（一部粒子物理學簡史，在微觀世界深處捕捉宇宙真相）

每發現一種較小的粒子，我們就向萬物的本質邁進一步|歐洲核子中心一線專家、希格斯玻色子研究團隊成員撰寫，《新科學家》雜誌、美國圖書館協會好評推薦

編輯推薦

★歐洲核子中心一線專家、希格斯玻色子研究團隊成員撰寫，親述粒子物理發展歷程與實驗秘辛
身為世界上少數能進入大型強子對撞機設施的科學家，伊福·範瓦爾彭是粒子物理學的頂尖專家，他在本書中詳細敘述百年來粒子物理的重大發現，同時帶領你進入神秘的「機器之王」－深埋地下百公尺、全長27千公尺的大型強子對撞機，觸碰粒子物理學的前端。

★串聯粒子物理學發展史，與諾貝爾獎大師們共同探索
燃燒的太陽、爆炸的核彈、醫學掃描成像、清潔能源供應…小小粒子對人類歷史有巨大影響。從原子的構成到基本粒子和標準模型的構建，和愛因斯坦、普朗克、費曼、希格斯等諾獎大師一起向更深、更小處探索世界的本質。

★每發現一種較小的粒子，我們就向萬物的本質邁進一步
發現「上帝粒子」希格斯玻色子是我們邁向宇宙終極之理的至近一步，是探索物質盡頭之路的巨大飛躍，本書作者親自參與研究歷程，為我們講述曲折跌宕的發現之路。而在此之後，粒子物理學的未來指向何方，作者也將給出自己的答案。

★易讀故事和嚴謹科學的巧妙平衡，即使是「科學小白」也能
基本粒子相當於樂高中最小的積木顆粒，而尋找新粒子的科學家就如同野外探險家，本書直白的語言和貼切的類比讓外行讀者也能理解粒子物理學的精妙之處。

內容簡介

如何追尋物質之源？在本書中，荷蘭物理學家伊福·範瓦爾彭邀請我們踏上通往更深、更小、更前沿之處的旅程：從原子結構的設想，到標準模型的構建，再到希格斯玻色子的發現，每當粒子物理學有所成就，我們就向萬物終極之理更進一步。從燃燒的太陽、爆炸的核彈，到醫學掃描成像、清潔能源供應，小小粒子塑造著世界的樣貌。最終，我們將走近「機器之王」——深埋地下的全長27千米的大型強子對撞機，見證粒子碰撞瞬間的奇蹟，暢想未來可能出現的新粒子和新現象，思考粒子世界帶給人類的未來啟示。

作者簡介

[荷]伊福·範瓦爾彭（Ivo van Vulpen）
荷蘭國家亞原子物理研究所的粒子物理學家，阿姆斯特丹大學物理講師。在歐洲核子研究中心（CERN），他作為少數能進入大型強子對撞機設施的物理學家加入了ATLAS實驗，參與了「上帝粒子」——希格斯玻色子的發現和研究。

目錄

序言
第一章遊戲規則
第二章原子革命
第三章標準模型中的粒子
第四章標準模型中的力
第五章發現希格斯玻色子
第六章未知之地，未知之旅
致謝

前言

「不要理所當然地覺得宇宙是存在的，因為很可能沒有宇宙。」這句奇怪、令人疑惑的話聽起來像是一篇深奧的哲學思考的開篇，又像是一場智者競賽雞尾酒舞會的開場白。其實這句話是物理學家保羅‧德容任職阿姆斯特丹大學正教授時，在就職演講上說的。在他的演講中，他回答了一個終極問題：為什麼存在？這個看似簡單的問題，其實非常深刻，但如果你只考慮“為什麼”，你就不會有太大的進步。假設有些東西，例如宇宙，碰巧存在，你可以從更實際的角度思考，例如關注這些東西到底是什麼樣子的，試圖弄清楚在我們這個奇怪的世界裡萬物運行的規律。
當然，你也可以無憂無慮地活到100歲，不去思考電流是如何產生的，水為什麼是透明的而石頭不是，太陽從何處獲取能量，或宇宙究竟存不存在。只有當你第一次（往往是碰巧）問自己「為什麼」後，你才會發現自己對身邊看起來理所當然或細碎的事物知之甚少。很多問題你只要動動滑鼠就能在網路上找到答案，但仍有許多未解之謎。不經歷一番努力，大自然不會輕易向你吐露最深處的秘密。數代物理學家，像我，將他們的畢生精力奉獻於一點一點地挖掘這些未解之謎。透過仔細研究和描述周圍觀察到的現象，我們試圖逐步找出引導我們行為的模式和大自然的潛在規則，因為只有這些才能解釋潛藏在背後的問題。
萬物是如何運作的？為什麼這麼運作？為了擴展知識面，我們必須去探索未知領域。在任何領域，打破邊界都具有不可抵抗的吸引力。人們不斷打破運動紀錄、征服自然極限，也記得那些具有里程碑意義的冒險家。吉姆·海因斯是第一個在百米短跑中跑進10秒的運動員；埃德蒙·希拉里和丹增·諾爾蓋於1953年登頂珠峰，首次登上世界之巔；雅克·皮卡德於1960年創下了人類探索海底的最深紀錄，下潛至馬裡亞納海溝10 000多米深的海底；1911年，羅阿爾德·阿蒙森成為第一個抵達南極點的人；1969年，尼爾阿姆斯壯成為首個登上月球的人。這些都是為人類拓寬想像邊界的不朽英雄。無論是現實還是精神世界，他們都拓展了我們的世界，我們也繼續循著他們的腳步，邁向下一個挑戰。
這些先驅者想要成為第一人，想要做得最快、最好，科學家也不例外。他們渴望看到邊界，設定常人覺得遙不可及的目標。他們也渴望成為回答問題的第一人，解答困擾前人多年的問題。他們前面站著無數學者，從古至今，窮盡畢生以求解這個終極且虛無縹緲的問題就是「為什麼」。
當我們將冒險和進步與「更大」和「更遠」聯繫在一起時，一些科學家卻在探索另一個極端：小、更小、最小。眾所周知，孩子往往可以用樂高積木拼出不可思議的結構，從一座簡單的塔或城堡到一個巨大的太空船或整個奇妙世界。但無論他們拼出怎樣的造型，都是從一小塊積木開始的。大自然中，我們也發現了同樣的規律。我們身邊所有構成複雜的物體，從恆星到人類，從水滴到病毒，都是由一個個相同的小的結構單元組成的。那些研究構成大自然基本粒子的科學家被稱為粒子物理學家，目的是研究這些粒子如何錯綜複雜地組成日常生活中的事物。這是一場冒險，一場驚心動魄的發現之旅，就像沿著一條旋轉樓梯，一步一步深入宇宙的奧秘。
本書講述了科學家孜孜不倦探索科學的故事。數百年來，他們追尋大自然最小的結構單元和這些結構單元的內部組成。這種探索有時就像一個無窮無盡地重複提出問題、回答問題和提出新問題的循環。當然，我們也確實在不斷地向最終的答案靠近，但迄今為止，我們對大自然的理解中，還有一個令人印象深刻的發現，即宇宙及其規律是非常瘋狂的，這一點毫無疑問。
數百年來，和考古學家不斷向更深的地下挖掘一樣，我們也沿著旋轉樓梯慢慢地向下深入。每一次的新發現就像是發現了新大陸，帶來了豐富的知識和寬闊視野，從而讓我們對大自然有了革命性的認識，對古老的問題有了新的答案。然而，新發現也帶來了新問題，人們發現了更深處的秘密，有了新的期盼和夢想，很明顯，我們還沒有走到頭。
在本書中，我會帶領各位順著這條旋轉樓梯往下走，一步步深入我所熱愛的粒子物理學的世界。但我們必須仔細謹慎，因為這是一個肉眼看不見的世界，受到一些看似神奇的行為和科學儀器的控制，例如量子力學、相對論和粒子加速器等。這些術語對於不了解物理的人來說可能聽起來很高大上，但先別急著放棄，我為那些對報紙中描述的新發現感到好奇的人寫下了這本書。當我們沿著大自然這條旋轉樓梯往下走時，我不僅會向各位介紹一路的發現，還會展示我們是如何邁出每一步的，以及這些發現如何改變了社會。
即使古生物學家從未見過恐龍，未來也不會有人看見，但透過檢查恐龍骨骼和其他遺骸，我們能了解一個將近1 億年前消失的世界。粒子物理學家做著類似的工作，我們所探索的世界似乎已經遠遠超出人類所能達到的範圍，就像恐龍對古生物學家一樣遙遠。因為我們感興趣的世界比肉眼可見的世界小了幾百萬倍，以至於人眼無法直接看到。但是，透過仔細地將粒子間的碰撞殘留物整合在一起，正如古生物學家將鬆散的恐龍骨骼組裝成完整的骨骼一樣，我們可以深入這個微小的世界。
隨著科學家不斷創造出思考這些問題的新方法，通往了解宇宙基礎的不懈探索也將科技的發展推向一次又一次的極限。儘管很少有人真正掌握這些新發現產生的數學公式及其更深層的含義，但為實現這一目標而誕生的發明和技術已無處不在。實際上，這些已成為我們現代社會架構的一部分。如果沒有相對論，就沒有GPS（Global Position System，全球定位系統）；沒有量子力學，就沒有電腦晶片；沒有反物質，就沒有PET（Positron EmissionTomography，正子斷層）掃描儀來定位腫瘤；沒有粒子加速器，就無法照射發現的惡性腫瘤。
科學的這一分支與人們對它的一貫印象——佈滿灰塵的實驗室裡坐著一位孤獨的老科學家——相去甚遠，反而更像一家跨國企業，每個國家的科學家，無論國別，都在這家大型跨國研究機構裡拋棄偏見共同合作。位於日內瓦的CERN（European Organization for Nuclear Research，歐洲核子研究中心），即歐洲粒子物理實驗室，就是一個這樣的組織。它不僅是一個研究所，也是一項大規模的社會學實驗。因為說服幾個各執己見的物理學家在一起合作就已經很不容易了，更不用說來自一百多個國家的數千名物理學家了，但是，多虧了他們的共同夢想——希望更多地了解宇宙的基本構成要素以及它的過去和未來。因此，這些奇怪的物理學家已經千方百計地將我們的知識前沿成功地向前推進，並發掘出一個又一個新的秘密。
粒子物理學是一場冒險，在這場冒險中，科學家渴望獲得關於宇宙運轉的重大問題的答案，本書會向各位展示我們已經走到了多麼驚人的程度。儘管現實的最深層揭示了，宇宙中的物質是由幾個不同的基本構成要素組成的，但也讓我們面對令人困惑的模式和現象。例如，2012 年，我們發現行星與和恆星所處的真空並不是真正的空，而是充滿神秘的能量場。一個賦予所有基本構成要素質量的場，使它們聚集在一起成為太陽和地球等物體。然而，仍有許多事情尚不清楚。是什麼機制支撐我們在基本粒子世界中發現的神秘又無誤的模式運作？那宇宙本身的起源又是什麼？我們對此仍然一頭霧水。在某個地方一定有一扇隱藏的門，通往更深層的基礎構成，一個更深刻的真理，足以回答這些懸而未決的問題。但是，那扇門在哪裡？怎麼通往它？出發吧，我們一起去尋找！

媒體評論

★ 希格斯粒子的發現何以成為當代物理學的救星－這是本書的核心。要解釋這個問題，在盡可能簡單易懂的同時也具有必要的挑戰，範瓦爾彭是熟練的闡釋者，他總是意識到必須具體實際，這樣才不會在閱讀過程中失去外行讀者。 ——《荷蘭人民報》

線上試讀

我從一位同事那裡聽到一個很好的比喻，它很好地解釋了科學家分辨自然法則和建構理論的挑戰性。想像你現在是一個剛登陸地球的外星人，在這個令你感到處處是驚喜的星球上，你看到的幾乎都是機會，但你決定係統性地從一些簡單的事情開始。所以，你問自己：「這個星球上每個國家都在玩的足球，它的規則是什麼？」這是一個明確的問題，似乎很容易回答。但有一個條件：你想看幾場比賽就看幾場，但你不能和任何人談論或閱讀任何關於這個主題的東西，你能做的只是看。花一分鐘的時間去思考，然後問自己要花多久時間才能想出完整的規則清單。
你可能很快就會發現，有兩支11 人的球隊，整場比賽在最外圍的白線之內進行，球員在45 分鐘後換邊，比賽的最終目標是把盡可能多的球踢進對手的球門。但那兩個球員是誰？他們每邊一個，很少跑動，穿的衣服和他們的隊友不一樣，而且還被允許用手觸球。你要花多久時間才能弄清楚那兩個拿著小旗在足球場邊跑來跑去的人在幹什麼，或了解什麼是角球、越位、換人、一些比賽結束時突然的加時賽、賽場上奇怪的線條和點球等？想像一下，要發現所有的規則是多麼困難，但即便如此，如果你有動力並願意投入大量的時間，這也不是不可能。科學家面臨同樣的挑戰，但這次，賽場是我們身處的世界。大自然可不會「免費」洩漏它的秘密。只有仔細觀察，設計出正確的實驗向大自然“提問”，我們才能弄清楚哪些現象存在。只有這樣，我們才能逐步破解自然界的法則。
順便提一下，從來沒有人說過規則必須合乎邏輯。事實上，自然定律並不符合日常邏輯，它兩個並不是一回事。量子力學和相對論，我們將在本書中提及的這兩個著名的理論，都非常奇怪。在某種意義上，你可以把它們比喻為足球中的越位規則。雖然很荒謬但真實存在，畢竟這只是比賽的方式。一旦你接受了這項規則，那麼在邏輯上，只有某些進球才算數，有些則是無效進球。同樣，相對論和量子力學等理論背後那些匪夷所思的原理完全是違反直覺的，可一旦你接受了，它們便能解釋我們從原子尺度觀察自然時看到的所有奇怪而復雜的現象了。理論是對的。但合乎邏輯嗎？並不。
透過研究這些奇怪的理論，我們學會瞭如何在日常生活中應用它們。目前，奈米技術和量子計算領域的許多研究和進展，完全建立在量子力學這一獨特的理論基礎上。儘管根據該理論，許多實驗結果和觀察到的現像是「合乎邏輯的」（換句話說，它們可以用量子力學中的奇怪定律來解釋），但地球上沒有一個科學家能解釋為什麼世界會遵循量子力學定律。例如，一個粒子怎麼可能同時處於兩個地方，或處於我們尋常世界中無法想像的糾纏狀態？就像你不可能同時處於懷孕和不懷孕這兩種狀態，但在量子世界裡，這種混合態卻是非常正常的。
一個理論越成功，就越有助於我們理解這個陌生世界的規則和定律，但同時，無法解釋邏輯框架的基本構成也令人十分沮喪。所以在這種情況下，我們已經從理解「怎麼樣」直接跳到發掘「為什麼」：為什麼世界會遵循量子力學定律？一旦我們踏出這一步，問題就從量子力學「 如何運作」轉移到量子力學「為什麼能運作」。換言之，這立刻引發了一個新的問題。可憐的科學家總是在追逐不斷變化的目標。不過他們永不停歇的好奇心為社會帶來了巨大的財富，因為由他們的工作所產生的創見和應用已經成為現代文明的基石。儘管如此，如果你一直不停地問“為什麼”，那麼即使是地球上最聰明的科學家也會很快“啞口無言”。
在過去的100多年裡，基本粒子物理學家一步一步地試圖接近原子核的最深處。在冒險過程中，我們取得了一些重大進展，對宇宙中所有物質的基本構成要素、基本粒子以及自然界的基本力量，都有了更進一步的見解。我們完全有理由為此感到自豪。在深入研究基本粒子世界之前，我想向各位展示一些我們人類已經學會操縱的簡單自然定律，以及已經發現的自然法則。這三個例子表明，我們認為理所當然的一些事情其實沒有邏輯基礎，但卻在純粹基礎研究產生的日常應用中扮演至關重要的角色。前兩個問題涉及電是如何產生的，以及遺傳特徵在人體內何處編碼。
對當今社會繁榮以及人類生活方式的最大威脅之一就是能源短缺。這個問題其實我們不常思考，但目前西方社會對能源依賴程度很高，如果沒有電，不到一天整個社會的運作就會完全停滯。試著想像一下，一個標準的工作日突然停電：沒有鬧鐘，沒有燈，沒有咖啡機，沒有汽車，沒有電梯，沒有自動櫃員機，沒有電視，沒有電腦，沒有收音機，沒有互聯網，沒有電話，也沒有洗碗機。你可以清楚地理解為什麼能源是公眾和政治辯論的熱門話題。本書並不會討論這個複雜問題的所有方面，如：地球有限的化石燃料供應、緊張的地緣政治利害關係、二氧化碳排放、綠色能源以及核能爭議等。這些學科的專家對這些問題的研究可以填滿一整間圖書館，相關辯論仍在如火如荼地進行中。而我，身為物理學家，在這裡的工作是提出一個問題，一個在上述爭論中起不到核心作用的問題，但我希望每個人都能回答：如何發電？例如，如何把一個普通的煤球（烤肉架上使用的那種）變成電流？之所以現在能做到這一點，要感謝大自然透過一個簡單的現象向我們揭示了這個秘密。這個看似簡單的自然現象從根本上改變了人類的生活和文明。
約150年前，詹姆斯·麥克斯韋成功地用四個著名的公式描述了所有已知的關於電磁的現象，後來這四個公式也一直沿用他的名字：麥克斯韋方程組。它們證明了磁場和電流密切相關，並解釋了極為複雜的電磁現象，包括在邁克爾法拉第早期發現的一種規律，這種規律也為人類發電提供了一種方法。
這聽起來可能不太來勁，但如果你拿出一個銅線圈​​，並使一塊磁鐵穿過它，磁場就真的產生了。磁場一開始是不存在的，當你把磁鐵移到線圈的中心時，磁場會變得非常強，但當磁鐵完全移除後，磁場就消失了。這個過程中導線會產生電流。這是我能用的最簡單的辦法，而我也不能讓它更複雜了。這就是發電的原理，無論是在自行車燈裡，還是在最先進的核電廠。
當你騎自行車時，你為自己的車燈發電。輪轂發電機是一根長長的、捲起來的銅線，就像長鐵絲整齊地纏繞在吸塵器的軟管上。線圈中有一塊磁鐵，透過一個叫作滾輪的齒輪與輪子相連。當你踩踏板時，輪子轉動，磁鐵也會轉動。根據我們發現的自然定律，改變銅線圈中的磁場會產生電流，電流確實也流經銅線圈。然後，電流通過一根細金屬線傳導到燈內，使其升溫並開始發光。想不到吧，就一個自行車燈也這麼神奇。當然，不是不讓人們讚歎高科技能源巨頭，只是一座大型燃煤發電廠的運作方式與此大致相同，也是一塊磁鐵在一圈銅線內旋轉。唯一的區別在於磁鐵如何移動。在自行車上，你透過踩踏板來讓磁鐵移動，而在發電廠裡，這項工作由渦輪自動完成，這一點倒是十分稀奇。渦輪旋轉是因為蒸汽用力推動葉片，而葉片則透過齒輪箱與磁鐵相連。那我們要如何製造蒸汽呢？透過加熱容器中大量的水。那如何加熱水呢？在容器下方燒一堆煤。就這麼簡單！
當然，成千上萬的人每天都在努力工作，確保這個過程中的每一步在發電廠中盡可能高效，所涉及的步驟比我在此描述的要多得多，但我描述的是基本原理。核電廠的工作原理幾乎一樣，唯一的差別在於水的加熱方式。在核電站中，這項工作是透過分裂重原子核（如鈾）時釋放的粒子來完成的。風力發電的原理也相同：風吹動渦輪的旋轉葉片轉動銅線圈內的磁鐵。