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水中的幽灵和一朵花,结束了两千年的原子争论

[ 来源:科普中国 | 作者:田达玮 | 发布时间:2023-01-09 | 浏览:1566次 ]

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作者:田达玮

原子:幻想还是真实?

核能又叫原子能,始于人们对原子,原子核能的探索。但直到将近100年前,很多科学家都不相信原子的存在。

其实,早在2000多年前,古希腊学者德谟克利特认为,所有物质都由称为原子的不可分割的小粒子组成[1]。

但德谟克利特所认为的原子,是无穷无尽的,有许许多多形状,有凹的,有凸的,有像眼镜的,有像钩子的,跟我们今天说的原子差别很大,但他这个观点,成为了古希腊原子论的重要思想根源[2]。

(当然另有一说,最早提出原子论的是德谟克利特的老师留基普斯,但并没有明确的记录,所以一般还是说德谟克利特的更多)。

但是,原子这样的东西太过微小,从来都没有人见过原子、分子。所以,原子论在很长一段时间里,都和其他物质本源的说法一样,只是假说、猜测。

一直到2000多年后,约翰·道尔顿再一次将原子论推向了前台。道尔顿也认为:所有物质都由原子构成的,而且,原子不可再分,且无法破坏。

和德谟克利特不同,道尔顿并不是凭空提出这一观点的,他通过研究蒸馏水,发现每一个水粒子和每一个水粒子是一样的,氢粒子和氢粒子是一样的。

并且,他还通过实验确定了6种元素的元素质量,制作了原子模型。即便是这样,原子论头顶上的疑云还在,这些都是推论,没有人看见过原子,怎么证明他们是实实在在的东西呢?

可在当时,想直接看到它们不太可能,想证明他们的存在,只能另想办法。而这个办法,在一次不经意的植物学观察中,出现了。

藏在水中的幽灵

最早发现原子行踪的,是一位名叫罗伯特·布朗的苏格兰植物学家。

1827年,布朗在显微镜下观察克拉克花(Clarkia pulchella)的花粉。他发现,在没有任何外力的时候,花粉里的小颗粒自己在晃动。这个现象后来被称为布朗运动。

这里需要说明一下,在很多科普内容上,都是说布朗看到了花粉在颤动。但其实,花粉的粒径太大了,是不能发生布朗运动的,布朗的原文说的是“tiny particles from the pollen grains of flowers”。[3]所以,发生颤动的是花粉中更小的颗粒。

一开始人们都认为,这种现象应该是某种生命活动,是花粉里面的东西遇到水开始发生变化了。但问题是,布朗观察的花粉是20年前收集的,应该已经死透了,可它们仍然会跟新鲜花粉一样运动。

布朗就猜测,这种运动应该跟生命活动无关。要验证这一点也很容易,布朗又找来各种各样的无机物,从玻璃碎屑到狮身人面像身上的粉末。

把这些东西统统放进水里,结果,这些东西都也出现了晃动。这说明,驱动这些小颗粒运动的,绝不可能跟生物有关。但布朗当时也不知道背后真正的推动力是什么,只是把结果记录在了观察记录里。

而正是这个记录,让原子难逃被发现的命运。

因为对相信原子和分子存在的人来说,布朗运动是个了不起的发现。他们认为,这种运动就是颗粒与水分子碰撞的结果。

19世纪70年代,已经有人开始用分子的随机运动来解释布朗运动了。但当时人们始终不能解决一个问题:颗粒物粒径比水分子大太多了,这就像小小的乒乓球不可能推动一个体育场一样大的大球。

终于,在布朗发现布朗运动之后78年,答案来了。

爱因斯坦的奇迹

解决这一问题的,正是爱因斯坦。而且解决这一问题的年份,也是爱因斯坦大爆发的“1905年,爱因斯坦奇迹年”。

在这一年里,爱因斯坦发表了4篇论文,其中一篇是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,这篇论文,解决了布朗运动的问题。

爱因斯坦的重点在于,虽然一次碰撞不可能推动,但每秒数十亿次的随机碰撞,产生的作用是足够大的,引起的结果就能够在显微镜下看到了。

更重要的是,爱因斯坦利用黏性和扩散率的理论知识和实验数据,对布朗运动进行了预测,对一个直径为1/1000 mm的颗粒,放在17℃的纯水里,一分钟之内,它的平均位移为6微米。

另外,在论文里,爱因斯坦还给出了明确的测量原子粒径的方法。这是一个极其具体的,可以验证的预测。

很快,仅仅3年后,法国的科学家让·巴蒂斯特·佩兰就证实了爱因斯坦的猜测,证实了,原子是切切实实存在的。这项研究,也让佩兰获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

到这里,原子是否存在的问题终于被解决了。但无论是德谟克利特也好,还是道尔顿也好,都猜错了一件事情,原子是可再分的。而且,随着科学家们对原子一步步的拆分,他们将发现毁天灭地的力量。

参考文献:

[1]肯尼,安东尼(2004)。古代哲学。西方哲学新史。卷。1. 英国牛津:牛津大学出版社。第 26-28 页。国际标准书号 0-19-875273-3.

[2]伯纳德·普尔曼 (1998)。人类思想史上的原子。英国牛津:牛津大学出版社。第 31-33 页。国际标准书号 978-0-19-515040-7.

[3] Robert Brown: "A brief account of microscopical observations made in the months of June, July and August, 1827, on the particles contained in the pollen of plants; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies." In: Philosophical Magazine. Band 4, 1905, S. 161–173.

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