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一場持續了兩千年的爭論,原子真的存在嗎?

2024-10-02科學

原子啊,是幻想出來的呢,還是真有那麽個東西呢?

核能啊,也叫原子能,這得從人們探索原子、原子核能說起。可您猜怎麽著?差不離100年前的時候,好多科學家壓根兒就不信有原子這玩意兒存在呢。

嘿,您知道嗎?早在2000多年前啊,有個古希臘的學者叫德謨克利特,這人就尋思著,所有的物質啊,都是由那種小得不能再小、沒法再分割的小粒子組成的,這小粒子就叫原子呢[1]。

德謨克利特眼裏的原子啊,那可老多了,無窮無盡的。形狀也是五花八門,有凹進去的,有鼓出來的,還有長得像眼鏡似的,像勾點似的。這和咱們現在說的原子可差著十萬八千裏呢。不過呢,他這個想法可是古希臘原子論重要的思想源頭[2]。

當然啦,還有一種說法呢。最早提出原子論的可能是德謨克利特他老師留基普斯,可這事兒沒個準兒的記錄。所以呢,一般大夥說起原子論的提出者,提德謨克利特的時候更多些。

可是啊,原子這玩意兒小得不像話,從古至今就沒人瞅見過原子、分子啥樣兒。這麽一來呢,原子論在老長的一段時間裏,就跟那些講物質本源的說法沒兩樣,也就是些假說、瞎猜罷了。

就這麽著過了2000多年,約翰·道爾頓又把原子論給拽到台前來了。道爾頓心說啊,所有的東西都是原子組成的,原子這玩意兒呢,不能再分了,也沒法給弄壞嘍。

德謨克利特那是憑空提出觀點,道爾頓可不一樣。他研究蒸餾水的時候,瞅見每個水粒子都長得一個樣兒,氫粒子呢,也是彼此沒差別的。

並且啊,他靠著做實驗把6種元素的元素質素給確定了,還弄出了原子模型呢。可就算這樣,原子論腦袋上那疑雲也沒散啊。這些都不過是推論罷了,誰也沒瞅見過原子,那咋能證明原子是實實在在存在的玩意兒呢?

在那個時候啊,想直勾勾地瞅見它們,那可沒門兒。要想證明它們在那兒,就得尋思別的招兒。嘿,就在一次稀裏糊塗搞植物學觀察的時候,這招兒冒出來嘍。

水裏藏著個幽靈呢。

有個蘇格蘭的植物學家叫羅拔·布朗,原子的行蹤最早就是被他發現的。

1827年的時候啊,布朗用顯微鏡瞅克拉克花(Clarkia pulchella)的花粉呢。嘿,他就瞧見了,啥外力都沒有的時候啊,花粉裏那些個小顆粒自個兒就在那兒晃悠呢。後來啊,這個事兒就被叫做布朗運動嘍。

得說明一下啊,好多科普內容都講布朗瞅見花粉在那顫動。可實際上呢,花粉的顆粒太大了,根本沒法發生布朗運動。布朗的原文寫的是「tiny particles from the pollen grains of flowers」。[3]這麽著,顫動的是花粉裏更小的微粒。

剛開頭的時候,大夥都尋思呢,這現象啊,指定是某種生命在活動,就是花粉裏的玩意兒遇著水開始有變化了唄。可壞就壞在這兒了,布朗瞅的那花粉是20年前就收集好的,早該斷氣斷得透透的了,結果呢,它們還能跟剛采下來的新鮮花粉似的動來動去呢。

布朗心裏就琢磨著,這運動啊,八成跟生命活動沒半毛錢關系。想驗證這事兒也簡單得很,布朗又搜羅來形形色色的無機物,從玻璃碴子到獅身人面像身上的粉末都給找來了。

把這些玩意兒一股腦兒全擱水裏,得嘞,這些東西就都晃悠起來了。這就表明啊,讓這些小顆粒動起來的,肯定跟生物不沾邊兒。可布朗當時也不曉得背後到底是啥在推動呢,就光把結果記到觀察記錄裏頭了。

嘿,就因為這個記錄啊,原子想不被發現都難嘍。

在那些相信原子和分子存在的人眼裏,布朗運動可不得了,是個特了不起的發現呢。他們尋思啊,這運動不就是顆粒和水分子撞來撞去的結果嘛。

19世紀70年代的時候啊,就已經有人琢磨著用分子的瞎溜達來解釋布朗運動了。可那時候呢,有個事兒大家一直搞不定:顆粒物的粒徑跟水分子比起來,那可大太多了,這就好比小小的乒乓球哪能推得動像體育場那麽老大的大球呢!

嘿,可算好了,打從布朗發現布朗運動起,過了78年,答案這才冒出來嘍。

【愛因斯坦的奇跡】這愛因斯坦啊,那可真是個奇跡般的存在。就他幹出的那些事兒,簡直就像是來自外太空的智慧在地球上開了個掛。他搗鼓出來的相對論,那對咱普通人來說,就像是聽天書似的。什麽時間會變慢,空間還能彎曲,這概念就像是從魔法世界跑出來的一樣,可他就能想出來,還能給整出一套嚴密的理論來。他那大腦就像是一個超級無敵的寶藏庫,各種奇奇怪怪又超級厲害的想法就不斷地從裏面冒出來。感覺他就像是站在宇宙的頂端,拿著智慧的魔法棒,在科學的世界裏揮來揮去,然後就創造出了這麽多讓人驚掉下巴的成果。這愛因斯坦啊,真不愧是科學史上一個超級大奇跡!

嘿,把這問題給解決了的人吶,就是愛因斯坦。並且解決這問題的時候呢,正好是愛因斯坦大爆發的1905年,就是那有名的「愛因斯坦奇跡年」呢。

這一年啊,愛因斯坦弄出了4篇論文呢。有一篇叫【熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動】,就這篇論文,把布朗運動那問題給解決嘍。

愛因斯坦說的關鍵之處是啥呢?就是啊,一回碰撞想推動那是沒門兒的。可每秒數十億次那種隨機碰撞啊,這產生的作用可老大了,大到啥程度呢?大到引發的結果在顯微鏡底下都能瞅見了。

更要緊的是,愛因斯坦靠著黏性和擴散率的那些理論知識,再加上實驗數據,對布朗運動做了個預測呢。就說有個直徑是1/1000 mm的小顆粒,擱在17℃的純水裏頭,嘿,在一分鐘以內啊,它平均能位移6微米這麽個距離。

嘿,在那論文裏啊,愛因斯坦還明明白白給出了測量原子粒徑的法子呢。這可是個特別實在的、能去驗證的預測喲。

嘿,才過了短短3年呢,法國有個叫讓·巴蒂斯特·佩蘭的科學家,就把愛因斯坦的猜測給證實嘍,得嘞,原子這玩意兒是真真切切存在的呀。就因為這項研究,佩蘭還得了1926年的諾貝爾物理學獎呢。

嘿,到這兒啊,原子到底存不存在這個事兒可算是有了定論。德謨克利特也好,道爾頓也罷,這二位都有件事兒給弄錯嘍,原子啊,它是能再拆分的呢。您猜怎麽著?科學家們要是一步步把原子給拆下去呀,能發現那種能毀天滅地的厲害玩意兒。

[3] 羅拔·布朗(Robert Brown):在【哲學雜誌】(Philosophical Magazine),第4卷,1905年,第161 - 173頁。

文章是科普中國 - 星空培育計劃搞出來的,要轉載的話,可別忘了註明來源喲。