第一个科学地、成功地使用显微镜的人竟是荷兰一个服装推销员。安东·冯·列文虎克。他学历很浅，没受过正规的科学训练，磨制和玩赏玻璃透镜是其最大的癖好。列文虎克自制了一台能放大200倍的透镜，用它观察各种西。1683年他在观察雨滴时依稀看到了第一批微小的生物体，他称它们作微生物或“小动物”。后经科学界认定，他可能是最早发现细菌的人。
细菌的大小约为1微米，是利用光学显微镜所能看到的最小的东西。显然，尺度小于可见光的波长的物体，靠光学仪器是看不见的。不过，粒子也能具有像光波一样的行为，例如，电子产生的波，其被长比光波短几千倍。于是，人们用电子透镜来观察更微小的东西。第一台电子显微镜产生于1931年，从而洞见了病毒世界。如今的电子显微镜能够“看到”分子的结构并能扫描单个原子的表面。

化学原子论
用原子的观念来阐明化合物的组成所服从的定量规律，并且通过实验来测量不同元素的原子的质量之比。
这种始自化学的原子假说可以叫做“化学原子论”，也可以说成是科学的原子论。这种原子论一经建立，就成为化学乃至所有自然科学的理论基础。
化学原子论最初提出于1803年。若以系统阐述这一假说的著作即《化学和哲学的新体系》的出版为标志，则为1808年。化学原子论的创立者是位自学成才的化学家和物理学家，约翰·道尔顿。

1803年10月18日，道尔顿在曼彻斯特文哲学会报告了关于原子假说的论文。他在文末写道：“尽我所知，考察物质的终极粒子的相对重量是个全新的课题；近来我做的这种考察很有成效。这篇论文没有阐述其原理，不过，我把我的实验所测定的一些结果，放在附录里。”
这篇论文的附录里有张列有21种元素的原子量表。该文先在《曼彻斯特文集》上发表，后转载于《科学日志》。
1804年，道尔顿发现倍比定律。这一发现，是对他的原子假说的最直接而又有力的支持。尔后三年里，道尔顿将他的原子思想发展成为比较完整并自成体系的学说。

1897年汤姆逊证明阴极射线带有负电，并且测定了它的质量和电荷比值。汤姆逊认为:“在阴极射线里物质处于一种新的状态，在这里物质远比在气体状态分割得更细；所有物质，包括不同来源，例如氢、氧等派生的物质，在此状态下都是同一种；这种物质是一切化学元素的构成材料”。汤姆逊始称阴极射线粒子为“微粒”，并依斯通尼的叫法称这种微粒所带的电荷为“电子”。大约10年后。这种微粒的实在性已被广为接受，物理学家们开始把这种粒子本身叫作电子。
电子，是人类认识的第一个基本粒子。它不仅使道尔顿的化学原子显示出了物理上的实在性，更使人类的智力活动空前地跃进！
电子被发现以后，人们自然想到了原子的结构问题。原子是不带电即电中性的，而电子带负电荷，显然，原子中必定含有带正电荷的物质。这种带正电荷的物质是什么东西，正、负电荷在原子中是怎样分布的呢?
英国曼彻斯特大学的卢瑟福及其合作者通过用阿尔法粒子轰击金属薄膜的实验，回答了原子中的物质和电荷的分布问题，并且为处理这类问题提供了非常有用的实验方法。他们用高能量的天然放射性粒子对准很薄的金属箱，从这些子弹飞过金属简时的偏转情况来推断金属原子中电荷的分布。在实验中他们发现了意外的情况：有些子弹射到靶上后被弹开了，有的甚至反弹回来。卢瑟福惊叹道：“这在我的一生中的确是最不可思议的事件。就像你对一张薄薄的纸发射一颗15英寸的炮弹，而这炮弹可以弹回来打你一样不可思议。”惊诧之余，卢瑟福终于悟出了其中的奥秘，从而知道了原子像个什么以及怎样解释阿尔法粒子的大偏转。他得出了这样的结论原子中含有又小又重、带正电的原子核，电子像行星一样环绕着原子核。
1911年，卢瑟福在曼彻斯特文学和哲学学会上宣读了关于原子结构的论文。正是在这同一讲坛上，道尔顿曾于1803年报告过原子量研究的结果。从原子到原子核，人类的认识历经百余年。

三、四种自然力
万有引力
1890年，厄阜完成了一项旨在检验惯性质量和引力质量的比值的精巧实验。对所有被检测的材料，他在10的-8次方的精度内证实了这两种质量是等效的。后来厄阜本人和其他不少人先后重复了厄阜实验，20世纪60年代达到了高于10的-8次方“的精度。对两种质量等效的经验事实，爱因斯坦1911年提出的等效原理使之得到了说明，它被证明是不同参照系的等效性（即处在无引力场区域内的加速系等效于静态引力场中一个给定无限小区域内的静止系）的必然结果。

等效原理是爱因斯坦的广义相对论的理论核心，它自然地给出了厄阜
实验所要证实的两种质量的等效性。换言之，等效原理预言了这种等效性。
因此，厄阜实验可以看作广义相对论的一种实验验证。此外，广义相对论所预言的引力红移（有宇宙在膨胀着的含义）、行星轨道的近日点前移和光线经过太阳近旁偏转，都已被宇宙学的观测所证实。

诡秘的弱力
自1896年放射性现象被发现之后，人们发现某些原子会衰变成另外一些原子。后来才知道是这些原子的原子核不稳定而发生了衰变。有时这些衰变过程伴随着贝塔（β）射线的产生，因此这种衰变被人称为贝塔衰变。
人们进而认识到贝塔射线乃电子流，贝塔衰变是由一种以前不曾知晓的自然力即弱力引起的。实验最早观测到的贝塔衰变，即中子的贝塔衰变，便是由这种弱力引起的核反应。当初以为这种反应是原子核里面的中子衰变
成一个质子同时放出一个电子从而变成另一种原子核。对这种贝塔衰变的研究，导致了现代粒子物理学的激动人心的进展。1931年，针对衰变过程中能量不守恒的问题，泡利提出了中微子假说。这一假说认为，中子衰变成质子时，不仅放出一个电子，还放出一个质量几近于零的中性微粒子。后来费米给这个粒子起名为中微子，它于50年代初在原子反应堆上被发现了。1956年，为了解开另一个谜，美籍中国物理学家李政道和杨振宁提出了在弱力下一种叫做宇称不变性的对称性（或类比为镜像对称性）会被破坏的假说。这一假说次年就被吴健雄等人的实验所证实。而在这以前、自然规律的宇称不变性被认为是天经地义的。事实上，在其他三种自然力的情况下宇称都是守恒的。
1934年，费米建立了描述贝塔衰变一类弱力现象的弱力理论。在费米理论中，参与弱力作用的粒子被看作是在同一时空点上互相影响，即弱力的力程被假定为零。费米理论经过20余年的检验和修正。特别是因为解除了宇称守恒的限制，发展成为一个能很好地描述低能情况下的多种弱力现象的普适理论。所谓普适性，是指所有弱力过程都可采用同一个强度常数，即普适耦合常数。不过，这个常数与电磁力的常数不一样，它不是一个纯粹的数，而是一个带有量纲的常量，其数值为10的-5次方的量级。
这种将弱力的力程视为零的费米理论，包括发展后的普适理论，有一些基础性的问题难以解决。例如，利用这个理论只能低级近似地描述一些弱力过程，而不能像电磁理论那样可以在非常高的精确度上计算反应过程的高级效应。更有甚者，一旦反应能量高于确定的限度，这种弱力理论就完全不适用。

借鉴电磁力是由光子来传递的经验。不少物理学家早在30年代就已想到，弱力可能是由有静止质量的粒子来传递的。1949年，李政道、罗申布鲁斯和杨振宁在《物理评论》上发表了一篇通讯，提出了中间或色子假说。物理学家们设想的中同或色子，是类似于光子角色的传递弱力的媒介子，因而用英文“弱”宇的开头字母W来命名。根据当时拿握的有关弱力的实验资料，人们预言了W粒子的一些性质，其中包括对它的质量的推测，认为其质量必须很大，才能反映出弱力力程极短的特点。
中间玻色子假说，不仅可以克服费米理论中的一些基本困难，还使弱力的强度、力程和作用规律显得与电磁力相似。这些相似之处，提供了统一描述弱力和电磁力的可能性。这种可能性激励了不少物理学家去思考实现这种想法时随之而来的一些十分棘手的问题。
在杨振宁和密尔斯1954年建立的规范理论的框架内，格拉育于1961年把弱力和电磁力当作同一种力来处理，提出了一个弱电统一模型。1967年和1968年，温伯格和萨拉姆先后在格拉育的模型中引入一种非常有用的希格斯机制，使这个模型趋于完善。

弱电统一模型不仅包容了完备的电磁理论和费米弱力理论的合理部分、面且含有两种新奇事物的预言。一是预言了一种新的弱力形式即中性弱力的存在（以前只知道带电弱力）：二是预言了带正负电荷和中性的三种中间玻色子的存在及其质量的大小。1973年，欧洲核子研究中心的实验证实了第一个预言；1983年，该中心又发现了这三种媒介子，而且它们的质量与理论预言值惊人地相符。弱电统一理论自建立至今，人们尚未发现任何与它不符的验证。它已被公认为20世纪物理学的辉煌成就之一

神奇的强力
对强力最初的推测，知道它是使原子核得以成形并保持稳定的一种力，也称它为核力。原子是靠带负电的电子对带正电的原子核的吸引力而约束成形的。然而在原子核里的带正电的质子之间，其电磁力是斥力。重元素
的原子核内含有许多质子，它们之间的电斥力相当大，若没有一种强大的力来维持的话，原子核势必会四分五裂。于是核力被认为是一种力度很强、力程像核的尺度一样短的吸引力，而且与电荷无关，从而能将质子和中子束缚在一起。
人们在日常生活中虽然不能直接感受到核力的影响，但可以间接看到它的效应。从20世纪40年代第一颗原子弹爆炸开始，核反应堆中的裂变反应，核能发电站，氢弹实验，使太阳发光的热核聚变等等核力的表现形式、足以让人类感受到这种自然力的慑人威力。
人类认识事物的过程，总是从粗浅到精深，对核力的认识也是如此。随着理论研究的深化和实验技术的提高，人们发现原子核的组成及核力的性质不像最初设想的那样简单。例如，核力的力程虽然短，但随着核内质子和中子的距离变化而有着短程、中程和长程之分。而且，只有长程部分表现为吸引力，而中、短程部分表现为排斥力。这不同力程的核力，最初被认为是由不同种类的介子传递的。

从70年代起，粒子物理学家开始把夸克之间的作用力看成原始的强力，而把束缚原子核的核力视为强力的残余，就像把电中性的原子组成分子的结合力视为电磁力的残余一样。在夸克之间传递强力的媒介子，被认为是8种不带电的并且没有质量的胶子。与光子不同的是，胶子像夸克一样带有“颜色”，也像夸克一样不能单个出现。人们通过高能加速器实验了解到这种原始强力的两个特点:当夸克之间的距离稍微增大时，强度就会变得非常大，术语叫“红外奴役”；而当夸克间距很小时，强度就会变弱，以致于使夸克的行为几乎像不受力的自由粒子那样这个性质叫“渐近自由”。表征强力大小的耦合常数是个随反应能量而变的数，一般来说，它是电磁耦合常数的100倍。
70年代建立起来的量子色动力学，是描连夸克这个层次的强力现象和规律的基本理论。人们希望在这一理论体系内来理解所有的强力现象。将量子色动力学与弱电统一理论组合起来。便是粒子物理学中著名的描述强
力、电磁力和弱力的“标准模型”。20多年来，这个标准模型一直经受着粒子物理学和宇宙学的实验检验，并且日臻完善。
标准模型尤其是弱电统一模型的成功，激励着物理学家们向力的统一道路上迈进。人们把焦点放在弱电力和强力的类似点和模式上，在规范理论的框架内建立了多种统一弱力、电磁力和强力的大统一模型。在这些模型中，弱力、电磁力和强力的原始强度都是一样的，或者说出自同一根源，只是在不同的能量标度上才表现出强弱的差别和各自的特征。
大统一理论处理夸克和轻子的方式，是将它们视为同一类基本状态中的可以相互变换的多重形态。这必然导致质子不稳定的结论。为了检验这种结论的正确性，所做的很多实验足以表明科学家们无比细致和耐心。
例如，把大约盛有1万吨水的探测器安放在将近两千米深的矿井之中，以减小宇宙射线造成的污染。再把记录粒子的仪器置于水的四周。如果在一年内水中所含的大约10的33次方个质子中有1个变成正电子并放出有着特征波长的光子，则证明了质子果然衰变并意味着大统一理论得到验证。不过实验表明，质子的寿命至少在10的33次方年以上，低于这个年限的预言，其模型便是靠不住的。总之，对3种乃至于4种力的统一描述，无疑是个跨时代的研究课题。