科学假说 孙作东 [科学大争论]

　　真正为原子论提供了实验依据的不是物理学家，而是化学家。但是在此之前，还有一个障碍需要清除：什么是元素?亚里士多德认为世界由气、火、水、土四种元素组成(在天上还有第五种元素――以太)。这个观点被视为真理信奉了2000年。炼金术士在此基础上增加了三种元素：汞、硫和盐，但并非指具体的物质，而是分别用来代表金属性、可燃性与非金属性、溶解性。波义耳在1661年发表《怀疑派的化学家》，对亚里士多德的四元素学说和炼金术的三元素学说都进行了批判，认为这些传统的元素都不是真正的元素。他提出，元素应该是指既不能由其他物质生成，也不能相互转换，无法再分解的某种原始、简单的东西。他提出，元素的种类有很多，什么东西能被算是元素，要用实验来确定。100多年后，法国化学家拉瓦锡在1789年出版的《化学概要》一书中，列出了33种元素，尽管其中有些元素其实是化合物，而且他把光、热也当成元素，但是这是第一张现代意义上的元素表，包含了许多真正的元素，例如氧、氮、氢、硫、磷、碳、铜、锡、铁、锰、汞等等。
　　拉瓦锡明确地把元素定义为无法用任何方法分解的物质，并根据实验结果提出了质量守恒定律：在化学变化中物质的质量是守恒的，物质不能被创造也不能被消灭。另一位法国化学家普鲁斯特根据一系列实验结果，在1799年提出定比定律：每一种化合物，无论是用什么方法制成的，其组成元素及质量都有确定的比例。这条定律在今天看来其实是化合物的定义，但是在当时。化合物和混合物的概念还没有做出明确的区分，因此这条定律的提出受到了许多化学家的反对，他们认为元素能够以任何比例相互结合。
　　1803年，英国化学家道尔顿发现如果一种元素的质量固定，那么和它结合的另一元素在各种化合物中的质量一定和它成简单的整数比，而不会是分数。在1808年出版的《化学哲学的新体系》一书中，道尔顿根据这些定律系统地提出了原子论。
　　道尔顿认为，元素是由极为微小的微粒――原子组成的。一种元素的所有原子全都一样，但是与其他元素的原子不同。不同元素的原子能够根据其相对重量(原子量)区分开来。一种元素的原子能和其他元素的原子形成化合物，组成一种化合物的不同元素的原子总是有同定的比例。在化学变化中，原子不能被创造、分割或毁灭。化学反应不过是改变了原子结合的方式。这样，道尔顿把原子论从哲学学说变成了有坚实的实验基础、可以预测和验证的科学理论，为化学研究奠定了理论基础，让化学真正成为了一门科学。
　　但是就在道尔顿系统提出原子论的这一年，原子论遇上了一点儿麻烦。法国化学家盖・吕萨克发现气体化合体积定律，在同温、同压下，参加同一反应的各种气体的体积互成简单的整数比。例如，氢气和氯气化合生成氯化氢时，三者的体积比为1:1:2。也就是说，1体积的氢气和1体积的氯气生成了2体积的氯化氢。根据道尔顿原子论，同体积气体中所含原子的数目必然相同，这就意味着生成1个原子的氯化氢需要0，5个原子的氢气和0，5个原子的氯气。但是这就与原子是化学反应中不可分割的最小微粒的说法相矛盾了。因此道尔顿干脆否认盖・吕萨克的实验结果。
　　之所以会出现这个矛盾，是由于在道尔顿原子论中，没有分子的概念，把所有的物质都看成是由原子直接组成的。意大利化学家阿伏伽德罗在1811年提出，1个气体分子可由2个或2个以上的相同原子组成，而且在同温、同压下，相同体积的气体都含有相同数目的分子。根据这个观点，从气体化合体积定律可以推导出，1个分子的氯化氢需要0，5个分子的氢气和0，5个分子的氯气，但是这与原子论并不矛盾，因为0，5个分子的氢气和0，5个分子的氯气分别是1个原子的氢气和1个原子的氯气，原子并没有被分割。阿伏伽德罗的分子论完善了原子论，完满解释了气体化合体积定律。
　　然而，原子论的最大缺陷是，原子无法被直接观察到，这让许多物理学家无法相信原子是真实存在的。到了19世纪末，原子是否真实存在，成了科学争论的一大热点。
　　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。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。
　　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，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。为此他与马赫等人展开了激烈的论战。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。1905年，爱因斯坦在一篇论文中指出，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。除了布朗运动的实验，让反对原子论的人觉得原子论真实可信的还有英国物理学家汤姆孙对电子的发现。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。
　　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。
　　怎么验证这个理论呢?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，如果汤姆孙的理论是正确的，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。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。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!然而，在1981年，人们用扫描隧道显微镜首次观察到了单个原子在物质表面的排列状态。
　　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。