前言
是什么將空間的無窮大和物質(zhì)的無窮小聯(lián)系在一起？當(dāng)然是物理學(xué)！無窮大和無窮小、宇宙和粒子、對稱和時空、黑洞和額外維都是物理學(xué)的研究對象。通過本書，你將獲得關(guān)于無窮大和無窮小的物理知識，并發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系多么緊密。
這或許會違背你的認知：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）的宣傳語所寫，在太空，沒有人能聽見你的尖叫。沒有物質(zhì)，就沒有聲音。不過，雖然沒有聲音，卻有一些可以扭曲時空的波動。它們也是無窮大。因此，如果你的尖叫足夠響，或許最終能被聽見。
至于無窮小，那里有原子和各種各樣的微小粒子，包括強子、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，簡直像個動物園，而且一個比一個奇怪。現(xiàn)在，粒子狩獵已經(jīng)開始，請拿好你的捕捉網(wǎng)。
但是，真空本身并不空。這是一個有趣的悖論。事實上，真空中充滿了等待現(xiàn)身的正反粒子對。千真萬確，我們可以從真空中取出物質(zhì)。那么，這些粒子會不會只是被大自然的對稱性聯(lián)系起來的同一實體的不同側(cè)面？把引力和量子統(tǒng)一起來的大統(tǒng)一理論是否已經(jīng)近在咫尺？至于宇宙真空，它真的什么都沒有嗎？人們認為，星系并未彼此遠離，只是時空發(fā)生了膨脹，而且50億年來，在真空的驅(qū)動下，膨脹的速度有所加快。因此，宇宙真空并非空無一物。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，更準確地說是反引力。每個人都對反引力抱有幻想。在電視劇《星際迷航》（StarTrek）中，探險家們在星際旅行時用反引力做了各種各樣的事，比如運輸炸藥、治療背痛等。這是認真的嗎？此外，排斥性引力導(dǎo)致宇宙加速膨脹。然而，從理論上說，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)家用一個又一個原子，試圖回答這一問題。
我們已經(jīng)知道，太陽燃燒全部是核燃燒。在太陽內(nèi)部，兩個質(zhì)子通過聚變產(chǎn)生中微子。8分鐘后，中微子到達地球。這證明在太陽這口大鍋里，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。核反應(yīng)堆產(chǎn)生了大量中微子，粒子加速器也產(chǎn)生了幾十億個中微子。來自太陽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，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)置探測器，從而對它們一一進行研究。盡管如此，我們對這種小小的中性粒子仍然知之甚少。
還是在太陽內(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)有沒有上限：是114、120還是126？在此，敬告各位大膽的探險家，據(jù)說在某處存在一座穩(wěn)定島，那里的超重元素擁有更長的壽命。
但是，要破解無窮大和無窮小的秘密，并非易事。不過，沒關(guān)系，人多力量大。在國際性的大型合作項目中，人們?nèi)諒?fù)一日地尋找無法觸及的世界。在山頂、在地心、在海底兩萬里，大型儀器正在運轉(zhuǎn)，研究員、工程師、技術(shù)員在這些龐大的儀器中通力合作，孜孜不倦地探索無窮世界。這需要耐心和決心，需要建造數(shù)噸重的尖端探測器，監(jiān)測數(shù)百萬條電路，分析大量數(shù)據(jù)。
但是，這些研究有什么用？有的人可能會說：什么用也沒有！那他們可就錯了。CERN實時更新網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，全球定位系統(tǒng)（GPS）借助廣義相對論實現(xiàn)精準定位。就算這些統(tǒng)統(tǒng)不提，為了探索無窮世界，人們設(shè)計和使用了大大小小的儀器，在開發(fā)這些儀器的過程中取得的技術(shù)進步也得到了許多應(yīng)用。因此，你會發(fā)現(xiàn)，在許多案例中，研究無窮大和無窮小的物理學(xué)家用自己的知識和技藝造福人類，比如研究新的能量生產(chǎn)方案或者在健康領(lǐng)域運用放射性同位素和強子療法輔助癌癥治療等。
但是，最重要的可能還是，針對無窮大和無窮小的物理學(xué)研究讓我們發(fā)現(xiàn)了許多問題，引起了我們的思考。套用帕斯卡（Pascal）的一句名言：這不是因為我們介于虛無和一切之間，在無窮面前是虛無，在虛無面前是一切，而是因為無窮給我們帶來了極大的樂趣，顛覆了我們對世界的認知，而且每天都會讓我們獲得一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。
雷納德·潘（ReynaldPain）
法國國家科學(xué)研究中心核物理與粒子物理研究所所長