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摘要：古希腊时期原子论的启蒙谈到科学史,流行的说法是原子的观点可以追溯到古希腊那个创生科学的年代,接下来又会赞扬古代那么早就认识到物质的本质。确实,死于公元前370年的德谟克利特曾提出过，如果这个世界是由不同种类的不可分割的原子组成,而每个种类具有各自的形状和大小在不断地运动,这样解释这个复杂的世界就容易多了。
古希腊时期原子论的启蒙 谈到科学史,流行的说法是原子的观点可以追溯到古希腊那个创生科学的年代,接下来又会赞扬古代那么早就认识到物质的本质。但是这种说法有些夸大其词。确实,死于公元前370年的德谟克利特(Democritus)曾提出过，如果这个世界是由不同种类的不可分割的原子组成,而每个种类具有各自的形状和大小在不断地运动,这样解释这个复杂的世界就容易多了。他写道:「 ”世界上除原子和真空外就是思想。”后来萨摩斯的伊壁鸠鲁(Epicurius)和罗马的鲁克里提亚斯·卡拉斯(Lucretius Carus)引用了这个观点。 但不是从那个时代理论家中的先驱者才开始解释世界的本质的,亚里士多德提出宇宙中的任何东西是由四种元素火、土、空气和水组成的,这种观点更普及和持久。自公元年代起,原子论基本上被人们遗忘,而2000年来,人们所接受的是亚里士多德的四元素论。 虽然英国人罗伯特·波义耳在17世纪将原子观点用在其化学的研究中,而且牛顿在其物理和光学研究中一直不忘原子观点,但是,只在18世纪的后半叶,法国化学家安东尼·拉瓦锡在研究物质为何能够燃烧时,原子概念才算真正地成为科学的一部分。拉瓦锡判断出许多真元素,它们不能分解为其他的化学物质。他意识到燃烧过程不过是空气中的氧与其他元素的简单的化合过程 在19世纪初,约翰·道尔顿小心地将原子规则引入化学。他宣称物质是由原子组成的,原子本身是不可分的;同一种元素的所有原子是相同的,但不同元素由不同的原子(不同的大小和形状)组成;原子不能产生也不能消失,只会在化学反应中重新组合;化学合成物是由分子构成的,其中含有两种或两种以上的元素,每一种化合物其构成元素的原子数是固定的。这样原子的概念才真正产生,200年后成为写在我们的教科书中的那种形式 19世纪的原子论 即使如此,直到19世纪原子的概念才慢慢地被化学家们接受。约瑟夫·盖·吕萨克通过实验确定了两种气体物质化合时,一种气体的体积总和与另一气体的体积形成一个简单的比例关系。如果生成物也为气体,那么第三种气体同前两种气体也会形成一个简单比例关系。这与每一分子化合物都是由一种气体原子和其他原子组成的观点相吻合。 在1811年,意大利的阿梅德奥·阿伏伽德罗(Amadeo Avogadro)利用这个观点导出了他的著名假设,无论气体分子的化学成分如何,在固定温度和压力下,同样体积的气体具有相同数目的分子。后来的实验确证了阿伏伽德罗假设的正确性;可以证实在一个大气压下,0℃温度下1升气体大约具有27×102个分子。 只是在19世纪50年代,阿伏伽德罗的同乡一斯坦尼斯劳·堪尼沙罗改进了这个说法,才使一些化学家正经对待它。然而直到19世纪90年代,仍有许多化学家不肯接受道尔顿和阿伏伽德罗的观点。但是那时候,物理学的发展进程已超越了道尔顿和阿伏伽德罗的观点。那时,气体的状态已被苏格兰的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦及奥地利人路德维格·波尔兹曼用原子的概念做了细致的解释。 19世纪60年代至70年代,这些先驱发展出气体是由许多原子或分子组成的观点(阿伏伽德罗的假设可给出它们到底是多少)。这些分子或原子可以想象为小硬球,它们之间相互碰撞,并且与盛它们的容器相碰撞。这直接导致了热是一种形式的运动的观点。当给气体加热时,分子运动加快,增加了对器壁的压力,如果器壁不是固定的,则气体就会发生膨胀。这种新想法的关键所在是气体的状态可以利用力学原理来解释一牛顿力学对大量的原子数或分子数来说是在流计意义上的,在任何时间中一个分子可以向任何方向运动,但许多分子碰撞容器的总效应就形成了对器壁的稳定的压力。 这导致了对气体过程进行数学描述的学科的发展,现在称为统计力学。但仍没有直接的证据证实原子的存在。当时许多领头的物理学家强烈反对原子假设,即使在19世纪90年代,波尔茨曼仍感到只有他自己(也许是误解)在同流行的科学观念做斗争。1898年,他发表了他的详细计算,希望「 ”一旦被重新认识,即使不是在很大程度上的认识,气体理论将获得新生”。1906年,在病痛和压抑的双重折磨下,想到许多顶尖科学家对气体分子运动理论的强烈反对,他 ... 了。没有想到的是,几个月前,一个名叫爱因斯坦的无名物理工作者已发表了文章,确立了无可非议的原子的真实性证明。 爱因斯坦的原子论 这篇文章正是1905年爱因斯坦发表在同一期《物理学年鉴》上的三篇文章之一。这三篇文章,任何一篇都可以确立他在那个时代科学上的地位。一篇是介绍狭义相对论的,内容大都在本书的范围之外;另一篇是关于光与电子相互作用的,后来被认为是关于现在我们称之为量子力学的一流科研工作,因此爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔奖;第三篇文章是关于自从1827年就迷惑科学家的现象的理论解释。这个解释证实了原子的真实性,这是任何理论文章都无法做到的。 爱因斯坦后来说当时他的主要目标是「 ”发现具有有限尺寸原子存在的事实”。这个目标也许标志着现在他的工作的重要性。爱因斯坦发表这些文章期间,正在波恩的一个专利事务所做一名专利审查员,当他结束正规的教育时,他那另类的物理 ... 使他无法得到一个学术职务,专利局的工作正适合他。他的逻辑头脑使他有能力从大量专利申请中清理出有价值的新发明,他熟练的工作技巧给他省下了大量的时间,可以考虑物理问题,即使是工作时间也不例外。 他的一些想法是关于80年前的英国植物学家托马斯·布朗的观点。布朗发现当用显微镜观察浮在水面上的花粉时,看到花粉颗粒似乎在做不规则弹跳运动,这种不规则的运动现在称为布朗运动。爱因斯坦证明这种运动虽然是随机的,却遵循一定的统计规律,如果花粉受到如波尔兹曼和麦克斯韦所描述的那种在气体或液体中运动但看不见的微观粒子的不断冲击的话,其运动恰好就是这种形式。现在看看这篇文章带来多么不可思议的冲击吧。 你和我都已习惯了原子观点,可以马上看出花粉被看不见的粒子所冲击,这些粒子一定是运动的分子或原子。但在爱因斯坦指出这点之前,那些受人尊敬的科学家们仍有余地去怀疑原子的真实性。直到这篇文章出现以后,他们才停止了怀疑。就像苹果落地这件事实一样,解释起来很简单,就这么显而易见,可是为什么80年前没有这种解释呢?有讽刺意味的是,这篇论文是在德国发表(发表在《物理学年鉴》上)的。 因为正是主要由于德国领先的科学家如恩斯特马赫(Ernst MachWilhelm Ostwald)对分子运动论的反对才使波尔兹曼感到自己做的一切是在荒野中呐喊。实际上,到20世纪初已有很多事实能够说明原子的真实性,虽然严格说来这些事实都是间接证据。英国和法国的科学家们比起德国的同行更拥护原子论,正是英国人JJ.汤姆逊在1897年发现了电子,现在我们知道它是原子的组成成分之一。
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