楔子

2010年3月，一个清冷的早晨，我在法国费内–伏尔泰郊外一片带围墙的建筑外停下了车。钉在钢制安全门上的指示牌上写着：

CERN 8号场地

仅限授权人员进入

我笨拙地倾过身子，从汽车副驾驶座那一侧的窗户伸出手去，在读卡器上刷了一下我的门禁卡。大门没有开。咦，我的访问请求没有通过吗？我注意到后面的汽车开始排起了长龙，我越来越着急，在读卡器上不停地刷卡。但门什么反应也没有。我正想下车，打算用高中学的一点儿蹩脚的法语和保安沟通，大门终于缓缓打开，我松了一口气。

我把车停在主实验厅后面，车头对着标明日内瓦机场跑道边界线的铁丝围栏。我呼出的气在室外寒冷的空气中凝成了白雾，空气中飘着一股熟悉而令人有些反胃的甜味，这股味道来自附近瑞士小镇梅林的一家香水工厂。我把手插进外套口袋，准备前往名字平平无奇的3894号楼，它实际上是一栋单层的活动房屋，主要用来开晨会。

在室内，大多数参会者已经围坐在长桌旁，等待着会议开始。一些人正用英语、法语、德语或意大利语和邻座的人闲聊；还有一些人喝着咖啡，或者埋头看着面前的笔记本电脑。我坐在第二排，希望不会被叫到。

在我们脚下100米深处，是一条长到足以环绕城市一圈的混凝土隧道，有史以来最庞大、也是最强大的机器即将在此诞生，这就是大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。就在几天之后，这台环形加速器将会让亚原子粒子以惊人的力量对撞，从而短暂地重现宇宙大爆炸后最初瞬间的情况。

这些微观的灾难性事件会被4台巨大的粒子探测器记录下来，这些探测器被放置在教堂那么大的地下洞穴中，分布在LHC的圆环周围，彼此相隔数千米。其中一个探测器就在我们的正下方，它被称为LHC底夸克探测器（LHCb），是6 000吨的钢、铁、铝、硅和光纤电缆，就像是一位起跑线前的短跑运动员，正在等待属于自己的时刻的到来。

这场等待已经很久了。我有一些同事的整个职业生涯，都在为这一刻的到来做准备。历经20年的规划、资金投标，以及一丝不苟的设计、测试和施工，有史以来最先进的粒子探测器之一终于建成。就在几天之后，所有这些工作将进行最终测试，LHC上的工程师准备进行探测器内的首次粒子对撞。

当时我只有24岁，还是一名博士二年级的学生，在几周之前刚刚来到日内瓦，开始两期为期三个月的实习中的第一期工作。我的新家是欧洲核子研究组织（CERN），也是世界上规模最大、最先进的粒子物理实验室。在过去的几个星期里，我慢慢地熟悉了迷宫般的办公楼、工作坊和实验室的路线，这些建筑构成了CERN广阔的场地，我也在和这里二月的暴风雪苦苦斗争，我还发现，在瑞士晚上10点后冲厕会让你遭受邻居的“强烈谴责”。我也开始适应我在LHCb的新工作，包括负责其众多子系统中的一个，它的每一个子系统都必须顺利运行。如果其中一个出现问题，那么期待已久的数据最终可能变得不可用。

我第一次亲眼见到LHCb是在一年半前。我的导师乌利（Uli）是一位在CERN全职工作的德国博士后研究员，他引导我完成了一系列复杂的手续后进入了探测器。我在戴上一个能够监测我在地下旅行中受到的辐射的标识后，首先就得“说服”一台喜怒无常的虹膜扫描仪，让它同意我通过一组浅绿色的气闸式安全门。随后，一台小型金属升降机载着我晃晃悠悠地来到地下105米深处，进入了一个名字听起来很不吉利的地方——“深坑”。

门在一个奇怪的地下世界打开了，这里都是轰轰作响的机器，金属门架都被涂成了原色，混凝土隧道中，电缆和管道相互交错。随后又有一组安全门，这次是亮黄色的，上面印着辐射警告的标志，门背后就是一条狭窄的通道，蜿蜒穿过12米厚的防护墙，然后突然变得开阔，你置身于一个巨大的混凝土洞穴中。

首先击中你心神的一定是它的大小。LHCb非常庞大，它高10米，长21米，有整个洞穴那么宽。乍一看，你可能很难弄清楚你看到的是什么；视野中都是楼梯、钢制平台和脚手架，都被涂成了绿色和黄色，它们是用来支撑并作为通往探测器敏感元件的通道，这些元件大多隐藏在看不见的地方。在洞穴内壁上，大量电缆纵横交错，它们负责向探测器供电，并用来传输无数精密传感器产生的大量数据。当成千上万个亚原子粒子在以略低于光速的对撞中被撕裂时，LHCb能够以数千分之一毫米的精度测量到它们的路径。而且，它每秒钟能将这种测量重复百万次。

但LHCb最引人注目的或许是它的建造方式。与LHC的4个探测装置一样，LHCb是一座现代版的巴别塔，每个组件的设计和组装都是由物理学家和工程师组成的国际团队合作完成的，这些团队分布在全球数十所大学中，从里约热内卢到新西伯利亚都有他们的身影。在日内瓦郊外这处巨大的地下洞穴里，它们被拼凑在一起，组成了一台令人震撼的复杂仪器。这一切的成功在我看来简直就是奇迹。

我在剑桥大学的同事花费了10年时间设计、制造并测试了这些可以读出子探测器数据的电子设备，这些子探测器是用来区分不同类型的粒子的。在所有这一切中，我负责的一小部分就是要确保用来控制和监测电子设备的软件能够正常工作，不会在关键时刻崩溃或者引起其他问题。我只是一台巨型机器上的一个小齿轮，但我仍然敏锐地意识到，来自70个国家数百名物理学家所付出的20年的努力，还有12个国家资助机构的6 500万欧元的投资，都有赖于我把自己微不足道的工作做好。我不想成为在最后时刻令事情功亏一篑的人。

当主任宣布开始会议时，房间里的闲谈声戛然而止。我环顾四周，许多同事看起来好像在过去的几天里没怎么合眼，我意识到这是我职业生涯迄今为止最重要阶段的开始。第一项议程是一份详述LHC连夜工作的报告，CERN的人都简单称LHC为“那台机器”。它就是我们现在都在翘首以盼的那台机器。

经过30多年的酝酿，LHC是一个规模空前的科学项目。几乎有关它的一切都和“最”有关。它是迄今为止建造的最大的科学仪器，从某种程度上说，它也是迄今最大的机器，它的周长达27千米，来回4次跨越法国和瑞士的边境（事实上，隧道壁上就画着标记边境线的旗帜）。携带粒子的束流管比星际空间还要空，而控制粒子绕着环运行的数千个超导磁体的工作温度低至惊人的零下271.3摄氏度，这只比绝对零度高不到2摄氏度。想要达到这个温度，就需要用到世界上最大的低温设施，它利用10 000吨液氮和相当于一座大城市所需的电力，产生了120多吨的超流液氦，然后被泵送通过LHC的磁体。几天之后，这台巨型机器将开始将一种被称为质子的亚原子粒子加速，使其达到光速的99.999 996%，然后在圆环的4个位置（包括在LHCb内）让它们正面相撞，从而创造出自宇宙诞生后万亿分之一秒以来从未大量出现的物质形态。

经年累月的设计和资金谈判、动员成千上万位物理学家组成的全球共同体、土木工程建造（包括挖掘一条被液氮冻结的地下河），更不用说制造、测试和安装无数组件，从35吨的磁体到最小的硅传感器，所有这一切的背后只有一个原因——好奇心。尽管一些八卦小报可能想跟你讲点儿别的故事，例如，英国《每日快报》似乎就在不厌其烦地暗示CERN使用LHC的邪恶目的，包括打开通向另一个“邪恶”维度的大门（也许《怪奇物语》里通往“逆世界”的传送门真的是CERN的错），或者还有一种我最喜欢的版本——“召唤上帝”，但LHC的存在仅仅是为了回答关于我们这个世界最基本的组成，以及我们的宇宙是如何形成的这个基本问题。

还有一些大问题等待着我们解答。目前关于世界在最基本的层面上是由什么构成的理论被称为粒子物理学标准模型，这个看似无聊的名字实际上描述了人类最伟大的智力成就之一。经过无数理论学家和实验学者数十年的共同努力，标准模型描述了我们周围所见的一切——星系、恒星、行星和人类，都是由一些不同类型的粒子构成的，在原子和分子内部，这些粒子通过几种基本力结合在一起。从太阳为什么会发光，到什么是光，还有物质为什么有质量，这个理论解释了这一切。更重要的是，将近半个世纪以来，它通过了我们所能做的每一次检验。毫无疑问，它是有史以来最成功的科学理论。

尽管如此，我们知道标准模型是错的，或者至少可以说，它是极不完备的。当我们说到现代物理学面临的最深刻的谜团时，标准模型束手无策，或者只能给出一些反例而非答案。先来看看这个。经过数十年煞费苦心地仰望星空，天文学家和宇宙学家清楚地认识到，95%的宇宙是由两种不可见的物质组成的，它们分别被称为暗能量和暗物质。无论它们究竟是什么（显然我们对此毫无头绪），它们都绝不是由标准模型中任何粒子构成的。错失宇宙的95%还不算最糟糕的，标准模型还做出了一则相当惊人的断言：存在的所有物质都应该在大爆炸后的第一微秒内与反物质一同湮灭，留下一个没有恒星、没有行星，也没有我们存在的宇宙。

显而易见的是，我们漏掉了一些重要的东西，它们很可能是一些尚未发现的基本粒子，而这些粒子可以帮助解释为什么宇宙是如今这样的。

这就说回到了LHC。2010年3月，当我们围坐在那张会议桌旁时，空气中满是快乐的气息，我们认为很快就会发现一些全新的或者意想不到的东西从LHC的碰撞中飞出。如果真是这样，这将开启一段旅程，能帮助解开科学中一些最大的谜团。

2008年年初，当我准备攻读博士学位时，我知道我将开始粒子物理学的研究，就像LHC第一次启动一样。我很高兴能成为第一批看到这台机器的数据的学生之一，这台机器从20世纪70年代末就开始研发，耗资超过120亿欧元。2008年9月10日，就在我到英国剑桥的新实验室报到的前几天，在大量宣传报道中，LHC启动了。在全世界媒体的关注下，质子首次在27千米长的圆环中运行。物理学家和工程师纷纷庆祝这个历史上最伟大的科学成就之一，粒子物理学短暂地登上了新闻头条。

短短几天后，LHC又因为另一个原因上了新闻。9月19日中午时分，在最终测试对撞机的电磁体时，灾难性的意外发生了。在CERN中，LHC控制中心就好比是美国国家航空航天局（NASA）的地面指挥中心，LHC控制中心的工程师看着这个大房间四周墙上的屏幕一个接一个地变成刺眼的红色，完全不敢相信眼前的一切。后来，当我和一位工程师聊到这件事时，他告诉我起初太多警报响起，他们还认为一定是用来监控加速器的软件出了问题。直到几个小时后，当他和同事们终于进入隧道时，他们发现眼前是一片废墟。

一处连接的松动产生了电弧，使得用于冷却磁体的液氦瞬间沸腾，带来了冲击波，并沿着750米长的加速器造成了一连串的破坏。长15米、重达35吨的电磁体已经从固定系统上脱落，并在隧道中发生了位移。发生故障的连接处已经蒸发，黑烟沿着超净束流管向两边喷射了数百米。

维修需要一年多的时间。尽管一开始就被打击了信心，但CERN的工程人员很快重整旗鼓，重新开始工作。2009年11月20日，在长达14个月，耗资2 500万欧元的维修之后，他们试验性地将质子再次送入了LHC，这是如今委婉地被称为“那次事件”的事故发生后的第一次运行。但这只是一次空运行，加速器仅仅以其最大能量的一小部分平稳运行。

现在时间来到2010年3月，我们即将迎来这台机器被推入未知领域的时刻，它将达到足够大的对撞能量，让我们可以开始搜寻暗物质、希格斯玻色子、微观黑洞，以及其他超乎想象的奇异物体。我猜测那天早上围坐在桌旁的每个人，都感觉到了我们要做的事情的分量。

运行负责人做了报告，当他的声音被附近跑道上起飞的客机的轰鸣声淹没时，他会偶尔停顿一下。除了短暂的停电外，LHC的连夜工作进展顺利，我们有望在几天内见证对撞。然后，他在桌边来回走动，同时来自荷兰、西班牙、俄罗斯、德国和意大利的物理学家用流利的英语介绍了他们负责的子系统的最新情况。然后一位法国物理学家开始用他的母语做报告，有那么一瞬间我们仿佛置身于欧洲歌唱大赛。虽然收获了一些来自周围人的白眼，这位物理学家还是固执地继续了下去，事实上这种行为并不是“无理取闹”，法语确实是CERN两种官方语言中的一种，而且我们当时就在法国。尽管如此，CERN的几乎所有会议都是用英语进行的，而我的法语水平还远远没有达到跟得上对实验的某个方面进行技术讨论的水平。

轮到我时，我能感觉到自己的心跳加速。就在几天前，我们在控制电子设备的软件上遇到了一个小问题，我们在黎明时分惊慌失措地赶到了控制室。最终，这个问题通过一种最经典的方案得以解决：重启，一切再次顺利运行。但在我的心里，我并没有找到错误的根本原因，这一直困扰着我。

“在过去的24小时里没有什么要报告的。”我说，希望不会出现后续问题。让我松了一口气的是，运行负责人的注意力转向了下一个子系统，在几个简短的报告之后，情况已经明了：LHCb准备好了。

在室外的停车场，我看到蒸汽从冷却塔中翻滚喷出，这是唯一看得见的证据，表明那台巨大的机器正在地下蓄势待发。我突然想知道，在日内瓦机场和汝拉山之间的那片乡村中，有多少居民知道自己的脚下正发生着什么。

一个多星期后，也就是2010年3月30日，LHC的工程师完成了壮举，发射了两束相对的质子并让它们迎头相撞，这差不多相当于从大西洋的两岸分别向对岸发射两根针，并使它们在半路相撞。当第一批质子发生碰撞时，能量产生了物质，CERN的屏幕上亮起了首次微观创造时刻的图像。挤在狭小的LHCb控制室的物理学家爆发出欢呼声和掌声。20年的努力终于获得了回报。

这一天标志着人类最雄心勃勃的智力之旅中一个大胆的新阶段的开始：长达数个世纪的探索，揭示自然中最基本的成分，并找出它们的来源，你可以称之为探究我们宇宙的配方。这本书就是这次探索的故事。它讲述了千百年来，不计其数的人如何逐步发现物质的基本成分，如何通过垂死恒星的核以及追溯到大爆炸最初的狂暴时刻，如何追踪到这些基本成分的宇宙起源。这个故事涵盖了化学、原子、核，以及粒子物理学、天体物理学和宇宙学等诸多方面，我将通过我找到苹果派的终极配方的个人使命来讲述这个故事。你问为什么是苹果派？嗯……

在具有里程碑意义的电视剧集《宇宙》（Cosmos）中，美国天体物理学家卡尔·萨根带领观众开启了一场穿越宇宙的史诗之旅，他飞往遥远的星系，探寻生命的起源，见证了恒星的诞生和死亡。《宇宙》于1980年播出，这场穿越时空的航行离不开大量的后期合成效果。

萨根有时会因为他装腔作势的表现风格而被调侃，他在第9集中进行了一点儿自嘲。这集的开头乍一看是一颗漂浮在太空中的绿色小星球，当我们飞得越来越近时，会发现它竟然不是一颗行星，而是一个苹果，苹果突然被切成两半，接着镜头一下子切换到了厨房的场景，一根看起来相当不祥的擀面杖戏剧性地压扁了一团面团，所有这些都令人震惊，就好像直接截取自《银翼杀手》（Blade Runner）的片段一样。

这一连串的镜头最终在剑桥大学三一学院橡木装饰的大餐厅中结束，萨根穿着他标志性的红色高领毛衣，看起来文质彬彬，他坐在一张长桌的尽头，一位侍者给他端来了一个刚烤好的苹果派，萨根转过头面向镜头，眼中放着光，说道：“想要从头开始做一个苹果派，你必须先创造宇宙。”

现在，这变成了我想看的烹饪节目。“在今天的《英国家庭烘焙大赛》中，我们会制作咸焦糖芭菲，首先玛丽·贝莉将向你展示如何利用一颗垂死的恒星合成碳。”总之，萨根的意思是，一个苹果派所包含的远不止苹果和烘焙。如果将视野放到足够大，你会发现不计其数的原子，它们被超新星喷射进入太空，或是在大爆炸的灼热中锻造而成。这么说来，如果你真的想知道如何做苹果派，你就要弄清如何创造整个宇宙。

人们通常喜欢用更浮夸的术语来表述理解万物的终极起源，最著名的例子包括斯蒂芬·霍金对它的描述——“上帝之心”，但我更喜欢萨根更脚踏实地的看法。如果我们从一个苹果派开始，把它分解成更基本的成分，并试图弄清楚它们是如何制作的，我们最终会到达终点吗？我们也许永远不会了解上帝之心，但我们能不能搞明白如何从头开始做一个苹果派呢？

想要找到这个问题的答案，我们将踏上一场环球旅行的征途，我们将深入意大利山脉下1 000米深的地方窥视太阳的中心，我们会登上新墨西哥的高峰之巅，天文学家在那里解码隐藏在星光中的信号。我们将在路易斯安那州南部潮湿的松林中聆听时空的涟漪，我们也会探究位于纽约的实验室，在那里，一台巨大的粒子对撞机重新创造出了大爆炸以来前所未见的温度。一路上，我们将与过去和现在的化学家、天文学家、物理学家和宇宙学家不期而遇，探索物质的基本成分，揭示它们背后的历史。我们将直面那些悬而未决的谜团，追寻是否有我们永远无法回答的问题。

我们会跨越各大洲，穿越数个世纪，寻求宇宙的配方。但是，就像所有史诗般的传奇一样，这段旅程的起点，是我们的家。