【能源史話01】水中的幽靈和一朵花，結(jié)束了兩千年的原子爭論

原子：幻想還是真實(shí)？

核能又叫原子能，始于人們對原子，原子核能的探索。但直到將近100年前，很多科學(xué)家都不相信原子的存在。

其實(shí)，早在2000多年前，古希臘學(xué)者德謨克利特認(rèn)為，所有物質(zhì)都由稱為原子的不可分割的小粒子組成[1]。

但德謨克利特所認(rèn)為的原子，是無窮無盡的，有許許多多形狀，有凹的，有凸的，有像眼鏡的，有像鉤子的，跟我們今天說的原子差別很大，但他這個(gè)觀點(diǎn)，成為了古希臘原子論的重要思想根源[２]。

德謨克利特

（當(dāng)然另有一說，最早提出原子論的是德謨克利特的老師留基普斯，但并沒有明確的記錄，所以一般還是說德謨克利特的更多）。

但是，原子這樣的東西太過微小，從來都沒有人見過原子、分子。所以，原子論在很長一段時(shí)間里，都和其他物質(zhì)本源的說法一樣，只是假說、猜測。

一直到2000多年后，約翰·道爾頓再一次將原子論推向了前臺(tái)。道爾頓也認(rèn)為：所有物質(zhì)都由原子構(gòu)成的，而且，原子不可再分，且無法破壞。

道爾頓

和德謨克利特不同，道爾頓并不是憑空提出這一觀點(diǎn)的，他通過研究蒸餾水，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)水粒子和每一個(gè)水粒子是一樣的，氫粒子和氫粒子是一樣的。

并且，他還通過實(shí)驗(yàn)確定了6種元素的元素質(zhì)量，制作了原子模型。即便是這樣，原子論頭頂上的疑云還在，這些都是推論，沒有人看見過原子，怎么證明他們是實(shí)實(shí)在在的東西呢？

可在當(dāng)時(shí)，想直接看到它們不太可能，想證明他們的存在，只能另想辦法。而這個(gè)辦法，在一次不經(jīng)意的植物學(xué)觀察中，出現(xiàn)了。

藏在水中的幽靈

最早發(fā)現(xiàn)原子行蹤的，是一位名叫羅伯特·布朗的蘇格蘭植物學(xué)家。

1827年，布朗在顯微鏡下觀察克拉克花（Clarkia pulchella）的花粉。他發(fā)現(xiàn)，在沒有任何外力的時(shí)候，花粉里的小顆粒自己在晃動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象后來被稱為布朗運(yùn)動(dòng)。

克拉克花

這里需要說明一下，在很多科普內(nèi)容上，都是說布朗看到了花粉在顫動(dòng)。但其實(shí)，花粉的粒徑太大了，是不能發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)的，布朗的原文說的是“tiny particles from the pollen grains of flowers”。[３]所以，發(fā)生顫動(dòng)的是花粉中更小的顆粒。

一開始人們都認(rèn)為，這種現(xiàn)象應(yīng)該是某種生命活動(dòng)，是花粉里面的東西遇到水開始發(fā)生變化了。但問題是，布朗觀察的花粉是20年前收集的，應(yīng)該已經(jīng)死透了，可它們?nèi)匀粫?huì)跟新鮮花粉一樣運(yùn)動(dòng)。

布朗就猜測，這種運(yùn)動(dòng)應(yīng)該跟生命活動(dòng)無關(guān)。要驗(yàn)證這一點(diǎn)也很容易，布朗又找來各種各樣的無機(jī)物，從玻璃碎屑到獅身人面像身上的粉末。

把這些東西統(tǒng)統(tǒng)放進(jìn)水里，結(jié)果，這些東西都也出現(xiàn)了晃動(dòng)。這說明，驅(qū)動(dòng)這些小顆粒運(yùn)動(dòng)的，絕不可能跟生物有關(guān)。但布朗當(dāng)時(shí)也不知道背后真正的推動(dòng)力是什么，只是把結(jié)果記錄在了觀察記錄里。

而正是這個(gè)記錄，讓原子難逃被發(fā)現(xiàn)的命運(yùn)。

因?yàn)閷ο嘈旁雍头肿哟嬖诘娜藖碚f，布朗運(yùn)動(dòng)是個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。他們認(rèn)為，這種運(yùn)動(dòng)就是顆粒與水分子碰撞的結(jié)果。

19世紀(jì)70年代，已經(jīng)有人開始用分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來解釋布朗運(yùn)動(dòng)了。但當(dāng)時(shí)人們始終不能解決一個(gè)問題：顆粒物粒徑比水分子大太多了，這就像小小的乒乓球不可能推動(dòng)一個(gè)體育場一樣大的大球。

布朗運(yùn)動(dòng)

終于，在布朗發(fā)現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)之后７８年，答案來了。

愛因斯坦的奇跡

解決這一問題的，正是愛因斯坦。而且解決這一問題的年份，也是愛因斯坦大爆發(fā)的“1905年，愛因斯坦奇跡年”。

在這一年里，愛因斯坦發(fā)表了4篇論文，其中一篇是《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》，這篇論文，解決了布朗運(yùn)動(dòng)的問題。

愛因斯坦

愛因斯坦的重點(diǎn)在于，雖然一次碰撞不可能推動(dòng)，但每秒數(shù)十億次的隨機(jī)碰撞，產(chǎn)生的作用是足夠大的，引起的結(jié)果就能夠在顯微鏡下看到了。

更重要的是，愛因斯坦利用黏性和擴(kuò)散率的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了預(yù)測，對一個(gè)直徑為1/1000 mm的顆粒，放在１７℃的純水里，一分鐘之內(nèi)，它的平均位移為6微米。

另外，在論文里，愛因斯坦還給出了明確的測量原子粒徑的方法。這是一個(gè)極其具體的，可以驗(yàn)證的預(yù)測。

很快，僅僅３年后，法國的科學(xué)家讓·巴蒂斯特·佩蘭就證實(shí)了愛因斯坦的猜測，證實(shí)了，原子是切切實(shí)實(shí)存在的。這項(xiàng)研究，也讓佩蘭獲得了1926年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

讓·佩蘭

到這里，原子是否存在的問題終于被解決了。但無論是德謨克利特也好，還是道爾頓也好，都猜錯(cuò)了一件事情，原子是可再分的。而且，隨著科學(xué)家們對原子一步步的拆分，他們將發(fā)現(xiàn)毀天滅地的力量。

參考文獻(xiàn)：

[１]肯尼，安東尼(2004)。古代哲學(xué)。西方哲學(xué)新史。卷。1. 英國牛津：牛津大學(xué)出版社。第 26-28 頁。國際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào) 0-19-875273-3.

[２]伯納德·普爾曼 (1998)。人類思想史上的原子。英國牛津：牛津大學(xué)出版社。第 31-33 頁。國際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào) 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.