1 揚(yáng)帆起航

我們的船雖然不大，但是經(jīng)得起風(fēng)浪。招募的船員雖然是臨時(shí)拼湊起來(lái)的，但是其中既有專業(yè)的物理學(xué)者，也有充滿探索精神的業(yè)余愛(ài)好者。在船和船員都到位之后，我們便揚(yáng)帆起航了。船艙內(nèi)帶有干糧、混雜的科學(xué)儀器和一把吉他。此行我們需要證實(shí)一些理論，也需要采集數(shù)據(jù)。希望我們能像乘坐貝格爾號(hào)旅行的達(dá)爾文一樣，借由一次去遙遠(yuǎn)國(guó)度的旅途來(lái)提升自己。

我們將從西邊駛進(jìn)看不見(jiàn)的神秘海域。在地圖上看，最西面的邊緣上是人類可見(jiàn)尺寸的物體。隨著我們向東航行，我們將逐漸縮小。從船頭眺望，映入眼簾的或看到的是物質(zhì)的核心。就這樣，我們會(huì)把那些尋常隱形的事物一一勘測(cè)。

大多數(shù)物體都是由更小的物體組成的。我們的船是由木頭、金屬、玻璃等材料組成。同時(shí)，我們能輕易看出，這些材料本身也是由更小的物體組成的：木片、玻璃纖維、塑料等。棉線粗細(xì)的玻璃纖維是由硅組成，而每一股玻璃纖維是由與氧原子結(jié)合的硅原子——每一個(gè)硅原子和兩個(gè)氧原子結(jié)合而成的二氧化硅分子——組成。硅原子的直徑是一股玻璃纖維直徑的十億分之一。假如每個(gè)硅原子都有船上廚房里的綠豆那么大，那每條玻璃纖維的直徑就和地球的直徑差不多。

每個(gè)硅原子由1個(gè)被14個(gè)電子包裹的原子核組成。每個(gè)電子含有1單位負(fù)電荷。因?yàn)樵雍撕?4倍于電子負(fù)電荷的正電荷，所以14個(gè)電子被它吸引。我們對(duì)這個(gè)構(gòu)造并不陌生——太陽(yáng)系有8顆行星（還有一些巖石和太空垃圾），它們以太陽(yáng)為中心環(huán)繞運(yùn)行。人們很容易把硅原子想象成一個(gè)微小的太陽(yáng)系，有14個(gè)小的電子行星圍繞原子核運(yùn)行。但是，我們即將發(fā)現(xiàn)，電子并不是小行星。事實(shí)上，它們和行星相比是全新的、截然不同的物體。

隨著我們的船東行，我們自身的尺寸在不斷縮小，周圍的世界也隨之改變。在這片土地上，大多數(shù)我們根據(jù)從前的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)出的物理法則，事實(shí)上只在通常情況下才被遵守。而且，我們會(huì)遇到的電子，還有其他粒子，都與我們?cè)谖鬟吽芸匆?jiàn)的物體有極端不同的特質(zhì)。

因此，觀察越來(lái)越小的物體組成結(jié)構(gòu)需要越來(lái)越高能量的——按效果來(lái)說(shuō)就是顯微鏡——粒子束發(fā)射器。具體原因除了和上面提到的現(xiàn)象有關(guān)，在以后的旅程中也會(huì)越來(lái)越清晰。這也意味著，微觀科研的前沿同時(shí)也是高能科研的前沿。粒子物理研究中高能量的關(guān)鍵在于如何將能量集中在一個(gè)很小的空間，或者同樣的，如何將能量集中在少量的粒子中。因此，一張描繪了高能、微距世界的地圖也將揭示極早期宇宙的物理信息。大爆炸發(fā)生之初，宇宙處在極其高溫和高壓的狀態(tài)。在最初的時(shí)刻，任意空間范圍內(nèi)的能量都足夠大，以至于所有物質(zhì)都以其最小組成部分的形式存在著。

想要理解以上的所有概念，我們首先需要認(rèn)識(shí)這個(gè)奇妙新世界的“原住民”們。在一個(gè)原子里能找到什么？當(dāng)前，我們只知道我們要找的家伙會(huì)非常小，且需要消耗很多能量才得以接觸。但我們要去往哪里？在我們駛向的陌生海域里，適用的物理法則，如果存在的話，是怎樣的？開(kāi)始第一次旅程的地方是一個(gè)相對(duì)而言比較安全的港口——電子港。對(duì)岸是無(wú)名島嶼的陌生海岸，和我們遙遙相望。