但是先让我们稍作回顾。开始（或者就科学史所能涉及而言，接近于开始）要从古希腊说起。当时有一个人名叫留基伯，还有他的学生德谟克利特，他们提出万物都是由某种极小的基本单位所组成的。他们把这一微小、坚硬、不可分的粒子称为原子（来自希腊语atomos，意即“不可分的”，或者换一种表述——“击不破的”）。他们说，这些原子因太小而看不见，但如果你使物质不断分裂，一直碎到无法再碎时，就得到了原子。

这是大约2400年前的事情，这一观念传播得很慢。当时以及以后许多世纪里的大多数思想家很少注意到这个观念，直到17世纪末，它才开始引起人们更多的兴趣。英国化学家波义耳就是一位原子论者，牛顿也认同这个观念。牛顿在1704年出版的《光学》一书中写道，他相信所有物质都是由“坚固实心的、不可穿透的可动粒子”组成，他认为这种粒子必定要比“任何由它们所组成的有孔物质坚实得多。”但即使牛顿也不知道如何才能看到他认为一定存在的这些粒子，所以物理学家继续研究能量与物质、原因与结果的关系。与此同时，化学家继续探讨后来所谓的“元素”。

过了不到一个世纪，一位固执己见的名叫道尔顿的化学家第一次提出了可以进行定量检验的原子论。道尔顿定义原子是元素的最小单元，他还发表了第一份当时已知元素的原子量表，他的工作为在以后一个世纪里发现几十种新元素提供了奠基石。然而道尔顿和他的同代人没有认识到的是，道尔顿的“原子”和留基伯及德谟克利特的不可分的“原子”并不是一回事，后者所谓不可分“原子”乃是自然界还有待发现的东西。

19世纪末，随着X射线和其他形式辐射的发现，这一差别的最初线索开始变得明朗化。科学家发现，这些不同种类的辐射都是由原子，也就是道尔顿原子所辐射出的粒子组成的。如果原子可以释放粒子，那么显然，原子就不是不可分的，一定还有某种更小的东西。1896年，汤姆孙证明了电子的存在，这是一种小而轻的带负电的粒子，质量只有氢原子质量很小的一个零头。这并不能解释放射性粒子是从哪里来的，但这是一个开头，从此开创了亚原子物理学这一领域。

1911年，卢瑟福从他及其研究小组在加拿大的麦克吉尔大学和英国的曼彻斯特大学所做实验中得出结论，原子内的绝大部分区域是空心的。汤姆孙认为，带负电的电子沿轨道在其周边旋转，就像是一个微型太阳系里的微小行星，由带正电的粒子组成的核处于原子的中心（这些粒子很快就被命名为质子）。

丹麦物理学家玻尔1912年到英国参加研究工作，他是少数几位认同原子大部分区域是空心的这一观点的物理学家之一。1913年，他提出卢瑟福模型的改进版，亦即处于中心的带正电的核被沿不同能级运行的电子所围绕。玻尔的模型综合了以前的所有事实：汤姆孙的电子、卢瑟福的1911年卢瑟福首次描述原子是由密集的带正电的核以及带负电的粒子（电子）组成，电子在几乎空旷的空间里沿着围绕核的轨道旋转。正核和量子理论，而量子理论是普朗克在1900年首先提出的。普朗克理论背后的基本思想是，你可以把光子或者量子（包含光和所有电磁能的微小能量包）看成既是波，又是粒子，而不是非此即彼的关系，在此基础上，即可解释原子的行为和亚原子的相互作用。这一思想看起来似乎怪异，但是量子理论却因此解释了大量无法用其他方式解释的现象，终于引起了物理学的革命。

到了20世纪30年代，物理学开始发生急剧的变化：新粒子不断地被发现，伴随着每一个新发现，原子观念以及它确切像是什么之类的说法就要作相应的修改。道尔顿的新原子很快就跟留基伯与德谟克利特那不能分裂的、形状类似弹球的基本粒子没有任何相似之处了。它不是不可分裂的，它也不是一个实体球体。但是，说它是元素的最小基本粒子还是可以成立的。

1930年，泡利根据他对实验数据的研究，提出了这样的想法：在β放射线中，一定在放射一种奇怪的未知粒子，它没有质量（或者几乎没有），没有电荷，特别是与任何东西没有相互作用。为了解释反应中能量的损失，他认为这一粒子必定存在，否则就不得不放弃能量守恒定律，而他认为这一放弃并不可取。四年后，费米进一步发展了泡利的思想，并且给这一微小粒子起了一个名字，叫做中微子，意即“小的中性粒子”。

中微子几乎不可能检测到，多年来它一直隐而不现，没有人能够证明它的存在。起先有人怀疑泡利玩的只是某种账目把戏——为的是在能量的收支上取得平衡。但是1956年，有人利用核电站做了一个精致的实验，证明幽灵般的中微子确实存在，泡利的说法获得了认可。近年的实验，一个是1995年在加拿大安大略的萨德伯里中微子观测站（SNO）完成，另一个是1998年在日本东京大学的宇宙线研究所完成，解决了有关中微子一直存在的奥秘：为什么只有预计中的一半中微子抵达了地球？答案是，某些中微子在到达地球的途中改变了性质，结果无法被检测到。这些实验暗示宇宙和原子领域之间存在着相互依赖性。

也是在1930年，根据一位28岁的英国年轻物理学家狄拉克提出的理论，亦即存在另一种假设的粒子，它与电子相似，但具有正电荷。其实，基于狄拉克的这一努力，亦即使得量子论和相对论相互结合，物理学家开始得出这一令人惊奇的结果：无论物质存在于何处，它的镜像——反物质——也一定存在。正如海森伯所说，反物质的概念也许是20世纪物理学所有伟大突破中最大的一个。尽管狄拉克拥有杰出的数学才能，这一思想还是遭到了某些人反对。过了不久，在1932年，有一位年轻的美国物理学家名叫安德森，他在加州理工学院利用强磁铁和云室终于看到了它——至少看到了一种亚原子粒子的踪迹，它看起来像电子，却被磁铁拉向相反的方向。他把这一新粒子称为正电子。

与此同时，也是在1932年，剑桥大学的查德威克（James Chadwick，1891—1974）同时发现了另一种粒子存在的强硬证据，这种粒子没有电荷，却位于大多数原子的核中，他称其为中子。这一粒子很容易检测，它可以解释许多现象，其中包括原子序数和原子量之间从来都难以理解的差异。带负电的电子数和原子核里带正电的质子数应该平衡，但是除了氢以外，所有原子的质量都超过它所带的质子数，至少是其两倍。这些质量是从哪里来的？现在答案似乎清楚了：核中的电中性粒子。

在以后的年代里，一切都将发生变化。1935年，京都大学的年轻日本物理学家汤川（Yukawa Hideki，1907—1981）对一个海森伯曾经指出的重要问题——是什么使得这些中子和质子在核中如此紧密地相连？——作出解答：如果核内只有带正电的质子和查德威克不带电的中子，那么，核内唯一的电荷就是正的，而同号带电粒子会相互排斥，为什么这些粒子不沿相反方向飞离呢？汤川提出，这也许是由于有某种“交换力”在核中起作用——但是他从未说过“交换力”是什么以及它起作用的机理。

汤川认为，既然普通的电磁力涉及光子的传递，那么一定有某种在核内发挥作用的“核力”，它涉及某种其他实体的传递。这一核力必定只有极短的力程，它的大小只有核直径那样大（大约为1厘米的十万亿分之一）。这个力一定极其强大，强大到足以克服质子之间正电荷的斥力从而把两个质子束缚在一起。还有，根据实验结果，这个力一定是随距离的增加非常快速地减少，因此当超出核的周边时，它就完全消失了。

汤川提出了一个理论，大意是，当中子和质子相互间来回交换粒子时，就会产生核力。他说，这些粒子的质量取决于力作用的力程。力程越短，所需的质量越大。为了能在核的范围内起作用，传递的粒子应该大约具有电子质量的200倍和中子或者质子质量的九分之一。

携带这些粒子的短程力合乎逻辑地被称为强力。至于汤川的粒子，几年后为了尊敬它的提出者，被称为汤川子，但是它早已有了一个名字，叫做介子，这是因为当时认为这种粒子的质量处于质子和电子之间（后来它又叫做“汤川粒子”）。第二年，安德森用探测正电子轨迹的同一套仪器找到他认为的介子。不久后才搞清楚，安德森的新粒子并非介子，而是另一种叫做μ子的粒子，直到1947年汤川的介子实际上才得到验证。

到了1947年，物质和辐射的最终基本单元清单中，已经扩大到包括电子与它的反面孪生兄弟正电子，以及质子、中子、μ子、π介子、中微子和光子。后来证明，这些粒子并不像当时物理学家设想的那样全都是基本单元，不久他们发现质子、中子和介子都可以分裂成更小的成分。汤川把物理学家引导到更小和更基本的研究层次上，使亚原子粒子的数目达到了几百个。道尔顿如果现在看到他的终极基本粒子，一定会大吃一惊。

于是我们开始进入亚原子世界——这是一个令人惊异的世界。不久以后，物理学家有了一份新的清单，其中用特殊的名字来描述亚原子粒子的极小世界和在其中起作用的各种力。他们在谈论这些微小粒子时用到一些异想天开的名字，例如安德森的μ子，再加上轻子、π介子、胶子和夸克（最奇怪的名字）——他们在讨论时用到很多古怪的词汇。

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文章来源：天狐定制

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