一片贫瘠的沙漠被微弱的光照亮，天空逐渐变亮。距离日出还有30分钟，但云层上方的星星已经消失了，一种深蓝色无影的光线弥漫在沙漠地面上。
在过去几个月里，这片平坦、毫无特征的地面发生了变化，一座30米高的钢铁塔独自矗立在Ascora山脚下，周围几乎只有交叉的轮胎痕迹，从一座现在空无一人的土坯牧场房屋之外的西北方向和南方各有三公里，都位于距离塔九公里半径的地方。
三个部分埋藏的庇护所，每个庇护所的窗户都朝着它们的共同焦点，现在的科学家和士兵们驻扎在这些庇护所中，他们看不到塔，但很快他们将亲眼见证其可怕的爆炸效果。
他们躺在地上，脚朝向那看不见的遥远塔，聆听着从公共广播系统中传出的倒计时声。1945年7月16日上午5点30分，一声震撼人心的巨响标志着一个新的文明时代的开始，也标志着物理学的一个新分支的诞生——所谓的原子弹。
原子弹被吊装到发射塔顶端，引爆，使其钚核开始毁灭性的核链反应。核弹的爆炸威力相当于2.1万吨的TNT炸药，仅在几分之一秒内，钢铁塔被蒸发，沙漠地面融化成绿色玻璃，昏暗的黎明瞬间变成明亮的白昼，爆炸膨胀，然后蘑菇云升腾起来，成为核时代现在的标志。这就是三位一体试验，也是有史以来第一次全尺寸核弹爆炸实验，它塑造了历史的进程和科学领域。
20世纪30年代取得了原子科学和辐射研究方面的重大进展，1938年发现核裂变的壮举被战争爆发所掩盖，但物理学家很快意识到他们新发现的毁灭性潜力。阿尔伯特·爱因斯坦与时任总统罗斯福共同签署了一封警告信，他们警告道：“可以想象出一种新型的极其强大的炸弹。”因此，美国在其他国家之前开发了自己的原子弹。这次试验被认为是非常成功的，仅21天后，美国在日本长崎市投下了一枚类似的原子弹，被称为“胖子”。
如果不是因为战争的死亡压力，核科学可能会走上一条非常不同且可能更缓慢的道路。探索原子，即物质最微小的粒子之一，直到那时，它只是一种好奇心，最初是哲学家的领域，然后是绅士学者的领域，实验方法和设备的小幅改进带来了小的突破，直到那个决定性的发现，原子及其核并不是俄罗斯套娃的终点。
当第一次核爆炸的光芒消退后，留下了一种渴望，渴望了解我们的宇宙实际上是由什么组成的，以及它是如何形成的。这个旅程，寻求发现一切的本质，将使科学家们深入探究物质和质量、场和粒子的兔子洞，甚至进一步回到时间的更早时期，为了回答永恒的问题：一切在其最基本的层面是什么，甚至更重要的是，它们中的任何一部分是否真的真实存在。
古代印度的哲学家在公元前8世纪首次断言，我们所经历的一切实际上都不是真实的。这种极端唯物主义的哲学很容易理解，一辆车可以被分解成其组成部分，轮子、轴、扁担，这些部分也可以被手工和专用工具进一步分解，直到最后什么都没有了，只剩下一堆微小的颗粒，彼此无法区分。那么，我们的经验对象究竟是什么呢？
如果不是一堆这样的颗粒组合和组织起来形成的似乎更大的东西，那么它们是什么呢？这些悬而未决的存在问题再次被古希腊哲学家在400年后提出，考虑同样的问题，德谟克利特和卢克里普斯得出了同样的结论：最终，我们能看到和触摸的一切都可以一次又一次地被分解，直到达到了一个无法再分割的微小粒子的难题。
德谟克利特给这些假设的粒子起了一个名字，他们根据其本质上不可分割的特性进行定义，将其称为“原子”，即不可分割的意思。然而，直到19世纪，科学家而不是哲学家才能够通过实验探索这些神秘的不可分割原子的本质。19世纪上半叶，在研究电荷传导的过程中，学者们开始关注一种不同的粒子，这种粒子在携带电荷方面似乎与众不同。
它可以通过真空传导，而其他所有自由原子都被移除，而且似乎无论周围的材料如何，都存在着。到1897年，英国物理学家J.J.汤姆逊已经分离出了负电荷粒子，它是电流的原因，他恰如其分地称之为电子。面对这一新发现，研究人员争相将汤姆逊的电子与有关基本原子的两千年理论相一致。
电子可以单独运动，但它们似乎也是由原子物质产生的，那么这两者之间如何相关呢？新西兰出生的物理学家欧内斯特·卢瑟福通过向一张薄金箔发射放射性粒子的进一步实验帮助解决了这个谜团。卢瑟福展示了它们有时会被反射，有时会被偏转，有时会神秘地直接穿过。如果原子是紧密堆积在一起的固体球体，这是不可能发生的。因此，卢瑟福提出并后来完善了一个新模型，它由一个凝聚的带正电荷的核团围绕着轨道运动的电子组成，就像行星围绕太阳运动一样。
原子的质量集中在其核团中，由卢瑟福确定为质子。正如我们的太阳系一样，原子主要是空间的。例如，一个氢原子几乎是100%的空间，区分质子和电子后，不可分割的原子的概念已经被彻底分解，并在1930年代进一步分解，通过发现了另一种存在于原子核内的粒子。
因此，尽管当时不可能知道这一点，它开始了通向原子弹的稳步前进。詹姆斯·查德威克在曼彻斯特与欧内斯特·卢瑟福共事，但当第一次世界大战爆发时，他被困在敌后，并在战争中的大部分时间都在监狱里，尽管如此，他设法在监狱里建立了一个小实验室和一个科学俱乐部。1921年，他回到英国完成了他的博士学位，并致力于氦的额外质量的棘手问题。众所周知，氦的原子序数为2，这意味着它有两个质子和两个相应的电子，但氦的质量实际上是这两个质子质量的两倍。核团中必须有其他重而不带电的东西，为这种质量做出贡献。
通过一系列启发性的推导和涉及放射性铍和石蜡的实验，查德威克完成了他的同事和导师们无法完成的工作。他找到了这种神秘的中性粒子——中子的确凿证据，为此他在1935年获得了诺贝尔奖。因此，中子很快被视为进一步探索原子组成的工具。科学家开始用中子轰击现有元素，试图增加它们的质量并改变其核团的组成。但是在1938年，奥地利物理学家利斯·迈特纳意识到中子撞击有可能发生一些意外的事情。中子不是增加了原子的质量，而是可以触发该原子分裂，将其质子和电子分配给两个新的不同原子，并释放巨大能量。
受到细胞分裂生物学过程的启发，迈特纳和她的同事将这一过程命名为裂变，这将成为有史以来最具破坏性的武器的物理基础。尽管她在这一发现中起到了关键作用，并对其命名有贡献，但利斯·迈特纳很快与核裂变的毁灭性潜力保持距离，可能是因为她在整个职业生涯中面临性别歧视和反犹太主义。她的工作很长时间没有被认可，1944年，诺贝尔奖的核裂变发现只授予了奥托·汉。
因此，在几个世纪以来，科学超越了哲学，我们对物质的基本粒子的理解本身也发生了根本性的转变。那些难以想象的微小、看似不可分割的原子实际上可以被分裂。重子是原子核的粒子，包括质子和中子，电子是一种不同类型的粒子，被称为轻子，它们存在于一个不同的领域，并表现出独特的方式。理解这两种物质的相互作用有助于解释我们所经历的几乎所有事情，并为现代化学和生物学奠定基础。当然，这并不是结束，宇宙中仍然有许多谜团无法仅通过重子和轻子的相互作用来解释。是否还有其他存在？质子、中子和电子是否是真正的基本粒子？或者这一步会成为阶梯上的另一个台阶，就像在1945年引爆了原子时代的现实世界爆炸一样，科学家拥有了工具和动力，可以深入探索粒子物理学的世界，以前所未有的深度和发现。
作为一位作家，詹姆斯·乔伊斯梦想着他的作品能够延续下去，能够在未来几个世纪中得以不朽。但即使是他也几乎无法想象他的文字在艺术之外的科学学科中会产生的影响。当他最初构想这些文字时，这个科学学科甚至还不存在。他的最后一部小说《芬尼根的守灵者》被写成了几乎无法被理解的方式，但却赢得了一批狂热的追随者。我们可以假设在1964年，其中一个追随者就是美国物理学家穆雷·盖尔曼。
穆雷·盖尔曼是众多在20世纪中叶涌现的粒子物理学研究浪潮中的一员。新技术揭示了除了普通的质子、中子和电子之外的多种奇异粒子。这个新的粒子动物园中的居民包括具有质量的其他粒子，如介子和夸克。这些庞重的粒子被统称为强子。因此，全世界的盖尔曼和他的同事们面临着与50年前卢瑟福和汤普森所面临的相同困境，但现在他们需要解释为什么明显基本的强子彼此相似而又不同。而穆雷·盖尔曼并不是唯一一个试图解决这个问题的人。当他在加州理工学院苦苦思索时，俄罗斯出生的美国物理学家乔治·兹威格也在瑞士的欧洲核子研究中心从事类似的研究。两人都不知道对方的工作，然而最终他们都得出了相同的结论：强子不能成为粒子的最底层，一定还有更小的东西构成它们。
兹威格假设有四种组分粒子，并将它们称为aces，这是一副纸牌中每套牌的四张牌的名称。但盖尔曼的分析表明，重型强子由仅有三种组分粒子构成。这位物理学家习惯于给假设的粒子起荒谬的名字，当谈到这些组成强子的子强子时，他称之为夸克。然而，他从未考虑过这个词可能如何拼写。直到后来，他在阅读乔伊斯的《芬尼根的守灵者》时作为摆脱粒子物理学的困境的一种方式，他偶然发现了“三个夸克”。新粒子的拼写应为q u a r k，它就是夸克（quarks），这个名字激发了公众的想象力。当然，所有这些文学辩论在夸克的存在不能被无可置疑地证实之前都是无意义的。
经验表明，如果你想将一个原子分解成其亚原子粒子，最好的方法是将原子相撞并分析碎片。因此，为了探索构成这些较小的亚原子粒子的碎片，同样的实验方法将奏效，只是这一次需要更多的能量。1968年，斯坦福直线加速器中心刚刚成立两年，但已经在高能粒子物理学方面取得了领先地位。它是世界上最长的直线加速器，长度为3.2千米，埋藏在旧金山南部平坦而起伏的地形下方的九米处。在这里，电子将被加速到令人难以置信的速度，获得高达50吉电子伏特的能量，然后被撞击到无辜的质子或中子上。通过这种头-on碰撞产生的混乱物质，物理学家终于能够证明穆雷·盖尔曼和乔治·兹威格四年前所假设的，即这些强子与原子一样并非不可分割，质子可以被击碎成更小的点状粒子——夸克。
不管是夸克还是亚士，无论它们被称为什么，它们都是真实存在的。接下来的30年里，高能粒子物理学从各个可能的角度探测夸克，实验和理论相结合，确定了有多少种类型的夸克，它们之间的区别以及它们如何相互作用来形成更大的粒子。现在，物理学家已经确认了六种不同类型的夸克，称为flavour，它们的命名有些奇特，包括上、下、奇、魅、顶和底。这六种夸克都具有特定的特征混合，包括电荷、质量、自旋以及一种被称为颜色的特性，这与真实的颜色无关。夸克颜色有助于理解强核力在原子中的行为，这种力使得夸克以三重子或有时以五个不同flavour和颜色的夸克组合在一起，产生了一系列粒子，称为强子。这些强子包括带正电的质子和不带电的中子，它们组合在一起形成了原子核，同时还包括寿命短暂的Λ、Σ和Ξ粒子，它们具有各自的特性。
夸克还可以配对形成另一类复合粒子，称为介子。现在，距离高能物理打破强子是基本粒子、不可再分的假设已经过去了半个多世纪，科学家们已经发现了六种不同flavour的夸克，并计算出了它们可以组装成各种复合粒子的所有可能方式，虽然持续时间很短。但是，尽管我们在粒子加速器中能够产生的能量非常高，但没有实验证据表明还有其他东西存在。看来我们终于到达了粒子兔子洞的底部，就质量而言，夸克是不可分割的。
高能碰撞也证明了另一种粒子，轻子，也是不可分割的。然而，轻子的种类比最初怀疑的要多，并且包括不仅是众所周知的带负电的电子，还包括质量更大的缪子和τ子以及中性的各种中微子。因此，有12种基本粒子似乎构成了一切物质，其中有六个夸克和六个轻子。它们的行为受到它们的基本和不可改变的质量、电荷、自旋和所谓的色力的控制，但粒子的种类并不完全一样。这十二个夸克和轻子可能是构成宇宙中每个物体核心的粒子，但仅靠它们无法解释我们动态宇宙中的过程。
星星为什么会点燃？是什么使它们发光？它们为什么会有质量？芝加哥的二月非常寒冷，寒风呼啸着从密歇根湖的岸边吹进城市街道，将雪堆在街角。少数几个匆忙赶到会议中心的科学家紧紧抓住围巾和帽子，迫不及待地走进温暖的室内。2009年美国科学促进会年会已经开始，遗传学、气候科学和天文学的报告已经填满了每天的日程安排。但是今天早上，一间演讲厅悄然吸引了众多科学家的注意，他们急于了解粒子物理学中最热门的竞赛的最新进展，即所谓的上帝粒子——希格斯玻色子的寻找。
希格斯玻色子被认为赋予了许多粒子质量。这是一场真正的荣耀之争，一个大西洋两岸的机构较量，伊利诺伊州的费尔马实验室的华丽之名的德韦特龙与法国和瑞士边界的新建的大型强子对撞机（LHC）由欧洲核子研究组织（CERN）建造，该强子对撞机是为了进行这一搜索而特别建造的，耗资约30亿欧元。但是，在竞赛刚刚开始之际，CERN遭遇了巨大的挫折。LHC首次启动后的一个月，爆炸严重损坏了加速磁铁，强子对撞机不得不关闭一年多进行修复，这给德韦特龙留下了清晰的胜利机会。
所以，LHC瘫痪，德韦特龙领先前进，费尔马实验室的首席科学家登上了芝加哥的讲台，展示了他们的进展。在一个拥挤而热气腾腾的讲堂里，他们透露尽管他们还没有找到上帝粒子，但他们希望不久之后能够确认一个发现。实验室一直在努力提高精确度，但问题是没有人确切知道希格斯玻色子具有什么性质，以及什么能量的碰撞会产生它。德韦特龙最适合探索在150到180吉电子伏之间的某个范围，因此如果这些限制内能够产生这个难以捉摸的粒子，费尔马实验室有很大的机会领先于受损的LHC。
标准模型缺失部分的搜索实际上始于几十年前，20世纪下半叶，人们建造了撞击器，将粒子碰撞在一起，并揭示了各种夸克和复合粒子的无数变体，但即便如此，人们清楚这还不是完整的图景。这些粒子可能是物质的组成部分，但它们并未涉及任何行动。四种基本力量控制着现代宇宙中物质之间的相互作用。引力扭曲时空，使所有物体相互吸引；电磁力负责电磁相互作用，以及通过真空距离传递辐射；强核力将原子核聚在一起；而弱核力有时会导致原子核分裂。这些力量是通过物质粒子之间的传递来传递的，因此在粒子物理学中产生了一种新型的力传递粒子，被称为规范玻色子。
最初，这些信使粒子是理论上的存在，电磁力的光子，强力的胶子，弱力的W和Z玻色子，以及引力的引力子。作为粒子，它们可以被看作是场的物理表现方式，就像海洋表面上的波浪是表面下运动的反映一样。它们是否是真实的粒子是一个量子力学的问题，但一个接一个的实验事实上确实探测到了其中大部分玻色子，现在它们与夸克和轻子一起构成了粒子物理学的标准模型。唯独引力子逃脱了我们的观测，需要如此巨大的碰撞能量才能产生，以至于我们永远无法建造一个足够大的粒子加速器。
结果表明，不同的力载荷玻色子具有不同的特性，就像物质的基本性质一样，它们具有不同的质量，并以不同的方式与夸克和轻子相互作用。例如，令人惊讶的是，弱力的W和Z玻色子似乎具有巨大的质量，而光子则没有质量。质量问题迅速成为受人尊敬的物理标准模型的一个主要问题，轻子的质量微小，而所有的夸克具有不同的质量，顶夸克的质量约为上夸克质量的75000倍，然而，粒子物理学的数学并没有说明这些粒子应该具有任何质量，尽管事实上数学可以以令人惊讶的准确性预测宇宙的最早时刻，但有一个明显的错误，即质量缺失。
没有质量，电子将无法与质子结合形成氢原子，没有氢原子，就不会有恒星、星系、宇宙中的光和生命。关于宇宙中质量产生的最早理论是在1964年提出的，当时夸克和弦首次被提出时，英国理论物理学家彼得·希格斯与两位比利时学者罗伯特·布鲁特和弗朗索瓦·昂格莱尔得出了类似的结论，他们提出所有粒子在宇宙开始时没有质量，不久之后，一种力场开始弥漫整个宇宙，当一些粒子与之相互作用时，它们以某种方式获得了质量，这个力场如今被称为希格斯场，证明其存在的唯一方法是尝试找到它的物理表现形式，希格斯玻色子。
物理学家知道发现希格斯玻色子很困难，诺贝尔奖得主利昂·莱德曼因此将其称为该死的粒子，但不久之后，这个墓志铭找到了一个更适合媒体的名字——上帝粒子。
尽管想象希格斯场和希格斯玻色子的效应可能需要一些思维上的跳跃，但是要找到这个难以捉摸的粒子却是一个更大的挑战，希格斯玻色子可以通过非常高能量的强子碰撞产生，但会立即衰变为电子或光子，但物理学家不知道到底需要多少能量才能产生它们，或者它们可能衰变成什么。因此，通过筛选碰撞残骸，寻找无法由标准模型中的其他粒子解释的事物，就像在大海捞针一样困难，所以最终，尽管费米实验室在芝加哥声称他们可能在2009年底之前就能找到希格斯的证据，但从未出现过这样的证据，当大型强子对撞机在那一年末重新启动并开始实验时，希格斯玻色子的希望开始消退，起初的冲刺变成了一场艰苦的马拉松，持续到2012年，在这个27公里长的加速器中进行了一千亿个质子对撞，但是在7月4日，欧洲核子研究组织终于宣布他们的成功，大型强子对撞机的两个仪器都以足够的统计置信度检测到了希格斯玻色子，使其与背景噪声区分开来，希格斯玻色子和希格斯场真的存在，几乎在他们最初构想出这个理论的50年后，彼得·希格斯和弗朗索瓦·昂格莱尔因为标准模型拼图的最后一块而获得了诺贝尔奖。
现在，希格斯玻色子与其他60个独特的基本 elementary 粒子一起构成了标准模型，当前模型不仅包括普通物质，还包括具有相反电荷但性质相同的反物质，它们构成了奇异的复合粒子，并在接触时与正常物质相互湮灭。有36种不同的夸克和反夸克的味道和颜色，各种轻子和反轻子，以及规范玻色子和独特的希格斯玻色子，据我们所知，标准模型是完整的，这61个粒子足以解释宇宙历史上发生的一切。利用这个结构和过去50年粒子物理学的进一步发展，科学终于能够从难以想象的微观世界放大到难以理解的宇宙规模，并思考最微小的组成如何构建起整个宇宙。
当物理学家试图计算可观测宇宙中基本粒子的数量时，使用已知的比例、测量距离和已建立的质量，得到的数字几乎是难以想象的巨大，仅计算组成氢和氦原子中的质子和中子以及与这些原子相关的电子，数量就超过了3乘以10的80次方，也就是一个后面跟着80个零的数字。然而，即使有如此庞大数量的粒子，当它们分布在可观测宇宙的广阔体积中时，平均每立方米只有一个夸克大小的粒子。也许不足为奇，大部分空间实际上是空的，或者至少不是物质。尽管标准模型在实验上非常完整，但在解释宇宙整体组成方面仍然差得很远，因为事实上，只有五％的物质是我们认为的正常物质，即构成恒星、行星和人类的物质。其余的物质被笼罩在神秘的暗物质之中，暗物质被认为负责构建最大尺度的宇宙结构并使旋转的星系保持在一起，它的丰度超过了标准模型的粒子的五倍，尽管我们仍然不知道它到底是什么。
最后，宇宙的其余70％似乎是暗能量，这种神秘力量似乎与现代宇宙的加速膨胀有关。尽管我们对暗物质了解甚少，但我们对暗能量了解更少，尽管它占据着压倒性的主导地位，但这些巨大的谜团可能仍然无法解开，但对于我们能够触摸、看到和体验到的物质，我们可以重建一个延伸到大爆炸之后的第一秒的历史，也就是我们所知的宇宙开始的那一刻的一万亿亿亿亿分之一秒，强弱和电磁力被统一为一个强大的力量，粒子（如果它们确实存在）将与我们今天理解的粒子有很大不同。将没有胶子、光子或W和Z玻色子，也许只有一种类型的玻色子，它将成为所有其他粒子的先驱。随着宇宙温度的下降和指数级膨胀的进行，基本力量及其玻色子信使开始出现，但它们还不如我们所预期的那样。它们是无质量的，并且在温度和能量仍然过高以进行粒子相互作用的情况下，它们的特殊行为尚未实现。
相对而言，事物需要花费一段相当长的时间来发生变化，大爆炸之后的约一万亿分之一秒左右，当初生宇宙冷却到仅有一千万亿度时，希格斯场终于在空间中的各个位置上出现。与该场相互作用的玻色子、夸克和轻子获得了质量，并开始发生一些预期的粒子相互作用。然而，这仍然太热，粒子的能量仍然太高，以至于夸克不能聚集在一起形成更大的东西，因此它们存在为一种动荡而混合的夸克胶子等离子体，这种终极的宇宙汤现在具备了我们所知的宇宙的所有成分，但需要接下来的37万年才能凝结成我们可能能够识别的东西。年轻的宇宙必须逐步爬出粒子物理学所挖掘的洞，夸克必须组装成复合强子，质子和中子必须聚集在一起形成原子核，并且电子必须与这些核结合形成第一个无电荷的原子。原子结合在一起形成分子，最终组成宇宙的物质对象。
我们今天所见到和体验到的一切只不过是一个难以想象的、由不断缩小的粒子嵌套在粒子内的俄罗斯套娃。然而，实际上并非如此，因为还有一个现实的最后一层需要剥离，因为甚至并不确定粒子是否真的存在于最小的尺度上，即个别夸克、轻子和玻色子存在的尺度。在量子力学的核心，这个理论认为物质的基本单位同时存在于粒子和波的形式，由于量子不确定性，无法准确确定运动粒子的精确位置和动量，这意味着最多只能通过概率分布来描述它们，而不是单个点。因此，根本不可能捕捉到单个电子或夸克并将其握在手中或夹在微小的量子镊子之间，因为量子场论说它可能根本不存在，它只不过是量子电动力学场中的一个短暂峰值，它将很快从这个角度看，填充宇宙的粒子的概念只不过是一个简化的观念，它们实际上是贯穿时空织成的广阔多变场的量子化。这些场不仅包括希格斯场或电磁场，还包括许多其他场，它们相互叠加并相互作用。
据认为，宇宙中存在着24个不同的量子场，其中包括用于各种基本力量的12个场，包括质量，以及用于夸克的9个场和轻子的3个场。就像池塘中的雨滴所产生的波纹一样，这些独立场的峰值和低谷相互作用和干涉，创建了半稳定的模式和更大的峰值，其影响传播得比产生它们的微小波纹更远。这些干涉模式定义了更大的复合粒子，如质子、原子和分子，它们是我们体验到的物质世界的基础。因此，这就是隐藏在兔子洞底部的奇异真相，宇宙在其最基本层次上仅由相互作用的场组成，这种有形的物质，我们如此热切地依附于的，实际上可能只是量子能量的亿亿亿亿倍的短暂波动。
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