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全部 69 章
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第一节这一节是湛庐“科学素养”专家委员会的总序，由委员会主席、天体化学与地球化学家欧阳自远署名。阅读第二节本节为《弯曲的旅行》的序言。序言指出，兰道尔关于额外维度的理论对大型强子对撞机（LHC）实验具有指导意义。阅读第三节作者在完成上一本书后继续研究暗物质，思考暗物质粒子全部带电的可能性，并希望读者随她一同探索物质组成与宇宙奥秘。阅读第四节本节预告了全书内容：解释额外维度与膜宇宙等新空间概念。作者与卡奇发现我们可能只生活在高维宇宙中的一个三维口袋里，由此产生多种时空结构。阅读第五节本节用比喻解释维度与度规。维度即描述一个对象所需特征的数量：只看体育节目的山姆是一维，有年龄、爱开快车、每月在旺德兰输钱三个特点的艾克是三维，兼具年龄、阅读量、数学成绩、读报时长……阅读第六节本节讨论如何用二维图像来思考和绘制三维物体，作为理解高维空间的热身。阅读第七节本节介绍“有效理论”这一常规做法：当事物的细节超出某个尺度的精度时，可以忽略其微观结构，用低维方式描述高维宇宙，其可观察效果不受额外维度数量、大小和形状的影响。阅读第八节本节解释了为什么极微小的额外维度难以被察觉，并引出维度数量与引力定律的关系。阅读第九节本节从引力线的图像出发，解释引力的平方反比定律：从大质量物体发出的引力线总数一定，穿过球面的数量不随距离改变，而球面积与半径平方成正比，因此引力随距离平方减弱。阅读第十节本节讨论了维度有限终结的可能：有限维度必有边界，边界即“膜”，而向各方向延伸的整个高维空间称为“体”。阅读第十一节本节探讨膜宇宙带来的新物理图景。作者指出，在一个包含多层膜的高维宇宙中，粒子和力的分布方式可能有无数种：膜可以平行、交叉、弯曲或包裹不可见维度；有些粒子被束缚在膜上……阅读第十二节本节讨论粒子物理学中“自上而下”与“自下而上”两种研究路径的冲突，即弦理论与模型构建之争。阅读第十三节弦理论与模型构建两大阵营长期对峙、互不交流，前者关注理论的内在逻辑，后者自下而上地联系可见世界，各有风险。阅读第十四节标准模型留下诸多未解之谜：重粒子为何存在、为何只有四种力、引力为何微弱，以及量子力学与引力如何在所有尺度上协调。阅读第十五节牛顿万有引力定律中包含一个极小的常数，导致基本粒子间的引力微弱。阅读第十六节本节首先说明狭义相对论的时间膨胀效应：运动参照系与静止参照系光速相同，导致运动的钟走得更慢。阅读第十七节本节从引力红移讲起。作者用上抛的球作比：球上升时动能转化为势能，光子从引力场逃逸时同样损失动能，但因光速不变，它只能通过降低频率来降低能量，这就是引力红移。阅读第十八节本节说明书中所说的“维度”均指时空维度，即三维空间加一维时间。阅读第十九节本节首先回顾相对论的接受过程：爱因斯坦在伯尔尼专利局任小职员时提出该理论，普朗克是首位识其价值的支持者，随后物理学界广泛关注。阅读第二十节普朗克的量子假设解释了黑体为何只发射低频率辐射：频率过高时单个量子能量过大而无法放出，从而避免了经典理论预言的"紫外灾变"。阅读第二十一节2002年夏，作者在剑桥卡文迪什实验室参加弦理论年会，由此引出原子结构的历史：卢瑟福提出原子由原子核和绕行电子组成，但经典电磁学预言电子会辐射能量、螺旋坠向原子核……阅读第二十二节本节先讲电子双缝实验：电子逐个穿过双缝，在屏幕上累积出与光一样的波动图案，但无法确定单个电子走了哪条缝。阅读第二十三节本节首先完成时间-能量不确定性原理的推导：测量频率的时间间隔与其精确度的乘积恒为1，结合光子能量等于普朗克常数乘以频率的关系，可得测量能量的时间与能量误差之积必超过普朗克常数。阅读第二十四节本节先讲玻色子与费米子的差别：玻色子可占据同一位置，激光、超流体、超导体均源于此，极端情形是玻色-爱因斯坦凝聚，2001年康奈尔、克特勒、韦曼因此获诺贝尔奖。阅读第二十五节本节讲述电磁场理论从经典到量子的发展。法拉第提出电磁场概念，认为电荷的影响需时间传播、不超过光速；麦克斯韦在此基础上建立经典电磁场方程组，预言电磁波的存在……阅读第二十六节本节介绍反粒子与弱力。反粒子电荷相反，但质量和引力与对应粒子相同，可在对撞机、高温宇宙及医院PET扫描中生成，数量稀少无危害。阅读第二十七节弱力只作用于左旋粒子并能改变粒子类型，但其作用距离极短，仅约10-16厘米，与引力、电磁力随距离平方衰减的规律截然不同。阅读第二十八节本节讲喷射流与标准模型的粒子分类。高能碰撞产生的夸克从不孤立，总伴有其他夸克和胶子，形成同向运动的“喷射流”；喷射流被切断时只会分裂成新的喷射流，无法分离成单个夸克。阅读第二十九节费米实验室的Tevatron加速器使质子与反质子束达到1TeV的最高能量，每3.5微秒在两个对撞点发生碰撞。阅读第三十节本节承接上文，先补充了日内瓦对撞机受TGV高速列车电力尖峰干扰的轶事，以及猫头鹰抓坏汽车的比喻，随后转入正题：标准模型中的粒子之所以有质量，是因为存在某种机制……阅读第三十一节本节解释了力的理论中内部对称的作用。电磁力、弱力和强力都涉及内部对称，其功能是排除规范玻色子理论上存在、但自然界并不存在的纵向偏振（沿运动方向的振动）。阅读第三十二节当对称不完美时称为对称破缺，物理学家认为它比绝对对称更有趣；泰姬陵原计划建对称的对面陵墓而后放弃，蒙娜丽莎的微笑若对称便失去效果。阅读第三十三节有质量的规范玻色子存在一个矛盾：要消除高能下的错误预言，需要内部对称；但该对称会连带排除有质量粒子必需的第三种极化，甚至取消质量本身。阅读第三十四节希格斯机制是标准模型中弱规范玻色子、夸克和轻子获得质量的唯一途径，它既赋予粒子质量，又保证高能时不产生错误预言：能量超过250GeV时弱力对称保持，低能时对称自发破缺。阅读第三十五节本节介绍了重整化群和虚粒子的概念。重整化指在不同距离尺度上，通过重新标定单位、忽略更小尺度的细节，将微观理论推导为适用于大尺度的有效理论，如同改变观察的“像素大小”。阅读第三十六节量子力学中，真空里自发产生又湮灭的虚粒子会屏蔽电荷，使电磁力和弱力随距离增大而减弱。阅读第三十七节本节讨论大统一理论的现状与其中的等级问题。物理学家曾在地下实验室寻找质子衰变以验证乔治和格拉肖的大统一理论，但至今未获证据，且更精确的测量表明最初的模型很可能有误；即便力能统一……阅读第三十八节大统一理论要求与希格斯粒子相伴出现一个经受强力的新粒子，它能促成质子衰变，因此必须极重（接近10^15 GeV），而弱荷希格斯粒子必须很轻（约250 GeV）。阅读第三十九节本节讨论粒子物理中的等级问题。希格斯粒子的质量本应很小（约250GeV），但在量子场论计算中，所有与它相互作用的粒子都会以虚粒子形式贡献质量……阅读第四十节目前尚无实验能证实超对称是否存在，但它是粒子物理的重要候选理论。阅读第四十一节超对称理论能解决希格斯粒子质量的等级问题：标准模型中的虚粒子会给希格斯粒子质量带来巨大的量子贡献，需要引入不自然的微调参数；而在超对称理论中……阅读第四十二节超对称的破缺方式仍是未解之谜，其“味”问题更是严重障碍。阅读第四十三节量子力学和广义相对论在实验可及的尺度上各司其职、互不干涉，但在普朗克长度（10⁻³³厘米）这一极小尺度上却无法相容：一方面，量子涨落会使时空剧烈起伏，令广义相对论的平滑引力场失效……阅读第四十四节本节讨论强子弦理论的失败如何反过来成为量子引力弦理论的优势。阅读第四十五节杂化弦理论证实了格林和施瓦茨发现的无反常十维理论的特殊性，它证明涵盖标准模型的力在弦理论中可以实现，成为联系弦理论与标准模型的突破。阅读第四十六节弦理论预言了大量低质量粒子和额外的作用力，但哪些正确尚不清楚；与现实对应的最大难题是宇宙真空能量密度过高。阅读第四十七节本节讲述膜如何从弦理论中无人重视的奇物，发展为主角。膜是延伸于部分空间维度的实体，可弯曲、带电荷并相互作用。阅读第四十八节对偶性指两个描述方式不同的理论实为同一理论。1992年阿修克·森首先在弦理论中发现对偶性，内森·塞伯格随后证实两类超对称场论间存在对偶。阅读第四十九节威滕提出M理论，认为它是兼容十一维超引力论与各种十维超弦形式的单一理论。阅读第五十节当结构中存在多个膜时，会出现更多力和带荷粒子。两个膜之间延伸的弦产生的粒子质量与膜间距离成正比；若两膜重叠，则会产生新的无质量规范玻色子，其对称变换是两膜的交换。阅读
