1895年，德國物理學家威廉·倫琴注意到，涂有熒光粉的屏幕在接觸到陰極射線管時會發(fā)出綠光。他很快便意識到，他發(fā)現(xiàn)了一種新的不可見射線。當被問及看到這束綠光有何想法時，他回答說：“我沒有想法，我只是去研究。”他把自己關在實驗室里，研究了七個禮拜，只有在妻子安娜堅持要他吃點東西的時候才肯出來。為了報答妻子對自己的關心，他用這種未知射線在攝影板上映出了她手的圖像。這也證明了這種射線能夠穿透皮膚和血肉：板上顯示著她的骨頭和婚戒。她看到這幅圖像時十分震驚：“我已經(jīng)看到了死后的樣子！”
倫琴在筆記本上用一個字母來表示這種未知射線：X射線。正如謝伊所說，這“可能是物理學歷史上不經(jīng)意命名的最佳標簽”。被發(fā)現(xiàn)一年內(nèi)，X射線就被用在戰(zhàn)場上用來尋找士兵身體里的彈片。
陰極射線管如何發(fā)射X射線的問題讓科學家開創(chuàng)性地在1897年發(fā)現(xiàn)了電子，也是第一個亞原子粒子。從此，原子不再被認為是自然界中最小的不可分割的實體。事實上，在后面的20世紀，整個粒子目錄都會被發(fā)現(xiàn)，徹底改變我們對物質(zhì)的理解。
澳大利亞物理學家蘇西·謝伊的關鍵問題是：“什么是物質(zhì)，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔貌?chuàng)造出我們周圍的一切，包括我們自己？”她試圖通過研究自然界中最微小的成分和支配它們的力量來回答這個問題，她稱自己的工作是“人類有史以來最令人敬畏、最復雜和最具創(chuàng)造性的冒險”。
謝伊的專長是加速器物理學，這個領域就是要用一些超大規(guī)模的機器來操縱細微物質(zhì)。你可能會認為這很深奧，與我們的日常生活關系不大。但正如她所展示的，粒子物理學在過去一個世紀里極大地改變了我們的生活方式。離你最近的醫(yī)院幾乎肯定有一個粒子加速器，你的智能手機依賴于量子力學，蒂姆·伯納斯·李發(fā)明了萬維網(wǎng)來幫助科學家共享粒子實驗產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。
謝伊不是理論學家，不是當代愛因斯坦，對現(xiàn)實的本質(zhì)進行各種猜測性的假設。相反，她是一名實驗物理學家，設計出新的設備，推動技術的發(fā)展，從而產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)和新的問題。這項工作要求很高，需要極強的好奇心、熱情和堅韌。
她的新書《萬物之質(zhì)》（The Matter of Everything）復雜而又引人入勝，用12個實驗展示了粒子物理學如何塑造我們對世界的理解。她從倫琴的發(fā)現(xiàn)開始，然后談到表明原子結(jié)構(gòu)的早期實驗——原子的大部分空間是中空的，還有一個被電子包圍的致密的原子核，后面又談到了1930年代第一批粒子加速器的創(chuàng)建。
二戰(zhàn)期間制造原子彈的曼哈頓計劃獲得成功后，物理學家們開始采用大規(guī)模的合作方式，也就是“大科學”的開始。像倫琴那樣在實驗室里單打獨斗的日子已經(jīng)一去不復返了——物理學現(xiàn)在需要巨型的、昂貴的機器，有實驗科學家來設計，有專業(yè)工程師來維護，還有專門的工作人員來操作。結(jié)果則交由世界各地的學者團隊進行解釋。這些方法下誕生了大量新粒子，從質(zhì)子到正電子都是。
這種追求的高潮就是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機——至少現(xiàn)在是。這是一個27公里長的圓形質(zhì)子對撞機，位于日內(nèi)瓦附近的地下100米處。它花了25年時間建造，由威爾士物理學家林登·埃文斯監(jiān)督，因此它被親切地稱為“埃文斯的原子”。
謝林曾在歐洲核子研究中心工作過，她會引導讀者關注工程與科學的成功合作，她說這是“有史以來最偉大的實驗之一”。這是地球上最大的機器，且又如此敏感，所以即便是極其微小的影響都必須進行校正，例如太陽和月球?qū)е碌牡貧み\動，或是高速列車的通過——任何會干擾質(zhì)子軌道的東西。
一個質(zhì)子比一粒沙子小100萬倍。大型強子對撞機“將兩束數(shù)以千億計的質(zhì)子送到99.999999%的光速，將它們聚焦到不到一根頭發(fā)的寬度，然后讓它們碰撞”。它的任務是檢測一個單一的、非常難以捉摸的粒子——1964年預測的希格斯玻色子。這一目標在2012年實現(xiàn)了，這要歸功于世界上1.3萬名粒子物理學家中超過半數(shù)的合作，也利用了110個國家的資源。
最后，正如謝林告訴我們的那樣，物理學不僅僅是在尋找宇宙是如何運作的，“物理學是關于人的一切?！彼诹Ｗ游锢韺W的歷史中揭示了實驗科學家的非凡智慧，以及他們?yōu)榛卮鹩嘘P物質(zhì)和宇宙的重大問題而做出的無私奉獻。這個領域為人類帶來了巨大的利益，從新的醫(yī)學成像技術到癌癥治療。但最終，當世界陷入空前的挑戰(zhàn)，對我們來說最有價值的可能還是物理學家共同解決問題的努力。正如謝林所說：“沒有什么比人類在合作努力中走到一起更有力量?！?/p>
（翻譯：都述文）