19世纪化学家约翰·道尔顿提出了一个非常有说服力的论点，并由此得出了一个惊人的认识：也许所有的物质(即stuff, things, objects)都是由很小的东西组成。这个概念已经断断续续地流传了几千年，古代文化当然知道物质是由更基本元素组成的这一普遍观点(尽管他们对什么才是元素有很大的分歧)，并且知道这些元素以有趣而富有成效的方式结合在一起构成了复杂的东西，比如椅子和啤酒。但在那几千年里，这个问题一直存在：
博科园-科学科普：如果我把一个元素分离出来，把它切成两半，然后再把那两半切成两半，以此类推，最终会找到一个我再也不能切的最小元素吗？还是会无限延伸？经过多年仔细研究，道尔顿发现了这些元素之间惊人的关系。有时候，两种元素可以结合成不同比例的多种化合物，就像锡和氧一样。但是在各种组合中，每个元素的比例总是减少到非常小的数字。如果物质是无限可分的，没有最小的位，那么任何比例都应该被允许。
图2：基本粒子标准模型为宇宙提供了一个成分表。图片：Fermi National Accelerator Laboratory, CC BY
相反，他发现一定量的一种元素可能与等量的另一种元素结合，或者是其他元素的两到三倍。
道尔顿在所有情况下，在任何地方都只发现简单的比例。如果物质最终是不可分割的，如果它是由原子构成的，那么在组合元素时只允许简单的比例。一百年后，这个关于物质的“原子”理论似乎并不完全荒谬。然而，其中最具挑战性的事情之一是，如果原子真的存在，它们会小得看不见，你怎么能证明你无法直接观察到的东西存在呢？
图3：铍原子的结构：四个质子，四个中子和四个电子。图片：general-fmv Shutterstock
原子存在线索之一来自于新近建立的热力学研究，为了理解热机是如何工作的，以及伴随而来的诸如温度、压力和熵等概念，物理学家们意识到，可以把气体和液体看作是由几乎无数微小、甚至微观的粒子组成。例如，“温度”实际上是测量所有这些气体粒子撞击温度计的平均运动，将它们的能量传递给温度计。这非常引人注目，阿尔伯特·爱因斯坦是这类物理学的狂热爱好者。就像所有其他所热爱的物理学一样，爱因斯坦对它们进行了革命性的改革。
图4：欧洲核子研究中心粒子加速器记录的一个事件：三维视图，显示了从SM希格斯玻色子衰变到一对光子(虚线黄线和绿塔)的预期特征)。图片： McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration CERN, CC BY-SA
他对布朗运动问题尤其感兴趣，布朗运动最早是在1827年由罗伯特·布朗(Robert Brown)提出(因此得名)。如果把一颗大颗粒扔进液体里，这个物体就会完全独立地摆动和跳跃。经过几次仔细的实验，布朗意识到这与空气或流体电流无关。布朗运动只是那些无法解释随机现象之一，但爱因斯坦从中发现了一条线索。通过把流体看作是由原子组成的某种东西，能够推导出一个公式，来计算流体粒子的无数次碰撞会在多大程度上推动这种颗粒。
图5：图片：Shutterstock
通过把这种联系建立在坚实的数学基础上，他能够提供一条从你能看到的东西(在给定的时间内，颗粒移动了多少)到你不能看到的东西(液体颗粒的质量)的路径。换句话说，爱因斯坦给了我们一种称原子的方法。就在人们对这些微小物质大小感到舒服的时候，他们认为这些必须是可能最小的东西，有人来把它复杂化了。与爱因斯坦并行工作研究的是一位极具天赋的实验主义者，是物理爱好者们熟悉的J.J.汤姆森。在19世纪末，他被称为阴极射线幽灵般的光束迷住了。
图6：图片：Shutterstock
如果把几个电极插在玻璃管里，把所有的空气从管子里吸出来，然后加大电极上的电压，就会得到一种沸腾的辉光，确切地说，是从阴极这个电极中发出来——阴极射线。这一现象给物理学家提出了问题，是什么让它发光？电荷——在当时，电荷被认为与电的概念有关，但在其他方面却很神秘——是如何与这种辉光联系在一起的？汤姆森破解这个密码的方法是：制造出有史以来最好的dang真空管；把整个装置推进超强电场和磁场中。如果电荷以某种方式参与到阴极射线的研究中，那么你最好相信它们会倾听这些场。
图7：中微子是一种亚原子粒子，它以接近光速的速度穿过宇宙。图片：Shutterstock
他们做到了，阴极射线在电场和磁场的作用下都会发生弯曲，很迷人！这意味着发光的部分与电荷本身相连；如果光以某种方式与电荷分离，那么它就会径直穿过，而不受电场的干扰，这也意味着阴极射线和电是由同样的物质构成。通过比较电场和磁场中光线的偏转量，汤姆森可以推导出一些数学公式，并计算出这些电荷的一些性质。这就是J.J.汤姆森获得诺贝尔奖的原因：这些“微粒”(用他的话说)大约比氢小2000倍，氢是已知的最轻的元素，因此也是最小的原子，这些“电子”(每个人都这么说)真的很了不起。
图8：图片：Shutterstock
这是由下一代科学家来解决汤姆森研究结果提出的难题。最重要的是：怎么可能比原子还小？这对原子本身的结构意味着什么？正是汤姆森的前学生欧内斯特•卢瑟福、他的学生汉斯•盖格和欧内斯特•马斯登决定向金撞击，看看会发生什么。科学家们选择了黄金，因为他们可以用这种材料制成非常薄的薄片，这意味着这群人可以放心，他们正在探索原子物理学。发射了非常小的子弹：阿尔法粒子，这是氦的带电原子。这些粒子体积小、重量大、速度快，是完美的科学子弹。
当研究人员进行打靶时，大部分阿尔法粒子就像薄纸一样穿过了金子。但每隔一段时间，粒子就会向随机的方向倾斜。在很长一段时间里(大约每20000个镜头中就有一个，是的，科学家们手动计算)，一个阿尔法粒子从金上弹回来，砰的一声反弹回去。真神奇！这些小粒子告诉我们关于金原子的什么？研究人员得出结论，唯一合理的解释是，原子绝大多数质量都集中在一个非常小的体积里。这个原子核一定带正电荷。因为原子的总电荷必须是中性，所以电子必须非常非常小，在松散的云中围绕原子核旋转跳舞。
所以，当阿尔法粒子爆开时，它们几乎总是遇到一片空白。但一个极其不幸的粒子可能会扫过原子核，或者更糟，迎头撞上原子核，从而极大地改变子阿尔法粒子的轨迹。因此，在道尔顿最后论证不可分割原子存在的近一百年后，当爱因斯坦提出一种直接测量这些原子的方法时，汤姆森和卢瑟福发现原子根本不是不可分割的，相反，它是由更小的比特组成。所以，在我们巩固原子理论的同时，第一次尝到了亚原子世界的味道，从那以后，事情变得更加丰富，粒子物理学的大门里还有太多奥秘！
博科园-科学科普｜文: Paul M. Sutter（俄亥俄州立大学的天体物理学家）/space
发表于 2019-5-17 04:28
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