寻找不可分割之物
把物质拆分成各个组成部分时，我们很容易想象出一种最基本的粒子，它不再由其他东西构成。原子曾经就是这样的设想。这个词在希腊语中的本意就是“不可分割”。
今天，我们把具有内部结构的粒子称为原子。名称保留了下来，但对原子本身的认识已经改变。
原子与虚空
古代思想家试图在万物的多样性背后寻找共同的根基。有人认为万物源于水，有人认为源于气，也有人提出四元素说。这些观点有一个共同的假设：众多现象可以用少数几个基本原理来解释。
公元前5世纪，德谟克利特发展了原子论。在这幅图景中，世界由不可分割的粒子以及供它们运动的虚空构成。事物的性质取决于粒子的形状、排列顺序和相对位置。
感官告诉我们，某样东西是温暖的或甜的。原子论则主张，到感官无法直接辨别的物质结构中寻找这些感觉的原因。
德谟克利特无法设计一个能解决争论的实验。亚里士多德持有另一种图景：理解一个事物，也意味着理解它的形式、变化和目的。这些思想不能被视为现代物理学的早期版本，因为它们有不同的出发点和论证方式。
后来，卢克莱修在长诗《物性论》中阐述了原子论的世界观。他认为，理解自然应当使人摆脱对神灵和死亡的恐惧。对他而言，知识与人应当如何生活直接相关。
直到很久以后，随着化学的发展，人们才得以通过测量结果检验原子理论。
从猜想到测量
19世纪初，道尔顿依据化学中的定量规律发展了原子理论。例如，对于相同质量的碳，二氧化碳所含氧的质量是一氧化碳的两倍。原子假说将其解释为：与一个碳原子结合的氧原子数目不同。
1869年，门捷列夫发表了元素周期表。他在排列元素时发现，元素的性质会周期性重复，于是为尚未发现的元素留出位置，随后还预测了其中一些元素的性质。后来镓、钪和锗的发现证实了这些预测。
表中留有空格：某种元素还没有被发现，但它的位置和部分性质已经可以确定。早在原子的电子结构得到解释之前，门捷列夫的体系就已经发挥了作用。
是什么托住桌上的手
1897年，汤姆孙研究阴极射线，获得了电子存在的证据。无论电极使用什么材料，发现的粒子都具有相同的性质。这表明，不同原子具有一种共同的组成部分。
汤姆孙提出了一种模型：正电荷分布在整个原子中，电子嵌在其中。后来的实验表明，原子内部的电荷和质量并不是这样分布的。
1909年，盖革和马斯登在卢瑟福指导下，研究α粒子穿过薄箔时的散射。大多数粒子几乎沿直线穿过，少数则发生大角度偏转。恰恰是这些罕见的大角度偏转起到了决定性作用：模型也必须解释它们。1911年，卢瑟福提出，正电荷和原子几乎全部的质量集中在一个极小的原子核中，从而解释了实验结果。
如果把一个原子放大到一座20米大厅的大小，原子核的直径大约只有0.2至2毫米。原子核周围是电子，它们的分布由量子力学描述。问题随之而来：具有这种结构的物质，为什么会抵抗压缩？
手仍然放在桌子上。托住它的是电磁相互作用以及物质的量子性质，其中包括泡利不相容原理：两个电子不能占据同一个量子态。当手和桌子中的原子靠得过近时，电子态发生变化，系统的能量随之升高。继续压缩需要做功，这就表现为对压力的抵抗。
光能告诉我们什么
1913年，玻尔提出了一种原子模型，其中只有某些特定的能量状态是允许的。在吸收或发射光的跃迁中，光子的能量等于两个能级之差。后来的量子力学用更精确的描述取代了直观的轨道图像，但离散能级的概念保留了下来。
不同元素的原子具有各自特征性的谱线。凭借这些谱线，我们可以辨认无法拿到手中的物质。遥远恒星发出的光，携带着它曾与哪些原子相互作用的信息。我们与恒星相隔极远，但它的光谱遵循着我们在这里能够检验的物理规律。
为什么需要夸克
对原子核的研究揭示了它的组成部分。质子带正电。1932年，查德威克发现了中子：一种不带电、质量接近质子的粒子。不带电使探测变得困难，但并不意味着任何实验都无法发现中子；我们可以通过它与物质的相互作用来探测它。
至此，原子的主要组成部分已经被发现：电子、质子和中子。加速器使人们能够研究能量越来越高的碰撞，粒子的名单也继续增长。
在宇宙射线和加速器中发现的许多粒子具有相似性质。面对数量如此众多的粒子，物理学家开始寻找分类方法，并检验它们是否拥有共同的内部结构。
1961年，盖尔曼和内埃曼分别独立提出了强子的分类方法。强子包括质子、中子以及许多参与强相互作用的其他粒子。通过比较它们的电荷和其他量子特征，物理学家找到了性质相似的粒子组，以及尚待发现的粒子所应占据的位置。
1964年，盖尔曼和茨威格分别独立提出了夸克模型。质子的组成可以简写为两个上夸克和一个下夸克；中子则是一个上夸克和两个下夸克。这称为价夸克组成。更完整的描述还包括传递强相互作用的胶子，以及夸克与反夸克对。不能把质子想象成壳内三颗静止的小珠子。
内部结构
夸克和电子被视为基本粒子：实验至今尚未发现它们具有内部结构。不过，它们的行为并不像微小的固体物件。
粒子与场
在量子场论中，粒子被描述为场的激发。光子是光的粒子，是电磁场的激发；电子则通过电子场来描述。例如，这套理论使我们能够计算碰撞中产生某些粒子的概率。
这种激发的能量、动量和其他特征都可以测量。一般而言，理论预测的是各种可能结果的概率。我们通过计算结果与测量结果的吻合程度，检验描述的准确性。
电子具有完全相同的内禀性质。量子力学不会赋予每个电子一个独有标签，让我们像区分两块外观相同的石头那样区分它们。电子可以处于不同的状态，但交换全同粒子的标签，并不会产生一种新的物理情形。
只要能量足够，碰撞就可以产生新的粒子。不稳定粒子可以自发衰变为其他粒子。所有这些过程都遵循守恒定律。
组成能告诉我们什么
要理解为什么手能被桌子托住，我们需要了解相互作用和量子态。
金刚石和石墨都由碳构成。在金刚石中，原子形成牢固的三维晶格；在石墨中，原子连接成层。这带来了性质上的差异：金刚石极其坚硬，而石墨柔软。
理解人则更加复杂。要弄清我们如何辨认熟悉的声音和语调，就必须研究听觉、记忆、学习以及交流经验。
亲近的人叫出你的名字。熟悉的语调，可能让你想起一段你们都记得的往日对话。你听到的，既有这几个声音，也有你们共同走过的经历。
