物理学中的各种粒子，是如何通过各种实验证实存在的？

我们可以遵从历史的轨迹，看看组成物质世界的一些基本粒子是如何被发现的。

想要证实各种粒子的存在，直接利用光学手段去观测困难还是挺大的，但并不是没有可能，但这涉及到了现代物理学的一些观测技术，我们先不讨论。

首先我们来看看原子。原子作为一种哲学上的概念在古希腊时期就被哲学家提出来了，但是作为一种科学上的概念是十九世纪初英国科学家道尔顿提出来的。原子被认为是 物质世纪的最小单元，是单一的，独立的，不可再分割的。尽管在现在的我们看来，这种原子的概念存在很大的局限性，但能科学地提出这种概念是很了不起的，为人类进一步探寻物质基本结构提供了基础。尽管很早就有了原子的概念，但从实现上证实它的存在是很久之后的事了。最经典的一个现象就是布朗运动。1785年的时候，荷兰科学家扬·英格豪斯发现煤粉中的微小粒子会在酒精表面乱飞。1827年，苏格兰植物学家布朗也观察到了类似的情况，他在用显微镜观察时，发现一些花粉粒子或随机地四散开去。20世纪初，爱因斯坦从理论上解释了这种现象。他认为，花粉粒子之所有不停地动，是由于微观上做无规则热运动的水分子对花粉粒子的撞击造成的，这些水分子由原子构成。这是原子发展理论中比较经典的一个实验。后来到了 1981年，IBM的科学家们发明了STM，第一次直接地观测到了原子的存在。

图1. 用原子拼成的IBM图案

但是我们知道，原子并不是组成物质的基本粒子，原子由原子核和核外电子组成。在原子的概念发展之后，物理学家们提出了很多原子的模型，比如汤姆逊的西瓜模型，卢瑟福的行星模型 等等。电子是1897年剑桥大学卡文迪许实验室的物理学家J.J.汤姆孙在研究阴极射线时发现的。由于电子带负电，而整个原子不带电，因此他猜测原子是一种类似于西瓜的存在，电子均匀地分布在以正电为背景的原子实中。后来1911年，卢瑟福在研究α粒子的偏转实验室，发现α粒子的偏转路径并不符合汤姆孙提出的西瓜模型，这导致了他提出了原子的行星模型，并发现了原子核。

图2. 氦原子的基本结构

当然再往下走物质还具有更基本的结构。电子已经是一种很基本的粒子，但是原子核并不是。原子核由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。质子也被认为是卢瑟福在做α粒子碰撞实验室发现的，而中子是1932年英国物理学家查德威克在做α粒子轰击硼的实验中发现的。

从以上的历史过程我们可以发现，研究一种新粒子或者未知粒子的最直接方法就是碰撞，让高能粒子互相碰撞，撞碎后便有可能分解出更基本的粒子。欧洲核子研究中心（CERN）就是在做这样的事。目前为止，CERN已经发现了W 及 Z 玻色子和希格斯玻色子等很多微观粒子，一步步加深了人们对微观物质世界的认知。

图3. CERN的对撞实验