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在20世纪早期，科学家还远远没有意识到，所谓真空并不是空的，而是充满了难以捉摸的希格斯场。这个世界看似井然有序，人们对它了如指掌，真空也只是空的。从那时起，没有人怀疑我们已经发现的基本粒子的存在。当科学家谈到基本构成要素时，他们指的是最小的元素，如金和氧。那个时代，几乎每年都会发现一种新元素。科学家甚至在它们的性质中发现了一种规律，并提出一个整齐的架构，其中每个元素都有自己的位置，于是就有了著名的元素周期表。这张表似乎解决了他们的所有难题，化学家可以愉快地把具有相似性质的物质整齐地排成行和列，并追踪还未发现的元素。这样一来，找到所有的元素似乎只是时间问题。
虽然这令人兴奋，但在某种程度上，这和会计一直勾选票据上的方框一样，也令人感到乏味。那时候，科学家还不知道他们正处在最伟大革命的边缘，和苏联宇航员瓦伦蒂娜·特列什科娃等第一批进入太空的人类一样，一个名为欧内斯特·卢瑟福的人会带领人类进入原子世界。卢瑟福会是第一个揭示大自然神秘力量和现象的人。这些奇思妙想是他那个时代的物理学家从未想象过的，但完全是在已公认的科学范式下挖掘出来的。
一百多年前的1912年，实验物理学家卢瑟福用他开创性的实验开启了现代粒子物理学。他发现每个原子都有一个非常小的中心核，即原子核，电子围绕原子核以固定轨道旋转。在随后的几年里，其他科学家的大胆尝试使得将微小的原子核分解成更小的结构成为可能，他们发现原子核由两种不同类型的基本构造组成。20世纪30年代末，在元素周期表基本完成后，科学家发现，由80多种元素组成的整齐的元素周期表隐藏了更深层次的秘密。令人震惊的是，他们发现地球上所有的物质，每个元素的每个原子，包括宇宙中所有的物质，都是由三个基本构成要素组成的：质子、中子和电子。
也就是从那时起，科学家开始构建一个新的逻辑框架，以解释所有奇怪的观察结果。他们发现的新体系推翻了我们原本对自然的看法。这种新结构的理论支撑，如量子力学，虽然既奇怪又不合逻辑，却构成了我们物理学的基础。尽管这些理论对我们来说仍然没有直观的意义，但我们已经逐渐习惯它们，并将这些看似不合逻辑的现象的新逻辑作为一个基本概念。
将这些理论运用于原子上，原子核便成为我们探索事物最小结构的一个关键阶段，而这个阶段最终会引出一个新的空间概念和其间所包含的物质。研究这一发现的过程有很多有意思的方面：技术上的突破、研究人员的坚持、他们钻进死胡同时的沮丧、他们敏锐的洞察力，以及取得进展时的快感。但这些尝试最奇妙的地方在于，他们的发现现已应用于我们日常生活的方方面面。这也回答了一个经常针对基础科学家的问题：“这项研究对我们有什么用？”事实上，如果没有这项基础性研究带来的成果和新见解，我们的社会会和当前所见大相径庭。
让我们看一看那些发现已被广泛应用的几个例子，我们直接略过原子来说说原子核。原子核的发现向我们展示了太阳如何燃烧，人类如何制造出能毁灭人类的理想武器（核弹），以及如何能够利用取之不尽、用之不竭的廉价清洁能源。
探索物质的第一步揭示了潜在的规律，并提供了有关世界如何运转的信息宝库。对这些微小粒子的发现迫使我们彻底改写原有的自然定律。这次旅程给我们带来了著名的量子力学理论、质子和中子等基本粒子、神奇的泡利不相容原理、放射源、核力、核裂变和核聚变、原子弹，以及全球能源问题的潜在解决方案。关于这些主题，我们可以写很多书，也确实已经写了，但我还是坚持向读者传达重点。