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对于原子结构的进一步的研究开始集中到原子核上来了。当然，正如我们已提到的，放射性提示原子核不是一个不可分的微粒。发射性原子发出α射线，带有正电荷，数量是电子电荷的两倍，质量是氢原子的四倍；β射线本质上是电子；γ射线，是已知最高频率的电磁波。所有这些都从重原子的原子核中发出。
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对于原子核的进一步的实验研究，主要是运用“加速器”或者说原子粉碎器，不久就揭示了原子核决不是一种单一的实体，而是包含着各种各样不同的微粒，包括质子、中子（本质上不带电荷）、正电子（带正电荷，发现于1933年）、轻子、介子、重子、强子、π介子、夸克以及其他的许多种。现在还不断地发现新的粒子；也就是说，从实验结果可以推断出它们的存在。原子核中的诸粒子有多种关系，不过对于我们的目的来说，知道其存在就够了。
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尽管有各种各样的原子核粒子，质子和电子是所有物质的主建筑材料。我们身体的99.9％都归属它们。所有比氢重的原子核除了含有质子外都含有中子。
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组成原子核的粒子有些还像电子一样显示了波的属性。氢和氦的原子核尤其是这样。同样真实的是，就其力学效应来说，所有的原子核都保持着粒子的属性。
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对于原子核内外的各种各样的粒子来说，更令人吃惊的是其结构发生的改变。例如，一个质子可以将其一个单位的电荷给予一个中微子；这样质子就变成了一个中子，中微子就变成了一个正电子，质量和电子一样，但带有同样数量的正电荷。保尔·A·M·狄拉克（1902—1984）1932年创立的理论曾预言了正电子的存在。相反的过程是，一个中子可以放出一个电子和一个中微子；然后中子就变成了一个质子。
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一个量子或光子能够“分裂”成一个电子和一个正电子。而一个正电子和一个电子可以结合形成两个或者更多的光子。这就是质量转换为能量以及相反过程的范例。
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这样，原子核非但不是不可分的，而且还持续变化。许多粒子还衰变，有的快有的非常慢，成为放射能。然而，根据现今所知，质子和电子是不衰变的，不过质子在1023年的时间跨度里可能衰变。据认为它们由夸克组成，后者又变成轻子。夸克转化为轻子能促成中子的衰变。现在正在做着探测质子衰变的实验。
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使情况更为复杂的是，量子理论将我们引向了一种独特的现象——反粒子——这由狄拉克所预言并于20世纪30年代发现。对于许多粒子科学家已分离出其反粒子，带有相反的电荷但质量相同。据信当一个粒子遇到其反粒子时，它们互相湮灭产生一个质量小一些的粒子。我们已经提到，电子和正电子的结合产生两个或更多的光子。此外也有反中子、反中微子、反介子和反夸克。现在所发现的粒子和反粒子的总数大约是80种。还不知道是否对于所有的粒子来说都有反粒子。人们会希望反粒子的种类和数量是有限的，否则我们都将会变成辐射能。幸运的是，宇宙中的反物质很少，这很出人意外。
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我们还没有谈过粒子之间的相互作用力。是什么把质子合在一起？它们都带正电荷，应该相互排斥。除了已为人熟知的引力和电磁力外，物理学家还假定有强相互作用和弱相互作用力，这些力将质子和电子合在一起。关于这两种力的本性还不知道，但研究正在进展。
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对于这个微观的宇宙，我们还能有一个连贯的观点吗？量子理论的概念和结论似乎令人吃惊地违反常规。它们公然违抗、否弃，至少抵触常识。在我们平复起初的反应之前，先看看我们如何严肃地考虑这一理论对应的实在。我们知道原子结构的全部理论解释了许多化学结构和化学性质、化学反应。然而还有更实在或者说更可见的现实：根据原子裂变和聚变过程而制造的原子弹。如果一个铀原子受一个中子的撞击，它将分裂，其部分质量将转化为巨大的能量。而且，还可以将这一过程变成链式反应。这就是原子弹和原子能的基本概念。我们已领教了这一现实。
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相反的过程发生在聚变中，这还有待于控制和利用。如果四个普通的氢原子的原子核聚合成一个氦原子，其质量比氢原子质量的四倍稍小一点，巨大的能量就以光和热的形式释放出来。这一过程持续发生在太阳中。在地球上我们必须利用氢的同位素——即氘和氚，其质量是基本的或者说轻的氢原子的三倍和四倍，要使它们聚变需要极高的温度。
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有趣的是奥利沃·劳芝爵士在1920年就预言说：“将来有一天原子能会取代煤……我希望人类在有足够的才智正确地利用它之前，不要发现如何利用这种能量。”而卢瑟福却在1933年认为所谓原子能是荒唐的想法。
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我们对量子力学过程的概述已表明在微粒意义上的物质可以转化成波，反之亦然。那么，在物理上真实的是什么呢？为回答这个问题，波尔提出了互补理论，一种二象性理论，认为在大自然中既没有纯粹的波也没有纯粹的粒子，而只有分有两种性质的实体。光子不是旧的意义上的波。它是粒子波，结合了两方面的特征。电子也不是旧的意义上的粒子，它是波粒子。光子和电子作为波或者作为粒子活动完全取决于我们对其做什么实验。在同一时间任何实体都不会既作为波又作为粒子活动。这样，如果我们用光来做光的干涉实验，光子就作为波活动。而如果我们用同样的光来做光电效应实验，光子就作为粒子来活动。当我们在电子管或阴极射线管中利用电子时，它们是作为粒子来活动的；奇妙的是，如果我们射出一束电子，使其穿过晶体，就会发生干涉效应，正像光波一样。如海森堡在其《物理学和哲学》（Physics and Philosophy）中所言：“我们所观察的不是大自然本身，而是大自然对于我们的提问方法所展露的。”
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在粒子波和波粒子之间有意义重大的区别吗？答案是非常肯定的。最根本的区别又与光有关。波粒子永远不会达到光速（否则其质量会变得无限大）而粒子波既然是一种光波，速度正好是光速。还有许多其他的差异。粒子波（光子）不能有静止质量（即不运动时的重量），因为如果有的话当作为光来传播时它就会有无限大的质量。波粒子当然有其静止质量。此外还有其他的区别。
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波和粒子是从日常生活中借来的概念，它们合适吗？或者，判断取决于我们用什么样的仪器来观察吗？也许我们需要新的概念。
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至于粒子或波之争，有些人争辩说物质并不像看起来那样坚实和持久。相反，物质必须被看成是处于高度集中状态中的能量，很容易粉碎成无质量的粒子，以光速飞向空间。而且，我们所接受的连续的场，例如电磁场，尽管有实在的影子，主要是一种数学构想。事实上，有些科学哲学家和物理学家宣称只有场是实在的，它们是宇宙的本体，而粒子只是场的短暂的表现。光波是光子活动的总的数学模式。用爱因斯坦的话来说，它们是幻影波。薛定谔在1926年写的一篇文章中宣称波是唯一的实在，而粒子只是派生的概念。
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一种更极端的观点是，传统意义上持久、不可分、充实、坚硬、广延的实体在我们这里消解了，不再存在。我们所有的是质量和能量的总量。总量是守恒的，但是质量和能量能相互转换。这样，在一些粒子反应中，在加速器中一个粒子被用来撞击另一个粒子，新的粒子形成了，其中就有开始的那些粒子。这怎么可能呢？加在作为子弹的粒子上的能量变成了质量。根据E＝mc2能量就是质量，什么时候有能量就有质量。它们是同一个现实的互补的侧面，而对这个现实本身我们不能图像化地描述。任何宏观的描述都捕捉不到微观现象的行为，而对于在牛顿物理学中所熟悉的问题的解答在原子现象中都不灵了。
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如果物质分解成量子或粒子，为什么我们在日常经验中注意不到呢？原因是即使一粒灰尘与原子中的粒子比也是庞然大物了。即使给这样的粒子以小的不可理解的速度，波长也会非常小，运动量子化的效应也观察不到。当我们离开原子王国趋进日常事件的王国时，量子概念就融入了经典概念，这样说是有充分根据的。在中观世界中，这是很明显的，但在原子甚至在宇宙学层次上的世界中，情形就不是这样的。
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量子理论对于实验结果的预言相当准，但对于物理过程的理解还不够。譬如说，一个电子在数学上由一个波函数表示，而波函数将电子描述成弥漫在空间中。这个波函数的确给出了在任一给定点发现电子的几率——而一旦发现，它就不是弥漫的了，而是有确定的位置。这样一来，什么是电子的正确图像呢？仪器的指针位置是正确地预言了，但作为基础的物理机制是不清楚的。数学规则是有效的，但遗憾的是对这个世界缺乏符合常识的解释。很明显的是，为了描述现实，波和粒子都需要。
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宇宙的秩序可能就是我们的心智的秩序。我们不只是实在的观测者，而且是参与者。大自然不是一本敞开的书，我们作为独立的观测者就可以读了。对于物理解释之通常要求的放弃，致使许多物理学家和哲学家怀疑我们是否拥有了对于原子现象的合适的描述。尤其是，描述的几率方式应该被看成是暂时的权宜之计，应该最终由决定论的描述所代替。
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不过我们不应该忘记，量子理论还是一项相对来说较新的进展。也许再用50年，粒子和粒子波理论中的困惑会为一种非常简单的理论所解决。许多对于粒子种类的知识都是从阴极射线屏上的一串串的点推断出的。在现代的加速器中，当粒子被撞击时这些点就出现了。从另一方面来说，这些加速器对于撞击用的粒子加上了巨大的能量，有人可能会推断说这些能量转化成了质量。物质是真实的？还是从不可靠的表面的感官观察中派生出的一种印象？从大尺度上说，质量的确是一个统计结果。
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我们见到，对于原子结构的理解对物理学有巨大的价值，其在辅助化学和生物学研究中的价值也无可估量。也许生物化学会揭示生命和遗传的秘密，从而增进我们的健康、延长我们的生命。至少可以这样说，对于原子本性的探索是富有成效的。
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对于我们来说最重要的是见到，原子结构的模型不是物理上的，它们完全是数学上的。在混乱的地方，数学提供了秩序。正如狄拉克和海森堡所说，在物理学中，对于大自然的自洽的数学描述是通向真理之路。要求形象化或要求得到物理描述，这只是经典物理学的残余。
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