如果有一种理论能称为万物理论的话，那么它首先要解决我们这个宇宙中最基本的两个问题：（1）物质到底由什么东西构成的，怎么形成的，物质有没有最小单位？（2）宇宙中的“力”到底是什么，有没有一种最基本的理论和一个统一的公式，能描述宇宙中所有的“力”？

让我们先从第一个问题开始——寻找物质的最小单位。

观察一个篮球，我们用眼睛看就可以了；如果要观察一粒灰尘，那么需要拿一个放大镜仔细地看；如果要观察一个病毒，就不得不借助显微镜。如果要观察一个比病毒还要小几千万、几亿倍的东西，你觉得应该怎么办呢？我知道你肯定抓耳挠腮想不出办法了，等着我告诉你答案。

其实，要观察一个东西的形状和性质不是一定要直接观察，还可以通过一种间接的办法去了解这个东西，我把它叫作“子弹射击法”。

打个比方，我现在把一样东西用一根棍子支在空中，然后我在这样东西的周围裹上一层白雾（假设我发明了一种不会散去的雾气），于是你无法看到雾气中的东西到底是什么，自然也就不知道它的形状、性质等。现在我给你一把枪，装满一种轻柔的橡皮子弹，你用这把枪不断地对着白雾中的东西射击。射击几次以后，通过橡皮子弹被反弹的次数和反弹的角度，你大概就能感到这个东西的大小，还能模糊地感觉到这个东西的硬度。

随着射击次数的增加以及观察反弹子弹的细致程度的提高，你越来越有经验，你现在连这样东西的形状都已经能大致确定下来了：是一个圆形的东西。但是你很快就发现，子弹的大小问题是个瓶颈，虽然你已经发现了那样东西的表面肯定是不光滑的，但是橡皮子弹太大了，以至于你无法进一步了解那个东西的表面性质到底粗糙到什么程度。

于是，你要求我把橡皮子弹换成米粒子弹。当你开始用米粒子弹加大射击频率，仔细地观察反弹出去的米粒，你对这样东西的外形已经掌握得越来越清晰了，这是一个近似椭圆形的东西，上下似乎有两个尖头。

然后你开始专注于研究那些反弹角度很小的米粒，因为这些米粒能反映出这样东西表面的粗糙程度，一段时间以后，你发现米粒被反弹的角度呈现周期性变化，于是你可以确定这样东西的表面有一些明显的沟壑。但问题是米粒还是太大了，你无法细致地掌握这些沟壑的粗细和深浅。这次你换上了沙粒子弹，于是这样东西的表面细节被你掌握得更多。你再换上更小号的沙粒子弹，于是每减少一次子弹的大小，你对那样东西的掌握程度就增加一分。直到最后，你正确地猜出了我放在支架上的那样东西——一个大核桃。

如果你想通了我上面说的“子弹射击法”，认可这种方法能够确定一个无法被直接看到的物体的形状和性质，那么恭喜你，你已经掌握了人类探索隐藏在物质最深处的秘密的方法，那就是尽可能地找到更小的子弹，不断地轰击你要研究的对象。如果对象穿着“衣服”，就把衣服打下来后继续打。没错，这个方法很黄很暴力，但是真的很管用。不管对象是什么东西，我就是这一招鲜，只要我的子弹与对象相比足够小，就能搞清楚对象的所有细节。

人类很快发明了一种用电子作为子弹的探测装置，这种装置就是被我们称为电子显微镜的东西，用这种显微镜甚至能“看到”原子的形状和大小。虽然电子这种子弹足够小，但问题是电子的“力道”太小，打到原子上就被反弹开（后来人们知道是因为电子带电，因为同性相斥的道理，被带着电子的原子排斥开了），就好像我们用沙子去击打篮球，虽然我们能掌握篮球的形状和大小，但是我们却无法进一步了解篮球内部到底是由什么组成的。

但是勇敢无畏的物理学家们很快又在自然界中找到了一些神奇的矿物质，这些矿物质会天然地放射出大量微小粒子（α粒子），而且这些粒子和电子比起来，就好像是真手枪子弹和玩具手枪子弹的区别一样，它们的速度甚至可以达到光速的1/10，力道大得惊人，可以轻而易举地穿透金属制成的箔片，更不要说人体了。

被人类发现的第一种这样的物质叫作镭，它是由大名鼎鼎的居里夫人发现的。但是就像我前面说的，镭时时刻刻都在放射看不见的超级子弹，可以把人体细胞中的DNA都打得稀烂，居里夫人就是这样被镭夺去了宝贵的生命，为人类的科学事业献了身。除了镭，还有名震四海的铀，因为它是制造原子弹的材料（我就是在核工业部某大队长大的，这个大队的主要任务就是四处寻找铀矿。我的父亲是新中国第一批这个专业的大学生，找了大半辈子的铀矿。只是据我所知，他们金矿找到了不少，铀矿却没找到多少。也好在找到的不多，幸使家父至今身体健康）。这些矿物质被统称为“放射性材料”，有时候也简单地称为“核材料”。

英国物理学家卢瑟福第一个想到了用这种放射性材料做成“枪”，用它们放射出来的力道十足的粒子作为子弹，他准备用这把“枪”去轰击原子，看看会发生什么。1909年3月，卢瑟福用一把“镭射枪”对着一张金箔（就是把金子做成薄薄的一张纸）猛烈开火，然后他详细地记录了所有发射出去的子弹在遇到金箔后的散射情况。他发现几乎绝大部分α粒子都如入无人之境，直接射穿了金箔，但是有大概八千分之一的α粒子发生了大角度的偏转，然后大概有十万分之一的α粒子竟然被反弹了回来。卢瑟福后来回忆说，当时发现居然有被反弹回来的粒子，他实在是相当吃惊：“这是我一辈子中遇到的最不可思议的一件事情，这就好像用一门大炮对着一张纸轰击，打了十万发炮弹出去，全都直接穿透那张纸（这太正常了），但第十万零一发炮弹打过去，居然这发炮弹没有穿过纸，直接被反弹了回来，打着了自己。”就这样，卢瑟福发现了原子的秘密，原子内部有一个密度非常大的原子核，但是体积只占了整个原子的一丁点儿。伟大的卢瑟福一生培养了十三位诺贝尔物理学奖得主，还不包括他自己在内。可惜的是，卢瑟福也步了居里夫人后尘，死于自己最亲密的伙伴——放射性材料的手中。

原子核被发现以后，人类继续往下探索的挑战就更大了。因为原子核实在是太坚硬了，天然的镭射枪根本打不碎它。打不碎，自然就无从知晓原子核内部的秘密了。但是，没有什么事情能难倒牛逼的物理学家们，他们很快就找到了一种提高子弹力道的方法，那就是“电磁加速”。α粒子是带正电的一种粒子，读过中学物理的人都知道，一个带电的物体在电磁场中会受到洛伦兹力。于是人们想到：可以利用电磁场给α粒子加速，一旦速度提高，那么α粒子的能量就提高了，只要不断地提高能量，总能把原子核轰开。于是人类开始制造这种被称为“粒子加速器”的机器，用来加速粒子，轰击原子核，从而去探究原子核里面的秘密。粒子加速器一般都是一个超级巨大的环形轨道，粒子在里面被一圈圈地加速，甚至能够被加速到接近光速！但这玩意儿耗电巨大。

人类如愿以偿地把原子核击碎了，并且发现原子核是由质子和中子组成的，还惊讶地发现，原来用来做子弹的α粒子，其实就是由两个质子和两个中子组成的。既然质子能被加速，那么电子也能被加速，用电子做子弹的好处就在于电子比质子还要小1000倍，正如我们前面所说的，子弹越小探测得越精确。但子弹光是小没用，还要力道足够大，也就是速度足够快，这样才能击碎目标。于是要提高电子的速度，就需要更强的电力和更长的加速距离。

建造粒子加速器是目前人类认识物质深层次秘密的唯一途径，因此全世界都展开了竞赛，看谁建造的粒子加速器更强大。目前暂时取得世界第一的是坐落于日内瓦附近的欧洲大型强子对撞机（简称LHC），这个庞然大物恐怕是目前人类建造的最大的一部机器，花费了一百多亿美元，它的环形加速轨道的周长有27千米，埋在地底下。下面这张卫星照片可以让你对它的大小有一个直观感受。

【图10-1】LHC的卫星示意图

【图10-2】LHC的环形加速轨道

这个庞然大物一旦开动起来，所需要的电力实在惊人，据说它一开动，整个日内瓦市所有的电灯都会变暗，因此它往往都在夜里用电低峰的时候开动。它需要一个可以给一座中型城市供电的发电厂专门为它供电。这么一个庞然大物，里面跑的居然只是一些小得不能再小的粒子。当粒子加速器把一些粒子加速到接近光速后，就要让这些粒子对撞。但是你知道要让那么小的粒子正面对撞的概率有多小吗？这就好像一个人在上海，一个人在旧金山，两个人各拿一把手枪，隔着太平洋对射，要让子弹刚好和子弹撞上，你说这个概率有多小。因此，为了提高对撞的几率，只有一个办法，那就是一下子打出去几亿甚至几十、几百亿颗子弹，总会有那么几颗子弹对撞的。

人类就是靠着这种让粒子对撞，然后再观察对撞后粉碎的粒子的轨迹来研究微观世界，寻找新的粒子。不负众望，越来越多的新粒子在实验室中被发现，这些粒子要么具备以前没有发现过的质量，要么就是自旋的方式不一样。现在，人类基本上已经掌握了一张数据表，里面标明了已经发现的各种各样粒子的各种性质，例如质量、大小、自旋方式、电荷、相互作用力等等。现在人类不禁要问：有没有一种统一的理论，在这个理论下，所有这些基本粒子都可以看成是同一种物质的不同表现形式？就好像石墨和钻石，看起来如此不同的两样东西，最后发现其实都是碳元素（C）的不同表现形式，C原子的不同排列形式决定了材料的性质。那么所有这些看起来质量、自旋方式、电荷、大小都不同的基本粒子，是不是也能够用一种统一的理论去描绘呢？如果有的话，那么这就有可能发展成为万物理论（T.O.E.）。

我们了解了基本粒子的本质成因，就能了解由基本粒子构成的原子、分子、材料、万物的性质和成因。打个比方，这就好像如果掌握了每个大气分子的运动规律，就能计算出整个大气的运动规律。当然，这需要超级庞大的计算能力，但从理论上来说，就是这样的。而一个分子相对于所有基本粒子来说，就像是整个大气，我们把组成分子的每个基本粒子的规律掌握了，那么要掌握分子的规律也就是顺理成章的事情。

当然，像这样的一种关于基本粒子成因的理论绝不是可以随意胡思乱想的。必须找到一种理论，在这种理论下可以得到描述这个理论的数学方程式，并且用这些数学方程式，能够自然而然地运算得出所有已经发现的基本粒子的各种属性，并且不但能解释已经发现的所有基本粒子，还能预言没有发现的基本粒子的各项属性。

就好像广义相对论，虽然成功地解释了水星的进动现象，但是仅能解释已有的现象还是不能让人信服的，只有成功地预言了星光偏转现象之后，才让全世界的物理学家信服了这个新理论。寻找这样的一个可以解释所有基本粒子成因和准确地推算出各种数据的理论，就是人类向万物理论发起冲锋的第一步。