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进入陌生领域探险需要准备合适的装备。如果你想去北极，就应该穿上暖和的衣服，带上小刀、拉雪橇的狗和一副雪橇，而不是穿着雨果博斯的西装，带着切奶酪的刀和一辆自行车。如果你想去月球，你需要造一枚火箭，再找一件宇航服。我们这一科学分支也不例外。要深入基本粒子的世界，探索比DNA的基础结构还要小的结构，我们需要一个必不可少的工具：粒子加速器。这台复杂的设备是粒子物理学的重要工具，就像一把瑞士刀，作用多样。
首先，粒子加速器是一种性能优异的显微镜，它的放大倍数是普通显微镜的数千倍。早在这一工具发明前，我们就清楚地认识到，用传统显微镜看到的最小物体有一个基本的尺寸限制。但粒子加速器让我们突破了这个看似难以逾越的障碍，进入一个更小的世界。我们不仅熟悉了每种元素的最小基础构成——原子，而且还进一步了解到它们的更小组成部分。我们还发现，在这个维度上的自然规律与日常生活中的规律有着根本的不同。
在这项新技术的帮助下，我们不停地升级粒子加速器的功能，并发现了它的第二种用途——“核桃夹子”。看到了吗？它们可不只是单纯的显微镜。打个比方，如果你想知道核桃里面是什么，那么显微镜可帮不了你。显微镜可以帮你看到核桃壳表面肉眼不可见的细节，但如果想知道核桃壳里藏着什么，你就得用锤子或核桃夹子把它打开。这是粒子加速器第二种用途的贴切描述：通过向目标发射高速粒子，我们可以打开这些粒子或它们的碰撞目标。通过研究碰撞留下的残骸，我们可以发现被击中物质的内部结构。
但在本书中，我们的冒险之旅主要与粒子加速器的第三种用途相关——创造新的物质。我还想补充一句，我们在实验中惊奇地发现，如果你用极高的能量发射粒子，它们不仅会碰撞，还会产生新的粒子。一开始，这个现象引发了彻底的混乱，因为我们发现了数百种不同的微小粒子，但最终混乱的粒子群变成了美丽的“拼图”，可以用一组有限的拼图块组装起来。这些“拼图块”，以及它们相互吸引和排斥的方式，最终形成了我们所说的标准模型：我们抵达的基本粒子知识的边界，一个至今仍屹立不倒的大框架，解释了微观世界中几乎所有的现象。我们稍后会讨论粒子加速器的第三种用途，但现在，我们先了解它作为高性能显微镜的作用。
在日常生活中，我们用眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴和手来感知周围的世界。例如，我们的眼睛和鼻子是早晨区分果酱和黄油的完美工具。同时，我们还知道，尽管我们的眼睛构造复杂，但还是无法看见非常微小的物体。穿针引线已经够难的了，更别提检查蚂蚁有没有牙齿或观察一滴水里有没有细菌。
很久以前，我们就知道如何巧妙地组合镜头来制作显微镜，以帮助我们探索一个更小的世界。即使今天的显微镜已经比安东尼·范·列文虎克的原始显微镜的功能要强大得多，但在观察尺寸方面还是受到了根本限制。显微镜永远检测不到微米级别的物体，这一维度已经小到不可思议。所以，尽管显微镜可以很好地应用于观察细菌和细胞，但它不适用于研究DNA或原子。要突破这一基本障碍，确实需要动动脑筋。我们也确实找到了一个办法，但令人意想不到的是，它要求我们不要用眼睛看东西。
我们之所以能看见物体，是因为眼睛捕捉到了从我们看到的物体上反射出来的光粒子。当你走在街上时，你可以看到周围的人，因为阳光从他们身上反射出来，直射进你的眼睛。你眼睛后面的视网膜就像一台像素极高的数码相机，你的大脑已经学会读取这些图案并将它们转换成复杂的物体。这就是为什么你一眼就能看出灯柱和人、石头和水的区别。我们的内置“数码相机”有两个组成部分：视杆细胞用于测量光的水平，视锥细胞用来辨别不同的颜色，人类视网膜中的这两种光感受器为我们感知周围的世界提供了足够的信息。
无论我们的眼睛和耳朵多么敏锐，它们都不是完美的，这个世界仍然对我们有诸多“隐瞒”。例如，有些音频我们的耳朵无法察觉，狗却能听得很清楚。除了听力好，狗还有惊人的嗅觉，这就是为什么狗在港口和机场被用于追踪藏在手提箱里的毒品和金钱。还有一部分世界隐藏在我们的视野中，我们虽然看不见，但它们真实存在。我们的眼睛并不是无限敏锐的，无法看到所有的颜色。
我们都知道，在捕捉光的强度这一方面人类肉眼存在极限。在黑暗的夜晚，我们人类几乎看不见任何东西，但猫没有这个困扰。因为猫的视杆细胞比视锥细胞多，所以即使在光线很差的情况下也能看见。由于结构不同，它们的视力比人类的更强。猫在黑暗中仍能看到整个世界，一个对人类隐藏的世界，而我们根本没有能力感知它，但有时人们确实需要在黑暗中看清物体，所以，足智多谋的人类发明了夜视仪，它可以增强眼睛可捕捉的少数光粒子，形成我们能看到的信号。真是相当机智！
即使太阳升起了，这个世界仍对我们有所“隐瞒”，因为我们的眼睛无法捕捉到每一种颜色。我说的不是色盲，而是普通人眼的局限性，人眼的视锥细胞只对特定波长范围内的光敏感：从红色到紫色。每种颜色的光对应不同的波长，也就意味着朝你的眼睛飞来的光波的长度不同。我们能看到的最短波长是紫色，最长波长是红色。由于视杆细胞的特殊形状，它们对比红色波长更长或比蓝色波长更短的颜色一点也不敏感，但这些颜色真实存在。它们被称为红外线和紫外线，很多动物都能看到它们：一个在明亮的日光下对我们不可见的世界，因为我们的眼睛根本无法捕捉到它们。
例如，蜜蜂可以看到紫外光，那些波长比紫色略短的颜色，几乎不在我们的可见范围内。这是一项有用的技能吗？当然。除了我们能看到的黄色和红色外，有些花还能显示出强烈的紫外光，人类肉眼根本无法看到。因此，一只蜜蜂飞过一片草地，它可以毫不费力地分辨出草地里的不同花朵，而我们却很费劲。在光谱的另一端是可以分辨出红外光的动物，虽然我们眼睛无法看见红外光，但可以通过皮肤感受到温度。蛇可以利用这项技能轻松地追踪猎物。
我们人类可以利用这一原理发明特殊的装置，比如那些巧妙的夜视镜，用于科学实验。那些称之为人造眼睛、耳朵和鼻子的发明使我们能够发现、观察和探索隐藏在我们感官之外的世界。周围的事物其实远比我们的感官能感知的要多，我们必须时刻牢记，并持续研发智能技术，这样一来，我们才能用其他方式“看”见这部分世界。
400多年前，荷兰的科学仪器发明家汉斯·利珀希发现，透镜的巧妙组合可以放大较小的物体。这一发现可能产生的应用是无穷无尽的。伽利略改进了望远镜，使他能够更详细地研究月球和行星的运动。而我们也学会了如何用显微镜“深入”观察，进入另一个完全未知的领域。例如，安东尼·范·列文虎克在一滴血这样简单的东西中发现了一个奇妙的世界，成为现代微生物学之父。尽管从那以后的几个世纪里，我们一直在稳步改进显微镜的设计，但我们知道，这种探索之路终有一天会结束，因为你依赖光能看到的东西存在一个基本限制。即便使用显微镜，我们也永远看不到小于1微米（大约是头发丝直径的百分之一）的东西。这并不是因为我们无法制造出更好的镜头，而是光波无法被这些小物体反射。
我们发现，光波只会被比它们自身波长更大的物体反射，这是一个物理学原理。就目前而言，我们还无法改变。想象一个弹珠在厨房地板上滚动，它碰到垃圾桶会反弹，但碰到面包屑却没有任何影响。要计算能反射光的最小物体的尺寸，我们需要知道光波的实际大小。正如我提到的，波长因颜色不同而不同，红色的波长较长，蓝色的波长较短，但我们人类可见光的波长通常不到1微米。如果你想看到比这更小的东西，即使用世界上最强大的传统显微镜也不行。
幸运的是，面对这样一个不可逾越的障碍，我们不必认输。我们只需要一个巧妙的点子或一个全新的方法，这就是基础科学的工作原理：无论问题有多大，最终都会找出一个解决方案，继而突破障碍，拓展视野。这个问题也不例外，我们必须远远超越传统技术。
除了用眼睛看，还有很多其他的方法可以判断物体的形状。你闭上眼睛，仍然可以很容易地分辨出刀叉间的区别。科学家使用类似的方法来“感觉”物体，但我们不是用手，而是发射小子弹，观察子弹如何从我们正在研究的物体上弹回。它们反弹或散开的方式给我们提供了关于物体形状的信息。
想象一下，在你的客厅地板上有一个物体，大约1米远，被窗帘挡得严严实实。你的目标是分辨出窗帘后面的东西，而你唯一的装备是一袋100颗小弹珠。你能做的就是用弹珠弹击物体，让它们从地板滚到窗帘下，弹珠会弹到物体上，然后再弹出来。通过仔细观察弹珠如何反弹，并以不同的速度向物体弹击，你可以对窗帘后的物体外观有一个初步印象。如果窗帘后的地板上除了面包屑什么都没有，那么弹珠就会直接滚到上面，然后出现在另一边，仿佛什么都没发生过。如果是一块摆成45度角的木板，弹珠会准确地反弹到左边或右边。这些都是很直白的例子。但是，如果你要分辨窗帘后面是一块薄的木制隔板还是一块厚的铁皮，这项工作的难度就会加大。假设我们用发射弹珠来判断窗帘后面是一个米老鼠还是唐老鸭玩偶，那会更具挑战性。虽然困难重重，但也不是不可能！你需要的是：（1）弹珠；（2）一些关于唐老鸭和米老鼠如何使弹珠以不同方式反弹的判断；（3）一种跟踪弹珠反弹角度的方法。这种观察小物体的技术在科学领域有着相当长的历史，当然，现在他们使用粒子加速器制造瞄准物体的小子弹。（在这里我会继续使用“子弹”这个词，但其实我们谈论的是小粒子。）
电子显微镜利用的是同样的原理，反弹粒子来产生小物体的图像，如细胞、蚂蚁眼睛的细节、金属表面或纳米技术中的小结构等，以便我们对其进行研究。例如，电子显微镜可以用电子作为“弹珠”来检查表面或物体。与使用传统显微镜相比，这项技术使科学家能够更深入地研究微观世界，最终打开原子世界的大门。
要进入这个世界，我们需要三样东西，毕竟这个世界对我们的眼睛和传统显微镜来说仍然是不可见的。
1.制造微小的子弹并发射它们——粒子加速器。
2.计算子弹是如何被一个特定的形状散射开的——理论。
3.追踪散落的子弹——探测装置。
这些是前人准备的三样东西，今天，我们仍在使用它们来探索更小的物体。
粒子散射规律是20世纪早期科学家欧内斯特·卢瑟福得以详细研究每种元素组成部分（原子）的重要因素。稍后我们会更详细地了解他是如何做到这一点的，但大体上，他的方法是以高速向金原子层发射小粒子，并观察它们如何反弹。他对原子的结构有各种各样的设想，但结果只有一个结构符合预设的测量模型。他们发现原子由一个微小的、质量重的、带电的粒子，即原子核构成，周围环绕着许多轻电子在运转。这项新发现告诉我们，微观世界仍有许多秘密，这些秘密会对科学产生深远影响。这一发现引发了一场实验热潮，科学家开始去探索那个神秘世界里的更多秘密。
在这里，我需要补充一点，将粒子视为一个坚硬小球的传统观念并不完全正确，实际比这更复杂一点。在这个尺度上，各类物质遵循的规则——量子力学——表明粒子的行为与波类似。这听起来有点儿难以置信，因为我们周围的物质根本与波不沾边，然而，一次又一次的实验无疑证明了这一点。奇怪吗？是的，很奇怪，并且那些物理学家也觉得很奇怪。唯一的区别是他们对此已司空见惯，并且接受原子世界中并不是什么都合乎逻辑。各种奇怪的规律中，有一条指出：粒子的波长（它的有效尺寸）取决于它的能量，粒子移动得越快，它的能量就越大，那它的有效尺寸就越小。如果我们希望从粒子加速器射出的“子弹”对我们研究对象的某些细节敏感，那么就需要使用比我们正在研究的结构更小的“子弹”。通过增加粒子的能量，我们可以使其有效尺寸变小，这样它们就可以应付尺寸极小的物体，帮我们识别更多的细节。粒子加速器的工作就是尽可能地提高粒子的能量，这样当把它们发射到我们正在研究的物体上时，它们的有效尺寸就会尽可能小。
与传统显微镜一样，这些“粒子显微镜”自早期以来已经取得长足的进步，现已成为许多科学分支的日常器具，用于观察细胞或物质的表面。你看到的任何关于纳米结构、蚂蚁眼睛、红细胞或癌细胞的照片都是用这种技术拍摄的。因此，世界上最强大的显微镜就是能将粒子能量提升到最高的粒子加速器，而现在，这台设备就是位于日内瓦欧洲核子研究中心的质子加速器：大型强子对撞机。目前日内瓦使用的能量最高的粒子，其波长仅为10 -20 米，约为原子核的百万分之一。
虽然我们常把粒子加速器看作是科研设备，但它在人类社会中扮演着更重要的角色。在科研之外，粒子加速器最广为人知的应用是在老式电视机中，就是那种屏幕向外凸出的电视机。点亮屏幕的电子束以高速发射，磁铁使光束来回滑动，击中屏幕上的每个点，从而形成一个图像。液晶电视的兴起使这个例子有些过时，但好在粒子加速器在医疗保健和工业领域也有着广泛的应用。
粒子加速器使微小物质可见的能力带来了科学上的重大突破，因为我们现在可以获得像血细胞或普通细胞某一部分那样小的物体的结构图像。在过去的20年里，制造商一直在竞相制造尽可能小的结构，尤其是在计算机芯片上。在一个新的想法得出后或技术被发明后，详细检查结果（以及任何潜在的问题）是很重要的。这就是为什么几乎所有的高科技公司都使用电子显微镜来获得他们制作的金属表面或纳米结构的图像。医疗保健方面的应用更令人着迷，因为对这个领域还不太熟悉，所以需要更深入地研究。当然，尽管这些粒子加速器的威力远不及欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，但科学界在粒子加速和探测技术方面的进步也让工业和医疗保健颇为受益。
我做演讲时，我说每家现代医院都有几台粒子加速器，在场的人都惊讶不已，因为很少有人意识到，要拍普通的X光片或治疗肿瘤，没有粒子加速器是不行的。尽管许多人有X射线成像或肿瘤放射治疗的第一手经验，但很遗憾，几乎没有人知道这些技术是如何运作的。病人通常会担心很多别的事情，当你躺在那张桌子上时，你不会关心它到底是怎么工作的，但由于这些都是粒子加速器的应用，我还是得向你介绍一下具体情况。
第一个为人熟知的医疗技术是X光片：一种透过皮肤直接看到骨骼的技术。制作X光片图像的过程与用粒子加速器将小粒子射向物体后又弹回的过程很像。拍片时，医生向你发射X光（实际上是光波），并检查它们是否能穿过你的身体，这些射线有足够的能量穿过柔软的皮肤和肌肉，但不足以穿透硬骨，一旦碰到骨头或其他坚硬的材料，它们就会停下。所以拍片时，主要的问题不是X光反弹的角度，而是它们在穿过你身体的过程中是否受到阻碍。即使你无法用肉眼看到穿过身体的光线，你还能用另一种方式使它们可见。实验发现，有些材料在受到X光照射时会变暗（比如老式相机中的胶卷，在可见光下会变暗）。如果你把这种材质的片子放在被扫描的患者身后，就会得到一张详细显示硬物在体内确切位置的照片。当然，它也会告诉你身体哪里少了“零部件”，如骨折处。你可以把它比作一辆路过的卡车溅了你一身泥后墙上形成的轮廓，说个不太美妙的比喻：你的身体阻止了泥点前进。这确实是个很好的创意，但那些X光是从哪里来的？这时，粒子加速器就起作用了。它将电子以很高的速度激发出来，然后用它们撞击金属板，释放出X光，然后瞄准医生想要拍摄的区域。所以，没有粒子加速器，就不可能有X光图像。
传统的X光片可以非常详尽地显示你的骨骼状况，但有时我们需要一些更清晰的焦点。一种可能性是单纯地释放更多的射线，但这会带来一定的风险。因为每次照X光时，医院或牙医诊所的专业人士都会离开房间，毕竟辐射是危险的。当它穿过你的身体时，会造成严重的细胞损伤，甚至可能导致癌症。为了降低这种风险，我们不得不接受图像不会像理论上那样清晰。但还有第二种方法可以获得更清晰的图像，就是让感光板更灵敏。这就好比提高数码相机的像素。科学家和相机设计师一样，也在不断改进探测技术，他们也的确做到了，并且制定了各种措施将新技术引入到医院。毕竟只有提高了探测设备的灵敏度，我们才能用同样的辐射量拍出一张更清晰的X光片，也可以选择用更少的辐射量拍出同样分辨率的X光片。如果你只拍一张X光片，那需要的辐射量不会有多大区别，但是CT（计算机断层扫描）相当于拍200张X光片。在这种情况下，技术的进步意味着更少的辐射，从而降低病人的健康风险。
一个典型的例子就是由科学界和工业界共同发起的一项名为MediPix的计划，其重点是医疗应用、检测技术和芯片读取，为彩色X射线技术开创了先河。到目前为止，我们讨论的X光图像都是黑白的，显示具有某种强度能量的射线能否穿过人体。黑白图像的一个缺点是，你无法判断光线是被一块5厘米厚的骨头还是被一块2毫米厚的薄铁板挡住的。假设我们可以用整个光谱的光线来代替单一的能级，这会给我们提供更多信息，因为我们可以看到粒子通过每个障碍物需要多少能量，这一原理已经被恩里科·希奥帕等研究人员在荷兰国家亚原子物理研究所（NIKHEF）的博士研究中证实。荷兰粒子物理学家进行了大量的实验，并思考如何为新技术作出贡献。对于像恩里科这样的科研团队来说，将他们的研究成果应用于医院是一次巨大的突破。这需要进行大量的数学运算，不过幸运的是，荷兰国家亚原子物理研究所所在的阿姆斯特丹科技园正好是荷兰著名的国家数学与计算机科学研究中心（CWI）的所在地。这些研究所共同致力于这个装置的测试，向全世界宣告了全尺寸彩色X光系统的可行性。
很不幸，几乎人人都认识一个需要放射治疗的癌症患者。这种类型的治疗需要使用高能辐射，就像X光一样，但能量要大得多。它将这种辐射的主要缺点之一（损伤细胞）转化为优势，即用来摧毁癌细胞。“放射”是指用高能辐射轰击来破坏细胞。粒子加速器之所以发挥作用，是因为它能产生辐射。这很像X光的产生：普通粒子首先被加速到高能状态，然后撞击到金属靶上，释放出可以聚焦在病人身上的辐射。没有粒子加速器，就没有辐射，这就是为什么荷兰的每家大医院都有功能相当强大的粒子加速器，即回旋加速器。
放射治疗的好处是，它能针对肿瘤所在的位置，破坏癌细胞中的DNA。但众所周知，在辐射到肿瘤的过程中，也会破坏或损伤很多健康细胞，甚至可能引起癌变，因此，我们希望把这种伤害控制在最小限度。过去几十年的许多实验让我们了解到粒子是如何在生物组织中损失能量的，所以我们清楚肿瘤周围的区域会跟着遭殃。医生试图通过从多个不同的角度将粒子瞄准患者来限制对健康细胞的损害，从而使辐射更多地聚焦在肿瘤周围。但遗憾的是，目前没有办法能完全阻止辐射对健康细胞的损害。对于一个罹患肿瘤的患者来说，如果肿瘤靠近眼睛，或靠近脊髓，那确实很不幸。同时，放射治疗对儿童也有害，因为他们的大部分细胞在将来会继续分裂。
最新的强子疗法可以解决这些问题。这是一种新型放射治疗，它能将所有的辐射剂量送往一个地方，从而最大限度地减少对健康组织的损害。通过粒子物理学，我们了解到辐射如何穿过人体，并在过程中逐渐损失能量。这就像一辆自行车在沙滩上刹车，它均匀地快速减速，直至停下来。但我们也发现了另一种方法。有一些粒子（质子）可以几乎不费吹灰之力地穿过物质，它们会逐渐减速，但在即将处于静止状态的一瞬间突然释放能量。这听起来正是我们需要的：用质子而不是通常使用的光子进行放射治疗，这样我们就能只破坏肿瘤而不会损坏它周围的所有健康细胞。如果你能精确地知道肿瘤在体内的位置，那你就可以计算出质子射入人体的速度，这样质子就可以停止在确切的位置，对癌细胞施加影响。当然，你还是需要一个粒子加速器，它能给质子提供相应的能量。巧了，这正是粒子物理学家的“核心业务”！
现在，强子疗法的价格仍然非常昂贵，并且只在部分地区可用。我不是经济学家，所以我无法计算所有的成本和收益（我也不想纠结于一场关于人类生命价值或多活一年的道德伦理辩论），但这至少带来了一个令人振奋的可能性。在未来的几年里，科学家会继续致力于创新研究，以及与医生合作如何取得新的成功。
近几个世纪以来，科学家不断挖掘我们周围事物规律的驱动力助力了人类知识宝库的形成。科学不断发展新技术克服障碍，深入研究大自然的秘密。在物理学分支中，粒子加速器被证明是探索基本粒子世界的关键，它帮助我们进入原子世界，研究原子核，并随着著名的希格斯玻色子的发现，抵达我们今天所知的最深层次。
