序言

“不要理所当然地觉得宇宙是存在的，因为很可能并没有宇宙。”这句奇怪、令人疑惑的话听起来像是一篇深奥的哲学思考的开篇，又像是一场智者竞赛鸡尾酒舞会的开场白。其实这句话是物理学家保罗·德容任职阿姆斯特丹大学正教授时，在就职演讲上说的。在他的演讲中，他回答了一个终极问题：存在为什么存在？这个看似简单的问题，其实非常深刻，但如果你只考虑“为什么”，你就不会有太大的进步。假设有些东西，比如宇宙，碰巧存在，你可以从更实际的角度思考，比如关注这些东西到底是什么样子的，试图弄清楚在我们这个奇异的世界里万物运行的规律。

当然，你也可以无忧无虑地活到100岁，不去思考电流是如何产生的，水为什么是透明的而石头不是，太阳从何处获取能量，或宇宙究竟存不存在。只有当你第一次（往往是碰巧）问自己“为什么”后，你才会发现自己对身边看起来理所当然或细碎的事物知之甚少。很多问题你只要动动鼠标就能在网上找到答案，但仍有很多未解之谜。不经历一番努力，大自然不会轻易向你吐露最深处的秘密。数代物理学家，比如我，将他们的毕生精力奉献于一点一点地挖掘这些未解之谜。通过仔细地研究和描述周围观察到的现象，我们试图逐步找出引导我们行为的模式和大自然的潜在规则，因为只有这些才能解释潜藏在背后的问题。

万物是如何运作的？为什么这么运作？为了扩展知识面，我们必须去探索未知领域。在任何领域，打破边界都具有不可抵抗的吸引力。人们不断打破运动纪录、征服自然极限，也铭记那些具有里程碑意义的冒险者。吉姆·海因斯是第一个在百米短跑中跑进10秒的运动员；埃德蒙·希拉里和丹增·诺尔盖于1953年登顶珠峰，首次登上世界之巅；雅克·皮卡德于1960年创下了人类探索海底的最深纪录，下潜至马里亚纳海沟10 000多米深的海底；1911年，罗阿尔德·阿蒙森成为第一个抵达南极点的人；1969年，尼尔·阿姆斯特朗成为首个登上月球的人。这些都是为人类拓宽想象边界的不朽英雄。无论是现实还是精神世界，他们都拓展了我们的世界，我们也继续循着他们的脚步，迈向下一个挑战。

这些先驱者想要成为第一人，想要做得最快、最好，科学家也不例外。他们渴望看到边界，并且设定常人觉得遥不可及的目标。他们也渴望成为回答问题的第一人，解答困扰前人多年的问题。他们前面站着无数学者，从古至今，穷尽毕生以求解这个终极且虚无缥缈的问题就是“为什么”。

当我们将冒险和进步与“更大”“更好”和“更远”联系在一起时，一些科学家却在探索另一个极端：小、更小和最小。众所周知，孩子往往可以用乐高积木拼出不可思议的结构，从一座简单的塔或城堡到一个巨大的宇宙飞船或整个奇妙世界。但无论他们拼出怎样的造型，都是从一小块积木开始的。大自然中，我们也发现了同样的规律。我们身边所有构成复杂的物体，从恒星到人类，从水滴到病毒，都是由一个个相同的小的结构单元组成的。那些研究构成大自然基本粒子的科学家被称为粒子物理学家，目的是研究这些粒子是如何错综复杂地组成日常生活中的事物。这是一场冒险，一次惊心动魄的发现之旅，就像顺着一条旋转楼梯，一步一步深入宇宙的奥秘。

本书讲述了科学家孜孜不倦探索科学的故事。数百年来，他们追寻大自然最小的结构单元和这些结构单元的内部组成。这种探索有时就像一个无穷无尽地重复提出问题、回答问题和提出新问题的循环。当然，我们也确实在不断地向最终的答案靠近，但迄今为止，我们对大自然的理解中，还有一个令人印象深刻的发现，即宇宙及其规律是非常疯狂的，这一点毫无疑问。

数百年来，和考古学家不断向更深的地下挖掘一样，我们也在顺着旋转楼梯慢慢地向下深入。每一次的新发现就像是发现了新大陆，带来了丰富的知识和宽阔视野，从而让我们对大自然有了革命性的认识，对古老的问题有了新的回答。然而，新发现也带来了新问题，人们发现了更深处的秘密，有了新的期盼和梦想，很明显，我们还没有走到头。

在本书中，我会带领各位顺着这条旋转楼梯往下走，一步步深入我热爱的粒子物理学的世界。但我们必须仔细谨慎，因为这是一个肉眼不可见的世界，受到一些看似神奇的行为和科学仪器的控制，比如量子力学、相对论和粒子加速器等。这些术语对于不了解物理的人来说可能听起来很高大上，但先别急着放弃，我为那些对报纸中描述的新发现感到好奇的人写下了这本书。当我们沿着大自然这条旋转楼梯往下走时，我不仅会向各位介绍一路的发现，还会展示我们是如何迈出每一步的，以及这些发现如何改变了社会。

即使古生物学家从未见过恐龙，未来也不会有人看见，但通过检查恐龙骨骼和其他遗骸，我们能了解到一个将近1亿年前消失的世界。粒子物理学家做着相似的工作，我们探索的世界似乎已经远远超出人类能够达到的范围，就像恐龙对于古生物学家一样遥远。因为我们感兴趣的世界比肉眼可见的世界小了几百万倍，以至于人眼无法直接看到。但是，通过仔细地将粒子间的碰撞残留物整合在一起，正如古生物学家将松散的恐龙骨骼组装成完整的骨骼一样，我们可以深入这个微小的世界当中。

随着科学家不断创造出思考这些问题的新方法，通往了解宇宙基础的不懈探索也将科技的发展推向一次又一次的极限。尽管很少有人真正掌握这些新发现产生的数学公式及其更深层的含义，但为实现这一目标而诞生的发明和技术已无处不在。实际上，这些已成为我们现代社会架构的一部分。如果没有相对论，就没有GPS（Global Position System，全球定位系统）；没有量子力学，就没有计算机芯片；没有反物质，就没有PET（Positron Emission Tomography，正电子发射断层）扫描仪来定位肿瘤；没有粒子加速器，就无法照射发现的恶性肿瘤。

科学的这一分支与人们对它的一贯印象——布满灰尘的实验室里坐着一位孤独的老科学家——相去甚远，反而更像一家跨国企业，每个国家的科学家，无论国别，都在这家大型跨国研究机构里抛弃偏见共同合作。位于日内瓦的CERN（European Organization for Nuclear Research，欧洲核子研究中心），即欧洲粒子物理实验室，就是一个这样的组织。它不仅是一个研究所，也是一项大规模的社会学实验。因为说服几个各执己见的物理学家在一起合作就已经很不容易了，更不用说来自一百多个国家的数千名物理学家了，但是，多亏了他们的共同梦想——希望更多地了解宇宙的基本构成要素以及它的过去和未来。因此，这些奇异的物理学家已经千方百计地将我们的知识前沿成功地向前推进，并发掘出一个又一个新的秘密。

粒子物理学是一场冒险，在这场冒险中，科学家渴望获得关于宇宙运转的重大问题的答案，本书会向各位展示我们已经走到了多么惊人的程度。尽管现实的最深层揭示了，宇宙中的物质是由几个不同的基本构成要素组成的，但也让我们面临着令人感到困惑的模式和现象。例如，2012年，我们发现行星与和恒星所处的真空并不是真正的空，而是充斥着神秘的能量场。一个赋予所有基本构成要素质量的场，使它们聚集在一起成为太阳和地球等物体。然而，仍有很多事情尚不清楚。是什么机制支撑我们在基本粒子世界中发现的神秘又无误的模式运转？那宇宙本身的起源又是什么？我们对此仍然一头雾水。在某个地方一定有一扇隐藏的门，通向更深层次的基础构成，一个更深刻的真理，足以回答这些悬而未决的问题。但是，那扇门在哪里？怎么通向它？出发吧，我们一起去寻找！