方舟子
433
2009-08-24
方舟子
留美学者，生物化学博士smfang@yahoo.com
（续上期）
到了19世纪末，对化学家来说，已无人会质疑原子的存在。这一点并不奇怪，现代化学就是建立在原子论的基础上的，如果不相信原子的存在，也就不可能去研究化学。偶尔有几个顽固分子，例如在担任政府高官期间利用权力禁止教原子论的法国有机化学家贝特罗（1827–1907），此时也都改变了立场。
但是对物理学家来说，就是另一回事了。在许多物理学家看来，原子仅仅是一种理论假设而已，甚至是没有必要的假设。例如，德国籍物理化学家奥斯特瓦尔德 （1853－1932）等人相信唯能论，认为能量是唯一真实的实在，各种现象都可以用能量及其相互转化来解释，物质、原子、分子的概念都是多余的。
在反对原子论的物理学家中，影响最大的是奥地利物理学家马赫（1838–1916）。他承认原子是一个有用的概念，可以用来解释很多现象，但是这并不等于原子就是真实存在的。由于原子不能被直接观察到，所以马赫认为它只是一个假想的概念而已。在科学史上，也曾经有过类似的概念，例如用来解释燃烧的“燃素”、用来解释热的“热质”，后来都被证明是不存在的。同理，原子也是不存在的。
只有少数物理学家坚定地捍卫原子论，其中嗓门最高的是统计力学的创建者、奥地利物理学家玻尔兹曼（1844–1906），他的统计力学是建立在原子论的基础上的，如果原子、分子不是真实存在的话，他的主要学术成果也就成了泡影。为此，他与马赫、奥斯特瓦尔德展开了激烈的论战。但是在战斗中他显得很孤单，由于无法说服大多数物理学家接受原子论，玻尔兹曼心灰意冷，患上了严重的忧郁症，最终付出了生命的代价——于1906年9月5日自杀身亡。
可惜的是，在玻尔兹曼自杀两三年后，原子的存在就被实验直接证实了，原子论在物理学界取得了完全的胜利。原子（或分子）存在的直接证明首先来自对“布朗运动”的研究。1827年，苏格兰植物学家布朗（1773-1858）用显微镜观察水中的花粉时，发现花粉在做不规则的抖动。他接着观察水中的灰尘，发现它们也在抖动，表明这种无规则运动并不是由于生命运动引起的，液体中各种不同的悬浮微粒都能做布朗运动。那么如何解释这个现象呢？1905年，爱因斯坦（1879-1955）在一篇论文中指出，布朗运动是由于周围液体分子的不平衡碰撞导致的，这个现象是分子（以及原子）存在的直接证据，并建立数学模型做了理论计算。1908年，法国物理学家贝兰（1870–1942）用实验证实了爱因斯坦的计算结果。
贝兰的实验结果出来后，许多反对原子论的物理学家都改变了立场。1909年奥斯特瓦尔德公开表示接受原子论。除了布朗运动的实验，让奥斯特瓦尔德觉得原子论真实可信的还有英国物理学家汤姆孙（1856–1940）对电子的发现。它是汤姆孙于1897年在研究阴极射线管时发现的。阴极射线管是一种抽了真空的玻璃管，一端有电极。给阴极射线管加上电流，就有发光的射线从电极射出。汤姆孙注意到，带正电的板会吸引射线，而带负电的板则排斥射线，因此该阴极射线是带负电的。他推导出阴极射线是由带负电的粒子（即电子）组成的，并计算出电子比最小的原子（氢原子）小大约2000倍，因此它们是原子的组成部分，而不是带负电的原子。由于用不同材料做的电极都能发射电子，汤姆孙认为所有的物质都必定含有电子。
电子的发现不仅证实了原子的存在，而且表明原子并不是不可切割的，还有比原子更小的粒子。由于物质一般并不带电，既然电子带负电，那么原子内部必然还有带等量正电的部分。汤姆孙设想，原子是一团带正电的云，里面撒着一些电子，就像是撒了葡萄干的布丁。
怎么验证这个葡萄干布丁模型呢？需要有某种东西小到能够穿透原子。恰好在1900年左右，人们发现放射性现象，有些矿物质会自发地发射出几种射线，其中一种射线是由带正电的阿尔法粒子组成的。1911年，英国物理学家卢瑟福（1871—1937）用阿尔法粒子当子弹射向金箔。阿尔法粒子大约比电子重7400倍，如果葡萄干布丁模型是正确的，那么阿尔法粒子就能全部轻易地穿透金原子，照亮金箔后面的屏幕。
实验出现了意想不到的结果。虽然大部分粒子穿透了金箔，但是有相当一部分出现了折射，还有少数粒子被反射了回来。这个结果实在令人吃惊，用卢瑟福的话说，就像是海军用15英寸的巨炮射击一张纸，炮弹却被弹回打到了自己。卢瑟福因此认为汤姆孙的原子模型是错误的，并提出原子是由集中了原子的质量、带正电的原子核和带负电的电子组成的，那些发生折射、反射的粒子是正好撞上了坚实的原子核。
有了卢瑟福的发现，原子的存在已毫无疑义，对原子结构的研究诞生了量子力学。但是马赫至死不相信原子的真实性，毕竟，原子是没法看到的！要用显微镜看到原子似乎超出了人类的认识极限，然而，在1981年，人们用扫描隧道显微镜首次实时地观察到了单个原子在物质表面的排列状态。用这一技术，人们还能对单个原子进行操作，把一个原子从一个地方搬运到另一个地方。如果马赫活到现在，也不会怀疑原子的真实存在了。
虽然马赫等人对原子论的批评最终被证明是错误的，但是这一争论是相当重要而且是有益的。它是正当的学术争论，迫使相信原子论的人们去寻找能够确凿地证明原子的存在的实验证据，让原子论完全、彻底地摆脱了哲学思辨的阴影，让物理和化学有了更坚实可靠的基础。
