如何观察这个世界
前几天我借由CERN的大型强子对撞机（LHC）第二次运行的结果回到了卢瑟福的年代开始讨论一些我们到底是怎么探索微观世界的。今天我们就来说一些重要的元素以便日后再深入讨论。
我们是如何观察这个世界的？
我们日常中所熟悉的“光”其实是由数十亿、百万兆计的一粒粒“光子”所组成。光子，就像所有其他的粒子，也有波的性质。基于这个特性，当光子和其他物体相互作用的时候，光子会携带一定的信息。
举个简单的粒子，试想一下在你的身后有一个灯泡，另外，有一个网球在你的面前。 光子从灯泡出发（来源），碰到网球弹回来（目标），弹回来的光子到达你的眼睛（探测器），你就可以从光子来的方向猜测有一个圆形物体在你面前。此外，你可以由由不同光子的波长分辨出这个物体是绿色和黄褐色的。
我们的大脑会分析这个信息，然后在脑中创造出了一个网球的概念。我们就是利用四处反弹的光波以获得足够的信息来观察这个世界。其他的动物，像海豚和蝙蝠，自身可以发出及探测声波来判定位置等。事实上，任何一种反射波都可以用来获取身边事物的信息。
更上一层的显微镜
利用波来探知物理世界的问题是，你所得到的影像品质会受限于你使用的波长。
我们的眼睛看到的称为“可见光”（下图中放大的部分），其波长在0.0000005米左右。通常来说，这已经小到足以让我们不去担心波长解析度的问题，因为我们不看宽0.0000005米的物体。
但是，可见光的波长还是太宽了，以至于无法分析比细胞更小的物体。为了观测高度放大的东西，你必须使用更小的波长。这也就是当科学家要研究亚微小东西（比如病毒）的时候，他们求助于扫描式电子显微镜的原因。但是，即使是最好的扫描式电子显微镜也只能显示出朦胧模糊的原子的图像。
一个洞穴的故事
假装你很不幸地掉入一个洞穴，并且没有手电筒。但是，你却很幸运的拥有一桶装满会发光的篮球。突然，你听到带有鼻音的声音。难道！是一只嗜血的熊......或者只是你的朋友跟你开的一个玩笑？
为了查明真相，你朝着声音的方向丢去发光的篮球，并记住篮球击中的地方。很快的你就得知未知生物的轮廓。
糟糕！由于篮球太大，所以当它们从你身前的东西弹回时，对它的外形你所能够知道的只是又宽又高（下图左）。
幸运的是，你也有一袋在黑暗中发亮的网球。你再次朝未知生物丢球。好吧，情况并没有好到哪里。网球还是太大，无法准确的描绘出未知生物的准确形状（下图中）。
天无绝人之路，你还有一筐发亮的大理石，这回应该没问题了吧！的确，你现在已经可以清楚的看到这只未知生物，那是，是.......一只熊（下图右）！
你唯一值得高兴的只是，你使用了最小的大理石，知道了凶手是谁！
前面所讲故事的寓意是：
不要向一直饥肠辘辘的凶丢东西
为了收集到关于物体最大可能的信息，一定要用最小的探子
任何探子的撞击只能告诉你在探子的直径内的某一个地方有一只熊。在这三种探子中，由于大理石的撞击可以告诉我们在一个非常小区域内熊的存在，所以它们是收集信息最有效的方法。我们说篮球的图像很模糊，那时因为关于熊的真实情况有很大的不确定性。当探子的尺寸越来越小，图像也变得越为清晰，因为你对凶的外观越加确定。一张图片的清晰程度我们称之为分辨率。
波长和分辨率
具有长波长的东西就好像洞穴故事中的篮球，两者皆不能提供太多有关它们撞击物体的信息。而具有短波长的东西就像故事中的大理石，可以提供你被撞击物相当详细的信息。探子的波长越短，你可以获得越多有关被撞击物的信息。
再举个例子。如果你有个游泳池，池里的水波波长为1米长，然后把一根很细的木棍竖直插入游泳池，池里的水波只是通过木棍，因为波长一米的水波意味着它不会被如此小的物体所影响。
所有粒子都具有波的性质。所以，当我们使用粒子作为探子的时候，我们需要利用具有短波长的粒子，这样才能获得小物体的详细信息。一个粗略的使用规则，一个粒子最多只能探测到与其波长相当的距离。要探测更小的尺度，必须要更短波长的探子。
我们只是用了一个粗略的比喻诠释了这个非常难的概念。更完整的解释则不得不牵涉到数学，超出了要讨论的范围。
物理学家的工具：加速器
物理学家无法用光来探索亚原子结构，因为光的波长太长乐。但是，我们说过所有的粒子都具有波的性质，所以物理学家可以利用粒子作为探子。为了看到最小的粒子，物理学家需要波长尽可能小的粒子。但是，在自然界中大多数的粒子都具有相当长的波长。物理学家如何把粒子的波长减少，使粒子可以成为探子呢？
这里我们要记住一点：粒子的动量和它的波长成反比。
高能物理学家在使用粒子加速器增加粒子的动量（减少波长）的时候就是利用了该原则。
我们只需要以下几个步骤：
把探测粒子放进加速器。
加速粒子使其接近光速以获得更多的动量
因为粒子的动量已经足够大，它的波长也相应的够小
迅速的将探测粒子撞击靶心，记录下发生了什么。
波粒二象性
在波的性质中，有一项是特别有趣的：当两个波彼此穿越，它们之间会相互叠加，该现象成为干涉。
试想一下，有一个光源被一面薄金属挡住去路，但是金属上有两道狭缝。狭缝后的几米内有一个屏幕。屏幕上的任以给定点会有两道波同时抵达（各来自不同狭缝）。这两道光行经的距离不同，所以它们互相干涉，产生干涉图案。
如果你想在用的是粒子代替光源，结果是，你会记录到类似的干涉图案。这就意味着，所有的粒子都有波的性质。
因为物质粒子具有波长，而且可以互相干涉，所以我们所认为的真实粒子，实际上也是波。是不是又不可思议却又很迷人的一个概念？
质能转换
物理学家经常需要研究大质量、不稳定的粒子，但是这些粒子通常会以极快的速度衰变，比如顶夸克。然而，在日常生活中充满的都是质量非常轻的粒子，那物理学家如何得到大质量的粒子？这里我们需要变个魔术，从质量较轻的粒子中得到质量重的粒子！伟大的物理魔术师爱因斯坦登场了，他说：质量只是能量的一种形式！！1905年，他写下了著名的方程：
现在很清楚了，一个物理学家想要从小质量粒子中产生大质量的粒子，他所要做的只是把小质量的粒子放入加速器，给粒子很多的动能然后把它们撞在一起。在这个碰撞的过程中，粒子的动能转换成新的大质量粒子。经由这种过程，物理学家可以创造出很多不稳定的大质量粒子，进而研究它们的性质。
很神奇对不对！
好吧，我对加速器的描述过于简化了。明天我保证会详细的介绍加速器是怎么运作的！