乔恩·巴特沃思是内行中的内行。作为一名前沿
物理学家，他的叙述充满了对其科学研究的深刻洞见
。
——《自然》杂志
作为欧洲核子研究中心的一位杰出物理学家，作
者将和我们同游亚原子世界，并向我们解释沿途所看
到的电子港口、玻色子大陆和强子岛。
——《纽约时报》书评
乔恩·巴特沃思能熟练地处理好最为棘手的理论
，并让科学家和科普读者都赞叹不已。
——《出版人周刊》

关于本书地图的说明
前言：探险开始
第一次探险 现实不似你所见
1.扬帆起航
2.更有趣的世界：波
3.传播光的小包裹：光子
4.为何质量越大，体积越小？
第二次探险 进入原子之地
5.复杂而美丽的景色
6.汤姆逊的巧妙实验
7.充满戏剧性的发现
8.元素的琴弦
第三次探险 神秘的轻子岛
9.现实中的“魔霸”：万物皆力
10.优雅的数
11.给薛定谔的方程“加点料”
12.最惊人的存在：反物质
13.上帝的魔术手：最可能发生的就是什么都没有发生
中途休息
引力：宇宙间最神秘的力量
没有它，你我将可能坍缩成一坨坨“果冻”
变弯的“直线”
诡异的量子世界
引力波之谜
第四次探险 了不起的夸克岛之旅
14.有趣：错误和正确的认知被互相搅和在一起
15.难以拼凑和驾驭的“积木”
16.量子真空中的奇怪现象
17.上帝很疯狂？NO！夸克更疯狂
18.复制……永不停歇的复制
第五次探险 俯瞰“宇宙”
19.物理可以如此性感：出双入对的“粒子恋人”
20.送盒巧克力给外星人，他们能吃吗？
21.“设计者”的大智慧——宇宙中的小概率错位
22.世界的一半是物质，而另一半是反物质？
第六次探险 危险的中微子地带
23.让人不安的现实：它们明明存在，你却无法触碰
24.2/3完全隐形的阳光：标准模型的根本性变革
25.宇宙演化的解释者：中微子荒原上的新发现
第七次探险 进入玻色子国
26.假如同时改变世界上所有地方的电压
27.对称性仅仅是个美好的巧合吗？
28.“任性不羁”的行为一直在发生
29.质量和隐藏的对称性
30.感谢“质量”相差那么多吧，这样世界才稳定
31.寻找希格斯粒子
第八次探险 那些令人匪夷所思的猜想
32.为什么要继续前行？
33.线索和限制
34.假如暗物质真的存在
35.一个诱人的传说
36.进入另一个维度
37.静止的橄榄
38.第五种力
39.另一种宇宙假说
延伸阅读
致谢
译名对照表

我们的船虽然不大，但是经得起风浪。招募的船员虽然是临时拼凑起来的，但是其中既有专业的物理学者，也有充满探索精神的业余爱好者。在船和船员都到位之后，我们便扬帆起航了。船舱内带有干粮、混杂的科学仪器和一把吉他。此行我们需要证实一些理论，也需要采集数据。希望我们能像乘坐贝格尔号旅行的达尔文一样，借由一次去遥远国度的旅途来提升自己。
我们将从西边驶进看不见的神秘海域。在地图上看，最西面的边缘上是人类可见尺寸的物体。随着我们向东航行，我们将逐渐缩小。从船头眺望，映入眼帘的或看到的是物质的核心。就这样，我们会把那些寻常隐形的事物一一勘测。
大多数物体都是由更小的物体组成的。我们的船是由木头、金属、玻璃等材料组成。同时，我们能轻易看出，这些材料本身也是由更小的物体组成的：木片、玻璃纤维、塑料等。棉线粗细的玻璃纤维是由硅组成，而每一股玻璃纤维是由与氧原子结合的硅原子——每一个硅原子和两个氧原子结合而成的二氧化硅分子——组成。硅原子的直径是一股玻璃纤维直径的十亿分之一。假如每个硅原子都有船上厨房里的绿豆那么大，那每条玻璃纤维的直径就和地球的直径差不多。
每个硅原子由1个被14个电子包裹的原子核组成。每个电子含有1单位负电荷。因为原子核含有14倍于电子负电荷的正电荷，所以14个电子被它吸引。我们对这个构造并不陌生——太阳系有8颗行星（还有一些岩石和太空垃圾），它们以太阳为中心环绕运行。人们很容易把硅原子想象成一个微小的太阳系，有14个小的电子行星围绕原子核运行。但是，我们即将发现，电子并不是小行星。事实上，它们和行星相比是全新的、截然不同的物体。
随着我们的船东行，我们自身的尺寸在不断缩小，周围的世界也随之改变。在这片土地上，大多数我们根据从前的经验预测出的物理法则，事实上只在通常情况下才被遵守。而且，我们会遇到的电子，还有其他粒子，都与我们在西边所能看见的物体有极端不同的特质。
因此，观察越来越小的物体组成结构需要越来越高能量的——按效果来说就是显微镜——粒子束发射器。具体原因除了和上面提到的现象有关，在以后的旅程中也会越来越清晰。这也意味着，微观科研的前沿同时也是高能科研的前沿。粒子物理研究中高能量的关键在于如何将能量集中在一个很小的空间，或者同样的，如何将能量集中在少量的粒子中。因此，一张描绘了高能、微距世界的地图也将揭示极早期宇宙的物理信息。大爆炸发生之初，宇宙处在极其高温和高压的状态。在最初的时刻，任意空间范围内的能量都足够大，以至于所有物质都以其最小组成部分的形式存在着。
想要理解以上的所有概念，我们首先需要认识这个奇妙新世界的“原住民”们。在一个原子里能找到什么？当前，我们只知道我们要找的家伙会非常小，且需要消耗很多能量才得以接触。但我们要去往哪里？在我们驶向的陌生海域里，适用的物理法则，如果存在的话，是怎样的？开始第一次旅程的地方是一个相对而言比较安全的港口——电子港。对岸是无名岛屿的陌生海岸，和我们遥遥相望。
P4-6

本书讲述的是构成宇宙的最基本物质，但构成宇宙的最基本物质却是人们用肉眼看不见的，作者从一个被无限切割的苹果出发，逐步带领读者进入原子、电子、轻子、质子、中子和原子核、中微子、玻色子、希格拉粒子等物理世界。随着科学家探索的不断深入，从平常的物理学常识到最前沿的科学研究，从最小的粒子到黑洞和暗物质，延伸至宇宙的外层空间和人类知识的前沿，我们进入到了一个肉眼看不见的世界。
本书席卷英美，是年度现象级科普畅销书，英国《星期日泰晤士报》年度最佳图书，美国版上市即荣登亚马逊月度非虚构畅销榜榜首。

探险开始
请设想这样一个实验：拿一个苹果，然后把它切成两
半，然后再把它切成两半，再切成两半，然后持续地切下
去。你最终会得到什么？或者，换一种更平和的方式，请
以不断靠近的方式观察一个苹果：什么样的物质结构会显
现？万物是否都是由一小套共用的积木——我们称它们为
元素，或者原子——排列组合而成？如果是，那当我更靠
近去看这套积木时会怎样？它们是不是由更小的东西组成
的呢？最终揭露出来的是这样一个世界，一个住着许多稀
奇古怪的粒子的世界。在这个世界，从我们无知的海洋中
浮现出点点新奇的岛屿，它们由通信网络连接着。这个世
界的景色从诸如苹果之类的日常可见之物开始，逐渐延伸
至难以想象的荒野边缘。
我们将开始一段从苹果到微观世界的旅程。我们会需
要一艘极其精巧的船，它将承载着显微镜、粒子加速器和
其他能将我们的视野扩展至肉眼无法企及的原子内部甚至
更远的机械装置。我们能航行多远？这个看不见的世界有
没有尽头？存在构成万物的、无法分割的粒子吗？或是，
我们会不停地走下去，不停地发现更小的东西，不停地向
更东边的海域航行吗？这些问题已经被讨论了几千年，物
理学的目标之一就是解答它们。而它们的答案，至少是我
们目前所知道的全部答案，将在我们即将探索的新奇的、
看不见的新世界中被找到。
问题的本质
研究微观物体的科学一般被称为“粒子物理学”。它
没有完美无缺的名称，而这个名称在很多方面都容易令人
困惑。“粒子”这个词就有潜在的误导性。物理学家们也
研究沙石、污染颗粒和尘土——宇宙和大气中的粒子，以
及其他小块团状物，而这些粒子与最终构成万物的基本积
木完全无关。
有时“粒子物理学”也被称为“基本粒子物理学”，
以将该学科和复合粒子的研究区分开来。但这其实并没有
消除误导，因为质子和中子——粒子物理世界中非常重要
的微小粒子——也不是基本粒子。未来的某一天，我们甚
至可能会发现当前理论中的基本粒子也并不基本，即使研
究它们的学科肯定是“粒子物理学”。科研组和高校课程
也十分嫌弃“基本粒子物理学”这个称呼，因为它让这门
学科听起来过于简单。选修“基本粒子物理学”这门课的
学生，面对我们即将去寻找的粒子的相关方程式，很可能
会被震惊到。
人们经常使用高能物理作为替代来描述这个学科，而
且粒子物理最直接的研究方法——在大型对撞机中使粒子
互相冲撞并观测反应——确实需要很多能量。但另一些重
要的实验却需要我们去寻找极其稀有、能量也极低的粒子
。为了尽量避开微弱的噪声，物理学家把探测器藏在了地
底深处。这样，每一次极其微弱的能量波动就都是由能量
干扰或激发造成的。虽然这些极低能量的实验间接告知了
我们一些高能条件下才会发生的状况，但是称其为“高能
物理”还是会感觉有些别扭。
……
当然，标准模型并非一成不变，新数据的出现可能会
使它产生变化。但是，它的可适应性并不影响它的优雅度
、有效性和广泛的应用范围。它包含了真理——只不过并
非全部的真理。
本书将带你踏上一次对真理的探索之旅，或者更准确
地说，一次对人类当前已知的全部真理的发现之旅。
本书将带你踏上八次也可能是八次半的探险行动，深
入到物质宇宙的中心。这些探险行动将深入挖掘构成物质
的最小组成部分，检视它们如何运作（它们时常会表现得
很奇怪），并且辨别使它们结合和分开的力量。这些微观
积木充斥在我们生存的世界和宇宙中，小到分子、日常生
活中的有形之物，大到漫天的繁星和遥远的星系，都是由
这些积木构筑而成。
在我们探索物理知识的新领域时，新发现的领域将会
被命名，并且会根据它们的相互关系将其绘制在地图上。
夸克、玻色子、强子等粒子将被排列在一个图像化的词汇
表中。这个词汇表将提供一个梳理标准模型理论中的概念
的框架。在途中，虽然我们遇到的景象有时可能看起来有
些无厘头，但它们的背后已有我们当前最可靠的证据。虽
然以我们当前的认知水平来看，标准模型里的一些内容像
是有人随手设定的，但是它的其余部分内涵深刻，且和任
何之前的同类型理论相比，整体结构都极其精致、简约。
在启程前，我们也需要明白，我们的旅程路线只是前
往科学前沿的一个可能。我们在探索的过程中采取的是化
繁为简的方式，所以并不是所有的谜题都会有答案。换句
话说，即使我们在探索中揭示了所谓的“万有理论”，它
也仍有许多解答不了的谜团。无论粒子物理研究将发现怎
样的组成万物的最小粒子，我们都已经知道，它们的相互
作用和极大数量时的宏观表现蕴藏了深刻的物理定律和复
杂的运行规律，而这些所谓的“基础”定律未必都能解释
得通。新的物理知识——还有化学、生物等其他学科的知
识——将在这些复杂的情境中诞生。尽管如此，对于物质
最小尺寸下的结构研究是极为重要的，这也是科研中最令
人兴奋的前沿之一，而那就是我们要去的地方。主宰万物
的理论优美而令人目眩神迷，我们将通过绘制导航图，揭
开它神秘面纱的其中一角。
另外，我们的地图就像任何拓荒者的导航图一样，是
有边界的。标准模型理论或许是完整的，但我们对于物理
的理解却不是。请小心海怪的袭击和海妖的诱惑，让我们
一起踏上寻找答案的旅程，驶向神秘的未知。

宇宙究竟是由什么组成的？我们从何得知？跟着本书来寻找答案吧……
从原子出发，到黑洞、引力波、暗物质，甚至宇宙的边缘——人类认知的前线，作者用基本粒子解开宇宙之谜。
构成宇宙的最基本物质是我们肉眼看不见的，本书会带领我们揭开它的神秘面纱，一窥隐匿的宇宙的魅力。当我们的尺寸缩小到比原子还小的尺度之后，我们将进入这一妙不可言的科学世界——粒子世界。让我们跟随前言物理学家乔恩·巴特沃思，一起踏上寻找原子和夸克、电子和中微子，还有形成了当今宇宙的基本力的奇妙之旅吧。