前 言

是什么将空间的无穷大和物质的无穷小联系在一起？当然是物理学！无穷大和无穷小、宇宙和粒子、对称和时空、黑洞和额外维都是物理学的研究对象。通过本书，你将获得关于无穷大和无穷小的物理知识，并发现二者之间的关系多么紧密。

这或许会违背你的认知：毕竟，广袤的太空一片荒芜，处于真空状态。正如斯科特（Ridley Scott）执导的电影《异形》（Alien）的宣传语所写，“在太空，没有人能听见你的尖叫”。没有物质，就没有声音。不过，虽然没有声音，却有一些可以扭曲时空的波动。它们也是无穷大。因此，如果你的尖叫足够响，或许最终能被听见。

至于无穷小，那里有原子和各种各样的微小粒子，包括强子、介子、玻色子、夸克等。探索越多，发现的新粒子就越多，比如奇夸克、粲夸克、胶子、希格斯玻色子等，简直像个动物园，而且一个比一个奇怪。现在，粒子狩猎已经开始，请拿好你的捕捉网。

但是，真空本身并不空。这是一个有趣的悖论。事实上，真空中充满了等待现身的正反粒子对。千真万确，我们可以从真空中取出物质。那么，这些粒子会不会只是被大自然的对称性联系起来的同一实体的不同侧面？把引力和量子统一起来的大统一理论是否已经近在咫尺？至于宇宙真空，它真的什么都没有吗？人们认为，星系并未彼此远离，只是时空发生了膨胀，而且50亿年来，在真空的驱动下，膨胀的速度有所加快。因此，宇宙真空并非空无一物。那么，里面究竟有什么？当然，肯定有能量。虽然它十分微弱，却足以加速宇宙的膨胀。也有可能是第五种力。

下面，让我们谈一谈引力，更准确地说是反引力。每个人都对反引力抱有幻想。在电视剧《星际迷航》（Star Trek）中，探险家们在星际旅行时用反引力做了各种各样的事，比如运输炸药、治疗背痛等。这是认真的吗？此外，排斥性引力导致宇宙加速膨胀。然而，从理论上说，反物质和物质一样，也处于吸引性引力的支配之下。但是，这该如何证明？在欧洲核子研究中心（CERN），物理学家用一个又一个原子，试图回答这一问题。

我们已经知道，太阳燃烧全部是核燃烧。在太阳内部，两个质子通过聚变产生中微子。8分钟后，中微子到达地球。这证明在太阳这口大锅里，粒子发生了聚变和衰变。中微子数量庞大，但是难以探测。核反应堆产生了大量中微子，粒子加速器也产生了几十亿个中微子。来自太阳的中微子带走了超新星爆发产生的大部分能量。一些中微子萌发于地球深处，与此同时，我们正“沐浴”在地球大气产生的大量中微子之中。由于大气中的中微子数量极其庞大，所以人们需要钻入地下或者在海底设置探测器，从而对它们一一进行研究。尽管如此，我们对这种小小的中性粒子仍然知之甚少。

还是在太阳内，各种核反应形成了所有的轻元素（比如碳和氧），最重的轻元素是铁。同样，大质量恒星爆炸形成超新星，并产生了铀和比铀轻的重元素以及超铀元素。这些原子核的质子数和中子数越来越多。那么，它们的尽头在哪里？原子核内的质子数和中子数有没有上限：是114、120还是126？在此，敬告各位大胆的探险家，据说在某处存在一座“稳定岛”，那里的超重元素拥有更长的寿命。 

但是，要破解无穷大和无穷小的秘密，并非易事。不过，没关系，人多力量大。在国际性的大型合作项目中，人们日复一日地寻找无法触及的世界。在山顶、在地心、在海底两万里，大型仪器正在运转，研究员、工程师、技术员在这些庞大的仪器中通力合作，孜孜不倦地探索无穷世界。这需要耐心和决心，需要建造数吨重的尖端探测器，监测数百万条电路，分析大量数据。

但是，这些研究有什么用？有的人可能会说：“什么用也没有！”那他们可就错了。CERN实时更新网页数据，全球定位系统（GPS）借助广义相对论实现精准定位。就算这些统统不提，为了探索无穷世界，人们设计和使用了大大小小的仪器，在开发这些仪器的过程中取得的技术进步也得到了许多应用。因此，你会发现，在许多案例中，研究无穷大和无穷小的物理学家用自己的知识和技艺造福人类，比如研究新的能量生产方案或者在健康领域运用放射性同位素和强子疗法辅助癌症治疗等。

但是，最重要的可能还是，针对无穷大和无穷小的物理学研究让我们发现了许多问题，引起了我们的思考。套用帕斯卡（Pascal）的一句名言：这不是因为我们介于虚无和一切之间，在无穷面前是虚无，在虚无面前是一切，而是因为无穷给我们带来了极大的乐趣，颠覆了我们对世界的认知，而且每天都会让我们获得一些意想不到的发现。

雷纳德·潘（Reynald Pain）

法国国家科学研究中心核物理与粒子物理研究所所长