（一部粒子物理学简史，在微观世界深处捕捉宇宙真相）

每发现一种更小的粒子，我们就向万物的本质迈进一步|欧洲核子中心一线专家、希格斯玻色子研究团队成员撰写，《新科学家》杂志、美国图书馆协会好评推荐

编辑推荐

★欧洲核子中心一线专家、希格斯玻色子研究团队成员撰写，亲述粒子物理发展历程与实验秘辛
作为世界上少数能进入大型强子对撞机设施的科学家，伊福·范瓦尔彭是粒子物理学的顶尖专家，他在本书中详细叙述百年来粒子物理的重大发现，同时带领你进入神秘的“机器之王”——深埋地下百米、全长27千米的大型强子对撞机，触碰粒子物理学的前沿。

★串联粒子物理学发展史，与诺贝尔奖大师们共同探索
燃烧的太阳、爆炸的核弹、医学扫描成像、清洁能源供应……小小粒子对人类历史产生巨大影响。从原子的构成到基本粒子和标准模型的构建，和爱因斯坦、普朗克、费曼、希格斯等诺奖大师一起向更深、更小处探索世界的本质。

★每发现一种更小的粒子，我们就向万物的本质迈进一步
发现“上帝粒子”希格斯玻色子是我们迈向宇宙终极之理的至近一步，是探索物质尽头之路的巨大飞跃，本书作者亲自参与研究历程，为我们讲述曲折跌宕的发现之路。而在此之后，粒子物理学的未来指向何方，作者也将给出自己的答案。

★易读故事和严谨科学的巧妙平衡，即使是“科学小白”也能
基本粒子相当于乐高中最小的积木颗粒，而寻找新粒子的科学家就如同野外探险家，本书直白的语言和贴切的类比让外行读者也能理解粒子物理学的精妙之处。

内容简介

如何追寻物质之源？在本书中，荷兰物理学家伊福·范瓦尔彭邀请我们踏上通向更深、更小、更前沿之处的旅程：从原子结构的设想，到标准模型的构建，再到希格斯玻色子的发现，每当粒子物理学有所成就，我们就向万物终极之理更进一步。从燃烧的太阳、爆炸的核弹，到医学扫描成像、清洁能源供应，小小粒子塑造着世界的样貌。最终，我们将走近“机器之王”——深埋地下的全长27千米的大型强子对撞机，见证粒子碰撞瞬间的奇迹，畅想未来可能出现的新粒子和新现象，思考粒子世界带给人类的未来启示。

作者简介

[荷]伊福·范瓦尔彭（Ivo van Vulpen）
荷兰国家亚原子物理研究所的粒子物理学家，阿姆斯特丹大学物理讲师。在欧洲核子研究中心（CERN），他作为少数能进入大型强子对撞机设施的物理学家加入了ATLAS实验，参与了“上帝粒子”——希格斯玻色子的发现和研究。

目　　录

序言
第一章 游戏规则
第二章 原子革命
第三章 标准模型中的粒子
第四章 标准模型中的力
第五章 发现希格斯玻色子
第六章 未知之地，未知之旅
致谢

前　　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 EmissionTomography，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！

媒体评论

★ 希格斯粒子的发现何以成为当代物理学的救星——这是本书的核心。要解释这个问题，在尽可能简单易懂的同时也具有必要的挑战，范瓦尔彭是娴熟的阐释者，他总是意识到必须具体实际，这样才不会在阅读过程中失去外行读者。 ——《荷兰人民报》

在线试读

我从一位同事那里听到过一个很好的比喻，它很好地解释了科学家分辨自然规律和构建理论的挑战性。想象你现在是一个刚刚登陆地球的外星人，在这个令你感到处处是惊喜的星球上，你看到的几乎都是机会，但你决定系统性地从一些简单的事情开始。所以，你问自己：“这个星球上每个国家都在玩的足球，它的规则是什么？”这是一个明确的问题，似乎很容易回答。但有一个条件：你想看几场比赛就看几场，但你不能和任何人谈论或阅读任何关于这个主题的东西，你能做的只是看。花一分钟的时间去思考，然后问问自己要花多长时间才能想出一份完整的规则清单。
你可能很快就会发现，有两支11 人的球队，整场比赛在最外围的白线之内进行，球员在45 分钟后换边，比赛的最终目标是把尽可能多的球踢进对手的球门。但那两个球员是谁？他们每边一个，很少跑动，穿的衣服和他们的队友不一样，而且还被允许用手触球。你要花多长时间才能弄清楚那两个拿着小旗在足球场边跑来跑去的人在干什么，或了解什么是角球、越位、换人、一些比赛结束时突然的加时赛、赛场上奇怪的线条和点球等？想象一下，要发现所有的规则是多么困难，但即便如此，如果你动力十足并愿意投入大量的时间，这也不是不可能。科学家面临着同样的挑战，但这一次，赛场是我们身处的世界。大自然可不会“免费”泄露它的秘密。只有仔细观察，设计出正确的实验向大自然“提问”，我们才能弄清楚存在哪些现象。只有这样，我们才能逐步地破译自然界的法则。
顺便提一下，从来没有人说过规则必须合乎逻辑。事实上，自然定律并不符合日常逻辑，它俩并不是一回事。量子力学和相对论，我们将在本书中提及的这两个著名的理论，都非常奇怪。在某种意义上，你可以把它们比作足球中的越位规则。虽然很荒谬但真实存在，毕竟这只是比赛的方式。一旦你接受了这项规则，那么在逻辑上，只有某些进球才算数，有些则是无效进球。同样，相对论和量子力学等理论背后那些匪夷所思的原理完全是违反直觉的，可一旦你接受了，它们便能解释我们从原子尺度观察自然时看到的所有奇怪而复杂的现象了。理论是对的。但合乎逻辑吗？并不。
通过研究这些奇怪的理论，我们学会了如何在日常生活中应用它们。目前，纳米技术和量子计算领域的许多研究和进展，完全建立在量子力学这一独特的理论基础上。尽管根据该理论，许多实验结果和观察到的现象是“合乎逻辑的”（换句话说，它们可以用量子力学中的奇怪定律来解释），但地球上没有一个科学家能解释为什么世界会遵循量子力学定律。例如，一个粒子怎么可能同时处于两个地方，或处于一种在我们寻常世界中无法想象的纠缠状态？就像你不可能同时处于怀孕和不怀孕这两种状态，但在量子世界里，这种混合态却是非常正常的。
一个理论越成功，就越有助于我们理解这个陌生世界的规则和定律，但与此同时，无法解释逻辑框架的基本构成也令人十分沮丧。所以在这种情况下，我们已经从理解“怎么样”直接跳到发掘“为什么”：为什么世界会遵循量子力学定律？一旦我们迈出这一步，问题就从量子力学“ 如何运作”转移到量子力学“为什么能运作”。换言之，这就立刻引发了一个新的问题。可怜的科学家总是在追逐不断变化的目标。不过他们永不停歇的好奇心为社会带来了巨大的财富，因为由他们的工作产生的创见和应用已经成为现代文明的基石。尽管如此，如果你一直不停地问“为什么”，那么即使是地球上最聪明的科学家也会很快“哑口无言”。
在过去的100多年里，基本粒子物理学家一步一步地试图接近原子核的最深处。在冒险过程中，我们取得了一些重大进展，对宇宙中所有物质的基本构成要素、基本粒子以及自然界的基本力量，都有了更进一步的见解。我们完全有理由为此感到自豪。在深入研究基本粒子世界前，我想向各位展示一些我们人类已经学会操纵的简单自然定律，以及已经发现的自然规律。这三个例子表明，我们认为理所当然的一些事情其实没有逻辑基础，但却在纯基础研究产生的日常应用中起着至关重要的作用。头两个问题涉及电是如何产生的，以及遗传特征在人体内何处编码。
对当今社会繁荣以及人类生活方式的最大威胁之一就是能源短缺。这个问题其实我们不常思考，但目前西方社会对能源依赖程度很高，如果没有电，不到一天整个社会的运作就会完全停滞。试着想象一下，一个标准的工作日突然停电：没有闹钟，没有灯，没有咖啡机，没有汽车，没有电梯，没有自动取款机，没有电视，没有电脑，没有收音机，没有互联网，没有电话，也没有洗碗机。你可以清楚地理解为什么能源是公众和政治辩论的热门话题。本书并不会讨论这个复杂问题的所有方面，如：地球有限的化石燃料供应、紧张的地缘政治利害关系、二氧化碳排放、绿色能源以及核能争议等。这些学科的专家对这些问题的研究可以填满一整间图书馆，并且相关辩论仍在如火如荼地进行。而我，作为一名物理学家，在此处的工作是提出一个问题，一个在上述争论中起不到核心作用的问题，但我希望每个人都能回答：如何发电？例如，如何把一个普通的煤球（烧烤架上使用的那种）变成电流？之所以现在能做到这一点，要感谢大自然通过一个简单的现象向我们揭示了这个秘密。这个看似简单的自然现象从根本上改变了人类的生活和文明。
约150年前，詹姆斯·麦克斯韦成功地用四个著名的公式描述了所有已知的关于电磁的现象，后来这四个公式也一直沿用他的名字：麦克斯韦方程组。它们证明了磁场和电流密切相关，并且解释了极为复杂的电磁现象，包括迈克尔·法拉第早期发现的一种规律，这种规律也为人类发电提供了一种方法。
这听起来可能不是很来劲，但如果你拿出一个铜线圈，并使一块磁铁穿过它，磁场就真的产生了。磁场一开始是不存在的，当你把磁铁移到线圈的中心时，磁场会变得非常强，但当磁铁被完全移除后，磁场就消失了。这个过程中导线会产生电流。这是我能用的最简单的办法，而我也不能让它更复杂了。这就是发电的原理，无论是在自行车灯里，还是在最先进的核电站中。
当你骑自行车时，你为自己的车灯发电。轮毂发电机是一根长长的、卷起来的铜线，就像长铁丝整齐地缠绕在真空吸尘器的软管上。线圈中有一块磁铁，通过一个叫作滚轮的齿轮与轮子相连。当你踩踏板时，轮子转动，磁铁也转动。根据我们发现的自然定律，改变铜线圈中的磁场会产生电流，而电流确实也流过铜线圈。然后，电流通过一根细金属线传导到灯内，使其升温并开始发光。想不到吧，就一个自行车灯也这么神奇。当然，不是不让人们赞叹高科技能源巨头，只是一座大型燃煤发电厂的运作方式与此大致相同，也是一块磁铁在一圈铜线内旋转。唯一的区别在于磁铁如何移动。在自行车上，你通过踩踏板来让磁铁移动，而在发电厂里，这项工作由涡轮自动完成，这一点倒是十分稀奇。涡轮旋转是因为蒸汽用力推动叶片，而叶片通过齿轮箱与磁铁相连。那么我们如何制造蒸汽呢？通过加热容器中大量的水。那如何加热水呢？在容器下面烧一堆煤。就这么简单！
当然，成千上万的人每天都在努力工作，确保这个过程中的每一步在发电厂中尽可能高效，所涉及的步骤比我在此描述的要多得多，但我描述的是基本原理。核电站的工作原理几乎一样，唯一的区别在于水的加热方式。在核电站中，这项工作是通过分裂重原子核（如铀）时释放的粒子来完成的。风能发电的原理也相同：风吹动涡轮的旋转叶片转动铜线圈内的磁铁。