這種先天的好奇心帶領(lǐng)人類走出自家的后院,激勵(lì)我們?nèi)グl(fā)展更復(fù)雜的工具,從而將原有的感官延伸到更深遠(yuǎn)的地方。它鼓勵(lì)我們將批判性的思維技巧和跳躍的想象力結(jié)合在一起,去思考這些新工具究竟能告訴我們什么。當(dāng)我們意識(shí)到即將進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域時(shí),冒險(xiǎn)旅途中最激動(dòng)人心的時(shí)刻也隨之到來。無論是踏上一片新大陸的海岸,還是在新行星上降落,或是潛入海面以下新的深度,我們都將開始了解原本未知的偉大世界,并為這些勇敢的探索繪制出新的篇章。

宇宙的情況

在對(duì)宏觀宇宙和微觀世界這兩個(gè)極端尺度的研究中,科學(xué)家們都取得了令人吃驚的進(jìn)展。在亞原子粒子這個(gè)最微小的尺度上,粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model)為我們提供了一個(gè)有關(guān)常規(guī)物質(zhì)基本構(gòu)架的理論基礎(chǔ)。迄今為止,這一堅(jiān)實(shí)的理論經(jīng)受住了來自各方面的考驗(yàn)。而在另一個(gè)極端,作為宇宙大爆炸模型基石的廣義相對(duì)論,也取得了巨大的成功。

對(duì)微觀世界(即亞原子世界)的描述,定義了最小的已知物質(zhì)粒子和它們相互作用的方式——一個(gè)原子的終極成分是什么以及是什么力量將它們結(jié)合在一起。在實(shí)驗(yàn)方面,我們主要有兩種方法可以探索粒子的世界。第一種方法是對(duì)事物進(jìn)行拆分。物理學(xué)家們成功地分解了他們手邊的任何事物,并將所得的結(jié)果分門別類歸納起來。對(duì)此,他們采用的方式并不怎么溫柔。目前的方法基本上是將兩小塊具有超高能量的物質(zhì)碰撞在一起,并觀察從這個(gè)碰撞中會(huì)出現(xiàn)什么——盡管可能只是短短的一瞬。這種方法聽上去很像一個(gè)10歲的孩子用鐵錘拆卸錄像機(jī)一樣簡(jiǎn)單。但幸虧有愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2,碰撞中的一些能量可能會(huì)被轉(zhuǎn)換成新的粒子。碰撞的能量越多(即初始粒子以更快的速度沖向彼此),產(chǎn)生的粒子就越重(也更罕見)。所以這里有一點(diǎn)小矛盾——將粒子拆散成小塊需要高速碰撞,但作為回報(bào),碰撞之后的產(chǎn)物卻可能是一些質(zhì)量更大的新型粒子。

第二種方法是設(shè)置一個(gè)陷阱,并期待它能捕獲到一些粒子,或是粒子經(jīng)過時(shí)留下的痕跡。為了構(gòu)造這樣一個(gè)陷阱,我們需要一個(gè)靶標(biāo)——粒子可以與之碰撞、耦合或散射的對(duì)象。作為粒子捕獲器,靶標(biāo)可以具有各種各樣的尺寸和成分:一小塊硅晶體,一個(gè)容納50 000噸水的水箱,甚至是地球的大氣層。依附在這些靶標(biāo)上的探測(cè)器可以收集和統(tǒng)計(jì)耦合的最終產(chǎn)物,標(biāo)記帶電粒子的出現(xiàn),記錄短暫的發(fā)光或是感應(yīng)靶標(biāo)溫度的微小增加。