构成宇宙万物的最基本成分是什么？

本书从古希腊哲学家德谟克利特的“原子”理论开始讲起，追述了从伽利略到牛顿、再到麦克斯韦和法拉第等一代代经典物理学家对基本粒子的探索过程。其后量子理论的诞生，在物理学领域掀起了一场革命；而大型粒子加速器的出现，又使得粒子物理学的研究进入了一个新的时代。惊人的成果不断涌现，人类向着宇宙终极粒子和万物理论不断迈进，若能成功找到希格斯玻色子，即“上帝粒子”，则无疑意味着这条探索之路上的一次前所未有的巨大飞跃……

作者利昂;莱德曼自20世纪中叶起，一直身处粒子物理研究领域的中心，亲眼见证、亲身参与甚至亲自主导了当代粒子物理学的许多重大进展，其本人也因相关研究而荣获诺贝尔物理学奖，在这本书中，莱德曼不但把宇称不守恒、标准模型等深刻理论阐释得清晰明白，而且将多种夸克、中微子等的发现历程讲述得曲折生动。此外，无论是费米用“曼哈顿工程”中撞死的狼来计算沙漠中的狼群总数，还是李政道在中餐馆点菜时显出的派头，物理学家们的风采被作者描摹得极为生动，趣味盎然。

利昂;莱德曼：著名物理学家，1922年生于纽约，1951年博士毕业于哥伦比亚大学物理系，1958年后任该校教授，1979—1989年任费米国家加速器实验室主任，并主持设计了超导超级对撞机建造计划。他在粒子物理实验领域成果卓著，于1988年获得诺贝尔物理学奖。

莱德曼热衷于科学教育事业，曾任美国科学促进会理事会主席。2018年10月，莱德曼在爱达荷州去世，享年96岁。

迪克;泰雷西：著名作家，《集萃》（Omni）杂志前任编辑。

“如果宇宙是答案，那么问题是什么？”只为了这一句话，我就愿意读莱德曼。

——曹则贤，中国科学院物理研究所研究员

物理学有两个命名我认为是蕞棒的，一个是“黑洞”，另外一个就是“上帝粒子”。莱德曼并不只是因为命名上帝粒子成了物理界的“网红”，还因为他是高级段子手。段子和故事是他向公众解读晦涩难懂的物理学的绝活。

——张双南，中科院高能物理研究所研究员

莱德曼是继已故的令人深切怀念的理查德;费曼之后最有魅力的物理学家。

——《旧金山观察家报》

一次对2000年来人类探索物质本质过程……和未来重大发现机会的生机勃勃的旅行。

——《科克斯书评》

有历史，有传记，还有激烈的辩论，一路不忘拾掇神秘的花絮……《上帝粒子》乐就乐在它描述了以实验的方式揭示宇宙奥秘的快乐。

——《自然》

颇有收获……莱德曼给我们描绘的是人类——这种在普通的星系里围绕并不突出的恒星旋转的一颗小小星球上自我繁殖的渺小生物——推知自然现象背后基本规律的过程。

——《华盛顿邮报》“图书世界”

非常生动的描述……莱德曼这个冷峻的滑稽作家给我们讲了大量的笑话……和让人忍俊不禁的趣闻轶事。

——《华尔街日报》

《上帝粒子》充满了俏皮的字句、机智的旁白、诙谐的典故和逗人的故事，可谓博大精深。这可能是迄今描写物理学的最有趣的一部作品。

——《达拉斯早报》

面对如此严肃的主题，莱德曼却能让你捧腹——这就是《上帝粒子》的精彩之处。

——《每日新闻》

晦涩的粒子物理学对任何试图解释它的人来说都是一个挑战。正因为如此，莱德曼机智诙谐之长和他讲故事的才能才备受欢迎。

——《芝加哥论坛报》

序

“人物”表

第1 章　看不见的足球

第2 章　第一位粒子物理学家

第3 章　寻找原子：力学

第4 章　仍在寻找原子：化学家和电学家

第5 章　裸原子

第6 章　加速器：它们粉碎原子，不是吗？

第7 章　“原子”！

第8 章　最后的上帝粒子

第9 章　内空间、外空间和时间前的时间

致谢

历史注解及参考文献

译后记

校译后记

第1 章

看不见的足球

除了原子和真空是实际存在的，其他一切都只在意念之中。

——阿布德拉的德谟克利特

宇宙的最开始是一片虚空——一个奇特的真空世界——没有空间，没有时间，没有物质，没有光，没有声音。但是在自然法则的作用下，这个神奇的真空世界中潜在的能量正等待释放，就像高耸的悬崖边上摇摇欲坠的巨石一般。

等一等。

在“巨石”落下之前，我要解释一下，其实我真的不明白我在谈论什么。从逻辑上说，一个故事应该从开始讲起。但这是一个关于宇宙的故事，很遗憾，我们没有任何证据表明什么是最开始。没有，一无所有。我们了解的只是已经到达成熟期的宇宙，而对于最初千千万万亿分之一秒的时间，也就是在“大爆炸”后非常短的一段时间内的情况我们一无所知。如果你读到或听说了关于宇宙创生时的一些事情，那肯定是虚构的。这一领域属于哲学的范畴。只有上帝才知道宇宙创生时发生了什么（但是他从来没透露过一点）。

好，我们讲到哪儿了？哦，对了——

就像高耸的悬崖边上摇摇欲坠的巨石一样，虚空中的平衡是非常敏感的，只要要一点点冲动就会发生变化，而这种变化就产生了宇宙。事实上也确实这样发生了，那一片虚空爆炸了，时间和空间就在爆炸之初的炙热中创生。

物质则从这些能量中脱颖而出：一堆密集的粒子在辐射中消失了，重新归于物质（现在我们至少是在基于一些事实和理论推理来进行研究）。粒子的碰撞产生了新的粒子。在黑洞形成与解体的同时，时间和空间搅在一起翻滚沸腾着。

这是多么奇妙的景象啊！随着宇宙的膨胀、冷却、变得稀薄，粒子开始结合，不同的力也开始出现。质子和中子产生了，接着出现了原子核和原子。然后就是至今仍在膨胀的巨大的尘埃云，它们在某些地方聚集起来，形成了恒星、星系和行星。在一个标准星系的旋臂上，一颗最为普通的行星在围绕着一颗普通的恒星运行。在这个星球上，绵延的大陆和澎湃的海洋经历着自组织的过程，海洋里冒出的一些有机分子开始发生反应，并产生了蛋白质，生命就这样开始了。植物和动物从简单的有机体中进化出来，并最终产生了人类。

人类与其他生物的不同之处，主要在于他们是对自己的周围环境极富好奇心的唯一物种。随着物种变异的出现，一小撮与众不同的人开始在大陆上活动。他们非常傲慢。他们并不满足于欣赏宇宙的灿烂，而总是在问“怎样”：宇宙是怎样产生的；那些宇宙“原料”怎样造就了我们这个令人难以置信的多样的世界——恒星、行星、水獭、海洋、珊瑚、阳光以及人类的大脑。这些异类也提出过一个人类可以回答的问题，但只有经历从老师到学生，数百代人几千年的努力和献身后才有可能找到问题的答案。在找到正确答案之前，这个问题也产生了许多错误百出、令人为难的答案。幸运的是，这些异类天生不知道什么是为难。他们的名字叫物理学家。

现在，在审视过这一探讨了2 000 多年——这段时间只相当于宇宙时间长河中微不足道的一滴水珠——的问题以后，我们开始瞥见宇宙创生的整个过程了。在望远镜和显微镜中，在天文台和实验室里，甚至在便笺簿上，我们开始觉察到在宇宙产生的第一时刻起支配作用的原始的对称和美的轮廓。我们几乎能够看到这些了。但是这些图景还不是很清晰，而且我们也感觉到有什么东西在使我们的视野变得更为模糊——有一种黑暗的势力在使宇宙固有的简单本质变得模糊、隐秘和令人困惑。

序

在前往沃克西哈奇的路上，一种奇特的想法向我袭来……

这本1993 年写的书原本就基于一个错误的假定，现在再版，重写一篇序言就显得更为别扭了。虽然那个假定不关键，但仍是假定无疑。再说“上帝粒子”这一书名，本身有问题不说，它也基于那个错误的认识。

1993 年，我认为科学世界面临着一系列激动人心的新发现，这些发现将带我们更加接近宇宙运行的规则，也让我们更加了解宇宙运行基石的特性。我们在期待一种全新的仪器，即当时正在得州沃克西哈奇建设的超导超级对撞机（SSC），带给我们豁然开朗的顿悟。那将是迄今为解答我们最深刻的问题而设计建造的最强大的粒子加速器，或者称为“原子粉碎机”。但意想不到的事情发生了。

在讲述这件事之前，让我再说一下写本书的动力，一种当时有效现在仍然有效的动力。《上帝粒子》是起始于公元前600 年前后希腊殖民地米利都哲学家泰勒斯的粒子物理学史。泰勒斯自问，世间万物是否能够极本穷源到某种简单的基本物质和包罗万象的简洁原理呢？今天，我们依然坚持泰勒斯及其追随者的思路：相信终极简洁。尽管2 600 年来的研究表明我们的宇宙表面上是非常复杂的，但我们仍坚持这一信仰。我们的历史在创造“原子”（“小得看不见且不可分”）这一术语的德谟克利特那里短暂停留后，继续穿越一个又一个世纪，

进入对现代成就的探究中。进行探究的主角包括爱因斯坦、费米、费曼、盖尔曼（Murray Gell_Mann）、格拉肖（Sheldon Glashow）、李政道、温伯格（Steven Weinberg）、杨振宁以及其他许多粒子物理学家。尽管这里我只列了一些理论家的名字，但真正肩挑重担的还是我的那些实验家同行。

我认为，1993 年我们有理由对有机会建立“终极理论”——我的同行温伯格这样称它——持乐观态度。19 世纪末还只有一种可以称作“原子”的基本粒子——电子——被发现并得到实验证实，但在随后的一个世纪里我们捕捉了其他的粒子：另外5 种轻子（电子的“兄弟”），6 种夸克，光子、W 子、Z 子等基本玻色子以及所有传递力的粒子——胶子。然而，还有一种重要粒子“逍遥法外”，那就是希格斯玻色子，一种将最终解释许多物质谜团的粒子。SSC 的主要任务就是找到希格斯玻色子。

面对未来，我们充满希望。SSC 的建设已完成了20％。这项工程的申请始于里根时期，建设始于1990 年。当时我们都以为万事大吉了，直到1993 年国会终止了这项计划。爱因斯坦说物理学家的工作是“读懂上帝的思想”，但你怎样才能读懂美国议员的思想呢？阿尔伯特，你当时干活多么容易！停止SSC 将省下来110 亿美元，用这笔钱可以支持一大堆其他物理实验，可以消减贫困、治愈粉刺，并将带给我们和平。（顺便问一声，结果怎么样了？）可我离题了。

也有好消息。《上帝粒子》只是超前了。一种崭新的机器即将诞生，那就是大型强子对撞机（LHC）。它的第一束粒子将在2007 年到2008 年射出，据宣传它将找到希格斯粒子、发现超对称（资料是这么说的！），并将探索1993 年那个黑色日期以来提出的不说是疯狂也称得上惊世骇俗的一些概念。这样看来我还是比原来自认的聪明一些，毕竟只是在错误的时间出了书而已。这台新机器的周围将不再是友善的沃克西哈奇居民，它位于瑞士日内瓦，那里没有这么多美味的牛排店，但多了芝士火锅，而且名字也容易拼写了。LHC 要探索的目标之

一就是“多维度空间”，一个让通常冷漠的理论物理学家兴奋得不能自已的概念。在我们上下、左右、前后的三维空间（x_y_z）基础上加入隐藏的更多维度将揭示我们置身和游乐其中的一种新宇宙。这不仅非常有助于支撑激动人心的万物理论（TOE），而且还将如实验家亨利;弗里希（Henry Frisch）所言，“帮我们找到所有那些丢失的袜子”。

至于本书的题目“上帝粒子”，我的合作者迪克;泰雷西同意担当其咎（算我“贿赂”他吧）。有一次在演讲过程中我开玩笑提了这个词，结果他给记住了，而且还用它做了暂定书名。“别担心，”他说，“没有哪家出版社在最终定稿时会采用暂定名的。”余下的就是历史了。结果书名得罪了两种人：那些信奉上帝的人，以及那些不信上帝的人。处于中间的人倒是乐于接受。

但我们坚持用这个名字。物理学界一些人也已经开始使用这个词了，《洛杉矶时报》和《基督教科学箴言报》都将希格斯玻色子称作“上帝粒子”。这些让我们想入非非，觉得快要出影视版了。这次我们终于就要发现希格斯粒子了，迄今在我们眼皮底下深藏不露的更加简洁、更为美丽的宇宙也将露出端倪了。有关这些描述尽见于书中。

我跟您撒谎了吗？

利昂;莱德曼