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要打破人的偏见比崩解一个原子还难。
——[美]阿尔伯特·爱因斯坦
人类所使用的度量单位——米、小时、千克，分别作为长度、时间和质量的单位之一，它们截然不同。此外，还有其他的一些度量单位，可以用来衡量庞大的宇宙结构，或者亚原子的微观世界。人类可以在脑海里迅速描绘出100米、两天、10千克的样子，同时，也能相对精准地对一些数量进行比较，比如两天和1个月、1厘米和1.2米、100克和100千克。如果要为100米下一个具体的定义，人们就会联想到跑完100米所花费的时间。人们也可以用同样的方法给1千米或10千米下定义。如果要形象地表示1 000千米的路程，可能有点复杂，在这种情况下，我们或许可以用乘坐汽车或者飞机的时间来衡量。沿着这样的思路，我们可以衡量不断增长的距离。比如，我们对1万千米的定义是：飞机半天所航行的路程，或是沿着高速公路10天不间断奔跑的路程。
达尔文进化论指出，人类在繁衍过程中逐步适应生存环境，即能够使用一些测量设备去探索大自然。然而，在近几个世纪人类对两个极端世界（宇宙和微观世界）的研究中，所涉及的单位量级已经完全超出普通测量仪器适用的范畴和人类认知的范畴。怎样描述384 000千米，也就是从地球到月球的距离呢？从理想状态来看，这段遥远的距离可以被描述为一架假想的飞机不间断地飞行两个星期的航程。当我们被迫将度量单位从千米转换为光年的时候，又怎样具体地去描述它呢？当我们把目光转向身体内部而不是头脑上方的宇宙时，当我们想象极小的微观物质的大小时，同样的问题又出现了：我们难以直观理解百万分之一毫米的原子或粒子的尺寸。
当涉及漫长或短暂至极的时间时，类似的思考会再次出现。1秒钟会让我们联想到心脏的一次跳动；接近终点的百分之一秒的差距会让两个短跑选手分出胜负。1毫秒的十分之一已经让我们难以理解，更何况物理学家所谈论的宇宙大爆炸后的10 -30 到10 -20 秒间的生命时刻呢？同样复杂的还有漫长至极的时间：我们的生物属性迫使我们只能感知到几十年的时间，这段时间恰好就是我们生命的长度。如果时间间隔是几千年，是完全无法想象的。那么，从地质时期到现在流逝的时间呢？又或者，从宇宙诞生到目前一共138亿年，这段时间该如何描述呢？就我们人类而言，这完全等同于宇宙一直存在。
我们自然也能将上述思考延展到质量方面，极大的或是微小的质量，并且也能看到自身想象的局限性。这种局限性是由我们日常生活的经历所决定的，或者说是我们的经历限制了思维。最终，我们意识到：对于空间的长度、时间的间隔以及物质的质量来说，不存在某种主要的度量单位。那些活跃在100纳秒内的基本粒子，或是在几十亿年中相遇的星系，如果它们能够感知时间的话，或许会认为自己的时间单位是正常的，而其他的时间单位是极端的、完全无法理解的。同样的道理也适用于空间维度，从极小的亚原子空间到极大的星际空间。
作为21世纪的人类，我们倾向于认为100年是一个很长的时间跨度，在这100年中，会发生无数的持续时间相对较短的事件，它们就像我们生命的节拍器一样。然而，100年、1 000年，甚至10万年内在宇宙发生的事件却是微不足道的，就像一个微秒的亚原子世界出现在我们面前。于是，一旦考虑极端情况，我们那种将人置于宇宙中心的人类中心主义思想不幸崩塌了——当我们思考迄今为止两三千年的人类文明史，并将它与太阳的生命或者大陆板块漂移的相对时间做比较时，就会发现这两三千年是多么微不足道。如果要正确地解读宇宙，需要具有非常强烈的抽象意识。我们需要能够看懂由无穷小的或宇宙般庞大的要素构成的“电影”——时而“慢动作”时而“延时拍摄”，才能很好地理解支配不同的时空领域的自然规律。一切都是相对的，空间和时间尤其如此，这真是千真万确。
尽管人类似乎无法对存在的世界给予一个合理的描述，然而，几千年来，人类一直致力于探索自然，用饱满的热情在两个极端世界展开科学研究，并取得了卓越的成果。回到上述话题，我们应该感激一代又一代人的知识传承，也应该感激人类历史的传承，尤其是书面形式的。正因如此，人类的生命——也可理解为“人文性”——被延长了，它覆盖了漫长的几千年的时光。如果没有历史，没有一代代人的知识传授，每个刚出生的人都应该要从头开始展开对世界的研究，以获取知识。这种情况只会发生在其他动物身上，它们应对外部世界的唯一知识锦囊刻写在自身的DNA中。虽然达尔文进化论提到的十分缓慢的进化过程也会发生在动物身上，每一代动物竟有着相似的知识记忆，但记忆本不能被“进化”。比如，尽管一只被驯化的熊已经学会在马戏团里跳舞，它的这项能力将来并不会传给后代。
因此，人类拥有着得天独厚的传承知识的能力，知识在每一代人的脑海里积累、发展，并由父辈传递给子孙后代。在过去，当人们抬头仰望夜空——一个缺了“骄傲的”、以自我为中心的太阳的夜空时，很快就能制造一些模型来描述它。在古老的年代，人们相信世界被一系列半透明的同心圆所环绕，它们构成了天穹。很显然，与地球这个假定的万物中心相比，天穹是次要的。最早的天文观察已有几千年之久，那时，人们用裸眼观察，也就是不通过任何的辅助仪器观察。天文观察很早就认为夜晚的宇宙是无限的——至少在这方面，古人是有道理的：如今，我们很清楚地知道宇宙比古人认为的还要大很多。而且，除了浩瀚，古人也明白宇宙空间本质上是虚空。
“虚空”的概念在众多世纪中得到了发展。要知道，“虚空”是作为哲学上的一个抽象概念首次出现，是纯粹基于逻辑上的合理性考虑而被创造的。在公元前5世纪，德谟克里特提出的原子论就将存在与充实、非存在与虚空联系在一起，存在等同于物质，或多或少被充实的原子填满。此后，亚里士多德的争辩否认了虚空的存在。再后来，沿着亚里士多德的路径，人们提出了一个非常出名的论断，认为自然界“畏惧”虚空，因此，它不断地将自己填满，直到所有的空间被物质占据。人类第一次真正地用科学方式探索自然界要到1644年，在那一年，物理学家埃万杰利斯塔·托里拆利从一个特定的容器中抽取了一部分空气，从而展示了大气压的存在，随后又展示了物理学意义上“真空”的存在。不久以后，人们观察到随着高度的提升，大气压会降低，因此，在高海拔地区应该可以证实真空的存在，或者，如果按照今天的说法，在宇宙空间中可以发现真空。然而，即使是这样，我们也不能绝对地看待真空存在的问题，非黑即白、非空即满的处理方式是不对的。真空并不是绝对存在的，我们脑海里通过直觉轻易形成的想法不够正确。你只要想想在星际空间中，每10 30 立方厘米的体积中仍有1克气体（通常是氢气），这样的体积相当于一个边长为地月距离三分之一的立方体的体积！即使在极端条件下，当我们能够去除多余的气体时，在每立方厘米的星际空间中，我们仍可获得大约300个中微子，以及极大数量的光子、暗物质和暗能量。（关于这些布满宇宙的奇妙的基本粒子，我们后面会简短介绍。）
随着人类对外太空的研究逐步深入，以及天文学和天体物理学的发展，通过利用越来越先进的科学仪器（比如望远镜），人类终于实现了小小的认知突破。无论在空间还是时间方面，人类探索宇宙的步伐都越来越深远。向高空观望，我们发现了一些来自过去的信号，比如光。许多人都知道：我们此刻观察的一颗星星正是它100年、1 000年，甚至100万年前的样子，这不同的年份根据它距离地球的远近得出，它和地球的距离通常以光年表示。为什么我们看到的星星是若干年前的样子呢？那是因为星星发出的光恰好经过了那段（有限的）时间才到达我们这里。光走过的路程很远，该路程将我们与星星远隔。因此，将目光投向更深远的地方能使我们观察到更古老的事物。正因如此，一张星空的照片能将相隔久远，甚至数十亿年的各种事件融为一体。
我们必须意识到，通过恒星散发出的肉眼可见的光芒探索宇宙仅仅是聪慧的科学家们使用的方法之一。这种方法可以追溯到伽利略时期，他用自己发明的望远镜实现了早期的天文观察。光的辐射——或者相同波长的电磁辐射，在本质上受到各种因素的制约。首先，光信号的衰减与距离有着密不可分的关系。如果光线来自远方光源，距离越远，强度就越弱，这无疑限制了对远距离物体的细致研究。此外，地球的大气层和光污染也是限制观察的因素。在干旱的南美洲沙漠，通过大型望远镜，人们才能较好地进行观察。或者，更先进的方式是在轨道卫星上放置天文望远镜，比如著名的哈勃空间望远镜。
从辐射波长方面来看，可见光（可见电磁波）仅是整个波谱的一小部分，它的波长范围约为400纳米—700纳米。无线电波的波长范围从不到1厘米延伸至几十米，它是遥远的宇宙发出的另外一种可能的讯号。很多天体都发出无线电波，使得人类观察天空又多了一种方法，即运用射电望远镜。此外，天文学家们也对波长比可见光短一些的电磁波进行了广泛的研究。人类可以观察紫外线的天空，或者X射线、伽马射线的天空，甚至观察充满更高能量的射线的天空。很多天体都能辐射能量密度极高的X射线或伽马射线，如此的高能量会导致一系列灾难性事件。比如，最主要的问题是这种辐射可能与星际气体和宇宙尘埃相互作用，使得在识别远距离的光源时失去了分辨性和方向性。一些粒子比如质子，在星系间巨大的“宇宙加速器”中获得超高能量并释放，产生了爆炸，比如超新星的爆炸，整个过程中电磁辐射的威力是巨大的。关于粒子，我们后面会讲到，一同要讲的还有两个重要内容，它们对于探究遥远的宇宙来说十分重要，那就是引力波和中微子。近些年来，在天体物理学方面，人类真正伟大的觉悟就是多信息源齐头并进去观察，通过分布在世界各地的探测设备，同时观察同一个宇宙源头发出的不同信号。比如，将无线电和光学信号结合在一起看，以及和诸如中微子等粒子的信号一同观察。
现在，让我们迅速转换话题。20世纪，科学家们开始从探索无限大的宇宙过渡到无限小的微观世界，即原子和亚原子的世界。在那时，我们才意识到自己的观察力和想象力是多么的局限。我们在观察和想象一个比太阳远1亿倍的天体时遇到了极大的困难。同理，当我们想象一个比沙粒小100万倍的物体时，也会遇到同样的困惑。
在物质的内核深处究竟有什么呢？一张越来越小的结构网，或者我们可以说，就像微缩版的俄罗斯套娃。第一层是晶体，第二层是分子，即短期或长期稳定结合在一起的原子。一个特定的分子不仅是一些独立原子的结合体，还意味着更多特性。（比如，“水分子”在化学用语里被称为“H 2 O”。它由两个氢原子和一个氧原子组成，但它的特性绝对不是独立的氢原子和氧原子特性的简单叠加，而是一个复杂的化合物。）第三层是原子，通常它是人类能够认知的构成物质的最小结构。一共大约有120种原子，有一些原子既是宇宙的重要组成元素，如氢和氦，也是地球生命不可或缺的元素，如氢、氧、碳、氮、磷等。
原子也有内部结构，这与第一批提出原子论的古希腊哲学家的想法恰恰相反。尽管如此，当20世纪初物理学家和化学家们开始研究分子和原子，并发现亚原子粒子弥散于“空”中的时候，他们再次感到震惊并迷失了方向。假设一个氢原子的大小，或者说它的电子平均运动轨道的长度（该电子围绕唯一的质子做高速运动）和一个大型足球场的外周长等同，那么，该电子比一粒尘埃还要小，原子核的大小则如同撒在足球场中心小餐碟上的一粒胡椒。因此，原子体积的99.999 999 999 999 9%都是空的，质子和中子的99.999 999 9%也是空的。质子和中子就像原子一样，并不是基本粒子，它们也有内部结构。这是20世纪70年代物理学家们的伟大发现，他们利用第一代大型的高能粒子加速器做实验，得出了这一结论。
在质子和中子内部，存在着一个微小的物质，它们之间剧烈碰撞，就像笼子里的猛兽一样：它们就是夸克，是构成物质核心的基本单位——物质的核心由质子、中子以及大量“奇异”的粒子组成，这些奇异的粒子来自宇宙大爆炸不久后的遥远年代，而我们现在的实验正将它们展示出来，哪怕展示过程只有一瞬间。因此，物质结构就像套娃一样，在每一个娃娃内部，还有另外一个更小的娃娃。然而，还有一些我们已知的粒子，完全呈点状散布在宇宙中，没有内部结构：比如电子，它是一个轻盈的粒子，带负电，是构成原子的单位，围绕原子核运动；还有中微子，它的质量比电子小很多，不带电，自宇宙大爆炸以后它就存在于宇宙中，而且十分常见。如果以中微子的质量作为基准来衡量，那么电子的质量将是100万，而质子或中子的质量则是20亿。
我们每天生活在巨大的悖论之中，即人类的位置具有双重性，这令人意想不到：在宇宙空间中，我们是多么微不足道；而在微观世界里，环绕在我们四周，甚至组成我们的物质就是原子，在原子的内部，有一部分区域是实实在在的，即原子核，剩余的部分就像一颗微粒，飘浮在相对巨大且空旷的空间里。那么，如果世界是由虚无构成的，它靠什么来维持形态呢？是什么赋予了物质表面上的坚硬感？至少对于固体来说，它就是真实的、有硬度的物质。既然我们、墙本质上都是虚空的，为何我们不能穿透墙壁？
现在，让我们尝试着给出第一个回答：让物体具有硬度的原因是组成原子的各种粒子之间、比粒子更小的微粒之间的相互作用力，这种力无论是相互吸引还是排斥，都会阻止粒子自由地接近或远离，从而确定好它们在固体内的相对位置，这样，一个坚实、稳定的结构就出现了。在粒子物理学术语中，这种力被称为粒子的相互作用力，它在微观世界里发挥着主导作用，类似于经典物理学中物质的作用。
就目前所知，在自然界中存在四种基本作用力，分别是引力、电磁力、强力和弱力。在这些作用力中，第一个被人们认知的是引力，但其作用效果并不明显，至少在基本粒子的世界里是这样的。例如，如果和两个电子的（同种）电荷产生的相互排斥的库仑力相比，这两个电子之间的吸引力完全可以忽略不计。我们可以说，粒子和宏观物体的质量产生了引力，就像电荷产生电磁力一样。但是，在大部分实验中，电磁力的强度大约是引力的10 37 倍，这就解释了为什么两个电子之间的排斥力远超微弱的引力。
然而，引力的微弱性看上去又有悖于行星、恒星和星系间清晰可见的作用力，也有悖于地球吸引所有物体向地心靠近的强有力的作用力。物体因为具有了质量而坠落，地球和太阳相互吸引，而且，多亏了两个天体之间引力的作用，我们的地球才能位于一个周长365天的轨道上围绕太阳转动。此外，引力的一个非常重要的特征是它可以控制物体的运动，这和电磁力相同。根据规律，它也能作用在两个相距甚远的物质上。当两个相距几十亿光年的原子缓慢地靠近时，它们各自能“感觉”到对方的存在，尽管只是微弱地感觉到。引力的作用也可以发生在任意几个相距甚远的星系之间，这些星系不可阻挡地相互吸引，即使命中注定的相遇可能发生在几百万年以后。尽管如此，正如前文所说，当我们把引力和单个的粒子联系在一起时，引力的作用又是最微弱的。1千克的铁很重，仅仅是因为它包含了10 25 个原子，每个铁原子由26个电子和56个质子和中子组成，这是铁最常见的原子（同位素）类型。我们知道，一个特定元素的原子具有相同数量的电子和质子，称为“原子序数”，而中子的数量会根据原子序数的数值进行变化。根据中子数量的不同，一个元素可以有不同种类的同位素，因此，它们原子的质量也是不一样的。
类似的思考也适用于强核力，它使质子和质子、中子和中子、质子和中子（以及这些粒子内部的夸克）紧密地结合在一起，也是使这些粒子结合成原子核的强大作用力。它的力度之所以很强，是因为它要“战胜”质子间的同种电荷产生的反向的排斥力。如果不是这样，电磁力可能会阻止稳定的原子核的形成，也就会阻止我们通常所见的物质的形成。使两个质子相互结合的强核力大约是使同等距离的它们相互排斥的电磁力的100倍。
在自然界中存在的第四种作用力是弱力。它可能是最奇特的一种力，也可以控制β衰变。β衰变是一种反应现象，比如，在一个放射性元素的原子核内，一个中子可以转变成一个质子、一个电子和一个中微子。同样，弱力也可以影响太阳以及宇宙的其他星辰的运行。所有的粒子都受到弱力的影响，当然，顾名思义，如果质子之间距离等同的话，弱力的强度大约比电磁力小10万倍。弱力只有在其他力不活跃，或者在理论条件下，其他力不存在的前提下（这些理论条件如今被证明是可行的），才能起到支配作用，或被测量出来。说到这儿，请你们看看科学用语的严谨性：一个物理原理或定律始终是正确的，直到出现反驳它的论证！
然而，关于物质实质上的坚硬感的问题还是没有得到答案。那么，让我们通过一个例子，尝试着往前再迈一步。如果我们想要让手穿过一堵墙，就会施加一个压力，它使得构成肢体表面的原子中的电子和墙体水泥的电子发生碰撞。肢体和墙体均拥有一个有序的、严格的结构，它们的原子之间的联系非常紧密，这和液体、气体的情况不一样。和众多电子的吸引力并存的是它们之间的排斥力，它非常强大，阻止了手和墙的相互穿越，尽管两者本质上都是虚空的。实际的情况更加复杂一些，根据由量子力学占主导地位的原子物理学的规律，不可能极度地压缩原子，缩小电子和原子核之间以及不同的电子之间巨大的空间，因为这是由微观物理学的特性所决定的。微观粒子运动的基本规律遵循“泡利不相容原理”（principio di esclusione di Pauli），在宏观世界中没有与之相对应的其他原理。让我们用最简单的比喻来解释一下：相同的粒子，比如电子，它们不可能同时处在相同的空间位置中，或者拥有同样的能量。在原子中，每个单独的粒子都有自己的位置，这些位置就仿佛预先为它们准备好的小格子。一旦我们试图破坏这个规律，将可能产生巨大的力量阻碍发生的一切。奇怪的是，神秘的量子力学原理却允许其他的粒子（比如光子）一个个堆积在一起，并一起进入同样的“格子”，这与泡利原理中的粒子的情况相反。
很明显，在宏观世界中，尤其是和我们日常生活息息相关的宏观世界中，谈到一切和力相关的运动和结果时，都不可避免要谈引力和电磁力。坠落的物体或是在轨道中运行的卫星均受到重力的影响；机械压力、化学反应、原子形成分子、火、爆炸等，所有过程的最后一刻，都和电子、质子之间的电磁作用力相关。在上述很多情况中，力作用在大量的粒子集合体上，这比单独地作用在每个粒子上的效果大很多。如果没有奇异的微观粒子世界以及苍穹中闪烁的繁星，我们当然不需要再谈及另外两种力，即弱力和强力了。
四种基本力的作用半径也相差甚远。正如我们之前讲的那样，在短距离内，引力和电磁力的作用效果很明显，它们可以一直延续到无尽的距离，尽管强度会减弱。在特定情况下，在原子核内，只有当粒子距离比10 -13 厘米还小时，强核力才能被感知到。弱核力的作用半径就更小了，只有当粒子之间的距离小于10 -16 厘米时，它才能起作用。恰恰是因为对距离的要求非常苛刻，人们几乎感觉不到它的存在，因此，它的强度也极其微弱。
随着距离的不同，各种作用力的强度的相对关系也会变化。对于极其小的距离来说，弱力甚至比电磁力还要强。如果距离更小，引力也可以变得非常强大（我们即将看到，这些情况只发生在宇宙大爆炸后的片刻，或发生在关于高能粒子的实验中）。基本粒子物理学的主要成就之一就在于：它发现了在宇宙初期，在大爆炸后的瞬间，电磁力和弱力一同构成了一个统一的作用力。这个发现使得人类最初的假设变得合乎逻辑，人们最初认为，如今自然界中存在的四种基本力可能是合成了一股力。于是，该发现展示了所谓的“大统一理论”的存在，它是几个世纪以来几代科学家和哲学家所渴望的。这个超级理论认为，我们如今知道的四种基本力在宇宙诞生的最初时刻，会迅速地分离，能量密度会减弱，同时获得不同的特征，包括不同的强度、不同的作用半径，这一点，我们在实验中已经证实。在20世纪60年代末期，初步的讯号已告诉我们：类似的假设是合乎情理的。谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆和史蒂文·温伯格在那时提出，电磁作用力和弱作用力实际上是统一的一股力，被称为“电弱力”（elettrodebole）。在后来的几年里，电弱统一理论被进一步成功证实，这要归功于坐落在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），在该实验室里，科学家们完成了很多重要的实验。
尽管经典物理学用一种统一的方式诠释了物质的运动和万有引力理论，将力学和热学、电学和磁学合并在一起，然而当涉及规模更小、更深入的微观世界时，它却无力给出充分的解释，这也恰恰是研究微观世界的复杂性所在。经典物理学甚至无法解释一个简单的氢原子的运动规律。而量子力学却能描述出原子和粒子那非同寻常的世界。20世纪初，在众多知名物理学家的贡献下，量子力学开始发展起来，它的诞生就是为了去解释实验中那些令人难以理解的现象。其中一个具有象征意义的事件，就是细致研究了所谓的“黑体谱”（spettro energetico del corpo nero）——“黑体”是一种在理想状态下释放热量、发出电磁辐射，却能吸收所有入射的电磁波的物体，这在经典物理学看来是无法解释的。量子理论，就像许多现代物理学理论那样，很明显是反对直觉的，它颠覆性地改革了经典力学。量子理论以一些复杂的、存在各种可能性的概念为基础来描述物体，包括行星和恒星，这与经典力学是不同的，因为经典力学的特性是确定的、固定的。另外，从我们的直觉来看，量子物理学是很难被消化吸收的，我们习惯了几千年来统一的感知世界的方式，当面对量子物理学时，总是难以适应。
我们再来看一个例子。人们发现：最简单的原子，即氢原子，只有由一个质子构成的带正电荷的原子核和一个电子组成，电子围绕原子核旋转。它在宇宙中大量存在。事实上，如果基于经典物理学，即19世纪末的物理学的概念，难以解释原子的稳定性，因此很容易推导出原子不存在的错误结论。电子是一种带电的粒子，它围绕质子做高速运动。根据电磁学原理，电子应该会辐射出光子，因此，它会失去能量，而这显然不会发生在一个围绕太阳转动的行星上。这一现象可能还意味着在极短的几分之一秒后，电子将耗尽所有的能量，落在原子核上，结果是宇宙中所有的原子都可能消失。这一过程显然不会发生在地球——太阳系统中，为了解释缘由，必须引入量子力学的方法。量子力学认为：围绕原子核运动的电子都拥有自身空间，我们称之为轨道，在轨道上，电子的能量值是确定好的，因此是稳定的。电子不会失去，也不会获得能量，我们的氢原子就在那儿，几十亿年来都在那儿，稳定且精确。不过，电子吸收能量向高能级轨道跃迁仍可以发生。电子处于高能级的状态叫作“激发态”，在激发态下的电子是不稳定的，它迁移至较低（稳定）能级的情况时有发生，同时释放出能量。所有能量的损失或增加是“量化”的，这部分能量只能取基本单位的整数倍，即能量释放是离散而非连续的。使电子在不同能级之间跃迁的量子是光子，它是一个没有质量的、以光速运行的粒子。光，就像所有的电磁波一样，可以被理解为一个粒子流。光波同时具有波和粒子的双重性质，与基本粒子类似，这种双重特性是量子理论研究的基本点之一，也是该理论的独特性之一。
粒子物理学非常有趣的一个方面在于它始终在探索宇宙最极端的情况，无论以时间还是空间为尺度。我们猜测：用强大的天文望远镜、光学仪器或无线电能使我们仔细地观察宇宙结构，了解遥远年代天体的特征，理想条件下甚至还能看到宇宙大爆炸后瞬间的天体特征。然而，这一切都是不可能的，因为宇宙处于完全黑暗的状态，直到它诞生38万年后，才开始出现第一种颜色。因此，如果要观察和研究“年轻”时期的宇宙，需要转变思维范式。就在那时，粒子物理学拯救了天文学，帮助它从僵局中解脱出来。粒子物理学的方法是在实验室里建立一个微缩宇宙，来模拟宇宙大爆炸后的瞬间，研究遥远时代的宇宙特征。这是一个真正的克隆宇宙！要做到这一点，我们需要用到粒子加速器，就像如今放置在欧洲核子研究中心里的那些装置。那些粒子极其微小，而且只存在一瞬间，却足以使我们模拟宇宙大爆炸的瞬间，并拍下十分珍贵的照片，这些照片具有不可估量的科学价值。
让我们回顾一下物理学家们在位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上完成的实验，它是迄今为止最大的粒子加速器。简而言之，通过快速变化的电场，大量质子被赋予了能量，它们在一个长的圆形真空管中激烈运动。通过加速，质子很快就达到了接近光的速度，因此，如果继续加速的话，质子的速度不会再进一步提升。然而，如果继续赋予它们能量的话，它们的能量还会进一步增长。达到最高能量后，我们让质子束和来自反方向的质子束相互碰撞。在碰撞的瞬间，虽然总能量在宏观层面上可以忽略不计，但在微观层面上却能产生极高密度的能量（以每单位体积的能量来统计），它如此之高，如同宇宙大爆炸后一瞬间产生的能量。如果我们继续提高质子碰撞时产生的能量，我们将可能复现更“年轻”的宇宙的状态。至此，根据科学原理，我们得出的结论是：通过不断赋予质子能量，我们能无限接近宇宙大爆炸时那精准的一瞬间。可惜的是，以上实验在本质上是行不通的，为了到达那无限小的一瞬间，我们还要付出巨大的努力，克服巨大的技术障碍，实际上这仍是无法实现的难题。
在欧洲核子研究中心，当强子对撞机里的质子提速并碰撞时，它们达到了一个极高的能量，尽管该能量的绝对值在宏观层面上可以忽略不计，却展现出宇宙超热时期的能量密度，那时的宇宙只诞生了不到千亿分之一秒（1皮秒）。在那个遥远的时期，如今存在于千万亿星系中的能量都汇聚在一个无限小的空间里。我们熟知的物理原理，数十亿年来一直行之有效，它来自至今仍很神秘的宇宙生命初期的刹那。那时的宇宙能量和大小随着时间的改变而迅速变化。每倒退一小步，例如从时间开始后的千亿分之十到千亿分之一秒的倒退，都会打开众多未知的宇宙画面，这些画面传递出无数的信息，富有巨大的价值，造成这一变化的恰恰是不同的能量密度或温度。
尽管上述实验非常重要，且十分有趣，它只是高能粒子物理实验的众多目标之一。另一个重要的目标是研究物质内部的微小结构。粒子的“微小性”意味着不可能观察到它的内部结构，它的形状就像一个个小点。对于一个呈现出非点状的粒子来说，我们可以假设它在某种程度上是可被分割的，并指出它的构成要素。根据人们的普遍认知，观察或识别某种物体意味着观察从一个光源产生的、由它反射的光。这束光照射到我们的视网膜上，或是照射到某种仪器上，比如照相机或显微镜。要做到这一点，就必须使反射波的波长明显短于要观察的物体的大小。这就是为什么我们能通过可见光（它的波长约为0.4至0.7微米）观察到细菌和病毒，却无法观察到一个分子或原子，因为它们的直径通常小于光的波长的千分之一。
因此，人们把某一辐射波的分辨率定义为它能观察到的最小尺度。这样的尺度与波长成正比，与辐射波所携带的动量成反比。从这点来看，如果要观察很小的物体，就必须使用高能电磁波：因此，我们的观测仪器的分辨率将随着辐射波能量的增加、波长的减小而提高。
上述这些概念可以延伸到量子物理学领域，与粒子相关的波长被称为“德布罗意波长”，该名称以20世纪初的法国物理学家德布罗意的名字命名，他首次提出了物质波理论。每一个基本粒子都拥有双重特性：第一特性是经典的粒子属性，即通常的物理特性和变量；第二特性是波的属性，就像电磁波那样。一个具有足够能量的电子，根据它的自身波长，可以“看到”一个原子、一个质子或另外一个电子。我们以电子显微镜来举例，其中电子束取代了光学显微镜的光源，电子的波长比可见光的光子的波长短几万倍，从而使电子显微镜观察到常规显微镜无法触及的维度，它甚至能识别出微小的病毒或分子结构。
需要注意的是，上述“看”的概念是广义的，尤其是当我们谈到极短距离的高能散射时。在物理实验室，科学家们用电磁（光子）或粒子（电子、质子、缪子或中微子）探测器来观察他们想要研究的物质结构，通过测量粒子碰撞之后散射的动态特性和运动轨迹来揭示粒子间相互作用的结果。例如，如果我们用粒子探测器来观察一个原子的结构，它的动量并不足够高，那么这个原子就是最基本的，我们无法指明它的内部结构。但是，当一个粒子具有了我们在大型强子对撞机上赋予它的碰撞后的典型动量后，我们将可以观察到大小约10 -14 厘米的内部结构，相当于质子直径的十分之一。通过这样的结果，我们可以证实质子并不是基本粒子，但是电子却是基本粒子，它的大小只有10 -16 厘米。
至此可以看到，我们拥有非凡的望远镜和显微镜，我们的科学仪器如此强大，它们能帮助我们突破认知的极限、超越未知。下面，就让我们把视线转向无限的宇宙，我们即将出发在宇宙中航行。首先，让我们回到宇宙诞生之初那个变幻莫测的时刻吧。