质子可以说是人类最先发现的“基本”粒子之一。质子的发现仅晚于电子，J.J. Thomson爵士1897年利用电子在磁场中的运动证明了阴极射线是由一个一个电子组成的，而要到1911年以后卢瑟福才在发现原子结构之后证明质子是原子核的成分之一。

氢原子的原子核就是质子，带一个单位的正电荷，这个电荷和电子的电荷符号相反，但绝对值一样大，所以由一个质子和一个电子组成的氢原子是电中性的。物质的电中性是我们这个世界稳定的原因之一，但直到现在我们还不能够完全理解为什么质子电荷的绝对值和电子电荷的绝对值一样大。到了60年代以后，我们才开始了解质子不是严格意义上的基本粒子，质子不但有结构，而且可以肯定地说是由夸克构成的，夸克有三个，种类有两种，两个上夸克，一个下夸克。上夸克的电荷数是正的，是质子电荷的2/3，下夸克的电荷是负的，是电子电荷的1/3。如果我们解释了为什么夸克带这些电荷，就能解释为什么质子电荷和电子电荷的绝对值一样大了。在某种意义上，我们可以解释：如果夸克的电荷不是这样安排的，那么描述基本粒子的理论在量子力学中是不自洽的。

其实，质子概念的出现远早于卢瑟福的发现，早在1815年，英国化学家兼生理学家William Prout就建议所有原子的重量是氢原子的整数倍，重的原子是由氢原子组成的。在某种意义，他是建议质子比其他原子更基本。有趣的是，他匿名发表了这篇论文。

稍晚发现的另一个“基本”粒子是中子，由卢瑟福的学生洽德威克在1932年发现。中子的概念是卢瑟福在1920年提出来的，中子的名称和它的电中性有关。后来知道，它也是由三个夸克组成，两个下夸克，一个上夸克，所以电荷严格为零。中子的质量比质子稍重，也只重了千分之一多点。所以在自然状态中，我们很难看到中子，因为中子比质子重所以可以衰变成质子，因为电子比质子轻了1836倍，所以中子衰变成一个质子加一个电子外带一个中微子。这个衰变过程叫做beta衰变，是最早发现的弱相互作用例子。

所有原子核都是由质子和中子组成的，而不像Prout早先猜测的那样只由质子组成。所以，原子序数和原子量不同，前者是电荷的大小，也就是含质子的个数，而原子量是质量的量度，除了质子对其有贡献外，中子也有贡献。前面说过，中子是不稳定的，为什么原子核中存在中子呢？而不是中子很快衰变成质子？原因是，在原子核这样的束缚态中，中子的有效质量变轻了。

从中子可以存在于原子核中这个事实，我们可以想象质子和中子这些由夸克组成的粒子是很复杂的。事实确实如此，在很多加速器中，我们通常会加速质子，而质子和质子碰撞后的产物往往非常复杂，Feynman曾经这么形容：用质子碰撞来研究基本粒子就像用两个表的剧烈碰撞来研究表的结构。除了用质子和质子碰撞外，有时也会用质子和反质子碰撞。反质子很像质子，只是电荷是完全相反的。

质子的结构既然这么复杂，所以存在很多不同的物理量来描述它。有一个常用的量是电荷半径，粗略地说就是电荷分布的大小。通常的电荷半径是由电子作为探测粒子来定义的（也就是用电子来撞击质子），而氢原子的大小以及氢原子发光的波长和这个电荷半径密切相关。在亚原子世界，我们通常用费米这个长度单位，一费米等于10的负13次方厘米。而质子的电荷半径是0.8768费米，精确到最后一位小数（最后一位小数8可能是9或7）。

质子的结构为什么这么复杂呢？主要有两个原因，第一质子不是基本粒子，是由三个夸克组成的，第二将夸克结合在一起的力非常强，叫做强力。强力的存在使得计算变得非常难，有一个事实足以说明，那就是质子的质量主要的来源不是三个夸克的质量，而是强力产生的量子效应。人们还不能用通常办法计算质子的质量，而必须借助计算机通过所谓的格点规范理论来计算。这种计算最好的结果与实验测得的质子质量相差只有4%左右。

最近，《科学》杂志以“难以置信的萎缩的质子”为题介绍了一个最新实验结果（The incredible shrinking proton，来源于艾丽丝漫游奇境记中的著名的The incredible shrinking man）。这个介绍告诉我们，德国马普研究所的Randolf Pohl和另外31人在位于瑞士的一台粒子加速器上制造了一种新的氢原子，这种原子与普通原子的区别是原来的电子被同样带有负电荷的缪子取代。他们测量了这种原子的光谱，发现从光谱推断出来的质子电荷半径与过去的实验不同，相差了4%左右。新的电荷半径是0.84184费米，很明显，这个结果和过去的结果的区别远远超过了实验误差。

到底是什么原因使得Pohl等人的电荷半径变小了？要知道，获得电荷半径的方式是测出氢原子光谱中的Lamb位移，这个位移存在的原因是虚粒子对不断地在真空产生。Lamb位移与电子波函数在原子核位置的取值有关，从而与质子大小有关，这个位移也与电子的质量成正比。用缪子取代电子，Lamb位移会变大，因为缪子的质量是电子质量的207倍。不过，Pohl等人发现，实验测得的结果比预期的还要大，这直接导致质子新的电荷半径。到底是过去人们一直信赖的量子场论出问题了呢？还是别的什么原因使得质子电荷的表现因外面的负电荷粒子不同而不同？也许缪子的存在改变了质子？也许缪子使得质子内部出现电子反电子对？物理学家们正在试图理解缪子使得质子变小的原因。

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