如何追寻物质之源？在本书中，荷兰物理学家伊福·范瓦尔彭邀请我们踏上通向更深、更小、更前沿之处的旅程：从原子结构的设想，到标准模型的构建，再到希格斯玻色子的发现，每当粒子物理学有所成就，我们就向万物**之理更进一步。从燃烧的太阳、爆炸的核弹，到医学扫描成像、清洁能源供应，小小粒子塑造着世界的样貌。*终，我们将走近“机器**”——深埋地下的全长27千米的大型强子对撞机，见证粒子碰撞瞬间的奇迹，畅想未来可能出现的新粒子和新现象，思考粒子世界带给人类的未来启示。

我从一位同事那里听到过一个很好的比喻，它很好地解释了科学家分辨自然规律和构建理论的挑战性。想象你现在是一个刚刚登陆地球的外星人，在这个令你感到处处是惊喜的星球上，你看到的几乎都是机会，但你决定系统性地从一些简单的事情开始。所以，你问自己：“这个星球上每个**都在玩的足球，它的规则是什么？”这是一个明确的问题，似乎很容易回答。但有一个条件：你想看几场比赛就看几场，但你不能和任何人谈论或阅读任何关于这个主题的东西，你能做的只是看。花一分钟的时间去思考，然后问问自己要花多长时间才能想出一份完整的规则清单。
你可能很快就会发现，有两支11 人的球队，整场比赛在*外围的白线之内进行，球员在45 分钟后换边，比赛的*终目标是把尽可能多的球踢进对手的球门。但那两个球员是谁？他们每边一个，很少跑动，穿的衣服和他们的队友不一样，而且还被允许用手触球。你要花多长时间才能弄清楚那两个拿着小旗在足球场边跑来跑去的人在干什么，或了解什么是角球、越位、换人、一些比赛结束时突然的加时赛、赛场上奇怪的线条和点球等？想象一下，要发现所有的规则是多么困难，但即便如此，如果你动力十足并愿意投入大量的时间，这也不是不可能。科学家面临着同样的挑战，但这一次，赛场是我们身处的世界。大自然可不会“免费”泄露它的秘密。只有仔细观察，设计出正确的实验向大自然“提问”，我们才能弄清楚存在哪些现象。只有这样，我们才能逐步地破译自然界的法则。
顺便提一下，从来没有人说过规则必须合乎逻辑。事实上，自然定律并不符合日常逻辑，它俩并不是一回事。量子力学和相对论，我们将在本书中提及的这两个**的理论，都非常奇怪。在某种意义上，你可以把它们比作足球中的越位规则。虽然很荒谬但真实存在，毕竟这只是比赛的方式。一旦你接受了这项规则，那么在逻辑上，只有某些进球才算数，有些则是无效进球。同样，相对论和量子力学等理论背后那些匪夷所思的原理完全是违反直觉的，可一旦你接受了，它们便能解释我们从原子尺度观察自然时看到的所有奇怪而复杂的现象了。理论是对的。但合乎逻辑吗？并不。
通过研究这些奇怪的理论，我们学会了如何在日常生活中应用它们。目前，纳米技术和量子计算领域的许多研究和进展，完全建立在量子力学这一独特的理论基础上。尽管根据该理论，许多实验结果和观察到的现象是“合乎逻辑的”（换句话说，它们可以用量子力学中的奇怪定律来解释），但地球上没有一个科学家能解释为什么世界会遵循量子力学定律。例如，一个粒子怎么可能同时处于两个地方，或处于一种在我们寻常世界中无法想象的纠缠状态？就像你不可能同时处于怀孕和不怀孕这两种状态，但在量子世界里，这种混合态却是非常正常的。
一个理论越成功，就越有助于我们理解这个陌生世界的规则和定律，但与此同时，无法解释逻辑框架的基本构成也令人十分沮丧。所以在这种情况下，我们已经从理解“怎么样”直接跳到发掘“为什么”：为什么世界会遵循量子力学定律？一旦我们迈出这一步，问题就从量子力学“ 如何运作”转移到量子力学“为什么能运作”。换言之，这就立刻引发了一个新的问题。可怜的科学家总是在追逐不断变化的目标。不过他们永不停歇的好奇心为社会带来了巨大的财富，因为由他们的工作产生的创见和应用已经成为现代文明的基石。尽管如此，如果你一直不停地问“为什么”，那么即使是地球上*聪明的科学家也会很快“哑口无言”。
在过去的100多年里，基本粒子物理学家一步一步地试图接近原子核的*深处。在冒险过程中，我们取得了一些重大进展，对宇宙中所有物质的基本构成要素、基本粒子以及自然界的基本力量，都有了更进一步的见解。我们完全有理由为此感到自豪。在深入研究基本粒子世界前，我想向各位展示一些我们人类已经学会操纵的简单自然定律，以及已经发现的自然规律。这三个例子表明，我们认为理所当然的一些事情其实没有逻辑基础，但却在纯基础研究产生的日常应用中起着至关重要的作用。头两个问题涉及电是如何产生的，以及遗传特征在人体内何处编码。
对当今社会繁荣以及人类生活方式的*大威胁之一就是能源短缺。这个问题其实我们不常思考，但目前西方社会对能源依赖程度很高，如果没有电，不到**整个社会的运作就会完全停滞。试着想象一下，一个标准的工作日突然停电：没有闹钟，没有灯，没有咖啡机，没有汽车，没有电梯，没有自动取款机，没有电视，没有电脑，没有收音机，没有互联网，没有电话，也没有洗碗机。你可以清楚地理解为什么能源是公众和政治辩论的热门话题。本书并不会讨论这个复杂问题的所有方面，如：地球有限的化石燃料供应、紧张的地缘政治利害关系、二氧化碳排放、绿色能源以及核能争议等。这些学科的专家对这些问题的研究可以填满一整间图书馆，并且相关辩论仍在如火如荼地进行。而我，作为一名物理学家，在此处的工作是提出一个问题，一个在上述争论中起不到核心作用的问题，但我希望每个人都能回答：如何发电？例如，如何把一个普通的煤球（烧烤架上使用的那种）变成电流？之所以现在能做到这一点，要感谢大自然通过一个简单的现象向我们揭示了这个秘密。这个看似简单的自然现象从根本上改变了人类的生活和文明。
约150年前，詹姆斯·麦克斯韦成功地用四个**的公式描述了所有已知的关于电磁的现象，后来这四个公式也一直沿用他的名字：麦克斯韦方程组。它们证明了磁场和电流密切相关，并且解释了极为复杂的电磁现象，包括迈克尔·法拉第早期发现的一种规律，这种规律也为人类发电提供了一种方法。
这听起来可能不是很来劲，但如果你拿出一个铜线圈，并使一块磁铁穿过它，磁场就真的产生了。磁场一开始是不存在的，当你把磁铁移到线圈的**时，磁场会变得非常强，但当磁铁被完全移除后，磁场就消失了。这个过程中导线会产生电流。这是我能用的*简单的办法，而我也不能让它更复杂了。这就是发电的原理，无论是在自行车灯里，还是在*先进的核电站中。
当你骑自行车时，你为自己的车灯发电。轮毂发电机是一根长长的、卷起来的铜线，就像长铁丝整齐地缠绕在真空吸尘器的软管上。线圈中有一块磁铁，通过一个叫作滚轮的齿轮与轮子相连。当你踩踏板时，轮子转动，磁铁也转动。根据我们发现的自然定律，改变铜线圈中的磁场会产生电流，而电流确实也流过铜线圈。然后，电流通过一根细金属线传导到灯内，使其升温并开始发光。想不到吧，就一个自行车灯也这么神奇。当然，不是不让人们赞叹高科技能源巨头，只是一座大型燃煤发电厂的运作方式与此大致相同，也是一块磁铁在一圈铜线内旋转。**的区别在于磁铁如何移动。在自行车上，你通过踩踏板来让磁铁移动，而在发电厂里，这项工作由涡轮自动完成，这一点倒是十分稀奇。涡轮旋转是因为蒸汽用力推动叶片，而叶片通过齿轮箱与磁铁相连。那么我们如何制造蒸汽呢？通过加热容器中大量的水。那如何加热水呢？在容器下面烧一堆煤。就这么简单！
当然，成千上万的人每天都在努力工作，确保这个过程中的每一步在发电厂中尽可能**，所涉及的步骤比我在此描述的要多得多，但我描述的是基本原理。核电站的工作原理几乎一样，**的区别在于水的加热方式。在核电站中，这项工作是通过分裂重原子核（如铀）时释放的粒子来完成的。风能发电的原理也相同：风吹动涡轮的旋转叶片转动铜线圈内的磁铁。

序言 **章 游戏规则 第二章 原子革命 第三章 标准模型中的粒子 第四章 标准模型中的力 第五章 发现希格斯玻色子 第六章 未知之地，未知之旅 致谢