在本書的最開始，我們先對全書無限宇宙（無限大和無限小的世界）進行簡要地介紹，並對本書中所用物理量的量級等作解釋，以便讀者更輕鬆地閱讀本書。
20 世紀物理學從大的方向上和小的方向上觀察宇宙，進行探索和研究，取得了許多重大的發現。大的方向上，通過望遠鏡向著宇宙的邊緣觀察，這個宏觀的宇宙被稱為大宇宙；另一方向就是從原子和亞原子的微觀尺度上探索和研究宇宙，這個微觀的宇宙被稱為小宇宙。
自然界跨越的尺度範圍是難以置信的巨大，從原子核裡的質子和中子的微小組成成分（小宇宙）到宇宙空間裡的億萬星體（大宇宙）。從尺度上看，人類大致上處於這兩個宇宙極端的中間位置（圖 1-1）。
(空間尺度以 10 為底的指數表示：有一種簡便的方法表示很大或者很小的數，避免寫很多 0。這就是以10 為底的指數表示方法。1 微米可以寫成 10 的 -6 次方米，即 10-6 米。1億可以寫成 10 的 8 次方，即 108。例如，1032 有 32 個 0。)
人們用肉眼向外太空觀察可以感受到一個巨大的宇宙，延伸到最暗淡的星體。但是用肉眼觀察微觀世界就困難得多。用肉眼能夠清晰觀察的最小尺度就是一根頭髮絲直徑的寬度，稍小於 0.01 毫米，小於這個尺度的物體看起來就模糊了。
物體發射的光或者反射的光射入眼晴，轉變成腦細胞可感知的信號，然後大腦對接收到的信號進行解釋，形成物體的圖像。然而，即使是視力最好的眼睛都不可能區別尺度小於視網膜敏感細胞之間的距離的物體，要想看見這樣小的物體就需要使用放大鏡或者顯微鏡。
第一臺顯微鏡是荷蘭人安東·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）發明的，他當時是一個沒有受過科學訓練的服裝銷售員，他的愛好就是製作透鏡。他製造了一臺能夠放大 200倍的儀器，這在當時是最先進的。1683 年，列文虎克在研究雨滴的過程中第一次發現了微生物，他將其稱作「小動物」。隨後不久，列文虎克發現了許多小生物。儘管他的發現都用資料做了仔細的證明，但是當時的科學界對此仍然持有懷疑。在當時，人們認為上帝創造的最小生物就是奶酪裡的小蟲子。後來，從列文虎克的描述中可以推論，他可能是第一個看見細菌的人。
細菌是能夠用光學顯微鏡看見的最小普通生物體，它的典型尺寸約為 1 微米。1 微米是 1 米的百萬分之一，或者寫為 0.000 001 米。
第一臺電子顯微鏡是在1931 年製造的，它開啟了我們觀察微觀世界（大約 10-6 米）之門。今天的電子顯微鏡可以觀測分子的結構（大約 10-9 米），還可以掃描各個原子的表面。一個原子的典型尺寸大約是 10-10 米，1 平方毫米的面積內大約包含 1014 個原子。原子的內部是空的。原子裡的深處是密度很大的原子核（原子核的尺寸大約為 10-14 米），原子核的外圍是比原子核大 10 000倍的電子云，但是電子云的質量只有原子質量的 1/2000。電子顯微鏡的誕生開啟了「微宇宙」（希臘語「小世界」）時代。物理學家為了觀察微宇宙使用了另一類「顯微鏡」——一種被稱為粒子加速器的機器，它可以產生更短波長的粒子作為探測儀器，就像顯微鏡一樣。
20 世紀 30 年代以前，物理學家們就知道原子核是由質子和中子組成的，並且相信這就是最終的微宇宙（圖 1-2、圖 1-3）。但是，對從外太空投射來的宇宙射線的研究結果和更強大的加速器實驗揭示了物質組成的更深層次：質子和中子是由名為夸克的更小的粒子組成的。夸克和電子就是現代物理學的「鋪路小卵石」。
夸克和電子的尺寸小於 10-18米，而且微觀世界可能比這個尺度還小得多。有一種新理論認為，粒子不是點，而是長度只有 10-33 米的小弦。這樣小的距離與宇宙在大爆炸之後在遠小於第 1 秒鐘時形成的物質的尺度差不多。這樣，微宇宙的結構又回到了宇宙產生的開始，可以幫助我們揭示大宇宙的奧秘（參見本書 5.5 節、6.6 節）。
在我們的頭頂上，天空如一張由星體的閃爍光點編織成的「掛毯」。在晴空萬裡的夜裡，人們用肉眼可以看見大約 3000 顆星體，這僅僅是宇宙最靠近我們的一個極小空間。我們生活的太陽系也只是巨大的銀河系裡的一個小星系。銀河系包括 1000 億顆星體，一個星體就像是一個大房間裡的一粒沙子。在整個宇宙空間裡至少有 1000 億個銀河系。
宇宙空間是如此之大，以致不能用普通的尺度來度量，而是要用「光年」來度量。1 光年就是光在真空裡傳播 1 年的距離，即 9.5×1015 米。從太陽系外離地球最近的「比鄰星」（半人半馬α，Centaurio-Alpha）發射出來的光傳播到地球需要 4 年時間，著名的昴星團（希臘神話中的七姊妹星）到地球的距離為 400 光年，仙女座（以希臘神話中安德羅墨達女神命名）到地球的距離為230 萬光年。
因為光從外太空傳播到地球需要如此長的時間，我們今天看到的星光實際上是很早以前發射出來的，所以我們觀察外太空就意味著在時間上往回看。使用功能強大的望遠鏡，天體物理學家可以探測到一些非常明亮的「類星體」物體，神秘的類星體離我們的距離為 100 億光年以上，每顆類星體每一次爆炸釋放出的能量比普通的星系高几百倍。這幾乎把我們帶回到了宇宙誕生的時刻。
總之，從大的方向上探索宇宙能夠把我們帶回到很久以前的時間；從小的方向上探索微觀世界，使我們能夠了解早期宇宙的微觀機制。兩個不同的方向又匯聚在一點，這就是自然的規律吧！
光是觀測小宇宙和大宇宙的重要手段，不同的觀測對象需要應用不同波長的光源（電磁波或光子），如圖 1-4 所示，可見光只是其中的一小段。各波段除了對觀測宇宙有極為重要的作用外（參見本書 7.8 節、7.9 節和 7.10 節），在人們的日常生活和國民經濟中有更廣泛的應用。圖 1-4 中從右至左依次為：無線電波（射頻波段），即米波和更長的短波、中波、長波，用於電視、收音機等；微波，波長在釐米、毫米波段，用於通信、測距、加熱等；紅外線，用於醫療、夜視等；可見光波段；紫外線，用於消毒、科研應用（圖 1-4 中為同步輻射真空紫外線站）；X 射線與γ 射線（波長很短，即光子能量更大），用於醫療 CT（即計算機斷層掃描）、科學研究等。
表 1-1 給出了對各種微小對象的研究與測量方法。圖 1-5 中進一步定量地介紹各種光源的電磁波波長與其相應光子能量成反比的對應關係、與溫度的關係，以及光源設備與應用。
這裡，先回憶一下各種波長的電磁波和它們相應的光子能量及溫度的關係，以便對各種波段有些了解，對本書有關各節的內容有較為明確的理解。本書第一部分的 1.4 節、2.4 節分別介紹了古典波粒二相性和波的量子特性理論。由愛因斯坦光電效應可知，光子的能量 E 同頻率成正比，同波長λ 成反比。圖 1-5 中波的長度單位為埃（Å，angstrom，1 埃 =10-10 米），光子能量 E單位為電子伏（eV）。換算後，二者有簡單關係：E=1280/λ。我們的電視波段在 1～100 米範圍。微波的波段在 1～10 釐米區域，因此微波也稱釐米波。可見光的波段很窄，為 380～750 納米（1 納米 =10 埃）。波長越短光子能量越高，其粒子性也就越強。習慣上，從 X 射線到γ 射線也就常用千電子伏（keV）和兆電子伏（MeV）表示了。另外，一般雜亂運動的粒子動能同其相應的溫度有 3kT/2 關係［k 為玻爾茲曼常量，為 1.3×10-23，T 為熱力學溫標（K，開爾文）的溫度（其零度為 -273℃）］。這些物理量在本書第一部分和第二部分的有關章節中經常用到。例如，在 6.4 節中探測到的噝噝聲恰在微波段，相應的輻射溫度只有 2.72K，在絕對零度附近；在 6.6 節和 8.5 節中也要用到這些物理量。
宇宙從大的方向看是無限的，從小的方向看也是無限的。
在大的方向上，從宏觀上探索和研究構成宇宙的物質世界就是宇宙學、天體物理學探索和研究的課題——宇宙的宏觀結構、宇宙的構成和起源。在小的方向上，從微觀上探索和研究構成宇宙的物質世界就是粒子物理學探索和研究的課題——物質的微觀結構、物質的基本組成。這始終是人類進行科學研究的兩個前沿科學研究課題，再加上「生命的起源」，這就構成了人們公認的科學研究的三大具有根本性或本質性的前沿尖端科學研究課題。這三大前沿尖端科學研究課題都能夠進一步開拓出新的學科領域和許多尖端學科。
人類對於宇宙的認識是無止境的——因為宇宙無限，人類所進行的探索和研究只是在一定條件下得出的結論，只是相對「真理」，所以人類對宇宙的認識只能是逐層深入，永無止境。
當今人類對宇宙的認識的尺度範圍是 10-21～1027 米。人類的身高大約處於這尺度範圍的中間點位置。人類對宇宙的認識正是從大的和小的兩個方向上逐層深入的。
早在 3000 多年前，人們就開始了天文學方面的觀察和研究，晝夜交替、四季輪迴、風雲水火和雷電等自然現象給人們留下了深刻的印象。人們總是滿懷敬畏地仰望夜空，尋找能夠解釋恆星位置、行星運動及太陽升落等天文現象的物理模型。人們通過觀測星體的運動規律創立了曆法。這就是天文學的開始。
約 2800 年前，我國周朝創立的曆法——農曆現在看來仍然是非常科學、非常先進的。1000 多年前，我國漢代著名的天文學家張衡就製造出了精密完美的天文儀器——渾天儀、地動儀等。後來，科學家們開始研究地球表面發生的現象，如蘋果落地、箭矢飛行、風雨和潮汐有規律的運動等，從而建立起一套「物理定律」。從此由天文學衍生出一門新學科——物理學。
隨著時間的推移和生產的發展進步，以及望遠鏡、顯微鏡、真空泵和鐘錶等儀器的發明，科學家的觀察和測量能力得到了大大提升，越來越多的現象被更加深入地揭示出來。科學家們用統一的數學語言描述各種自然現象，建立起了一系列經典物理學中的定律和定理，如萬有引力定律和牛頓三大運動定律等。
到 20 世紀初，原子成為物理學的前沿研究課題。在 20 世紀 40 年代，原子核成為研究的中心課題。隨著工業和技術的發展，觀測儀器日益改進，一些科學家在原子物理學和原子核物理學領域進行更深層次的研究。
第二次世界大戰時期，由於交戰雙方對軍事武器——原子彈的需求，美國、蘇聯和歐洲的一些國家投入了巨大的財力和人力研製原子彈，這在客觀上大大地促進了對原子核的研究，使原子核物理學得到了快速的發展。科學家開始對物質的微觀結構進行更深層次的研究，特別是 20 世紀 50 年代以來建造了很多臺高能粒子加速器。隨後發現了很多正、反粒子及共振態。這些發現遠遠超出了原子核物理學的範圍。人們將正電子的發現作為粒子物理學成為獨立學科的標誌。近半個多世紀以來，作為科學研究的前沿，粒子物理學在物質微觀結構的研究方面取得了許多重大的進展。
人類對宇宙進行不懈的探索和研究，學習和掌握了自然規律和自然法則，創造出了現代的物質文明世界。即使在大尺度上觀測宇宙已經達到 200 億光年以內，我們還沒有看到「邊」，宇宙向大的方向的延伸是無限的！在小尺度上觀測宇宙已經達到千萬萬億分之一釐米，我們依然沒有看到「頭」，宇宙向小的方向的延伸也是無限的！宇宙無限，探索無止境。人類前進的步伐永遠不會停止，未來的世界會更加美好、更加精彩。
本文摘編自《從夸克到宇宙：永無止境的科學探索》，標題和內容有調整，識別圖中二維碼或點擊下面「閱讀原文」可立即購書。也歡迎廣大科研工作者投稿，聊聊你們的所見所聞、所感所思，投稿郵箱：houjunlin@mail.sciencep.com。
20世紀，人類在認識自我生存的物質世界方面取得了非常大的進展，從約10-18 釐米的微觀粒子，到130億~150億光年的宇宙。在這個認識層次不斷遞進的過程中，無數的科學家付出了畢生的心血。本書按歷史發展脈絡，將人類對微觀世界和宏觀宇宙的永無止境的探索歷程結合在一起，講述了一個個生動有趣、但又曲折艱辛的科學故事。
本書的作者和審閱者都是多年來參加了許多高能物理方面大型國際合作、國內科研工程或大型項目的科學家。他們結合自己的親身經歷和了解，用通俗的語言介紹了這個領域的歷史和現狀，也用由顯的語言普及了一些重要的基礎知識，特別介紹了微觀粒子同宇宙演化與天體的密切聯繫，相信會給讀者帶來不一樣的閱讀體驗。