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以弗里德曼、爱因斯坦等人成果为基础构建起来的热大爆炸宇宙模型，表明我们的宇宙源于一次大爆炸。要是时光能够倒转，那此次爆炸必然存在一个起始点。“大爆炸的起始点究竟出现了什么情况？为何会引发爆炸？如今的物质到底是从何处而来？”早期的大爆炸理论没法解答这些问题，它仅仅能描绘“爆炸之后”所发生的事情。
图1，大爆炸，宇宙，演化历史，（Data Group at Lab）。
宇宙诞生之初时，恰似一个能量极高且体积特别小的原初火球，我们要借助粒子物理方面的知识方可描述此时期的宇宙。原子核物理，能告知我们宇宙中的元素源自何处，比如像太阳这般的恒星为何会存在，它为何能够燃烧亿万年，抚育着地球上数不清的生命；中子星、黑洞这类神秘奇特的天体又是怎样形成的……
粒子物理跟原子核物理，合起来称作亚原子物理，其就是针对比原子还要小的尺度范围内的物理规律展开研究。我们能够进行观测的宇宙的最大范围，大概是1027米，然而我们当前所知道的最小结构，大约为10-19米。有人把宇宙比作是一个头部跟尾部相衔接的蛇，在最大那头跟最小那头衔接起来。要弄清楚最大的宇宙是从哪里来的，我们居然要跨越46个量级，借助最小的微粒，通过见微知著。首先，我们就先去回顾一下亚原子物理发展的早期时期。
图2呈现之宇宙，恰似一条其头部与尾部相互连接的衔尾蛇，若要知晓最大尺度下宇宙的起始源头，那便意味着需求助于对于最小尺度微观结构的认知。
摩擦为什么会起电？
就我们在生活里头，常常会历经这样的体验，什么体验，就是从塑料滑梯上面滑下来的时候，头发会如同金毛狮王那般炸开，之后跟别人击掌之际，会被“啪”的一下狠狠电到，大家还发觉了，用丝绸摩擦过的玻璃、水晶，以及用毛皮摩擦过的树脂、琥珀，能够吸引纸屑之类的轻小物体，也就是图3所示之物，这便是摩擦起电现象了。
图3呈现的是摩擦起电所产生的一种现象，上面展示的是，那只到处四处乱蹭的猫咪，它整个身体吸满了泡沫海绵；而下边呈现的则是，在滑梯上玩耍的孩子，其头发出现了带电并且相互排斥的状况。
一名来自16世纪的英国医生，名叫威廉·吉尔伯特，他仿照琥珀的希腊字，引入了“电”这个名字，其拉丁文为。玻璃电会吸引普通物质，树脂电同样会吸引普通物质，玻璃电还会吸引树脂电，然而单独携带玻璃电的物体与单独携带树脂电的物体之间会相互排斥。摩擦起电的本质到底是什么呢？当时的人们并不清楚。
在18世纪的时候，对于电的本质存在着两种主流的观点，迪费，也就是Du Fay, de等人觉得电是两种不一样的流体在进行流动，而富兰克林那一派则认为电是由单一粒子构成的单流体。富兰克林对于电的阐述在当时影响力颇大，他觉得电是由“极微小粒子”组成的，普通物质就像海绵那样容纳电，当丝绸去摩擦玻璃棒时，一些电会从丝绸上转移到玻璃棒上，丝绸就会留下缺额。这种缺额和树脂电是同一种电。在毛皮与树脂棒互相摩擦之际，电会从树脂棒上面转移至毛皮之上，致使树脂棒上面留下缺额。富兰克林把树脂电称作负电（），将玻璃电叫做正电（），并且把任何物体当中电的数量定义为该物体的电荷（），富兰克林所使用的这些术语一直沿用直至今日。他还提出了一个基本的假说 —— 电荷守恒（ of），即电既不会被创造出来，也不会自行消失，仅仅能够进行转移。
图4呈现，上面部分，是富兰克林的闪电实验，下面部分，是正电荷与负电荷，同性的情况相互排斥，异性的情况相互吸引。
那场关于单流体还是两流体的争论，一直到 19 世纪末发现电子这个以后，切实才真正成功得以解决。现今我们明晰，两种理论都存在有正确的地方。世界上存在着两种电荷，分别是正电荷以及负电荷，并且同种电荷彼此相互排斥，因而在塑料滑梯上玩耍的孩子，鉴于积累了同种电荷，其头发由于互相排斥进而炸开。因为异种电荷彼此相互吸引，当电荷朝着轻小物体靠近时，电荷自身的电场致使物体靠近该电荷的那一端出现异种电荷，而远离的那一端出现同种电荷，这便是“极化”现象（，图5），轻小物体重量较轻，由极化所产生的库仑力能够将它吸引起来。往后我们会提及，在真空中存在着一种极化——真空极化（），正反虚粒子于真空中持续不断地生成，隐匿了物质创生以及相互作用的奥秘。
图5左边，当没有外电场的时候，有极分子所具有的固有电偶极矩，因为热运动呈现无规则的排布状况，进而相互抵消掉了；图5右边，当存在外电场的时候，有极分子的电偶极矩在外电场的作用之下，趋向于进行定向排布，在宏观层面上出现了电偶极矩、体电荷（介质是不均匀的那种情况）以及面电荷，这些电荷被称作“极化电荷”或者束缚电荷，极化电荷这样的情况会致使整个电介质的电场发生变化，普通物质的原子是由带着负电的电子以及带着正电的原子核共同组成的，原子核所带的正电荷数量跟核外电子所带的负电荷数量是相等的物理竞赛原子物理，整个原子呈现出电中性的状态。电子被束缚于致密的原子核周边区，原子核集聚了物质的绝大部分质量，摩擦起电实则是因不同材料获取或丧失电子，鉴于得失电子的能力存在差异，当两种材料相互摩擦之际，获取电子的一方携带负电，失去电子的一方带有正电，富兰克林恰把“盈余”与“缺额”弄反了。
固体物质方面，通常可见原子核是静止不动的，于摩擦起电进程里，传递的唯有电子这点上，富兰克林是正确的。然而要是把盐这类电解质溶于水，能得到带正电与负电且可自由移动的离子，此时流动的便是正离子和负离子这两种粒子了。另外，存在“正电子”物理竞赛原子物理，它除了带有正电荷之外，其他性质跟电子一样。在更深层次意义上，迪费是对的，正电荷、负电荷都是基本电荷。
在1752年的时候，富兰克林当下还于费城开展了那极为著名的雷电试验，也就是图4所呈现的那个，而后富兰克林在致信英国去重复该实验之际写道，当雨水把风筝线打湿进而使其能够导电，就会发觉电流持续朝着一旁的钥匙流去，凭借这个钥匙能够给莱顿瓶充电，从中获取到的电火花能够用以开展所有的电学实验，富兰克林证实了闪电的本质实际上就是电流，然而用闪电做实验实在是太过危险了，后来人们发现，在抽掉空气的玻璃管里面加上高电压而出现的放电现象，这能够用来进行电学研究。
阴极发出的射线
在1709年的时候，毫克斯比发现了这样一种情况，要是把玻璃容器当中的空气给抽掉，当压强降低到大气压的1/60这个程度时，把容器跟自己改造的摩擦起电机连接在一起，能够在容器内看到发光的现象，而要是把空气放进玻璃容器里，发光的亮度又会减弱。这就是低压气体中的放电现象。
在1839年时，法拉第察觉到，当把一根玻璃管内的气体抽得越发稀薄时，就越发容易出现辉光现象。他将一根玻璃管内的空气抽去，在管子两端焊接两根黄铜当作电极，随后进行通电操作，结果发现阳极与阴极之间发出了辉光，辉光中间存在一个暗区，而这个暗区后来被称作“法拉第暗区”。由于电和空气向来就是混杂的，若想要知晓电的性质，最好是在真空中开展放电研究。然而法拉第当时所能达到的真空度仅仅为10 - 3个大气压量级，空气对电流依旧存在很大的干扰，这致使法拉第最终不得不终止了研究。
现如今我们清楚知晓，依据量子力学的相关知识，原子的能量是由围绕原子核运动的电子的动能以及势能所决定的。并且电子运动的轨道并非是随意的，电子仅仅能够在某些特定的轨道上进行运动，所以原子能量仅仅能够选择一系列离散的数值，这些离散的能量进而构成了原子的“能级”那么个东西。也就是说，原子能量呈现出“量子化”这样一种特定情况。
在图6当中，存在一些不同的电子轨道能级，把它们叫做电子壳层，这些电子轨道能级，是用字母K、L、M、N……来进行标注的，其中K表示的是最内层，同时它也是能量最低的能级，并且越往外层去，能级的能量就越高。与此同时，我们还给这些能级分配了量子数1、2、3、4……。而K能级所分配的量子数是1。每一层能够容纳的最大电子数是2n2，这里的n指的是该壳层的量子数。如此一来，K层能够容纳2个电子，L层能够容纳2×(2)2 =8个电子……原子的外层被称作“价电子层（Shell）”，它决定了元素的化学性质。
图 6 电子轨道能级及填充规则
带负电的电子和弦带正电的原子核之间存在着吸引力，这时，倘若要想将电子从原子内部移走，那么我们就需要额外的能量，把一个轨道电子从原子内移到无穷远处所需的能量被称作“轨道束缚能（）”，无穷远处的束缚能是0，所以原子内电子能级值一直都是负值，原子核内的质子数量越多，对于同一个电子壳层而言，束缚能也就越强。通常，我们用Z来表示质子的数量，如图7所示，钨的Z等于74，其K层轨道能量是，这里eV是能量单位，称作电子伏特，它表示一个电子经过1伏特电压加速后所获得的动能，而与氢相比，氢的Z等于1，钨的K层电子比氢的K层电子 -13.5eV束缚得更为紧密。
图7 氢和钨的能级图
通常状况下称，一般的时候，原子处于最低能量状态，此状态我们称作“基态”（ State）。于气体放电进程里，主要发挥作用的是原子最外层的电子，也就是价电子。当价最外层的电子从外界获取额外能量之际，能够跃迁到更高的能级（参见图8），这时呢，我们便讲原子处于“激发态”（ State）。电子停留在激发能级的时间十分短暂（大约10 - 8秒），随后便跃迁回到基态或者另一个能量较低的能级。并且此过程会以光子的形式辐射能量，辐射出的光子的能量等同于所跃迁的两个能级的差值。当出现电子从具有量子数为n的高能级En，往量子数为m的低能级Em进行跃迁这种情况时，所发射光子能量以及频率存在一种相当简单的对应关系，右边等号适用于氢原子，这些情况是这样的：
其中，h是普朗克常量，ν为光子频率，c是光速，R是著名的里德伯常数（），它最早是18世纪时由里德伯（ Rober）在实验中总结出来的经验常数，后来由波尔（Niels David Bohr）依据量子理论成功从理论上推导出来。
频率对我们所看到的光的颜色起到了决定作用，于是对于特定能级之间出现的跃迁，我们能够看到气体发出具有特定颜色的光。像图7那样，氢原子当中主量子数n≥2的电子跃迁至n=1的能级，所产生的一系列光谱线被称作“莱曼线系（Lyman）”。此系列谱线的能量处于紫外波段。而主量子数n≥3的电子跃迁到n=2的能级，产生的系列光谱线就称作“巴尔末线系（）”，这便是我们所熟悉的可见光波段了。
如图8左边所示，原子当中的轨道电子，在受到外来的高能带电粒子库伦这种作用影响之下，使其内部发生激发情况进而出现动态变化，最终跃迁到高能级状态；再看右边，处于激发状态的电子，也就是去激（De-）过程里，那些被激发到高能级的轨道电子，迅速地跃迁回较低的能级位置，而且还会发射出一个光子。
能量大到特定程度之际，电子会脱离原子束缚进而成为自由电子，原子随之变为正离子，此过程称作“电离”（） （图9）。法拉第玻璃管两端加上电场后，空气里的电子与气体原子相互碰撞，将部分能量传递给原子，电离出的电子又引发次级电离（图9），最终致使气体电离或者激发发光。
图9 电离（）和次级电离（ ）
因为，在通电玻璃管里，当中的高能电子，与空气原子分子，会出现上述所提到的激发、电离等相互作用情形，而要针对电子性质展开研究，就需要最大程度地去排除管内空气所带来的影响，所以，真空技术是极其关键重要的。对于粒子物理实验取得的进步而言，一方面是取决于真空技术的状况，另一方面同样也是依赖着高能量的成功获得。
当时，极为重要的仪器当中的一个，便是在1850年由鲁姆科夫（H.D.Rü）所设计的感应线圈（图10），这是一种属于早期的变压器，其作用是用以产生高电压以及长的放电火花。鲁姆科夫线圈有着两个围绕在圆柱形铁芯之上的线圈，这两个线圈相互之间处于绝缘状态。初级线圈是由几匝粗线环绕而成的，次级线圈使用了几公里长的细线绕了诸多匝（一般是30万匝/米）。电池在初级线圈里面产生电流，然而断路器持续截断电流，进而在次级线圈的两端产生电势差。英国伦敦皇家学会存有一个大鲁姆科夫感应线圈，该线圈的次级线圈长达450公里 ，它能够产生约1.1米长的火花。那时 ，火花放电的长度如同电池功率一般 ，可被用以衡量一个实验室的级别。
图10 鲁姆科夫线圈
高效真空泵被发明出来，这使得真空气体放电研究迎来了转折点，1858年，德国名叫盖斯勒的玻璃工人，利用托里拆利真空实验的经验，发明了一种能让玻璃管内达到10 - 4个大气压左右的水银真空泵，他把两个金属铂电极放置在玻璃管内部两端，将管内的空气抽走，接着把鲁姆科夫感应线圈连接上，产生几千伏的高压电，管中稀薄的气体发出了紫红色的辉光。这便是那声名远扬的低压气体放电管，称作盖斯勒管物业经理人，如下（此处是图11左），它堪称现今霓虹灯、日光灯、电子管、显像管所尊崇的之源辈先人。人们于盖斯勒管当中注入各异的气体，能够呈现出各异的色彩，比如说氖气会发出红色的光亮、氙气会发出蓝色的光亮、氦气会发出黄色的光亮。随后把它弯折成各种各样的样式形状，接通电源之后就显现出绚烂多彩的与光有关图案场景（此处是图11右）。这便是我们平常所见到的霓虹灯表现情形。一百多年以来，真空技术于物理学实验里占有了关键位置，现今的大型强子对撞机，也就是Large ，LHC，其真空程度抵达10-13个大气压，比盖斯勒所能达成的真空程度高出了10亿倍，和月球表面的真空程度相等。
图11 上：博物馆中仿制的盖斯勒管；下：五彩缤纷的霓虹灯
1886年，赫兹（Hertz）借助鲁姆科夫线圈证实了电磁波，还发现了光电效应；1895年，伦琴（W.C.）通过鲁姆科夫线圈发现了X射线；同年，塞曼利用鲁姆科夫线圈发现了塞曼效应；1897年，汤姆逊（）用上鲁姆科夫线圈确定了电子的荷质比。伦琴和汤姆逊的发现用到了盖斯勒真空管，真空与高能，这两项技术对粒子物理学的诞生皆是不可或缺的。
对盖斯勒管满怀浓厚兴趣的，乃是德国波恩大学的名为普吕克（plüker）的人，他借助盖斯勒管去探究不同真空度状况下气体的放电情状。普吕克察觉到，当管内的空气几乎被全部抽成真空时，辉光现象已然消逝不见，仅仅在正对着阴极的玻璃管壁位置出现了浅绿色的辉光。普吕克觉得，必定存在着一种射线，它打在玻璃壁之上从而造就了荧光。他运用磁铁在管外进行晃动操作，荧光亦随之晃动起来，仿佛是被磁铁所吸引着，这表明射线是由带电粒子组合而成的。
1868年，普吕克离世了。而后他的学生希托夫，在放电管里装了一片金属障碍物。当通电之后，阴极对面的玻璃壁上，不但发出了荧光，而且还出现了障碍物的影子。这就表明放电源是阴极，富兰克林有关电的流动方向是错误的，电并非从阳极流向阴极，而是从阴极流向阳极。几年过后，戈德斯坦把这种神秘的射线命名为“阴极射线”。
图12 上：普吕克；下：希托夫
1878年，克鲁克斯对水银真空泵做了改进，借此获得更高真空度，他把新真空泵安在气体放电管上，接通鲁姆科夫线圈产生的一万伏电压，随后开始抽真空，当气压降至0.01个大气压时，气体开始发光了。持续抽气，当处于0.001大气压的时候，奇妙的现象发生了，阴极附近呈现出一段不发光的黑暗区域，图为13、14，此区域乃是克鲁克斯暗区，该区域之中电子能量大多用于电离碰撞，经由这般状况而产生的大量电子从电场重新获取到激发能，借助与气体的碰撞进而产生最为明亮的负辉光，原本连续的光柱断开了，依旧发光的那一段光柱如同鱼鳞一般闪烁不停。持续再抽下去，黑暗的区域变得越发狭长，仿佛从阴极伸展出来一股暗流，致使发光区域被越压越短，最终，当达到10 - 5个大气压时，暗区接触到了阳极，整个光柱完全消失不见。就在这个时候，放电管已被抽成处于高真空状态，管中的气体不再发出辉光，仅能看到阴极对面的玻璃壁上，闪烁着微弱的绿色荧光。
图13 克鲁克斯的阴极射线管实验示意图
克鲁克斯所制成的这种具备高真空特性的放电管，也就是被称做阴极射线管的那一种，人们同样将其称之为克鲁克斯管，它属于当时物理学家用于研究阴极射线的关键仪器，X射线以及电子的发现，皆是围绕着针对阴极射线管的研究而展开的。
图14的上面部分是，阴极射线管也就是克鲁克斯管，其来源是维基百科，图14的下面部分是，辉光放电的不同区域以及它们的名称。
当时围绕阴极射线的本质究竟是什么这个问题、展开争议，有两派激烈交锋争论。 克鲁克斯指出 ，阴极射线在磁场中会发生偏转 ， 将其置于玻璃管中的小风车 打上去 、风车会转动 由此验明它具备使风车转动的动量 验证过程里显示 ，阴极射线汇聚的地方会使手感到灼热。 基于这些特点表明 ， 阴极射线是带有负电的微粒。 由于克鲁克斯 、 瓦利和舒斯特这三位都是英国学者 ， 于是被称作 “英国派”。
还有一派，便是以赫兹、戈德斯坦等作为代表的“德国派”那个群体，他们觉得阴极射线是一种以太波。赫兹让阴极射线去通过带电的金属板，要是它属于带电分子或者原子这般情况，按理说是应该被同性电的金属板排斥掉，同时被异性电的金属板吸引过来的。然而观测所得的结果显现出阴极射线并没有明显出现偏转的现象。戈德斯坦借助一根又长且直的玻璃管开展气体放电实验，该实验的结果显示，于10 - 5个大气压的阴极射线管当中，射线起码飞行了90厘米，然而普通分子处相同气压的环境里仅能前进0.6厘米，要是阴极射线属于分子流，那就不可能飞行那般远的距离。
阴极射线的本质相关问题，英国派与德国派展开了持续二十多年的争论，一直持续到电子被发现。终结这场漫长争论的那个人，名为约瑟夫·汤姆逊（， John）标点和原文有出入请以原文为准。