首版前言

科學研究是人類有史以來有趣的嘗試之一，而在我看來，物理學則是有趣的科學。其他領域的科學當然也具有它們各自令人著迷的問題，但是沒有任何問題像物理學問題那樣如此深刻、如此根本。即使重要的未解之謎之一生命的起源問題，也很有可能會通過有機化學領域內的研究來解答，所使用的則是人們已經(jīng)在很大程度上理解的知識。而化學，作為一個寬泛的、并且有利可圖的研究領域，終關注的是無限且復雜的原子組合。要解釋原子具體如何結合相當棘手，但是原則上說，可以通過眾所周知的量子力學觀念出發(fā)估算得出。盡管化學家們有理有據(jù)地宣稱，原子的相互作用是他們的研究領域，但是厘清原子本身性質的卻是物理學家。雖然早期科學研究的不同領域之間的界限比較模糊，但物理學家首先發(fā)現(xiàn)了原子并不是真正的基本粒子，而是包含著更小的粒子。另外，也是物理學家先表明，從某些方面來看，原子可以被看作太陽系，微小的電子則圍繞著一個致密、沉重的原子核運轉。后來人們意識到，這個簡單的模型根本不能解釋所有的現(xiàn)象，于是我們順理成章地踏入了高深神秘的量子力領域。盡管原子核初被認為是基礎性的粒子，但物理學家驚訝地發(fā)現(xiàn)，原子核包含了質子和中子。同樣地，質子和中子本身也包含更小的、被稱為夸克的粒子。因此，人們從2500 多年前就踏上的、探求構成物質的小組成部分之旅，仍然是一個相當活躍的科學研究領域。雖然我們的理解確實比以前更加精進，但是有跡象表明，物質的構成另藏玄機。

即使在物理學領域，也存在著不同的研究方向。固體物理學和聲學研究解決了簡單的問題，正在向更加復雜、更難以解決的問題發(fā)起沖擊。然而，仍然有一些物理學家對深刻的、基本的問題感興趣。未解之謎依然很多，比如：現(xiàn)實的終本質是什么？是否存在小的粒子？或者，一旦人們把觀察尺度層層縮小，空間本身是否被量子化了？如是，構成物質的小組成部分是否更應該被看作空間的振動（所謂的超弦假設）？為了理解這個世界，我們需要弄清楚哪些力？力的種類是多是少？雖然粒子物理學家希望能夠研究這些問題，他們所遵循的方法卻需要將不斷增加的能量壓縮在不斷減小的體積之中。在宇宙大爆炸之后，這種高能量密度的現(xiàn)象在一秒鐘之內便不復存在，且之后也幾乎沒再出現(xiàn)過。因此，粒子物理學的研究為另一個根本性問題提供了指引，即宇宙本身的創(chuàng)建及其終命運。

目前我們的認知水平尚不能回答上述問題，但是在這些方面我們已經(jīng)取得了一些進展。我們現(xiàn)在知道了，迄今為止發(fā)現(xiàn)的幾種粒子都成功地阻礙了我們探索它們內部結構的意圖。被稱為夸克的粒子構成了質子和中子，質子和中子構成了原子的原子核。原子核中沒有發(fā)現(xiàn)輕子，但是常見的輕子，即電子，在（相對地）較遠的距離上圍繞著原子核運動。我們現(xiàn)在知道四種力：引力，讓天地萬物井然有序，目前看來（希望不會永遠是這樣）并不涉及粒子物理實驗的領域；電磁力，控制著電子圍繞原子核運轉的行為，構成了所有化學的基礎；弱核力，讓太陽保持燃燒，是地球火山運動和板塊構造的部分原因；強核力，將夸克約束在質子和中子內部，甚至將質子和中子凝聚在一起形成原子核。沒有這些力，宇宙根本不會以現(xiàn)在這樣的形式存在。現(xiàn)在我們知道了四種力，但是在過去，我們認為力的種類還有更多。17 世紀后期，牛頓提出了萬有引力理論，該理論解釋說，控制著天體運動的力和我們在地球上的重力實際上是同樣的東西，這一點原本并不顯而易見。19 世紀60 年代，麥克斯韋表明，原來人們認為截然不同的電力和磁力，其實是緊密相關的。20 世紀60 年代，電磁力和弱核力被證明實際上是同一種電弱力的不同方面。將看上去截然不同的力統(tǒng)一為同一種類型的力的歷史已是碩果累累，而自然而然地，我們也就想知道，目前為止剩下的四種力（實際上是三種）是否也可以被看作是一個更基本的力的不同方面。

宇宙萬物，即你目力所及的所有事物，從滄海一粟到無垠宇宙，都可以被解釋為兩種夸克、電子和中微子（這種粒子我們還沒有提到過）的無限組合。這四種粒子我們稱之為同一代�，F(xiàn)代實驗表明，還至少存在另外兩代粒子（也可能只存在另外兩代），每一代都包含四種相似的粒子，但是，每一代粒子都比前一代粒子具有更大的質量，質量更重的一代粒子迅速衰變，終變成熟悉的代粒子。當然，這就帶來了更多的問題。為什么會有好幾代粒子？更具體地說，為什么會有三代粒子？為什么不穩(wěn)定的粒子世代更重，而各個世代的粒子看上去幾乎完全相同？

四種基本作用力的每一種都可以被解釋為一種特定類型的粒子的交換，每種力對應一種粒子。我們將在本書中詳細討論這些粒子，這些粒子的名字分別為光子、膠子、W 粒子和Z 粒子，以及（可能的）引力子。所有這些粒子都是玻色子，它們具有特定類型的量子力學行為。相反，夸克和輕子是費米子，它們的行為則完全不同。為什么攜帶力的粒子是玻色子，而構成物質的基本粒子是費米子，我們還完全搞不清楚。一種被稱為超對稱的理論試圖使得情況更加對稱，它假設存在其他的費米子粒子，與載力的玻色子相關聯(lián)，且存在其他的玻色子粒子與承載質量的費米子相關聯(lián)。目前，這個想法并沒有明確的實驗證據(jù)，但是這個假說在理論層面非常有趣，所以尋找超對稱性的研究比比皆是。

雖然許多問題仍然存在，但事實上現(xiàn)代物理學可以解釋（在所有的衍生科學的協(xié)助下）大部分的物質存在，從宇宙到星系、恒星、行星、人、變形蟲、分子、原子，終是夸克和輕子。從10-18 米，經(jīng)過44 個數(shù)量級的變遷，達到可見宇宙的1026 米，從靜止的物體，到每秒移動3108 米的物體，從零度到31015℃的溫度范圍內，所有這些條件下的物質，我們已經(jīng)有了充分的了解。借用我老爸的一句話，這些研究成果簡直棒呆了。

粒子物理學與宇宙學密切相關的事實也是一個非常吸引人的概念和研究領域。近的研究表明，宇宙中可能存在著暗物質……這種物質增加了宇宙的引力行為，本質上是不可見的。暗能量的設想與此相似。對于這場討論，粒子物理學能通過尋找到高質量且穩(wěn)定（即不衰變）的粒子來對暗物質的研究提供幫助，這些粒子一般并不與普通的物質相互作用（關于不可見物質的物理學）。雖然說粒子物理學和宇宙學相關是有點兒勉強，但你肯定記得，粒子物理學的低能量級別的近親核物理學，對于恒星的形成、超新星、黑洞和中子星的物理學做出了至關重要的貢獻。

至于高維空間、黑洞、空間扭曲和宇宙大爆炸本身難以度量的高溫環(huán)境等令人沉迷的宇宙學問題，粒子物理學都可以做出相應的重要貢獻。粒子物理學與宇宙學領域存在著相互關聯(lián)的若干有趣問題。大一統(tǒng)問題（現(xiàn)實深刻的本質）、隱藏的維度問題（空間本質的結構）和宇宙學問題（宇宙的形成與消亡）的答案，需要結合許多領域的知識來解釋。本書所討論的粒子物理學只會提供一部分答案，但這是至關重要、且非常值得研究的一部分。

當然，并不是每個人都能夠成為一名科學家，窮其一生致力于理解能夠解釋世間萬物所需要的全部物理學。即使是對于專業(yè)的科學家來說，這也不太現(xiàn)實。但是，我很幸運。20 多年以來，我一直以嚴謹?shù)膽B(tài)度研究物理學，而在此之前的10 多年時間里，我也是一名愛好物理學的學生。雖然我不能假裝自己無所不知，但是我終學有所成，因此可以幫助推動知識的前沿。作為目前為止世界上能的粒子物理實驗室費米國立加速器實驗室（費米實驗室）的研究員，我很有幸能夠與有天賦的科學家合作，我們所有人都有著同樣的目標：在深入的、基礎的層面上更好地理解這個世界。這真的非常有趣。

差不多每月一次，我應邀與一群科學愛好者交流現(xiàn)代粒子物理研究人員所實現(xiàn)的物理學成就。每次我都會發(fā)現(xiàn)，有一小部分聽眾與研究者一樣，對于同樣的問題深感興趣。雖然他們的理論水平還不能夠讓他們直接提出建設性意見，但是他們很想弄懂。所以我就敘述近的科研發(fā)現(xiàn)，他們也能完全聽懂。物理學其實并不難。任何一位對物理學感興趣的外行都能夠理解我和我的同事所做的物理學研究。他們只需要有人用他們熟悉的、可以理解的語言將一切向他們解釋清楚。這些愛好者通常是非常聰明的人，只是并非物理學專家而已。

這就是本書的寫作初衷。市面上已經(jīng)有很多關于粒子物理的書籍，都是為外行人寫的。大部分與我交談過的愛好者都讀過不少這樣的書，他們想要了解更多。還有一些書，通常由理論物理學家撰寫，討論一些推測性的理論。雖然推測是有趣的（且往往會推動科學進步），但是我們已知的內容足夠有趣到寫滿一本書。作為一名實驗物理學家，我想要寫這樣一本書，使得讀者在閱讀之后能夠很好地把握我們已經(jīng)知道的事情，以便能夠用更批判的眼光來看待推測性的物理理論書籍。我對理論物理學家可沒有什么意見，那些與我乘坐同一班公車并高談闊論的家伙里有不少是我的好朋友。（當然啦，我是在開玩笑。我認識的大部分理論物理學家都是非常聰明且有見地的人。）但是，在介紹這些內容的時候，我想要做的并不僅僅是解釋想法與結果，也希望能夠加入一些實驗技術的元素……你是怎么做到的？這個問題將會得到解答。

本書的內容足以自洽，你不必先閱讀其他的書籍。在讀罷此書之后，你應該會了解相當多的基本粒子物理學知識，而且與其他同類的書籍不同，本書會讓你擁有像物理學家一樣的物理學考量標準，以便對于物理學的推論建立屬于自己的客觀評價。推測物理學很有趣，因此在本書的后，我會介紹一些我們目前正在探究的、尚未經(jīng)證實的想法。戈登·凱恩（一位理論物理學家，我保證他是個正經(jīng)人）在他的《粒子花園》（The Particle Garden）一書中，創(chuàng)造了正在玩命努力進行的研究（Research in Progress）這個短語，簡稱RIP1，把已知的同未知且正在研究中的內容區(qū)分開。我很喜歡這個短語，按照優(yōu)良科學傳統(tǒng)，我會將這個奇思妙想融入本書的撰寫過程中。

我寫作本書的另外一個理由是，經(jīng)歷了5 年的升級，費米實驗室加速器現(xiàn)在重新開始啟用。兩個實驗其中之一是我已經(jīng)參與了將近10 年的主要目標（盡管不是的目標），是尋找希格斯玻色子。這種粒子還沒有被觀察到（RIP �。�，但是如果它存在的話，有助于解釋為什么各種已知的粒子具有它們現(xiàn)有的質量。即使希格斯玻色子真的不存在，但是一定存在某種類似的物質，否則我們對粒子物理的理解就有著重大的缺陷。所以我們正在尋找，因為它非常有趣，我用了一章的篇幅來講述這個研究主題。

這不是一本講歷史的書，而是一本關于物理學的書。盡管如此，在第1 章里，我們將簡要地討論從古希臘時期到20 世紀初期，人們長期以來對于自然界本質的興趣。第2 章開篇，我將介紹電子、X 射線和放射性的發(fā)現(xiàn)（現(xiàn)代粒子物理學的真正開端），隨后一直講到20世紀60 年代，詳細地解釋了現(xiàn)代物理時代許多粒子的發(fā)現(xiàn)過程。物理學家直到20 世紀60 年代，才開始摸到物理學的門。第3 章討論了基本粒子（夸克與輕子），基本粒子可以簡潔地解釋我們在過去60 年中發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種不同的粒子。第4 章我們探討基本作用力，沒有力的存在，宇宙將成為一個相當無趣的所在。第5 章集中討論希格斯玻色子，我們需要希格斯玻色子的存在來解釋為什么在第3 章中討論過的這些不同的粒子具有如此大相徑庭的質量，對于希格斯玻色子的尋找
（希望我們能夠找到）將會用到許多我的親密同事的共同努力。第6章中，我們討論用于物理學發(fā)現(xiàn)的、在現(xiàn)代基于加速器的粒子物理實驗中的實驗技術。這方面的內容，在其他的物理學科普書籍中往往是以一種非常簡要的方式寫給讀者的，但是作為一名實驗物理學家，我的天性不允許我這樣做。在第7 章中，我將介紹在寫作此書的時候，我的同行們所揭開的奧秘。從中微子振蕩到為什么在宇宙中似乎物質比反物質更多，這兩個有趣的問題像是兩枚堅果，已經(jīng)破殼，其中奧秘亟待揭曉。在第8 章中，我將放縱我的好奇天性�，F(xiàn)代物理學實驗同樣尋找新物理學的線索，即我們可能會懷疑存在的、但是幾乎沒有理由期待的東西。超對稱、超弦、額外維度和人工色模型僅僅可能是正確的、來自理論物理學家的瘋狂設想。我們將在這章中介紹很多諸如此類的想法。在第9 章中，我會花一些時間來討論現(xiàn)代宇宙學。宇宙學與粒子物理學是兩個近親領域，它們試圖解決一些相似的問題。這兩個領域之間的聯(lián)系是深刻且有趣的，通過這一點，在本書中，讀者們將要準備好解決這些棘手的問題。在本書的結尾部分是幾個附錄，給出了一些很有趣的信息，對于理解粒子物理學來說并非至關重要，但是具有冒險精神的讀者們多半會喜歡。

這篇序言的標題來自奧古斯塔斯·德摩根（18061871）在他的《悖論的預算》（A Budget of Paradoxes）一書中的一首小詩的片段（實際上是他從喬納森·斯威夫特那里偷來的）。德摩根用這首詩評論人們看到的、從一種較大的尺度跨越到較小的尺度時的循環(huán)模式。在一個足夠大的尺度上，星系可以被看作是沒有結構的，但是當人們用更精細的尺度來觀察，我們會發(fā)現(xiàn)，星系是由類似太陽系的恒星系統(tǒng)構成的，而恒星系統(tǒng)是由很多行星和恒星組成的。只要我們繼續(xù)觀察，所有名義上的無結構物質終都會呈現(xiàn)出豐富的底層結構。

大跳蚤身上有小跳蚤，
小跳蚤爬上后背咬大跳蚤，
小跳蚤身上有更小的跳蚤，
跳蚤跳蚤無窮匱……

德摩根繼續(xù)更加明確地強調了他的觀點：

而那些大跳蚤自己呢，
藏在更大的跳蚤身上；
更大的跳蚤還有更更大的跳蚤，
更大更大無窮匱。

我希望讀者們在閱讀本書時享受到的樂趣和我寫作此書時一樣多。科學是一種激情。縱情而為。時刻研究。時刻學習。時刻提問。否則，激情熄滅，你的內心也會漸漸死去。

費米實驗室 唐· 林肯