的意义。这个隐秘世界筑起了我们的生活体验，对它的理解是我们改变人生、环境和未来的力量源泉。

这两个世界的对比，出现在两部风格迥异的文学作品之中。

*部是 C. S. 刘易斯（C. S. Lewis）的小说《狮子、女巫和魔衣橱》（The Lion, the Witch and the Wardrobe）。这部 20 世纪奇幻儿童文学经典充满了基督教的色彩。它描绘了一段发生在很多人身上的童年经历—到床底下、壁橱里或阁楼上寻宝，搜索隐秘世界的蛛丝马迹。故事讲述了第二次世界大战期间，几个学童为躲避战火而离开伦敦，来到乡下生活。某天，他们意外地爬进了一栋乡下别墅的大衣橱里，进而发现了一个名为纳尼亚的奇妙世界。故事中，孩子们得到了狮王的帮助，*终拯救了纳尼亚王国。而为了战胜邪恶，狮王如同基督一般甘受羞辱，并在祭坛上自我牺牲。

尽管刘易斯的童话有着明显的宗教暗示，我们仍然可以换个角度来看看这个故事—它是一则无关乎神明或者恶魔的寓言。这则寓言向我们揭示了一个波澜壮阔、令人生畏的未知世界。它就静静地存在于我们的感知之外，等待着我们鼓足勇气将其发现。而一旦被发现，它便能够丰富我们对自身的理解，并为那些急需归属感的人提供人生的目的和价值。

大衣橱散发着熟悉的旧衣服的味道。藏在里面的传送门安全地与外界隔离，却又显得愈发神秘。这样的设定需要突破经典的时空观。如果一个观测者只是徘徊于衣橱的前后，那他什么也发现不了。只有进入衣橱之后，他才能发现那个隐秘世界。这也意味着，人在衣橱内感知到的实际空间肯定比衣橱本身要大得多。

而这恰恰是宇宙的一个特征。广义相对论中，时间和空间具有动态性。举个例子，对站在黑洞“视界线”（物质一旦进入视界线，便再也无法逃脱）以外的人来说，黑洞的体积可能极小；可对于进入黑洞内部的观测者来说（假设他尚未被引力撕成碎片），他所看到的黑洞体积可能大不相同。尽管没有确凿的计算支持，但确实存在一种可能性，即黑洞内部存在着一扇通往其他宇宙的传送门。

让我们回到正题。在文学作品、哲学想象及其他领域中，还存在着另一种针对隐秘世界的想象。在这种想象中，那个总是存在于我们感知之外的宇宙，与现实空间的真相有着密切的联系。

以上观点的雏形出现在一段“上古”故事中，它比刘易斯的奇幻小说足足早了2300年。此处，我所指的故事即是柏拉图所著《理想国》（Republic）中的“洞穴寓言”。在整部《理想国》中，这则寓言是我的*爱。尽管出现甚早，“洞穴寓言”却一针见血地阐明了理解隐秘世界的必要性，及其可能带来的风险。

在这则寓言中，柏拉图将生活在经验现实中的人们比作一群从小就生活在洞穴中的囚徒。他们被迫终生面朝石壁。石壁是他们眼中*的真实世界。囚徒们的背后有火堆，一些物体在火堆前移动，火光将石壁照亮，也将物体投影到石壁上。于是，囚徒们总能看到一些影子在石壁上移动。

在高中课本里，我*次读到了“洞穴寓言”。课文取自柏拉图《对话录》1961 年英译本。下面这幅图来自我当年的教科书。现在看来，这幅图显得有些可笑。尽管它只是图形化了《对话录》对洞穴的描述，可它带着几分鲜明的时代感。举个例子，为什么所有的囚徒都是衣着不多的女性？在柏拉图的时代，男孩子大概更受欢迎。

柏拉图称，囚徒们会错认影子为现实，甚至还会给影子起名字。这样的行为并不是非理性的。相反，我们很快会发现，他们眼中的现实在某种意义上相当现代——现实即我们可以直接度量的世界。科幻小说家菲利普·K. 迪克（Philip K. Dick）给出了我*认可的“现实”定义。在他看来，“现实是一种即便你不相信它，它却依然在那里的存在”。对囚徒而言，他们*能看到的就是影子。尽管物体的移动也会产生各种噪声，可囚徒们只能听到声音经由石壁反射所发出的回声。

接着，柏拉图将哲学家比作囚徒中的特殊一员。有人解除了他的枷锁，强迫他看看身后的火焰，再命令他越过火堆，走向洞外的阳光世界。刚开始，这个可怜人一定会痛苦不堪，火焰和洞外照进来的阳光会刺痛他的双眼。所有的事物都和它们的影子大不相同，展现出全新的模样。柏拉图指出，这个刚刚获得自由的囚徒或许还会对影子念念不忘，在他看来，事物的影子相比事物本身更为真实。

之后，这个可怜人被人硬拉出了洞穴，完全暴露在阳光之下。他的困惑和痛苦成倍递增。可*终，他会适应真实的世界。他会去看星星、月亮和天空。伴随他前半生的诸多幻象*终散去，他的思想和灵魂获得了解放。

柏拉图接着指出，如果此人重返洞穴，将会有两件事发生。*，这个人的双眼无法重新适应洞穴的昏暗环境，无法很好地辨识影子。他的囚徒同伴们会笑话他老眼昏花，抑或智力衰退。第二，囚徒社会会设定目标计划，可现在他会觉得，这些计划短视而可怜。囚徒社会也会选贤任能，嘉奖那些擅长辨识影子、预测影子动向的人。可现在他会觉得，这些人丝毫不值得尊敬。此处，柏拉图套用荷马的诗句写道：

他宁愿活在地上为穷人做牛做马，也不愿再回到洞穴，像囚徒一样思考、生活。

以上就是自幼生活在幻象世界中的人们的故事。在柏拉图看来，芸芸众生几乎都是这样的人。接着，寓言指出，从洞穴到日光下的上升之旅，其实是在类比将灵魂上升到可知世界的过程。

我们可以清晰地看出，柏拉图认为，只有进入纯粹的可知世界，人们才能用真相取代种种幻象。在他看来，人类之中，只有一小部分人能够完成这一旅途，我们称之为“哲学家”。令人欣喜的是，今天的人们有了基于推理和实证调查的科学。它使得我们中的很多人都有机会踏上这趟旅途。可是，当代科学家面临着相同的挑战：发现影子背后的真相，探究不随我们感知变化的真实世界。

尽管柏拉图在寓言里面没有明说，但我们不难想象以下场景：重回洞穴的人会告诉囚徒伙伴们他在洞外的见闻——太阳、月亮、湖泊、森林，以及其他人及其文明。他的伙伴们大概会觉得他不仅老眼昏花，而且彻底疯了。

这种想法极其现代。前沿科学正在大步前进，离我们所熟悉的世界越来越远，也离我们从生活体验中总结出来的常识越来越远。藏在我们体验之下的现实世界正变得愈发令人难以理解和接受。一些人甚至甘愿接受迷信和神话的指引，以求获得一丝慰藉。

宇宙是无中生有的吗？

世间的万物从何而来？ 

人类如何走到今天，如何拥有如此多伟大的科学发现？

物理学如何让这个世界变得更美好？

宇宙和真实世界中有着怎样的运行规律？

人类存在的意义是什么，未来又会何去何从？

……

想知道这些深奥问题的答案吗？请翻开《*伟大的智力冒险》。它将用诗意的故事告诉你关于物理学、宇宙、时空、人类的一切奥秘。

此外，还有引力。之后，万物接踵而来……就让我这样开始讲述我要讲的故事——人类历*伟大的智力冒险。”

由此开始，作者劳伦斯 · M. 克劳斯带开启了一个未知的世界，以专业的科普知识带领我们与宇宙相连。他用简洁生动的文字阐述了人类目前对于自然世界的认知，并建构了粒子物理学的标准模型，借由宇宙的起源使我们理解人类存在的意义。从望远镜到显微镜，穿越时间与空间，去发现自然世界的美好和地球源源不绝的生命力。让我们跟随克劳斯的脚步，回到一切的开端，见证宇宙的演化。一场跨越时空的智力冒险之旅即将开始，做好准备颠覆你的思维和想象力吧！

劳伦斯 · M. 克劳斯

《*伟大的智力冒险》确实堪称一个*伟大的故事，它讲述了宇宙如何诞生、由什么构成，以及它是如何运作的。而克劳斯正是这段伟大故事的温暖而权威的向导。未来的人们无疑会这样评价此书 ：这是人类*伟大的成就之一。

——史蒂芬 · 平克

世界著名语言学家、认知心理学家，畅销书“语言与人性”四部曲作者

与一些非常“聪明”的科学家不同 ，劳伦斯 · M . 克劳斯并不满足于在现代物理学的奥林匹斯山上“晒太阳”。他是一位伟大的教育家，也是一位伟大的物理学家。与一些科学教育者不同的是，克劳斯并没有降低整本书的难度，却真正实现了爱因斯坦的愿景，让这次伟大的智力冒险变得“尽可能简单，但绝不简单”。 

 ——理查德 · 道金斯

全球知名科学家、演化论生物学家，畅销书《自私的基因》作者

发现物质现实的基本特性是人类*伟大的集体成就之一。《*伟大的智力冒险》这本书很好地叙述了这一主要思想及其产生的过程。作为一位在物理学领域耕耘多年的科学家，克劳斯拥有得天独厚的条件，是深入了解推动这一关键进展的人物。而作为一位成熟的作家，他又成功地使物理学变得“尽可能简单，但绝不简单”。在这个主题上，我找不到比《*伟大的智力冒险》更好的书了。

 ——马丁 · 里斯 

英国皇家学会前任主席，剑桥大学天体物理学家

坦普尔顿奖获得者

在一个世纪的时间里，物理学从怀疑原子是否真实存在，发展到出现可以预测亚原子粒子性质的精确到小数点后十位的方程式。劳伦斯 · M . 克劳斯恰如其分地将其列为所有故事中*伟大的成就之一。这本书既引人入胜，又富有诗情画意，克劳斯以科学家的洞见和作家精湛的写作技巧讲述了整个故事。

 ——布莱恩 · 格林

哥伦比亚大学理论物理中心主任，《宇宙的琴弦》作者 

著名理论物理学家、宇宙学家，引力波领域研究专家劳伦斯·M. 克劳斯重磅新作！