一大群粒子
在舊金山半島280號州際公路一座長長的、彎曲的立交橋下，有一座四英裏長的建築物橫跨綿延起伏的洛斯蓋托斯山區。大多數人從未注意過這一由棕色混凝土搭建而成的其貌不揚的建築物，或者在這幅加州斯坦福直線加速器中心（SLAC）的空中鳥瞰圖裏，兩英裏長的直線加速器橫跨而過，向西延伸。電子或者其他亞原子粒子像微小的確子彈一樣從附近的一頭發射，沿著高速公路下麵的加速器加速，把它擊碎。這類實驗的結果揭示了原子核及其相關奧秘。當他們呼嘯而過時即便注意到了，但對其非同尋常的長度也一定毫無認識，他們更不知道成千上萬的高速電子正在以同一個步伐飛速穿越勢壘。與電子的高速相比，高速公路上的汽車就像蝸牛爬行。這座橫跨於熊果（產於北美洲西部）樹叢和草坡之上的巨型狹長建築物毫不起眼，唯一的引人注目之處僅在於它要比一般建築物長得多，並且有些不可思議的是，它毫無彎曲迂回的結構。
但它卻是非常有名的建築。熟悉它的人知道那就是SLAC，裏麵蘊含有當代物理學家對一個古老問題的回答：你如何才能看到可以想象的最小的物質組分——萬物由之組成的微小單位。如此巨大的SLAC提供了一個窗口，借此可以看見組成原子的極小微粒。
研究的發端
但是先讓我們稍作回顧。開始（或者就科學史所能涉及而言，接近於開始）要從古希臘說起。當時有一個人名叫留基伯，還有他的學生德謨克利特，他們提出萬物都是由某種極小的基本單位所組成的。他們把這一微小、堅硬、不可分的粒子稱為原子（來自希臘語atomos，意即“不可分的”，或者換一種表述——“擊不破的”）。他們說，這些原子因太小而看不見，但如果你使物質不斷分裂，一直碎到無法再碎時，就得到了原子。
這是大約2400年前的事情，這一觀念傳播得很慢。當時以及以後許多世紀裏的大多數思想家很少注意到這個觀念，直到17世紀末，它才開始引起人們更多的興趣。英國化學家波義耳就是一位原子論者，牛頓也認同這個觀念。牛頓在1704年出版的《光學》一書中寫道，他相信所有物質都是由“堅固實心的、不可穿透的可動粒子”組成，他認為這種粒子必定要比“任何由它們所組成的有孔物質堅實得多。”但即使牛頓也不知道如何才能看到他認為一定存在的這些粒子，所以物理學家繼續研究能量與物質、原因與結果的關係。與此同時，化學家繼續探討後來所謂的“元素”。
過了不到一個世紀，一位固執己見的名叫道爾頓的化學家第一次提出了可以進行定量檢驗的原子論。道爾頓定義原子是元素的最小單元，他還發表了第一份當時已知元素的原子量表，他的工作為在以後一個世紀裏發現幾十種新元素提供了奠基石。然而道爾頓和他的同代人沒有認識到的是，道爾頓的“原子”和留基伯及德謨克利特的不可分的“原子”並不是一回事，後者所謂不可分“原子”乃是自然界還有待發現的東西。
19世紀末，隨著X射線和其他形式輻射的發現，這一差別的最初線索開始變得明朗化。科學家發現，這些不同種類的輻射都是由原子，也就是道爾頓原子所輻射出的粒子組成的。如果原子可以釋放粒子，那麼顯然，原子就不是不可分的，一定還有某種更小的東西。1896年，湯姆孫證明了電子的存在，這是一種小而輕的帶負電的粒子，質量隻有氫原子質量很小的一個零頭。這並不能解釋放射性粒子是從哪裏來的，但這是一個開頭，從此開創了亞原子物理學這一領域。
1911年，盧瑟福從他及其研究小組在加拿大的麥克吉爾大學和英國的曼徹斯特大學所做實驗中得出結論，原子內的絕大部分區域是空心的。湯姆孫認為，帶負電的電子沿軌道在其周邊旋轉，就像是一個微型太陽係裏的微小行星，由帶正電的粒子組成的核處於原子的中心（這些粒子很快就被命名為質子）。
丹麥物理學家玻爾1912年到英國參加研究工作，他是少數幾位認同原子大部分區域是空心的這一觀點的物理學家之一。1913年，他提出盧瑟福模型的改進版，亦即處於中心的帶正電的核被沿不同能級運行的電子所圍繞。玻爾的模型綜合了以前的所有事實：湯姆孫的電子、盧瑟福的1911年盧瑟福首次描述原子是由密集的帶正電的核以及帶負電的粒子（電子）組成，電子在幾乎空曠的空間裏沿著圍繞核的軌道旋轉。正核和量子理論，而量子理論是普朗克在1900年首先提出的。普朗克理論背後的基本思想是，你可以把光子或者量子（包含光和所有電磁能的微小能量包）看成既是波，又是粒子，而不是非此即彼的關係，在此基礎上，即可解釋原子的行為和亞原子的相互作用。這一思想看起來似乎怪異，但是量子理論卻因此解釋了大量無法用其他方式解釋的現象，終於引起了物理學的革命。
到了20世紀30年代，物理學開始發生急劇的變化：新粒子不斷地被發現，伴隨著每一個新發現，原子觀念以及它確切像是什麼之類的說法就要作相應的修改。道爾頓的新原子很快就跟留基伯與德謨克利特那不能分裂的、形狀類似彈球的基本粒子沒有任何相似之處了。它不是不可分裂的，它也不是一個實體球體。但是，說它是元素的最小基本粒子還是可以成立的。
1930年，泡利根據他對實驗數據的研究，提出了這樣的想法：在β放射線中，一定在放射一種奇怪的未知粒子，它沒有質量（或者幾乎沒有），沒有電荷，特別是與任何東西沒有相互作用。為了解釋反應中能量的損失，他認為這一粒子必定存在，否則就不得不放棄能量守恒定律，而他認為這一放棄並不可取。四年後，費米進一步發展了泡利的思想，並且給這一微小粒子起了一個名字，叫做中微子，意即“小的中性粒子”。
中微子幾乎不可能檢測到，多年來它一直隱而不現，沒有人能夠證明它的存在。起先有人懷疑泡利玩的隻是某種賬目把戲——為的是在能量的收支上取得平衡。但是1956年，有人利用核電站做了一個精致的實驗，證明幽靈般的中微子確實存在，泡利的說法獲得了認可。近年的實驗，一個是1995年在加拿大安大略的薩德伯裏中微子觀測站（SNO）完成，另一個是1998年在日本東京大學的宇宙線研究所完成，解決了有關中微子一直存在的奧秘：為什麼隻有預計中的一半中微子抵達了地球？答案是，某些中微子在到達地球的途中改變了性質，結果無法被檢測到。這些實驗暗示宇宙和原子領域之間存在著相互依賴性。
也是在1930年，根據一位28歲的英國年輕物理學家狄拉克提出的理論，亦即存在另一種假設的粒子，它與電子相似，但具有正電荷。其實，基於狄拉克的這一努力，亦即使得量子論和相對論相互結合，物理學家開始得出這一令人驚奇的結果：無論物質存在於何處，它的鏡像——反物質——也一定存在。正如海森伯所說，反物質的概念也許是20世紀物理學所有偉大突破中最大的一個。盡管狄拉克擁有傑出的數學才能，這一思想還是遭到了某些人反對。過了不久，在1932年，有一位年輕的美國物理學家名叫安德森，他在加州理工學院利用強磁鐵和雲室終於看到了它——至少看到了一種亞原子粒子的蹤跡，它看起來像電子，卻被磁鐵拉向相反的方向。他把這一新粒子稱為正電子。
與此同時，也是在1932年，劍橋大學的查德威克（James Chadwick，1891—1974）同時發現了另一種粒子存在的強硬證據，這種粒子沒有電荷，卻位於大多數原子的核中，他稱其為中子。這一粒子很容易檢測，它可以解釋許多現象，其中包括原子序數和原子量之間從來都難以理解的差異。帶負電的電子數和原子核裏帶正電的質子數應該平衡，但是除了氫以外，所有原子的質量都超過它所帶的質子數，至少是其兩倍。這些質量是從哪裏來的？現在答案似乎清楚了：核中的電中性粒子。
在以後的年代裏，一切都將發生變化。1935年，京都大學的年輕日本物理學家湯川（Yukawa Hideki，1907—1981）對一個海森伯曾經指出的重要問題——是什麼使得這些中子和質子在核中如此緊密地相連？——作出解答：如果核內隻有帶正電的質子和查德威克不帶電的中子，那麼，核內唯一的電荷就是正的，而同號帶電粒子會相互排斥，為什麼這些粒子不沿相反方向飛離呢？湯川提出，這也許是由於有某種“交換力”在核中起作用——但是他從未說過“交換力”是什麼以及它起作用的機理。