原子核的密度
物质的本质是什么，从古至今，人类一直在探索。古希腊就有物质的原子说（或者分子），当然它跟现代的原子、分子并不一致，它更像是一种哲学概念。18世纪，拉瓦锡等人发现了各种化学元素，元素可以构成化合物。1799年，法国化学家约瑟夫·普鲁斯特（Joseph Proust，1754—1826）发现了定比定律，即每一种化合物，其组成元素的质量比例都是整数。应该化学家道尔顿（John Dalton，1766—1844）因此意识到，各种物质存在一些可数的最小单位，不会出现半个单位。道尔顿认为，这些最小单位就是原子。当然，道尔顿这时候还不知道区分分子和原子。
最初通过实验证实分子存在是靠间接的观察。1827年，英国生物学家罗伯特·布朗（Robert Brown，1773—1858）在显微镜下看到了悬浮于水中的花粉所做出的不规则运动，后被命名为布朗运动。科学家对布朗运动提出了各种各样的解释，最后大家一致认同，花粉的运动是由构成水分子的随机运动撞击导致的。当然这也只是个假说。1905年，爱因斯坦推导出了布朗粒子扩散方程，他根据布朗粒子的一些运动数据，推导出水分子的大小和密度，理论结果与以往的气体分子运动理论和实验结果相吻合，分子说这才算确立下来。几年后，法国物理学家佩兰（Jean Perrin，1870—1942）利用爱因斯坦的理论进一步证实了分子的存在，并因此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。今天，利用柯尔莫哥洛夫的概率论理论，以及随机过程中的邓斯克定理（Donsker’s theorem），能够证实水分子运动导致的花粉布朗运动和观察到的结果（花粉尾翼的速率和距离）完全吻合。
了解了分子和原子之后，人们就开始好奇原子是由什么构成的。为了观察原子，著名的实验物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）巧妙地找到了一种间接了解原子结构的实验方法。他利用alpha射线扫射原子，去检测原子是实心还是空心的。这个原理类似于用机枪扫射草垛，子弹没穿过去，说明草垛是实心的，穿过去说明是空心的。卢瑟福扫射金箔的时候发现，大部分粒子穿过了金箔，但一些粒子被弹了回来或者撞歪了。这说明原子内部既不是完全空心的，也不是完全实心的，而是大部分区域是空的，但是中间有一个很小的实心的核。卢瑟福把中间高密度的核称为原子核，原子核的体积很小，直径只有原子的几万分之一，相当于在足球场中央竖起的一支铅笔。因此，卢瑟福实验了两年作用，拍了几十万张照片，才得到足够多的、能够说明问题的alpha粒子被反射和溅射的照片。后来，他也因此获得诺贝尔化学奖。
1917年，卢瑟福又用alpha射线轰击质量较小的氮原子，去了解原子核的基本粒子是什么。他发现氮原子核被击碎后得到了一堆氢气的原子核。他因此得出结论：氢原子核是构成所有原子核的基本粒子，这种粒子被称为质子。卢瑟福的助手查德威克（Jaames Chadwick，1891—1974）进一步发现，氮原子的质量数是14，是氢原子核的14倍，但它只有7个电子。整个原子的电荷是中性的，7个电子说明有7个负电荷，但是质量数为14说明有14个质子，也就是14个正电荷，这么着，对外电荷就不为中性了。为了解释这种现象，卢瑟福和查德威克认为在原子核中可能有一种不带电、质量和质子一样大的基本粒子。他们将它取名为中子，即电荷中性的意思。1932年，约里奥—居里（Frederic Joliot—Curie，1900—1958）和伊雷娜·约里奥—居里（Irene Joliot—Curie，1897—1956）夫妇（居里夫人的女婿和女儿），用alpha射线轰击铍、锂、硼等元素，发现了前所未有的穿透性强的辐射。卢瑟福和查德威克认为，小居里夫妇发现的就是他们设想的中子。1932年5月，查德威克通过实验证实了中子的存在并计算出它的质量。几乎同时，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958）和小居里夫妇，也证实了中子的存在并且计算出了它的质量。1935年，关于中子发现的诺贝尔物理学奖授予了查德威克，小居里夫妇则因在放射性研究上的贡献获得了当年的化学奖，劳伦斯则在4年后因为发明回旋加速器获得了诺贝尔物理学奖。中子发现也再次说明，重大的科技发现往往是时代的机会，即使某个科学家错失了一两次机会，同时代的其他科学家也会得到相应的发现。
质子和中子统称为强子，直到1968年，斯坦福线性加速器中心（SLAC）才证实了质子中存在更小的粒子—夸克，从而证实了4年前（1964）美国物理学家穆里·盖尔曼（Murray Gell—Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）提出的夸克模型的正确性。科学家使用高速粒子轰击夸克的时候，发现夸克内部空无一物，这也就是说，夸克是构成宇宙的不可再分的基本粒子之一。事实上，它是高速旋转的纯能量。基于这种认识，宇宙万物的基本粒子就是一些夸克和轻子（比如电子），而每一种这样的粒子，其质量都是零，也就是说里面空无一物，宇宙是纯能量的。爱因斯坦的公式：E=mc^2告诉我们，我们看到的物质其实只是能量的一种表象而已。人类很早就了解到一些基本粒子的静质量为零，那为何物质有质量、形状和体积呢？1964—1965年，弗郎索瓦·恩格勒（Francois Englert）和彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一种假说—希格斯机制（Higgs mechanism）。希格斯理论认为，宇宙中有一种场（希格斯场），像胶水一样将基本粒子粘在一起，使它们有了质量和体积。物理学界逐步接受了这种想法。2012年，欧洲核子中心发现了希格斯玻粒子，证实了希格斯场的存在。2013年，恩格勒和希格斯因此荣获诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦的质能关系式E=mc^2和牛顿第二定律F=ma共同被认为是物理学上最漂亮的两个数学公式，质能关系式也告诉了人类，密度最高的能量的来源就是将质量变成能量。核武器因此诞生。
