快讯：水中的幽灵和一朵花，结束了两千年的原子争论

2023-01-09 08:19:42 来源：科普中国

作者：田达玮

(资料图片)

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.

文章由科普中国-星空计划（创作培育）出品，转载请注明来源

关键词：爱因斯坦布朗运动德谟克利特