[探索原子深处] 人类探索原子结构的历程

　　自古以来，当人们仰观日月星辰的旋转，俯视花草藤萝的盛衰，纵看鸟兽鱼虫的活动，面对这无限繁复的自然界，不能不提出这样的问题：自然界是由什么最基本的东西构成的？人们一次又一次地宣布找到了这种最基本的东西，但又总是一次又一次地为新的发现所否定。
　　在古代，人们把最常接触的东西当作构成物质的最基本的砖块。我国战国时代有五行说，认为万物是由金、木、水、火、土构成的。古印度则有四元素说，认为水、火、土、空气是构成万物的始原。最初提出物质可分的光辉思想的，是我国学者墨翟（前468－376年）。他说，如果把一根木棍一半又一半地砍下去，砍到只剩下不能再砍为两半的细粒时，这个细粒就叫“端”。古希腊唯物主义哲学家德谟克利特，也认为万物是由最小的不可再分的原子组成的。这两种见解虽然仅承认物质只有量的分割，但它已经不是从物质之外去寻找物质结构的始原，而是认识到物质自身的可分性。
　　随着近代自然科学的形成和发展，到了十六世纪，已经发现几十种元素的原子，当时在西方，原子论已颇为时髦了。一方面人们正确地用原子解释了一些现象，但另一方面，当许多现象用单纯的原子论无法说明时，又给原子加上许多主观的臆想。有人说原子是实心小球，光溜溜的；有人说原子是带钩的，便于彼此联结。特别是当遇到为什么有的东西热，有的东西冷这样一些问题时，有人又解释说，那是因为有热原子、冷原子的缘故。
　　到了十九世纪，冷热的原因被分子运动说正确地解释了，而质量和能量守恒定律的发现，更进一步证实了物质是由原子构成的。为什么世界上的物质有千姿万态呢？原来物质的多样性是由原子排列组合的多样性决定的。例如不论是窑中烧出来的木炭，还是以矿物存在的金刚石，它们的分子都叫碳分子，都是由相同的原子组成的，只是由于原子排列不同，有的排得很有规矩，就成了金刚石，有的乱糟糟的排一通，就成了炭。复杂的物质是由简单的物质化合而来的。例如，食盐就是由一个金属钠的原子和一个气体氯的原子化合组成的。在化合过程中，只改变了进行化合的各种物质原来的分子中的原子排列，而不改变作用物质和生成物质中原子的总数。
　　至此，原子论才真正站稳了脚跟。当时普遍认为，构成物质的最基本的东西找到了，它就是原子。原子是物质的最小粒子，是永恒不变的不可分割的“宇宙之砖”。
　　但是，原子是不是不能再分的最小砖块呢？具有辩证唯物主义的远见卓识的恩格斯，第一次提出了原子也是可分的著名论断。他指出，“原子决不能被看作简单的东西或已知的最小的实物粒子。”这个光辉预言被证实了。
　　一八九六年，贝克勒尔发现了放射性。一八九八年，居里夫人发现了有些重元素如铀、镭，经过放射后会蜕变成另一种元素。这一来，从放射性元素中跑出来的α、β、γ（射线）这三位不速之客，就踢开了以前认为是不可分的原子的大门，把含有巨大能量的原子内部世界暴露在人们面前。一八九七年，汤姆逊发现了电子，这就证明原子内部还有更小的粒子。
　　此后，科学实验进一步证明原子内部还有更小的粒子在活动。例如，用云雾室可以看到这些小粒子的“足迹”：这就是把放射性粒子
　　引入充满一种过度饱和蒸气的小室内，放射性粒子使蒸气电离产生的离子又成为凝结中心，于是在粒子经过的路上饱和蒸气凝结成一条白色的云雾，从而暴露出粒子走过的路径。人们还用α粒子做子弹，打击金箔中的原子，通过α粒子透过金箔后分散的情况，查明原子内部是异常的空旷，如果设想一个原子有上海国际饭店那样大，则原子核只有一粒绿豆那样小。
　　人们除了通过科学实验，还用数学的抽象描绘出原子内部的模样，也就是建立原子模型。因为有了对原子的理性认识，才能更深刻、更正确、更完全地认识原子。一九一一年卢瑟福根据上述α粒子散射实验，提出了“原子行星模型”，认为原子中心是原子核，电子在特定的轨道上绕原子核运动，就象行星绕太阳运行一样。以后，又发现电子不仅具有粒子的特性，还具有波动的特性，这又推动科学家根据量子力学建立新的电子云模型。这个模型告诉人们，电子在原子核外不是沿着一成不变的确定的轨道运动，而是在有些地方出现的机会大，在另一些地方出现的机会小，平均地看，电子象云朵一样，以一定的形状分布在核的周围。
　　至此，原子结构的图象就很清晰了。一九三二年又发现了中子，进一步弄清了原子核是由质子和中子构成的。于是，原子的三要素——中子、质子和电子，作为“基本”粒子的名称被提出来了。尽管列宁曾经指出，“电子和原子一样，也是不可穷尽的”，但是直到本世纪五十年代以前，大多数物理学家并未接受他们的前辈把原子宣布为“物质始原”的教训，认为基本粒子已经是没有大小、没有厚薄的数学点，当然也就谈不上有内部结构了。在他们看来，“物质的始原”找到了，“终极真理”终于被猎取到了。于是，许多科学家又在 “基本粒子”面前徘徊不前。
　　但是，实践作为检验真理的标准是不以人们的意志为转移的。现在，不仅又找到了二百多个基本粒子，而且大量事实预示着基本粒子不基本。科学家已经发现电子有自己旋转的特性，这从反面证明：电子如果是一个没有大小的数学点，就不会转动了。人们也一再用高能加速器、高能对撞机等手段，把中子、质子等基本粒子打成碎片，也可以把这些碎片再收集起来组成新的基本粒子。当用高能电子打击质子时，发现并不是打在一个实心球体上（它说明质子并不是浑然一体的简单的实心球），而是碰在一些断续的点上，这就表明质子内部有的地方空，有的地方实，是有内部结构的。过去一直认为电荷的最小单位是电子所携带的电荷，一九七七年有人发现了分数电荷，它是电子电荷数值的三分之一，这为我们进一步探讨电子是可分的提供了新的线索。
　　在科学实验基础上，不少科学家象当初建立原子模型一样，以抽象的数学形式，提出了基本粒子中还有更深的层次的各种理论假说和模型。日本的坂田昌一在恩格斯关于分子、原子不过是物质分割的无限系列中的各个“关节点”的思想指导下，提出了著名的坂田模型。我国物理学工作者也提出了“层子模型”，等等。但是，现在有的人还不承认基本粒子有结构，有的人承认有结构，但不承认还可分。所以，关于基本粒子是否可分的争论，还没有结束。
　　从人类探索原子奥秘的历程中可以看出，人们对于物质结构的认识，是一个由浅入深、由片面到更多的方面的无限发展过程。每一种关于物质结构的观念和学说，都只能达到为当时的历史条件所许可的程度，都只是人类认识的无限长途中的一个里程碑。但是，我们看到，在人类认识史上，许多学者不懂得这个道理。每当得出一个真理性的认识以后，总有人想停止下来，觉得认识已经完成了，把相对真理绝对化。而如果否认这种真理性的认识有进一步深化的必要，把它看作是“终极真理”，这就会导致思想僵化，就会阻碍人们的认识向事物的更深刻的本质前进。所以，在一切学问、一切真理性的认识、一切已知的科学（包括自然科学和社会科学）定理面前，停止的观点、无所作为的观点都是错误的。解放思想，开动机器，勇于在实践中探索，发现更新的真理，这是我们从中得到的可贵的启示。