原子的历程：从哲学到科学
原子的历程：从哲学到科学
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、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<
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、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<
受益匪浅！
