作者：[英]本·米勒
出版社：北京联合出版有限公司
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八堂极简科学课试读：
让人人都能读懂热门科学话题
我是科学的超级粉丝，但是首先我得承认科学里的很多东西都提不起我的兴趣。让我兴奋的—我想也是让你兴奋的—是那些重要的东西：DNA，黑洞，外星人和宇宙的尽头等。所以，这本书想要达到的是一般科普书很难达到的：我们只想吃比萨上面的馅儿，却不吃下面的面饼。当然面饼只是个比喻，它指的是纸带打点计时器（你要不知道是什么东西，就当我没说），渗透作用（生物老师和渗透作用到1底有什么瓜葛？），还有任何跟牛轭湖相关的东西（可能只是我不喜欢吧）。除非那些细节很让人着迷，否则我们是不会深究任何细节的。我们讨论的都是大轮廓。我们会谈一些最酷的知识。你和科学先生/小姐会对对方的缺点视而不见，然后展开一场狂野、热情的罗曼蒂克之旅。
当你开始这段让人激动的感情之旅时，我知道你（在某种意义上）受过伤。科学以前伤害过你。当然，一开始它并不是这么对你的。在你还是个小孩子的时候，你和科学彼此倾慕。毕竟，哪个两岁孩子不会对月亮和星星感到好奇，在自然博物馆里不会大胆地去拍打所有他能拍到的按钮？
而当你慢慢长大的时候，你们之间的关系却变得紧张起来了。虽然你也试图去接近去沟通过，但是科学却让你困惑，敷衍你。最糟糕的是，它让你觉得无聊。同时，人文艺术学科——用他们自由主义的手段——不知羞耻地勾引着你。可能还有同学之间的压力，这种压力对于青少年来说也是不可忽视的。你的朋友咯咯地笑着说，科学太死板了，一点也不酷。你努力地与之抗争着。有可能，看在过去与它有过愉快经验的份上，你做出了最后的努力，看看有没有回旋的余地——你可能参加了自然科学的预科课程——在这段时间里，你又重新找到了些感觉。可惜好景不长，离开大学后你再也没碰过科学，从此与它成了陌路人。
科学对你来说，是未了的心结。
当然，过去的激情对你现在来说已经没有什么直接关系了。在每天的生活中，你可能不需要放下眼前的工作，跑去寻找所谓的上帝粒子，也就是希格斯玻色子。不管存在多少个宇宙，孩子们还是得上学，账单还是得交。不管我们是否正慢慢落入一个巨大的黑洞（事实上，我们确实在落入一个巨大的黑洞），墙上的照片还是得挂上去，邮局的包裹还是得去拿。但是，你的内心还是难以平静，你的某些部分总是忘不了科学世界曾经是多么令你激动，而且你会忍不住想没准儿还能做出最后一次可笑的尝试，跟已经失去联系的老朋友重新接上头。
好吧，我就是来帮你完成这个心愿的。
我完全没有怪你未能坚持科学之路。我认为你做出的选择——你所承担的责任，你所经营的生活——都是值得尊重的。我只是在想，你和科学还是可以建立平淡友好的关系，并从中获益的。这样的话——下面这个比喻可能有点牵强，不过请暂且发挥一下想象力——就把这本书想象成我家里的钥匙吧。我的这个家装修得很豪华，冰箱里装满食物，而且我除了周末也很少回家。我很欢迎你和科学随时大驾光临。如果有人问起你们俩在房间里做什么，我就会一口咬定，说你们从来没有离开过我的视线，每个晚上我们都是三个人在2一起，观看着带字幕的东欧电影——或者读着维吉尔的拉丁文原著：你觉得哪个可信就说哪个。
我看到你的眼神中闪过一丝不赞同。可别把我想歪了，我不想拆散你的幸福家庭。事实上，我完全不想插手你的家庭事宜。我只是建议，为了享受更多幸福，你应该把天窗打开，看看外面的星星。
1.在平原地区流淌的河流，河曲发育，随着流水对河床的冲刷与侵蚀，河道愈来愈曲，最后导致河流自然截弯取直，河水由取直部位径直流走，原来弯曲的河道被废弃，形成湖泊，因这种湖泊的形状恰似牛轭，故被称为牛轭湖。
2.维吉尔（Publius Vergilius Maro），公元前70年—公元前19年，古罗马诗人。
第一课：趣味科学初体验
人真的是由星尘组成的你知道我们都是一颗颗的星星吗？哦，我并不是想要模仿西蒙·1考威尔发掘的那种才华横溢又喜欢说“我要把这首歌献给我离去的奶奶”的明星。我是说，人，我们这些有血有肉的人，真的是由星尘所组成的。这听起来好像是那种荒诞的科幻小说—但是从科学的角度来看，这确实就是我们居住的这个世界的样子。
让我给你解释一下吧！你，跟所有你身边的事物一样，都是由原子组成的。你可以把原子想象成这个世界最基本的构成单位。在你中学的教室墙上可能挂有一张叫作元素周期表的图表，它把原子按照大小顺序排列了起来：最小的，比如氢和氦，在最上面；而那些大的，比如铅和铀，则在最下面。你也许还隐约记得这些原子是由更小的元素组成的。确切地说，在原子的中心有一个又小又密，而且带正电的原子核，它被一群带负电的电子所包围。那么，你有没有好奇过，这些原子是怎么形成的呢？
尽管这听起来很不可思议，但答案就是，它们是在恒星内部形成的。恒星之所以会发光，是因为它们内部正进行着超大规模的核聚变反应，小的原子核聚合形成大的原子核，同时以热和光的形式释放出巨大的能量。恒星越大，它所能制造的原子核就越大。当你得到了一个原子核之后，你只需要随意点缀一些电子在它旁边—说实话，电子真的太多了，到处都是—你就创造出了一个漂亮的、有活力的、电中性的、不折不扣的原子。
一颗恒星如果跟太阳差不多大小的话，它应该算是小的。这就是说，它只能够制造出较小的原子，比如氦。大一点的恒星可以制造大得多的原子，比如铁和碳—你我的身体就是由这些东西构成的。那么，这些大的原子是怎么从恒星的内部进入我们的身体的呢？
答案是：大型恒星的生命周期会结束于一场巨大的爆炸，也就是2被诺埃尔·加拉格尔称之为超新星的事件中结束，这是一场巨大的爆炸，它将恒星的碎片从星系的一头甩到另外一头。几十亿年以后，这些碎片因为引力慢慢聚集起来，有时形成新的恒星，有时形成行星。在这些行星上，只要条件齐备，生命就会诞生。
换句话说，组成我们身体的原子都是几十亿年以前，在一些不掺假的、百分百真实的恒星之中形成的。这些恒星华丽地爆炸以后留下的残骸和碎片形成了许多行星，而生命就在我们的行星—地球上诞生了。这就是科学。它很宏大、很无畏，而且根据我到目前为止所做的每一次实验测试—它是正确的。如果这些确实能让你内心激情澎湃的话，那么本书就是为你而写的。好玩的数学
就像喜爱自然科学一样，我也一直很喜欢文艺，而且我一直都觉得很奇怪—也是我写这本书的原因之一—为什么这两个领域会被某种奇怪的学科隔离制度分割开，分为文科和理科？若总结一下我们今天对这个隔离制度的解释，你可能会说：文艺像是带有一种贵族的、皇家的气质，而科学则展现得更加平等、更直白、更清教徒一些。我们有时候会觉得，自己总是位于这些文化轨迹的两侧，而这两侧表现在文化主流之中的形象要么是浮夸、充满空想的创造者，要么就是不修边幅、难以接近、无法融入社会的技术怪才。
无须多说，这种分割是一种非常现代的发明。举个例子说吧：复辟国王查理二世是花花公子中的极品，然而，他对科学的爱好也是其他国王所不能比的—相反，谁都很难想象哪个人会比奥利弗·克伦威3尔更不可能去解剖青蛙或者是释放气象气球。但是，整个教育系统却似乎完全接受了这个现代“神话”，好像我们生来注定要么是艺术家，要么是科学家一样。人类的两种智能有可能真的分两类，一种可以写出漂亮的俳句，另一种则可以完美地操作一套化学仪器。为什么科学会让少数人对它极具热情，却让多数人认为它高深莫测？
我认为这跟你最开始同科学打交道的经验有关，而我则非常幸运地遇到了一位最棒的自然科学老师。我们叫他巴利老师。他在维拉斯顿县小学教给我和小伙伴们的知识，我在成人以后还记得很清楚。如果你愿意听的话，我想跟你分享一下，我是如何在他的影响下开始学习自然科学的。
维拉斯顿并没有什么特别的地方，我的童年是在这里度过的。村子里有五六个商店，好像都在卖报纸；一个铁道平交路口，成了当地最大的娱乐消遣聚集地；几个沥青混凝土路面的游戏场地，地底下早就镶嵌了不同年代的孩子在这儿玩耍时摔断的牙齿；还有一个很大的住宅区，它为柴郡数以百计的年轻家庭提供了最基础的居住条件，我家就是住户之一。
维拉斯顿县小学当时是一个新建的学校，目的就是照顾这一大片毫无特点的住宅区里的孩子；它也是“现代的”—在1971年，这个说法只意味着这个房子有一个平顶而已。如果你还没理解我的意思，我可以告诉你，我实际上在描绘一个非常普通的公立学校，在英格兰的任何地方都可以找到，它在任何方面都毫无特点。但我认为，维拉斯顿县小学的课堂非常与众不同，而这全都要归功于我们那位不落陈套的副校长。
巴利先生并不像一个学校老师，他非常惹人注目，身材修长，灰4黑相间的头发，整齐的小胡子，而且有着跟Basil Brush类似的着装风格。他对什么都很感兴趣，喜欢去野外旅行，最喜欢向人们讲述奇闻轶事。但在他所有的爱好中，有一个是最突出的：数学。5
数学，巴利老师说，是一个仅次于英国斗牛犬的好玩儿的东6西。他教给我们的第一个知识就是数基。读者中间对于数学不太精通的人可能觉得自己对数基一无所知—但是实际上你是知道的。而且事实上，你绝对是某一种数基的十进制的专家。就像巴利老师解释的，我们之所以可以数到十，然后再以十的倍数来数，是因为我们有十个手指头。但是为什么不再继续往前数了呢？巴利老师问道：我们为什么不（只是为了好玩儿）以八为我们的数基呢—就好像我们跟米老鼠一样，只有八根手指？十六进制也不错啊！
我想说的是，从我们第一次接触到数字开始，他就鼓励我们把数字看成是可以动手和玩耍的东西。事实上，巴利老师为我们制作的木块数基套装，在学校里可跟乐高积木和沙坑一样受小朋友们的欢迎呢！对巴利先生来说，数字并不只是一个没用但又必须得学的东西；它们实际上是一种娱乐消遣。而且，虽然当时他不可能知道，但是数基知识对一群使用着基于二进制的—我们现在称之为数位—电脑的孩子们来说，是非常有用且非常重要的。
巴利先生会为他教过的任何一个孩子都举办一个“仪式”—在他通过乘法表执照考试的那天举行。这跟考驾照的形式很像。我们拿两把椅子并排放着，你的一个同学充当考官坐在你旁边，用乘法口诀表来考你。如果你以全对通过的话，那么我们就会举办一个正式的仪式。我们会在一个看起来很正式的小册子上签名，然后把你的照片贴在封面上。册子上面会用印刷字体发表如下的声明：“本·米勒，签名如下，经由菲利普·巴利测试并证明，已经精通乘法表1到13，从今以后可随意使用它们，直到永远。”
有时候，巴利老师会进行抽查：“不好意思，年轻人。我看到你在做乘法，你拿到乘法表执照了吗？”
接下来就是对这个“重要文件”的一通乱找：“在这儿呢，老师！”
而巴利老师就会像一个极负责任的边境哨兵一样检查这份证件：“很好！继续吧。”
巴利老师最钟爱的数学标准之一，就是那种让人不敢苟同且玩世不恭的数学高手的态度。“数学家，”巴利老师会说，“是很懒的。”据他估计，计算人员是不想去给一大堆数字做加法，所以就用乘法来代替。不管怎样，当你可以使用十一乘法表就马上可以得到十一乘四的结果—当然你得有相应的乘法表执照—谁会愿意去花时间把十一个四加起来呢？当学习前十三个数字的乘法表就已经够用的时候，谁又会想要去学所有数字的乘法表呢？他还会问：我们是不是听说过身为大人的数学家懒到了一定地步，竟然去出版整本的关于加法结果的书，然后管它们叫对数表？
维拉斯顿县小学是十几所为梅班克中学提供生源的学校之一，梅班克中学位于南特维奇的附近，我后来就是在那里参加我的高中和预7科会考的。这所学校按学生自身能力的高低来分班。正是这一点让我感到疑惑：原本是基于天赋的数学、科学或其他任何学科上的能力，有多少成分其实是取决于我们在小学时期是否遇到了一个很有教学天分的老师？经过一系列艰难的考试、评估和三局两胜制的分组较量之后，我被安排到了数学特长班里。班里共有大约三十五个人。我不需要担心交不到朋友，因为班上几乎所有人都是从维拉斯顿来的。毫无疑问，他们都是巴利老师教出来的。懒人更适合学习科学知识
现在回头来看，我学习自然科学的一大原因就是懒惰。毕竟来讲，解答有关万有引力的习题时，每道题看起来都差不多，你只需要记住一些基本的原理，然后就可以去尝试解答了。更重要的是，你不用背任何东西；现在的考试甚至把公式直接印刷在试卷上，这就让你临考前不用费工夫把它们偷偷刻到塑料尺子上。
但是文科就不是这样了。当我升到第六级时，我报名参加了英语、历史和法语的预科考试，这经历令我震惊并毕生难忘。人人都劝我们学历史，但我们都知道那只是花言巧语而已。当你选修历史课时，你就会发现你站在四千年历史的尾巴上，回望着一堆杂乱无章的事件，不但理不出头绪，还有无数的时间和地点等着你去搭配。每一个事件都没有任何的形状或结构，更令人头痛的是：半数的英国国王名字都一样，事情就变得更夸张了。此外，还有英国文学阅读清单上那堆和8马特洪峰一样高的小说名字，还有永远背不完的法语不规则动词，你就明白任务有多艰巨了！
无须多说，我败下阵来了，回到了科学的领域，投靠了数学、物理和化学这些值得信赖的朋友们。当然，吸引我重回科学领地的另一个原因是：拿到学位后好处多多。另一方面，我对主修英文的大学生未来要面临的困境非常清楚：我父亲曾在那时还叫伯明翰理工学院的学校教英国文学，我旁听过很多次他的课，所以知道其实英国文学并9不只是去花时间大声朗读《芬妮·希尔》那么简单。事实上，在我看来，你越是在这个学科上研究得深，你就越会发现文学跟人物和情节没有关系，而是在讨论其他的东西：社会学、女权主义、马克思主义等—你自己选吧！
而在科学领域，我们的预科课程挺无聊的，但好东西在后面—比如说无比辉煌的相对论和量子理论课程，后面都会学到。如果你也像我一样，除了想推后进入社会赚钱生活的时间之外，没有其他规划的话，那么拥有一个自然科学的学位，前途就无限光明。对我来说，自然科学的学位就是物理学学士。而如果你想要学物理的话，只有一个地方可以去：剑桥。
为什么是剑桥？坦白地说，这就有点像问别人为什么一定要在阿10比路录音室录唱片一样。剑桥对于物理的意义就跟麦迪逊广场花园11对于西蒙和加芬克尔的意义一样。艾萨克·牛顿在剑桥发展了他关于光学、运动和引力的理论，他也在这里发明了微积分——迄今为止在近代物理学中，几乎所有方程式都用微积分来表示。著名的卡文迪许物理实验室是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦—可能是在牛顿和爱因斯坦之后的世界上最有影响力的物理学家—在这里创立的，他也是世界上第一个发现电、磁和光之间的关系的人。此外，对于1985年那年还是一个满脸青春逗的少年的我来说，更重要的是斯蒂芬·霍金当时就住在这里。
我在读中学六年级的时候，就在BBC电台看过一个关于霍金和他的黑洞理论的纪录片，对于我来说，能同这样一位神一般的人物在同一个屋檐下研究简直是无法想象的事情，就算不是在同一个屋檐下，在同一个城市里也非常不可思议。同时，霍金的职位是艾萨克·牛顿也曾经担任过的卢卡斯数学教授（Lucasian Chair in Mathematics），当时他的声望正与日俱增。当时他正要出版他的畅销书《时间简史》，他在研究上也有了重大进展—通过与量子力学的结合，他正为广义相对论带来新发现；如此的成功再加上他与运动神经元疾病的抗争，让他成了一个广为人知的公众人物。在那个纪录片里，我看到他正跟一大群年轻的研究生们紧密合作，他总是循循善诱并不时地启发大家，他们在一起研究着人类知识最前沿的理论。这有没有可能就是我未来的样子？
我会不会成为史蒂芬·霍金的左右手，帮他去揭示宇宙最深处的奥秘？科学世界是懒人创造的
剑桥大学的面试是必须慎之又慎的。我面试了两次，第一次是由一位非常和蔼的招生导师卡尔·巴隆博士主持的。他问我，你有这么好的预科考试成绩，为什么不考虑当医生或者兽医？我只能猜测他读到的应该是别人的申请表，因为我的成绩单里A、B、C都有，能学习当个脊椎按摩师就很不错了。我支支吾吾地说我多么喜欢物理，我还有可能晕血之类的话。
我的学术面试，说得好听点是漫无目的的。在这里我应该解释一下：其实你并不能真正地在剑桥专门学习物理；事实上，你不能申请学习任何单一的学科。所有考生申请的都是包括各类学科，统称为自然科学。校方这样做的理由是说你需要先广泛地在数个科学领域打下基础，然后在最后一年专攻其中一科。因为我已经把我的兴趣写成了物理学，所以我的面试是跟一位物理学家约翰·沙克沙夫特博士和一位化学家保罗·拉丝比博士进行的。
一开场就很糟糕。沙克沙夫特博士问了我一个关于牛顿第二定律的简单问题；由于压力太大，我脑子一片空白，我说出了我当时能想到的唯一“答案”：“在学校里我们没有学。”这有点像是在说，在沙宣美发学院没人教过你怎么洗头发一样。他又试着问了我关于电磁的知识，我说我也从来没有听说过这个。我觉得是出于同情心，保罗·拉丝比博士从他的口袋里掏出两个东西放在桌上：一个壁球和一块硬塑料。“如果我告诉你，”他说，“这两样东西的化学组成成分一样的话……”
我顿时愣在那里。我简直不敢相信我的运气有这么好。恰好那天早上，在从柴郡过来的火车上，我一直在填鸭式地读一本牛津与剑桥大学面试的实战手册，而那个问题正好在书上一模一样地出现过。问题的答案跟分子结构相关：组成壁球的分子又长又细又有弹性，它们松散地组合在一起；组成硬塑料的分子则是坚固的晶体结构。
我犹豫了片刻。如果我把早上看到的答案直接说出来，那不就是在作弊吗？在门外冰冷的走廊里，还有六七个满怀希望的十八岁少年，每个人都在祈祷，想要获得一次进入学术殿堂学习的机会。我们不是都应该公平竞争吗？“我得坦白才行。”我听见自己的心声。一阵沉默过后，我眨了眨眼。“我们上课的时候没学，”我直勾勾地盯着保罗·拉丝比的眼睛说，“尽管我很想试试回答这个问题。”
几周以后，我收到了一封信—我被录取了。我从来没有那么兴奋过，一连几个晚上我都把它压在枕头下睡觉。我实现了我人生中的一大愿望：我被剑桥大学录取，可以去学习物理了。
事实上，我搞错了：我最终被录取的是剑桥大学的化学专业。在我开始上学的第一天，我就发现我的志向跟我的新学院—圣凯瑟琳学院并不太相关。我站在约翰·沙克沙夫特博士面前，告诉了他我想要主修的专业是物理。“真的？”他有些吃惊地说，“但是你对那个化学问题给出了一个如此干脆的答案。恐怕保罗已经认定了你是他的学生。”我跟他表示我还是喜欢物理。“但是你动量是什么都不知道。”我解释道，面试那天我状态不好，其实我是为牛顿物理学而生的。“好吧，”他叹气道，“欢迎你加入我们。”一直到我走到门边的时候，他才抬起头来，说道：“米勒先生？”我转过来，心里充满希望，会不会是要给我奖学金？“你们的学校到底教过你们什么啊？”从一道剑桥大学入学面试题说起
学习自然科学是我做过的最难的事情之一，但是毫无疑问也是最有回报的事情之一。我很幸运上过史蒂芬·霍金、理查德·费曼和卡尔·波普尔的课，与当今最重要的科学家一起学习和研究。就课程安排而言，我们是直接被带进了深水区的。
比如说要学习狭义相对论。这个理论是由爱因斯坦提出的，他认为物质是能量的一种形式，并且给出了两者之间关系的著名公式E=mc2。在下一课我们讨论“欧洲核子研究理事会（CERN）”的全新大型强子对撞机的时候我们会再次提到这个理论的。我们还学习合12成致命的毒药，一滴就可以杀死一个中型艺穗节剧院的所有观众。我们学习了恒星和星系是怎么形成的—第三课我会简单介绍—也知道了关于火山、地震以及全球变暖的知识，我会在第七课简单介绍。在本书中，这些都是我希望与你分享的小小知识宝库的一部分；它们是我自己挑选的精彩科学知识的精选辑。这是个别具一格的选辑，里面有一些毫无疑问的“超级主打歌”，但是也包括一两首我觉得大家应该多听听的“冷门歌曲”—但毫无例外，我选择的每一首“歌曲”都是真真正正的经典。
顺便说一句关于脚注的问题。时不时地，我会忍不住想要多加上一点细节知识，但为了不打断正文的连续性，我更想把它们放到脚注13里面。有时候它们就像沙箱，让我在里面做一点数学演算；有时候它们也是一个放点奇闻轶事的好地方。我希望本书有没有脚注读起来都一样。如果说这本书有一个中心目的的话，那它一定就是以愉快为唯一前提，让你按照自己的想法来享受科学。量子效应能吸引你整夜泡在实验室
我不想让你觉得，我在大学里把所有的时间都花在学习上了，那样的话可太浪费生命了。我当了一年的学院文娱委员，入选了学院第二代表队，而且还开怀畅饮过很多啤酒，虽然现在回想起来，那些啤酒只能算料酒级别的。我甚至还说服了学生会购买一个镜面球。在最近的一次同学聚会上，我很高兴地看到它还在我原来学院的酒吧里闪闪发光。虽然这个学科可能看起来不是很酷，但是我非常喜欢，而且我最快乐的一些日子都是在图书馆里度过的，或是在课堂上仔细聆听图书馆所藏教科书的作者们所说的每一个字。到我参加期末考试的时候，我确信我的未来就是研究物理学，那么在哪儿攻读一个物理学的博士学位又会比在卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）更好呢？
我申请就读的博士课程当时是无比出色的；事实上，在1988年，那是世界上最出色的博士项目之一。迈克·佩珀教授十年前创立了半导体物理小组，当时已经发展成为世界上同类机构中最大的一个，招收了一百多个研究生。在这里有一个叫分子束外延机的东西，可以制造出纯度很高的水晶，他们还有低温冰箱—超大型保温瓶里14面装有液氦，可以让温度低到只比绝对零度高千分之几度。
至于半导体物理，大多数人都知道导体和绝缘体是什么，但是我似乎听到你问了一句：“什么是半导体？”说到底，导体就是可以让电流轻松通过的东西，比如铜线。绝缘体则是电流无法通过的物质，比如说塑料—这就是为什么我们会用塑料来包起铜线，因为我们知道这样会很安全，当我们接触到塑料外皮的时候我们不会被电击到。
半导体，你可能已经猜到了，是一种稍微可以导电的东西：它不如导体导电性强，但是又不会比绝缘体的导电效果差。最为人所知的半导体是硅—沙子、玻璃和石英的主要成分—它为各种各样的电器提供了制造所需的最基本材料。你可能听说过“硅谷”，它是旧金山圣克拉拉山谷的别称，是因那里有数家生产电子芯片的厂商而得名的。硅的另一种流行替代品是镓，而我加入的研究小组当时很擅长制造高纯度的镓晶体，然后将各种分量的化学杂质掺进去，以改变它的导电性，然后再把这些材料像夹三明治一样贴合在一起。
如果做得好，你就会在两个像三明治般贴合在一起的晶体之间创造出一个二维电子气（Two-dimensional electron gas）。如果你能把温度降得够低，这就会让电子的自由径—意思是每个电子运动时在撞上其他东西之前平均走的距离—变得非常大，大概有千分之一毫米（我知道这听起来小得夸张，但是一个电子比如在铜这样的金属里，平均走的距离大约只有它的百分之一）。
我读博士期间主要工作是在微小砷化镓芯片上做出各种微小的金质图案，当我用可变式电源给这些金质图案通电时，我就可以在下面的电子气中创造出各种小图案来。
在可以创造出来的所有图案中，我最感兴趣的是“量子点”；因为当你把很小的东西（比如电子）放到很小的盒子里，怪异的事情就会发生；事实上，你会观察到全新的行为，与我们日常生活中观察到的物体所表现的全然不同。这就是量子力学的奇异世界，我们会在下一课详细介绍。
做实验是很花时间的。把一个芯片冷却到接近绝对零度就能让我花上差不多一天的时间，而且我们的量子点图案可能在这个过程中就会被毁。实验经常会一直进行到晚上。我的睡袋和一堆奶酪三明治经常陪伴着我度过极为寂静的夜晚，我观察着，等待着—然后在非常15偶然的情况下—亲眼看到量子行为。让霍金开怀大笑的科学脱口秀
在我开始对这本书的结构进行简单的介绍之前，我得先对你脑子里已经产生的一个疑惑好好解释一下。你可能很想知道：你学了这么多科学知识，又对它们有着这么强烈的感情，为什么最后去演喜剧小品了呢？
虽然很难面对这个话题，但是在我读博士的第一个年末，我开始意识到，虽然我对物理有着强烈的感情，也有能力成为优秀的实验物理学家，但是我是不可能进入史蒂芬·霍金的研究小组的。换句话说，在物理学领域我就相当于音乐界的录音师：技术上可能很有能力，但出现在专辑封面上的那个人永远不会是我。在本科阶段，作为一个领域的纯粹爱好者是没有问题的。但是在研究生阶段，我觉得我应该作为一个领军人，而不是一个跟随者。在我的内心深处，我不禁怀疑这到底是不是正确的选择。我从来都没有尝试过其他东西，我对未来应该做什么感到一片迷茫。
接下来，碰巧在1989年的夏天，马戏团来到了剑桥镇。
全国大学生戏剧节是全英国的一个年度性活动，每所大学负责主办两年，两年后再换一个新地方。1989年来到了剑桥。恰巧那时我的一个朋友，卡萝-安·艾普顿担负起了组织这个活动的重任。
她很好心地给了我一个机会：开车带评委们在各处参加活动，报酬丰厚—— 一天10英镑。你知道，我并没有什么收入，所以必须好好利用这次机会。这个工作的额外好处是，我可以去参加戏剧节的各种研讨会。《妈妈说我不该》（My Mother Said I Never Should）的作者—剧作家夏洛特·基特利（Charlotte Keatley），举办了其中的一个写作课。在一个非常奇妙的下午，我居然自己动手写了一个小品短剧，让几个演员表演，然后看到观众们笑得前仰后合。这让我感到了前所未有的激动，我想要从事这个行业。
我当时还不知道，夏洛特答应常驻圣约翰学院工作，而且她专门成立了一个学生写作小组。当戏剧节结束时，她邀请我加入了这个小组。写作小组的其他成员当时都在创作严肃的戏剧，关于种族和弱势群体的戏剧；而我则是个滑稽分子。我开始在写作小组表演我创作的短剧。慢慢地，我有了一个想法，我觉得这个行业可能有着不错的前途，我将来会以它谋生。
在第二年结束的时候，我加入了剑桥大学戏剧社—脚灯（Foot Light），担任编剧，然后在戏剧社最重要的演出—夏日巡演中担任编剧并亲自出演。巡演的剧名叫作《荒诞多人组》，我们在剑桥艺术剧院演出的时候，著名喜剧演员格里夫·赖斯也前来观看了表演。他非常喜欢我们的演出，也非常支持我们的工作，想购买我们的一些小品剧本，而其中一两个就是我写的。从此，我开始得到了一点点剧行业的工作机会，给史密斯和琼斯创作剧本；甚至还在一两集里演个小角色，跑个龙套。
学术研究团队是一个互动十分密切的组织，而我的这些外务开始让我的同事感到了不满。那时还是90年代初期，移动电话还没出现，所以每次有人叫我去学院办公室接电话，说是经纪人打过来的，16总是让我有点尴尬。当我开始有了全职工作，可以和卡罗林·昆汀17一起出演亚瑟·史密斯的喜剧《沟吻》时，因为我们需要在爱丁堡实验剧场一口气表演一个月，这时抉择的时刻到了。说到底，不管我选择什么职业，美妙的科学都会一直陪在我身边，因为—就像我希望这本书可以证明的一样—科学的欢愉是所有人都可以获得的。但是戏剧，则有可能不会再给我第二次机会了。
放弃攻读博士是很严重的，因为即便是在最好的情况下，研究经费也是很难保证申请到的；而一个研究生在提交论文前就退学，对下一年的学术资助申请有很大的影响。但是不管怎么说，在25岁时，假如我想去变幻莫测的演艺圈发展的话，我已经在喜剧表演的方面有了一点成绩，而我的博士论文还需要占用我最少18个月的时间。我心一横，把这个坏消息告诉了佩珀教授：我要离开半导体物理小组，去喜剧的世界里试试身手。
在我俩之间，我不知道这个消息对谁减去的负担更多，是他还是18我。“很好，”他像柴郡猫一样喜气洋洋地说，“你有没有看过《台19词落谁家？》里面弹钢琴的理查德·弗兰奇，他以前就是我的学生。他经常穿着晚礼服跑到实验室来工作，很好地调节了这里的气氛。如20果你遇到他，请代我问他好。”
如果当时我还曾怀疑自己是否做出了正确决定，那么很快我就打消了这个疑虑。那年夏天我导演了脚灯（Foot Light）的演出—《剑桥地铁》，本剧也跟前一年的《荒诞多人组》一样在剑桥艺术剧院演出。开幕那天晚上，第一排的中间坐着我心中永远的偶像：史蒂芬·霍金教授。他看起来非常喜欢这个话剧。虽然我没办法和他一起探索人类知识的最前沿，但至少能让他开怀一笑。抛开基础知识，从有趣的科学讲起
言归正传，正式开始介绍一下这本书吧！这是一本关于自然科学的书。
很有可能单是这种想法就让你非常激动；也有可能会让你想马上逃离。不管是哪一种，我先向你保证：从现在开始，这本书里纯粹只有好玩儿的东西。书中每一个奇思异想都跟“我们是由死亡的恒星做成的”一样令人兴奋，书中的其他内容也和这个想法一样好懂。本书内容并不冷僻艰深；我们不会痛苦地朝着科学的山峰缓慢攀登，而是会直接空降到山顶上，然后一路滑雪而下。
换句话说，我承诺本书和其他同类科普书的叙述方式略有不同。如你所知，中学学习的科学课程，以及你兴致勃勃地读过的其他科普21图书，其中的大多数科学知识都是按照业内人士称之为第一原理的基础模板而进行教授的。
传统观念是这样的：科学教育应该从基础开始，先打基础（比如纸带打点计时器和图表），然后逐渐加入复杂的内容，最后让你掌握整个体系（牛顿运动定律）。这是我们接受学校科学教育的方法，而对于外行人来说，这种教法经常会让他感觉像被玩弄了一样。
拿原子理论举个例子。学校的教法一般会像这样：在中学的第一22年，我们会知道所有东西—比如树、房子和大卫·田纳特的小塑料模型—都是由小得非常夸张的，被称为原子的东西所组成的，而且它们就是物质可被分解的最小单元。第二年，我们又会知道，其实还有比原子更小的东西，比如原子核和电子。又过了一年，我们又被骗了，原子核是由质子和中子构成的……然后这个惨剧还在继续，从本科物理学到研究生物理阶段，一直到你对所有的科学家失去信心，认为他们根本就不知道自己在干什么，然后你怀疑整个领域里全是积习难改的骗子和说谎者。
一本科学书若从第一原理开始编排，反而会打消人们对科学的兴趣，因为他们根本不需要了解所有的细节。说到底，如果有人对F1赛车感兴趣，你会送他们去蒙特卡洛看赛车，而不是带他们去北伦敦大学学习内燃机原理。不过我们这些想要成为科学家的人则必须学习一些枯燥的基础内容—牛顿和匀速直线运动—因为我们知道那些真正好玩儿的东西（弦理论、多维空间、夸克和胶子等）就在前方，而且想要正确理解它们，你就得学会这些基础知识。如果你想要制造一个大型强子对撞机，你最好沉住气，等做了物理学博士后再说。如果你只想要傻盯着一个对撞机，然后想象它在爆炸的时候会有多么酷的话，那你现在就找对了地方。
这就是这本书的目标：把你直接丢入科学最深处，让你用心感受许多成熟而令人惊叹的科学知识，从而让你专心读下去。因为事实上，虽然一切科学的基础—数学—对我们而言可能像是天书，但是被很多科学家叫作“花里胡哨”（hand-waving）的东西则不一定如此。毕竟，只因为我们不懂本地语言，并不代表着我们不能依赖手势去度几周的假。
另外，作为我承诺的一部分，我会给你一块“终极免死金牌”。你不需要理解任何东西。其他科普书的目的可能是教育你、启发你或者挑战你；这本书的目的则仅仅是让你娱乐、放松、深呼吸，并且没有考试。我请你给自己一个许可，准许这些知识从你头上飞过，你只要抓住一些新奇的碎片，看清大致的轮廓就可以了。如果你发现自己在反复读着某一章节，发现自己不能理解的话—我会尽全力不让这种事情发生—那这是我的问题，不是你的，继续往下读吧。这不仅是最好懂的科学课，还是一场科学的狂欢。
1 西蒙·考威尔（Simon Cowell，1959年10月7日— ），英国知名唱片和电视制作人。他是《美国偶像》《英国达人》等多个电视选秀节目的评审，并从中发掘了不少人才。他以经常发表对参赛者十分刻薄、坦率而有争议的评论而受到关注。
2 诺埃尔·加拉格尔，前绿洲乐队(Oasis)的第二主唱，主音吉他手，词曲作者。
3 奥利弗·克伦威尔（Oliver Cronwell，1599年4月25日— 1658年9月3日），英国历史上最具争议性的人物之一。英格兰军政领袖，曾以议会和军队的名义处死国王查理一世，担任英吉利共和国护国公。
4 Basil Brush，英国儿童电视节目中一只拟人化的红狐布偶。
5英国斗牛犬（British Bulldog），一种在英国孩童的学校里很流行的游戏。
6 数基，即进位的基底。
7 英国的学制为小学六年，中学五年，中学毕业后要参加高中会考，取得高中毕业资格。要继续升学就再读两年第六级（sixth form）学院（若中学里设有该学院，就在中学里就读即可），然后再参加预科会考以申请大学。
8 马特洪峰，阿尔卑斯山脉中最为人所知的山峰。
9 《芬妮·希尔》 （Fanny Hill），欧美情色文学经典。
10 阿比路录音室（Abbey Road），英格兰最著名的录音室，披头士等众多知名乐队就是在这里录制他们的专辑的。
11 西蒙和加芬克尔（Simon and Garfunkel），20世纪60年代美国知名合唱团。
12 适合爱丁堡艺穗节（Fringe Festival）的表演团体使用的剧院。
13 沙箱，通常指一个安全的虚拟的环境，为一些不可靠的程序提供试验而不影响系统运行的环境。现实中的沙箱，是一种儿童网具，儿童可以在这个容器里面随意玩耍，起到保护儿童的作用。
14 温度是生活中看起来很理所当然，但是当你深入研究下去的时候，又会变得很奇怪的东西。虽然据我们目前所知，物体的温度似乎没有上限，但是却有一个下限—因为，在某个时候，你必须把所有热量都去除掉。这就是所谓的绝对零度，它出现在大约–273℃。这是一个随机的、无法让人满意的数字，但是不管怎么样，当我们发明摄氏温标的时候，我们想要找的是一个方便刻画水温范围的温标： 0℃是结冰点， 100℃是沸腾点。如果你想要处理更广的温度范围，你就可以使用开尔文温标（K）。绝对零度是0K，而0℃则是，你猜得没错，是273K。比如说，太阳表面的温度，是大约10000K。
15 我的暂定博士论文标题（可惜的是，一直都没有完成）是《在准零维电子系统中的新量子效应》。如果你还没想明白的话，“准零维”只是“点”的花哨说法而已。
16 卡罗林·昆汀（Caroline Quentin），英国女演员。
17 亚瑟·史密斯（Arther Smith），英国喜剧演员及编剧。
18 柴郡猫（Cheshire Cat），《爱丽丝梦游仙境》一书中的角色，是一只总是露出笑脸的猫。
19 《台词落谁家？》（Whose Line is it Anyway），英国著名即兴表演节目。
20 和我不一样，理查德·弗兰奇拿到了他的博士学位，可以卖弄一番。
21 第一原理（First Principle），也有的称之为“基本原理”。
22 大卫·田纳特（David Tennant），苏格兰男演员，曾主演电视剧“Doctor Who”。
第二课：量子物理世界的奥秘
你的所有一切都由夸克组成你有没有想过世界上最小的东西是什么？我们日常接触到的东西很多跟人的手掌差不多大小—我不确定这是不是一个巧合。普通尺子上最小刻度是一毫米，很大程度上是因为大部分人都不能理解比它的十分之一还小的东西是什么概念。但是，假设你很喜欢做手工活儿，而且还有一个很特殊的嗜好，就是用放大镜和特别小的刻刀往火柴棍的末端刻一棵棕榈树或是一头微笑的长颈鹿。在新年的家庭聚会上，你想要拿出一个非常特别的东西出来。你希望的最小东西是什么呢？
答案是电子，我的朋友，如果我们能找到可以小到能往电子上刻东西的工具的话。当然，没有这种工具，因为没有东西比电子还小。1那么仅次于电子的最小东西是什么呢？这就说来话长了。因为这个东西非常独特，它叫作夸克。
夸克是一种非常迷人的东西。到目前为止，我们已经发现了六种夸克，但是你只需要知道其中两种—顶夸克和底夸克就可以了，因为它们是质子和中子的组成部分—你知道的，原子核是由质子和中子构成的。延伸开来，你所有的一切东西—你的房子、家庭、雪纳瑞宠物狗—都只是夸克奇妙而精致地排列形成的。
我们是怎么知道夸克存在的呢？说到这儿，我们就不得不谈到，有一种设计得非常精巧的工具，叫作粒子对撞机，来帮我们解决这个问题。最新推出的粒子对撞机是举世闻名的大型强子对撞机（Large Hadron Collider），简称为LHC。
如果这名字听起来让你不知所云，那么就请你把它想象成一种显微镜，透过它，你可以看到一个极小世界里的奇异景象。我们知道光学显微镜能达到的最高分辨率是0.01纳米，这样的尺度小到可以看到大一点的病毒，比如埃博拉病毒。一个电子显微镜能辨别比病毒小1000倍的物体，比如碳原子。但是想要研究比原子还要小的物质—夸克比原子还要小10亿倍—你需要完全不同的方法。听起来很不可思议，但是大型强子对撞机（LHC）的方法就是让两个质子高速对撞后，看看残骸中都有些什么……令人振奋的大型强子对撞机
我很难用言语描述大型强子对撞机有多么令我激动。它对物理学的未来发展，以及由此带动科技领域未来革新的重要性怎么夸大都不为过。不要被这花哨的名字误导了，“强子”只是一系列由夸克组成的某一类粒子的总称，而且整个设备可以称为大型质子对撞机，因为这正是它的主要功能。建造大型强子对撞机（LHC）可是一个非常复杂而浩大的工程，组织者在20年间聘请了约1万名世界顶级科学家，共花费了44亿英镑才建造完成—但是建造它的目的其实是非常简单的：让两个质子高速往相反方向运动，然后让它们彼此相撞，最后看看相撞后会产生什么。
为什么用质子呢？好吧，答案是就我们目前所知，单独的夸克是不存在的，所以相对而言，质子是除夸克以外最适合的东西。质子是由夸克构成的，只要引起它足够多的碰撞，迟早其中一个质子中的夸克就会正面撞上另一个质子中的某个夸克。在我们可能看到的许多物质中，我们最为焦急期待的，当然是希格斯玻色子。
不过我还是得说，别被这个花哨的词迷惑，“希格斯”这个名字是从英格兰堡的一位叫彼得·希格斯的数学家的姓中得来的，因为他2是最先用最适宜的数学模型来描述这种粒子的，而“玻色子”则是另一种粒子的名字。我会很愿意向你介绍它极高的重要性—重要到它的昵称居然叫“上帝粒子”。一言以蔽之，如果希格斯玻色子存在的话，大型强子对撞机（LHC）就会找到它。这非常令人期待，找到它后，会给人类增加多少新知？实际上这是一个令人着迷的专业秘密，而我很愿意把这个秘密告诉你。
我们将会在本章的后半部分看到，事实上，大型强子对撞机（LHC）的作用不限于寻找希格斯粒子，它还要做许多事。它为我们打开了一个全新的世界以供我们探索，这是一个物体可以小到10-19米的世界。在这个世界中，在我们可能发现的超乎寻常的事情中，其中包括额外维度—是的，这是真的！—还有一大群从来没有发现过的新粒子。不仅是这些，我们还会看到，大型强子对撞机（LHC）并不只是为了探索量子物理的新篇章而建造出来的，而且它还会尝试回答宇宙学中两个最基本的问题：第一，如果宇宙大爆炸创造了等量的物质和反物质，那么粒子都去哪儿了？第二，如果大爆炸正如你所预期的，朝所有方向喷射出等量的物质，那么这些物质怎么集结成块，形成恒星和星系呢？我们真的需要仔细回答这两个问题，因为，它们对我们理解人类是如何来到这个世界的至关重要。
当然，另一个关于大型强子对撞机（LHC）的话题就是：对撞会产生极高的能量，以至于除了希格斯玻色子之外，另一个不受欢迎的东西—黑洞，也会被制造出来。这是一种可能性，你可能会心生一种虚无主义的冲动，把书扔到一边，然后打开那瓶自从90年代后期就放在壁橱里的，覆盖着拉菲草的劣质马略卡白兰地，然后一口气喝光，但是在这之前，我向你保证，这样的黑洞是不可能摧毁现有的宇宙的—原因稍后奉上。目睹世界最大的科学实验中枢
我搭机去日内瓦只有两个目的：一是到夏蒙尼山区去越野滑雪，另一个就是去拜访欧洲核子研究理事会（CERN）—大型强子对撞机的家。我很难说，两者中哪一个会比另一个更让我紧张。
坦白地讲，欧洲核子研究理事会（CERN）对于物理学的意义，跟梵蒂冈对于罗马天主教的意义是一样的。欧洲核子研究理事会（CERN）成立于19世纪50年代，最初创建的目的是研究原子核，但是很快，研究方向就转向了高能粒子物理，可他们却一直没打算把缩写给改过来，不过没人在意。世界上最优秀的科学家都在这里，例如蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）就是在这里工作时发明了万维网（WWW），用以共享研究信息，后来则发展成为了现代互联网。下次有人问你纯学术研究到底有什么用处时，你可以给他举这个例子。
从日内瓦机场出发，乘坐30分钟出租车，就能够到达瑞士小镇的郊区—梅琳，这里坐落着一个很不起眼的建筑，看起来像农场的饲料仓库。这里没有任何标志告诉你，你正在接近人类历史上最伟大的科学实验的神经中枢。我每次来这儿的时候天都在下雨，但这里最好的一点就是我一定能找到停车位。因为关于大型强子对撞机，你最先要了解的就是：没有什么重要的事是发生在地面上的；那些真正激动人心的—喔，我的天，我太激动了—都发生在地下。
说到底，大型强子对撞机（LHC）就是大型圆形地下赛道，可以让质子在里面飞奔。它真的非常之大：这个赛道的周长是27公里。这个地下100米深的隧道，宽度与伦敦地铁的隧道相当。在中间有两条管子，其中一条里有一团质子顺时针飞速地奔跑，在另一条管子中，质子则是在逆时针飞奔。在圆周的四个特定点上，这两条管子会交叉。这四个交叉点就是质子相撞的地方，在对撞点周围他们安装了巨大的探测器，用以仔细查看质子相撞后留下的残骸，从中辨认出因对撞产生的不同粒子。
所以，你可以认为其实大型强子对撞机（LHC）项目不是一个实验，而是四个：每一个探测器都由一个不同的研究组所设计，他们各有其优先次序及研究目的。在这四个实验中，其中两个—超环面仪器（ATLAS）和紧凑渺子线圈（CMS）—是直接竞争者，他们都在寻找希格斯粒子。另外两个—大型离子撞击实验（ALICE）和大型强子对撞实验（LHCb），则在寻找一些线索，来了解宇宙最初，也就是在宇宙大爆炸发生后的短暂时间内发生过的事件。他们希望能够通过这些实验，给近代物理中最难解的两个棘手问题—反物质为何稀少以及现代宇宙的密度为何不均匀带来一些新的认识。寻找上帝粒子
希格斯粒子为什么如此受人关注呢？要理解这一点，我们需要稍微介绍一下被粒子物理学家称为标准模型的东西—为了理解标准模型，我们还需要了解一些关于粒子和力的知识。
你可能记得在中学物理课上老师说过自然界有四种作用力。其中的三种力的强度都差不多：电磁力是作用于带电粒子之间的作用力；强作用力是作用于夸克之间的力；弱作用力是引起辐射现象的力。第四种作用力是引力，比前三种都弱得多，但比如恒星和行星这种大型物体之间的作用力，则全靠引力来实现。当然地球的引力，就是现在把你按在椅子上，不让你被地球的自转甩出宇宙的力。
你也许还记得以前学过关于力的原理的标准解释是粒子会产生场，而场会对其他粒子产生作用力。比如说，电荷可以产生电场，当另外一个带电粒子放入这个电场时，它就会受到力的影响。我一直觉得这个解释不够好：第二个带电粒子是怎么“知道”这里已经有一个电场呢？如果这个问题也曾经让你困惑，那么现在你不用烦躁了。量子物理学有一个更好的解释：每一个场都有一个媒介粒子，又叫玻色子，比如希格斯玻色子那样的。比如说，两个电子之间的电磁场，是通过光量子（也称光子）来进行传递的。
还记得巴利老师说数学家都很懒吗？理论物理学家也都是数学家，他们甚至懒到不愿意分别处理四种不同的力，所以过去五十年以来，物理学的主要目标之一就是想要简化这一局面。他们发自内心地觉得自然界不应该这么复杂，这四种力都应该以某种根本的方式联系在一起。简单地说，我们已经在这条路上走完了四分之三的路程了，我们目前得到的理论叫作标准模型。
物理学在20世纪60年代早期产生了飞跃式发展。由格拉肖（S. Glashow）、温伯格（S. Weinberg）和萨拉姆（A. Salam）组成的三人组，证实了电磁力和弱作用力其实是一种力。他们把这个统一的力叫弱电力，而为了符合数学推演，他们还提出了一些激进的想法想让大家接受：所有基本粒子本身都没有固有质量。没错，没有质量。他们这样解释道，宇宙中有另一种尚未发现的场，它和所有普通场一样，也有媒介粒子。有些基本粒子，比如光子，可以从这个场中未经允许就飞快穿过，所以它们似乎是没有质量的。按照这个理论的说法，其他的粒子，就没有这么幸运了，它们被这个场拖慢了很多，因此会带有一些质量。这种新场引的数学推演是一个叫彼得·希格斯的英国佬发展的，所以用他的名字来命名，称为希格斯场。很自然地，传递这个场的媒介粒子很快就被称为希格斯玻色子。
20世纪70年代初期通过科学家的共同努力，强作用力也跟格拉肖、温伯格和萨拉姆的弱电力整合在一起了，这个结合得到的理论被简单地称为标准模型。这个理论的许多观点都完全超越常理，但它真的可以解决很多问题。事实上，把标准模型称为有史以来最成功的理论也毫不为过。
检验任何科学理论，一种比较好的方法就是，看它可否预测没有人想到的事物，并且得到准确度极高的答案。为了让你知道标准模型有多厉害，你只需要知道它的定论：弱作用力跟电磁力一样，也有媒介粒子。事实上，标准模型提出弱作用力应该有两种媒介粒子—W粒子和Z粒子（W是弱的意思，而Z我就不知道这个名字是从何而来的了），并很精准地预测了它们的质量：W粒子有86个质子质量，Z有98个。这是60年代的事，当时的粒子加速器还只能制造相当于10个质子质量的对撞能量。十几年以后的1981年，在欧洲核子研究理事会（CERN），一部被视为大型强子对撞机（LHC）的前身的“超级质子同步加速器”—顺便说一句，这是一个同步加速器，是一种利用圆形轨道来加速带电粒子的机器，只不过这名字听起来好像很学术化罢了—终于达到了W和Z的能量要求。跟预测提出的一样，W和Z粒子真的存在，而且它们的质量也跟标准模型预测的一模一样。对撞机的把戏——把能量转换成物质
所以总的来说，标准模型就像十分高明的牌术，它把电磁力跟强、弱作用力统一了起来，是有史以来最成功的科学理论之一。然而想要让它真的奏效，物理学家们必须假设一种新粒子的存在，即希格斯玻色子（Higgs Boson），它与其他基本粒子质量的产生有关。寻找希格斯粒子是很重要的，因为如果它存在，就等于证实了标准模型的正确性。不幸的是，到目前为止，希格斯粒子还没有出现在我们的面前。
那么为什么还没有人能找到一个希格斯玻色子呢？有一个可能的答案是—目前我们还不能排除这种可能—就是它不存在。标准模型可能在某些重要方面出了错，但我们暂时还不知道是哪里。另外一种可能性是，直到现在，我们还没有足够高的对撞能量来制造它。为了把我的意思解释得更清楚，我们就得先聊一聊量子世界有多怪异，以及在像大型强子对撞机（LHC）这样的质子对撞机里到底会发生什么。
从某个角度来看，在欧洲核子研究理事会（CERN）巨大的探测器里发生的对撞，就跟你平时在台球桌上看到的碰撞类似。比如说，在大型强子对撞机（LHC）里质子碰撞时的能量是守恒的，就好像在酒吧里玩花式台球时，台球的能量也会守恒一样。区别在于，在台球桌上，你知道在任意碰撞之后，台球的数量是不会变的。在极小物体的世界里—或者按照物理学家的说法，量子世界—事情就不是这样了。当你让基本粒子对撞的时候，有时候你得到的粒子比放进去的多得多。
你可能大概知道为什么了，不管你有没有明白，因为答案就蕴藏在物理学最有名的公式E=mc2里。这个公式清晰地表达出，物质是能量的一种形式。原子弹清楚地为我们示范了一小块物质可以释放出多少能量，只要你找到释放它的方法—在投到长崎的原子弹里大概有1000克钚发生了裂变，就是大概有一包糖那么重的物质转化成了能量，然后就摧毁了那里。
原子弹是把物质转化成能量，而大型强子对撞机（LHC）这种粒子对撞机的功能刚好相反；换句话说，是把能量转化成物质。简单地说，你把需要相撞的粒子加速到很高的速度，它们就有很多能量，然后相撞时这些能量就被用来制造新的粒子。对撞的能量越高，你可能制造出来的新粒子就越大。大型的同步加速器可以把质子加速到相当快的速度，在大型强子对撞机（LHC）里，它们可以被加速到光速的99.9999991%，此时它们的速度快到可以每秒绕27公里长的轨道跑11000圈。在如此夸张的高速下，每一个质子所拥有的能量相当于它3静止质量的7500倍。这能量相当地大，并且这能量随时准备着转化成新的粒子。
这个能量因素可以帮我们解释，为什么我们从未在以前的对撞机里见过希格斯粒子，就是因为那些对撞能量不够高。大型强子对撞机（LHC）的前身之一大型正负电子对撞机，或者简称为大型电子正子加速器（LEP），已经可以排除希格斯粒子的质量小于质子的静止质量122倍的可能性，在我写下这段话时，数据显示希格斯粒子的质量是质子质量的125倍左右。基于大型强子对撞机（LHC）有可能产生质量高达质子质量1000倍的粒子，我们可以很有把握地说，只要希格斯粒子存在，大型强子对撞机（LHC）就会找到它。
那么希格斯粒子是什么样子的呢？答案是，我们不能直接观察到它：因为我们没有希格斯粒子的探测器。就像寻找圣诞老人一样，我们必须通过他所留下的东西来推断它的存在。对于希格斯粒子来说，留下来的东西不会是一个吃了一半的肉馅饼，或是一个空白兰地酒杯，但是会有一个跟希格斯粒子质量一样大的“遗失能量”。在每次
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