前言
是什么將空間的無(wú)窮大和物質(zhì)的無(wú)窮小聯(lián)系在一起？當(dāng)然是物理學(xué)！無(wú)窮大和無(wú)窮小、宇宙和粒子、對(duì)稱和時(shí)空、黑洞和額外維都是物理學(xué)的研究對(duì)象。通過(guò)本書(shū)，你將獲得關(guān)于無(wú)窮大和無(wú)窮小的物理知識(shí)，并發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系多么緊密。
這或許會(huì)違背你的認(rèn)知：畢竟，廣袤的太空一片荒蕪，處于真空狀態(tài)。正如斯科特（RidleyScott）執(zhí)導(dǎo)的電影《異形》（Alien）的宣傳語(yǔ)所寫(xiě)，在太空，沒(méi)有人能聽(tīng)見(jiàn)你的尖叫。沒(méi)有物質(zhì)，就沒(méi)有聲音。不過(guò)，雖然沒(méi)有聲音，卻有一些可以扭曲時(shí)空的波動(dòng)。它們也是無(wú)窮大。因此，如果你的尖叫足夠響，或許最終能被聽(tīng)見(jiàn)。
至于無(wú)窮小，那里有原子和各種各樣的微小粒子，包括強(qiáng)子、介子、玻色子、夸克等。探索越多，發(fā)現(xiàn)的新粒子就越多，比如奇夸克、粲夸克、膠子、希格斯玻色子等，簡(jiǎn)直像個(gè)動(dòng)物園，而且一個(gè)比一個(gè)奇怪�，F(xiàn)在，粒子狩獵已經(jīng)開(kāi)始，請(qǐng)拿好你的捕捉網(wǎng)。
但是，真空本身并不空。這是一個(gè)有趣的悖論。事實(shí)上，真空中充滿了等待現(xiàn)身的正反粒子對(duì)。千真萬(wàn)確，我們可以從真空中取出物質(zhì)。那么，這些粒子會(huì)不會(huì)只是被大自然的對(duì)稱性聯(lián)系起來(lái)的同一實(shí)體的不同側(cè)面？把引力和量子統(tǒng)一起來(lái)的大統(tǒng)一理論是否已經(jīng)近在咫尺？至于宇宙真空，它真的什么都沒(méi)有嗎？人們認(rèn)為，星系并未彼此遠(yuǎn)離，只是時(shí)空發(fā)生了膨脹，而且50億年來(lái)，在真空的驅(qū)動(dòng)下，膨脹的速度有所加快。因此，宇宙真空并非空無(wú)一物。那么，里面究竟有什么？當(dāng)然，肯定有能量。雖然它十分微弱，卻足以加速宇宙的膨脹。也有可能是第五種力。
下面，讓我們談一談引力，更準(zhǔn)確地說(shuō)是反引力。每個(gè)人都對(duì)反引力抱有幻想。在電視劇《星際迷航》（StarTrek）中，探險(xiǎn)家們?cè)谛请H旅行時(shí)用反引力做了各種各樣的事，比如運(yùn)輸炸藥、治療背痛等。這是認(rèn)真的嗎？此外，排斥性引力導(dǎo)致宇宙加速膨脹。然而，從理論上說(shuō)，反物質(zhì)和物質(zhì)一樣，也處于吸引性引力的支配之下。但是，這該如何證明？在歐洲核子研究中心（CERN），物理學(xué)家用一個(gè)又一個(gè)原子，試圖回答這一問(wèn)題。
我們已經(jīng)知道，太陽(yáng)燃燒全部是核燃燒。在太陽(yáng)內(nèi)部，兩個(gè)質(zhì)子通過(guò)聚變產(chǎn)生中微子。8分鐘后，中微子到達(dá)地球。這證明在太陽(yáng)這口大鍋里，粒子發(fā)生了聚變和衰變。中微子數(shù)量龐大，但是難以探測(cè)。核反應(yīng)堆產(chǎn)生了大量中微子，粒子加速器也產(chǎn)生了幾十億個(gè)中微子。來(lái)自太陽(yáng)的中微子帶走了超新星爆發(fā)產(chǎn)生的大部分能量。一些中微子萌發(fā)于地球深處，與此同時(shí)，我們正沐浴在地球大氣產(chǎn)生的大量中微子之中。由于大氣中的中微子數(shù)量極其龐大，所以人們需要鉆入地下或者在海底設(shè)置探測(cè)器，從而對(duì)它們一一進(jìn)行研究。盡管如此，我們對(duì)這種小小的中性粒子仍然知之甚少。
還是在太陽(yáng)內(nèi)，各種核反應(yīng)形成了所有的輕元素（比如碳和氧），最重的輕元素是鐵。同樣，大質(zhì)量恒星爆炸形成超新星，并產(chǎn)生了鈾和比鈾輕的重元素以及超鈾元素。這些原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)越來(lái)越多。那么，它們的盡頭在哪里？原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有沒(méi)有上限：是114、120還是126？在此，敬告各位大膽的探險(xiǎn)家，據(jù)說(shuō)在某處存在一座穩(wěn)定島，那里的超重元素?fù)碛懈�長(zhǎng)的壽命。
但是，要破解無(wú)窮大和無(wú)窮小的秘密，并非易事。不過(guò)，沒(méi)關(guān)系，人多力量大。在國(guó)際性的大型合作項(xiàng)目中，人們?nèi)諒?fù)一日地尋找無(wú)法觸及的世界。在山頂、在地心、在海底兩萬(wàn)里，大型儀器正在運(yùn)轉(zhuǎn)，研究員、工程師、技術(shù)員在這些龐大的儀器中通力合作，孜孜不倦地探索無(wú)窮世界。這需要耐心和決心，需要建造數(shù)噸重的尖端探測(cè)器，監(jiān)測(cè)數(shù)百萬(wàn)條電路，分析大量數(shù)據(jù)。
但是，這些研究有什么用？有的人可能會(huì)說(shuō)：什么用也沒(méi)有！那他們可就錯(cuò)了。CERN實(shí)時(shí)更新網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)，全球定位系統(tǒng)（GPS）借助廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。就算這些統(tǒng)統(tǒng)不提，為了探索無(wú)窮世界，人們?cè)O(shè)計(jì)和使用了大大小小的儀器，在開(kāi)發(fā)這些儀器的過(guò)程中取得的技術(shù)進(jìn)步也得到了許多應(yīng)用。因此，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在許多案例中，研究無(wú)窮大和無(wú)窮小的物理學(xué)家用自己的知識(shí)和技藝造福人類(lèi)，比如研究新的能量生產(chǎn)方案或者在健康領(lǐng)域運(yùn)用放射性同位素和強(qiáng)子療法輔助癌癥治療等。
但是，最重要的可能還是，針對(duì)無(wú)窮大和無(wú)窮小的物理學(xué)研究讓我們發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，引起了我們的思考。套用帕斯卡（Pascal）的一句名言：這不是因?yàn)槲覀兘橛谔摕o(wú)和一切之間，在無(wú)窮面前是虛無(wú)，在虛無(wú)面前是一切，而是因?yàn)闊o(wú)窮給我們帶來(lái)了極大的樂(lè)趣，顛覆了我們對(duì)世界的認(rèn)知，而且每天都會(huì)讓我們獲得一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。
雷納德·潘（ReynaldPain）
法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心核物理與粒子物理研究所所長(zhǎng)