《從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景》是2016年4月電子工業出版社出版的圖書，作者是【美】丘成桐 【美】史蒂夫·納迪斯。
基本介紹
- 中文名：從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景
- 作者：【美】丘成桐 【美】史蒂夫·納迪斯
- 出版社：電子工業出版社
- 出版時間：2016年4月
- 頁數：248 頁
- 定價：89 元
- 開本：16 開
- ISBN： 9787121281761
內容簡介,內容提要,目錄,精彩節摘,中文版序言,推薦序1,前言,
內容簡介
對粒子物理標準模型中最後要素長達 48 年的搜尋，終以 2012 年希格斯玻色子的發現而告登峰造極。當人們還在歡慶這一巨大勝利之時，中國科學家已經開始了新的征程，他們將繼續人類對自然界基本組元長達幾個世紀的探索。具體而言，他們開始為建造一台巨型加速器做基本準備。這台機器周長可達100千米，足以將物理學帶入一片前所未及的高能領域，在這裡將有可能發現大量新粒子及新的重要對稱性。
建造這樣一台設備勢在必行：即使標準模型能以驚人的精度描寫基本粒子的行為，也仍然不完整，因為該理論無法解釋宇宙大爆炸、萬有引力、暗物質、暗能量等影響深遠的現象。
《從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景》將向讀者介紹，像中國提出的“巨型對撞機”這樣一台具有雄心的機器如何能夠提供關於宇宙及其基本組元之起源的更加完整透徹的理解。
內容提要
對粒子物理標準模型中最後要素長達 48 年的搜尋，終以 2012 年希格斯玻色子的發現而告登峰造極。當人們還在歡慶這一巨大勝利之時，中國科學家已經開始了新的征程，他們將繼續人類對自然界基本組元長達幾個世紀的探索。具體而言，他們開始為建造一台巨型加速器做基本準備。這台機器周長可達100千米，足以將物理學帶入一片前所未及的高能領域，在這裡將有可能發現大量新粒子及新的重要對稱性。
建造這樣一台設備勢在必行：即使標準模型能以驚人的精度描寫基本粒子的行為，也仍然不完整，因為該理論無法解釋宇宙大爆炸、萬有引力、暗物質、暗能量等影響深遠的現象。
《從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景》將向讀者介紹，像中國提出的“巨型對撞機”這樣一台具有雄心的機器如何能夠提供關於宇宙及其基本組元之起源的更加完整透徹的理解。
目錄
推薦序 VII
中文版序言 XXI
前言 XXIII
前奏 新的萬里長城 1
引言 集結號 7
第1章 擊碎原子 15
探索原子結構之謎 15
探索基本粒子的新武器——加速器 19
神奇的反物質 24
宇稱破壞 27
共振態與奇妙的夸克 30
從新夸克到膠子與QCD 35
從規範對稱性破缺到發現W和Z粒子 41
標準模型的宏偉大廈 47
第2章 追蹤希格斯 55
希格斯機制與質量起源 55
搜尋希格斯的歷程 64
發現神秘的希格斯粒子 73
第3 章 超越標準模型 83
標準模型的缺憾 83
超對稱 92
額外維度與複合希格斯粒子 103
新一代對撞機 106
第4 章 中國在舞台中央 115
CMB 觀測與宇宙暴脹的遺蹟 115
錦屏地下實驗室與暗物質探測 117
阿爾法磁譜儀的太空使命 119
大亞灣與JUNO 中微子實驗 122
新中國高能物理的崢嶸歲月 132
第5 章 為了全世界、屬於全世界的加速器 155
超越LHC：CEPC-SPPC 計畫 155
未來對撞機探索新物理 162
其他對撞機計畫 169
規劃CEPC 與SPPC 的藍圖 172
第6 章 最神奇的意外收穫 185
後記 長城之下有何物 199
附錄 LHC 安全嗎？ 203
索引 207
精彩節摘
中文版序言
我首先得感謝何紅建教授和鮮于中之博士，他們花了很多功夫，用美妙的文字在很短的時間翻譯了我和Steve Nadis這部關於高能物理和探索在中國建立大型粒子加速器可能性的著作。
在這本書英文版剛完成，而譯本即將完成的時候，我們聽到了好幾件令人振奮的事情：第一件是屠呦呦獲得諾貝爾獎，第二件是王貽芳領導的團隊在大亞灣硏究中微子的實驗成果得到國際物理學界的肯定，和美日科學家共享國際有名的突破大獎。這些都是中國科學家在中國本土做出的世界第一流的成果，實實在在地證明了中國科學家的能力！中華兒女多奇志，我希望我們在這個基礎上，更進一步，在科學最前沿的高能物理的硏究和實驗上，與全球科學家合作，更進一步揭示出構造宇宙大自然的奧秘！這不單是中國兩百年來學者所期待的，也是全球科學家的願望，希望我們通過淺易的文筆，能夠向中國普羅大眾闡明這項科學工作的重要性。
——丘成桐，2015年11月於麻省劍橋
推薦序1
巨型對撞機
自2012年在CERN發現希格斯玻色子以來，一批中國科學家就開始努力說服中國政府與公眾在中國建造下一代高能對撞機。這批科學家由中國科學院高能物理研究所所長王貽芳領導，並得到菲爾茲獎得主丘成桐的支持。
丘成桐與納迪斯在本書中詳盡闡述了，這些科學家怎樣下定決心，他們現有的基礎如何，以及他們取得政府支持並在萬里長城東端與太平洋海岸毗鄰區域實現這一夢想的機會如何。
希格斯玻色子的發現是粒子物理學的轉折點。它一方面完成了對標準理論的粒子譜的發現，使之成為迄今為止描述自然現象最為成功的理論。另一方面，它留下了一些有待回答的問題，比如：中微子質量的起源、在引力作用下聚集在星系周圍的不發光物質（即“暗物質”），還有希格斯玻色子質量與量子引力尺度（即所謂普朗克質量）之間17個數量級的懸殊差異。本書詳細闡述了我們緣何確信標準理論只是一個更為完整結構的近似。這一結構將在更高的能量尺度以新粒子與新相互作用的形式展現出來，正如標準模型是法拉第與麥克斯韋的電動力學在更高能量尺度的完備實現。因此，我們需要將CERN的機器推向其高能極限，同時開始規劃新機器和探索新的能量區域。
迄今所有討論過的方案都基於一種“原子粉碎機”的現代版，即由奧地利物理學家布魯諾·陶舍克（Bruno Touschek）於20 世紀60 年代在義大利首先研發的“對撞機”。兩束粒子在一根高度真空的管道中被加速到很高能量後對頭碰撞。這些粒子束可以是正負電子，如同陶舍克最初的設計；也可以是正反質子，這種方案由CERN 最先設計出來， 並被套用於費米實驗室的Tevatron；還可以完全是質子，就像CERN 的大型強子對撞機那樣。根據愛因斯坦的公式m=E/c2，我們給予粒子束的所有能量在對撞過程中都可用來產生新粒子，從而使對撞機比老式的原子粉碎機強大得多。因為後者僅僅將高能粒子束射向固定靶，故而所產生粒子的質量僅僅正比於束流能量的平方根。
這本書展望了建造一條大型環形隧道的構想。這條隧道將安裝一台正負電子對撞機，之後再置入一台質子對撞機。至於其他項目，在日本建造一台正負電子直線對撞機（國際直線對撞機，ILC）的計畫已經拿上檯面。大約在高能所提出方案的同一時期，CERN 也開始研究未來環形對撞機（FCC）的可能性，其隧道將在日內瓦湖下面穿過，並延伸到日內瓦與阿爾卑斯山之間的區域。
巨型對撞機的計畫並非無中生有。過去50 年裡，在傑出華人物理學家、諾貝爾獎得主李政道、楊振寧和丁肇中的激勵下，中國物理學取得巨大進步。本書對此做了引人入勝的記述。
如今，中國粒子物理的中心位於北京的高能物理研究所。它最初由張文裕創建於1973 年，目前由王貽芳領導，而且實現了與國際接軌。一支茁壯成長的團隊已經形成。過去十年中，在中國開展的粒子物理實驗在中微子振盪和強作用介子物理方面做出了世界一流的結果。高能所也參與了大科學裝置的建造。其中，高能所前所長陳和生領導了北京正負電子對撞機的升級、散裂中子源以及隨後的基於加速器的核裂變等雄心勃勃的項目。
本書有力論證了，中國物理學家與工程師已做好建造大型科學裝置的準備，並與歐洲和美國一同參與高能競賽。高能所創始人張文裕在20世紀70年代就提議建造一台可與SLAC和CERN的機器相競爭的50GeV質子加速器，而這條道路如今對於中國愈加光明。
高能物理的大事業需要國際合作（不過天文學、宇宙學，以及如今的生物科學都莫不如此），本書很好地闡明了其中的理由。我想在此以我個人的觀點作結，它們來自我關於CERN大型強子對撞機（LHC）以及相關探測器的工作經驗。
我們需要國際合作，至少有兩個原因：其一是財政資源，其二是人力資源，或者更一般地說，實踐經驗。當然，這兩者關係密切。對於對撞機的非東道主國家，他們的財政貢獻決定了該國有多少科學家與工程師參與到該項目，也決定了在多大程度上可以將其認為是屬於他們、讓他們投入精力和職業生涯從事研究的項目。
由於此類項目的規模巨大，即使像中國這樣的大國也很難獨立資助，因此，整合國外資源實際上是必需的。此外，資源共享也有助於降低建造這樣一台高級複雜設備的風險，同時也保證了，在建設過程遇到困難時可以得到國際支持（在此進程中肯定會遇到困難）。國際資源也將幫助解決另一個問題，即其他科學領域會感到政府將注意力完全集中於一個項目而產生反對意見。如丘成桐和納迪斯所言，“水漲船高”，政府對科學的關注從長遠來看對所有領域都有好處。不過，科學界內部的反對意見對這一事業可能會是致命的，如同美國取消超導超級對撞機（SSC）那樣。
僅從建設、操作該設備與探測器所需的勞動力來看，人力資源的共享不可或缺。因為所需人力顯然超過了即使是中國這樣一個大國的召集能力，不僅從人數上，更重要地，從該事業所需的人才、技能和創新能力來看，都是如此。
而該事業所需的實踐經驗和尖端技術則是人力資源共享的另一個方面。這一項目在其所有方面都需要配備最好的技術，單獨一個國家無法完全勝任。特別是在巨型對撞機的質子對撞階段，高場強超導磁鐵、質子束流動力學和控制等等技術目前都集中在世界上的兩大實驗室， 即歐洲的CERN 和美國的費米實驗室。如果沒有與這兩個已有實驗室的緊密聯繫，在一個全新的實驗室里重複這些技術將是相當困難的。
丘成桐與納迪斯描繪了將出現在未來數十年內的情景。中國一旦能夠進入高能量前沿的國際競賽，必將是絕對的、最受歡迎的新鮮事物。
盧查諾·邁安尼
羅馬，2015 年12 月5 日
推薦序2
巨型對撞機、粒子物理與中國科學發展
《從萬里長城到巨型對撞機》講述了一個非凡的故事，那就是人類對微觀世界從原子到夸克的好奇心如何同時改變了我們對宇宙以及對我們自身存在的理解。這個故事穿越兩千年，從古希臘的原子論者出發，在隨後的千年中緩慢推進，而從湯姆遜發現電子到近來發現希格斯玻色子這大約120年裡，則以驚人的步伐加速前進。
2012年7月4日在CERN宣布發現希格斯玻色子，是整個科學史乃至人類全部歷史中的重大里程碑。它向我們揭示了關於宇宙的非凡事實。我們如今知道，我們的宇宙填充著一種量子場，它對於我們自身的存在以及我們所知的一切存在物都至關重要。若不是它，電子就沒有質量，原子就不會形成，因而也就沒有恆星，沒有地球，沒有人類！希格斯玻色子的發現完成了粒子物理學的標準模型，這是人類有史以來對自然界在最基本的層次上最全面的描述。但這並不是故事的終結。的確，在一本激動人心的著作中，最好將這看作其中一章的結束。
希格斯玻色子雖然回答了許多重要而深刻的問題，但是它提出的新問題比它解決的問題還要多。在標準模型之外、在我們所能確切解釋的事實之外，還有新的奧秘。我們如今知道，宇宙物質中的絕大多數並非我們熟知的物質，而是一種我們看不見且尚無任何理解的暗物質。不過我們知道，暗物質能夠解釋宇宙的大尺度結構，還能解釋恆星在星系中令人困惑的運動。這種暗物質也許與超對稱有關。超對稱是一種非常基本的理論，它提出了一系列新的基本粒子。目前CERN 正在積極搜尋它們。或者，暗物質也可能全然是另一種東西，很可能大大出乎人們的預料。不過大致可以確定的是，無論它是什麼，都與希格斯玻色子有著某種聯繫，所以這種新粒子很可能就是給這段光輝歷史進程打開下一篇章大門的鑰匙。
正因如此，中國乃至全世界的粒子物理學家，都對在中國建造巨型對撞機的可能性激動不已。中國巨型對撞機的第一階段將是環形正負電子對撞機（CEPC），它使正負電子在240GeV 能量尺度發生對撞。這正是產生在CERN 發現的那種希格斯玻色子所需的能量。這台對撞機將大量產生希格斯玻色子，從而使我們以空前的精度研究其性質。事實上，物理學家可以通過精確測量尋找對粒子物理標準模型預言的細微偏離，從而提供關於新物理領域的無可爭辯的證據，並對今後的實驗與理論給予重要指引。當然，實驗結果對標準模型沒有任何偏差也將是同等重要的事實，因為這將為我們提供寶貴線索，幫助我們排除許多假想的新物理模型。無論如何，這台機器將在一個全新的基本層次上觀察自然，也會將中國推向基礎科學的最前沿。
在粒子物理學家看來，中國巨型對撞機所能取得的潛在突破非常清楚，並且意義重大。而中國從中所能取得的收益也同樣清楚和引人注目。粒子物理學既有許多實在的益處，又有一些巨大而無形的效益。首先，從最基本的層面研究宇宙如何運轉的傳統歷史悠久，對這一領域的貢獻將是永恆的。因而這在文化層面上就極端重要。它能帶來聲譽、承載歷史意義並鼓舞人心。我想指出，物理學經常是通過關於我們在宇宙中的位置這樣的大問題吸引年輕人，然而一旦他們進入物理學領域，就還會看到像拓撲絕緣體這樣美妙的東西，他們從前肯定想像不到會對之發生興趣，而且這些東西還有巨大的實用價值。粒子物理俘獲想像力，並極大地推動了科學進步，這對所有科學領域都大有裨益。此外，我們還有像全球資訊網這樣的意外收穫。粒子物理領域還創造了超導線與超導強場磁鐵，同時為醫學診斷研發了加速器、將輻射探測器套用到了醫學影像學中。
《從萬里長城到巨型對撞機》一書講述了粒子物理學如何改變了我們日常生存的精彩故事，儘管在任何時候，粒子物理看上去似乎都與我們的日常生活毫無關係。本書還講述了粒子物理學怎樣為了一個更偉大的目標，而成就了迄今為止全球和平與合作的最佳典範。而這一點將是未來世界所愈加需要的。最後，此書描述了一台位於中國的巨型對撞機的激動人心的可能性，它將成為通往下一個重大突破和進入粒子物理學新篇章的橋樑。
中國是當今世界中最偉大的民族之一，因此，在人類對宇宙最為古老、最為基礎、最為深刻的研究進行到最為激動人心的關頭，中國完全適合成為其新的領導者。
喬·因坎德拉
2015年11月23日於加州聖巴巴拉
推薦序3
《從萬里長城到巨型對撞機》讀後有感
我讀了丘成桐和史蒂夫·納迪斯的新作《從萬里長城到巨型對撞機》之後非常激動，該書講述了中國提出建造環形正負電子對撞機“希格斯工廠”的計畫。我目前正在哈佛大學講授一門粒子物理課程，與學生們分享了這個巨型希格斯玻色子工廠的提議。他們正在做一項小組作業：以這台巨型對撞機的提議方案為基礎，探討有可能揭示出哪些超越標準模型的新物理。就實驗粒子物理的前景與未來而言，這項關於CEPC/巨型對撞機的提議對於學生、博士後與教授們都極具吸引力。特別是學生們對於在中國參與物理研究尤感興奮。我熱切希望中國政府繼續支持這個精彩項目，它將使中國居於未來國際粒子物理領域的中心。
梅麗莎·富蘭克林
2015年11月於麻省劍橋
推薦序4
粒子物理學發展的絕妙契機
丘成桐教授一直是我敬佩的英雄，他在數學及幾何學的成就早獲肯定。我多年來就花了不少時間鑽研他那被廣泛套用於粒子物理學中弦論的“卡拉比–丘空間”的數學結構。至於史蒂夫·納迪斯（Steve Nadis），我認識他已有十年之久。作為一位專業科普作家，他一直將天文學、物理學及數學中一些艱深的技術概念以輕鬆手法，言簡意賅地於其著作中與普羅大眾分享，將前瞻性的科學研究成果普及。
本書的兩位作者早年並非出道於物理專業。有趣的是，正因如此，他們比行內的人更能以淺白的寫作手法，演說基本物理的歷史演化，並從客觀角度探討我國建造巨型粒子對撞機的可能性和重要性；以嶄新的角度，為粒子物理（高能物理）研究發展帶來衝擊與反思。
某次當我在跟朋友分享我們怎樣利用粒子對撞機了解物質的基本結構時，她突然問道：“這實驗如何能促進經濟發展呢？”顯然我不會有答案，因為在得出任何研究結果前，我們難以掌握套用範疇。
曾聽說過一個傳言，講述在19世紀中葉，時任英國財政大臣的威廉·格拉德斯通（Sir William Gladstone）在預備財政預算時，物理學家麥可·法拉第（Michael Faraday）向他解釋推動電磁學研究的重要性。當時格拉德斯通問法拉第：“發展電磁有什麼用處？”法拉第毫不猶豫地回答：“這項研究將會為國家帶來大量的稅收！”時至今日，我們的日常生活已經廣泛套用電磁學，但科學家最初對電磁學的研究並不是因為他們覬覦著研究成果的實際用途，而是單純源於人類與生俱來的求知慾和認識世界的渴求。
粒子對撞機是一種嶄新的加速器，在過去一個世紀的基礎物理研究上扮演著舉足輕重的角色。除此以外，加速器亦在醫學、生命科學和材料科技等各範疇中大放異彩。作為一個粒子物理學研究者，我認為建造巨型對撞機將是人類文明發展的一個重要里程碑。它將現存各種高科技，包括材料技術、磁鐵技術、低溫技術及真空技術等，推向極致。不論此機器在世界任何一個角落建造，都必定會引來成千上萬全球頂尖科學家，使其跨越膚色、種族、宗教、國籍及文化背景的界限， 雲集於這曠古爍今的機器前，投身於物理研究中。這種尖端科技帶來的提升是我本人乃至國際高能物理界同人所樂於見到的。
在2012 年，由王貽芳及陸錦標領導，美國、中國、俄羅斯和捷克等世界各地30 多所大學及國家實驗室研究人員參與的大亞灣中微子實驗國際合作組宣布發現一種新的中微子振盪模式，並測量到其振盪幾率——中微子混合角θ13。這是最新的一個物理學基本參數（其他參數包括牛頓的萬有引力常數、真空光速、元電荷、電子質量等）。這一發現更被美國權威雜誌《科學》評選為年度十大科學突破之一。此外， 更獲得2016 年度基礎物理學突破獎。由此可見，中國在國際大型科研合作舞台上已經具備扮演領導角色的能力。
倘若最終我國能承擔起建造這台巨型粒子對撞機的歷史使命，這不僅表明中國對發展科研當仁不讓的決心，更能引進世界頂尖科研人才匯聚長城之都，極大推進我國尚未領先世界的高能物理學發展，振興高科技與產業，為國家科研發展打下良好基礎，並為國內許多摩拳擦掌的青年科研人員打一支強心針，修直年輕學人探究科學之路。
本著作《從萬里長城到巨型對撞機》先以英語起稿，邀請高能物理界國際專家們參與商榷和提供建議，取得國際上公認後才翻譯成中文發行，這反映出丘成桐先生推動國家科研發展的認真和執著。他多年來鍥而不捨地推動國家數學及科學發展的精神令我極其欣賞。盼望本書為當今物理學界帶來一番討論之餘，讓普羅大眾對粒子物理有更深認識，刺激更多科研之星投身相關研究之中，把國家乃至世界的粒子物理研究推向一個新高峰。
戴自海
2015年於香港
前言
行走於數學–物理之間
許多人認為我是純數學家，他們大概會感到吃驚的是我在積極推動中國建造一台大裝置。同事們和我有時稱這台大裝置為“巨型對撞機”，這原本是諾貝爾物理學獎得主戴維·格羅斯（David Gross）建議的名字。這台考慮中的設備可能成為人類有史以來最強大的粒子加速器，不過也要取決於世界各地類似計畫的進展。這項任務的關鍵絕不在於建造足以誇耀為“世界最大”的機器，而是要修建一台能夠開闢基礎物理學新領域的設備，以揭示我們目前仍無法企及的宇宙奧秘。
我對這項事業發生興趣的原因很多，其中不少都會在本書中詳細闡述。我的合著者與我本人的首要動機是想弄明白，是否有充分的理由來實施如此龐大而極具挑戰的項目。與該領域的許多同事們一樣，我們確認這種規模的機器對於基礎物理學的進步極為關鍵。或許更重
要的是，它將滿足人類理解周遭世界的永恆渴望。
代之以總結這些理由，我想在此談幾點個人的動機。首先應當指出，雖然我的多數研究工作或許要歸屬“數學”名下，但我在物理學期刊上也發表過很多文章。我還同時在哈佛大學數學系和物理系任職。這種交疊其實出自個人愛好：我喜歡在這兩個充滿活力的領域的交界線上工作。我覺得身居此地令人激動。不過除此以外，我還意識到，由觀察和理解自然界所啟發得到的物理觀念，能夠大大激發數學的發展。
當然這種影響是相互的。在很多層面上數學對於物理學至關重要。我不只是在說物理定律本質上就是數學公式這個事實。數學進展時常強烈地影響著物理學，有時甚至會在自然界中具體地呈現出來。這兩種學問的交纏如此緊密，以至於通常很難說（而且這樣說也沒有多少意義）數學在哪裡終止、物理學從何處接管。
或許講一段故事可以解釋得更清楚。1970 年，我來到美國伯克利念數學研究生。從那時開始我就對愛因斯坦的廣義相對論很著迷，只是以前尚未深入學習過。我當時的專業與今天一樣，是幾何學。而愛因斯坦提供了某種新東西：引力的幾何表述。與其將引力描寫成兩個重物間的吸引力，他說，不如將引力構想成重物的存在導致了時空曲率。愛因斯坦提到的時空扭曲與所謂的“里奇曲率”有關。這使我想到：如果時空處於真空狀態，其中空無一物，那會怎樣呢？在沒有質量的情況下是否還可能有（諸如里奇曲率之類的）曲率呢？
讓我驚喜的是，我很快發現幾何學家尤吉尼奧·卡拉比（Eugenio Calabi）在 20 多年前就已提出了幾乎完全一樣的問題，只不過用相當抽象的數學語言表達成了一種面目全非的形式。這就是卡拉比猜想。不過卡拉比在 1953 年提出這一猜想時卻堅持說“這與物理毫無關係”，至少在他看來，“這完全是幾何”。
卡拉比猜想要求存在一種偶數維的幾何對象，或者說“空間”，它有很多特性，尤其具有一種奇怪的對稱性。很多幾何學家認為這種東西“過於美好”，他們認為滿足卡拉比所提條件的空間在數學上是不可能的。雖然我最初對此也頗有懷疑，但經過對卡拉比猜想的多年研究，我終於在 1976 年證明了它實際上是對的。這類由卡拉比引入而我最終證明其存在性的空間於是被稱為卡拉比–丘空間或卡拉比–丘流形。我強烈地感到我的工作在物理中會很重要，而且不僅限於我最初起步的廣義相對論問題。但這一重要性將在何處出現，以及怎樣出現，我還不完全清楚。
大致在同一時期，從 20 世紀 70 年代初起，物理學家則開始猜測自然界具有一種所謂“超對稱”的假想對稱性。如果這是真的，就有可能解決關於量子場論的很多困惑，而量子場論又是粒子物理的主導性理論（當時是，至今仍是）。沒人證明我們的世界究竟是否有超對稱，不過卡拉比–丘空間具有這種對稱性就至少說明它自有數學合理性。至於它的一些物理效應，本書將在隨後探討。
故事尚未就此結束。1984 年，物理學家來找我了。他們在尋找含有超對稱的高維空間，這在弦論中具有核心作用。他們覺得卡拉比–丘空間或許就是答案。弦論正試圖做一些之前的物理理論從未成功過的事情，它想解釋並統一自然界中所有作用力和所有粒子。至於要弄明白弦論是否正確地描述了宇宙，還有很長的路要走，而且看來沒有實驗能在近期解決這個問題。不過即使如此，弦論已在多個前沿激發了重要的數學工作。例如，物理學家偶然發現了不同的卡拉比–丘空間之間有一種前所未知的密切聯繫——“鏡像對稱性”。它復興了枚舉幾何學領域，同時導致對許多難題的解答，其中有些難題甚至可追溯到 19 世紀。我和我的同事嘗試探索這個概念的根源，從而為鏡像對稱性確立牢固的數學基礎。
從上面這個例子可以看出，有一股穩流往返於物理和數學之間，對這兩個領域既有益又重要。我已屢次發現，物理直覺對數學家極有助益。我也知道數學工作幫助物理學研究的很多例子。除了對物理學出於私心的支持外，我同時也真正喜歡這門學問。我是物理學及一切前沿科學的一大倡導者。
然而若不是真實實驗的定期輸入，基礎物理學給予數學的靈感之流也無法永遠持續下去。坦率地說，若沒有得到經驗確證，物理學家就無法確定他們的想法是否正確。我仍然清晰地記得 1990 年訪問 CERN的情景。在那裡人們向我介紹了地面下大約 100 米處周長 27 千米的環形隧道，大型強子對撞機（LHC）最終將在此加速粒子。對這種取精用宏的工程設計，我印象十分深刻。幾十年後，LHC 兌現了它的偉大承諾，以希格斯玻色子的發現為粒子物理的所謂“標準模型”畫上了句號。希格斯玻色子有時還被稱作“上帝粒子”。（然而科學家幾乎從不這么叫，他們覺得這更像宣傳策略，與科學並無關係。）現在是時候考慮下一代更大更好的機器了。這回，隧道也許長達100 千米，以便將粒子加速得更快，從而使對撞能量提升到從前的 5~10倍。這台設備可將我們帶向超越標準模型的全新境界，還有可能在此過程中發現一系列新粒子。將這樣一台機器稱為“巨型對撞機”一點都不言過其實。我承認這個名字有些宏偉，但是這種項目的確當得起如此讚譽。
我生於中國。過去，我也花了很大精力幫助促進這裡的科學與數學研究，這其中包括在大陸（內地、香港）和台灣建立了 6 個數學研究所。因此，我很樂意見到這台巨大的粒子加速器在祖國的土地上誕生，儘管它的建設與運行在各個方面都需要國際合作。雖然這台機器的基地或許在中國，但它意在對每個人開放使用。
於是我決定更加主動地投身於其中，而不只是坐觀其成。為此，我與中國、美國和歐洲的物理學家，以及中國政府的高級官員會面，討論這項事業的潛在收益。我經常強調的一點是，這個項目具有提升國內外所有科學水平的潛在能力——絕不僅限於物理相關的領域，這就像諺語所說的“水漲船高”。雖然一位極端重量級的中國領導人沒有即刻完全同意這項提議，但其答覆也並不消極。在當前階段這已然可謂成功，該計畫也因此保持了生機。對於同我一樣的積極倡導者，這樣的答覆既帶來了做成這件事的希望，也為接下來的行動爭取到了時間。
我還就此主題在北京主持了一場由一些世界頂尖物理學家參與的論壇，與會各方都對我們的計畫給予了密切關注。隨後，我幫助將關於此對撞機的一封信遞交給了另一位中國政府最高級別的領導人。這一任務並不像聽上去那樣容易，因為我需要事先與中央組織部部長、科技部部長和中國科學技術協會主席商榷。其中每一環節都很關鍵，因為這些主管官員都可能對該項目造成重要的阻力。然而他們都同意這個想法值得考慮，這使得個別有影響的人物當初對該對撞機的批評意見也隨之煙消雲散了。
就我個人而言，我願看到中國提升自己在科學領域的世界聲望。坦率地說，中國的聲望的確需要提升。儘管政府近年來顯著加大了科技方面的投入，中國學者發表的論文也相應增多，但是以引用數等標準衡量，這些論文及其背後的研究工作，就質量與原創性而論，仍然落後於美國與其他主要西方國家。平心而論，在粒子物理及其他科學領域中，中國需要追趕，需要為此做很多工作。在某些領域，我們甚至還有數十年的差距。
儘管如此，除去我的鄉土情結，我還認為此類加速器探索項目是超越國界的，它能夠啟迪人們，並且對我們星球上的每個人都很重要。我在這裡提到的機器不只是說中國的對撞機，而是一台為全世界而建的對撞機，它事關世界各個角落的物理學家。
這項計畫還將深入一項更宏大的事業，關乎“文明”一詞的全部含義。簡言之，為了確保人類自身的活力與存在的意義，人類社會需要從地理、科學、藝術等各方面進行探索。我也相信，如果一個目標確實值得追求，那么歷史永遠會青睞為這個目標而行動的人，而不是它的反對者。那些反對者只會盯著一個項目的價碼和缺點，他們總是在尋找不要行動的理由，卻從不試圖推進。
這本書討論的實驗一旦在高能物理研究的新聖地開展起來，勢必會突破目前知識的疆界，從而深化我們對宇宙深層機制的理解。於我而言，在這一系列過程中獲得的知識足以列入人類最偉大的成就中。坦率地說，我想不出還有什麼比此更高的追求。
——丘成桐（Shing-Tung Yau），2015 年於麻省劍橋
2014 年 8 月的首度訪華也是我第一次亞洲之行。此前我曾遍游美國各地，而那是一個只有幾百年故事的國家。相比之下，中國的文化與歷史則可上溯幾千年。所以我經常將中國與“舊世界”這個說法聯繫起來。然而在訪問過程中，我發現了一個在某些方面比我年輕的祖國更為現代化的國家：高鐵、磁懸浮列車、前沿的遺傳學與基因學研究。多少具有諷刺意味的是，我還發現，生活在所謂“舊世界”的人們正在為規劃高能物理的新世界與未來而大步前進，而這一領域將會直接或間接地驅動所有其他科學領域的進步。我很失望地講，我的祖國根本沒有在認真考慮這類雄心勃勃的計畫。
在中國，我見到了大開眼界的絕妙風景，嘗到了品種繁多的陌生食物，還受到人們熱情而友善的款待。在旅行中，從北京到香港的途中各處（還有不在途中的各處），我遇到了許多為我的研究提供熱情幫助的人。我要感謝他們，連同美國和歐洲等世界各地朋友的幫助。沒有他們就不可能有這本書。下列各位對本書的寫作提供了協助。如果這裡遺漏了任何人的貢獻，我提前向他們致歉。
姜·巴特沃思 Jon Butterworth
陳丕燊 Pisin Chen
周為仁 Weiren Chou
朱明中 Ming-Chung Chu
羅伯特·戴格拉夫 Robbert Dijkgraaf
約翰·艾利斯 John Ellis
高傑 Jie Gao
布萊恩·格林恩 Brian Greene
郭立軍 Lijun Guo
弗萊德·哈里斯 Fred Harris
何紅建 Hong-Jian He
何倩 Rebecca He
任娟 Ren Juan
郭兆林 Chao-Lin Kuo
肯·賴（音） Ken Lai
李小男 Xiaonan Li
婁辛丑 Xinchou Lou
麥可·羅伊 Michael Loy
呂才典 Cai-Dian Lu
汪璐 Wang Lu
陸錦標 Kam-Biu Luk
盧察諾·邁安尼 Luciano Maiani
森井政宏 Masahiro Morii
秦慶 Qing Qin
克里斯托弗·羅根 Christopher Rogan
馬修·施瓦茨 Matthew Schwartz
內森·塞伯格 Nathan Seiberg
邵書珩 Shu-Heng Shao
沈肖雁 Xiaoyan Shen
蕭文禮 Gary Shiu
馬特·斯特拉斯勒 Matt Strassler
安迪·斯特勞明格 Andy Strominger
傑拉德·埃圖夫特 Gerard 't Hooft
屠艷珺 Yanjun Tu
艾倫·沃克 Alan Walker
愛德華·威滕 Edward Witten
於程輝 Chenghui Yu
張闖 Chuang Zhang
我想特別感謝幾位提供了巨大幫助的人士：尼瑪·阿卡尼–哈梅德（Nima Arkani-Hamed）、戴維·格羅斯、約瑟夫·因坎德拉（Joe Incandela）、阿舒托什·考特瓦爾（Ashutosh Kotwal）、麥可·佩斯金（Michael Peskin）、戴自海（Henry Tye）、王貽芳。他們為這項工作慷慨地貢獻時間與學識，僅僅是因為他們關注高能物理的未來，並期盼這個領域能夠前進和茁壯成長。
何紅建與鮮于中之應得到特別的讚揚，他們接過了翻譯的任務，將我們時常曲折繁複的文字翻譯成完美的中文。高能物理研究所的王晨芳非常棒地蒐集到了中國物理學家與研究設備的圖片。國際出版社（International Press）的布萊恩·畢安基尼（Brian Bianchini）將我們單調的 Word 文檔奇妙地轉化成了一本漂亮的書，艾琳·邁克埃爾羅伊（Aileen McElroy）負責公眾宣傳，秦立新監督整個出版項目。此外，我們為黃夕夕絕妙的封面設計而高興。我們也感謝林穎璇編寫了本書的索引。
在此過程中，毛林·阿姆斯特朗（Maureen Armstrong）、陳麗苹（Lily Chan）與艾琳·邁恩德（Irene Minder）提供了非常寶貴的行政支持。蓋里·毛爾蒙（Gary Malmon）熱情地帶我參觀北京（有時候我覺得騎在他的機車上真是危險極了！）。我還要感謝我的家人：梅麗莎（Melissa）、朱麗葉（Juliet）和波琳（Pauline），還有我的父母——羅琳（Lurraine）和馬蒂（Marty），在我為本書工作期間，他們一直在鼓勵我。
我的合著者丘成桐感謝他的夫人郭友雲與兒子明誠（Isaac）、正熙（Michael）的支持。
——史蒂夫·納迪斯（Steve Nadis），2015 年於麻省劍橋
