导语

  

    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。

内容提要

  

    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。

    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

前言

  

    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。