趣味科普发现原子的脑洞历史

　　我敢说如果不考试，那么学生们最喜欢的科目一定是物理。
　　这不是因为我本人喜欢物理，就推己及人得出的脑can结论。而是因为，随便一个物理问题拿出来，要么与我们的生活息息相关，要么就伴随着吸引我们眼球的谜团。
　　现在的物理学逐渐形成了很多特定的学科，不同的学科研究特定的对象，当然了这些学科之间也有交叉。比如宇宙学，它既涉及到广义相对论的应用，也包括量子力学。不列举更多的物理学分支学科了。
　　直入主题，说说人类在发现原子过程中是如何抽丝剥茧、脑洞大开的。
　　今天的人类对原子这个词毫不陌生，随便一个接受过基础教育的人，就能对原子概念说个大概。我们跟人家说某个东西的基本组成是某某原子，这不会有任何问题。
　　然而人类确认原子存在的过程却充满了崎岖和坎坷，当然了其中也偶尔会闪耀出智慧的火花。
　　以我们今天的标准看，在漫长的时间里，人类表现出来的不是智慧，而是自大和愚蠢。
　　不过嘛，在探索原子的过程中，我们一直在接近真相。
　　脑洞1：3000年前的原子论
　　现在让你穿越回3000年前，去跟人家说说原子，估计会被当做疯子。不过当时真的有人这么干了，这个人就是德谟克利特（约公元前460～公元前370）。
　　他认为万物的本原是原子和虚空，原子是一种最后的不可分割的物质微粒，它的基本属性是充实性，每个原子都是毫无空隙的。虚空的性质是空旷，原子得以在其间活动，它给原子提供了运动的条件。
　　德谟克利特是怎么知道的，我说是顿悟你们信吗？恐怕是拍着脑门想到的比较符合实际情况，毕竟水可以被分装到很多的容器中，也能汇聚在一起；石头可以砸成小石块，也能磨成粉末。
　　从日常物质的分割和聚合联想到物质是由原子组成的，这在当时绝对是一个伟大的思想。
　　尽管这个发现不需要任何真正的发现和理论基础，但设想一下，如果我们连幼儿园都没上过，只有学龄前儿童的智力水平，要想到物质是由原子组成的这一层得有多难？
　　所以德谟克利特绝对是当时人类中真正的智者。
　　【划重点】德谟克利特提出的原子概念是一种想象的结果，具体有没有不知道，可能有，当然也可能没有，就跟有没有上帝的道理是一样的。
　　脑洞2：四元素说（五行说等）
　　那时候的人当然不相信原子说，原因很简单，德谟克利特拿不出来证据。
　　不过，另外两种有代表性的理论：古希腊的四元素说（土、气、水、火）、而太平洋的西海岸大陆上的五行说（金、木、水、火、土）却赢得了人类的普遍信任。
　　四元素说与五行说之所以会被人们相信，是因为，不论四元素说还是五行说，其主张的基本元素都是大家看得到或者感觉得到的东西。
　　不过，四元素说与五行说尽管看起来很像那么回事，但经不起仔细的推敲。
　　其最大问题在于，其一，这两种说法都是在没有任何客观依据的前提下提出，再假定这种学说是正确的，其二，再通过对这种学说有利的角度来解释客观现象对学说做出证明。
　　用最直接的话说就是因果关系混乱：提出观点无厘头，证明观点不符合事物之间的发展关系。
　　这种主观上的解释也带来了很多的笑话。举个例子：指南针是我国的四大发明之一。但是当时的人们对于指南针为什么能指南的原理却一无所知，学者们研究指南针的理论出发点是阴阳五行，并结合当时人们对于大地形状的认识，提出各种指南针的理论。
　　《管氏地理指蒙》，首先提出如下逻辑：磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南方相当于磁针之母。
　　这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。
　　好吧，你非要说指南针能指南是因为儿子想妈了，我还能怎么办？反正指南针能指南是真的，那就信你好喽。
　　不要以为只有古代中国人这么蠢，欧洲中世纪那些伟大的科学家们，也一样。当年伽利略发现了抽水机能把水提到10米的高度就再也上不去了，为了解释这个现象，伽利略认为是自然厌恶真空。
　　其实我很想怼伽利略一句：自然的情绪是怎么来的，你怎么知道的？
　　尽管，四元素说与五行说都是胡说八道，但它们所主张的基本组成元素都是大家看得见、摸得着或者是感觉得到的东西，所以在没有更实锤的证据之前，这类理论统治了人类的认知世界几千年。
　　看来，眼见为实是地球人公认的标准，这与文化和种族没有半毛钱的关系。
　　如果以我们今天人类的眼光来看，四元素说也好，五行学说也罢，亦或是当时其他的什么学说，都没啥实用价值。因为都是毫无依据的瞎猜。
　　脑洞3：炼金术（炼丹术）
　　在科学诞生之前，在漫长的几千年里，人类并非原地踏步。
　　在四元素说统治的那些土地上，有一群炼金术士；而在五行说流行的那块土地上，则活跃着一群炼丹师。不论是炼金术士也好，还是炼丹师也罢，尽管他们在错误的理论指引下不可能走得很远，但人家玩得时间长呀，靠运气他们也搞出不少东西出来。
　　其一是搞出了很多实用的东西。比如冶炼各种金属、识别和归类常见的天然矿物、学会了提炼出来几十种有价值的化学物质。炼丹师们还搞出了黑火药，尽管这种黑火药的方子，就跟老中医的配方差不多，但这是人类历史上第一种人造爆炸材料。
　　另一方面是搞出了实验思想、实验装备和实验流程。千万别小看这些古老的玩意儿，很多东西直到今天我们还在用，比如糖、小苏打、玻璃仪器、各种冶金煅烧的方法等等。这些东西及其加工方法极大地促进了当时的手工业的发展，推动了人类文明的发展进程。
　　脑洞4：真空泵
　　表面上看，真空泵怎么也不会跟原子论扯上什么关系，但事实上是，正是真空泵的发明，推动了人类发现原子的存在。
　　说真空泵还得介绍这玩意儿出现的时候，其他领域中发生的一些重大事件。在四元素说统治的那片土地上，一小撮愿意独立思考的人类发现：用观测和实验的方法可以验证理论，让结论更靠谱。同时他们还发现，数学可以用于描述自然的过程和结果。
　　开普勒、伽利略、牛顿等一票人马齐上阵，用了100多年时间搞出来的牛顿力学，用铁打的证据，搞清楚了很多基本运动的规律，并且把天上和地上的规律统一了起来。人类的眼界一下子打开了，信心一下子足了，原来自然现象背后的秘密是可以被发现的。
　　另外一伙人，搞起了气体物理性质的研究，其中比较有名的一个就是伽利略的学生托里拆利（Torricelli）。1643年，托里拆利将一端密封的长管注满水银并倒置在盛有Hg（汞）的槽里时，发现了密封的玻璃管中760mm水银柱顶端产生的真空。
　　真正在真空环境中做了好多实验的是奥托冯格里克，生于德国马德堡，家里比较有钱，1646年，格里克被选为该市市长。
　　格里克确实是个好市长，他兢兢业业地工作，不遗余力地架建桥梁，建造要塞。此外，他亲自动手种田，以生产当时奇缺的粮食。最重要的是他没有忘了研究自然科学，在真空的研究中取得了可喜的成就。
　　格里克设计的抽气机与抽水泵的原理差不多，都是活塞式的。有了抽气机的格里克做了很多的实验，我们举例说几个：
　　他发现，真空里的火焰会熄灭；鸟在真空里，难过地张开大嘴，拼命吸气，一会儿便死去；鱼也会在真空中死去；葡萄在真空中能保持六个月不变质等等。
　　他又在玻璃容器中装入一只正在发出声音的钟，当将容器里的空气抽出后，就听不到声音了。由此证实，声音不能在真空里传播。
　　当然了，格里克最著名的一个实验就是马德堡半球实验。这个实验逐渐成为广为人知的示范大气压力原理的实验方法。很多学校都有供教学用途的马德堡半球的仿制品，德国邮政还发行过纪念这一实验的邮票。
　　真空泵虽然没有直接导致原子论的提出，但真空泵让人们发现了更多的气体的现象，为研究气体的物理和化学性质提供了一种有效的手段。
　　这就是技术进步推动科学发展的典型案例。
　　用真空手段研究气体物理性质的，这就是我们下面要提到的这个人波义尔。
　　脑洞5：气体与物质的最小颗粒
　　波义尔这个人其实大家都不陌生，就是高中物理中发现波义尔定律那个。波义尔看到了格里克抽气机的图纸，自己动手改进了一个。他用这个抽气机进行密闭系统的气体性质的研究，他发现，在温度恒定时，气体的压强和体积的积是一个常数。
　　表面上看这个公式相当简单pVk，然而当我们仔细想想，在当时的情况下，其实这个公式非常不简单。对比弹簧拉力的公式fKx，这意味着，气体有弹性。
　　为了解释空气的弹性，1660年，波义尔出版了《关于空气弹性及其效应的物理、力学新实验》一书。在这本书中，波义耳提出了对气体弹性的两种可能解释：
　　一种认为把气体微粒看成是许多细小弹性游丝；另一种认为微粒在热的扰动下不断作旋涡运动，由这种运动引起弹性。
　　在此处我们可以明显看出波义尔关于气体是由微粒（原子）组成的思想。
　　这是第一个描述气体运动的定律，为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。
　　一个世纪以后，法国人查理和盖一吕萨克建立了更全面的定量规律。
　　脑洞6：气体动理论
　　尽管17世纪的物理学家们对气体的物理性质已经有了一定的了解，但到了18世纪上半叶，荷兰数学家伯努利让气体的物理学规律又进了一大步，这就是他于1738年发表的关于气体最早的完全统计性的研究成果之一。
　　伯努利用数学方法描述了他的气体运动学思想。伯努利的气动方程与实验高度吻合。
　　为了解释气体的这种行为，伯努利认为，可以把气体可以看做由大量单个的微粒组成的，这些微粒不断运动并相互碰撞，以完全随机的方向四处反弹。
　　伯努利的这种思路，就是把气体看做是由原子组成的。
　　脑洞7：化学倍比定律（定比定律）
　　17世纪中后期到18世纪末这个阶段中，炼金术士和炼丹师的工作其实都差不多，但在炼金术士当中有一波人逐渐与炼金术士分离。表面上，他们使用的实验流程，实验设备与炼金术士差不多，但其在科学其他学科研究成果的启发下，开始向定量分析迈进。
　　在这个过程中，波义尔和盖一吕萨克等人对气体的研究的成果被这些化学家们掌握了。1799年，法国药剂师普罗斯特，在实验的基础上得出结论：两种或两种以上元素相化合物成某一化合物，其重量的比例是一定的，不能或增或减。比如2体积的氢气和1体积的氧气发生燃烧可以完全生成水。
　　1804年，道尔顿分析了沼气，知道与同量碳相结合的氢的重量之比2：1。随后，他明确地提出了倍比定律：当相同的两元素可以生成两种或两种以上的化合物时，如果其中一元素的重量恒定，那么另一元素在各化合物中的相对重量有简单的倍数比。
　　道尔顿使物质由原子组成这一概念成为现实的、有用假说的，他给元素指定符号并将符号结合起来成为化合物，并且制作了14种元素的原子量表。
　　这些人的努力和实验结果都在暗示着一个结论存在一种人眼看不到的微小颗粒，它们分散开，就变成气体；它们聚集在一起就变成了液体或者是固体。
　　脑洞8：显微镜与布朗运动
　　说显微镜的时候，就必须提到英国科学家罗伯特胡克，他曾经作为波义尔的助手，协助过波义尔研制了抽气泵，他是一个不逊色于达芬奇的科学家，只是由于他与牛顿有过节，才导致胡克不是那么出名。
　　胡克在光学上的造诣也很深，他不但提出了光的波动说而且还用显微镜观察了很多的东西，为此他把自己的观察成果写成《显微术》出版，我们今天用的细胞这个词就来自胡克的命名。
　　显微镜的作用，在很长时期内没有得到科学家们的重视。
　　直到1827年，英国植物学家布朗在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停的无规则运动。随后，科学家们陆续发现，不仅仅是花粉颗粒，其他悬浮在流体中的微粒也拥有这样的无规则运动。
　　这种运动的特点是，这些小颗粒（比分子大得多）都在进行着快速地、无定向地、随机地、永不停息地运动。颗粒越小、温度越高，这种运动就越激烈。
　　科学家们基于对布朗运动现象的观察和了解，使得人们间接地认识到分子和分子运动的存在。1877年，J。德耳索首先指出布朗运动是由于颗粒受到液体分子碰撞的不平衡力作用而引起的。
　　1904年，法国科学家H。潘卡雷作了进一步解释：大物体（如线度为0。1毫米）将从各个方面受到运动原子的冲击，打击非常频繁，概率定律使之互相补偿，故它们不移动。微小的粒子受到的打击太少，以至无法补偿。也就是说，布朗运动是液体分子处于不停顿无规则热运动的宏观表现。
　　19051906年A。爱因斯坦和M。von斯莫卢霍夫斯基分别发表了理论上分析布朗运动的文章。1908年皮兰用实验验证了爱因斯坦的理论，从而使分子动理论的物理图像为人们广泛接受。
　　结束语
　　至此，我们可以从气体定律、化学定比定律、以及布朗运动的研究成果综合分析得到，物质确实是由微粒组成的，而且这种微粒还有更基本的微粒组成，它们分别被命名为分子和原子。
　　尽管这个时候科学家们还没有能力直接看到它们，但是这些间接证据已经在200多年的时间内，无数科学家的努力之下，积累得坚实无比，让人们不得不信原子的存在。
　　附言：
　　就像当年的日心说受到过教会的阻挠一样，原子论同样受到了来自教会的压力，但在证据面前，教会也不得不低下骄傲的头颅。
　　如今，科学理论仍然不能为有些人所接受，其中相对论和量子力学，是受到最多人质疑的理论；也有很多人，打着弘扬传统文化的旗号，宣传阴阳五行这种巫术理论，科普圈子里有很多小伙伴在与这些人辩论。
　　其实，科学需要的只是时间，随着时间的推移，在越来越多的证据面前，最后能站得住脚的只有科学。
　　借用刘禹锡《乌衣巷》的最后两句：旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。相对论和量子力学，必然如王谢堂前燕，迟早为寻常百姓所接纳。
　　如果您非常喜欢物理学，我向您推荐一下我的专栏《物理的门道》，这个专栏的写作目标是介绍物理思维的特点，当然也会介绍您关心的知识点。