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为什么粒子会有质量？这是上世纪60年代困扰英国理论物理学家彼得·希格斯的问题，当时他在爱丁堡大学任教和研究。作为解决这个问题的方案，他提出，所有粒子最初在宇宙中没有任何质量的情况下产生，并且在第一次分裂的瞬间某个时刻，一种新的能量场出现并渗透到整个时空中，赋予各种粒子质量属性。这个被称为希格斯场的场会通过它自己量子化的信使粒子——希格斯玻色子进行传递，希格斯玻色子将与标准模型中的其他16种粒子并列，并在描述宇宙中物质的行为和相互作用中起到重要作用。
然而，尽管希格斯理论是正确的，但花了近50年才最终发现了难以捉摸的希格斯玻色子。与此同时，为了支持这项昂贵且看似深奥的研究，英国的科学部长在1993年做出了一个承诺：他将为那个能够用最佳比喻向普通人解释希格斯场（这是希格斯玻色子的来源）的作用和重要性的人购买一瓶香槟。
有许多人提出了各种各样的比喻，包括糖浆池、棱镜和电场等。但是最终，伦敦大学学院的物理学家大卫·米勒以一个关于繁忙的鸡尾酒派对的描述赢得了这个奖项。这个比喻可以用来解释希格斯场如何影响粒子的质量和运动。他说，在这个派对上，每个人都在愉快地互相交谈，一个普通人可以相对容易地穿过房间。但是当一个更受欢迎的人进入房间时，他们会吸引派对参与者的注意力，每个人都想与他们交谈，他们在房间中的前进速度会变慢。这个派对人群代表希格斯场，而受欢迎的人物则是被赋予了质量的粒子。对于那些看不到这个有影响力人物的人来说，房间中会传出关于他们到达的传闻，人们聚在一起讨论他们的到来。这个通过人群中传播的物理波动可以被看作是信使希格斯玻色子。
虽然这个比喻并不完美，但它经受住了时间的考验，而时间正是对于寻找类似于大海捞针的东西而言所需要的。两个最强大的粒子加速器，位于美国的费米实验室的Tevatron和位于欧洲的CERN的大型强子对撞机，都在通过碰撞粒子并搜索碰撞后的残骸来寻找希格斯玻色子，这个过程已经持续了多年。问题是，尽管彼得·希格斯理论上认为这个场和玻色子是存在的，但他的理论并没有提及需要何种能量才能显现它们，以及一旦找到它们后这些粒子的所有属性。就像在一堆干草中搜索一根针，却不知道针长什么样子。然而最终，在2012年，大型强子对撞机的实验实现了这个看似不可能的壮举，科学家们证实他们确实找到了希格斯玻色子，并通过这样的实验，终于证明了希格斯场的存在和作用。
这个粒子在标准模型中得到了它的位置，而场在宇宙早期演化中扮演了重要角色，即在大爆炸之后的万亿分之一秒内，电弱力发生了灾难性的分裂，结束了宇宙的完美对称性。携带衰变到电磁力的光子的W和B玻色子以及弱核力的W和Z玻色子相继产生。但这只是对称性破缺的开始，希格斯场的出现使得在膨胀期和电弱分裂期间自发产生的实际和虚拟粒子获得了质量，W、N和Z玻色子成为重量级选手，夸克和轻子根据它们的味道和类型获得质量，而光子和胶子则像之前一样无质量且不受希格斯场的限制。当夸克时代在大爆炸之后的十亿分之一秒完全实现时，宇宙最终充满了制造恒星、行星和我们所需的所有成分、特征粒子和特征力量，填满了充满膨胀宇宙的夸克胶子等离子体，这是构成宇宙中所有结构的原始汤。我们的宇宙充满了令人难以置信的多样性和多样性，有燃烧热烈且短暂的恒星，不到百万年就会发生灾难性爆炸，还有缓慢而不变地闪烁数万亿年的恒星，有无数的行星，巨大的气体巨星、荒凉的岩石巨星以及偶尔出现的绿色水域适合生命存在的星球，以及像地球这样寄生生命的星球上，你可以想象到各种各样的生命形式，从呼吸硫磺或甲烷的微小细菌，到能够建造结构和望远镜的具有自我意识和认知能力的猿类。
在潜在无限的宇宙中，几乎存在无限的多样性，但不论你身处宇宙的何处，或者你以何种方式观察它们，有一些现实的特性是不可变和恒定的。这些被称为自然常数的东西已经逐一被揭示出来，随着科学家们不断扩展我们对宇宙行为的理解，我们一次又一次地发现看似神奇的数字，与任何其他物理定律或现象无关，比如真空中光的速度，通常被认为是宇宙中任何旅行物体的绝对速度极限，它是2.99792乘以10的8次方米每秒，或者普遍的引力常数，它描述了由于重力两个物体之间将相互吸引的强度，它是6.67384乘以10的负11次方米每秒平方每千克，此类常数还有很多，存在精确和可定义的限制，将粒子的能量与其温度、由电流产生的磁场的强度以及电荷所产生的电场的强度联系起来。质量的固有粒子也被设定为恒定的，但看起来是任意的数量，即使希格斯机制也无法解释。
那么为什么这些自然关系要具有这些精确的值，这是一个困扰着伟大的物理学家理查德·费曼的问题，当他考虑到所谓的细结构常数时，它基本上描述了粒子之间的电磁力的强度，定义了电子吸收光子的机会，它的值略大于137，但它与任何其他物理定律之间没有联系，没有理由它不能是12或135或3015，它是137而不是其他任何数字是非常重要的，对于宇宙的整体状态来说。如果它比现在大得多或小得多，那么它将严重影响整个宇宙中质子的稳定性，这意味着物质将难以保持在一起，其他大多数自然常数也是如此，如果引力比现在要弱，那么宇宙将充满越来越稀薄的氢气汤，如果引力比现在要强，那么所有物质都将被吸入黑洞或者暴烈而短暂的恒星中，不留给行星和生命的空间。自然界的许多常数可能看起来是任意的，但它们也被精确调整，以允许我们所处的多样化和多样化的宇宙存在。然而，为什么我们仍然不知道，是幸运的巧合还是一个创造者在操作这些变量的标志，或者正如许多科学家所认为的，我们的宇宙只是众多宇宙中的一个。
在不同的起始条件和基本常数的不同取值下，绝大多数宇宙都会演化为无生命的荒芜宇宙，只有当这些数值恰到好处时，宇宙才能孕育出丰富多样的宇宙学特性和漫长的存在时间，因此无论原因如何，这种微调在存在的最初几秒钟内就已经非常重要。自大爆炸以来的十亿分之一秒内，宇宙中充斥着大量令人惊叹的夸克、轻子和虚拟粒子，但温度和能量仍然过高，以至于这些基本粒子之间无法有意义地相互作用。随着温度的下降，在大爆炸之后的一百万分之一秒，宇宙的温度已经降至约一万亿摄氏度，胶子和夸克最终减缓了它们疯狂的振动，使它们首次能够相互作用。正如我们所看到的，质子和中子都是由三个夸克构成的复合粒子，但质子的组成部分——两个上夸克和一个下夸克——并不是天然的伴侣。上夸克都带有正电荷，并且同性电荷会相互排斥，同性电荷之间的距离越近，相互排斥的力就越强。因此，由胶子介导的最强力量——强核力——将它们紧密地结合成稳定的强子粒子。但事实证明，质子的内部结构比我们想象的更奇特。质子的大部分质量不仅由能量和量子动力学构成，而且物质的组成也没有我们想象的那么恒定。有时，质子内部的一个典型夸克可以自发地变成魅夸克及其反物质对应物。然而，这种转变是极其短暂的，魅夸克很快就会重新组合。这意味着质子最终是由称为价夸克的正常夸克、胶子和魅夸克组成的不断变化的模糊状态，由于胶子和临时的魅夸克都可以被视为虚拟粒子，这意味着质子的绝大部分（多达99%）实际上由并不存在的粒子构成。
质子和中子的内部机制可能真的很奇异，但在宇宙的前一百万分之一秒内，它们正变得越来越成为宇宙构成的重要部分。然而，由于弱力的影响，在这个炽热而密集的等离子体中，新形成的质子很容易改变身份，变成中子，反之亦然。只有当温度进一步下降，宇宙接近一秒钟时，弱力的这种特殊性变得无效，质子和中子最终减慢了它们的切换。在所谓的'冻结过程'中，强子们最终选择一个身份，并且一劳永逸。正是在这个时候，看似任意的自然微调常数（在这种情况下是上夸克和下夸克的质量）首次真正有机会塑造我们宇宙的未来。因为下夸克比上夸克更重，而中子含有两个下夸克，所以中子的质量略微大于包含上夸克的质子。因此，随着在不断冷却的宇宙中最后的身份转换发生，从重中子到轻质子的下坡能量优于相反方向的高能量过程。正是这种微小的质量差异最终导致了宇宙中质子和中子数量的不平衡，从那时起，大约每七个质子对应一个中子，事实证明这是宇宙形成我们所熟悉的样子的重要比例。质子是氢和氦的基础，是恒星的燃料，也是宇宙中所有其他更重元素的基石。正是这些带电粒子的丰富存在比起中性中子，允许了元素之间的相互作用，从而产生了化学和生物学。
如果初始情况不同，如果在我们现实的微调过程中，下夸克被分配了稍低的质量，那么我们看到的宇宙将会截然不同。如果中子的质量比质子轻，那么在宇宙冷却的过程中，会有更多的不带电中子相对于带电质子存在。由于中子不带电荷，它们在化学反应中起到重要的作用，因为它们可以通过核反应与其他原子核结合形成更重的元素。然而，如果不带电的中子比质子更多，那么化学反应的范围将会受到限制，因为它们无法直接参与带电的化学反应。氢由一个只有质子而没有中子的组成将不会在长时间内稳定存在。一些较重的质子可以通过与中子结合并在衰变之前保持下来，形成氦原子。但是氦通常被认为是所有元素中最不活跃的，它本身是稳定的但不愿发生反应。考虑到这一点和普遍过多的不活跃中子，很难想象核聚变如何能够进行。我们将会留下一个寒冷而黑暗的宇宙，没有恒星、没有星系、没有行星，当然也没有我们存在。
因此，我们应该感谢宇宙对质子相对于中子的无法解释的偏向。但这并不是在宇宙的进化过程中唯一存在的不平衡。在宇宙的进化过程中，还存在着一种神秘但幸运的反物质缺乏。将来的某一天，当我们凝视着天空时，我们可能会在合适的时间和地点看到一个外星文明毁灭自己的场景，这与黑暗中最微弱的星星之一微弱的亮度相比几乎没有什么区别，但却代表着一次能量巨大的爆炸，足以摧毁整个世界。历史告诉我们，在地球文明之间，分歧和纷争是一个常见的主题，没有理由认为在银河系的其他地方不会是这样。因此，在一个战争的外星世界上，为了战胜敌人而进行的努力导致了一场军备竞赛，从尖锐的物体到爆炸性的弹药，从纳米机械到原子弹，对于最具破坏性的武器的争夺仍在继续。这些先进的外星人仍然不满足，并很快将注意力转向一种更强大的潜在能源，比人类拥有更高的技术造诣，他们学会了产生和隔离反物质粒子，通过电磁力将它们悬浮在真空中，直到它们需要被使用。但是他们不需要大量的燃料或任何形式的触发器，因为反物质与他们家园上占主导地位的普通物质接触的那一刻，粒子将相互湮灭，销毁自己并释放出巨大的能量。仅仅一克反物质释放的能量就相当于传统核武器中约90千克的燃料释放的能量。随着军备竞赛的继续，库存量不断增长。不论是出于愤怒、困惑还是简单的意外，反物质武器的爆炸将会使黑夜变成白昼，灼热的风刮走整个城市，摧毁战斗双方和星球上的其他所有生命，整个世界将在未来几个世纪内发生巨变。这就是反物质与物质接触的毁灭性可能性，然而我们每天都被它所包围。1928年，英国物理学家保罗·德拉克首次预测了反物质的存在，他在整合爱因斯坦的狭义相对论与相对较新的量子力学的过程中，意识到他的方程式不仅适用于带负电的电子，还适用于带正电的等价物，从而预测了一种对科学来说全新的粒子，即反电子或正电子。四年后，美国物理学家卡尔·安德森在一个叫做云室的简易仪器中实际检测到了这种难以捉摸的粒子。随着反物质的存在得到证实，物理学家们将注意力转向其他反物质粒子。
在20世纪50年代，加利福尼亚的贝弗特隆加速器成功地探测到了第一个反质子和第一个反中子，而在1995年，科学家们最终组装了一个反氢原子。现在，我们在各种不同的环境中都能识别到反物质存在，从超新星和黑洞喷流到香蕉中钾的放射性衰变，每75分钟大约会产生一个正电子。因此，反物质可能并不局限于未来主义的科幻场景，但在宇宙中，正常物质远远超过了反物质的质量。根据'微波背景辐射'的数据，物理学家认为在银河系内，每一千万亿个物质粒子中最多只能有一个反物质粒子。这其实是一种幸运的不平衡，因为如果两者数量相等，反物质与物质的湮灭将导致所有粒子的彻底破坏，不留下任何东西来建造恒星和行星。但是，这个幸运的不平衡是如何产生的仍然困扰着物理学家们。它可能是在宇宙的前十亿分之一秒内，与物质同时形成的，由于能量的自发转化，会形成一对对粒子。但在如此密集的环境中，它们不会持续很长时间，很快就会与它们的反粒子相遇并相互湮灭，转化回能量。这种自发创造和湮灭的过程会一直持续，直到宇宙的温度下降，不再生成新的夸克-反夸克或轻子-反轻子对。但胶子在组合不同种类的物质时并不加以区分。当质子和中子首次形成时，它们伴随着相同数量的反质子和反中子。在这一点上，一切都应该是平衡的，物质和反物质的数量应该没有差异，而且由于这两种粒子的行为完全相同，它们也应该保持相等的数量。但这并不是我们所看到的。在宇宙时间线的百万分之一秒至两分钟之间的某个时刻，反物质和物质的平衡发生了变化，直到只剩下十亿分之一的反物质粒子。直到今天，物理学家们仍然不确定为什么会发生这种情况。部分原因可能是由于弱相互作用的出现导致的对称性破缺。20世纪50年代陈省身的实验表明，夸克和反夸克在自然规律中的待遇略有不同。差异虽然很小，但足够显著，使我们能够观察到。尽管如此，科学家们认为这种微小的差异并不足以解释早期宇宙中物质相对反物质的压倒性优势。换句话说，即使夸克和反夸克有所不同，也不能解释为什么宇宙中的物质如此多，而反物质如此少。相反，他们考虑到另一种尚未被发现且可能已经灭绝的粒子可能发挥了作用。
这个想法源于标准模型中发现的另一种不对称性。我们所发现的每个粒子和反粒子都存在右手和左手两种形式，代表了一种称为手性的对称性。但有一个例外，似乎打破了手性对称性。实验物理学家只能发现左手的中微子，而所有的反中微子都是右手的。那么右手的中微子和左手的反中微子在哪里呢？科学家推测它们可能早在宇宙的第一百万分之一秒内存在过，但它们是不稳定的并且已经衰变消失。如果它们更倾向于衰变成为物质而不是反物质，那么这可能为物质的最终胜利奠定了基础。
这个理论令人心动，但不幸的是，在我们对这些神秘的缺失中微子了解更多之前，很难证明它。只有当宇宙年龄达到一秒时，中微子才能给我们带来任何线索。当我们凝视夜空最深处时，几乎每个波长都会出现奇观。有着精致弯曲的星系、多彩的星云和被称为类星体的刺眼光点，以及远离的超大质量黑洞，它们吞噬着物质和光在星系中心。但这些类星体也照亮了另一个弥漫在深空中的奇特特征，被称为莱曼α森林。光在膨胀的真空中以恒定的速度传播，这意味着物体距离我们越远，它的年龄就越古老。所以当我们看到远处的类星体时，我们实际上是在看到数十亿年前的它们，它们所发出的光经过了红移，拉伸到电磁波谱的红色部分，与它们正常出现的方式相比。但当我们检查这些遥远而古老的类星体的光谱特征时，我们看到的不仅仅是发出的红移光。在较短波长上，我们还看到了尖锐的光谱下降，有时密集地聚集在一起，就像高山上的茂密松树丛。这就是莱曼α森林，它不是由树木而是由潜伏在星际空间中的低密度氢气云所形成。因为当光穿过氢气云时，一部分光被吸收，导致光谱出现下降，最终在地球上被我们截取到。这就是从远古类星体的光中发生的情况，每个光谱下降对应着一个本来看不见的氢气云。在视觉上描绘这些稀薄的结构本身就是非常了不起的，但通过这个光谱森林的结构，天文学家还可以得出更多信息。他们注意到吸收下降在高红移处聚集最密，这对应着极其古老的状态，让我们了解了早期宇宙的化学和组成。与今天相比，早期的空间充满了这些低密度的氢气云，以至于类星体的光无法避免穿过它们。而这些氢气云成为了恒星和星系的孕育之地，并在宇宙存在的最初时刻被种子化。在宇宙历史的第一秒过去之时，已经发生了很多事情。此刻，宇宙的温度只有短短的100亿摄氏度，充满了无情的微观粒子战斗的胜利者，以及充满能量的光子。
无数次相互毁灭性碰撞的弹片，通过剩余粒子性质的奇点，质子和中子之间的平衡被设定为自发粒子诞生和交换时代的结束。如今具有质量的粒子已经拥有了质量，这要归功于希格斯场以及统治我们生活的四种力：强核力、电磁力、弱核力和重力。这些力现在正在全面而可理解地运作。到目前为止，过去一秒的宇宙运作主要处于理论物理学的领域，我们最强大的仪器仍然难以产生那些最初时刻盛行的能量。但我们现在正在进入一个宇宙的时代，实验物理学家甚至天文学家可以更有意义地研究。我们终于达到了一个我们希望能够观察甚至绘制地图的宇宙历史的部分，在南极的冰雪荒原，一年有几周的时间太阳不落山，这就是工作开始的地方。
2005年1月，科学家们开始了一个艰难的58小时过程，直接向冰中喷洒热水，以创建第一个2.5公里深的孔洞，这是《冰立方中微子观测台》的开展工作。如今，《冰立方》阵列的各个孔洞占据了一个平方公里的南极冰层，但这个巨大的规模和不可思议的位置并不是这个新一代望远镜的唯一令人惊讶的特点。相反，它凝视着地球内部并穿透其中，它没有使用透镜、反射镜或射电盘，而是由4000多个模块组成，悬挂在冰下80多个深洞中，就像珍珠一样悬挂在寒冷而黑暗的南极深处。尽管听起来徒劳无功，但事实上，这是观测整个宇宙中最难捉摸的粒子的理想构造。《冰立方中微子观测台》与其他类似项目一起，位于世界最大湖泊下方深入的金矿中，以及日本山脉的深处，专门用于寻找神秘的中微子。
中微子作为一种粒子，最早在1930年代被提出，当时粒子物理学家在平衡核衰变方程时观察到中子有时会自发衰变成质子和电子。沃尔夫冈·帕利注意到少量能量缺失，他假设这是另一种我们无法希望检测到的小型轻量级的幽灵粒子。事实上，这种核衰变的频率每秒必须有1万亿个这样的幽灵粒子穿过我们的身体，而我们对它们的经过毫无察觉。但科学家并不轻易接受失败，在1951年，一对美国物理学家克莱德·科恩和弗雷德里克·雷恩斯开始寻找这种幽灵粒子，他们借助强大的核裂变反应来提供探测中微子所需的大量能量。科恩和雷恩斯首次提议引爆一颗20千吨的核弹头，作为所谓的“Poltergeist计划”。
并在爆炸地点仅50米处安装了一个巨大的探测器，这个探测器被昵称为“El monstro”，旨在在中微子碰撞后捕捉到光的闪烁。如果建造成功，它将比之前任何探测器大近一千倍。然而最终，这个实验被证明过于具有挑战性，科学家们转向了相对更可控的能量释放方式——核反应堆。因此，在1956年，科恩和雷因的实验成功了，最终实现了看似不可能的事情，探测到了困扰物理学界20多年的幽灵粒子。
如今，中微子的探测和研究取得了巨大进展，科学家们现在能够在强大的粒子加速器中产生和研究中微子。尽管如此，像在贝加尔湖中那样的巨大探测器仍然有其存在的意义，因为中微子不仅可以回答关于我们宇宙当下的问题，还能够揭示宇宙的最初时刻。中微子由各种电磁源以大量产生，科学家们正试图利用中微子研究现代宇宙中一些最极端的事件。
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