当爱因斯坦和哈勃在弄清宇宙的大尺度结构方面成果累累的时候，另一些人在努力搞懂近在手边的而从他们的角度来看又同样是非常遥远的东西：微小而又永远神秘的原子。
加州理工学院伟大的物理学家理查德·费曼有一次说，要是你不得不把科学史压缩成一句重要的话，它就会是：“一切东西都是由原子构成的。”哪里都有原子，原子构成一切。你四下里望一眼，全是原子。不但墙壁、桌子和沙发这样的固体是原子，中间的空气也是原子。原子大量存在，多得简直无法想像。
原子的基本工作形式是分子（源自拉丁文，意思是“小团物质”）。一个分子就是两个或两个以上以相对稳定的形式一起工作的原子：一个氧原子加上两个氢原子，你就得到一个水分子。化学家往往以分子而不是以元素来考虑问题，就像作家往往以单词而不是以字母来考虑问题一样，因此他们计算的是分子。分子的数量起码可以说是很多的。在海平面的高度、零摄氏度温度的情况下，一立方厘米空气（大约相当于一块方糖所占的空间）所含的分子多达4500亿亿个。而你周围的每一立方厘米空间都有这么多分子。想一想，你窗外的世界有多少个立方厘米——要用多少块方糖才能填满你的视野。然后再想一想，要多少个这样的空间才能构成宇宙。总而言之，原子是很多的。
原子还不可思议地长寿。由于原子那么长寿，它们真的可以到处漫游。你身上的每个原子肯定已经穿越几个恒星，曾是上百万种生物的组成部分，然后才成为了你。我们每个人身上都有大量原子；这些原子的生命力很强，在我们死后可以重新利用；在我们身上的原子当中，有相当一部分——有人测算，我们每个人身上多达10亿个原子——原先很可能是莎士比亚身上的原子，释迦牟尼、成吉思汗、贝多芬以及其他你点得出的历史人物又每人贡献10亿个原子。（显然非得是历史人物，因为原子要花大约几十年的时间才能彻底地重新分配；无论你的愿望多么强烈，你身上还不可能有一个埃尔维斯·普雷斯利的原子。）
因此，我们都是别人转世化身来的——虽然是短命的。我们死了以后，我们的原子就会天各一方，去别处寻找新的用武之地——成为一片叶子或别的人体或一滴露水的组成部分。而原子本身实际上将永远活下去。其实，谁也不知道一个原子的寿命，但据马丁·里斯说，它的寿命大约为1035年——这个数字太大，连我也乐意用数学符号来表示。
而且，原子很小——确实很小。50万个原子排成一行还遮不住一根人的头发。以这样的比例，一个原子小得简直无法想像。不过，我们当然可以试一试。
先从1毫米着手，就是这么长的一根线：一。现在，我们来想像一下，这根线被分成了宽度相等的1000段。每一段的宽度是1微米。这就是微生物的大小。比如，一个标准的草履虫——一种单细胞的淡水小生物——大约为2微米宽，也就是0．002毫米，它确实小得不得了。要是你想用肉眼看到草履虫在一滴水里游，你非得把这滴水放大到12米宽。然而，要是你想看到同一滴水里的原子，你非得把这滴水放大到24公里宽。
换句话说，原子完全存在于另一种微小的尺度上。若要知道原子的大小，你就得拿起这类微米大小的东西，把它切成10000个更小的东西。那才是原子的大小：1毫米的千万分之一。这么小的东西远远超出了我们的想像范围。但是，只要记住，一个原子对于上述那条1毫米的线，相当于一张纸的厚度对于纽约帝国大厦的高度，它的大小你就有了个大致的概念。
当然，原子之所以如此有用，是因为它们数量众多，寿命极长，而之所以难以被察觉和认识，是因为它们太小。首先发现原子有三个特点——即小、多、实际上不可毁灭——以及一切事物都是由原子组成的，不是你也许会以为的安托万一洛朗·拉瓦锡，甚至不是亨利·卡文迪许或汉弗莱·戴维，而是一名业余的、没有受过多少教育的英国贵格会教徒，名叫约翰·道尔顿发现的。
道尔顿的故乡位于英国湖泊地区边缘，离科克默思不远。他1766年生于一个贫苦而虔诚的贵格会织布工家庭。（4年以后，诗人威廉·华兹华斯也来到科克默思。）他是个聪明过人的学生——他确实聪明，12岁的小小年纪就当上了当地贵格会学校的校长。这也许说明了道尔顿的早熟，也说明了那所学校的状况，也许什么也说明不了。我们从他的日记里知道，大约这时候他正在阅读牛顿的《原理》——还是拉丁文原文的——和别的具有类似挑战性的著作。到了15岁，他一方面继续当校长，一方面在附近的肯达尔镇找了个工作；10年以后，他迁往曼彻斯特，在他生命的最后50年里几乎没有挪动过。在曼彻斯特，他成了一股智力旋风，出书呀，写论文呀，内容涉及从气象学到语法。他患有色盲，在很长时间里色盲被称做道尔顿症，因为他从事这方面的研究。但是，是1808年出版的一本名叫《化学哲学的新体系》的厚书，终于使他出了名。
在该书中，学术界人士第一次接触到了近乎现代概念的原子。道尔顿的见解很简单：在一切物质的基部，都是极其微小而又不可还原的粒子。“创造或毁灭一个氢粒子，也许就像向太阳系引进一颗新的行星或毁灭一颗业已存在的行星那样不可能。”他写道。
无论是原子的概念，还是“原子”这个词本身，都称不上是新鲜事。二者都是古希腊人发明的。道尔顿的贡献在于，他考虑了这些原子的相对大小和性质，以及它们的结合方法。例如，他知道氢是最轻的元素，因此他给出的原子量是1。他还认为水由七份氧和一份氢组成，因此他给氧的原子量是7。通过这种办法，他就能得出已知元素的相对重量。他并不总是十分准确——氧的原子量实际上是16，不是7，但这个原理是很合理的，成了整个现代化学以及许多其他科学的基础。
这项成就使道尔顿闻名遐迩——即使是以一种英国贵格会式的低调。1826年，法国化学家P．J．佩尔蒂埃来到曼彻斯特，想会一会这位原子英雄。佩尔蒂埃以为他属于哪个大机构，因此，当他发现道尔顿在小巷里的一所小学教孩子们基础算术的时候，不由得大吃一惊。据科学史家E．J．霍姆亚德说，佩尔蒂埃一见到这位大人物顿时不知所措，结结巴巴地说：
“请问，这位是道尔顿先生吗？”因为他无法相信自己的眼睛，这位欧洲赫赫有名的化学家竟然在教小孩子加减乘除。“没错儿，”那位贵格会教徒干巴巴地说，“请坐，让我先教会孩子这道算术题。”
虽然道尔顿想要远离一切荣誉，但他仍违心地当选为皇家学会会员，捧回一大堆奖章，获得一笔可观的政府退休金。他1844年去世的时候，40000人出来瞻仰他的灵柩，送葬队伍长达3公里多。他在《英国名人词典》中的条目是字数最多者之一，在19世纪的科学界人士当中，论长度只有达尔文和莱尔能与之相比。
在道尔顿提出他的见解以后的一个世纪时间里，它仍然完全是一种假说。一些杰出的科学家——尤其是奥地利物理学家恩斯特·马赫，声速单位就是以他的名字命名的——还压根儿怀疑原子是不是存在。“原子看不见摸不着……它们是脑子想像出来的东西。”他写道。尤其在德语世界，人们就是以这种怀疑目光来看待原子的存在。据说，这也是导致伟大的理论物理学家和原子的热心支持者路德维希·玻尔茨曼自杀的原因之一。
是爱因斯坦在1905年以那篇论布朗运动的论文首次提出了无可争议的证据，证明原子的存在，但没有引起多大注意。无论如何，爱因斯坦很快就忙于广义相对论的研究。因此，原子时代的第一位真正的英雄是欧内斯特·卢瑟福，如果他不是当时涌现出来的第一人的话。
卢瑟福1871年生于新西兰的“内陆地区”。用斯蒂芬·温伯格的话来说，他的父母为了种植一点亚麻、抚养一大堆孩子，从苏格兰移居到新西兰。他在一个遥远国度的遥远地区长大，离科学的主流也同样很遥远。但是，1895年，他获得了一项奖学金，从而有机会来到剑桥大学的卡文迪许实验室。这里快要成为世界上搞物理学的最热门的地方。
物理学家特别瞧不起其他领域的科学家。当伟大的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利的妻子离他而去，嫁了个化学家的时候，他吃惊得简直不敢相信。“要是她嫁个斗牛士，我倒还能理解，”他惊讶地对一位朋友说，“可是，嫁个化学家……”
卢瑟福能理解这种感情。“科学要么是物理学，要么是集邮。”他有一回说。这句话后来反复被人引用。但是，具有某种讽刺意味的是，他1908年获得的是诺贝尔化学奖，不是物理学奖。
卢瑟福是个很幸运的人——很幸运是一位天才；但更幸运的是，他生活在一个物理学和化学如此激动人心而又如此势不两立的年代（且不说他自己的情感）。这两门学科再也不会像从前那样重合在一起了。
尽管他取得那么多成就，但他不是个特别聪明的人，实际上在数学方面还很差劲。在讲课过程中，他往往把自己的等式搞乱，不得不中途停下来，让学生自己去算出结果。据与他长期共事的同事、中子的发现者詹姆斯·查德威克说，他对实验也不是特别擅长。他只是有一股子韧劲儿，思想比较开放。他以精明和一点胆量代替了聪明。用一位传记作家的话来说，在他看来，他的脑子“总是不着边际，比大多数人走得远得多”。要是遇上一个难题，他愿意付出比大多数人更大的努力，花出更多的时间，而且更容易接受非正统的解释。由于他愿意坐在荧光屏前，花上许多极其乏味的时间来统计所谓α粒子的闪烁次数——这种工作通常分配给别人去做——所以他才有了最伟大的突破。他是最先的人之一——很可能就是最先的人——发现原子里所固有的能量一旦得到利用可以制造炸弹，其威力之大足以“使这个旧世界在烟雾中消失”。
就身体而言，他块儿很大，体格壮实，说话声音能把胆小的人吓一大跳。有一次，一位同事获悉卢瑟福就要向大西洋彼岸发表广播演说，便冷冷地问：“干吗要用广播？”他还非常自信，心态不错。当有人对他说，他好像总是生活在浪尖上，他回答说：“哎呀，这个浪头毕竟是我制造的，难道不是吗？”C．P．斯诺回忆说，有一次他在剑桥的一家裁缝店里偷听到卢瑟福在说：“我的腰围日渐变粗，同时，知识日渐增加。”
但是，在他1895年来到卡文迪许实验室的时候，这一切还是遥不可及的。他的腰围会变得更粗，名声会变得更响，但这是许多年以后的事。卢瑟福抵达剑桥大学的那一年，威廉·伦琴在德国的维尔茨堡大学发现了X射线；次年，亨利·贝克勒尔发现了放射现象。卡文迪许实验室本身就要踏上一条漫长的辉煌之路。1897年，J．J．汤普森和他的同事将在那里发现电子；1911年，C．T．R．威尔逊将在那里制造出第一台粒子探测器（我们将会谈到）；1932年，詹姆斯·查德威克将在那里发现中子。在更远的将来，1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克将在卡文迪许实验室发现DNA结构。
开头，卢瑟福研究无线电波，取得了一点成绩——他成功地把一个清脆的信号发送到了1公里之外，这在当时是一个相当可以的成就——但是，他放弃了，因为有一位资深同事劝他，无线电没有多大前途。总的来说，卢瑟福在卡文迪许实验室的事业不算兴旺。他在那里待了3年，觉得自己没有多大作为，便接受了蒙特利尔麦克·吉尔大学的一个职位，从此稳步走上了通向辉煌的漫长之路。到他获得诺贝尔奖（根据官方赞词，是“由于研究了元素的衰变和放射性物质的化学性质”）的时候，他已经转到曼彻斯特大学。其实是在那里，他将取得最重要的成果，确定原子的结构和性质。
到20世纪初，大家已经知道，原子是由几个部分构成的——汤姆逊发现电子，就确立了这种见解——但是，大家还不知道的是：到底有多少个部分；它们是怎样合在一起的；它们呈什么形状。有的物理学家认为，原子可能是立方体的，因为立方体可以整齐地叠在一起，不会浪费任何空间。然而，更普遍的看法是，原子更像一块葡萄干面包，或者像一份葡萄干布丁：一个密度很大的固体，带有正电荷，上面布满了带负电荷的电子，就像葡萄干面包上的葡萄干。
1910年，卢瑟福（在他的学生汉斯·盖格的协助之下。盖格后来将发明冠有他名字的辐射探测仪）朝一块金箔发射电离的氦原子，或称α粒子。令卢瑟福吃惊的是，有的粒子竟会反弹回来。他说，他就像朝一张纸发射了一发38厘米的炮弹，结果炮弹反弹到了他的膝部。这是不该发生的事。经过冥思苦想以后，他觉得只有一种解释：那些反弹回来的粒子击中了原子当中又小又密的东西，而别的粒子则畅通无阻地穿了过去。卢瑟福意识到，原子内部主要是空无一物的空间，只有当中是密度很大的核。这是个很令人满意的发现。但马上产生了一个问题，根据传统物理学的全部定律，原子因此就不应该存在。
让我们稍停片刻，先来考虑一下现在我们所知道的原子结构。每个原子都由三种基本粒子组成：带正电荷的质子，带负电荷的电子，以及不带电荷的中子。质子和中子装在原子核里，而电子在外面绕着旋转。质子的数量决定一个原子的化学特性。有一个质子的原子是氢原子；有两个质子的原子是氦原子；有三个质子的原子是锂原子；如此往上增加。你每增加一个质子就得到一种新元素。（由于原子里的质子数量总是与同样数量的电子保持平衡，因此你有时候会发现有的书里以电子的数量来界定一种元素，结果完全一样。有人是这样向我解释的：质子决定一个原子的身份，电子决定一个原子的性情。）
