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对粒子物理标准模型中最后要素长达 48 年的搜寻，终以 2012 年希格斯玻色子的发现而告登峰造极。当人们还在欢庆这一巨大胜利之时，中国科学家已经开始了新的征程，他们将继续人类对自然界基本组元长达几个世纪的探索。具体而言，他们开始为建造一台巨型加速器做基本准备。这台机器周长可达100 千米，足以将物理学带入一片前所未及的高能领域，在这里将有可能发现大量新粒子及新的重要对称性。建造这样一台设备势在必行：即使标准模型能以惊人的精度描写基本粒子的行为，也仍然不完整，因为该理论无法解释宇宙大爆炸、万有引力、暗物质、暗能量等影响深远的现象。本书将向读者介绍，像中国提出的“巨型对撞机”这样一台具有雄心的机器如何能够提供关于宇宙及其基本组元之起源的更加完整透彻的理解。

推荐序
中文版序言
前言
前奏  新的万里长城
引言  集结号
第 1 章  击碎原子
探索原子结构之谜
探索基本粒子的新武器——加速器
神奇的反物质
宇称破坏
共振态与奇妙的夸克
从新夸克到胶子与 QCD
从规范对称性破缺到发现 W 和 Z 粒子
标准模型的宏伟大厦
第 2 章  追踪希格斯
希格斯机制与质量起源
搜寻希格斯的历程
发现神秘的希格斯粒子
第 3 章  超越标准模型
标准模型的缺憾
超对称
额外维度与复合希格斯粒子
新一代对撞机
第 4 章  中国在舞台中央
CMB 观测与宇宙暴胀的遗迹
锦屏地下实验室与暗物质探测
阿尔法磁谱仪的太空使命
大亚湾与 JUNO 中微子实验
新中国高能物理的峥嵘岁月
第 5 章  为了全世界、属于全世界的加速器
超越 LHC：CEPC-SPPC 计划
未来对撞机探索新物理
其他对撞机计划
规划 CEPC 与 SPPC 的蓝图
第 6 章  最神奇的意外收获
后记  长城之下有何物
附录  LHC 安全吗？
索引

中文版序言
我首先得感谢何红建教授和鲜于中之博士，他们花了很多功夫，用美妙的文字在很短的时间翻译了我和 Steve Nadis 这部关于高能物理和探索在中国建立大型粒子加速器可能性的著作。
在这本书英文版刚完成，而译本即将完成的时候，我们听到了好几件令人振奋的事情：第一件是屠呦呦获得诺贝尔奖，第二件是王贻芳领导的团队在大亚湾硏究中微子的实验成果得到国际物理学界的肯定，和美日科学家共享国际有名的突破大奖。这些都是中国科学家在中国本土做出的世界第一流的成果，实实在在地证明了中国科学家的能力！中华儿女多奇志，我希望我们在这个基础上，更进一步，在科学最前沿的高能物理的硏究和实验上，与全球科学家合作，更进一步揭示出构造宇宙大自然的奥秘！这不单是中国两百年来学者所期待的，也是全球科学家的愿望，希望我们通过浅易的文笔，能够向中国普罗大众阐明这项科学工作的重要性。
——丘成桐，2015 年 11 月于麻省剑桥


前言
行走于数学–物理之间
许多人认为我是纯数学家，他们大概会感到吃惊的是我在积极推动中国建造一台大装置。同事们和我有时称这台大装置为“巨型对撞机”，这原本是诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯（David Gross）建议的名字。这台考虑中的设备可能成为人类有史以来最强大的粒子加速器，不过也要取决于世界各地类似计划的进展。这项任务的关键绝不在于建造足以夸耀为“世界最大”的机器，而是要修建一台能够开辟基础物理学新领域的设备，以揭示我们目前仍无法企及的宇宙奥秘。
我对这项事业发生兴趣的原因很多，其中不少都会在本书中详细阐述。我的合著者与我本人的首要动机是想弄明白，是否有充分的理由来实施如此庞大而极具挑战的项目。与该领域的许多同事们一样，我们确认这种规模的机器对于基础物理学的进步极为关键。或许更重
要的是，它将满足人类理解周遭世界的永恒渴望。
代之以总结这些理由，我想在此谈几点个人的动机。首先应当指出，虽然我的多数研究工作或许要归属“数学”名下，但我在物理学期刊上也发表过很多文章。我还同时在哈佛大学数学系和物理系任职。这种交叠其实出自个人爱好：我喜欢在这两个充满活力的领域的交界线上工作。我觉得身居此地令人激动。不过除此以外，我还意识到，由观察和理解自然界所启发得到的物理观念，能够大大激发数学的发展。
当然这种影响是相互的。在很多层面上数学对于物理学至关重要。我不只是在说物理定律本质上就是数学公式这个事实。数学进展时常强烈地影响着物理学，有时甚至会在自然界中具体地呈现出来。这两种学问的交缠如此紧密，以至于通常很难说（而且这样说也没有多少意义）数学在哪里终止、物理学从何处接管。
或许讲一段故事可以解释得更清楚。1970 年，我来到美国伯克利念数学研究生。从那时开始我就对爱因斯坦的广义相对论很着迷，只是以前尚未深入学习过。我当时的专业与今天一样，是几何学。而爱因斯坦提供了某种新东西：引力的几何表述。与其将引力描写成两个重物间的吸引力，他说，不如将引力设想成重物的存在导致了时空曲率。爱因斯坦提到的时空扭曲与所谓的“里奇曲率”有关。这使我想到：如果时空处于真空状态，其中空无一物，那会怎样呢？在没有质量的情况下是否还可能有（诸如里奇曲率之类的）曲率呢？
让我惊喜的是，我很快发现几何学家尤吉尼奥·卡拉比（Eugenio Calabi）在 20 多年前就已提出了几乎完全一样的问题，只不过用相当抽象的数学语言表达成了一种面目全非的形式。这就是卡拉比猜想。不过卡拉比在 1953 年提出这一猜想时却坚持说“这与物理毫无关系”，至少在他看来，“这完全是几何”。
卡拉比猜想要求存在一种偶数维的几何对象，或者说“空间”，它有很多特性，尤其具有一种奇怪的对称性。很多几何学家认为这种东西“过于美好”，他们认为满足卡拉比所提条件的空间在数学上是不可能的。虽然我最初对此也颇有怀疑，但经过对卡拉比猜想的多年研究，我终于在 1976 年证明了它实际上是对的。这类由卡拉比引入而我最终证明其存在性的空间于是被称为卡拉比–丘空间或卡拉比–丘流形。我强烈地感到我的工作在物理中会很重要，而且不仅限于我最初起步的广义相对论问题。但这一重要性将在何处出现，以及怎样出现，我还不完全清楚。
大致在同一时期，从 20 世纪 70 年代初起，物理学家则开始猜测自然界具有一种所谓“超对称”的假想对称性。如果这是真的，就有可能解决关于量子场论的很多困惑，而量子场论又是粒子物理的主导性理论（当时是，至今仍是）。没人证明我们的世界究竟是否有超对称，不过卡拉比–丘空间具有这种对称性就至少说明它自有数学合理性。至于它的一些物理效应，本书将在随后探讨。
故事尚未就此结束。1984 年，物理学家来找我了。他们在寻找含有超对称的高维空间，这在弦论中具有核心作用。他们觉得卡拉比–丘空间或许就是答案。弦论正试图做一些之前的物理理论从未成功过的事情，它想解释并统一自然界中所有作用力和所有粒子。至于要弄明白弦论是否正确地描述了宇宙，还有很长的路要走，而且看来没有实验能在近期解决这个问题。不过即使如此，弦论已在多个前沿激发了重要的数学工作。例如，物理学家偶然发现了不同的卡拉比–丘空间之间有一种前所未知的密切联系——“镜像对称性”。它复兴了枚举几何学领域，同时导致对许多难题的解答，其中有些难题甚至可追溯到 19 世纪。我和我的同事尝试探索这个概念的根源，从而为镜像对称性确立牢固的数学基础。
从上面这个例子可以看出，有一股稳流往返于物理和数学之间，对这两个领域既有益又重要。我已屡次发现，物理直觉对数学家极有助益。我也知道数学工作帮助物理学研究的很多例子。除了对物理学出于私心的支持外，我同时也真正喜欢这门学问。我是物理学及一切前沿科学的一大倡导者。
然而若不是真实实验的定期输入，基础物理学给予数学的灵感之流也无法永远持续下去。坦率地说，若没有得到经验确证，物理学家就无法确定他们的想法是否正确。我仍然清晰地记得 1990 年访问 CERN的情景。在那里人们向我介绍了地面下大约 100 米处周长 27 千米的环形隧道，大型强子对撞机（LHC）最终将在此加速粒子。对这种取精用宏的工程设计，我印象十分深刻。几十年后，LHC 兑现了它的伟大承诺，以希格斯玻色子的发现为粒子物理的所谓“标准模型”画上了句号。希格斯玻色子有时还被称作“上帝粒子”。（然而科学家几乎从不这么叫，他们觉得这更像宣传策略，与科学并无关系。）
现在是时候考虑下一代更大更好的机器了。这回，隧道也许长达100 千米，以便将粒子加速得更快，从而使对撞能量提升到从前的 5~10倍。这台设备可将我们带向超越标准模型的全新境界，还有可能在此过程中发现一系列新粒子。将这样一台机器称为“巨型对撞机”一点都不言过其实。我承认这个名字有些宏伟，但是这种项目的确当得起如此赞誉。
我生于中国。过去，我也花了很大精力帮助促进这里的科学与数学研究，这其中包括在大陆（内地、香港）和台湾建立了 6 个数学研究所。因此，我很乐意见到这台巨大的粒子加速器在祖国的土地上诞生，尽管它的建设与运行在各个方面都需要国际合作。虽然这台机器的基地或许在中国，但它意在对每个人开放使用。
于是我决定更加主动地投身于其中，而不只是坐观其成。为此，我与中国、美国和欧洲的物理学家，以及中国政府的高级官员会面，讨论这项事业的潜在收益。我经常强调的一点是，这个项目具有提升国内外所有科学水平的潜在能力——绝不仅限于物理相关的领域，这就像谚语所说的“水涨船高”。虽然一位极端重量级的中国领导人没有即刻完全同意这项提议，但其答复也并不消极。在当前阶段这已然可谓成功，该计划也因此保持了生机。对于同我一样的积极倡导者，这样的答复既带来了做成这件事的希望，也为接下来的行动争取到了时间。
我还就此主题在北京主持了一场由一些世界顶尖物理学家参与的论坛，与会各方都对我们的计划给予了密切关注。随后，我帮助将关于此对撞机的一封信递交给了另一位中国政府最高级别的领导人。这一任务并不像听上去那样容易，因为我需要事先与中央组织部部长、科技部部长和中国科学技术协会主席商榷。其中每一环节都很关键，因为这些主管官员都可能对该项目造成重要的阻力。然而他们都同意这个想法值得考虑，这使得个别有影响的人物当初对该对撞机的批评意见也随之烟消云散了。
就我个人而言，我愿看到中国提升自己在科学领域的世界声望。坦率地说，中国的声望的确需要提升。尽管政府近年来显著加大了科技方面的投入，中国学者发表的论文也相应增多，但是以引用数等标准衡量，这些论文及其背后的研究工作，就质量与原创性而论，仍然落后于美国与其他主要西方国家。平心而论，在粒子物理及其他科学领域中，中国需要追赶，需要为此做很多工作。在某些领域，我们甚至还有数十年的差距。
尽管如此，除去我的乡土情结，我还认为此类加速器探索项目是超越国界的，它能够启迪人们，并且对我们星球上的每个人都很重要。我在这里提到的机器不只是说中国的对撞机，而是一台为全世界而建的对撞机，它事关世界各个角落的物理学家。
这项计划还将深入一项更宏大的事业，关乎“文明”一词的全部含义。简言之，为了确保人类自身的活力与存在的意义，人类社会需要从地理、科学、艺术等各方面进行探索。我也相信，如果一个目标确实值得追求，那么历史永远会青睐为这个目标而行动的人，而不是它的反对者。那些反对者只会盯着一个项目的价码和缺点，他们总是在寻找不要行动的理由，却从不试图推进。
这本书讨论的实验一旦在高能物理研究的新圣地开展起来，势必会突破目前知识的疆界，从而深化我们对宇宙深层机制的理解。于我而言，在这一系列过程中获得的知识足以列入人类最伟大的成就中。坦率地说，我想不出还有什么比此更高的追求。
——丘成桐（Shing-Tung Yau），2015 年于麻省剑桥

2014 年 8 月的首度访华也是我第一次亚洲之行。此前我曾遍游美国各地，而那是一个只有几百年故事的国家。相比之下，中国的文化与历史则可上溯几千年。所以我经常将中国与“旧世界”这个说法联系起来。然而在访问过程中，我发现了一个在某些方面比我年轻的祖国更为现代化的国家：高铁、磁悬浮列车、前沿的遗传学与基因学研究。多少具有讽刺意味的是，我还发现，生活在所谓“旧世界”的人们正在为规划高能物理的新世界与未来而大步前进，而这一领域将会直接或间接地驱动所有其他科学领域的进步。我很失望地讲，我的祖国根本没有在认真考虑这类雄心勃勃的计划。
在中国，我见到了大开眼界的绝妙风景，尝到了品种繁多的陌生食物，还受到人们热情而友善的款待。在旅行中，从北京到香港的途中各处（还有不在途中的各处），我遇到了许多为我的研究提供热情帮助的人。我要感谢他们，连同美国和欧洲等世界各地朋友的帮助。没有他们就不可能有这本书。下列各位对本书的写作提供了协助。如果这里遗漏了任何人的贡献，我提前向他们致歉。
姜·巴特沃思 Jon Butterworth
陈丕燊 Pisin Chen
周为仁 Weiren Chou
朱明中 Ming-Chung Chu
罗伯特·戴格拉夫 Robbert Dijkgraaf
约翰·艾利斯 John Ellis
高杰 Jie Gao
布莱恩·格林恩 Brian Greene
郭立军 Lijun Guo
弗莱德·哈里斯 Fred Harris
何红建 Hong-Jian He
何倩 Rebecca He
任娟 Ren Juan
郭兆林 Chao-Lin Kuo
肯·赖（音） Ken Lai
李小男 Xiaonan Li
娄辛丑 Xinchou Lou
迈克尔·罗伊 Michael Loy
吕才典 Cai-Dian Lu
汪璐 Wang Lu
陆锦标 Kam-Biu Luk
卢察诺·迈安尼 Luciano Maiani
森井政宏 Masahiro Morii
秦庆 Qing Qin
克里斯托弗·罗根 Christopher Rogan
马修·施瓦茨 Matthew Schwartz
内森·塞伯格 Nathan Seiberg
邵书珩 Shu-Heng Shao
沈肖雁 Xiaoyan Shen
萧文礼 Gary Shiu
马特·斯特拉斯勒 Matt Strassler
安迪·斯特劳明格 Andy Strominger
杰拉德·埃图夫特 Gerard ＇t Hooft
屠艳珺 Yanjun Tu
艾伦·沃克 Alan Walker
爱德华·威滕 Edward Witten
于程辉 Chenghui Yu
张闯 Chuang Zhang
我想特别感谢几位提供了巨大帮助的人士：尼玛·阿卡尼–哈梅德（Nima Arkani-Hamed）、戴维·格罗斯、约瑟夫·因坎德拉（Joe Incandela）、阿舒托什·考特瓦尔（Ashutosh Kotwal）、迈克尔·佩斯金（Michael Peskin）、戴自海（Henry Tye）、王贻芳。他们为这项工作慷慨地贡献时间与学识，仅仅是因为他们关注高能物理的未来，并期盼这个领域能够前进和茁壮成长。
何红建与鲜于中之应得到特别的赞扬，他们接过了翻译的任务，将我们时常曲折繁复的文字翻译成完美的中文。高能物理研究所的王晨芳非常棒地搜集到了中国物理学家与研究设备的图片。国际出版社（International Press）的布莱恩·毕安基尼（Brian Bianchini）将我们单调的 Word 文档奇妙地转化成了一本漂亮的书，艾琳·迈克埃尔罗伊（Aileen McElroy）负责公众宣传，秦立新监督整个出版项目。此外，我们为黄夕夕绝妙的封面设计而高兴。我们也感谢林颖璇编写了本书的索引。
在此过程中，毛林·阿姆斯特朗（Maureen Armstrong）、陈丽苹（Lily Chan）与艾琳·迈恩德（Irene Minder）提供了非常宝贵的行政支持。盖里·毛尔蒙（Gary Malmon）热情地带我参观北京（有时候我觉得骑在他的摩托车上真是危险极了！）。我还要感谢我的家人：梅丽莎（Melissa）、朱丽叶（Juliet）和波琳（Pauline），还有我的父母——罗琳（Lurraine）和马蒂（Marty），在我为本书工作期间，他们一直在鼓励我。
我的合著者丘成桐感谢他的夫人郭友云与儿子明诚（Isaac）、正熙（Michael）的支持。
——史蒂夫·纳迪斯（Steve Nadis），2015 年于麻省剑桥

成人科普

丘成桐： __eol__全世界当今最伟大的数学大师、国际著名教育家。现任哈佛大学数学系主任、格罗斯坦因讲座教授；是中国科学院院士、美国科学院院士、俄罗斯科学院院士、意大利科学院院士。荣获国务院颁发的中华人民共和国国际科技合作奖。同时获得了菲尔兹奖、沃尔夫奖、克莱福特奖、美国国家科学奖等国际顶级科学大奖，是全世界迄今为止同时获四项大奖的唯一一人。__eol____eol__丘成桐先生解决了卡拉比猜测、正质量猜想等一批世界难题，对数学、物理、计算机图形学等众多学科领域产生了深刻影响。他是当今最重要的数学分支“几何分析学科”的主要奠基人，他领导的几何分析创新团队为解决世纪难题“庞加莱猜想”做出了极其重要的贡献。 __eol____eol__

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从万里长城到巨型对撞机：中国探索宇宙最深层奥秘的前景