第五章 基本粒子和自然的力
亚里士多德相信宇宙中的所有物质由四种基本元素即土、气、火和水组成。土和水往下沉的趋势为引力，气和火往上升的趋势，为浮力。他认为物质可无限制的分割成越来越小的小块人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。
希腊人德莫克利特，坚持认为物质具有固有的颗粒性，每件东西都有大量的各种不同类型的原子组成。原子（atom）的意思不可再分。
英国1803年化学兼物理学家约翰道尔顿提出化合物总是以一定比例结合，而成1905年，爱因斯坦解释布朗运动液体分子和灰尘粒子碰撞的效应。1827年英国植物学家，R.布朗观察到花粉颗粒的水溶液中，花粉不停顿的无规则运动。
剑桥大学研究员J.J汤姆孙面试了电子的存在。它使用一种和现代电子显像管相当类似的装置，有一根红热的金属丝发射出电子由于他们带负电荷可用电厂将其朝一个图灵光物质的屏幕加速电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。这些电子是从原子本身释放出来的。
1911年，新西兰物理学家，恩斯特卢瑟福提出原子由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着他公转的一些电子组成。1932年，剑桥大学，詹姆斯.查德威克发现原子核包含另外称为中子的粒子，具有和质子一样大的质量，但不带电荷，因此，1935年获得诺贝尔奖。
加州理工学院，默雷.盖尔曼研究夸可1969年获得诺贝尔奖。夸克分为六种“味”：上、下、奇、粲、底、顶。每“味”有三种色：红、绿、蓝（这仅术语，其实无任何颜色，夸克比可见光的波长小得多。）一个质子由两个夸克和一个下夸克组成。一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
我们必须要非常短的波去“看”一个原子的部分，波长越短，能量越高！汤姆孙实验，用一个电场去加速电子，一个电子从一个伏特的电场所得到的能量，即为一个电子伏特。卢瑟福实验，α粒子具有几百万电子伏特。电磁场给出的粒子几百万电子伏特，几十亿电子伏特。
如果我们利用更高的能量时，会不会发现粒子由更小的粒子构成呢？有可能，但理论原因说明我们接近拥有自然的终极构件的知识。粒子具有自旋性：0、1、2、2分之1，1925年，奥地利物理学家沃尔夫冈.泡利，发现不相容原理，1945年获诺贝尔奖。在不确定性原理，给出的限制下，他们不能同时有相同的位置和速度。
1928年，保罗狄.拉克，从数学角度解释，为何电子具有二分之一的自旋，1932年，发现正电子，证实其理论，1933年获诺贝尔奖。任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子，也可能存在由粒子构成的整个反世界和反人类。在这里，如果遇到了反自身，不要和他握手，否则两个人都会在巨大的闪光中消失殆尽。
物质粒子之间交换的携带力的粒子，不像实粒子那样可用粒子探测器检测。自旋为零、一、或二的粒子，在某些情况下，也作为实粒子存在，可被直接探测到，携带力的粒子，按其强度及其相互作用的粒子，可分为四类，引力、电磁力、弱核力和强核力。
一、引力
对象为万有的。可作用到大距离，且总是吸引的。两个物质粒子之间的力描述成由称做引力子的自旋为二的粒子携带。
二、电磁力
对象做用于带电荷的粒子。电磁吸引由交换大量称作光子的无质量的自旋为一的粒子引起的。电子的跃迁，由高到低释放能量，发射实光，可见光；由低到高光子撞击原子，光子被吸收。
三、弱核力
对象为自旋二分之一的所有物质粒子。1967年，伦敦帝国学院，阿伯达斯.萨拉姆和哈佛的史蒂芬.温伯格提出弱作用和电磁作用的统一理论：除了光子，还存在其他三个自旋为一的重矢量玻色子（携带弱力）。
温伯格.萨拉姆理论，对称自发破缺性质。在低能量下，一些看起来完全不同的粒子，事实上发现都是同一种粒子。轮赌盘效应速度快或速度慢，掉在37个不同槽中。人的潜能激发，必须给予高能量。
如果携带为粒子具有很大的质量，则力是短暂的，反之分长程的力。这理论在提出时，很少人相信，因为加速器还未强大到将粒子加速到产生，粒子所需的100吉电子伏的能量。但在高能量下这个理论很好的验证，使他们和哈佛的谢尔登.格拉肖荣获1979年诺贝尔奖。
四、强核力
将质子中子中的夸克束缚在一起，并将原子核中的质子和中子在一起。具有禁闭性，总是把粒子束缚到不带颜色的结合体。也具有渐进自由性：强作用力下，大型粒子加速器中的弱得多，夸克和胶子几乎变为自由粒子。
大统一理论，将电磁力和弱核力、强核力合并在一起，但没有将全部力统一进去，（引力除外）。观察质子的衰变非常困难，观察含有一后面30个零个质子，按照最简单的问GUT，应在一年内看到多于一次的质子衰变，可实际没有发现。
到1956年，物理定律服从三叫做C、P、T对称。C电荷对称是粒子和反粒子是相同的。P宇称对称：任何情景和它的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成向左手方向自旋的粒子）是相同的。T时间对称：颠倒所有粒子和反粒子的运动方向，系统应回到早先的那样。
1956年美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用，不服从P对称，次年获诺贝尔奖，1980年，克罗宁和费兹曼发现，在某种对称为k介子的衰变中，甚至连cp也不服从，获得诺贝尔奖，很多奖是因为显示宇宙，不想我们曾经想象的那么简单的而授予的。
这一章的内容与高中物理化学知识非常贴合，在教学中可以丰富课堂内容，开拓学生眼界。
