本系列文章預(yù)計(jì)會(huì)有10個(gè)章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)的講述物理學(xué)本身，今天是第二季第9篇。

古時(shí)候，人們就在思考構(gòu)成物質(zhì)的基本元素是什么？

這個(gè)問(wèn)題早在古希臘時(shí)候就存在，甚至在中國(guó)2400年前，惠子和莊子之間就有著名爭(zhēng)論。

莊子說(shuō)：“一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭”。也就是說(shuō) 基本粒子是一層套一層的，可以永遠(yuǎn)分下去。

而惠子說(shuō)：“至大無(wú)外，謂之大一；至小無(wú)內(nèi)，謂之小一” 即整個(gè)宇宙之外沒(méi)有東西，他所說(shuō)的小，可以理解為基本粒子，基本粒子是不可再分的。

在古希臘時(shí)期人們支持惠子的觀點(diǎn)，所以對(duì)物質(zhì)有提出原子說(shuō)（或者分子）的說(shuō)法，但這僅僅是個(gè)假說(shuō)，或者是個(gè)哲學(xué)概念。那時(shí)候人們對(duì)分子和原子的概念是很不清晰的，你可以理解為，他們可能認(rèn)為是同一個(gè)東西，畢竟當(dāng)時(shí)根本沒(méi)有測(cè)量的儀器以及理論計(jì)算的方式。

18世紀(jì)，化學(xué)家拉瓦錫等人發(fā)現(xiàn)了各種元素，而元素可以構(gòu)成化合物，但是他們還是不知道什么是化合物，這也是一個(gè)猜想。

1799年，法國(guó)化學(xué)家約瑟夫*普魯斯特發(fā)現(xiàn)了等比定律，也就是說(shuō)每一種化合物其組成的元素的質(zhì)量比例都是整數(shù)。所有英國(guó)化學(xué)家道爾頓對(duì)等比定律預(yù)測(cè)到，各個(gè)物質(zhì)存在一些可數(shù)的最小單位，不會(huì)出現(xiàn)半個(gè)單位，而這個(gè)單位就是原子。

19世紀(jì)，人們根據(jù)兩個(gè)關(guān)鍵證據(jù)確立了“物質(zhì)由原子組成”的原子論，。其中最關(guān)鍵的兩個(gè)證據(jù)：一個(gè)是愛(ài)因斯坦對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的解釋以及對(duì)這一解釋的實(shí)證材料；另一個(gè)是盧瑟福發(fā)現(xiàn)的元素的放射性轉(zhuǎn)換。

放射性就是一種元素通過(guò)釋放輻射而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的過(guò)程。1911年，盧瑟福正式提出了他的原子模型。在盧瑟福的原子模型中，原子由電子和原子核構(gòu)成，在原子內(nèi)部，電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。

原子核又可以分解為質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子又可以進(jìn)一步分解為叫夸克的基本粒子。

原子理論告訴我們，物質(zhì)的質(zhì)量是構(gòu)成該物質(zhì)的原子的質(zhì)量總和。因?yàn)樵雍说某叽缡请娮拥?000倍到20萬(wàn)倍，所以原子核事實(shí)上承載著原子的全部質(zhì)量，而原子大體上是空的。

我們的物質(zhì)世界實(shí)際上是由質(zhì)子、中子和電子這三種粒子組成的。這些粒子間還存在各種力的作用。

最初證明分子存在的是靠“間接觀測(cè)法”觀察的。

1827年，英國(guó)生物學(xué)家羅伯特*布朗在顯微鏡下觀察懸浮在水中的花粉所作的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，后來(lái)被稱為是“布朗運(yùn)動(dòng)”，這部分我們?cè)谥袑W(xué)物理了解過(guò)。

起初，布朗還以為是微生物在搗鬼，但后來(lái)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并非如此，而是由水分子隨機(jī)撞擊花粉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。但這依然只是個(gè)假說(shuō)。

1905年，7月18日我佛愛(ài)因斯坦發(fā)表了《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》，才解釋了布朗運(yùn)動(dòng)。

分子與原子的區(qū)別在化學(xué)變化中是否可以再分。分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小粒子。原子是化學(xué)變化中的最小粒子。 （在化學(xué)變化中分子可分，原子不能再分。）

十九世紀(jì)末,科學(xué)家基本知道物質(zhì)是由原子組成的，而且門(mén)捷列夫弄好了元素周期表，知道每種原子的化學(xué)性質(zhì)。經(jīng)典物理學(xué)很美好，人們并不急于知道原子還能不能繼續(xù)往下分。

1897年，約瑟夫·湯姆孫（Sir Joseph John Thomson）發(fā)現(xiàn)陰極射線中有一種“微?！?，在外加的電磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。湯姆孫意識(shí)到這種微粒帶負(fù)電，并且把它命名為“電子”。這是人們第一次明確知道原子之中還有別的東西，湯姆孫因此得到1904年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

原子是電中性的。那既然電子帶負(fù)電，原子中必定還有帶正電的物質(zhì)。湯姆孫設(shè)想了一個(gè)模型，現(xiàn)在稱之為“梅子布丁模型”，也可以叫“葡萄干布丁模型”。想象有一個(gè)松軟的、球狀的大蛋糕，其中點(diǎn)綴著一些葡萄干。

那些葡萄干就是帶負(fù)電的電子，而蛋糕本身帶正電，和葡萄干達(dá)成平衡。原子一受熱，電子們就會(huì)在蛋糕上震動(dòng)起來(lái)，形成電磁波，這也就是輻射發(fā)光。

這個(gè)模型聽(tīng)起來(lái)挺合理，但是是錯(cuò)的。

后來(lái)湯姆孫的學(xué)生盧瑟福真正解答了關(guān)于原子組成的實(shí)驗(yàn)，而盧瑟福的實(shí)驗(yàn)原理也不復(fù)雜，只花了英國(guó)皇家科學(xué)院 70 英鎊 。他的做法是讓兩個(gè)學(xué)生拿阿爾法粒子轟炸金箔。金箔是薄薄的一層金紙，阿爾法粒子是高能量的子彈，你說(shuō)子彈打在紙上會(huì)有什么樣的效果？

盧瑟福在實(shí)驗(yàn)室周?chē)帕艘蝗ζ聊?，記錄子彈的反彈情況。

就類(lèi)似拿一個(gè)機(jī)關(guān)槍對(duì)一個(gè)黑盒子里面掃射，如果子彈被反彈回來(lái)，那么就可以知道這個(gè)黑箱里面是失心還是空心。如果子彈傳過(guò)去了，并且沒(méi)有改變子彈的軌跡那說(shuō)明，黑盒里面是空心。而盧瑟福用的槍就是— α射線。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)α粒子直接就從金箔中穿過(guò)去了；有少量α粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；還有極少量的α粒子，居然被金箔給反彈回來(lái)了。盧瑟福感到很震驚，紙?jiān)趺茨馨炎訌椃磸椈貋?lái)呢？唯一的可能性，就是這張紙中散布著一些非常硬的東西。

盧瑟福斷定那個(gè)硬東西是原子核。大部分子彈穿過(guò)，少量偏轉(zhuǎn)，極少量反彈，這說(shuō)明原子內(nèi)部根本不是什么葡萄干布丁結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)極其空曠的空間。這個(gè)空間的大小是由外層的電子決定的，而原子幾乎全部的重量，都集中在中間很小的那個(gè)帶正電的原子核上。

只有碰巧靠近原子核飛過(guò)的時(shí)候，同樣帶正電的α粒子才能被偏轉(zhuǎn)，因?yàn)檎姾驼娀ハ嗯懦?；只有正好撞向原子核的α粒子才?huì)被反彈回來(lái)。

再到后來(lái)，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)原子核是由強(qiáng)子組成（質(zhì)子和中子）。

1969年，美國(guó)物理學(xué)家穆雷蓋爾曼，又證明了質(zhì)子和中子是由夸克組成，因此獲得1969年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

那么夸克是由什么組成了，是不是由更小的粒子構(gòu)成呢？人類(lèi)的好奇心總是在驅(qū)動(dòng)自己尋找事物的本質(zhì)答案。

可惜，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，夸克內(nèi)部空無(wú)一物！也就是說(shuō)夸克無(wú)法再分了。

你看，是不是惠子的結(jié)論對(duì)了。

可是，人們還是很疑惑，為什么基本粒子的里面卻沒(méi)有物質(zhì)？原來(lái)，夸克是純能量，和光子一樣。這很好的解釋了兩個(gè)問(wèn)題：第一，就是愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程 E= MC2，因?yàn)槲镔|(zhì)的基礎(chǔ)就是能量。第二，宇宙最初是純能量的，并沒(méi)有物質(zhì)，后來(lái)能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，形成了宇宙的粒子。

但，你可能還有一個(gè)疑問(wèn)，既然構(gòu)成基本粒子是能量，為什么物體有質(zhì)量、有體積、有形狀呢？

而真正解答這個(gè)問(wèn)題一直到2013年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的彼得*希格斯和弗朗索瓦*恩格勒特給出來(lái)答案——即上帝的粒子（希格斯玻色子）。

這部分我們下一講再談！