引言

几年以前，我坐在笔记本电脑前，面对四位牛津大学粒子物理学家提出的看似简单的问题，眉头紧锁。我没有听到他们的名字，并非由于紧张，而是因为我的博士面试是在澳大利亚内陆一间汽车旅馆的房间里进行的，这里的网络连接很不稳定。他们问我：“你觉得粒子物理学有什么迷人之处？”

这肯定是个圈套：牛津的入学面试可是出了名地困难。那一瞬间，我决定坦诚为妙。我告诉他们，我惊讶于物理学似乎能够描述一切：从最小的亚原子粒子，到组成我们身体的原子，一直到宇宙的最大尺度，以及这一切是如何关联的。

粒子物理，我说，它是这一切的基础。

五年以前，我在墨尔本大学学习土木工程，从没想过成为物理学家这个选项。虽然我上学时很享受物理的乐趣，但只知道它会让我从事工程学方面的工作。在我攻读本科学位一年后，这一切都变了，当时同学邀请我参加物理学生社团每年日程里最精彩的部分：天文营。

一个周五下午，我们离开墨尔本，两小时后抵达Leon Mow黑暗天空基地（Dark Sky Site）。驶过颠簸的土路，我们抵达一栋铁皮屋顶建筑，在这里取出啤酒和望远镜，在一大片林中空地搭好帐篷。随着光线逐渐暗淡，温度下降，蝉鸣开始穿透空气。为了夜间也能看见，我用头绳把一张红色玻璃纸固定在手电筒上。我爬进睡袋，感谢它具有双重功能，既能提供温暖，又能屏蔽昆虫。我闻到了熟悉的桉树香味，然后抬头望去。

“那儿有一颗！”我旁边的人喊道，正有一颗流星划过夜空。随着我的眼睛适应了黑暗，这个“黑暗天空基地”的真正惊人之处才显现出来。人们的聊天转为低语，随后一片寂静。金星缓慢落下地平线，其他行星映入眼帘。经过那个夜晚，我了解到夜空变化虽然缓慢但持续的本质。透过朋友的望远镜，我看到壮丽的土星环，土星环的图片我很熟悉，但透过镜片看到却感到异常新鲜，我还看到星体在充满发光尘埃的星云中形成，以及球状星团闪闪发光，数百万星体在十万光年外环绕着我们的星系。

最壮观的景色是恒星的亮带与尘埃，这些尘埃是我们的星系——银河系的弧光。从南半球可以看到我们圆盘状星系的中心，我们在银河系中心到边缘的距离的大约三分之二处围绕自己的恒星转动，我们的恒星本身也在银河系中移动。星系正和所处的星系群一起，以约每秒600千米的速度在太空中航行。除此之外还有数十亿类似的天体，有星体与星云，黑洞与类星体，以及通过巨大的时空转换的能量形成的物质。

那一瞬间我才真正理解自己多么渺小，生命多么短暂，要描述我所见到的宏大有多么艰难。恒星与行星并非在 那上边 ，我也不是在这下边：这些全都是名为宇宙的巨大物理系统的一部分，我也是其中一部分。我当然早就知道这点，但直到那一瞬间，我才真正感受到自己在其中的位置。

突然间，其他一切都显得不再重要，我想要了解关于引力、粒子、暗物质、相对论的更多东西。关于星体、原子、光与能量。最重要的是，我想知道它们是怎样关联在一起的，以及我与它们是怎样关联的。我想知道关于万物的理论是否真的存在。我深深感到这一切十分重要，作为人类，这对我非常重要，理解这一点是个足够大的目标，即便我能完成一丁点，也算没浪费身为有意识生命的这短暂时光。我决心成为一名物理学家。

物理学的目的是理解宇宙以及其中的万物有怎样的行为表现，我们尝试理解的方法之一是提出问题。随着研究深入，这一切问题的核心似乎是：“物质是什么？它们如何发生相互作用，从而创造了我们周围的一切，包括我们自身？”我想我正在努力搞清楚自身存在的意义。我没有选择研究哲学，而是采用了一种更加迂回的方式：我开始试图理解整个宇宙。

关于物质本性的问题，人类已经发问了上千年，但只在最近一百二十年里，这种好奇心才终于给了我们一些答案。关于自然界的最小组成部分以及支配它们的作用力，如今我们的理解由粒子物理学描述，这是人类进行过的最令人敬畏、错综复杂、富有创造力的冒险旅途之一。关于宇宙的物质实体以及它们结合的方式，如今我们已经拥有了详尽的知识，我们发现实在所具有的丰富性与复杂性是仅仅几代以前的人们无法想象的。我们已经颠覆了原子是世界最小组成部分的观念，发现了在日常物质中并不发挥作用的基本粒子，但基于描述实在的数学，它们又必须出现——这看来有点不可思议。只用几十年时间，我们就了解了如何将这一切融合在一起，从宇宙之初的能量爆发到自然界最精确的测量。

过去一百二十年间，我们对自然界最小组成部分的观点快速变化：从放射现象和电子，到原子核与核物理领域，以及量子力学（它在最小的尺度上描述自然）的发展。进入20世纪，这项工作被人们熟知为“高能物理学”，新粒子被发现，注意力从原子核移开了。如今对粒子以及它们如何形成、表现、转化的研究都被称为粒子物理学。

粒子物理学的标准模型阐释了自然界所有已知粒子以及它们之间的相互作用，它由几十年来很多物理学家的研究发展而来，我们目前的版本出现在20世纪70年代。这是个绝对成功的理论：数学上十分精妙，极其精确，却只需要一个马克杯的侧面就能写下。标准模型似乎能在基本层面如此完备地描述自然界的运作方式，作为一个学习者，我被迷住了。

标准模型告诉我们，构成我们日常存在的一切物质只由三种粒子组成。我们由名为“上夸克”和“下夸克”的两种夸克组成，它们构成了质子和中子。这两种夸克与电子一起组成原子，被电磁相互作用、强核力与弱核力聚合在一起。就是这样，我们以及周围一切就是如此而已。（此类注释见书末尾。）然而尽管只由夸克和电子组成，我们人类却以某种方式搞清了自然 远不止于此 。

我们知识上的成就并非完全来自概念与理论的飞跃，一位天才独自在桌旁创建理论，这种刻板印象很大程度上是不正确的。一个多世纪以来，诸如“原子内有什么”“光的本质是什么”“我们的宇宙如何演化”这样的问题已被物理学家以完全实际的方式解决了。今天我们可以说我们知道这一切，认为我们的理论模型表现了实在，原因并不在于我们有精美的数学，而是因为我们进行了实验。

我们不少人在孩童时代就了解到这种观点：质子、中子和电子组成了世界，但对我们是怎样了解物质、作用力以及万事万物的，却知之甚少。一个质子的尺寸是一粒沙子的一万亿分之一，我们实际上是怎样研究如此小尺度物体的，这一切远非显而易见，这就是实验物理学的艺术：从想法的萌芽开始，追随我们的好奇心，使用真实的物理仪器，完成新知识的积累。在黑暗天空基地的那一晚，当我直接体验到这点时，我了解到我享受物理学，这让我有了成为实验物理学家的想法。

理论物理学家可以沉迷于数学上的可能性，但实验会将我们带到让人恐惧的脆弱边界：真实世界。这就是理论与实验的不同之处。理论物理学家的想法必须考虑实验结果，实验物理学家却有更细致入微的工作。她不仅要检验理论物理学家的想法，还要追问自己的问题，设计与动手搭建实验，检验这些想法。

实验物理学家必须理解并能够运用理论，但她绝不可以被其所限，她必须对发现意想不到与未知的事物保持开放，还必须了解很多其他事情：她的实践知识的覆盖范围从电子学到化学，从焊接到处理液氮。然后她必须把这一切结合起来，能够操控不可见的物质。事实是实验非常困难，这一过程涉及很多错误的开始与失败，需要想完成这些的某种好奇心与个性，然而纵观历史，很多人都具有这样的热情与执着。

纵观20世纪，科学家进行的粒子物理实验已经从“一个人一间屋”模式转变为使用地球上最大型的机器。20世纪50年代开始的“大科学”时代，时至今日已发展为涉及一百多个国家、成千上万科学家的合作的实验。我们修建的地下粒子对撞机由数千米高精度电磁仪器组成，这一项目持续超过二十五年，花费数十亿美元。我们已来到这样一个时点：任何一个国家都无法独自完成这一壮举。

与此同时，我们的日常生活也经历了类似的巨大转变。1900年，绝大部分家庭还要等二十年才能用上电，马是主要的交通方式，英国或美国的人均寿命不到五十岁。如今我们寿命更长，部分原因在于医院有了MRI（核磁共振）、CT与PET扫描仪来诊断疾病，以及一系列药品、疫苗、高科技工具来进行治疗。我们用电脑、万维网、智能手机彼此联络，这也产生了全新的工业与工作方式。就连我们周边的商品，从车子的轮胎到首饰中的宝石，也使用新技术进行设计、增加与改进。

当我们想到构成现代世界的思想和技术时，很少将其与实验物理学的同步发展联系在一起，但它们是紧密相连的。上述例子都来源于实验，它们被设计来进一步了解自然界的物质与力——这份清单还只涉及了很小一部分。只用了两代人的时间，我们就学会了操控单个原子来建造微型计算设备，它们小到连显微镜都很难观察到；学会了运用物质的不稳定特性来诊断与治疗疾病；学会了使用来自太空的高能粒子看古老的金字塔内部。这一切成为可能，是因为我们能够在原子与粒子层次控制物质，因为我们掌握了这些知识，它们都来源于好奇心驱动的研究。

我选择成为一名加速器物理学领域的实验物理学家：我的工作是发明真实世界的仪器，来操控微小尺度的物质。加速器物理学家不断发现创造粒子束的新方法，帮助人们进一步了解粒子物理学，但我们的工作也对社会的其他领域做出越来越多的贡献。当我告诉学生、朋友、听众，离他们最近的医院基本上都配备了一台粒子加速器，智能手机依赖于量子力学，他们能浏览网页是因为粒子物理学家时，他们都感到十分惊讶。我们建造粒子加速器，来研究病毒、巧克力、古代卷轴。对地质学与我们行星古老历史的详尽了解正是粒子物理学研究的成果。

好奇心驱动的研究带领我们超越所知与预期的局限，带给我们改变历史进程的观念、新领域与解决办法。通过探寻新知，我们消除了已知有可能之事与坚信不可能之事之间的鸿沟，好奇心由此带来了真正具有开创性的革新。物理学，特别是粒子物理学，也许提供了这一现象最为生动的案例。一系列物理实验怎样带来现代世界的所有这些方方面面？

进行过的实验当然成千上万，所有实验都以某种方式对我们的知识有所贡献。在本书中，我将带你经历十二个重要实验，它们都标志着空前的成就——一项至关重要的发现，对我们现在理解我们生存的世界来说不可或缺。我们会从19世纪之交，英国和德国的小实验室中几个人进行的实验开始，这些实验表明经典物理学正在崩塌，将我们的视线转向比原子还小的实体的存在。然后我们将看到芝加哥的实验如何证实正在涌现的量子力学观点，使得全球的物理学家乘热气球高飞，登上山顶，追寻新粒子的踪迹。每一个实验都让我回想起那种沮丧与欢乐交织在一起的感觉，因为我在自己的实验室里也深有感触，这是实验科学者独有的人类体验，但后见之明的益处使我能够发现这些早期实验者们无法发现的：他们的发现与发明会变成什么样子。

接下来几个实验带我们领略美国、德国、英国之间在建造第一台粒子加速器与分裂原子上的竞争。这些实验涉及加州人工放射性元素的诞生，导致了工业科学家的偶然发现，由此创造出研究的新工具，带来了天文学的全新理解。最后我们会看到很多团队与国家的故事，他们团结在一起建造大型实验仪器，构成了我职业生涯的背景：从布鲁克海文和伯克利这样的美国实验室，到斯坦福直线对撞机与费米实验室，最终到欧洲核子研究组织（CERN）。

总体来说，这些实验体现了源于人类好奇心的探索精神。经过一个世纪的历程，它们几乎改变了我们生活的方方面面，从计算机技术到医学，从能量到通信，从艺术到考古学。物理学的核心永远是关于理解我们在宇宙中的位置，自从那次看见夜空，我就感受到了这个事实。这趟旅程也会阐明物理学是如何带来如此之多我们现在视为理所当然的现代技术，以及我们甚至从未想象到的实际成果的。它告诉我们物理学教会我们每个人的关于好奇心的事，以及我们每个人都拥有的做出突破的力量，这力量也许会改变世界。