靠撞東西來弄清它們是什麼
到了這一階梯，你已經握有整套機器。你能把一張費曼圖讀成一個故事：入射粒子與出射粒子在中間交換著什麼；你也知道，把振幅平方、再疊上相空間裡那點活動餘地，就得到一個截面——一個反應所呈現的有效靶面積。本篇把這份計算能力朝外轉，對準實驗本身。因為這是物理學裡最古老的把戲：當你打不開一樣東西時，你就朝它扔東西，看它們如何彈回來。散射正是這把戲，被打磨成我們看清那些小到看不見之物的最銳利的工具。
對任何一場碰撞要問的頭一個大問題，簡單得近乎粗暴：出來的東西，和進去的東西，是同一批嗎？如果兩個質子進去，又是同樣這兩個質子出來，只是改了方向，那是一類事件。如果它們進去，出來的卻是一蓬全新的粒子，那就完全是另一回事了。這一個是與否——同樣的演員，還是新的演員？——就是彈性散射與非彈性散射之間的分界線，也是每一次解讀碰撞的起點。
彈性與非彈性：演員變了嗎？
在彈性散射中，相撞的粒子毫髮無損地存活下來，只是帶著重新安排過的方向和能量離開——就像兩顆撞球咔噠一聲彈開。在日常意義上，總動能守恆，而關鍵在於：碰撞前後的粒子本身是同一批。拉塞福著名的金箔實驗就是彈性的：阿爾法粒子從原子核上彈開、飛走時仍是阿爾法粒子，但那些罕見的大角度反彈揭示出，原子的正電荷集中在一個極小而緻密的核裡，而非彌散開來。彈性散射在「身份」上很溫和，卻仍能就形狀與大小給出銳利的資訊。
在非彈性散射中，演員變了。入射動能裡有一部分不再以運動的形式保留下來——它通過質能等價（讓 E = mc 平方 真正派上用場）轉化為新粒子的靜止質量，或被用來把靶激發到一個更重、壽命更短的狀態。把兩個質子撞得夠狠，你能得到原來的兩個質子再外加一個新鑄的π介子；再灌進更多能量，你就造出整蓬整蓬的強子。這裡沒有無中生有：能量不過是在為質量買單。存在一個最小碰撞能量，即閾能，低於它，某個給定的新粒子根本無法出現——你鑄不出一枚你買不起的硬幣。
elastic: p + p -> p + p inelastic: p + p -> p + p + pi0 (energy bought a new pion)
深度非彈性散射：質子並非實心
現在把非彈性散射推向極端。20世紀60年代末，物理學家在SLAC把極高能量的電子直直地射進質子。回想那條規律——高能束流就是顯微鏡：能量越高，探針的波長越短，於是一束兇猛的電子流能分辨出靶內部越來越小的距離。當電子撞得夠狠，它們便不只是輕推質子——而是撕進它的深處，把它擊碎成一蓬新粒子。這就是深度非彈性散射：深，指的是高能量、短距離；非彈性，指的是質子沒能存活。
意外之處在於電子大角度反彈的頻率。如果質子的電荷是一團鬆軟、彌散的斑塊，那麼幾乎每個電子都會只帶著小小的偏折滑掠而過。然而，出人意料地有大量電子以陡峭的角度被彈回——這正是拉塞福當年在原子核身上見過的那個標誌性信號，如今又深了一層。質子的電荷並非平滑鋪開；它集中在內部一些微小、堅硬、點狀的小團裡。電子是從質子的「碎片」上彈開，而不是從整個質子上彈開。
那些點狀的碎片，正是夸克（以及把它們捆在一起的膠子），這是質子為複合而非基本粒子的第一份有力實驗證據。質子內部各成分如何分攤它的動量，如今由部分子分布函數來刻畫——一張描述「在質子裡找到某個夸克或膠子、且它恰好攜帶質子動量某一份額」的機率圖。有一處微妙之處值得誠實點明：質子的質量絕大部分根本不是那三個夸克的質量。它是把夸克禁閉起來的那個翻騰的強交互作用場的能量——是量子色動力學的束縛能，而非希格斯——這與夸克自身那（很小的）質量從何而來，是非常不同的兩回事。
三種劇情：s、t與u通道
回到理論家的座位。兩個粒子進來，兩個出去——而把它們連起來的圖，往往不止一種接法。物理學家把主要的幾種接法命名為s通道、t通道與u通道。把它們想成同一批演員的三種不同劇情。在s通道裡，兩個入射粒子先合併成一個單一的中間體，再分裂回那對出射粒子——它們融合、作為一體短暫停留、再重新分出。在t通道裡，粒子從不融合；它們相互滑掠而過，朝彼此之間的縫隙拋出點什麼，就像兩個溜冰者交換一隻球。u通道是t通道的孿生兄弟，當兩個出射粒子完全相同、你必須把它們角色互換的那個版本也算進來時，就用得上它。
這些名字來自曼德爾斯坦變量s、t、u，也就是你在學習「不挑參考系地描述碰撞」時見過的那三個俐落的、由能量和動量構成的不變組合。每個通道由其中一個主導：s通道由s主導（碰撞的總能量平方），t通道由t主導（與橫向轉移的動量有關）。用變量給通道命名，不過是一種記帳法，讓你一眼就看出是哪個量在掌控中間那條線的行為。
這些通道並不是相互競爭的「真實」——它們是你必須加在一起的不同貢獻。當同一組入射與出射粒子既能通過s通道、又能通過t通道的圖來達成時，振幅的規則要求你在平方*之前*把這些圖加起來，於是不同劇情之間可以發生干涉。s通道裡藏著一場特別的戲：當碰撞能量恰好落在某個真實中間粒子的質量上時，s通道的貢獻猛然激增，你就看到一個共振——截面上一個尖銳的峰，宣告著一個粒子想要誕生。這，確確實實，就是許多粒子被發現的方式。
從一次彈跳到一次測量
把這些拼到一起，你就得到了整個領域運轉的工作迴路。理論家為一個過程畫出圖——挑對通道、把它們加起來、平方、疊上相空間——算出一個預言的截面。實驗家隨後讓束流對撞，數清那類事件實際發生了多少次，再除掉亮度（束流有多強），便讀出測得的截面。理論交出一個數；實驗回敬一個數；這門學問的存亡，就繫於兩者是否相符。
請始終記著一點誠實。這些通道內部的中間線——s通道裡那個融合的團塊、t通道裡那個被拋出的對象——都是虛粒子：一種計算手段、一條內部的記帳線，從不是你能在探測器裡抓到的東西。被觀測到的，只有外線，也就是進出過程的真實粒子。共振峰是一條虛線最接近宣稱自己為真的時刻，可即便那時，你測到的也是它所塑造的截面，而非那條線本身。散射之所以強大，恰恰因為它在這一點上始終自律：它預言並測量機率，讓那些不可觀測的內部機制安靜地在數學裡幹活。