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标  题: 原子的历程：从哲学到科学
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标  题: 原子的历程：从哲学到科学
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  6 07:22:55 2005), 转信

　哲学家的原子

　　万物由什么组成？物质可以被无休止地分割为愈来愈小的物质单元，还是存在构成世界的“砖块”？

　　这是古代哲人们就开始思索的问题。

　公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯在致力于思考分割物质问题后，得出一个结论：分割过程不能永远继续下去，物质的碎片迟早会达到不可能分得更小的地步。他的学生德谟克里特接受了这种物质碎片会小到不可再分的观念，并称这种物质的最小组成单位为“原子”（意思是“不可分割”）。由留基伯与德谟克里特提出的原子论哲学作为“最系统、最始终一贯，并且可以应用于一切物体的学说”（亚里士多德语）是对早期希腊各派自然哲学的大综合，并将早期希腊的自然哲学推上一个光辉的顶峰。

　在他们的观点中，原子是最微小的、不可再分割的物质微粒，是坚实的、内部绝对充满而没有空隙的东西。原子数目有无限多，它们彼此间性质相同，其差别只表现在形状、大小和排列上。原子在虚空中不停地运动，运动中原子间会发生碰撞，有时会粘着并组合在一起。于是，一组原子组合成一种东西，而另一组原子组合成另外的东西等等，这样万物就由作为实在的建筑石料的原子和虚空构成了。

　　其后，哲学家伊壁鸠鲁、卢克莱修先后接受了这种原子学说，后者在其著名诗作《物性论》中以动人的笔触全面介绍了原子学说，使之成为古代原子学说理论知识的最主要来源。在中世纪，一些阿拉伯的思想家接受了原子论，而西方的经院神学家们却因它与宗教学说教义相冲突而激烈反对这种观点。文艺复兴时期，与原子论相关的思想出现在布鲁诺、伽利略、弗朗西斯?培根等人的著作中。

　　在此之后，法国哲学家伽桑狄（1592－1655年）接受了原子学说，他的有说服力的著作，使人们对原子学说的关注得以复苏，并引发了科学家的兴趣，从而将原子论引入到现代科学中。“古代哲学家的那些理论，现在又在大声喝彩中复兴了，仿佛是现代哲学家发现的”（玻意耳语）。原子学说在17世纪得以复活。更重要的是，哲学家的思想火炬开始传递到科学家手中。


　　化学家的原子

　　英国化学家玻意耳，受到伽桑狄著作的强烈影响。他相信：“宇宙中由普遍物质组成的混合物体的最初产物实际上是可以分成大小不同且形状千变万化的微小粒子，这种想法并不荒谬。”在《怀疑的化学家》（1661年）的书中，他提出“猜测世界可能由哪些基质组成是毫无用处的。人们必须通过实验来确定它们究竟是什么”。他把任何不能通过化学方法将其分解成更简单组分的物质称为元素。在他看来，“元素……是指某种原始的、简单的、一点也没有搀杂的物体。元素不能用任何其他物体造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所谓完全混合物的成分，也是完全混合物最终分解成的要素”。后来的化学家拉瓦锡也把“元素或要素”定义为“分析所能达到的终点”。

　　19世纪初，化学家道尔顿更进一步阐述了化学原子学说的基本观点：化学元素由非常微小的、不可再分的物质粒子――原子组成，原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质；同一元素的所有的原子，各方面性质特别是重量都完全相同，而不同的元素的原子有自己独特的性质；有简单数值比的元素的原子相结合时，就发生化合。道尔顿关于化学原子的伟大概括，最早记录在1803年9月6日的笔记中，1808年正式发表于《化学哲学的新体系》一书，由此近代原子理论得以建立。
 
　　当时，经过18、19世纪许多化学家对化合物组成进行的定量研究，已逐渐得出一些定律，如定比、倍比和当量比例定律。原子理论作为一种可资运用的有效方案，可以成功地解释这些定律，这为原子学说提供了有力的支持。

　　然而，道尔顿的学说不能从化合比例决定原子的相对重量。比如原子学说可以解释水总是由氢与氧按1：8的比例合成，但氢、氧的相对重量我们还是不知道，因为我们并不知道水中氢氧元素各有多少个原子。当然，现在我们已经知道水分子由两个氢原子与一个氧原子组成，因此水分子可表示为H2O，但在十九世纪很长的一段时间中，水分子却被表示为HO。

　　为理解某种化合物中每种元素各有多少个原子以及得出正确的原子量所需要的东西实际上早在1811年就被提出了，这就是阿伏加德罗假说。这一假说认为：同温同压同体积的气体含有相同数的分子。遗憾的是，这一假说长期未受重视。直到1860年，在卡尔斯鲁厄举行的首届国际化学家会议上，有化学家强调了阿伏伽德罗假说对化学的重要性后，阿伏伽德罗假说才很快征服了化学家的心灵。

　　于是，在化学家眼中，被假设为不可再进一步分割的“元素”成为构成宇宙的基本成分。随着人们发现的元素数目的增加，化学家手中的原子数也逐渐增长。20世纪早期这个数目就达到了92个，这意味着世界上有几十种不同的“原子”。那么寻找了2000多年的简单的统一性在哪里呢？是否存在更为基本的“原子”，几十种不同的元素都由其组成呢？

　　1815和1816年，在伦敦行医的医学博士威廉?普劳特发表两篇文章，在文章中分别提出：所有相对原子质量均为氢相对原子质量的整数倍；氢是原始物质或“第一物质”，而其他所有元素都只是氢原子的组合体。

　　“因为普劳特假说挺简单，很诱人，所以，除了那些作相对原子质量的精确测定的人以外，一度为化学家欣然接受。”但化学家斯塔1860年以后所作的相对原子质量的精确测定表明相对原子质量实际上并非整数，如氯原子的相对重量是35.46，这与普劳特的想法是相冲突的。由此斯塔得出结论：普劳特假说“只不过是一个假象，是一个肯定与实验矛盾的纯粹假想”。命运无情，作为科学插曲的普劳特猜想被否定了。

　1869年，俄国著名化学家门捷列夫发表他的元素周期表。周期表的结构性和规律性提示人们，原子自身必然存在不断做周期性重复的结构。这背后隐藏的是什么呢？在20世纪原子核和量子理论发现之前，没有人知道为什么在周期表里会出现这样的规律性。不过，在迈进20世纪以前，且让我们转向对原子进行科学研究的另一方向。


　　物理学家的原子

　　早在17世纪，原子思想就已融入部分物理学家的思想中。伟大的物理学家牛顿是原子学说的拥护者。在《光学》中他阐述了他的原子思想：“在我看来，上帝在最初造物时，可能使用的是固态的、有质量的、坚硬的、不可穿透的和可动的微粒；这些微粒的大小、形状、所拥有的其他性质、在空间中的比例等等，都最适合于他造物的目的；这些固态的初始粒子无比地坚硬于由它们构成的多孔的物体，坚硬到绝不会磨损，不会破碎成小块；任何普通的力量都不可能把上帝在第一次创造时的初始粒子破开。”

　　18世纪，物理学家罗杰?约瑟夫?博斯科维奇在牛顿力学的框架中，以没有大小、只有力学作用的原子模型来说明已知的物理现象。丹尼尔?伯努利则在1738年首先于现在意义上提出了物质的原子结构的思想，并从分子运动推导出压强公式，由此揭开分子运动论的序幕。不过，直到19世纪，气体分子运动论才获得真正发展。在这一世纪，伟大的物理学家麦克斯韦与玻尔兹曼采用当时的原子模型，把气体看作由原子组成的分子的集合来处理，说明了气体的温度、压力等构成气体的分子的一般表现，并由此创建了“统计力学”的分支。

　　这样，到19世纪中叶后，由于假设物质由原子和分子组成揭示了物理和化学现象间的许多关系，解释了许多问题，因而日益增多的物理学家和化学家接受了原子假说。然而，原子真的存在吗？


　　“我不相信原子的存在”

　　围绕原子是否存在的问题，几位重量级科学家在19世纪末展开了一场激烈的争论。以统计力学研究而在物理学巨人中赢得一席之地的玻尔兹曼（1844－1906年）是原子存在的笃信者，站在他对立面的则是一大批著名的科学人士。

　　1895年9月17日，在吕贝克科学会议上，双方就原子的实在性问题展开了激烈的正面交锋。著名化学家奥斯特瓦尔德在会议上发表了题为《克服科学的唯物论》的讲演，玻尔兹曼当场对其观点进行了反驳。会后，以玻尔兹曼为一方，以奥斯特瓦尔德为另一方，许多科学家都卷入到这场大论战之中。这场论战持续时间之久（十余年），参与人数之多，争论之激烈在科学史上都是赫赫有名的。

　　奥斯特瓦尔德早先曾接受原子论，后来却转而致力于能量学研究和发展唯能论。在新的观点中，他认为能量是唯一真实的实在，物质不是能量的负荷者，恰恰相反，它只不过是在同一地点同时找到的能量的复合。他坚持认为，能量学原理与分子运动论相比，能为化学和科学提供一个更为坚实、更为明确的基础。进而他宣称，物质概念是多余的，现象能够用能量及其转化来满意地加以解释。作为唯能论者，他试图仅仅借助于纯粹能量概念去理解所有的物理过程。对此，玻尔兹曼反驳说，用能量概念构造力学，并进而构造自然科学体系的做法孕育着许多困难。在玻尔兹曼看来，原子论才是所有力学现象的完全合适的图像，众多的物理现象都适用于这一框架。而从“运动的能量是第一位的而运动物体则是派生的”这一假设出发，去构造整个力学，是难以想象的，因而把能量学作为物理科学中不可解决的问题的灵药是行不通。

　　玻尔兹曼面对的另一个对手是在当时科学界具有巨大影响的马赫。马赫最初也接受原子论，但不久后他的观点发生了重大改变。他开始坚持原子（和分子）仅是“思想之物”，是一种智力工具，而不是现象背后的实在。在他看来，把原子论当作一种启发性假设是有价值的，但启发性假设仅仅是一种工具，一种手段，他坚决反对把原子看作本体论意义上的实在。马赫问道，原子是有色的、发热的、发声的、坚硬的？事实是，我们无论如何也没有感觉到原子。

　　1897年，玻尔兹曼接连发表两篇文章“论原子论在科学中的不可缺少性”和“再论原子论”，驳斥马赫对原子理论的反对，为原子的真实存在而辩护。然而，争论中，马赫只是简洁地说：“我不相信原子的存在。”玻尔兹曼对反原子论的巨浪感到泄气。在他的名著《气体理论讲义》第二编的前言中他沮丧地承认：“我意识到在反对时代潮流中，我是孤军奋战，势单力薄。”

　　现在我们都清楚地知道，怀疑原子的真实性是错误的。但那时反对原子论并不是没有缘由的，这是由19世纪后期的科学和哲学的状况决定的。

　　19世纪末，经典热力学已经形成了比较完备的理论体系，能够用于物理学和化学的广阔领域。在热力学中，只要从整体上把握给定系统的参量就可以了，没有必要把它们还原为原子、分子的力学运动。简言之，放弃原子、分子概念，仍然能建立起包括热力学在内的物理学、化学理论体系。然而，如果接受原子概念尽管能取得一些理论成果，但却存在许多困难，比如会导致热现象的不可逆性与单个粒子运动的可逆性的尖锐矛盾。对这一矛盾，玻尔兹曼虽然已经给出了一种解释，但在当时未能当到普遍认同。

　　另一方面，当时实证主义思潮流行，不少科学家反对把所谓的形而上学的假设引入物理学，于是，原子、分子因被视为多余的假设而成为拒斥的对象。

　　事实上，19世纪的原子论还属于一种带有强烈哲学色彩的科学理论。它虽然不再是抽象的哲学理论，但也不完全是纯粹的物理学和化学理论。因而，在没有原子或分子存在的确凿证据之前，大多数科学家怀疑原子和分子的物理实在，而仅仅把原子论作为没有实验证据的工作假设和智力技巧是无足为怪的。我们或许还有必要指出，在实验证据出现之前，奥斯特瓦尔德等对原子论的反对是完全正当的，无论对他还是对科学而言都不是一种过失。因为在任何情况下，科学都必须同批判和合理性的要求密切相关。对原子的信仰者而言，彻底解决争论的办法就是找到原子真实存在的实验证据。


　　看见了原子

　　一项最终有力证明原子存在的证据意外地与一位苏格兰植物学家联在一起。罗伯特?布朗1827年夏天对各种植物的花粉颗粒浸在水中时的运动做了研究。1828年，他写了一本小册子，描述了自己对此的考察。于是，这种浸泡在水中花粉粒子的奇异的、不规则的运动后来被称为“布朗运动”。

　意大利物理学家乔万尼?康托尼于1868年写了一篇文章，宣称布朗运动是“热的力学理论的基本原理的美妙而直接的证明”，即可通过假定物体在水中受到来自各个方向的运动水分子的撞击来说明布朗运动。但这种定性解释受到一些物理学家的反驳，未受到普遍认可。1905年爱因斯坦在其“奇迹年”中完成了一篇关于布朗运动的论文，在这篇论文中爱因斯坦对支配布朗运动的定律做了推导，首先将布朗运动的研究量化。1908年，法国物理学家佩兰做了验证实验。这一出色实验使分子实在性的证据变得明显了。

　　对布朗运动的说明成为分子运动论的伟大成功，它不但说服了奥斯特瓦耳德，而且使绝大多数科学家都皈依了原子论。

　　奥斯特瓦尔德在1908年9月的《普通化学概论》第四版的序言中公开承认：“我现在确信，我们最近已经具有物质分立性或颗粒性的实验证据了，这是千百年来原子假设徒劳地寻求的证据。一方面，分离和计数气体离子，J?J?汤姆逊长期而杰出的研究已获成功；另一方面，布朗运动与运动论的要求相一致，已由许多研究者并且最终由佩兰建立起来；这一切使最审慎的科学家现在也理直气壮地谈论物质的原子本性的实验证据了。原子假设于是已被提升到有充分科学根据的理论的地位……”。奥斯特瓦尔德还对自己的对手给予了赞扬：“这个人（玻尔兹曼）在智力上，在他的科学的明晰性上都超过我们大家。”在“斗牛士”（奥斯特瓦尔德）和“公牛”（玻尔兹曼）的搏斗中，“公牛”终于大获全胜。唯一遗憾的是，胜利的一方已经无法享受胜利的喜悦了。1906年，在决定性战役仍在进行时，玻尔兹曼以自杀的方式结束了自己的一生。

　　另一位伟大科学家彭加勒也由对原子的怀疑转为支持。在1912年4月11日法国物理学会所作的讲演中，他说：“原子的力学假设和原子理论近来已认为具有充分的可靠性，它们不再作为假设出现在我们面前了，原子不再是一种方便的虚构了；似乎可以说，我们能够看到原子，因为我们知道如何去计算原子。……佩兰先生出色地测定了计算出来的原子的数目，使原子论大获全胜。使它变得更为可信的是通过完全不同的方法所得到的结果之间的多方面的一致。……化学家的原子现在是一种实在了；……”

　　然而，皈依者的名单中却独没有马赫。当人们试图说服他时，他总是回答：“你看到了原子吗？”1916年，他去世后，他儿子说他父亲曾对他讲过，“我不认为牛顿原理是完备的和完美的；可是在我的晚年，我不能接受相对论，正如我不能接受原子的存在和其他这样的教条一样。”直到去世，马赫都否认原子的存在。

　在马赫去世后的岁月中，人们获得了“真正存在不连续的微粒”的更多实验证据：用眼睛，人们可以在威尔逊云室和在照相感光乳剂中看到记录下来的单个基本粒子的轨迹；用耳朵，人们可以通过听盖革计数器中的“咔哒”声，对进入仪器的基本粒子计数。更为神奇的是1982年宾宁和罗雷尔在IBM公司苏黎士实验室发明的一项非凡表面成像技术：扫描隧道显微镜（STM）。通过这一技术，人们可以获得漂亮清晰的原子图像，从而第一次看到了原子！在道尔顿之后，经过180年的理论与实验，原子论终于在硅原子表面那些引人入胜的图像中最后宣告胜利了。如果马赫有机会见证这一时刻，他或许会优雅地说：通过我的眼睛，我相信了原子的真实存在。

　　不过，一个领域要取得进展并不必等到完全了解了它的本质后才能取得，科学的进程往往是在交错中行进的。在真的看到原子之前很久，原子的研究已经大大推进了。


　　不可分的尽头

　　十九世纪末，在关于原子是否真实存在之争进行得如火如荼之际，出现了一系列令人惊异又困惑的实验发现。1895年，伦琴发现阴极射线。1896年，贝克勒耳意外发现放射现象。最初没有人预料到，这些发现将把物理学带入一个新的纪元。

　　1897年，J?J?汤姆逊证明阴极射线是带负电的粒子，质量比氢原子小很多，这一粒子就是我们现在所熟知的“电子”。汤姆逊通过实验进一步发现这种粒子是所有原子的组成部分。这样，化学家的原子被汤姆逊一举击碎了。以前人们认为化学原子没有结构，不可分割。而电子的发现意味着，化学家的原子并非简单的、不可分的实体。此后，20世纪头十年出现了各种原子结构假说，但没有一种能够得到证实。1911年，卢瑟福在他“一生中最不可思议的实验结果”基础上提出一种原子模型。在这种新模型中，曾经是道尔顿的不可分割的原子，现在看起来每一个都像一个微型的太阳系，坚实的原子核居于中心，电子“行星”远远地围绕着它旋转。经过玻尔等的完善，这种原子模型被广泛接受，并对门捷列夫元素周期律给出了完美解释。

　　1919年，卢瑟福与他的学生在做进一步实验时，发现用α粒子轰击各种元素的原子核，都会从中打出高速的氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。普劳特假说在某种意义上复活了。1920年，卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。

　　于是，构成宇宙间万物的基本砖石由原子变成了质子和电子。科学家们还提出了原子的质子－电子模型。但进一步的研究，否定了这种模型。1932年，卢瑟福的学生查德威克从铍原子核中打出一种质量与质子几乎一样大，但不带电荷的粒子，查德威克把这种中性粒子叫做“中子”。这说明原子核中有中子。这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就又多了一种“中子”。中子发现后，德国物理学家海森堡马上意识到所有原子核可以通过质子与中子的组合来诠释。这种原子核的质子－中子模型很快就被科学界所接受，并成为今天我们所熟知的常识。

　　道尔顿物质结构的绘景至此又一次发生了改变。道尔顿不可分的原子被分为：电子与原子核；而原子核又由质子和中子组合而成。各种元素的原子，不过是由质子、中子、电子这三种基本砖石造成的预制件而已。

　　在此之前，道尔顿关于同一元素的原子质量完全一样的观点也被修正了。从1911年开始，人们就开始认识到存在有相同的原子序数，因而化学性质无法区分，但原子质量却不同的同位素。人们也了解到大多数元素都是同位素的混合物，如自然界中的氯是两种同位素35Cl和37Cl的混合物，因而氯的相对原子质量35.46只不过是平均值。普劳特猜想是由于错误的理由而被否定的！质子－中子这一原子核模型也使人们对同位素有了更清晰的了解：同位素只不过是同种元素原子核内的中子数有所差别罢了。

　　一切都清楚、明白了。而这一切又是多么简洁明了啊。然而这一简洁明了的物质世界图景只保持了不长的时间。

　　1932年，安德逊在宇宙线中发现曾被狄拉克预言的正电子，反物质进入了物理学家的视野。随着宇宙线的研究及20世纪50年代后加速器建设的迅猛发展，新粒子如雨后春笋一般涌现出来，其中被统称为强子的粒子就有百种以上。这些基本粒子组成了一个令人难以置信的多样性的“动物园”，这既令人兴奋，同时也让人头疼。理论物理学家们开始忙于将数目庞大的强子进行分类。

　　1964年，盖尔曼提出夸克模型。经逐步完善的夸克模型包括六种夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克（或称真夸克，直到1995年，才由费米实验室确认找到）、底夸克（或称美夸克）。而作为基本粒子的电子则属于轻子系列。轻子也包括六种，除我们熟知的电子外还包括电中微子、μ子、μ中微子、τ子和τ中微子。六种夸克与六种轻子可以划分成三代。于是，这12种粒子可归结到一个优美的表格型阵列中：

　 第一代 第二代 第三代 
夸克 上夸克
下夸克 粲夸克
奇异夸克 顶夸克
底夸克 
轻子 电中微子
电子 μ中微子
μ子 τ中微子
τ子 


　　如果考虑全些，还要考虑反粒子与色。添加上反轻子，那么轻子的数目要加倍，成为12种。如果考虑反夸克与夸克的色（每种夸克有3种色），于是夸克的数目增长到36种。正是这些夸克和轻子构成了物质。过去或现在的宇宙中所有的东西，都可以由它们来制造。而如果只关注我们周围熟悉的大千世界，则只要有第一代基本粒子（上夸克、下夸克、电中微子、电子）就足够了：上、下夸克组成了质子和中子，它们构成了原子核；原子核加上电子，就可以组成各式各样的原子，最多再加上各种反应中必不可少的中微子。

　在寻找物质基元的道路上，我们一层接着一层地发现物质“洋葱”的不同层次分层。最初化学家的原子被认为是组成宇宙万物的基元。后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、中子和电子是物质基元。而到现在这个阶段，物理学家眼中不可分的基元是夸克与轻子。那么，夸克与轻子是否就是构成宇宙的终极粒子，是世界的始基？在探索物质的基本构成组元方面，我们是否已经行进到了道路的尽头？原子论的命运在经历了如此多的波折起伏后，是否已经到了划上句号的时候？从美学角度而言，我们现在的“原子”是否数量还太多了些？我们是否会发现被称为“前夸克”的东西，以减少基本组元的数目？或许，如现在物理学们所设想的，希格斯玻色子的出场可能会提供一种机制，以揭示复杂背后隐藏着的简单世界？也或许，绝对的最小的构成万物的基元的弦才是不可分的尽头，才是物质的终极组成基元，才是哲学家的原子？或者，物质竟是可以无限可分的？哦，不可分的尽头究竟是什么？

　　整个探索过程还没有结束，但我们的历程已经太长，还是让我们停住脚步。到这里，就到这里吧。 

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