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一场持续了两千年的争论,原子真的存在吗?

2024-10-02科学

原子啊,是幻想出来的呢,还是真有那么个东西呢?

核能啊,也叫原子能,这得从人们探索原子、原子核能说起。可您猜怎么着?差不离100年前的时候,好多科学家压根儿就不信有原子这玩意儿存在呢。

嘿,您知道吗?早在2000多年前啊,有个古希腊的学者叫德谟克利特,这人就寻思着,所有的物质啊,都是由那种小得不能再小、没法再分割的小粒子组成的,这小粒子就叫原子呢[1]。

德谟克利特眼里的原子啊,那可老多了,无穷无尽的。形状也是五花八门,有凹进去的,有鼓出来的,还有长得像眼镜似的,像钩子似的。这和咱们现在说的原子可差着十万八千里呢。不过呢,他这个想法可是古希腊原子论重要的思想源头[2]。

当然啦,还有一种说法呢。最早提出原子论的可能是德谟克利特他老师留基普斯,可这事儿没个准儿的记录。所以呢,一般大伙说起原子论的提出者,提德谟克利特的时候更多些。

可是啊,原子这玩意儿小得不像话,从古至今就没人瞅见过原子、分子啥样儿。这么一来呢,原子论在老长的一段时间里,就跟那些讲物质本源的说法没两样,也就是些假说、瞎猜罢了。

就这么着过了2000多年,约翰·道尔顿又把原子论给拽到台前来了。道尔顿心说啊,所有的东西都是原子组成的,原子这玩意儿呢,不能再分了,也没法给弄坏喽。

德谟克利特那是凭空提出观点,道尔顿可不一样。他研究蒸馏水的时候,瞅见每个水粒子都长得一个样儿,氢粒子呢,也是彼此没差别的。

并且啊,他靠着做实验把6种元素的元素质量给确定了,还弄出了原子模型呢。可就算这样,原子论脑袋上那疑云也没散啊。这些都不过是推论罢了,谁也没瞅见过原子,那咋能证明原子是实实在在存在的玩意儿呢?

在那个时候啊,想直勾勾地瞅见它们,那可没门儿。要想证明它们在那儿,就得寻思别的招儿。嘿,就在一次稀里糊涂搞植物学观察的时候,这招儿冒出来喽。

水里藏着个幽灵呢。

有个苏格兰的植物学家叫罗伯特·布朗,原子的行踪最早就是被他发现的。

1827年的时候啊,布朗用显微镜瞅克拉克花(Clarkia pulchella)的花粉呢。嘿,他就瞧见了,啥外力都没有的时候啊,花粉里那些个小颗粒自个儿就在那儿晃悠呢。后来啊,这个事儿就被叫做布朗运动喽。

得说明一下啊,好多科普内容都讲布朗瞅见花粉在那颤动。可实际上呢,花粉的颗粒太大了,根本没法发生布朗运动。布朗的原文写的是「tiny particles from the pollen grains of flowers」。[3]这么着,颤动的是花粉里更小的微粒。

刚开头的时候,大伙都寻思呢,这现象啊,指定是某种生命在活动,就是花粉里的玩意儿遇着水开始有变化了呗。可坏就坏在这儿了,布朗瞅的那花粉是20年前就收集好的,早该断气断得透透的了,结果呢,它们还能跟刚采下来的新鲜花粉似的动来动去呢。

布朗心里就琢磨着,这运动啊,八成跟生命活动没半毛钱关系。想验证这事儿也简单得很,布朗又搜罗来形形色色的无机物,从玻璃碴子到狮身人面像身上的粉末都给找来了。

把这些玩意儿一股脑儿全搁水里,得嘞,这些东西就都晃悠起来了。这就表明啊,让这些小颗粒动起来的,肯定跟生物不沾边儿。可布朗当时也不晓得背后到底是啥在推动呢,就光把结果记到观察记录里头了。

嘿,就因为这个记录啊,原子想不被发现都难喽。

在那些相信原子和分子存在的人眼里,布朗运动可不得了,是个特了不起的发现呢。他们寻思啊,这运动不就是颗粒和水分子撞来撞去的结果嘛。

19世纪70年代的时候啊,就已经有人琢磨着用分子的瞎溜达来解释布朗运动了。可那时候呢,有个事儿大家一直搞不定:颗粒物的粒径跟水分子比起来,那可大太多了,这就好比小小的乒乓球哪能推得动像体育场那么老大的大球呢!

嘿,可算好了,打从布朗发现布朗运动起,过了78年,答案这才冒出来喽。

【爱因斯坦的奇迹】这爱因斯坦啊,那可真是个奇迹般的存在。就他干出的那些事儿,简直就像是来自外太空的智慧在地球上开了个挂。他捣鼓出来的相对论,那对咱普通人来说,就像是听天书似的。什么时间会变慢,空间还能弯曲,这概念就像是从魔法世界跑出来的一样,可他就能想出来,还能给整出一套严密的理论来。他那大脑就像是一个超级无敌的宝藏库,各种奇奇怪怪又超级厉害的想法就不断地从里面冒出来。感觉他就像是站在宇宙的顶端,拿着智慧的魔法棒,在科学的世界里挥来挥去,然后就创造出了这么多让人惊掉下巴的成果。这爱因斯坦啊,真不愧是科学史上一个超级大奇迹!

嘿,把这问题给解决了的人呐,就是爱因斯坦。并且解决这问题的时候呢,正好是爱因斯坦大爆发的1905年,就是那有名的「爱因斯坦奇迹年」呢。

这一年啊,爱因斯坦弄出了4篇论文呢。有一篇叫【热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动】,就这篇论文,把布朗运动那问题给解决喽。

爱因斯坦说的关键之处是啥呢?就是啊,一回碰撞想推动那是没门儿的。可每秒数十亿次那种随机碰撞啊,这产生的作用可老大了,大到啥程度呢?大到引发的结果在显微镜底下都能瞅见了。

更要紧的是,爱因斯坦靠着黏性和扩散率的那些理论知识,再加上实验数据,对布朗运动做了个预测呢。就说有个直径是1/1000 mm的小颗粒,搁在17℃的纯水里头,嘿,在一分钟以内啊,它平均能位移6微米这么个距离。

嘿,在那论文里啊,爱因斯坦还明明白白给出了测量原子粒径的法子呢。这可是个特别实在的、能去验证的预测哟。

嘿,才过了短短3年呢,法国有个叫让·巴蒂斯特·佩兰的科学家,就把爱因斯坦的猜测给证实喽,得嘞,原子这玩意儿是真真切切存在的呀。就因为这项研究,佩兰还得了1926年的诺贝尔物理学奖呢。

嘿,到这儿啊,原子到底存不存在这个事儿可算是有了定论。德谟克利特也好,道尔顿也罢,这二位都有件事儿给弄错喽,原子啊,它是能再拆分的呢。您猜怎么着?科学家们要是一步步把原子给拆下去呀,能发现那种能毁天灭地的厉害玩意儿。

[3] 罗伯特·布朗(Robert Brown):在【哲学杂志】(Philosophical Magazine),第4卷,1905年,第161 - 173页。

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