開(kāi)頭，盧瑟福研究無(wú)線電波，取得了一點(diǎn)成績(jī)--他成功地把一個(gè)清脆的信號(hào)發(fā)送到了1公里之外，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)相當(dāng)可以的成就--但是，他放棄了，因?yàn)橛幸晃毁Y深同事勸他，無(wú)線電沒(méi)有多大前途?？偟膩?lái)說(shuō)，盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的事業(yè)不算興旺。他在那里待了3年，覺(jué)得自己沒(méi)有多大作為，便接受了蒙特利爾麥克·吉爾大學(xué)的一個(gè)職位，從此穩(wěn)步走上了通向輝煌的漫長(zhǎng)之路。到他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)候，他已經(jīng)轉(zhuǎn)到曼徹斯特大學(xué)。其實(shí)是在那里，他將取得最重要的成果，確定原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

到20世紀(jì)初，大家已經(jīng)知道，原子是由幾個(gè)部分構(gòu)成的--湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，就確立了這種見(jiàn)解--但是，大家還不知道的是：到底有多少個(gè)部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什么形狀。有的物理學(xué)家認(rèn)為，原子可能是立方體的，因?yàn)榱⒎襟w可以整齊地疊在一起，不會(huì)浪費(fèi)任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄干面包，或者像一份葡萄干布?。阂粋€(gè)密度很大的固體，帶有正電荷，上面布滿了帶負(fù)電荷的電子，就像葡萄干面包上的葡萄干。

1910年，盧瑟福（在他的學(xué)生漢斯·蓋格的協(xié)助之下。蓋格后來(lái)將發(fā)明冠有他名字的輻射探測(cè)儀）朝一塊金箔發(fā)射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會(huì)反彈回來(lái)。他說(shuō)，他就像朝一張紙發(fā)射了一發(fā)38厘米的炮彈，結(jié)果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發(fā)生的事。經(jīng)過(guò)冥思苦想以后，他覺(jué)得只有一種解釋：那些反彈回來(lái)的粒子擊中了原子當(dāng)中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無(wú)阻地穿了過(guò)去。盧瑟福意識(shí)到，原子內(nèi)部主要是空無(wú)一物的空間，只有當(dāng)中是密度很大的核。這是個(gè)很令人滿意的發(fā)現(xiàn)。但馬上產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，根據(jù)傳統(tǒng)物理學(xué)的全部定律，原子因此就不應(yīng)該存在。

讓我們稍停片刻，先來(lái)考慮一下現(xiàn)在我們所知道的原子結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質(zhì)子，帶負(fù)電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質(zhì)子和中子裝在原子核里，而電子在外面繞著旋轉(zhuǎn)。質(zhì)子的數(shù)量決定一個(gè)原子的化學(xué)特性。有一個(gè)質(zhì)子的原子是氫原子；有兩個(gè)質(zhì)子的原子是氦原子；有三個(gè)質(zhì)子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個(gè)質(zhì)子就得到一種新元素。（由于原子里的質(zhì)子數(shù)量總是與同樣數(shù)量的電子保持平衡，因此你有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)有的書(shū)里以電子的數(shù)量來(lái)界定一種元素，結(jié)果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質(zhì)子決定一個(gè)原子的身份，電子決定一個(gè)原子的性情。）

中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，中子數(shù)量與質(zhì)子數(shù)量大致相等，但也可以稍稍多一點(diǎn)或少一點(diǎn)。增加或減少一兩個(gè)中子，你就得到了同位素。考古學(xué)里就是用同位素來(lái)確定年代的--比如，碳－14是由6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成的碳原子（因?yàn)槎咧褪?4）。

中子和質(zhì)子占據(jù)了原子核。原子核很小--只有原子全部容量的千萬(wàn)億分之一，但密度極大，它實(shí)際上構(gòu)成了原子的全部物質(zhì)?？肆_珀說(shuō)，要是把原子擴(kuò)大到一座教堂那么大，原子核只有大約一只蒼蠅那么大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。

認(rèn)為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實(shí)體只是一種幻覺(jué)，這個(gè)見(jiàn)解現(xiàn)在依然令人吃驚。要是兩個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)世界里碰在一起--我們常用臺(tái)球來(lái)作為例子--它們其實(shí)并不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費(fèi)里斯解釋說(shuō)，"兩個(gè)球的負(fù)電荷場(chǎng)互相排斥......要是不帶電荷，它們很可能會(huì)像星系那樣安然無(wú)事地互相穿堂而過(guò)。"你坐在椅子上，其實(shí)沒(méi)有坐在上面，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上面，你的電子和它的電子不可調(diào)和地互相排斥，不可能達(dá)到更密切的程度。

差不多人人的腦海里都有一幅原子圖，即一兩個(gè)電子繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，就像行星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。這個(gè)形象是1904年由一位名叫長(zhǎng)岡半太郎的日本物理學(xué)家創(chuàng)建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯(cuò)的，但照樣很有生命力。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創(chuàng)作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽(yáng)系，我們的太陽(yáng)系成了一個(gè)大得多的體系里的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長(zhǎng)岡所提出的圖像作為它網(wǎng)站的標(biāo)記。物理學(xué)家很快就意識(shí)到，實(shí)際上，電子根本不像在軌道上運(yùn)行的行星，更像是電扇旋轉(zhuǎn)著的葉片，想要同時(shí)填滿軌道上的每一空間。（但有個(gè)重要的不同之處，那就是，電扇葉片只是好像同時(shí)在每個(gè)地方，電子真的就同時(shí)在每個(gè)地方。）

不用說(shuō)，在1910年，或在此后的許多年里，知道這類知識(shí)的人為數(shù)甚少。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)馬上產(chǎn)生了幾個(gè)大問(wèn)題。尤其是，圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子可能會(huì)墜毀。傳統(tǒng)的電動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的電子很快會(huì)把能量消耗殆盡--只是一剎那間--然后盤旋著飛進(jìn)原子核，給二者都帶來(lái)災(zāi)難性的后果。還有一個(gè)問(wèn)題，帶正電荷的質(zhì)子怎么能一起待在原子核里面，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見(jiàn)，那個(gè)小天地里在發(fā)生的事，是不受適用于我們宏觀世界的規(guī)律支配的。