1932，物理學的奇蹟之年丨展卷_風聞
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撰文 | 吉諾·塞格雷
翻譯 | 舍其
瓦格納（在爐邊）
鐘聲響了，多麼悽然，
震動我這污黑的石牆。
熱誠的希望能否實現，
再也不會拖得很長。
黑暗中露出光明一線；
在這長頸燒瓶裏面，
好像燒着有生命的火炭，
又像輝煌的紅玉一樣。
（歌德《浮士德》，第一部，1543—1548）
發現中子
作為卡文迪許實驗室的二把手，詹姆斯·查德威克的職責之一，是每天上午向盧瑟福彙報過去二十四小時發生的會讓人感興趣的進展，無論是發生在卡文迪許實驗室還是別的什麼地方。1932年2月劍橋一個寒冷的早晨，有件事他很想跟盧瑟福討論一番。
那天早上他讀到一篇論文，作者是伊雷娜·居里（Irène Curie）和她丈夫弗雷德裏克·約里奧（Frédéric Joliot），他們倆都是頗有建樹的實驗家，在巴黎實驗室工作，實驗室的頭兒是伊雷娜的母親居里夫人。文章標題為《極具穿透力的γ射線令含氫材料發射出高速質子》，是兩週前提交給法國科學院院刊的，並馬上發表了。查德威克覺得實驗可能做對了，但對結論持懷疑態度。
瓦爾特·博特（Walter Bothe）是柏林一位著名的實驗物理學家，1920年代末，他發現鈹原子核在用α粒子轟擊後，會發射出一種穿透力極強的輻射，他認為是γ射線，也就是光子束。居里和約里奧夫婦在得知博特的實驗結果後，藉助居里實驗室強大的α粒子源，像博特那樣去轟擊鈹原子核，隨後把富含氫元素的石蠟暴露在鈹原子核發出的輻射下。他們發現，按説應該是光子束的這種輻射把氫原子核（質子）以極高的速度從石蠟裏打了出來，比他們預計的速度高了整整300萬倍。他們的論文説的就是這個。
查德威克認為，γ射線（光子）極不可能達到居里和約里奧夫婦觀測到的效果。關於γ射線驅使電子運動起來的實驗已經做過很多了，但要説能讓質量差不多是電子2000倍的質子以那麼高的速度運動起來，似乎怎麼都不大靠譜。打個比方，使勁兒把三輪車推動是一回事，但用同樣的推力去推一輛卡車就是另一回事了。
但是，如果剛開始的α射線是把鈹原子核裏某種很有分量的東西給撞了出來，那麼這個質量很大的東西再把標靶中的質子撞出來就很容易了。而剛好，盧瑟福和查德威克腦子裏想着這件很有分量的東西已經很長時間了。
從1920年起盧瑟福就一直在強調，原子核裏必定還有電子和質子以外的粒子。要不然怎麼解釋大質量原子核是怎麼結合起來的？他認為這種另外的粒子——他稱之為中子——是電中性的，質量與質子大致相當，可能就是質子跟輕得多的電子緊密結合在一起。跟他合作很久的查德威克想起他們曾經常討論這個問題，也因為找不到這種大質量粒子存在的任何證據而沮喪萬分，於是他們認為，之所以這麼難發現，是因為這種粒子是電中性的。好幾年過去了仍然沒有發現，難覓其蹤的中子也一直讓這兩位科學家很有挫折感。
現在查德威克問自己，如果博特、居里和約里奧全都錯了呢？如果鈹原子核發出的射線其實是中子呢？這個實驗很有可能會改變所有人對原子核的看法。
跟往常一樣，上午11點查德威克去見盧瑟福。對於盧瑟福聽到巴黎傳來的消息後的反應，他記得很清楚：“我一邊告訴他居里和約里奧夫婦的觀測結果和他們的看法，一邊看着他越來越驚詫。到最後他脱口而出：‘我不相信。’這麼不耐煩的話完全不符合他的性格，跟他合作了這麼多年，我想不起他還有過類似的時候。”在盧瑟福的鼓勵下，查德威克開動了。
經常有人説查德威克長得像只鳥，圓圓的玳瑁框眼鏡戴在細細的鼻樑上，臉很長，樣子很嚴肅。卡文迪許實驗室的驅動力仍然是盧瑟福，但負責實驗室日常工作的是四十一歲的查德威克。在內心深處，他仍是一個充滿激情的實驗物理學家，驅使他就算在一戰期間的德國拘留營中挨着餓都還要做物理實驗的精神，到現在仍然十分鮮活。
對巴黎傳來的消息，查德威克的反應是準備證明或否定巴黎的結論。他很快確認了居里和約里奧夫婦的實驗結果，隨後便開始用鈹原子核發出的輻射系統化地轟擊大量其他材料。他和盧瑟福的直覺是對的，結論也是必然的：查德威克發現了中子。
2月17日，他在桌子前坐下來，寫下自己的發現。他幾乎連軸轉地幹了十天，平均每晚最多睡三個小時。但現在他完成了。他寫給《自然》雜誌的報告題為《論中子存在的可能性》，得出了這樣的結論：
如果我們假設這種輻射不是γ輻射，而是由質量跟質子極為接近的粒子組成，那麼跟碰撞有關的所有困難，包括碰撞過程中向不同質量的粒子轉移的能量與頻率的問題，就都會消失。要解釋這種輻射強大的穿透能力，我們還需要進一步假設，這種粒子不帶電……我們可以假定，這就是盧瑟福在1920年獲得皇家學會貝克爾獎的獲獎演説中談到的“中子”。
十多年過去，查德威克終於捕獲了自己的獵物，捕獵結束。
那天晚上，查德威克的好友彼得·卡皮查帶他去吃晚飯。卡皮查非常好交際，也是非常傑出的物理學家，他在劍橋組織了晚飯後即興發揮的物理學討論，總是充滿樂趣，後來人們稱之為“卡皮查俱樂部”會議。在查德威克做完實驗的這天晚上，恰好也輪到查德威克主講。小説家兼科學家查爾斯·珀西·斯諾當時也在場，他還記得查德威克簡要介紹了自己的偉大發現，隨後帶着疲倦的神情説：“現在我只想被放倒，一覺睡上兩個星期。”
查德威克一直在連軸轉，因為他知道巴黎團隊隨時都可能認識到自己的錯誤，比他先得到結果。卡文迪許實驗室輕鬆獲勝，查德威克也很快贏取了諾貝爾物理學獎。似乎是盧瑟福堅持不要讓居里和約里奧夫婦共同獲獎，他説：“中子的獎給查德威克一個人就好了，約里奧兩口子太聰明瞭，很快就會因為別的事情拿到諾獎的。”結果表明，這個預測也非常正確。1935年，查德威克因發現中子獨享諾貝爾物理學獎，而約里奧夫婦也在這一年去了斯德哥爾摩，領取他們憑藉1934年探測到人工誘導放射性而獲得的諾貝爾化學獎。
查德威克引領着那個緊鑼密鼓研究核物理的時代，他的成就幾乎跟盧瑟福於1913年最早提出原子中有原子核同樣重要，但這一次對物理學家們產生的影響極為不同。1913年的結果完全出乎意料，有如平地一聲雷，讓整個物理學界乃至盧瑟福本人都一時手足無措，不知道該怎麼進行下去。發現中子的消息就很不一樣了，儘管並非所有人都有預感，但這一結果落在肥沃的土地上，幾乎馬上解開了大量謎題，也為新的謎題提供了營養。
哥本哈根與中子
1932年春天玻爾研究所的會議就在查德威克發現中子兩個月後召開，這種新粒子的存在成了會上最令人興奮的話題。這一新實驗結果的影響尚不明朗，然而哥本哈根會議是討論該結果所有影響的最佳場所。長達一週的會議討論沒有預先設定議題，他們可以盡情討論這個實驗可能會帶來什麼後果，就下一步如何進行交換意見，想討論多久就討論多久。那一週提出的有些問題是新的，但也有一些多年來大家一直在思考，需要在這一新視角下重新審視。
最突出的老問題有兩個，就是原子核質量沒法解釋，以及讓原子核沒有四分五裂的神秘作用力究竟是怎麼來的。氮原子核中的質量缺失可能是因為原子核裏那7箇中子嗎？能證明嗎？如果確實如此，那麼所謂的錯誤統計問題，也就是為什麼氮原子核表現得像是由偶數個而非奇數個粒子組成的問題，可能也就迎刃而解了，因為7+7=14。是這樣嗎？讓大型原子核沒有分裂開的也是中子嗎？如果確實如此，中子是怎麼做到的呢？
在滑稽短劇接近尾聲時，泡利/梅菲斯特重申了理論物理學家對實驗的信心，並祝中子一切都好：
實驗所發現的——
儘管理論還沒去論證——
總是會比聽起來靠譜，
你可以放心大膽地相信。
祝你好運，你這沉甸甸的代用品——
但是，為什麼“這沉甸甸的代用品”和格蕾辛能和平相處？中子和中微子在原子核裏是怎麼組合起來的？原子核為什麼會發出β射線（電子）？會議期間的討論進行到如此複雜的地步時，玻爾就會反覆説他最喜歡的一句諺語，“偉大真理的背面同樣也是偉大真理”，以此緩解氣氛，並鼓勵年輕的追隨者們大膽假設。
那一週相聚在哥本哈根的物理學家們認定，要想了解中子的性質，就必須確定中子是跟電子和質子有同樣的地位，抑或只不過是電子和質子結合在一起形成的。與會人員不太願意引入更多新粒子，因而似乎傾向於後一種選擇。查德威克説：“目前除了也許能解釋比如氮-14等原子核中的統計錯誤問題，中子是基本粒子的可能性很小。”
在其他人還在思考中子究竟是不是基本粒子的時候，一貫務實而大膽的海森堡行動起來。會議結束後沒幾個月，他就提出了一個簡潔的量子力學理論，涉及中子和質子之間的作用力，跟中子是不是基本粒子沒有任何關係。他的理論很快成為後來沿這一思路進行下去的所有工作的基礎，再次證明了派爾斯曾評價過的海森堡的智慧：“他在面對一個問題的時候，幾乎總是憑直覺就能知道答案會是什麼，然後就會去找一個很可能可以得出這個答案的數學方法。”
新興的核物理學領域繼續突飛猛進。到1934年，已經有明確證據表明，中子和質子都是原子核的組塊，而且也和電子與質子一樣，屬於基本粒子。但這些結果仍然不能解釋β衰變。如果原子核裏本來沒有電子，原子核又怎麼能發射出電子來？
1933年底，費米提出了一個大膽而簡練的解決方案。需要一種新的作用力，而且從概念上講和萬有引力和電磁力這兩種已知的作用力同樣屬於基本作用力。費米給這種作用力起名叫弱相互作用，跟另外兩種作用力的不同之處在於會讓粒子改變身份：按費米的設想，電子在弱相互作用下會變成中微子，質子則會變成中子。稍微延伸一下，這種作用力甚至可以讓一箇中子完全消失，變成一個質子、一個電子和一箇中微子。這種新的作用力幾乎任何時候都藏得很嚴實，只有一種情況下清晰可見，就是發出β射線的核衰變。
突然之間，費米就這麼解決了β衰變的主要問題，也就是如果説原子核裏本來沒有電子，那又怎麼能發射出電子來。我們必須認為原子核由中子和質子組成，但在弱相互作用下，其中的中子會變成質子，同時產生的能量極高的電子和中微子也會立即逃出原子核。
基本粒子可以變換身份，這個想法甚至比存在一種新的作用力還要石破天驚。然而一經提出，對費米和其他人來説，似乎就成了必然結果。我叔叔埃米利奧還記得，1933年年終滑雪趴的時候，他們在多洛米蒂滑了一天雪，之後幾個好朋友坐在酒店房間裏，聽費米跟他們講解自己的發現。費米完全知道這個發現有多重要，但他還是平心靜氣地告訴他們，這很可能是他到現在為止，甚至可能會是他一生中，最重要的發現，大家聽得目瞪口呆。
費米對實驗工作的細節瞭如指掌，也研究過測量電子的能量得出的曲線，他得出的結論用他自己的話説就是，中微子的質量“等於零，要不就是不管怎麼樣，跟電子質量比起來非常小”。如何測量小小中微子的質量，是我七十年後在慕尼黑參加的這次中微子會議的中心議題。我們總是會聽到科學大步前進的各種故事，但有些事情就是急不得。
費米很快就這個主題寫了一篇簡短的論文，介紹他提出的理解β衰變的方案，並寄給了《自然》雜誌，希望能很快發表。然而雜誌社對新的作用力和未檢測到的粒子持懷疑態度，他們拒絕發表這篇文章，還給作者寫了篇編輯評論：“這些猜測與物理現實過於脱節。”但理論物理學家並不認可雜誌社的觀點，他們很快就接受了費米的假説，後來那些年，事實證明費米的理論幾乎完全正確。費米提出的理論如今已成為基本粒子物理學的基礎，《自然》雜誌的退稿，也成了期刊在選文時過於謹小慎微的典型案例。
不過我還是有些理解《自然》雜誌的編輯們。除了專家，新物理學的發展速度和複雜程度對所有人來説都太讓人不知所措了。兩年前這個世界還是由電子和質子組成，這些基本粒子靠靜電引力結合在一起。才不過兩年後就又説有兩種新粒子，中子和中微子，還有兩種未知機制，一種讓中子和質子結合，另一種則允許中子衰變。而且其中一種新粒子一開始也叫中子，剛剛才改名為中微子，彷彿還嫌不夠亂似的。
然而，所有這些想法都是對的。過去半個世紀，有十幾位物理學家在這一方向拿到了諾貝爾獎，獲獎原因包括：證明弱相互作用破壞宇稱，展現弱相互作用究竟是怎麼作用的，證明中微子存在，以及展示中微子如何在太陽內的核反應中產生，等等等等。但所有這些成果都源自1930年代初泡利和費米的想法，甚至還可以進一步追溯到由盧瑟福、查德威克、埃利斯、邁特納和他們的合作者完成的令人歎為觀止的實驗。科學大旗就是這樣編織出來的。
奇蹟之年
發現中子堪稱石破天驚，但這一年最轟動的結果，也是概念上最為激進的，要到哥本哈根會議結束後才出現。1932年夏末，在加州理工工作的美國年輕人卡爾·安德森（Carl Anderson）給出毫無爭議的證據，證明存在與電子質量相同但所帶電荷相反的粒子。這種粒子不可能是質子，因為質子的質量差不多是電子的2000倍。安德森沒聽説過狄拉克的理論（到這時人們仍然認為那只是個深奧難懂的數學概念），但反電子就這樣被他發現了，並很快得名正電子。
這個結果一出來，很多實驗物理學家就意識到，他們在自己的實驗設備中也看到過正電子，不過都被當成是實驗誤差而未予理會，或是錯誤解讀了實驗結果——正電子在一個方向上運動的軌跡可能會被誤認為是電子在朝着相反方向運動。劍橋大學甚至還有兩名傑出的實驗物理學家，在看到正電子的一些證據後，跟狄拉克討論過正電子存在的可能性。然而他們猶猶豫豫不敢公佈，也不願接受有反物質存在這一看起來荒誕不經的想法。即使在進行了更多實驗，進一步支持了狄拉克的假説後，他們發表的論文最後仍只是小心翼翼地承認這種粒子存在：“在對這種帶正電的電子的性質有過更多詳細研究後，或許就能檢驗狄拉克理論的這些預測了。似乎沒有證據能否定其正確性。”
寫下這幾句話的人是帕特里克·布萊克特（Patrick Blackett）和朱塞佩·奧基亞利尼（Giuseppe Occhialini）。奧基亞利尼本來在佛羅倫薩工作，但他中間休了兩年假去了劍橋。他是我父母的好友，還參加過他們的婚禮。他這個人精力充沛，很講原則，也富有冒險精神，二戰前就因為遭到掌權後的法西斯政府的排斥而離開了意大利。他在巴西尋求庇護，有一段時間還不得不放棄物理學，在巴西高地當山地嚮導謀生。大戰結束前他回到歐洲，與英國人一起戰鬥，最後終於回到解放後的意大利。這一切都可以表明，奧基亞利尼絕非膽小之人。然而就連他，也只願意説：“似乎沒有證據……”而不肯斷言更多。
其他人同樣表示懷疑，因為狄拉克的理論跟過去太不一樣了。海森堡説：“發現反物質可能是本世紀所有重大飛躍中最重大的。這個發現極其重要，因為它改變了我們對物質的整個看法。”剛開始玻爾也不相信安德森的實驗結果，而他之所以這麼猶豫，是因為狄拉克理論中帶空穴的、由負能量狀態組成的無邊無際的海洋看起來非常不可能。這一構想在玻爾和泡利看來非常難以接受，他倆甚至分別寫信給狄拉克説，就算證明了反電子存在，他們也無法接受他的理論。
莉澤·邁特納決定驗證安德森和劍橋二人組的結論。他們的實驗基於對宇宙射線所引發反應的分析，這裏宇宙射線是個通稱，指來自外太空的輻射。沒有任何先驗理由認為來自宇宙的光子和實驗室產生的光子有任何不同，而她知道，實驗室裏進行的實驗可以很好地控制，也可以重現，還沒有什麼能真正取代實驗室實驗的這些優勢。她一上手就很快確認了他們的結果，還加以進一步的拓展。
光子產生反物質的能力存在一個閾值，最早驗證這個閾值的就是邁特納的實驗。愛因斯坦著名的質能方程E=mc2反映了質量中含有多少能量，但物理學家還沒想到過，粒子的質量可以完全消失，然後變成能量重新出現。然而，粒子遭遇其反粒子時發生的，正是這種情形。電子和正電子湮滅後可以只有光子出現，能量是守恆的，但這對粒子的質量在兩者相遇後已完全消失。反過來，如果光子的能量足夠高，兩個光子就可以轉變為正負電子對，等於是完全用能量創造出了質量。要讓這一過程發生，光子的能量必須至少等於電子和正電子的質量之和乘以光速的平方。邁特納的實驗證實了這個預測，從此，對產生（Pair production）成了物理學家詞彙表中的新詞。
理論推動了實驗，實驗又反過來促進理論發展，一直就是這個樣子。邁特納的助手德爾布呂克在1932年寫給玻爾的一封信中自稱是邁特納的“家庭理論物理學家”，他也參與了這些工作。現在德爾布呂克開始思考，反物質可能會對光子產生什麼影響。大家都知道，其他光子的出現不會改變已有光子的路徑，但如果有些光子能轉變成正負電子對，就算只是一小會兒，也會改變這一情形。邁特納的論文附上了對這個問題的討論，讓人很感興趣。對這一我們現在稱之為德爾布呂克散射的現象的解釋，結果成了他對理論物理學最知名的貢獻，直到現在都還有人在研究。
正負電子對的產生解決了克萊因實驗中電子數似乎不守恆的問題，那個問題也曾經讓玻爾大傷腦筋。1929年玻爾提出，能量在原子核尺度上並不守恆，並希望這一假説能為那四個困擾物理學界的互不相干的問題提供一個統一的解釋。然而到了1933年底，已經很明顯，另外三個問題的答案也跟能量守不守恆沒有關係。氮原子核的所謂錯誤統計問題由中子解決了，原子核β衰變有能量損失的問題通過中微子得到了解釋，而最後一個問題，恆星何以能產生異乎尋常的能量，在我們瞭解核反應的細節後也就只道是尋常了。
到頭來，能量作為大自然基本參數的重要地位得以保留，而能量守恆也依然是所有相互作用都必須遵守的基石。在1936年6月發表在《自然》雜誌上的一篇短文中，玻爾正式承認自己錯了。文章題為《量子理論中的守恆定律》，結尾寫道：
最後可以指出，在原子核發出β射線的問題中對能量守恆定律是否嚴格成立表示懷疑的依據，現在已經基本上都站不住腳了，因為與β射線有關的實驗證據迅速增多，由泡利提出後又在費米的理論中有很大發展的中微子假説也與這些實驗證據極為相符，這很能説明問題。
正電子和中子的發現是這一重大年份中最出人意料也最飽受讚譽的兩大實驗成果，前者證實狄拉克理論本質上是對的，後者則開啓了核物理研究領域。漢斯·貝特（Hans Bethe）因為闡明太陽核心處的核物理反應的細節而獲得了諾貝爾獎，他説，1932年以前是“核物理學的史前時期，從1932年開始，歷史進入了核物理時代”。中子的發現是分界線，而1932年也被稱為奇蹟之年。
之前那些年最重大的進步是量子力學的發展。但風水輪流轉，1932年因為出現了這麼多影響深遠的開創性實驗，物理學的風水離開了理論這邊。並不是説1932年到1934年沒有取得重大理論進步，但這一時期的理論進步通常都是由新的、意想不到的實驗數據推動的。現在是實驗在引導物理學前進。其中有個特別重要的實驗完成於1932年4月，也就是哥本哈根會議正在進行的時候。
卡文迪許實驗室的約翰·科克羅夫特和歐內斯特·沃爾頓經過三年多的建設和規劃，終於做到了當年盧瑟福在跟伽莫夫聊過後交代他們去做的事情：“給我造一台100萬電子伏的加速器，我們就能不費吹灰之力，把鋰原子核敲開了。”他們用質子做發射物，一字不差地做到了。
在得知科克羅夫特和沃爾頓的成果後，玻爾寫信給盧瑟福説：“現在原子核研究領域的進展實在是太快了，大家都在想，下一篇文章會帶來什麼。”沒過多久他就知道了答案。盧瑟福的消息出來沒多久，漢堡的實驗物理學家奧托·施特恩，他特別擅長做超級難的實驗，便告訴玻爾自己成功測量了質子的所謂磁矩，也就是能説明質子在磁場中會怎麼運動的物理量。如果質子和預計的一樣跟電子是同一種粒子，只是質量更大、電荷相反，那麼狄拉克方程就已經能給出答案。
1920年代泡利在漢堡的時候跟施特恩就是好朋友，他知道施特恩有多喜歡做難做的實驗，便告訴他繼續進行下去，試着測量一下，儘管泡利也聲稱，所有人早就知道答案了。然而出乎意料，又一顆重磅炸彈爆炸了。施特恩的結果是預測結果的3倍，無論是泡利還是其他人，都小看了質子。這是最早表明質子和中子自身也有內部結構的實驗證據。
20世紀初物理學家面臨的挑戰是證明物質由原子組成，隨後盧瑟福證明原子由原子核及繞核旋轉的電子組成。然後在原子核裏發現了質子和中子，如今又證明質子和中子也有自己的結構。這簡直是馬拉松式的發現之旅，任何結局都無法事先預料。
大科學誕生
有件事很清楚：越大越好。但説來有些矛盾，探測原子核裏越來越小的尺度需要用到的能量越來越大。考慮到這一點後，對於未來新的實驗規劃，現在人們有了一個設想。套用盧瑟福的話來説，要傳達的信息就是：“給我造一台10億電子伏的加速器，我們就能不費吹灰之力，把質子敲開了。”但建造這樣一台機器需要用一套截然不同的辦法。盧瑟福是卡文迪許實驗室的頭兒，他的方式是強調自己動手，克勤克儉。你自己建造、組裝，做自己的實驗，可能也會跟別人合作，偶爾還會有三個人一起工作的時候，但人數不會再多了。不需要分配任務，不需要專門的技術人員，也不需要團隊協作。大體上來講，其他實驗物理學家，比如施特恩和邁特納，也都是這麼搞研究的。但是，如果物理學家想建造並操作10億電子伏的加速器，就不可能仍然走這條老路了。
這種新的物理實驗形式首次出現也是在1932年。這年9月，加州大學伯克利分校的歐內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）用自己新發明的迴旋加速器的第一台原型機，重現了科克羅夫特和沃爾頓的實驗結果。勞倫斯受到鼓舞，很快談起打算建造更大、更先進的迴旋加速器。剛開始只是過家家的實驗，卻很快變成了偉大事業，需要專業的技術人員和固定員工，而所有這些都需要相當高的建設和維護費用。
在技術進步的推動下，這場新冒險的領導者從歐洲人變成了美國人，接下來五十年也一直由美國領先。未來粉碎原子的大業屬於伯克利，不屬於卡文迪許實驗室，一個時代也就此結束了。到1930年代結束時，美國已經有十多台迴旋加速器，歐洲只有5台。接下來幾十年，儀器造得越來越大，現在則變成了需要全世界通力合作的事情。
歐洲核子研究中心有早年那些加速器最大的後繼者，在那裏工作三年後，我也開始認識到這個地方有多麼不同凡響。這一組織由多個歐洲國家於1954年聯合組建，位於法國和瑞士交界處的日內瓦郊區，意在讓歐洲奪回亞原子研究的領先地位。現在那裏有大約三千名員工，每年的運行費用將近10億美元，主要工作人員仍然是歐洲人，但來自全球各地的訪問學者也都會參與到它的研究項目中。這裏已經成為科學界的小小聯合國，是跨越國界的國際合作最好的例子。
1990年代，歐洲核子研究中心的研究活動主要圍繞大型正負電子對撞機（LEP）展開。在這台對撞機裏，電子束和正電子束會被高強度的磁場加速到接近光速。加速器的環形地下隧道長27公里，正反電子束在隧道里以相反方向每秒轉一萬多圈，在瑞士和法國之間來回穿梭。為儘量避免兩束粒子與空氣分子發生碰撞，隧道保持着極高的真空度，還不到標準大氣壓的十億分之一。正反電子束在引導下進入4台巨大的碰撞探測器併發生碰撞，這4台探測器分別叫阿列夫、德爾菲、L3和歐泊，運行每一台探測器的國際合作團隊都有三百多名物理學家。
1930年代，物理學家無比驚訝地發現了正電子，而到了1990年代，正電子束已經成為了研究工具。這些實驗極其靈敏，就連日內瓦湖的水位變化都必須考慮進來。儘管日內瓦湖在10公里以外，但湖中水位高低的季節性變化會給湖岸上的壓力帶來變化，足以使正反電子束的位置移動個幾分之一毫米。這樣的干擾，以及過往火車、月球軌道的變化都必須考慮，如此才能得到所需要的最大精度。此外，那4台碰撞探測器得出的數據量極為龐大，檢查實驗結果讓歐洲核子研究中心那麼強大的算力也只能滿負荷運轉。為協調世界各地物理學家一起參與這些數據的分析工作，歐洲核子研究中心還開發了一種工具，叫萬維網，首字母縮寫就是www，即今天互聯網的前身。
從盧瑟福發現原子核到查德威克發現中子有二十年，到物理學家開始認識到質子和中子也有內部結構又是二十年，再到人們意識到準確答案是3個夸克又過去了二十年。還需要二十年，科學界裏的很多人才會開始認為，這些夸克是超弦在振動。現在，我們正在等待萬億電子伏加速器的出現。大型正負電子對撞機在歐洲核子研究中心的後繼者是大型強子對撞機（LHC），預計會在未來幾年投入使用，可能會為剩下的一些問題提供答案。
這些儀器已經花了數十億美元、瑞士法郎和歐元，實驗團隊也從一兩個人變成了數百人。為了給這些儀器籌集資金，用這些儀器做實驗，人們跨越了國界。1932年，大科學誕生了。
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