主题：【分享】原子的历程：从哲学到科学

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。

　　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。

不错，应该让中国的很多政客看看，应该知道哲学跟科学的关系，而不能学了哲学以后就只是会耍嘴皮，想如何成为一名腐败的政客，而是应该多关心一下中国科学的发展。

原文由 chen4650007 发表:
不错，应该让中国的很多政客看看，应该知道哲学跟科学的关系，而不能学了哲学以后就只是会耍嘴皮，想如何成为一名腐败的政客，而是应该多关心一下中国科学的发展。

说的好!

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