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“几乎空无一物”并非原子尺度上事物唯一令人惊奇的特质。曾经在物理学界兴风作浪，今日依旧困扰着物理学家与非物理学家们的事情是：即使是最基本的牛顿物理学的前提假设也在那些小尺度上失效了。物质的波动性与不确定性原理，即量子力学的关键元素之一，对理解原子中的电子是十分关键的。它们并非如我们经常刻画的那样，沿着确定路径的简单曲线运动。根据量子力学，不可能以任意的精确度同时确定一个粒子的位置和动量，这是能够建立物体随时间运动轨迹规律的一个必要前提。由维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）于1926年提出的海森堡不确定性原理告诉我们，已知的位置精确度限制了人们能测量到的动量最大精确度。[20] 如果电子拥有经典意义上的轨道，我们就能同时精确地知道它的速率和运动方向，进而得知它在任意时刻的位置，而这与海森堡不确定性原理相悖。
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量子力学告诉我们，在原子中，电子并不占据任何我们在经典图景中所主张的确定位置。取而代之的是概率分布的描述，它告诉了我们电子在原子空间中任意一点出现的概率，而这是我们能得知的全部信息。我们可以求出电子的坐标随时间变化函数的平均值，然而任何特定的测量都受不确定性原理的支配。
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请牢记，这些概率分布并不是随意的。电子不可能具有任意的能标或者概率分布。没有适用于描述电子轨道的经典方法，它只能用概率论的术语来描述，然而这些概率分布却是精确的函数。应用量子力学，我们可以写出电子波函数的解，它可以告诉我们在空间中任意一点电子出现的概率。
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另一个在经典牛顿物理学视角看来不可思议的原子性质是，原子中的电子只能占据固定的、量子化的能标。电子轨道仅仅被它的能量所决定[21] ，那些特定的能标与相伴的概率必须符合量子力学的规则。
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电子的量子化层级对理解原子而言很重要。20世纪早期，一条促使经典规则发生根本性变化的线索是：在经典图景下，电子围绕着原子核旋转的结构是不稳定的。电子会在旋转中不断辐射能量，并很快掉入原子核中。这不仅与实际原子的情况不符，更不可能允许稳定原子的存在以产生我们所知的物质结构。
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量子力学开拓者尼尔斯·玻尔于1912年面临着一个充满挑战的选择：是放弃经典物理学，还是放弃他相信的观测事实？玻尔睿智地选择了前者，并且假设经典定律在电子这一小尺度上不再适用。这是量子物理发展中的一个关键性洞见。
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当玻尔在这个限定的领域放弃了牛顿定律之后，他提出了电子只能占据特定能标的假设，这是根据他提出的一个叫作轨道角动量（orbital angular momentum）物理量的量子化条件而作出的。玻尔认为，他的量子化规则只适用于原子尺度。这些规则与我们在宏观尺度（例如计算地球围绕太阳公转时）所用的大不相同。
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从技术上来讲，量子力学同样适用于那些更大的系统。然而其效应过小，以至于我们无法测量或注意到。当你观测地球公转轨道或者任何有关的宏观事物时，都大可以忽略量子力学效应。这些效应在所有这样的测量中都大致相同，所以根据它们作出的预测与经典力学的结果完全相符。正如第1章中讨论过的，对宏观尺度上的测量而言，经典预测通常是很好的近似，好到你甚至不能辨别出事实上量子力学才是更深的底层结构。经典预测非常像高分辨率电脑屏幕上的文字与图像。隐藏于它们之下的是像素点，这对应着量子力学支配的原子子结构。然而，那些文字或者图像本身才是我们通常想要看到的对象。
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量子力学催生了一种范式的改变，而它只在原子尺度上才明显。尽管玻尔的假说比较激进，但他并不需要放弃所有已知知识。玻尔并没有认为牛顿定律一无是处，只是简单地认为经典物理定律不适用于原子中的电子。虽然原子本身的量子效应不可忽略，然而由大量原子构成的宏观物质却服从牛顿定律，至少在任何人都能测量其预测的成功性方面是这样的。牛顿定律并无错误，我们并没有在其所适用的领域抛弃它。然而在原子领域，牛顿定律并不适用，在导向量子力学新规则发展的可观察的惊人领域中，它同样不适用。
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进入原子核内部
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我们的“旅行”将来到原子核本身的尺度上，将继续看到不同描述、不同基本组分，甚至不同物理规律的突现。然而，基本量子力学的范式却岿然不动。
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在原子内部，我们将在10费米的尺度上探索内部结构，这是原子核的尺度，即一纳米的十万分之一。以我们目前测量所能及的观点来看，电子是最基本的——这意味着，似乎没有构成它的更小组分。然而，原子核并不是最基本的事物，它由被称为核子的更小组分构成。核子包括质子和中子，质子带有正电荷，而中子是电中性的，既不带正电荷也不带负电荷。
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一种理解质子与中子本质的方式是，认识到它们也不是最基本的。伟大的核物理学家、科普作家乔治·伽莫夫（George Gamow）对质子与中子的发现感到非常兴奋，他认为这是最后的“边界”，并认为不会存在更小的子结构。他如此说：[1]
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取代经典物理学中一大堆”不可分的”原子概念的是，我们仅仅保留三种本质上不同的实体：质子、电子与中子……因此，我们似乎已经触及到了有关构成物质基本元素研究的底线。
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这种言辞多少有点目光短浅，不过更确切地说，它也没目光短浅到极致。确实存在更深层的子结构，即质子和中子更基本的组分，然而这些基本元素却很不容易被找到。想要找到它们，我们就必须研究比质子和中子更小的尺度，而这需要比伽莫夫作出他那不准确预言的时代已有技术更高的能量或者更小的探测器。
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如果我们想要进入原子核内部，在一费米的尺度上看质子与核子——这比原子核本身约小10倍，那么我们就要遇到默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）与乔治·茨威格（George Zweig）假设存在于核子内部的事物了。盖尔曼创造性地把这些单位命名为“夸克”——以他自己的说法，灵感来源于詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake ）中的语句（“向马克老大三呼夸克”）。核子中的上夸克与下夸克是更小尺度上更基本的事物（图5-4中包含了其中的两个上夸克与一个下夸克），一种被称为强相互作用力（又称强核力，strong nuclear force）的力把它们结合在一起，形成了质子和中子。尽管名称泛泛，然而强相互作用力却是自然界中一种特别的作用力，它与已知的电磁相互作用力、引力相互作用力，以及我们稍后将要讨论的弱相互作用力（又称弱核力，weak nuclear force）在同一层次上。
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强相互作用力
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又称强核力，是作用于强子之间的力，是质子、中子结合成原子核的作用力。后来进一步得知，强相互作用力是夸克之间的相互作用力。
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强相互作用力被如此命名是因为它的作用确实很强——我的一位物理学家同僚如此说过。即便这听上去有些幼稚，然而这的确是事实。这就是夸克总以例如质子与中子这种结合体的形式出现的原因，因为其他直接影响都被这种强相互作用力抹平了。这种作用力太过强大，以至于如果缺少其他影响，那些强烈地相互作用着的组分就不可能被发现。
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图5-4 质子的电荷由三个价夸克（valence quarks，即两个上夸克与一个下夸克）携带。
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我们永远不可能分离出单独的夸克。似乎所有的夸克都携带着一种胶水，它们在长程作用时会变得黏稠无比——传递强相互作用力的粒子出于这个原因被称为胶子（gluon）。你可以想象一条橡皮圈，只有当你拉伸它的时候才有弹性力的出现。在质子或中子的内部，夸克可以自由运动，但当你试图把一个夸克移出很长的距离时，就需要额外的能量。
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即便这种解释是完全正确、合理的，在使用这种解释时也要极为小心。人们不由得把夸克想象为一些被束缚在一个口袋里的东西，存在一些真实有形的障碍导致它们不能从中脱离。事实上，确实有一个描述原子和系统的模型在本质上把质子和中子精确地处理为这个样子。然而，这个模型与我们稍后将要提到的其他模型不同，它并不是针对真实发生的事情提出的假说。它的目的仅仅是为了在某个范围的尺度和能标上进行计算，那些范围内的力太过强大，我们熟悉的方法都不适用于它。