第一章
巡天遥看

我们似乎正在经历一个不同寻常的时刻。一方面，气候变化，全球疫情，核战威胁，这些可怕的挑战迫在眉睫；另一方面，人作为一个物种所了解的周围世界——乃至宇宙——远远超越了百年前的想象。无论如何，我们对自然世界（我们不过蜗居在它的一个角落）有了空前的认识。我们生活在厘米、米、千米或千千米的范围，但我们知道更小的自然——比原子核还小；我们也知道难以想象的辽远宇宙。更神奇的是，我们还知道——真的知道——几十亿年前的事情，而且几乎可以确定地断言宇宙在未来千亿年会发生什么。当下这个时刻真的异乎寻常。

我们大多数人都听说过遥远的星球和星河，隐约知道宇宙源自几十亿年前的大爆炸。可要确切说来，宇宙究竟有多大和多老？它从哪儿来？最后归宿是什么？我们如何寻找这些问题的答案呢？

我们知道原子，或许还知道一些比原子更小的东西。我们何以知道连最强的显微镜都看不到的小小原子核呢？这些小东西如何控制大宇宙的运行呢？又如何决定我们的寻常生活，如做夹心面包、刷信用卡、开车去上班呢？从最大到最小，宇宙神秘莫测。我们除了猜想宇宙的结构和它的组元，还能做什么更多的事情吗？我们能构建实验，回答在那些奇异尺度上的实在性问题吗？

当我写这几行字时，我们正面对新冠疫情。在这场疫情中，我们熟悉了10的幂次的意义。在疫情暴发之初，病例数每周近10倍地增长。这意味着美国病例的数量大概会按下面预测的量级增长：

从100人增到1000万人，也就5个星期的事情。然后增长变缓，因为病毒不容易遇到没被感染的人了。幸运的是，在指数增长开始不到两个星期，2020年3月11日后的几天内，美国各州和地方社区在很大程度上将人们限制在避难场所。两周后——大致相当于从感染病毒到出现明显症状的时间，局部禁闭的效果开始显现。所以在3月10日，有994病例，刚好在我们预测的千人数字以下；3月18日，病例数为9307，略低于预测数字10 000；但到3月25日，社交距离限制的效果变得明显了，病例数为68 905。4月3日，病例数为250 000，4月11日为509 000——只是我们预测的最坏情况的200分之一。我们采取的极端措施挽救了数百万生命。如果行动更早，获救者会更多；如果我们迟疑了，则可能出现更大的灾难。实际上，行动越早的州和地方，防疫工作做得越好。同样的故事也在世界各地重演。接下来的几个月里，病毒时消时长，人们调整改进对策，然后迎来了新病毒的疫苗。

10的幂并不总是述说像疫情这样的严酷故事，它们本来就是思考自然的有效工具。在浩瀚的宇宙中，人类只占据着一颗微小的行星。同时，还有一个世界，居住着更加微小的事物——分子、原子、质子、中子和电子。在这些更快乐的追求中，10的幂也是有用的概念。1977年我读研究生时，和兄弟一起访问过史密森学会，观看了查尔斯（Charles）和雷·埃姆斯（Ray Eames）夫妇（他们最出名的是工业设计）的纪录片《10之幂》（ Powers of Ten ）。这部美丽的影片总结了当时在最大和最小尺度上对自然的认识。影片开始，明媚的春日午后，一对青年夫妇在草地露营，躺在大约两米见方的席子上，然后镜头逐渐探索以10倍增长的空间尺度——公园、城市、州、国家、行星、太阳系、星系和星系团。接着，镜头朝相反方向深入，画面呈现越来越小的尺度——人体解剖器官、细胞、原子和原子核。我在书本学过的东西，都很好地勾勒出来了。说实话，影片的很多东西是我原本不知道的。

后来几十年发生了很多事情。比日常事物大几个量级和小几个量级的世界，我们都有所了解；对相差更多量级的世界，我们也有了线索。我目睹或参与了很多进展。本书的主题就是讲述在如此巨大尺度范围内的自然故事。故事紧随物理学、天体物理学和宇宙学的进步。我只是偶尔提及过去百年在生物学、医学、计算机科学、认知科学和其他领域的辉煌发现。

这些进展是实验家和理论家倾力工作的回报。实验与理论的划分有些模糊，但我希望这种划分在这里是清楚的。我做学生时，曾认真考虑过以实验物理学为业，结果却爱上了理论物理学。从专业说，这是一个有风险的选择，我的一些导师都劝我，告诉我竞争太过激烈。虽然我相信他们，也没理由相信自己是做理论的料，但我就是喜欢它。我的研究生时光都花在了学习当时所能达到的最小尺度现象，这个尺度大约是原子核尺寸的三分之一，即10 ^-14 厘米（百万亿分之一厘米）。得承认，我算不上勤奋的学生，但老师们相信我，我接着到了加州门洛帕克的斯坦福直线加速器中心做博士后。我在那儿参与解释更小尺度的实验。我的导师有德雷尔（Sidney Drell），他是核军备控制的主要倡导者；还有萨斯坎德（Leonard Susskind），一个骄傲的年轻理论家，刚到斯坦福。尽管如此，我的路很难走；我做的问题没有真正令我感兴趣。

在斯坦福度过两年后，我去了普林斯顿高等研究院，还是一样的职位。研究院是纯理论机构，它的声誉部分源自它初创时期的人物，包括最有名的爱因斯坦（Albert Einstein），还有像奥本海默（J. Robert Oppenheimer，第二次世界大战时期领导了洛斯阿拉莫斯的原子弹研制工作）、冯·诺伊曼（John von Neumann，计算机先驱）、凯南（George Kennan，冷战初期主导了美国对苏关系政策的外交家）那样的名人。当下的教授团队包括爱德华·威滕（Edward Witten）、塞伯格（Nathan Seiberg）、马尔达西纳（Juan Maldacena）和阿尔卡尼-哈米德（Nima Arkani⁃Hamed），也都是世界前沿的理论物理学家。在这样的氛围下，我找到了自己的科学方向，开始探求当时认识水平之外的问题。接下来，我迎来了在纽约城市学院任教的5个丰收年。然后，因为家庭原因，我回到西海岸，成为加州大学圣克鲁斯分校（UCSC）的一员，在那儿度过了后来的30年。

圣克鲁斯校区在挺拔的红树林间，俯瞰蒙特雷湾。1965年初建时，学校顺应20世纪60年代激进的教育和参与观念。它的非正式口号是“我们不是伯克利”，意思是老师和行政人员都是一心为了学生，而不是仅关注研究。这种理念一直坚持下来，但天缘巧合，UCSC也成了研究重镇。加州大学的天文部门——利克天文台将总部从汉密尔顿山顶迁到了圣克鲁斯校园；学校邻近大断层系，引来地球科学家；又因濒临海湾的多样生态，引来海洋生物学家；生物学家、化学家和数学家也为有机会在这样的自然美景下工作而感到欣喜。UCSC也成了粒子物理中心，因为隔壁的斯坦福直线加速器中心正在运行新的革命性的粒子物理仪器。

我是1990年才到圣克鲁斯的，想象自己来到一个林间的紧张刺激的研究之家。果然如此，但我同时也找到了浓浓的知识和科学的气息。我是因为个人的原因来圣克鲁斯的，出于同样的原因，我实际上住在山的另一边，圣何塞，硅谷的一部分。幸运的是，从一开始我就和一群同事拼车。那会儿，群里有4个高能物理学家，分别在斯坦福直线加速器中心、费米国家加速器实验室（简称费米实验室，在芝加哥附近）和欧洲核子研究中心（CERN，位于日内瓦的大型欧洲实验室）做实验。里面还有两个天文学家。两个实验家引领着计划中的世界最大粒子加速器——超导超级对撞机（SSC），那时刚在得克萨斯的达拉斯附近起步建设。根据设计，SSC将两束光子加速到高能，然后让它们撞击在一起，检验撞击的结果。在这个数十亿美元的大计划下，聚集着成千的博士科学家，我的两个拼车伙伴主要负责追踪从撞击中产生出来的粒子。一个天文学家伙伴是研究行星的。那时，太阳系外是否存在行星，还是一个猜想的问题。1995年，随着第一颗太阳系外行星的发现，情况开始转变。圣克鲁斯的天文学家对行星基础理论和技术的突破有着重要贡献。另一个天文学家伙伴是做宇宙学的，是暗物质形成恒星和星系理论的创立者之一。

1993年，克林顿（Bill Clinton）总统意识到，随着SSC经费不断增长，政府支出的政治压力越来越大。最终国会在当年秋季的某一天把计划砍掉了。我本以为同事们会伤感几天，第二天早晨却听他们在车上讨论刚接到的来自瑞士日内瓦大实验室的电话，请他们加入正在初创期的大型强子对撞机（LHC）。他们答应了，即刻投入一个基本粒子大型探测器（叫ATLAS）的研发。15年后，这部大机器才开始运转。那些年经历了很多成功和挫折，不单科学上的，也有技术和经费上的。最令人震惊的是2008年的一次磁体事故，它严重损坏了机器。修复用了两年，不过到2010年时，加速器终于正常工作了。2012年，LHC的两个实验团队发现了希格斯粒子。

我是做理论的，主要工作是认识实验结果，预测未来实验的可能性。与实验家同事的密切联系，使我能保持求实的态度，聚焦我们真正希望能以实验可验证的方式回答的问题——至少要区分哪些问题能，哪些问题不能。我的许多研究都是把这些问题精准地分门别类：什么能解释希格斯玻色子的质量？什么是暗物质的组成？什么情况下能找到它？弦理论遵从实验检验吗？我们经常在车上聊孩子、饭馆、运动和政治（现实政治和学术政治），但更多还是关于科学。拼车伙伴们曾费尽心思要我明白制造抵御强辐射爆发的电子仪器是怎样的挑战，而我也让他们痛苦地理解最新的理论及其前景和局限。

我在UCSC的学生也令我专心于科学中令人兴奋的问题。我常上的一门课叫“现代物理学”，从爱因斯坦和相对论开始，到量子力学的发展，接着是20世纪和21世纪初的一些惊人进展。本书将覆盖更广的知识领域。对我们认识的事物，我希望传递我们的兴奋；对我们当前面对的难题，我希望表达我们的理解。

希格斯粒子的发现，暗物质和暗能量的发现，连同大爆炸的精准研究，说明我们对我们在宇宙中的位置的理解远远超越了人类过去认识的一切。同时，我们也有亟待解决的问题。有些问题我们有清晰的解决路线，另一些问题却不那么清晰。我坚信，这门科学与我们日常生活的事件距离没多远，所以不论我们的理解还是急迫的问题，大家都能分享。我将说明哪些问题有可能解决，即未来10年可能被实验或新理论解决，哪些问题可能还不着边际。

本书探索的尺度，比起《10之幂》的制片人所能做的，还超越了多个数量级。我们将穿越浩瀚和微渺，蹚过时间的长河。我们的时钟从 t = 0的大爆炸开始，到今天大约经过了130亿年，也就是13× 10 ⁹ 年。从我们当下时刻回望恒星和星系形成的时候——大爆炸后大约10亿年，再到我们已经完全认识的最早时刻——大爆炸后大约3分钟，那时氢和氦已经在火热的宇宙汤中生成了。不过我们还要回溯更早的时刻——对这些时刻我们只有零星的证据，那时宇宙大约才过了几十亿分之一秒，物质才刚开始生成。最终，我们将窥探大爆炸的幕后，追问它之前发生了什么；我们也将面对一些争议不断的思想，如 多重宇宙 。多重宇宙的想法为大自然最神秘的问题之一——或不止之一——提供了令人信服的解释。我们甚至可以想象能为这种奇妙的可能性找到观测证据。

实验与理论

物理学大概比多数其他学科更“四分五裂”，这话虽然难听，却使我们能从原理和技术出发去探究许多看似奇异的事物。物理学家分两群：一群做实验，全部时间都用来设计、建造和运行，然后分析实验的数据；还有一群做理论，全部时间都在发明理论，预言实验结果，比较理论与实验结果。有些理论是为解释已知的实验结果而设计的，有些是为了解释尚未很好认识的奇妙自然特征和规律。实际情况并不都像这样泾渭分明。牛顿（Isaac Newton）为构建现代物理学建立了丰功伟绩，既是实验家，也是理论家。他做过重要测量以研究光的性质（得出了著名的错误结论）。他发明了微积分，这是现代理论家和实验家的最重要工具之一；他写下了物质运动的基本定律，创立了万有引力理论，在后来的200多年里一直被认为完全正确。但到19世纪末，出现了一小群人从事的专业化的理论。这至少部分反映了实验技术越发精密，而理论分析的数学需求日益增长。尽管如此，那时的理论家也做实验。苏格兰物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在1860年代确立了电磁学的最终形式，但他也做过颜色实验，生涯后期还在剑桥大学创建了卡文迪什实验室。早期一位重要的纯理论家是荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Lorentz），他贡献很多，其中最著名的是写出了爱因斯坦相对论的一个早期形式，发展了早期的电子论。

当然，现代理论家的典范是爱因斯坦。爱因斯坦是在1905年带着3篇杰作横空出世的。最著名的两篇是他的狭义相对论和光电效应，他因后者赢得了诺贝尔奖。一般学物理的同学不大熟悉他关于布朗运动的工作，但这项工作为确立原子的实在性贡献良多，而且很好地估计了每立方厘米水的原子数（阿伏伽德罗常量），不仅深刻影响了物理学，还影响着化学和生物学。这些成就都是纯思考和部分已知实验数据分析相结合的结果。所有自诩为理论物理学家的人都想学这个思维模式。但爱因斯坦却心有不甘地说他渴望既做实验也做理论。关于牛顿，他写道：“自然对他来说是一本打开的书……他集实验家、理论家、力学家于一身，更是诠释自然的艺术家……他孤独地挺立在我们面前：他的每个词句和每个数字都洋溢着创造的快乐和入微的精细。” ^[1]

20世纪打破这种实验/理论划分的是恩里科·费米（Enrico Fermi），他1901年出生在意大利，早年做的量子力学理论工作对认识化学元素周期表和中微子物理至关重要。但他也做核物理的关键实验，因此获得1938年诺贝尔物理学奖。

他和妻子劳拉·费米（Laura Fermi）去斯德哥尔摩领奖，却没回意大利。劳拉是犹太人，怕受到意大利法西斯的迫害，于是他们去了美国，他在哥伦比亚大学任职。他在哥伦比亚大学的实验和后来在芝加哥大学的实验是核武器和核能发展的奠基石。他的很多学生成为二战后那一代最重要的理论家和实验家，但没人像他那样多才多能。

我的拼车伙伴不但让我懂了很多实验问题，还帮我养成了踏实的作风，关注那些实验驱动或可由实验解决的问题。其实，想成为拼车组的一员，就必须具备向别人解释自己所做事情的能力。

我们前行的路上会遇到很多物理学家，既有老一辈的大牛，也有当前活跃的理论家和实验家。我们还将遇到五湖四海的各色男女，但难以避免的现实是，来自几个国家的 男人 主宰了整个领域。有些人在种族、伦理或性别问题上思想激进，但我有充分的证据相信，我们将要遇到的问题会跨越那些时常分隔我们的界线而有着普遍的意义，我也希望这些问题的分享会让我们走到一起。

[1] 引自派斯（Abraham Pais） Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein , 1982, reprint 2005,14。（中译本：《上帝难以捉摸——爱因斯坦的科学与生活》，方在庆、李勇等译，广东教育出版社，1998；后列入商务印书馆名人传记丛书，题为《爱因斯坦传》。——译者） aYT+dIS4m3i2PtD0B0JoaB8bNCiTdDahJk1pp6TsK0hRENUfAJ6JP4p6Ad0ZhGLc