原子的发现之路

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万物皆由原子构成，在现在已经是再常识不过的事情了，而随着强大的电子显微镜的出现，人们已经可以通过肉眼来一睹原子的庐山真面目。但就是这样一个我们现在看来再明显不过的事实，其被大多数科学家所接受，也只不过是大约100年前的事情。那么在那个还没有高级显微镜的年代，人们最终又是通过何种方法确定了原子的存在呢？今天我们就来走进原子的发现之旅。

显微镜下的氢原子

可以说，2000多年来，围绕着物质的基本组成部分，一直以来都存在着观点截然相反的两派。一派认为，物质存在着不可分的基本单元，虽然现代意义上的原子的概念并未提出，但我们也可以认为他们是原子论的坚定支持者。

古希腊哲学家德谟克利特认为，存在着不可再分割的粒子，并提出了原子这一名称，同时，德谟克利特认为原子运动的空间是“虚空”。牛顿认为，在自然界中，存在着某种原因，它使物质的微粒子以强大的引力紧密结合，而找出这个原因，正是实验哲学的任务。约翰-道尔顿在研究了各种各样的化学反应后，提出了化学反应是在切断和建立原子间结合的基础上发生的观点。玻尔兹曼认为，热是分子运动，并确立了描述分子运动的统计力学，玻尔兹曼还和反对原子论的马赫，进行了激烈的争论。

德谟克利特

道尔顿

玻尔兹曼

反观不支持原子存在的这一方，同样是阵容豪华。亚里士多德认为，自然界中是没有虚空的，更否认原子分散在虚空中，亚里士多德认为，万物都是由气、水、土、火四种元素构成，这个观点直到17世纪还被大众广泛接受。笛卡尔认为，物质可以无限分解，所以也否定原子的存在。我国的庄子也有类似的观点，庄子曾说：半尺之锤，日取其半，万世不竭。这句话很有名，因为你懂的...就是那块著名的黑板。和玻尔兹曼死磕的马赫也是坚决地反对原子存在的观点，马赫曾对玻尔兹曼发问：您看见过原子吗？如果你看不见，那么不能被感知的物质，不应该是科学研究的对象。可见，马赫明显是犯了经验主义的错误。

马赫

不过，历史的进程没有让争论持续下去。对气体的化学反应以及气体的压力和体积的探索，使越来越多的人开始相信原子的存在。不过一方面，上述两种现象还不足以作为原子存在的证据。另一方面更为重要的是，人们还是无法测出原子的个数，所以鉴于此，原子存在与否，仍然值得商榷。

事情的转机出现在1827年。在那一年，英国植物学家罗伯特-布朗发现的微粒运动，为求出原子量和对原子计数搭建了理想的平台。

布朗

布朗为了观察授粉的原理，用显微镜观察水中的花粉。他看到，花粉在吸进水之后破裂，内部的微粒散开，并做着不规则的运动，这就是所谓的布朗运动。起初，布朗认为这是微粒表现出的某种生命运动。但随着实验的进行，他逐渐发现，只要是小到某种程度的微粒，无论什么物质，哪怕就是粉笔的粉末，都能够观察到这种不规则的运动。其实在布朗之前，这些现象也都被报告过，但只有布朗首先注意到这种现象与外界条件无关，只要是微粒就一定会发生，这是一种普遍性极高的现象。

布朗运动

那么布朗运动究竟是如何产生的呢？当时有人认为是因为“热引起的对流”。如果这个说法是正确的，那么微粒附近的微粒也应该随着热流一起运动才对，但实际上，即便是相距极近的微粒，它们彼此之间的运动方向和运动节奏也是完全不同的。

此外还有其他各种说法。比如微粒的散开影响力周围液体表面的张力，因此产生了流动。还比如由于水分蒸发，产生了细微的水流等等。不过后来人们发现，即使是在被封闭在透明水晶内部的水滴，也一样有布朗运动，所以以上这些假设也随之一并被推翻了。这是因为，在封闭的水晶内部，水仍然能够几千年、几万年地不断蒸发，或是在这样的环境下，微粒仍然能够不断地散开，是很难让人理解的。

匪夷所思的现象自然需要天才的头脑前来解释。在布朗发现这种运动之后的80年，爱因斯坦提出了新假设，他认为，做不规则运动的大量水分子从四面八方冲击微粒，在某个方向上的冲击，偶尔会被叠加，于是微粒就会向着这个方向运动。这个假设一经提出，就得到了广泛的认同。

布朗运动的原因

不过人们还有一个小小的疑问，那就是在这个假设中，认为大量分子在做不规则的运动，那么这种不规则的运动能否用公式来表示呢？

在此之前的19世纪末，奥地利物理学奖玻尔兹曼推出了“统计力学”，并把热力学重新定义为解释分子表现的学说。玻尔兹曼认为，单个分子的运动是不规则的，所以不能预测，这就和掷硬币是同样的道理，我们永远无法预知下一次是正面还是反面。但如果投上个10000次，我们就能够推测，正面出现的次数将在5000次左右。出于同样的道理，玻尔兹曼认为，能够用统计来推测分子团的表现。此外，像是气体的比热容、黏度系数等以前需要逐个测定的量，现在也可以用计算求得。但显而易见的是，这一理论没有能够确认分子表现的实验手段，所以，统计力学受到马赫等科学家的激烈批判。

不过爱因斯坦不一样，他关注的是布朗运动的主体，也就是微粒。与分子相比，微粒可以说是超级巨大的，所以与肉眼不可见的分子不同的是，微粒是可以用显微镜来观察的。此外，微粒时刻受到分子的撞击，在某个方向上，这些撞击可能偶尔叠加起来，微粒就被撞得动了一下。这一刻，微粒可能往这里动，下一刻又会往那里动，它的这种折线幅度并不大。爱因斯坦认为，能够观测微粒的不规则运动的话，就能够研究冲撞微粒的无数分子的表现。爱因斯坦计算了微粒做折线运动时的平均移动距离，并导出了这样的关系式：微粒的平均移动距离与时间的平方根成正比。利用这一关系式，爱因斯坦导出了做布朗运动的微粒的平均距离计算公式，这就是“爱因斯坦关系式”。在这个公式中，微粒的半径、温度、黏度系数等能够用实验测定的数值，是用阿伏伽德罗常数来表示的。也就是说，这个公式意味着，只要用实验测定相关数值，就能求出阿伏伽德罗常数。

从1908年开始，法国科学家让-佩兰试图通过实验来验证爱因斯坦关系式。虽说在公式中，除阿伏伽德罗常数以外的各项参数都是可测的，但要正确测量那些只能在显微镜下才能看到的微粒半径等数据，仍然是极为困难的。为此，佩兰花费了很多心血。他用树脂制造了微粒，再用离心机分离，使微粒粒径均匀。之后，他在各种液体中，对微粒的移动距离进行了几百次测量，终于依靠测定数据，求出了阿伏伽德罗常数。

佩兰

佩兰计算出阿伏伽德罗常数总是在6乘以10的23次方，到7乘以10的23次方之内。而且，即便改变了实验条件，计算出的常数仍然在相当固定的范围之内，这有力地暗示着原子是存在的。看到这个结果后，除马赫等极少数的科学家之外，大多数科学家都承认，分子以及构成分子的原子是存在的这个假设，已经得到了科学证明。因此成果，佩兰也获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

从此，布朗运动的细节被清晰地描述了出来。那就是一个半径为0.5微米的微粒，在一秒之内，会受到半径还不到它1/1000的水分子的10的16次方次碰撞，并由此产生了不规则的运动。

事实上，在佩兰的成果发表之前10年，也就是原子的存在还没有被严格的实验证明之前，原子的存在不仅已经得到了广泛认同，甚至连原子是最基本粒子的思想也被颠覆了。1908年，英国物理学奖卢瑟福明确提出，原子中存在“核”，原子确实存在，但并非不可再分割。

总之关于原子存不存在话题，历经2000多年终见分晓，虽然人们确定了原子存在这很重要，但这却不是最重要的。重要的是，在2000多年中，围绕着物质不断分解下去会变得怎么样，以及物质究竟是由什么构成的之类的问题，科学家们互相争论、辩驳，并在化学、力学、热力学等学科的各个舞台上，发挥想象力、提出设想、用实验证明、发现错误、提出新的设想，这样循环往复，一路走来。在这个过程中，人们获得了大量的知识。而现在，我们同样有物质到底是由什么构成的疑问，也在让科学继续不断地进步着。

曾有人问费曼，如果发生了某种变故，以至于人类丧失了所有的科学知识，只能选择一句话来传诸后世，你会选择哪句话？费曼说：万物皆由原子构成。