第一章：你身体里的万亿个粒子 / Chapter 1: Trillions of Particles Inside You

你现在手里攥着的半杯冰奶茶，第一口下去甜得你轻轻皱了下眉——你有没有想过，你尝到的这股甜味，本质上是一群小到看不见的粒子，正排着队撞在你舌头上的味蕾受体上？你刷手机时亮起来的OLED屏幕，是无数电子从高能级跳下来时扔出来的小光包（也就是光子）在发光；你刚刚吸进去的这口氧气，是两个氧原子手拉手组成的分子，每个氧原子里面有8个带正电的质子、8个不带电的中子，还有8个围着原子核疯跑的电子。

所有这些你熟悉到快要忽略的日常小事，底层都逃不开一个词：粒子（Particle）。

你以为粒子是大型对撞机里才能看到的、离你十万八千里的物理学家玩具？错了。你身体里现在就住着至少7万亿亿亿个粒子，它们有的正在帮你分解奶茶里的糖分，有的正在把氧气运到你全身的细胞里，有的正在你大脑里传递“这奶茶好喝”的信号。你本身就是一座行走的粒子乐园，而我们这本书要做的，就是带你逛完这座乐园，甚至走到乐园外面，去看看宇宙最边角的粒子到底是什么样的。

---

一、千年前的“瞎想”：全人类都猜过“万物由小粒子组成”

1.1 古希腊的“不可分割”猜想

公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）在海边散步的时候，看着沙滩上的沙粒，突然冒出了一个想法：如果我把一块面包一直切、一直切，切到最后会不会切到一个没法再切的小颗粒？他把这个没法再分的最小单元叫做“atomos”，在希腊语里的意思是“不可分割的”，也就是后来我们说的“原子（Atom）”的词源。

> [!TIP] 电子版小知识 > 德谟克利特的“原子”完全是哲学猜想，没有任何实验证据，他甚至觉得原子有不同的形状：光滑的原子组成水，粗糙的原子组成土，尖的原子组成火。这和后来科学的原子论完全是两回事，但他的核心猜想——万物由不可再分的最小单元组成——居然在两千多年后被证实了，堪称物理学史上最牛的“预言”[^1]。

德谟克利特甚至还想到了，我们身边的一切——桌子、椅子、你手里的奶茶，甚至你自己——都是这些 tiny 的原子在虚空里碰撞、组合出来的，根本没有所谓的“本质”，只是原子的排列组合不同而已。这个想法在当时太超前了，甚至有点“反常识”，所以亚里士多德（Aristotle）就不认同他，觉得物质是连续的，可以无限切分，后来亚里士多德的思想成了欧洲的主流，德谟克利特的原子论被埋没了快两千年。

1.2 东方的微粒思想：从“端”到“气”

其实同时期的东方，也有类似的猜想。中国古代墨家学派在《墨经》里就提出过一个概念叫“端”，《墨经》里说：“端，体之无序最前者也”，翻译成大白话就是：端是物质不能再分的最小颗粒，是构成万物的起点。墨家甚至还想到了，端是没有长度的，比任何能测量到的东西都小，和德谟克利特的原子异曲同工。

后来道家的“气”的概念，其实也暗含了微粒思想：道家认为“气”是构成万物的基本物质，气聚成形，形散为气，而气本身可以分成更小的“精气”，这些精气就是微观的粒子，只是当时没有实验手段验证，只能停留在哲学猜想阶段。

1.3 印度的“极微”原子论

公元前3世纪左右的印度，胜论派（Vaisheshika）的哲学家们也提出了类似的原子论，他们叫“极微（Paramāṇu）”。胜论派认为，极微是构成万物的最小单元，不可再分，也没有颜色、味道这些属性，不同的极微组合在一起，就形成了我们能看到的、摸到的东西。他们甚至提出了极微的六种基本属性

胜论派甚至提出了极微的六种基本属性：声音、触觉、颜色、味道、气味，以及数量。他们认为，不同的极微组合方式会呈现出不同的属性：比如多个极微聚在一起就会产生颜色，不同的排列对应不同的颜色；气味则是极微特有的属性，只有特定的极微组合才会有香味或者臭味。这个猜想和现代化学里的“结构决定性质”其实有异曲同工之处——不同的粒子组合方式确实会决定物质的宏观属性，只是古代的胜论派没有实验手段验证，只能停留在思辨层面。

如果你仔细看这三种文明的猜想，会发现它们有一个共同的特点：都只能靠逻辑推理和观察自然得出，没有任何实验证据支撑。德谟克利特没法证明原子真的存在，墨家没法测量“端”的大小，胜论派也没法分离出单个极微。所以在之后的近两千年里，这些猜想都只能停留在哲学和宗教的讨论里，没人能证明它们是对的，也没人能证明它们是错的——这恰恰是哲学猜想和科学假说最大的区别：科学假说必须能被实验验证，可证伪，否则就只是空想。

> [!NOTE] 电子版拓展 > 为什么古代所有文明都猜到了“万物由小粒子组成”？这可能和人类的直觉有关：我们看到的木头、石头、水都是连续的，但如果一直切下去，逻辑上必然会出现一个切不动的最小单元。这种直觉不需要复杂的数学，只需要日常观察就能得出，所以不同文明独立提出类似的猜想并不奇怪。但只有近代科学掌握了实验手段之后，这个猜想才从哲学变成了科学事实。

直到17世纪之后，近代科学开始发展，化学实验越来越精准，人类才终于找到了证明原子存在的证据。1803年，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出了第一个有实验依据的近代原子论，正式把“原子”从哲学概念变成了科学概念。道尔顿本身是个很有意思的人，他小时候家里穷，只上过几年小学，后来靠自学成了化学家，而且他是世界上第一个发现自己色盲症的人——他甚至把自己的

色盲经历写成了论文《关于颜色视觉的特殊现象》，发表于1794年，比他的原子论还早9年。你可能觉得色盲和原子论八竿子打不着，但恰恰是道尔顿对“事物本质到底是什么”的好奇心，才让他后来把目光投向了物质的本质——如果颜色根本不是物质本身的属性，只是我们眼睛的感知错觉，那物质的本质会不会比我们肉眼看到的简单得多、基础得多？

1803年，道尔顿正式提出了近代原子论，他的依据不是什么高深的数学推导，而是化学家们早就发现的两个简单规律：定比定律和倍比定律。定比定律说的是，一种化合物不管是从哪里来的、怎么制备的，它的组成元素的质量比永远是固定的。比如水，不管你是从井里打的，还是从天上落的，还是从化学反应里制出来的，里面的氢和氧的质量比永远是1:8，就像你每次做奶茶，加10克糖和100毫升纯奶，比例永远是1:10，你不可能第一次做出来糖比奶多，第二次做出来奶比糖多——化学反应里的原子组合，就是这么“死板”。倍比定律就更进一步了：如果两种元素能组成不止一种化合物，那在这几种化合物里，和固定质量的某一种元素结合的另一种元素的质量比，永远是简单的整数比。比如碳和氧可以组成一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂），在一氧化碳里，碳和氧的质量比是12:16，在二氧化碳里是12:32，氧的质量比是1:2，刚好是整数倍，这在当时的化学界已经是公认的实验事实，但没人能解释为什么。

道尔顿的原子论完美解释了这两个定律：因为所有物质都是由原子组成的，化学反应只是原子的重新组合，原子本身不会被创造、不会被消灭，也不会被切碎，所以组成化合物的元素比例永远是固定的，而且不同化合物的原子组合比例也是整数倍。这个理论一出来就解决了当时化学界的很多困惑，很快就被广泛接受了，道尔顿也成了近代原子论的奠基人。但道尔顿的原子论有一个核心假设，和2000年前的德谟克利特一模一样：原子是不可分割的最小单元。在他的理论里，原子是实心的、

现在接上之前中断的内容：道尔顿的原子论有一个核心假设，和2000年前的德谟克利特一模一样：原子是不可分割的最小单元。在他的理论里，原子是实心的、不可再分的实心小球，不同元素的原子大小、质量都不一样，就像不同规格的乐高积木，组合在一起就形成了所有的物质。这个假设在当时完美解释了化学反应的定比定律和倍比定律，所以很快被整个化学界接受，道尔顿也被称为“近代原子论之父”。但这个假设后来被证明是错的——原子根本不是实心的，也根本不是不可分割的，它是个 mostly 空的“小宇宙”，里面还有更小的粒子。

1.4 被拆穿的“不可分割”：原子原来是个“空房子”

打破“原子不可分割”这个持续了100年的定论的，是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，简称J.J.汤姆逊），1897年，他在做阴极射线实验的时候，发现了一种比原子轻得多的带负电的粒子，他把这个粒子叫做“电子（Electron）”。

> [!TIP] 电子版小实验 > 电子版中附有汤姆逊阴极射线管的模拟实验，你可以拖动滑块调整电场和磁场的强度，亲手观察阴极射线的偏转，计算电子的质量与电荷比，体验当年物理学家发现电子的过程。

这个实验用的阴极射线管，其实就是你现在家里老式CRT电视、老式显示器的前身：玻璃管里抽成真空，两端加上高压电，阴极就会发射出一种看不见的射线，打在管端的荧光屏上会发光。汤姆逊发现，这种射线在电场里会向正极偏转，在磁场里也会发生偏转，说明它带负电；而且他通过偏转的程度算出来，这种粒子的质量只有氢原子（当时已知最轻的原子）的1/1836，比原子轻太多了，根本不可能是原子本身，只能是原子内部更小的组成部分。

这个发现一出来，整个物理学界都炸了：原来原子根本不是实心的、不可分割的小球，它里面还有更小的粒子！那原子到底是什么结构？汤姆逊当时提出了一个“葡萄干布丁模型”：原子是一个带正电的、像布丁一样的球体，电子就像嵌在布丁里的葡萄干，均匀分布在正电的球体里。这个模型在当时很合理，但很快就被另一个实验推翻了。

推翻这个模型的是汤姆逊的学生、新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），1911年，他做了一个现在物理学史上最有名的实验之一：金箔实验。实验装置很简单：用一个放射源放出α粒子（也就是氦原子核，带2个正电荷，质量是氢原子的4倍，速度非常快，每秒能跑2万公里），让这些α粒子打在只有几百个原子厚度的金箔上（这个厚度不到1微米，比头发丝的1%还薄），然后在金箔后面放一个荧光屏，观察α粒子打在哪里。

按照汤姆逊的“葡萄干布丁模型”，α粒子穿过金箔的时候，应该会穿过正电的布丁，偏转角度很小，最多也就几度。但实验结果出来的时候，卢瑟福惊得下巴都掉了：绝大多数α粒子都直接穿过了金箔，就像子弹穿过一张纸一样，完全没有偏转；只有极少数α粒子发生了偏转，偏转角度很大，甚至还有极少数α粒子被直接反弹了回来，就像子弹打在钢板上被弹回来一样。

卢瑟福后来回忆这个实验的时候说了一句非常有名的话：“这就像你用15英寸的炮弹打一张薄纸，结果炮弹被反弹回来打到你脸上一样，这是我一生中遇到的最不可思议的事。” 这个实验结果说明，原子根本不是什么实心的布丁，它内部几乎完全是空的，正电荷都集中在一个非常小、非常重的核心上，这个核心后来被卢瑟福叫做原子核（Atomic Nucleus）。

为了让你更直观地理解原子的大小，我们可以做一个夸张的比喻：如果原子核有乒乓球那么大，那整个原子的大小就像一个巨大的体育场，电子就在体育场的看台上到处跑，中间空得能放下几百万个乒乓球。你平时觉得桌子、椅子是硬的，根本不是因为你碰到了原子核，而是因为原子外围的电子带负电，当你摸桌子的时候，你手上的电子和桌子上的电子互相排斥，这种电磁力让你感觉到了“硬度”，而你和桌子之间其实空得能塞下无数个原子核。

卢瑟福的这个发现直接把人类对物质的认知往前推了一大步：原来原子不是最小的单元，它内部还有一个更小的原子核，还有绕核运动的电子。后来人们把原子结构比作“太阳系”：原子核就像太阳，在中心稳稳待着，质量占了整个原子的99.9%以上，带正电；电子就像绕太阳转的行星，带负电，在原子核外面的空间里高速运动，整个原子整体不带电，因为正电的原子核和负电的电子数量相等，正负抵消了。这个“太阳系原子模型”直到现在还是给零基础读者讲原子结构最常用的比喻，足够直观，也足够准确（虽然现在我们知道电子不是沿着固定轨道转的，而是像云一样分布在原子核周围，但对初学者来说，太阳系模型已经足够理解原子的基本结构了）。

> [!NOTE] 电子版拓展 > 卢瑟福的金箔实验原始数据至今仍保存在剑桥大学卡文迪许实验室，电子版中可以查看当年的实验记录手稿扫描件，还有卢瑟福本人的实验笔记，看看他当时看到α粒子反弹时的第一反应。

1.5 原子核的秘密：质子和中子的登场

卢瑟福发现了原子核之后，很快又有了新的发现：1919年，他用α粒子轰击氮原子核，发现打出来了一种带正电、质量是氢原子1倍的粒子，他把这种粒子叫做质子（Proton），后来发现所有元素的原子核里都有质子，质子的数量就是元素的“身份证号”，也就是原子序数：氢原子有1个质子，原子序数是1；碳原子有6个质子，原子序数是6；你刚才吸进去的氧原子有8个质子，原子序数是8，所以氧是第8号元素。

但很快大家就发现了一个问题：如果原子核里只有质子，那原子核的质量应该刚好等于所有质子的质量之和，但实际测出来，很多原子核的质量都比质子总质量大一点，而且有些元素的原子序数和质量差得还挺多，比如氦原子核有2个质子，质量应该是氢原子的2倍，但实际测出来是氢原子的4倍，多出来的质量从哪来的？

1932年，卢瑟福的学生、英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）找到了答案：他发现了一种不带电、质量和质子几乎一样的粒子，他把这种粒子叫做中子（Neutron）。中子的发现完美解释了原子核的质量差：原子核里不仅有质子，还有中子，中子和质子质量差不多，但不带电，所以不会影响元素的原子序数，只会增加原子核的质量。比如氦原子核有2个质子2个中子，所以质量是氢原子的4倍；碳原子核有6个质子6个中子，所以质量是氢原子的12倍；你吸进去的氧原子核有8个质子8个中子，所以质量是氢原子的16倍。

到这里，我们已经把原子拆成了三个部分：带正电的质子、不带电的中子、带负电的电子，质子和中子挤在原子核这个只有原子几万分之一大的小空间里，电子在原子核外面绕，整个原子大部分都是空的。这个时候，人类对物质结构的认知已经到了一个新的层面，但故事还没完：质子和中子真的不可分割吗？

> [!TIP] 电子版互动 > 点击此处可以查看不同元素的原子结构示意图，拖动滑块可以添加或去掉质子、中子，看看元素的种类会发生什么变化，还能看到同位素的区别，比如碳12和碳14的区别。

1.6 你身体里的万亿亿亿个粒子：你本身就是一座粒子乐园

讲到这里，我们可以回答本章开头的问题：你身体里到底有多少粒子？

我们先算个简单的账：一个成年人的体重平均是70公斤，其中60%左右是水，也就是42公斤水。水的化学式是H₂O，也就是每个水分子由2个氢原子和1个氧原子组成。1摩尔水的质量是18克，里面包含约$6.02 \times 10^{23}$个水分子，这个数字叫阿伏伽德罗常数（Avogadro constant），是化学里的基础常数。那么42公斤水就是$42/0.018 \approx 2333$摩尔，总共有约$1.4 \times 10^{27}$个水分子，每个水分子有3个原子，所以光水分子里的原子就有约$4.2 \times 10^{27}$个。

每个氢原子有2个粒子（1个质子+1个电子），每个氧原子有16个粒子（8个质子+8个中子+8个电子），所以每个水分子总共有$2 \times 2 + 16 = 20$个粒子，光水里的粒子就有约$2.8 \times 10^{28}$个。再加上你身体里的蛋白质、脂肪、骨骼、血液里的其他原子（比如碳、氮、钙、铁等），你身体里的总粒子数至少有$3 \times 10^{28}$个，也就是30万亿亿亿个。

这个数字有多大？可观测宇宙里的恒星总数大约是$10^{22}$到$10^{24}$颗，比你身体里的粒子数少几百万倍；地球上的沙粒总数大约是$7.5 \times 10^{18}$颗，比你身体里的粒子数少10亿倍。你随便攥一下拳头，里面的粒子数就比地球上所有沙粒加起来还多。

更神奇的是，这些粒子不是凭空来的：你血液里的铁原子，来自几十亿年前一颗超新星爆炸抛出来的尘埃；你牙齿里的钙原子，是某颗恒星核心里通过核聚变反应生成的；你刚才吸进去的氧原子，是上周你楼下树叶通过光合作用从二氧化碳里分离出来的，而这些二氧化碳里的碳原子，可能来自恐龙时代的大气，也可能来自火山喷发，甚至来自宇宙大爆炸之后的原始气体。你身体里的每一个粒子，都经历过宇宙138亿年的演化，你本身就是宇宙的一部分，你呼吸的每一口空气，喝下去的每一口水，本质上都是在和宇宙的其他部分交换粒子。

> [!NOTE] 电子版拓展 > 电子版中有一个互动计算器，你可以输入自己的体重，自动算出你身体里的粒子总数，还能看到这些粒子分别来自宇宙的哪个阶段：大爆炸、恒星核合成、超新星爆发、还是近代的生物循环。

1.7 从猜想到科学：人类千年“寻粒”的启示

现在我们回头看看前面讲的三千年前的古代猜想：德谟克利特猜原子是不可分割的最小单元，墨家猜“端”是物质的最小颗粒，胜论派猜“极微”是万物的基础，这些猜想的核心方向居然都是对的——万物确实是由更小的粒子组成的。但他们的猜想也有局限：他们以为“最小”就是真的不能再拆了，结果我们现在发现，原子能拆成电子、质子、中子，质子和中子还能拆成更小的夸克，夸克现在还不知道能不能再拆。

这种“猜对了方向，但没猜对细节”的情况，其实贯穿了整个人类的科学史：古代哲学家靠直觉和逻辑推理猜到了万物的本质是粒子，但他们没有实验手段，没法验证，也没法知道粒子到底有多小；近代科学家靠实验一步步把原子拆开，发现了一层还有一层，每一层都推翻了之前“不可分割”的定论。

```mermaid timeline title 人类对物质结构的认知演化时间线 section 公元前 公元前5世纪 : 德谟克利特提出“原子不可分割”猜想 公元前4世纪 : 墨家提出“端”是物质最小颗粒 公元前3世纪 : 印度胜论派提出“极微”原子论 section 近代 1803年 : 道尔顿提出近代原子论 1897年 : 汤姆逊发现电子，打破原子不可分割定论 1911年 : 卢瑟福通过金箔实验提出原子核式模型 1919年 : 卢瑟福发现质子 1932年 : 查德威克发现中子 section 现代 1964年 : 盖尔曼提出夸克模型，证明质子中子可再分 2012年 : 大型强子对撞机发现希格斯玻色子（上帝粒子） ```

你会发现，人类对“最小物质单元”的认知，就像剥洋葱一样，一层一层往下剥，每一层都以为这层是最里面的，结果再剥一层还有更小的。从原子到电子、质子、中子，再到夸克，再到现在标准模型里的几十种基本粒子，我们剥了一层又一层，但还不知道最里面到底是什么。

> [!TIP] 纸书小思考 > 思考题：如果夸克还能再拆，那我们是不是永远找不到“最小”的粒子？还是说真的存在一个“不可再分”的基本单元？把你的想法写在书页的空白处，下一章我们会一起探讨这个问题。

1.8 本章小结：你身体里的粒子，就是整个宇宙的缩影

这一章我们从你手里的奶茶、手机屏幕、呼吸的氧气切入，带你回顾了人类对“最小物质单元”