自人类诞生以来，我们一直在努力寻找一个问题的答案：世界以及其中的一切是由什么构成的？人们认为世界应该是由一些基本材料构成的，比如几种元素。一切都应该由这些元素构成。古希腊人认为，世界是由火、水、土和风组成的。这个早期的猜测其实还不错。但如今我们已经知道不这么回事，比如，把火、水、土、风混合在一起是无法制作出美味的比萨的。
今天我们发现的元素队伍更加庞大，共有118种，每一种元素都有独特的性质，也都有最小的单位，即原子。我们简单说一下原子的发现过程吧：希腊哲学家德谟克利特在公元前5世纪提出了“原子”这一概念和说法。而人们通过科学方法寻找原子则始于1799年约瑟夫-路易·普鲁斯特提出的“定比定律”。该定律指出，一样物质无论你取多少，其成分的质量比总是相同的。例如，无论你吃多少盐，其中都有61%是氯，39%是钠，如第一张图所示。
在定比定律的基础上，约翰·道尔顿发现了“倍比定律”。如果你把两种不同的物质混合起来，创造出两种不同的新物质，那么其成分物质的比总是整数比。好吧，就算是艾米第一次看完这句话，她也会感到困惑。我们来看一个例子。你可以混合氢和碳，让它们变成甲烷（CH4），即牛打嗝产生的气体，或者蜡（如C20H42）。对于两者，如果你都取相同数量的碳原子（比如20个），则甲烷需要4·20个氢原子，蜡需要42个。因此，甲烷与蜡中的氢原子之比为80:42，或40:21。这张图应该有助于你理解该定律。
元素——由原子构成
某些事物会呈现出不连续的值，这就强烈暗示了自然界存在着最小的组成部分——原子。我们掌握了118种元素，其中每一种元素都有着独特的性质，我们无法通过化学反应将其进一步分解。道尔顿和他的同事们对元素的最小单位——原子进行了详细的研究。道尔顿在查看原子质量时发现了一些有趣的事：所有元素的原子质量似乎都是氢原子质量的整数倍。同样的效应出现了：某个单位的倍数。难道说原子也有底层结构，也是由其他东西组成的？
就在大家认为原子无法进一步分解的时候，一个人从原子中得到了它的一个组成部分，他就是J.J.汤姆逊。通过阴极射线，他创造了电子束。他的实验工作原理与（那种非平面的）老式电视屏幕类似。电线因通过的电流而升温，因此释放出电子，电子再因为电压而加速运动。所以说，原子内有微小的“碎片”——电子！汤姆逊想出了一个原子模型，过去被称为“梅花布丁模型”——电子散布在带正电荷的“布丁”中，形成了一个原子。
但这个原子模型没多久就被推翻了。1922年，欧内斯特·卢瑟福以新的模型取代了它。他观察到，原子的结构一定是完全不同的。但如何观察看不到的东西呢？
显微镜下的弹子游戏
观察很小的东西有一个大问题——你根本无法看到它们。原子的大小约为10-10米，你既不能用肉眼直接看到它的结构，也不能靠显微镜解决问题。卢瑟福散射实验用了一个不同的方法。想象一下，有一样物体，你看不到它，因为它隐藏了起来。于是，你让一堆弹子向那个物体滚去。弹子会向不同的方向散开。这些方向将取决于隐藏起来的那个物体的形状。因此，通过分析散开的弹子的分布，你可以了解你将弹子散射于其上的那个物体的结构。你可以用埃尔温会用的那种方法，也就是计算复杂的方程式；或者用麦克斯韦式的方法，将这些弹子的分布与弹子在散射向形状已知的参照物之后的分布相比。卢瑟福没有使用弹子，而是用了包含α粒子的辐射——他冲着薄薄的金箔放出了α粒子。上图中，卢瑟福的实验结果就画在汤姆逊的模型旁边。正电荷集中在中心的原子核，它几乎承载了整个原子的质量，并被电子包围。而在这两者之间，什么都没有。
詹姆斯·查德威克在1932年的实验，给出了一个关于原子核结构的新见解。他发现了一种粒子，该粒子与最轻原子质量相同，但没有任何电荷，那便是中子。一百年前道尔顿发现的原子质量结构现在可以解释了：原子核是由质子和中子构成的。而这些原子核的周围都是电子。这也是我们今天仍有的原子观念。
超级枪中射出的迷你弹子
那么，故事就这样结束了吗？显然不是，因为这节还剩一页。答案取决于问题。原子的故事已经结束了，但原子的故事不再是基本粒子的故事了。我们已经知道，原子不是基本粒子，而是由质子、中子和电子组成的。这倒是方便了，原来组成我们宇宙的并非118种元素，而是三种基本材料。但这个局面也没有维持多久就起了变化。因为物理学家就像好奇的孩子，他们十分喜欢把玩弹子显微镜。他们把α射线替换成了电子射线，还提高了撞击原子核的能量。虽然卢瑟福的散射实验可以在桌面上完成，但电子枪和散射电子的探测器体积却比较大。图25为斯坦福直线加速器（SLAC）正在进行的一项重要实验。经多次散射测量发现，质子本身具有内部结构。后来，物理学家把撞击能量提高到足以击碎质子！根据实验得到的结果，他们得到了一个新的模型（埃尔温风格！）：质子有更微小的内部结构单元——夸克！
你看，“把东西打碎然后看看里面有什么”的游戏从此便开始了。而只要“里面没有别的东西”，你就得到了可以称之为基本粒子的东西。但正如过去的经验所示：究竟什么东西是基本粒子，取决于你的显微镜有多好。这也是人们建造巨型的粒子加速器查看夸克里面有什么的原因。我们今天所知道的一切基本的、没有任何内部结构的点一样的粒子，都在关于“标准模型”的章节中有总结。不过，物理学家们还会继续用加速器进行搜索！
