原子的真实性

原子的真实性

无论原子理论运用得如何好，无论怎样精巧地对它作出改进，也无论怎样用它指明获得新发现的方法，有一件事却始终困扰着人们：那就是没有一个人能见到原子，或者以任何方式对它们进行探测。所有支持原子的证据都是间接的。人们总是从这个事实出发，推断出它们的存在；或者从那个观测结果，推导出它们的存在。然而，所有这些推断和推导都可能是错误的。原子理论好比建立了某种可资运用的方案，但它可能只是一些事物的简化模型，而实际却要复杂得多。当时，运用的方式类似于玩扑克牌时使用筹码。筹码可以用于赌博，能表示输钱或赢钱数目的多少，而且绝对准确。然而，那些筹码毕竟不是钱。它们只是代表钱而已。

然后，我们假定想象中的原子仅仅是玩化学游戏时使用的筹码。在运用原子学说时，原子只是代表了某种非常复杂的真相。甚至在道尔顿之后100年，仍有一些化学家小心地注意到了这一点，他们警告人们，在学术上要谨防过分使用原子这个概念。他们会说：使用它们是完全必要的，不过不要认为它们一定以微小的台球形状切实地存在。有一个名叫奥斯特瓦尔德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853—1932)的旅德俄国化学家就是这样想的。

这个问题在很长一段时间里都得不到答案，然而，答案却是由一位对原子并不感兴趣的科学家提出的一项似乎与原子无关的观测结果开始揭示的。（重要的是要记住：所有的知识都只是某个片断，任何观测结果都可能与某些看起来与之毫不相干的事物具有预想不到和令人惊奇的联系。)

1827年，苏格兰植物学家布朗（Robert Brown，1773—1858)使用显微镜研究悬浮在水中的花粉颗粒。他注意到，每粒花粉都在做微小的不规则运动，起先沿着某个方向，接着又沿另一个方向，仿佛在抖动似的。他认定，这不是由于水的流动引起的结果，也不是由于水的蒸发造成的运动。布朗断定，这肯定是别的什么东西引起的运动。

布朗试着用其他类型的花粉进行同样的实验，结果发现所有的粉粒都以这种方式运动。他想：这会不会是因为花粉质点有生命的缘故？他试着从蜡叶标本中获取花粉，这些粉粒的年龄至少有一个世纪。但它们仍以同样的方式运动。接着他又继续试着对一些不涉及是否有生命这一问题的微小物体（如玻璃屑、煤屑或金属屑）进行了实验。其结果都一样。这一现象后来被称为“布朗运动”。但是，起初没有人能对此作出解释。

然而，在19世纪60年代，苏格兰数学家麦克斯韦（James ClerkMaxwell，1831—1879)试图以气体由永恒运动着的原子和分子组成这一论点为基础，来说明气体的特性。原子永恒运动这一论点曾遭到早期原子论者的怀疑。但是，麦克斯韦第一个成功地运用数学概念推出了这个理论。按照麦克斯韦建立的数学模型，运动着的原子和分子互相弹离并弹离容器壁，其方式完全说明了气体的特性。例如，它可以解释玻意耳定律。

麦克斯韦的这项工作还产生了对温度的新的理解，证明温度是对组成气体的原子和分子的平均运动速度的量度，这不仅适用于气体，同样也适用于液体和固体。即使在固体中，原子或分子被冻结在所处的位置上，它们不能整个地从一点运动至另一点，但那些原子或分子却在它们的平衡位置附近做微小振动，振动的平均速度就代表温度。

1902年，瑞典化学家斯韦德贝里（Theodor Svedberg，1884—1971)指出，也许可以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。通常，来自各个方向分子对物体的碰撞量是相等的，因此物体保持静止状态。诚然，在这个或那个方向完全可能偶尔有稍多一些的分子撞击该物体，然而，由于有那么多的分子在一起撞击，上述细微偏差（即1万亿个中的2或3个)对于实际的平衡状况而言并不会产生明显的运动。

假如悬浮在水中的物体非常之小，从各个方向撞击它的分子数量也相对地较少，小小的偏差就有可能产生相对说来较大的影响。来自某个特定方向的几个额外的分子对悬浮粒子的轻微撞击造成的推力，使该粒子朝推力的方向运动。而在下一刻，则会在另一个方向产生这种额外的碰撞，粒子便在那个新的方向上被推动。作为对于周围分子随机运动的反应，粒子也做随机的不规则运动。

斯韦德贝里仅仅是推测而已，而在1905年，当时在瑞士的爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955)将麦克斯韦的理论用于微小质点的撞击，并十分肯定地证明，那些质点轻微晃动恰与观测到的花粉颗粒的运动完全相同。换句话说，他给出了用以描述布朗运动的数学方程式。

1908年，法国物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870—1942)针对实际观测结果着手检验爱因斯坦的方程式。他将一些很细的树脂粉末放入水中。如果水分子没有对它们产生撞击，那么，所有树脂粉粒都应该下沉至容器底部，并滞留在那里。如果存在这种撞击，则有些粉粒会被向上撞而抵消重力的拉曳。诚然，那些粉粒会再次下沉，但是它们还会再一次被向上击起。那些已经在上面的粉粒则会被往上扬击得更高。

在任何给定的时候，都会有树脂粉粒向上散布。这时，大多数粉粒会滞留在容器底部，而有一些粉粒则离底面的距离很小，较少一些粉粒距底面稍远一些，更少的粉粒距底面更远一些，以此类推。

由爱因斯坦建立的数学方程式表明了对应于每个高度应存在的粉粒数，该数值取决于粉粒的大小及撞击它们的水分子的大小。佩兰计算出位于不同高度上的粉粒数目，并发现计算结果完全符合爱因斯坦的方程式。由此，他计算出了水分子必须具有的尺度及组成它们的原子所必须具有的大小。

1913年，佩兰公布了他的计算结果。他计算求得的原子直径约为一亿分之一厘米。换句话说，就是将1亿个原子一个挨一个地排在一起，其长度才有1厘米。

这是当时最接近于对原子进行实际观测的事物。即便人们还不能完全看见它们，但已经能看见它们的碰撞产生的影响，并能最终得出它们的实际大小。就连最顽固的科学家也不得不对此作出让步，甚至奥斯特瓦尔德也接受了原子的实际存在，虽然他们还不相信这些模型。

1936年，德国物理学家米勒（Erwin Wilhelm Mueller，1911—1977)设想了一种装置，它能够将极细的针尖放大到人们能拍摄其图像的程度，构成它的原子排列得好像许多小小的光点。直到1955年人们才真正看到了这样的原子。

然而，人们仍称它为原子理论，这是因为它能清楚地用原子的存在来解释多方面的科学事实。请记住，理论不是“猜想”，没有一个头脑清醒的合格的科学家会怀疑原子的存在。（证明原子存在的这种情况，对于其他一些已经很好地确立的科学理论来说也是正确的。尽管当时对各种细节的看法仍存在着一些争论，但它们是理论这一事实已经是肯定的了。这对于进化论尤为正确，该理论始终受到那些对科学一无所知的人的攻击，或者更糟的是那些让迷信压倒了悟性的人的攻击。)