20世纪以来，为了总结概括自然界呈现的大量现象，以及人类改造自然的大量经验，人们的理论认识已深入到原子内部各层次的微观组成结构及其运动形态和转变规律。这种认识的客观依据是人们发明创造的科学仪器上所观测到的，在人为条件下迫使自然界呈现的新奇现象的实在数据。进一步的认识也必然要靠更新的工具和技术的发展，特别是要靠在极端严厉的条件下进行的科学实验，例如高电场、高磁场、高压强、高温度、高密度等等。过去的经验表明，对逐步深入研究物质构成及其转变来说，最重要的决定性数量是物质粒子之间的相对运动的能量。

 

　　要想通过碰撞把原子中外层电子踢出来(即所谓使原子电离)只需要几个或十几个电子伏特(eV)的能量。要把重原子中内层电子踢出来，那就需要送入几千电子伏特以上的能量了。要想把天然稳定的原子核裂开，那就需要送入几兆(百万)电子伏特的能量。要想从原子核中踢出介子就需要送入几亿电子伏特的能量。要想通过碰撞产生前所未见的新粒子，在目前阶段就需要十亿(一京)电子伏特以上的能量了。

 

　　事实上，自从19世纪中叶以来，探索物质内部的规律性主要依靠当时掌握的可供利用的粒子束的最高能量。弧、辉光、火花等放电光源使用的是几百电子伏到几千电子伏的电子束，其所产生的由外层电子跃迁引起的原子光谱导致人们对原子结构的定量认识。早期阴极射线管中电子束的能量是几千电子伏，后来陆续增加到几十万电子伏，形成软、硬X光管，借助其所产生的由内层电子所引起的原子X射线频谱的研究，基本上完成了对原子结构的理论认识。原子核的发现靠的是来自天然放射性物质的几兆电子伏的α粒子束，也就是靠这个α粒子束最早人工促成了原子核的转变，使其放出质子或中子(通称核子)，并从而首次产生人工放射性元素。三十年代为了适应原子核研究的需要，人们在大学校园内研制人工加速带电粒子的加速器，其中包括高压倍加器、静电加速器、直线共振加速器、回旋共振加速器，产生兆电子伏上下和十兆电子伏级的离子束。今天，这类加速器只能称为低能加速器了。四十年代人们发明同步稳相原理，使有可能把束能量再提高，创造出数亿电子伏的中能加速器，能够大量产生介子，号称介子工厂。五十年代又发明强聚焦原理，开始建成十亿电子伏特以上的高能加速器，从此大大推进了基本粒子(今日人们把对强作用来说是稳定的粒子称为基本粒子)及其共振激发态的研究，并终于在七十年代导致人工造成具有反常稳定性的新粒子(J/ψ，Υ等等)的发现。

 

　　当代高能物理学泛指对粒子束能量(束中粒子运动能量)超过一京电子伏(1GeV=109eV)的粒子所引起的自然现象的研究。早在三十年代初，人们就已先后发现从远方太空射来的带电粒子能穿透五百米深的水，这就相当于一百京电子伏以上的能量。这种所谓宇宙射线的天然高能粒子源盖括的能量从几十京电子伏到极其高的能量。但能量越高其天然存在强度越迅速地减弱，且人们也无法控制宇宙射线，能观察到的新奇现象因而受到限制。迟到五十年代才人工造成能量超过一京电子伏的带电粒子束，使人类大踏步地迈入高能物理学领域，在人为控制条件下能仔细搜索观察高能粒子所造成的前所未见的奇特现象。当前能达到的能量正在走向一千京电子伏。对能量比此更高的粒子目前还只能靠高空观测宇宙射线来进行考察研究。

 

　　综上所述可见，今日的高能物理学是过去曾被看作高能领域的自然延伸，是人类认识物质世界进一步深化的必然进展，是从三十、四十年代旺盛的原子核物理学成长出来的。一句话，高能物理学是认识物质世界层次不断深入化的一门学科。

 

　　那末，研究高能粒子现象的根本目的何在?同现代物理学的其他部门一样，根本目的在于通过科学实验发现微观世界的新现象，据此扩展或改造已有理论认识或试图建立新理论，以概括新旧现象，从而进一步理解自然，并正如绪论中所强调的那样，据此作出科学预言，以指导进一步实践，为大规模改造自然提供手段，为人类谋福利。

 

　　量子力学和电磁作用力能足够准确地把原子物理学的自然定律表成完整的数学形式。这就进一步增强了物理学家对自然规律有其简单性和概括性的信念。在这种信念下，人们进入了物质世界的原子核层次。但是关于核子(质子和中子)的本质及其间的所谓强作用力(特别是其小距离部分)还远无足够的理解，因而这一信念还远未完全落实。有关深奥问题要求人们进一步深入到核子以及其他有强作用力的粒子(六十年代开始称强子)的内部，才能指望发掘支配核层次及强子层次的准确规律，这正是当前高能物理学的主要任务所在。

 

　　正确规律有所掌握，就能作出较准确的科学预言，为人类克服自然、改造自然而服务。几千年来人类烧柴、烧煤、烧气、烧油，到本世纪才认识到这都不过是利用来自碳原子同氧分子化合所放出的约四个电子伏那么一小点能量。有了这个认识，人们才有基础去寻求。发现和利用微观粒子转化过程所能放出的更大能量。在今天尽人皆知，中子所致重原子核裂变过程中放出的约两百兆(两亿)电子伏的能量已被人们用来发电、推动舰艇、制造原子弹、大量生产人工放射性元素等，从而可观地改变了社会实践的面貌。

 

　　目前，在高能物理学范畴内，人们正在认识有强相互作用的粒子(强子)的内部结构及其转变规律。配合正在进行的关于高能粒子的科学实验的实践结果，大有可能发现更有效地释放巨大能量的办法，其影响之大不无可能胜过四十年代中子物理学导致的原子堆的发明。为了谋求这类长远利益，高能物理学必须一方面沿着提高能量的方向继续前进，另一方面在已达成的能量领域里做精细观测，探求细节，深入理解，向广度深度进军。

 

　　可以预期，无论在物质呈现的新现象方面和已知现象的深入理解方面，高能粒子物理学在未来岁月里都将作出推动科学前进的贡献。这些结果肯定会给人类全面带来难于准确预料的好处。

 

　　在最基本的方面有可能会揭示出为什么有像电子这样的最小单位电荷存在、为什么天然存在的带正电的质子就比带负电的电子重一千八百倍。不这样就不会有现在的分子存在，就不会有人类所知的生命存在。能够回答这类问题的后果将是难于想象的。

 

　　在已知的基本粒子内部是否真的存在着最后的基元粒子?巨大质量的相对稳定粒子是否能存在?是否有尚未发现的粒子反应能够释放前所未见的巨大能量?这些都是最近发现的新现象及其可能解释引起人们注意研究的问题。目前还不断有出人意料的新现象被发现。这可能会对上述问题的解答提供线索。

 

　　发展高能粒子物理学所需发明创造的仪器设备及探测技术将继续为其他科学研究领域以及工程技术、医疗诊断等方面广泛提供新技术。高能粒子现象的发现也将为理解天体演化过程提供根据。凡此都将在最后两章一一举例作简要介绍。

 

　　总之，高能粒子物理学不但是个开垦性的、新兴的、重大的科学研究领域，也是个会影响全局的带头学科。完全有理由相信，在高能粒子物理学中将发现的新现象和将认识的新规律，对物理学的层层深入的理解以及最后在应用领域里，都将是重要的。可以说，高能粒子物理学是当代物理学的前沿。