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如果你想看地上的蚂蚁，只要弯下腰。为了清楚地看到像细菌这样的微生物，你需要一个显微镜。用扫描隧道显微镜甚至可以清楚地看到原子。那么，需要什么样的仪器才能看清楚更小的基本粒子呢？

先说视觉原理。我们能看见这个物体是因为光在它上面反射。我们的眼睛可以通过接收反射光来判断物体的材质、大小和距离。但是，如果一个物体比光的波长小，光打在上面会绕过它，但是不能反射回来，就像无线电波绕过障碍物一样。

光波绕过比自身波长小的障碍物继续向前传播的现象称为“衍射”。衍射不是光所独有的。如果把光波换成其他粒子来“看”物体，上述问题是无法避免的。根据量子力学，所有物质都具有波粒二象性。比如电子或质子都有对应的波长，它们会绕过波长比它们小的物体。

光波和物质波在费米实验室的衍射性质最终被总结为量子力学中的测不准原理。测不准原理指出，一个质点的位置和动量不能同时确定。所以，要看到越小的东西，就要求“光源”发出的粒子波长越短。由于光速等于波长和频率的乘积，能量等于普朗克常数和频率的乘积，所以粒子的波长越短意味着能量越大。也就是说，要想看清微小的基本粒子，就必须使用能量巨大的探测粒子。所以我们需要把对粒子的探测加速到非常高的能量，而能做到这一点的设备就是粒子加速器。

比如北京正负电子对撞机就是这样的加速器。这台对撞机可以把正负电子加速到20亿电子伏的能量，也就是说把电子加速到光速的99.999 997%，在这个速度下，每秒钟碰撞几百万次。就是这样一台加速器，承担着实验探索基本粒子性质的重任。同时，北京正负电子对撞机可以作为同步辐射源，参与高温超导和光刻技术的研究和应用。

位于法国和瑞士交界处的大型强子对撞机的鸟瞰图使质子加速到更高的能量相对容易。但是质子之间的相互作用很强，所以质子-质子碰撞比电子碰撞复杂得多。质子碰撞带来的复杂性，就好比用两只青蛙高速碰撞，把它们撞成碎片，然后通过碎片分析青蛙的生物结构。比如运行在瑞士日内瓦西郊的大型强子对撞机就是这样的质子加速对撞机。大型强子对撞机的直径长达8.6公里，安装在碰撞点的探测器高达几层楼，而质子-质子碰撞的能量达到14万亿电子伏。大型强子对撞机产生的实验数据足够每年写几百万张DVD。幸运的是，计算机技术的发展使得这种复杂的数据处理和重建成为可能。目前，全世界的高能物理学家都在期待大型强子对撞机能够检验已知的粒子物理理论，发现令人振奋的新物理理论。

高能粒子散射实验与基本粒子的发现

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