序言

“不要理所當然地覺得宇宙是存在的，因為很可能并沒有宇宙。”這句奇怪、令人疑惑的話聽起來像是一篇深奧的哲學思考的開篇，又像是一場智者競賽雞尾酒舞會的開場白。其實這句話是物理學家保羅·德容任職阿姆斯特丹大學正教授時，在就職演講上說的。在他的演講中，他回答了一個終極問題：存在為什么存在？這個看似簡單的問題，其實非常深刻，但如果你只考慮“為什么”，你就不會有太大的進步。假設有些東西，比如宇宙，碰巧存在，你可以從更實際的角度思考，比如關注這些東西到底是什么樣子的，試圖弄清楚在我們這個奇異的世界里萬物運行的規律。

當然，你也可以無憂無慮地活到100歲，不去思考電流是如何產生的，水為什么是透明的而石頭不是，太陽從何處獲取能量，或宇宙究竟存不存在。只有當你第一次（往往是碰巧）問自己“為什么”后，你才會發現自己對身邊看起來理所當然或細碎的事物知之甚少。很多問題你只要動動鼠標就能在網上找到答案，但仍有很多未解之謎。不經歷一番努力，大自然不會輕易向你吐露最深處的秘密。數代物理學家，比如我，將他們的畢生精力奉獻于一點一點地挖掘這些未解之謎。通過仔細地研究和描述周圍觀察到的現象，我們試圖逐步找出引導我們行為的模式和大自然的潛在規則，因為只有這些才能解釋潛藏在背后的問題。

萬物是如何運作的？為什么這么運作？為了擴展知識面，我們必須去探索未知領域。在任何領域，打破邊界都具有不可抵抗的吸引力。人們不斷打破運動紀錄、征服自然極限，也銘記那些具有里程碑意義的冒險者。吉姆·海因斯是第一個在百米短跑中跑進10秒的運動員；埃德蒙·希拉里和丹增·諾爾蓋于1953年登頂珠峰，首次登上世界之巔；雅克·皮卡德于1960年創下了人類探索海底的最深紀錄，下潛至馬里亞納海溝10 000多米深的海底；1911年，羅阿爾德·阿蒙森成為第一個抵達南極點的人；1969年，尼爾·阿姆斯特朗成為首個登上月球的人。這些都是為人類拓寬想象邊界的不朽英雄。無論是現實還是精神世界，他們都拓展了我們的世界，我們也繼續循著他們的腳步，邁向下一個挑戰。

這些先驅者想要成為第一人，想要做得最快、最好，科學家也不例外。他們渴望看到邊界，并且設定常人覺得遙不可及的目標。他們也渴望成為回答問題的第一人，解答困擾前人多年的問題。他們前面站著無數學者，從古至今，窮盡畢生以求解這個終極且虛無縹緲的問題就是“為什么”。

當我們將冒險和進步與“更大”“更好”和“更遠”聯系在一起時，一些科學家卻在探索另一個極端：小、更小和最小。眾所周知，孩子往往可以用樂高積木拼出不可思議的結構，從一座簡單的塔或城堡到一個巨大的宇宙飛船或整個奇妙世界。但無論他們拼出怎樣的造型，都是從一小塊積木開始的。大自然中，我們也發現了同樣的規律。我們身邊所有構成復雜的物體，從恒星到人類，從水滴到病毒，都是由一個個相同的小的結構單元組成的。那些研究構成大自然基本粒子的科學家被稱為粒子物理學家，目的是研究這些粒子是如何錯綜復雜地組成日常生活中的事物。這是一場冒險，一次驚心動魄的發現之旅，就像順著一條旋轉樓梯，一步一步深入宇宙的奧秘。

本書講述了科學家孜孜不倦探索科學的故事。數百年來，他們追尋大自然最小的結構單元和這些結構單元的內部組成。這種探索有時就像一個無窮無盡地重復提出問題、回答問題和提出新問題的循環。當然，我們也確實在不斷地向最終的答案靠近，但迄今為止，我們對大自然的理解中，還有一個令人印象深刻的發現，即宇宙及其規律是非常瘋狂的，這一點毫無疑問。

數百年來，和考古學家不斷向更深的地下挖掘一樣，我們也在順著旋轉樓梯慢慢地向下深入。每一次的新發現就像是發現了新大陸，帶來了豐富的知識和寬闊視野，從而讓我們對大自然有了革命性的認識，對古老的問題有了新的回答。然而，新發現也帶來了新問題，人們發現了更深處的秘密，有了新的期盼和夢想，很明顯，我們還沒有走到頭。

在本書中，我會帶領各位順著這條旋轉樓梯往下走，一步步深入我熱愛的粒子物理學的世界。但我們必須仔細謹慎，因為這是一個肉眼不可見的世界，受到一些看似神奇的行為和科學儀器的控制，比如量子力學、相對論和粒子加速器等。這些術語對于不了解物理的人來說可能聽起來很高大上，但先別急著放棄，我為那些對報紙中描述的新發現感到好奇的人寫下了這本書。當我們沿著大自然這條旋轉樓梯往下走時，我不僅會向各位介紹一路的發現，還會展示我們是如何邁出每一步的，以及這些發現如何改變了社會。

即使古生物學家從未見過恐龍，未來也不會有人看見，但通過檢查恐龍骨骼和其他遺骸，我們能了解到一個將近1億年前消失的世界。粒子物理學家做著相似的工作，我們探索的世界似乎已經遠遠超出人類能夠達到的范圍，就像恐龍對于古生物學家一樣遙遠。因為我們感興趣的世界比肉眼可見的世界小了幾百萬倍，以至于人眼無法直接看到。但是，通過仔細地將粒子間的碰撞殘留物整合在一起，正如古生物學家將松散的恐龍骨骼組裝成完整的骨骼一樣，我們可以深入這個微小的世界當中。

隨著科學家不斷創造出思考這些問題的新方法，通往了解宇宙基礎的不懈探索也將科技的發展推向一次又一次的極限。盡管很少有人真正掌握這些新發現產生的數學公式及其更深層的含義，但為實現這一目標而誕生的發明和技術已無處不在。實際上，這些已成為我們現代社會架構的一部分。如果沒有相對論，就沒有GPS（Global Position System，全球定位系統）；沒有量子力學，就沒有計算機芯片；沒有反物質，就沒有PET（Positron Emission Tomography，正電子發射斷層）掃描儀來定位腫瘤；沒有粒子加速器，就無法照射發現的惡性腫瘤。

科學的這一分支與人們對它的一貫印象——布滿灰塵的實驗室里坐著一位孤獨的老科學家——相去甚遠，反而更像一家跨國企業，每個國家的科學家，無論國別，都在這家大型跨國研究機構里拋棄偏見共同合作。位于日內瓦的CERN（European Organization for Nuclear Research，歐洲核子研究中心），即歐洲粒子物理實驗室，就是一個這樣的組織。它不僅是一個研究所，也是一項大規模的社會學實驗。因為說服幾個各執己見的物理學家在一起合作就已經很不容易了，更不用說來自一百多個國家的數千名物理學家了，但是，多虧了他們的共同夢想——希望更多地了解宇宙的基本構成要素以及它的過去和未來。因此，這些奇異的物理學家已經千方百計地將我們的知識前沿成功地向前推進，并發掘出一個又一個新的秘密。

粒子物理學是一場冒險，在這場冒險中，科學家渴望獲得關于宇宙運轉的重大問題的答案，本書會向各位展示我們已經走到了多么驚人的程度。盡管現實的最深層揭示了，宇宙中的物質是由幾個不同的基本構成要素組成的，但也讓我們面臨著令人感到困惑的模式和現象。例如，2012年，我們發現行星與和恒星所處的真空并不是真正的空，而是充斥著神秘的能量場。一個賦予所有基本構成要素質量的場，使它們聚集在一起成為太陽和地球等物體。然而，仍有很多事情尚不清楚。是什么機制支撐我們在基本粒子世界中發現的神秘又無誤的模式運轉？那宇宙本身的起源又是什么？我們對此仍然一頭霧水。在某個地方一定有一扇隱藏的門，通向更深層次的基礎構成，一個更深刻的真理，足以回答這些懸而未決的問題。但是，那扇門在哪里？怎么通向它？出發吧，我們一起去尋找！