物質的結構
世界是由什麼構成的？這個問題困擾了科學家和哲學家幾千年。
約公元前400年
孰是孰非？
希臘原子論
有時候，最簡單的問題是最難回答的，「構成宇宙的最基本物質是什麼」就是屬於這種問題。對希臘人來說，這個問題並不是現代意義上的科學問題，而是探究現實世界本質的哲學問題。希臘原子論是兩派互相衝突的思考模式的折衷方案。
第一派人馬是帕門尼德斯（Parmenides，約公元前515年）和隔了很久以後的柏拉圖（Plato，約公元前428-348年）等哲學家。他們的基本概念是，現實（reality）必定是純粹而且不會改變的。帕門尼德斯說，我們不可能證明「不存在的東西存在」，換句話說，真正的現實是不可能改變的，因為改變就牽涉到東西的表象從「存在」變成「不存在」。另一派哲學家則認為改變才是宇宙永恆的原則，沒有任何東西是永恆不變的。這群哲學家最著名的是艾費蘇斯的赫拉克利特（Heraclitus of Ephesus，約公元前540年至480年）。
而最知名的原子論者則是阿布德拉的德謨克利特（Democritus of Abdera，約公元前460年前370年）。他的論證大概是這樣：拿世界上最鋒利的刀來切一塊東西，比方說起司，我們可以先把它切成一半，再把其中一半切成一半，這樣不斷地切下去，直到無法再切割為止，最後的東西就是「原子」（atom，這個希臘文的字面意思就是「不能再分割的東西」）。宇宙正是由原子和空隙構成的。所以有永恆不變的（原子本身），也有永遠在變的（原子之間的關係）。這個理論留存到現代的，只剩下「原子」這個詞。
赫拉克利特用這句格言總結了他的論點：「沒有人能踏進同一條河裡兩次。」
[p13]
1808年
看不見的小東西
現代原子理論
煉金術士在中世紀累積出一套龐大的知識體系，這些知識就是我們今天所說的化學反應。法國化學家拉瓦節（Antoine-Laurent Lavoisier 1743-1794）的研究總結了這些知識。到了19世紀，科學家已經發現了一些重要規律。其中之一是有些物質可以透過化學過程加以分解，有些則否。後者就稱為元素，在大自然中似乎扮演了某種基本的角色。另一個發現是，同一種物質中的元素之間的重量比似乎是固定的，如水中的氧重量永遠是氫的八倍。
1808年，英國科學家約翰‧道爾頓（John Dalton，1766-1844）出版了《新化學哲學》（A New Chemical Philosophy）一書，解釋了這些長久積累下來的知識，奠定了現代原子理論的基礎。他的論點很簡單：物質確實是由原子構成的，同樣的化學元素一定有相同的原子組成，不同的化學元素則有不同的原子組成。不同的物質就是原子以不同比例結合在一起的結果。
道爾頓的看法和德謨克利特一樣，認為原子是不可分割的，就像迷你保齡球一樣。雖然他的理論的最後這個部分終究還是被推翻，但這個理論本身卻成了現代宇宙觀的基礎。
1859年
來自遠方的知識
光譜學
自19世紀中葉以來，科學家就知道不同物質加熱後會發出不同顏色組合的光。波耳的原子論可以解釋這個現象：原子以光的形式釋放能量，能量大小則取決於電子可出現的軌道的間距，而每種原子的電子軌道間距都不一樣。光譜學正是利用這個原理來辨別物質。今天科學家會用光譜學了解恆星的化學組成，監控工業程序中的化學物質濃度，還有很多其他的應用。
上圖：氖原子發出的光譜。
[p14]
1897年
餅乾開始崩解
電子的發現
19世紀的主流看法是原子是不可分割的，儘管有些現象顯示這個理論可能還不全面，其中最引人注意的就是陰極射線。陰極射線的原理是這樣的：把一根玻璃管以當時最佳的技術抽成真空，一端是以電流加熱的導線，稱為陰極，另一端是高電壓板。當電流通過陰極時，管子裡也會出現各種顏色的光帶，似乎有什麼東西流過，激發了殘存的原子。問題很簡單：到底是什麼東西流過了管子？
英國物理學家約瑟夫‧約翰‧湯姆森爵士（Sir Joseph John Thomson, 1856-1940）決定動手解答這個問題。他做了一個裝置，讓產生光的無名物質通過一個既有電場又有磁場的區域，然後測量兩個數值：首先調整電磁場，讓未知粒子不發生偏移地通過；第二次再測量僅由電場引起的偏移。他從兩次測量結果發現，不論通過管子的是什麼，總之絕不是當時已知的任何粒子，而是前所未聞的東西。
從新粒子與電場和磁場的交互作用來看，他知道新的粒子必定是帶負電，重量比最輕的原子還要輕上千倍。他把新粒子命名為電子。於是科學家首度面臨了尋找原子結構這個難題──實際上就是為了解釋電子是從哪裡來的。
上圖：19世紀末湯姆森發現電子時所用的陰極射線管。
[15]
1897年
可口的原子
原子的葡萄乾麵包模型
發現電子之後，科學家不得不認真思考一個簡單的問題：假使原子真的有內部結構，電子在這裡面的位置要怎麼擺？第一個嘗試性的回答是這樣的：假定原子是一顆由正電荷構成的球體，電子就是像葡萄乾嵌在麵包裡那樣嵌在正電荷中。葡萄乾麵包理論雖然不久就被推翻，卻是個富有想像力的理論，用來解釋原子可以分割這個新概念。
右圖：葡萄乾麵包模型，一個嘗試解釋原子結構的早期理論。
如果你面前的一顆保齡球是氧原子核，那麼其中的電子就相當於一座大城市裡的八粒沙子。
1911年
核心才是重點
原子核的發現
歐內斯特‧拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937）是歷史上唯一一位在獲得諾貝爾獎之後，才做出畢生最重要貢獻的科學家。他出生於紐西蘭，在英國受教育，是放射性研究的先驅。他在蒙特婁的麥吉爾大學（McGill University）工作時發現了阿伐輻射（見第25頁），因而在1908年獲頒諾貝爾獎。
之後拉塞福回到英國曼徹斯特任教，開始進行一場革命性實驗，徹底改變了我們對原子結構的理解。他把放射源放入一側有孔的鉛盒中，這時放射性粒子會以粒子束的形式從孔中射出，可以把它們想像成一連串的次原子子彈。他用這些「子彈」轟擊薄金箔，再從另一端檢測。實驗的目的是測量透過金原子漫射出來的正電荷數量和分布形狀。
但拉塞福和同事卻有了意想不到的發現。大部分子彈直接穿過金箔，僅少數子彈稍微偏轉──這部分確實符合葡萄乾麵包模型給人的預期──但大約有千分之一的子彈會反彈回來。這種情況就好像你對著一團霧氣開槍，結果偶爾有一顆子彈往你身上彈回來。拉塞福於是提出結論：原子大部分的質量必定是集中在一個很小的範圍內，他稱之為「核」，而電子是繞著核運行。這就是現代原子觀的開端。
左圖：歐內斯特‧拉塞福的照片和他使用過的科學裝置。
[16]
1913年
愈來愈詭異了
波耳的原子論
拉塞福的實驗結果一開始就有問題。如果電子真的是像行星一樣繞著原子核這個太陽轉，電子必然要持續發光，代表電子會消耗能量，最後墜毀在原子核上。經過計算（這是他最喜歡給物理研究生的作業題目）得知原子的壽命只有幾秒鐘而已。這問題可不小。
1913年在英國工作的丹麥年輕博士後研究員尼爾斯‧波耳（Niels Bohr, 1885-1962）找到一個途徑，不和這個問題正面對決。他決定把新的量子力學（見第74頁）用在拉塞福的原子論上。量子力學認為在次原子世界裡，包括質量和能量在內的一切，都是以小封包的形式存在。波耳把這個觀念運用在環繞原子核的電子上，發現電子和行星不一樣，並不是任何軌道都能被它占用，而是只有在離原子核幾個固定的距離上才能找到電子，這些地方稱為「容許軌道」。電子只要待在這些軌道上就不會輻射。
要是談到電子如何從一個容許軌道換到另一個容許軌道，量子世界的詭異性就浮現了：電子要從原本的軌道消失，發出或吸收光之後，再重新出現在另一個軌道上，而不會經過兩個軌道之間的任何地方。這稱為量子跳躍。不用去想像這是怎麼發生的，這和我們的經驗沒有任何可類比之處。
下圖：在波耳的原子中，電子停留在特定的軌道上（紫色圓圈），從一個軌道換到另一個軌道時會發光（黃色波）。
1931年
繞著圈圈跑
加速器時代
用宇宙射線來測定物質結構的問題是，我們無法控制宇宙射線，只能等你要的宇宙射線自己出現。這個問題用粒子加速器就能解決。加州大學柏克萊分校的歐內斯特‧奧蘭多‧勞倫斯（Ernest Orland Lawrence, 1901-1958）在1930年展開這種機器的研發。
首部柏克萊加速器稱為迴旋加速器（cyclotron），這是實驗室內部使用的暱稱，取自一個零件供應商的名字。想像有兩塊圓形的磁鐵疊在一起，從中間切開，產生兩組D形的磁鐵。把粒子導入兩組D形磁鐵之間的空隙，可使粒子加速，但粒子一旦進入這個磁場，路徑就會被彎成一個圓圈。每次粒子回到這個間隙就會加速，軌道半徑愈來愈大，到最後就能形成光束用來進行實驗。
1953年，位於紐約長島的布魯克赫文國家研究所（Brookhaven National Laboratory）的加速器正式啟用。它採用另一種設計，粒子是在甜甜圈形狀的加速室裡移動，加速室外包著磁鐵，使粒子聚集在內部。每當粒子通過一個定點就會加速，磁鐵的磁力也必須增強，才能把能量變高了的粒子繼續聚集在加速室內。由於磁鐵必須與加速同步，這種加速器稱為同步加速器，所有20世紀後期的大型加速度都是這種類型。
最後，想像由兩個環構成的類似同步加速器的裝置，粒子在環中以相反方向運行，在兩環交叉處對撞。這就是粒子對撞機。世界第一部粒子對撞機「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider，見第20頁），就屬於這種加速器。
右圖：原子核是由質子（紅色球）和中子（藍色球）所組成。
1932年
還少了什麼？
中子的發現
拉塞福把最輕的元素氫原子的原子核取名為「質子」（proton，意思是「第一個粒子」）。但還是有一個問題沒解決。以碳為例，碳的原子核有六個質子，但重量卻是氫的12倍，可見原子核裡應該還有別的東西。這個粒子在1932年由英國物理學家詹姆士‧查兌克（James Chadwick）發現。他用次原子「子彈」撞擊鈹原子核，得到了重量和質子相當的不帶電粒子。他把這種粒子命名為「中子」（neutron意思是「中性的粒子」）。找到了中子，原子核之謎也解開了。
左圖：一位技師正在調整迴旋加速器中的線路。第一臺迴旋加速器是1934年由歐內斯特‧勞倫斯發明的。
英國物理學家詹姆士‧查兌克因為發現中子，在 1935年獲頒諾貝爾獎。
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1936年
這是誰點的？
讓人困惑的新粒子
地球不斷受到來自太空的粒子轟炸，這些粒子叫做宇宙射線。其中大多數是質子，主要來自太陽，以及銀河系中的其他恆星，偶爾也來自外星系。科學家從1930年代開始在山頂上裝設偵測器，觀察這種高能粒子與撞擊目標之間的交互作用。基本策略是誘導一個高能粒子撞上特定目標，再透過檢視撞擊後的殘骸來了解物質的基本結構。這種作法成為20世紀實驗技巧的範例。
1932年，卡爾‧安德森（Carl Anderson, 1905-1991）在科羅拉多州派克峰的裝置裡看到了不尋常的現象。他觀察到一個和電子質量相同、卻帶正電荷的粒子的軌跡。這就是反物質的發現。我們現在知道所有的粒子都會有一個質量相同、但其他特性全部相反的反粒子。物理學家早已預料到會有反物質的存在，因此安德森的發現很快就被學界接受，並在1936年獲得諾貝爾獎。
同樣在1936年，安德森和他的研究生賽斯‧內德梅厄（Seth Neddermeyer，1907-1988）在宇宙射線儀器中發現了一個更驚人的粒子。這個新粒子比電子重，但比質子輕。它先後被命名為中間子（mesotron）及介子（meson），最後定名為緲子（muon），代號是希臘字母μ，是自然界的基本粒子之一（見第68頁）。到了1950年代，科學家從宇宙射線的交互作用中發現了更多其他種類的粒子，才知道次原子世界比我們預期的複雜多了。
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