首版前言

科學(xué)研究是人類有史以來(lái)有趣的嘗試之一，而在我看來(lái)，物理學(xué)則是有趣的科學(xué)。其他領(lǐng)域的科學(xué)當(dāng)然也具有它們各自令人著迷的問(wèn)題，但是沒有任何問(wèn)題像物理學(xué)問(wèn)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(wèn)題，也很有可能會(huì)通過(guò)有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究來(lái)解答，所使用的則是人們已經(jīng)在很大程度上理解的知識(shí)。而化學(xué)，作為一個(gè)寬泛的、并且有利可圖的研究領(lǐng)域，終關(guān)注的是無(wú)限且復(fù)雜的原子組合。要解釋原子具體如何結(jié)合相當(dāng)棘手，但是原則上說(shuō)，可以通過(guò)眾所周知的量子力學(xué)觀念出發(fā)估算得出。盡管化學(xué)家們有理有據(jù)地宣稱，原子的相互作用是他們的研究領(lǐng)域，但是厘清原子本身性質(zhì)的卻是物理學(xué)家。雖然早期科學(xué)研究的不同領(lǐng)域之間的界限比較模糊，但物理學(xué)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(xué)家先表明，從某些方面來(lái)看，原子可以被看作太陽(yáng)系，微小的電子則圍繞著一個(gè)致密、沉重的原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。后來(lái)人們意識(shí)到，這個(gè)簡(jiǎn)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(lǐng)域。盡管原子核初被認(rèn)為是基礎(chǔ)性的粒子，但物理學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，原子核包含了質(zhì)子和中子。同樣地，質(zhì)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(gòu)成物質(zhì)的小組成部分之旅，仍然是一個(gè)相當(dāng)活躍的科學(xué)研究領(lǐng)域。雖然我們的理解確實(shí)比以前更加精進(jìn)，但是有跡象表明，物質(zhì)的構(gòu)成另藏玄機(jī)。

即使在物理學(xué)領(lǐng)域，也存在著不同的研究方向。固體物理學(xué)和聲學(xué)研究解決了簡(jiǎn)單的問(wèn)題，正在向更加復(fù)雜、更難以解決的問(wèn)題發(fā)起沖擊。然而，仍然有一些物理學(xué)家對(duì)深刻的、基本的問(wèn)題感興趣。未解之謎依然很多，比如：現(xiàn)實(shí)的終本質(zhì)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(gòu)成物質(zhì)的小組成部分是否更應(yīng)該被看作空間的振動(dòng)（所謂的超弦假設(shè)）？為了理解這個(gè)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(xué)家希望能夠研究這些問(wèn)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(nèi)便不復(fù)存在，且之后也幾乎沒再出現(xiàn)過(guò)。因此，粒子物理學(xué)的研究為另一個(gè)根本性問(wèn)題提供了指引，即宇宙本身的創(chuàng)建及其終命運(yùn)。

目前我們的認(rèn)知水平尚不能回答上述問(wèn)題，但是在這些方面我們已經(jīng)取得了一些進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的意圖。被稱為夸克的粒子構(gòu)成了質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子構(gòu)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(duì)地）較遠(yuǎn)的距離上圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。我們現(xiàn)在知道四種力：引力，讓天地萬(wàn)物井然有序，目前看來(lái)（希望不會(huì)永遠(yuǎn)是這樣）并不涉及粒子物理實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域；電磁力，控制著電子圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的行為，構(gòu)成了所有化學(xué)的基礎(chǔ)；弱核力，讓太陽(yáng)保持燃燒，是地球火山運(yùn)動(dòng)和板塊構(gòu)造的部分原因；強(qiáng)核力，將夸克約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部，甚至將質(zhì)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(huì)以現(xiàn)在這樣的形式存在�，F(xiàn)在我們知道了四種力，但是在過(guò)去，我們認(rèn)為力的種類還有更多。17 世紀(jì)后期，牛頓提出了萬(wàn)有引力理論，該理論解釋說(shuō)，控制著天體運(yùn)動(dòng)的力和我們?cè)诘厍蛏系闹亓��?shí)際上是同樣的東西，這一點(diǎn)原本并不顯而易見。19 世紀(jì)60 年代，麥克斯韋表明，原來(lái)人們認(rèn)為截然不同的電力和磁力，其實(shí)是緊密相關(guān)的。20 世紀(jì)60 年代，電磁力和弱核力被證明實(shí)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(shí)際上是三種）是否也可以被看作是一個(gè)更基本的力的不同方面。

宇宙萬(wàn)物，即你目力所及的所有事物，從滄海一粟到無(wú)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(guò)）的無(wú)限組合。這四種粒子我們稱之為同一代。現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)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(zhì)量，質(zhì)量更重的一代粒子迅速衰變，終變成熟悉的代粒子。當(dāng)然，這就帶來(lái)了更多的問(wèn)題。為什么會(huì)有好幾代粒子？更具體地說(shuō)，為什么會(huì)有三代粒子？為什么不穩(wěn)定的粒子世代更重，而各個(gè)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(duì)應(yīng)一種粒子。我們將在本書中詳細(xì)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(xué)行為。相反，夸克和輕子是費(fèi)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(gòu)成物質(zhì)的基本粒子是費(fèi)米子，我們還完全搞不清楚。一種被稱為超對(duì)稱的理論試圖使得情況更加對(duì)稱，它假設(shè)存在其他的費(fèi)米子粒子，與載力的玻色子相關(guān)聯(lián)，且存在其他的玻色子粒子與承載質(zhì)量的費(fèi)米子相關(guān)聯(lián)。目前，這個(gè)想法并沒有明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但是這個(gè)假說(shuō)在理論層面非常有趣，所以尋找超對(duì)稱性的研究比比皆是。

雖然許多問(wèn)題仍然存在，但事實(shí)上現(xiàn)代物理學(xué)可以解釋（在所有的衍生科學(xué)的協(xié)助下）大部分的物質(zhì)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(guò)44 個(gè)數(shù)量級(jí)的變遷，達(dá)到可見宇宙的1026 米，從靜止的物體，到每秒移動(dòng)3108 米的物體，從零度到31015℃的溫度范圍內(nèi)，所有這些條件下的物質(zhì)，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(jiǎn)直棒呆了。

粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)密切相關(guān)的事實(shí)也是一個(gè)非常吸引人的概念和研究領(lǐng)域。近的研究表明，宇宙中可能存在著暗物質(zhì)……這種物質(zhì)增加了宇宙的引力行為，本質(zhì)上是不可見的。暗能量的設(shè)想與此相似。對(duì)于這場(chǎng)討論，粒子物理學(xué)能通過(guò)尋找到高質(zhì)量且穩(wěn)定（即不衰變）的粒子來(lái)對(duì)暗物質(zhì)的研究提供幫助，這些粒子一般并不與普通的物質(zhì)相互作用（關(guān)于不可見物質(zhì)的物理學(xué)）。雖然說(shuō)粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)相關(guān)是有點(diǎn)兒勉強(qiáng)，但你肯定記得，粒子物理學(xué)的低能量級(jí)別的近親核物理學(xué)，對(duì)于恒星的形成、超新星、黑洞和中子星的物理學(xué)做出了至關(guān)重要的貢獻(xiàn)。

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(xué)問(wèn)題，粒子物理學(xué)都可以做出相應(yīng)的重要貢獻(xiàn)。粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)領(lǐng)域存在著相互關(guān)聯(lián)的若干有趣問(wèn)題。大一統(tǒng)問(wèn)題（現(xiàn)實(shí)深刻的本質(zhì)）、隱藏的維度問(wèn)題（空間本質(zhì)的結(jié)構(gòu)）和宇宙學(xué)問(wèn)題（宇宙的形成與消亡）的答案，需要結(jié)合許多領(lǐng)域的知識(shí)來(lái)解釋。本書所討論的粒子物理學(xué)只會(huì)提供一部分答案，但這是至關(guān)重要、且非常值得研究的一部分。

當(dāng)然，并不是每個(gè)人都能夠成為一名科學(xué)家，窮其一生致力于理解能夠解釋世間萬(wàn)物所需要的全部物理學(xué)。即使是對(duì)于專業(yè)的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這也不太現(xiàn)實(shí)。但是，我很幸運(yùn)。20 多年以來(lái)，我一直以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度研究物理學(xué)，而在此之前的10 多年時(shí)間里，我也是一名愛好物理學(xué)的學(xué)生。雖然我不能假裝自己無(wú)所不知，但是我終學(xué)有所成，因此可以幫助推動(dòng)知識(shí)的前沿。作為目前為止世界上能的粒子物理實(shí)驗(yàn)室費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）的研究員，我很有幸能夠與有天賦的科學(xué)家合作，我們所有人都有著同樣的目標(biāo)：在深入的、基礎(chǔ)的層面上更好地理解這個(gè)世界。這真的非常有趣。

差不多每月一次，我應(yīng)邀與一群科學(xué)愛好者交流現(xiàn)代粒子物理研究人員所實(shí)現(xiàn)的物理學(xué)成就。每次我都會(huì)發(fā)現(xiàn)，有一小部分聽眾與研究者一樣，對(duì)于同樣的問(wèn)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(shè)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(xué)其實(shí)并不難。任何一位對(duì)物理學(xué)感興趣的外行都能夠理解我和我的同事所做的物理學(xué)研究。他們只需要有人用他們熟悉的、可以理解的語(yǔ)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(xué)專家而已。

這就是本書的寫作初衷。市面上已經(jīng)有很多關(guān)于粒子物理的書籍，都是為外行人寫的。大部分與我交談過(guò)的愛好者都讀過(guò)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(xué)家撰寫，討論一些推測(cè)性的理論。雖然推測(cè)是有趣的（且往往會(huì)推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步），但是我們已知的內(nèi)容足夠有趣到寫滿一本書。作為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(lái)看待推測(cè)性的物理理論書籍。我對(duì)理論物理學(xué)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(dāng)然啦，我是在開玩笑。我認(rèn)識(shí)的大部分理論物理學(xué)家都是非常聰明且有見地的人。）但是，在介紹這些內(nèi)容的時(shí)候，我想要做的并不僅僅是解釋想法與結(jié)果，也希望能夠加入一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的元素……你是怎么做到的？這個(gè)問(wèn)題將會(huì)得到解答。

本書的內(nèi)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(yīng)該會(huì)了解相當(dāng)多的基本粒子物理學(xué)知識(shí)，而且與其他同類的書籍不同，本書會(huì)讓你擁有像物理學(xué)家一樣的物理學(xué)考量標(biāo)準(zhǔn)，以便對(duì)于物理學(xué)的推論建立屬于自己的客觀評(píng)價(jià)。推測(cè)物理學(xué)很有趣，因此在本書的后，我會(huì)介紹一些我們目前正在探究的、尚未經(jīng)證實(shí)的想法。戈登·凱恩（一位理論物理學(xué)家，我保證他是個(gè)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(jìn)行的研究（Research in Progress）這個(gè)短語(yǔ)，簡(jiǎn)稱RIP1，把已知的同未知且正在研究中的內(nèi)容區(qū)分開。我很喜歡這個(gè)短語(yǔ)，按照優(yōu)良科學(xué)傳統(tǒng)，我會(huì)將這個(gè)奇思妙想融入本書的撰寫過(guò)程中。

我寫作本書的另外一個(gè)理由是，經(jīng)歷了5 年的升級(jí)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器現(xiàn)在重新開始啟用。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)其中之一是我已經(jīng)參與了將近10 年的主要目標(biāo)（盡管不是的目標(biāo)），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(zhì)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(zhì)，否則我們對(duì)粒子物理的理解就有著重大的缺陷。所以我們正在尋找，因?yàn)樗�非常有趣，我用了一章的篇幅�?lái)講述這個(gè)研究主題。

這不是一本講歷史的書，而是一本關(guān)于物理學(xué)的書。盡管如此，在第1 章里，我們將簡(jiǎn)要地討論從古希臘時(shí)期到20 世紀(jì)初期，人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于自然界本質(zhì)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(xué)的真正開端），隨后一直講到20世紀(jì)60 年代，詳細(xì)地解釋了現(xiàn)代物理時(shí)代許多粒子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。物理學(xué)家直到20 世紀(jì)60 年代，才開始摸到物理學(xué)的門。第3 章討論了基本粒子（夸克與輕子），基本粒子可以簡(jiǎn)潔地解釋我們?cè)谶^(guò)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(gè)相當(dāng)無(wú)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(lái)解釋為什么在第3 章中討論過(guò)的這些不同的粒子具有如此大相徑庭的質(zhì)量，對(duì)于希格斯玻色子的尋找
（希望我們能夠找到）將會(huì)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(xué)發(fā)現(xiàn)的、在現(xiàn)代基于加速器的粒子物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這方面的內(nèi)容，在其他的物理學(xué)科普書籍中往往是以一種非常簡(jiǎn)要的方式寫給讀者的，但是作為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(shí)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(zhì)比反物質(zhì)更多，這兩個(gè)有趣的問(wèn)題像是兩枚堅(jiān)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(xué)實(shí)驗(yàn)同樣尋找新物理學(xué)的線索，即我們可能會(huì)懷疑存在的、但是幾乎沒有理由期待的東西。超對(duì)稱、超弦、額外維度和人工色模型僅僅可能是正確的、來(lái)自理論物理學(xué)家的瘋狂設(shè)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(huì)花一些時(shí)間來(lái)討論現(xiàn)代宇宙學(xué)。宇宙學(xué)與粒子物理學(xué)是兩個(gè)近親領(lǐng)域，它們?cè)噲D解決一些相似的問(wèn)題。這兩個(gè)領(lǐng)域之間的聯(lián)系是深刻且有趣的，通過(guò)這一點(diǎn)，在本書中，讀者們將要準(zhǔn)備好解決這些棘手的問(wèn)題。在本書的結(jié)尾部分是幾個(gè)附錄，給出了一些很有趣的信息，對(duì)于理解粒子物理學(xué)來(lái)說(shuō)并非至關(guān)重要，但是具有冒險(xiǎn)精神的讀者們多半會(huì)喜歡。

這篇序言的標(biāo)題來(lái)自?shī)W古斯塔斯·德摩根（18061871）在他的《悖論的預(yù)算》（A Budget of Paradoxes）一書中的一首小詩(shī)的片段（實(shí)際上是他從喬納森·斯威夫特那里偷來(lái)的）。德摩根用這首詩(shī)評(píng)論人們看到的、從一種較大的尺度跨越到較小的尺度時(shí)的循環(huán)模式。在一個(gè)足夠大的尺度上，星系可以被看作是沒有結(jié)構(gòu)的，但是當(dāng)人們用更精細(xì)的尺度來(lái)觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，星系是由類似太陽(yáng)系的恒星系統(tǒng)構(gòu)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(wú)結(jié)構(gòu)物質(zhì)終都會(huì)呈現(xiàn)出豐富的底層結(jié)構(gòu)。

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(wú)窮匱……

德摩根繼續(xù)更加明確地強(qiáng)調(diào)了他的觀點(diǎn)：

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(wú)窮匱。

我希望讀者們?cè)陂喿x本書時(shí)享受到的樂趣和我寫作此書時(shí)一樣多�？茖W(xué)是一種激情�？v情而為。時(shí)刻研究。時(shí)刻學(xué)習(xí)。時(shí)刻提問(wèn)。否則，激情熄滅，你的內(nèi)心也會(huì)漸漸死去。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 唐· 林肯