前言 古希臘時期思想
人類在這個星球上已經生活上萬年，雖然我們已經不能夠知道最早人們的經驗和思想，但是我們有理由設想那時的人們和現在的我們一樣，被一種想要解釋世界的欲望所驅使。當時哲學家們思考最多的兩個問題是：「事物實際上是什麼」、「我們如何解釋事物中的變化過程」。
早期的哲學家試圖描述我們周圍世界的構成要素，西方的哲學故事始於公元前6世紀的希臘群島，與愛情海隔海相望的港口城市米利都，米利都哲學家是最早的一批哲學家，其中泰勒斯為人們所熟知，被稱為西方文明的第一個哲學家。泰勒斯（公元前624年-公元前547）試圖解釋這樣一個事實，即存在著各種不同的事物，例如土壤、雲和海洋，這些物質中的一些可以轉變成另外一些事物，但他們在某些方面依然類似。泰勒斯認為無論事物之間有多大的差異，他們之間依然存在著根本的相似，多通過「一」相互關聯，他假定存在某種單一的元素，它是所有物理實在的基礎。對於泰勒斯來說這個「一」就是「水」，而米利都學派的阿那克西米尼則認為「氣」是萬物的本原，畢達哥拉斯則認為「數」是萬物的本原。
到了公元前5世紀左右，哲學家將注意力轉向一個新的問題，即變化的問題。著名的如赫拉克利特（公元前544-公元前483年）的論述「人不可能兩次踏進同一條河流」，這種論述蘊含在他的思想「一切都處於流變之中」。河流與人類展示出一種令人迷惑的事實，他們變得不同以往又依然保持原樣。我們踏進「同一條」河流，雖然新的河水不斷流淌；一個成人和他小時候依然是同一個人。事物變化著因此呈現出各種不同的形式，但是在整個流變過程中他們依然具有某些始終相同的東西。赫拉克利特認為必定存在著某種變化的東西-「火」，火不僅是事物的基本元素，而且火的行為方式暗示了變化過程是如何運作的。火就是自動的不足和過剩，他必須不停的添加燃料，並不停的釋放出某些東西，如熱、煙或者是灰燼。赫拉克利特認為一切事物處於流變之中意味著世界是一團「永恆的活火」，即一切轉化為火，火又轉化為一切，就像黃金轉化為貨物，貨物轉化為黃金，其主張自然界中沒有什麼真的消失了，只不過變成了不同的形態。
巴門尼德（公元前515年—前450年）對於前輩們的哲學觀點深感不滿，他認為整個宇宙只有一個東西，它從不變化、沒有任何部分，永遠不可毀滅，他把這個單一的東西稱作一（one）。雖然世界上有各種各樣的事物，但巴門尼德認為這種變化和多樣性都只是一個幻覺，巴門尼德更加信服於邏輯推理而不是眼睛看到的東西。他的邏輯從一個簡單的陳述開始「要麼存在者存在，要麼存在者不存在」，例如母牛存在，但是獨角獸不存在。我們只能斷言這個論述的前半部分，即存在者存在，而不能對不存在的東西形成概念並談論它。例如當一個小小的橡樹種子長大了，一顆橡樹就產生了，當它死了，它就不存在了。這個變化的過程在巴門尼德看來存在邏輯缺陷，我們先說樹不存在，又說它存在，最後我們再一次說它不存在，開始和最後都論述了存在者不存在這個不可能的觀點。從邏輯上來講，我們不得不拒絕這個所謂的變化過程，把它看作一個巨大的幻象。巴門尼德65歲和芝諾去雅典和蘇格拉底進行了對話，他關於變化和多樣性的極端觀點遭受了人們的批評和嘲笑，而捍衛這些觀點的任務就落到了他學生芝諾身上。
芝諾（公元前490年—公元前425年）強烈地感到我們的感官沒有為我們提供關於實在的任何線索，它只是提供了關於現象的線索。其提出比較著名的悖論是阿喀琉斯和烏龜賽跑。阿喀琉斯讓烏龜在他前面相當遠的地方開始起跑，一段時間之後阿喀琉斯就抵達了烏龜的起點。到此時為止，不管烏龜爬得有多慢它都已經向前移動了一小段距離，它仍在領先。一段更短的時間之後，阿喀琉斯抵達了烏龜剛才的位置，但這段時間又讓烏龜有機會向前挪動了一點，比賽就這樣永無止境地持續下去，這就在邏輯上證明，阿喀琉斯始終在追趕烏龜，卻永遠無法趕超。芝諾悖論向人們揭示運動和變化不過是人們的幻覺，只有一個存在者，它是連續的、物質的、不動的。儘管有芝諾勇敢的努力，但是關於世界的常識觀點依然存在，它促使後來的哲學家採取了不同的方式解決永恆和變化之間的問題。
恩培多克勒（公元前495年—公元前435年）不同意實存之物僅僅由「一」構成，要接受『一』的概念必須否認運動的實在性。他同意巴門尼德關於存在是永生的不可毀滅的觀點，但是他認為存在不是「一」而是「多」。他認為物體是由許多物質微粒組成的，這些微粒便是土、氣、火、土，我們看到的物體中的變化是四種元素的混合而不是轉化，該觀點同時融合了赫拉克利特和巴門尼德的觀點。後經柏拉圖繼承、亞里斯多德發展，成為了託勒密地心說的雛形理論，地心說認為越是遠離地球的越高貴，在宇宙邊上的星星是完美的，它們是完美的球形，且永遠做著完美的圓周運動。最靠近它們的是最輕的火，然後是氣，然後是水，而最重的是土，它們最重，本性上遠離高貴的星星而聚集在最下方，就形成了我們的地球。水火土氣不像天上的星辰做著圓周運動，而是做著線性運動，通過乾濕冷熱來互相之間不斷轉化從而生成地球上的萬物。
最接近現在物質構成的是德謨克利特（公元前460年—公元前370年）的「原子論」，在德謨克利特看來事物的本質是無限數量的微粒或者叫原子的單元，其賦予原子兩個主要的特性，一個是巴門尼德認為「一」所具有的單一，原子具有不可毀滅和永恆性；二是存在著無限多的原子，原子不包含任何的虛空，是絕對緻密的。自然只包括兩種東西，空間和原子，原子在空間中運動，它們的運動使它們形成了我們經驗到的物體。他們認為沒有必要解釋原子的來源以及最初運動，因為這些起源的問題總可以無限制問下去，甚至對於上帝我們也可以這麼問。
01 分子和原子
古希臘文明沉淪以後，世界文明的中心逐漸轉移到中亞的阿拉伯文明，這裡誕生了一位大師吉伯，他提出世界上只有硫和汞兩種元素，硫是「燃燒石」，代表著燃燒的本源，而汞提供了金屬的各種本源屬性。他認為其他各種物質都由硫和汞組成，比如鉛也可以分成硫和汞，甚至金也是由它倆組成的，所不同的只是硫和汞的比例不同。
他給無數人畫了一個美麗的餅——只要找好硫和汞的比例，點石成金不是夢想！於是，鍊金術蓬勃發展起來並在12世紀左右傳入歐洲。鍊金術的發展讓人類發現了更多的新元素，比如磷、砷、銻、鉍、鋅等，它們和之前發現的金銀銅鐵錫鉛汞碳硫等一樣，都是最簡單的物質，可以形成各種化合物，卻無法被分解為更簡單的物質。
化學家們發現我們的世界如此精彩，竟然是由這麼多種元素組成的！本來只有4-5種元素，吉伯更是希望用兩種元素解釋世界似乎世界變得越來越亂了。這時候，英國科學家道爾頓（1766年－1844年）適時提出了現代的原子理論。他從其他化學家的報告裡發現，化合物總是以一定的比例分解成幾種元素，比如水總是以1:7的質量比分解成氫和氧、氨總是以 1:5的質量比分解成氫和氮。他提出每一種元素對應於一種原子，原子不可分割，所有的化學變化不過是這些原子的分離或者組合，而不管這些物質如何變化，原子還是原子，是不會發生變化的！
義大利化學家阿佛加德羅（1776年—1856年）在詳細研究道爾頓的原子論和呂薩克的氣體反應定律後提出分子學說，並於1811年發表了一篇論文《原子相對質量測定方法及原子進人化合物時數目比例的確定》。他認為原子是參加化學反應的最小質點，分子是保持物質一定特性的最小單位，分子是由原子組成的。雖然阿佛加德羅的分子學說現在看是正確的，但是在那時他的理論沒有得到化學界的重視，被冷落了大約半個世紀。一是阿佛加德羅拿不出充分的實驗證據，二是當時化學界的權威，如道爾頓等人否定他的理論。直到1860年，義大利化學家坎尼查羅用分子學說原理測定許多物質分子量，用實驗事實證明分子的存在，調和了原子學說和分子學說的分歧，使原子——分子論成為一個完整的理論體系。
02 電子和原子核
自從原子理論被創立後，在很長的一段時間內，人們都認為原子就是一個小的不能再小的玻璃實心球，裡頭再也沒什麼花樣了，直到出現一種大家無法理解的現象，叫做「陰極射線」。
陰極射線是德國物理學家尤利烏斯·普呂克在1858年進行低壓氣體放電研究的過程中發現的。當裝有2個電極的玻璃管裡的空氣被抽到相當稀薄的時候，在2個電極間加上幾千伏的電壓，這時在陰極對面的玻璃壁上閃爍著綠色的輝光。
這種現象引起許多科學家的濃厚興趣，並進行了很多實驗研究，其中包括德國科學家赫茲，赫茲做了一個實驗，他將一塊塗有硫化鋅的小玻璃片放在陰極射線所經過的路徑上，結果硫化鋅閃光，這充分說明硫化鋅能顯示出陰極射線的「徑跡」，遺憾的是赫茲得出了錯誤的結論：陰極射線是不帶電的。
湯姆遜1870年進歐文學院學習，後進入劍橋大學攻讀研究生課程，1884年他被聘為劍橋大學卡文迪許實驗室物理學教授。湯姆遜在學校站住腳跟後便雄心勃勃地發誓，要通過自己的實驗來結束這場爭論。當湯姆遜沉下心來研究陰極射線時，才發現要在這方面有所建樹很不容易。一方面，人們當時對電學、磁學的認識不足，可供參考的資料和實驗記錄不多；另一方面，當時科學界一致認為物體是由原子構成的，原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球，無法打開。陰極射線既不是分子，也不是原子，它好像是生在原子內部或依附原子外面，它沒產生磁力、也不是電磁波。
時間到了1897年9月上旬，四個月前他在皇家學會的演講中介紹了自己10多年來研究和試驗的結果：「在氣體中的電荷載體，一定比普通的原子和分子要小。」當同行們問他這種載體到底比原子小多少，到底帶不帶電。湯姆孫當時語塞，會後湯姆遜夜以繼日地開始實驗，經過反覆考慮他決定還是從赫茲的實驗入手。
在一般情況下，陰極射線是呈直線行進的，但如果在射線外面加上電場或用蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，陰極射線就會發生偏折。通過對陰極射線偏折角度的計算，湯姆遜很快得出結論：這些射線是帶有負電的物質粒子。後來，湯姆遜還成功地測量出了這種粒子的質量，發現它比氫原子的質量要小得多，大約只是氫原子的二千分之一。大量的物理學成果反覆證明，湯姆遜關於比原子小的「粒子」的假說是完全正確的。幾年後，物理學家斯託尼提議將湯姆遜發現的「粒子」稱為電子。湯姆遜在自己實驗的基礎上，提出了「梅子布丁」原子模型，模型描述原子是球形膠凍狀的顆粒，電子和原子均勻分布在裡面。
為了測算α粒子的電荷質量比，湯姆遜的學生盧瑟福在1909年完成了α粒子散射實驗，如果湯姆孫的原子模型是正確的，由於正電荷均勻年發布在原子裡，處於完全散開的狀態，庫侖位勢的變化不會很大。通過這位勢的α粒子，其移動方向應該只會有小角度偏差。但是實驗結果表明大約每8000個α粒子，就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差（甚至超過 90°）；而其它粒子都直直地通過金箔紙，偏差幾乎在2°到3°以內，甚至幾乎沒有偏差。盧瑟福從實驗結果斷定，大多數的質量和正電荷，都集中於一個很小的區域，這個區域後來被稱作「原子核」。
03 質子和中子
原子是由電子和原子核構成，電子是基本粒子，原子核也是基本粒子嗎？學過一點化學的知道決定元素性質和元素周期表位置的原子序數Z就是原子內的電子數。但是原子整體是電中性的，原子裡有Z個電子，電子的電荷是-e，所以原子核的電荷必定是+Ze。由於電子電荷是一份一份的，自然容易想到原子核很可能也是由另一種帶一份正電荷+e的粒子構成的。最輕的原子核（氫原子核）就只帶一份正電荷，那原子核是由他們組成的嗎？
1816年，英國物理學家普勞特就曾提出過所有的原子都是由氫原子構成的設想，原子核發現後，科學家把他的思想搬到原子核上來，設想所有的原子核都是由氫原子核構成。1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，使他變成氧原子核，同時放出了一個氫原子核，證實氫原子核確實也是別的原子核的組成成分，是各種原子核內作為電荷單位的粒子，科學家把它稱為質子。
後面科學家又發現原子序數為Z的原子，其原子核的質量並不等於甚至而不近似等於Z個質子的質量，前者有時候是後者的兩倍還多。這個疑問是通過同位素的發現而得到解決，科學家發現各種元素可以按質量再分成若干種，他們的化學性質相同，但是原子量卻不同，例如氫就有兩種同位素，一種是普通的氫，另一種就是重氫（簡稱氚），氚原子量幾乎為氫原子量的兩倍。一種自然的想法是原子核內除了質子以後還有電子，電子可以綜合一部分質子的電荷。
1920年，盧瑟福曾作出一種設想，他設想原子核內存在著一種中性粒子，並將其命名為中子，其質量與質子接近，但是他認為中子是質子和電子的一種特殊結合體，它的設想依然沒有脫離老思想。1930年玻特和貝克爾用α粒子轟擊鈸原子核，發現了一種穿透力本領驚人的射線，但是科學家只知道3種射線，分別是α、β、γ，穿透本領最強的是γ射線，他們猜想這種射線也是γ射線的一種。兩年後居裡夫人用這種鈸射線轟擊石蠟，從石蠟裡打出不少質子來，而γ射線是只能打出電子而打不出質子的。後英國卡文迪什實驗室的查德維克猜想這可能是盧瑟福提出的中子，通過實驗測算出了中子的質量，實驗結果表明中子的質量與質子的質量十分接近，查德維克因此獲得1935年的諾貝爾獎。
04 夸克
質子帶正電荷，中子不帶電，如果僅僅考慮電磁力，質子之間在這麼近的距離下應該互相排斥，原子核將很快機會分崩離析而不可能是如我們所觀察到的穩定結構。為了維持原子核的穩定性，一定存在另一種強大的短距離起作用的力，將質子和中子緊緊地束縛在一起。
根據量子輻射理論，兩個電子之間的電磁相互作用是由光子傳遞的，1935年湯川秀樹由此得到啟發，他想到可能也存在一種粒子（稱之為π介子），它在核子之間起到傳遞核力的作用，比如一個中子發射一個帶負電的π介子（π-）而變成質子，另一個質子吸收這個π-變成中子。根據能量守恆定律和測不準原理可以計算出π介子的質量大約為電子的二三百倍。同時π介子要在中子和中子之間，質子和質子之間，質子和中子之間傳遞作用，因此推測π介子應該有三種，分別是π+、π0和π-。
π介子的質量二三百倍於電子，要產生π介子至少需要幾百MeV（106eV）（eV代表一個電子經過1伏特的電位差加速後所獲得的動能）的能量。但是放射性原子核所放射出來的粒子能量最大不過幾個MeV，比如當時X射線的能量大約在10KeV，而γ光子射線的能量約在100keV。20世紀30年代只是加速器的初創時期，加速器所能達到的能量還不足以產生π介子，當時唯一的能提供足夠的能量就是宇宙射線。宇宙射線是來自遙遠宇宙的射線，是能量很高的質子、α粒子、電子和各種原子核，這種高能射線進入大氣層後，與大氣層的原子碰撞，有可能產生出π介子來。
1937年安德森在研究宇宙射線時發現了一個質量大約是電子質量207倍的粒子，稱為μ子，μ子有帶正電的，也有帶負電的，μ子是否是湯川所預言的π子呢？經過試驗科學家發現，μ子與物質之間的作用非常微弱，並不具有強的核力作用，當μ子射入物質後，它就像電子那樣通過許多次電離碰撞逐漸失去能量後幾乎禁止在物質中，最後衰變成電子並放出兩個中微子，μ子的行為更像是一個電子，一個重得多的電子（後來發現電子有三大家族，分別是e-、μ-、τ-，τ子的質量約是電子的3000倍）。
μ子不是π子，那μ子是怎麼產生的呢？坂田提出一個設想，它認為μ子可能是π子的衰變產物，宇宙射線進入大氣層後，與高空中的原子核發生強相互作用而產生π子，π子在射向地面的過程中衰變為μ子。這個設想啟發人們，要尋找π子最好到高層空間去找。1947年，鮑威耳等人將核乳膠（特製的照片底片）用氣球送到高空去記錄宇宙線，果然發現了π子，實驗測出π子的質量約為電子質量的273倍。
1950年後，強聚焦原理的提出和同步加速器的發明使得實驗的能標達到GeV（= 109eV）數量級，比π子重的多的強子陸續在實驗中產生，微觀物理的研究進入了強子時代。強子(Hadron)是一種亞原子粒子，所有受到強相互作用影響的亞原子粒子都被稱為強子，包括重子和介子。當時科學家發現的粒子已經有約400個了，很難設想這麼多的粒子都是基本的，大多數物理學家認為強子應該有其結構，由更少的幾種更基本的成分組成。
物理學家喜歡用模型去解釋世界，在同步加速器之前的能標範圍內，量子力學可以很好的解釋粒子的行為。但是到了強子時代，需要新的模型來解釋，量子場論開始發展起來，其中費米和楊振寧提出了第一個強子結構模型，叫費米-楊模型，費米-楊模型可以很好的解釋強子的行為，但是奇異粒子的發現使得該模型遇到了困難。這些粒子的奇特之處在於它們通過強作用產生，卻通過弱作用衰變，這按當時的理論是無法解釋的。如何解釋奇異粒子的這種大的產生截面和長的衰變壽命這一矛盾現象呢？
1952年初，剛到芝加哥大學的蓋爾曼也開始研究奇異粒子問題，由於他對同位旋一直很感興趣，所以他開始考慮是否同位旋可以用來解釋奇異粒子行為，並試圖用同位旋 I=5/2去描述奇異粒子。大約在該年5月，他在普林斯頓高級研究院做了一次報告。在報告中，他想說明同位旋為5/2假設時，卻錯誤地說成1，這使蓋爾曼開產生了奇異數的想法，奇異數方案的提出解釋了奇異粒子的行為。後蓋爾曼發現可以建立起質子分裂或者合成的簡單反應模式，但是有幾個模式似乎並不遵循守恆定律。之後他意識到如果質子和中子不是固態的物質，而是由3個更小的粒子構成，那麼他就可以使所有的碰撞反應都遵循簡單的守恆定律了。經過2年的努力，蓋爾曼證明了這些更小的粒子存在於質子和中子中，並將其命名為夸克。
強相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克、下夸克和奇夸克，質子由兩個上夸克、一個下夸克組成，中子由兩個下夸克、一個上夸克組成，其中上夸克帶點+2/3，下夸克帶電-1/3。1974年華裔物理學家丁肇中帶領的小組，發現了J粒子，要求引入第四種夸克—粲夸克；1977年發現了Υ粒子，要求引入第五種夸克—底夸克；1994年發現第六種夸克—頂夸克，科學家相信這是最後一種夸克（夸克被量子色動力學所預言和描述）。
夸克有種奇異的性質叫做「漸進自由」，形象的理解是夸克像是被固定在橡皮筋的兩頭，當他們離的很近的時候，彼此都不受束縛，但是當他們開始分開時，橡皮筋就會拉緊。而使橡皮筋斷裂的能量可以再造兩個夸克，夸克並不能單獨存在，只能是兩兩存在，或者三個一起。質子和中子由三個夸克構成，而π介子由一對正反夸克構成，例如π+是由一個上夸克和一個反下夸克構成（狄拉克在上世紀三十年代將薛丁格方程相對論化後首次預言正電子，並被後續實驗證實）。
至此物質構成的基本粒子到了分無可分的程度了。
05 後續
物質組成的探索實際上是以還原的思想為指導，還原論認為物質總是由更小的微粒構成，這條路走到極致便是弦論的產生。在上世紀物理學家希望能將所有的理論統一，最好是能將描述世界的公式寫在一張餐巾紙上，因此還原論的思想與大統一的過程相伴隨，在19世紀中，電力與磁力由 Maxwell統一為電磁力，光波也被併入電磁波譜。到20世紀中期，自然界中確定了四大基本相互作用力：引力、電磁力、弱力和強力，愛因斯坦晚年的夢想，就是建立一個大統一的理論。20世紀60年代，Glashow， Weinberg和Salam成功地將弱力與電磁力統一；到70年代，又把強力包含進去，建立了「標準模型」，但標準模型不能描述引力。此時弦論就應運而生，弦論認為物質是由震動的弦組成，但弦理論只有在高維度的空間才能成立，最初的弦論要求是10維空間，包括我們生活的3維空間、時間維以及一個蜷縮的6維空間（「卡-丘」空間）。但是當時理論上自洽的弦理論有五種，後來威騰將超對稱引入弦理論，威滕將五種十維的弦理論與十一維的超引力結合在一起，建立了M理論，這就是第二次超弦革命，該理論的研究仍在進行時。
關於世界的組成，一直都是有兩種觀點，一種是還原論，另一種是演生論。
一個簡單的想法是既然組成物質的原子是一模一樣的，為什麼世界會展示出多樣性和複雜性呢？
早在1972年，美國著名的凝聚態理論物理學家Anderson 就對過分強調還原論的思想方法提出質疑。他在美國《科學》雜誌上發表了一篇文章叫 「more isdifferent」，中文翻譯過來就是:多者異也。文章指出將萬事萬物還原成簡單基元及其基本規律的能力，其實並不蘊含著從這些規律出發重建整個宇宙的能力。大量基本粒子構成的巨大複雜聚集體的行為並不能依據少數粒子的性質，做簡單的外推就能理解。在每一個複雜性的發展層次之中，都會呈現出全新的物理概念和物理定律。近年來在凝聚態物理的發展中，實驗和理論都取得不少突破，新型的物質形態在實驗中頻頻出現，比如拓撲序、拓撲絕緣體、自旋液體等。
華裔凝聚態物理研究學家文小剛認為，粒子物理學家按照還原論的想法已經做到了極致，因為涉及的微觀尺度越小，到達的能量級別就越高。即使理論方面還可以繼續思考下去，但加速器所需的能量已經到了難以企及的程度，因而無法驗證新的理論。
大統一理論所要求的的能標是1016TeV，而我們位於歐洲的最大強子對撞機所能達到的能量為幾百TeV，距離大統一理論所需要的能量少了萬億倍（這也是楊振寧反對國內建造大型強子對撞機的原因）。
文小剛教授的代表理論為液體弦網理論，弦網理論認為世界的基礎是信息，真空就是一個充滿了量子比特（0和1）的動態海洋。這些量子比特按照不同的規律形成量子糾纏，根據它們糾纏的方式不同而形成「弦」和「網」。比如說，符合麥克斯韋方程的電磁波可以看作是真空中閉弦的密度波，這些閉弦的密度用以描述光波的強度。閉弦密度變化有時候會產生「渦旋」，甚至將閉弦「拉斷」變成了開弦。這些開弦產生了互相糾纏的正負電子對，分別對應於弦的兩個「端點」。「端點」之間也有可能重新連接起來，則就對應於正負電子的「湮滅」過程。如果弦網糾纏的方式和結構不同，也可以用來描述弱相互作用和強相互作用，而其中的渦旋或端點便可以描述夸克以及其他的基本粒子。
提出「黑洞」概念的偉大物理學家約翰惠勒曾經預言「信息」將是未來研究的最重大方向，關於世界本原的探索仍在繼續。