前言 探險開始

請設(shè)想這樣一個實驗：拿一個蘋果，然后把它切成兩半，然后再把它切成兩半，再切成兩半，然后持續(xù)地切下去。你最終會得到什么？

或者，換一種更平和的方式，請以不斷靠近的方式觀察一個蘋果：什么樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu)會顯現(xiàn)？萬物是否都是由一小套共用的積木——我們稱它們?yōu)樵兀蛘咴印帕薪M合而成？如果是，那當(dāng)我更靠近去看這套積木時會怎樣？它們是不是由更小的東西組成的呢？

最終揭露出來的是這樣一個世界，一個住著許多稀奇古怪的粒子的世界。在這個世界，從我們無知的海洋中浮現(xiàn)出點點新奇的島嶼，它們由通信網(wǎng)絡(luò)連接著。這個世界的景色從諸如蘋果之類的日常可見之物開始，逐漸延伸至難以想象的荒野邊緣。

我們將開始一段從蘋果到微觀世界的旅程。我們會需要一艘極其精巧的船，它將承載著顯微鏡、粒子加速器和其他能將我們的視野擴展至肉眼無法企及的原子內(nèi)部甚至更遠(yuǎn)的機械裝置。我們能航行多遠(yuǎn)？這個看不見的世界有沒有盡頭？存在構(gòu)成萬物的、無法分割的粒子嗎？或是，我們會不停地走下去，不停地發(fā)現(xiàn)更小的東西，不停地向更東邊的海域航行嗎？

這些問題已經(jīng)被討論了幾千年，物理學(xué)的目標(biāo)之一就是解答它們。而它們的答案，至少是我們目前所知道的全部答案，將在我們即將探索的新奇的、看不見的新世界中被找到。

問題的本質(zhì)

研究微觀物體的科學(xué)一般被稱為“粒子物理學(xué)”。它沒有完美無缺的名稱，而這個名稱在很多方面都容易令人困惑。

“粒子”這個詞就有潛在的誤導(dǎo)性。物理學(xué)家們也研究沙石、污染顆粒和塵土——宇宙和大氣中的粒子，以及其他小塊團(tuán)狀物，而這些粒子與最終構(gòu)成萬物的基本積木完全無關(guān)。

有時“粒子物理學(xué)”也被稱為“基本粒子物理學(xué)”，以將該學(xué)科和復(fù)合粒子的研究區(qū)分開來。但這其實并沒有消除誤導(dǎo)，因為質(zhì)子和中子——粒子物理世界中非常重要的微小粒子——也不是基本粒子。未來的某一天，我們甚至可能會發(fā)現(xiàn)當(dāng)前理論中的基本粒子也并不基本，即使研究它們的學(xué)科肯定是“粒子物理學(xué)”。科研組和高校課程也十分嫌棄“基本粒子物理學(xué)”這個稱呼，因為它讓這門學(xué)科聽起來過于簡單。選修“基本粒子物理學(xué)”這門課的學(xué)生，面對我們即將去尋找的粒子的相關(guān)方程式，很可能會被震驚到。

人們經(jīng)常使用高能物理作為替代來描述這個學(xué)科，而且粒子物理最直接的研究方法——在大型對撞機中使粒子互相沖撞并觀測反應(yīng)——確實需要很多能量。但另一些重要的實驗卻需要我們?nèi)ふ覙O其稀有、能量也極低的粒子。為了盡量避開微弱的噪聲，物理學(xué)家把探測器藏在了地底深處。這樣，每一次極其微弱的能量波動就都是由能量干擾或激發(fā)造成的。雖然這些極低能量的實驗間接告知了我們一些高能條件下才會發(fā)生的狀況，但是稱其為“高能物理”還是會感覺有些別扭。

另一個以“高能物理”作為粒子物理學(xué)科名的問題在于，核物理學(xué)家、天體物理學(xué)家、等離子體物理學(xué)家和其他一些領(lǐng)域的物理學(xué)家需要處理的能量，要比用來探索粒子物理邊界的能量高得多。大型強子對撞機是筆者在寫這本書時，有史以來人類建造的最高能的粒子對撞機，它其中一次對撞的能量與核反應(yīng)堆工作中所釋放的能量相比是很小的，而核反應(yīng)堆的能量和一個爆炸的恒星相比根本微不足道。

但無論怎樣給這個學(xué)科起名，我們的研究都基于實踐。從人眼到顯微鏡，再到高能粒子加速器和其他更加精密的儀器，科學(xué)實驗使我們的探索不只停留在純理論推斷的哲學(xué)思辨領(lǐng)域。每一代最新的實驗都將微觀世界的新大陸展現(xiàn)在拓荒者的面前，讓我們不斷制作出新的地圖，以指向物質(zhì)本源的深處。

但最后，還是那個亙古不變的疑問：當(dāng)你深入了解宇宙時，你會思考，它到底是由什么組成的呢？

標(biāo)準(zhǔn)模型

對于上面那個問題，囊括了現(xiàn)有答案的理論有一個輕描淡寫（說實話，有些無聊）的名字，叫作“標(biāo)準(zhǔn)模型”，它是我們現(xiàn)階段對基本力學(xué)和物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)知總結(jié)，而這些方面的研究隸屬粒子物理的范疇。“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論（它確實更是一個理論而非模型，雖然不同的人會對這個名稱有不同的理解）是前輩們數(shù)十年的艱苦科研成果，它能適用于各種范疇的物理現(xiàn)象。

我在年幼時，經(jīng)常看到印度或巴基斯坦餐館自稱為“標(biāo)準(zhǔn)”餐館，像是標(biāo)準(zhǔn)唐杜里餐館或是標(biāo)準(zhǔn)巴爾蒂宮飯店之類的。我在曼徹斯特的羅斯霍爾姆咖喱一條街長大，那里的“標(biāo)準(zhǔn)”不僅極高，且新開的咖喱店也會立志達(dá)標(biāo)。我認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型理論也有與之差不多的性質(zhì)：平實的名稱是高品質(zhì)的象征，且任何其他新推出的理論也都須達(dá)到這個高標(biāo)準(zhǔn)。

2012年，預(yù)言了很久的希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)了，這是標(biāo)準(zhǔn)模型的成功，也是其正確性的一個有力例證。希格斯玻色子是此前在自然界中從未被發(fā)現(xiàn)過的全新粒子，它的發(fā)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)連貫性至關(guān)重要。對現(xiàn)在的我們來說，知道希格斯玻色子對證實標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的觀點至關(guān)重要，就足夠了。最妙的是，我們現(xiàn)在有了一套自洽的理論，因為它告訴我們，最小的物體確實是無限小的。這套理論本來就能解釋在極廣的能量和距離范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象，而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)又?jǐn)U大了這個范圍。

標(biāo)準(zhǔn)模型蘊含的概念優(yōu)雅而嚴(yán)謹(jǐn)，考慮到它極其廣泛的適用范圍，它顯得非常緊湊和簡練。它所蘊含的各個單獨的概念都能被任何人至少大致理解，但是它的一些重要概念確實鮮為人知。如何把這些概念以合理的方式組合成一套完整的理論，是比較有挑戰(zhàn)性的。

當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)模型并非一成不變，新數(shù)據(jù)的出現(xiàn)可能會使它產(chǎn)生變化。但是，它的可適應(yīng)性并不影響它的優(yōu)雅度、有效性和廣泛的應(yīng)用范圍。它包含了真理——只不過并非全部的真理。

本書將帶你踏上一次對真理的探索之旅，或者更準(zhǔn)確地說，一次對人類當(dāng)前已知的全部真理的發(fā)現(xiàn)之旅。

本書將帶你踏上八次也可能是八次半的探險行動，深入到物質(zhì)宇宙的中心。這些探險行動將深入挖掘構(gòu)成物質(zhì)的最小組成部分，檢視它們?nèi)绾芜\作（它們時常會表現(xiàn)得很奇怪），并且辨別使它們結(jié)合和分開的力量。這些微觀積木充斥在我們生存的世界和宇宙中，小到分子、日常生活中的有形之物，大到漫天的繁星和遙遠(yuǎn)的星系，都是由這些積木構(gòu)筑而成。

在我們探索物理知識的新領(lǐng)域時，新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域?qū)幻⑶視鶕?jù)它們的相互關(guān)系將其繪制在地圖上。夸克、玻色子、強子等粒子將被排列在一個圖像化的詞匯表中。這個詞匯表將提供一個梳理標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的概念的框架。在途中，雖然我們遇到的景象有時可能看起來有些無厘頭，但它們的背后已有我們當(dāng)前最可靠的證據(jù)。雖然以我們當(dāng)前的認(rèn)知水平來看，標(biāo)準(zhǔn)模型里的一些內(nèi)容像是有人隨手設(shè)定的，但是它的其余部分內(nèi)涵深刻，且和任何之前的同類型理論相比，整體結(jié)構(gòu)都極其精致、簡約。

在啟程前，我們也需要明白，我們的旅程路線只是前往科學(xué)前沿的一個可能。我們在探索的過程中采取的是化繁為簡的方式，所以并不是所有的謎題都會有答案。換句話說，即使我們在探索中揭示了所謂的“萬有理論”，它也仍有許多解答不了的謎團(tuán)。無論粒子物理研究將發(fā)現(xiàn)怎樣的組成萬物的最小粒子，我們都已經(jīng)知道，它們的相互作用和極大數(shù)量時的宏觀表現(xiàn)蘊藏了深刻的物理定律和復(fù)雜的運行規(guī)律，而這些所謂的“基礎(chǔ)”定律未必都能解釋得通。新的物理知識——還有化學(xué)、生物等其他學(xué)科的知識——將在這些復(fù)雜的情境中誕生。盡管如此，對于物質(zhì)最小尺寸下的結(jié)構(gòu)研究是極為重要的，這也是科研中最令人興奮的前沿之一，而那就是我們要去的地方。主宰萬物的理論優(yōu)美而令人目眩神迷，我們將通過繪制導(dǎo)航圖，揭開它神秘面紗的其中一角。

另外，我們的地圖就像任何拓荒者的導(dǎo)航圖一樣，是有邊界的。標(biāo)準(zhǔn)模型理論或許是完整的，但我們對于物理的理解卻不是。請小心海怪的襲擊和海妖的誘惑，讓我們一起踏上尋找答案的旅程，駛向神秘的未知。