2017年6月26日

從古希臘說起-原子的故事

作者/余海峯,天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員,研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。
化學家約翰·道爾頓。(Wikipedia)
物理學家費曼(Richard Feynman, 1918~1988)曾經問過一個問題:「如果人類文明即將毀滅,所有科學知識都將消失,只有一句話能夠傳承給存活下來的人,什麼話能以最少字數包含最多資訊呢?」是慣性定律?萬有引力定律?抑或是質能等價?費曼認為,包含最豐富科學知識的一句說話,是原子假說。

我們知道原子是細小的粒子,它們永遠都在運動、振動著。當它們隔了一定距離就會互相吸引、靠得太近又會互相排斥。這是因為科學家發現原子是由帶正電荷的原子核與帶負電荷的電子構成的。可是,我們又知道這個看似簡單平常的事實,其實經歷了2000多年來無數科學家的努力才得以證實嗎?

古希臘探索世界構成
讓我們一起回到公元前500多年的古希臘。泰利斯(Thales, 624 BC~546 BC)是歷史記載第一個不以神祇去解釋自然現象的人。曾問:「這個世界是什麼構成的?」他相信地球是浮在水上的一塊平坦大地,地震的成因就是因為波浪搖動大地。他認為世上所有物質都是由同一種物質構成的,而這個基本物質就是水,並嘗試以自然現象的因果關係解釋各種現象,而且提出了元素論。

在泰利斯提出元素論的百年之後,德模克里特(Democritus, 460 BC~370 BC)提出史上首個原子論。德模克里特認為原子真實存在,他問:「可以把物質不斷重覆切割嗎?抑或會碰到一個最小的單位,不能再切割下去?」德模克里特認為必然是後者,因為前者正確就代表我們能夠把物質切割成無限小,而他認為無限小等於零,因此不可能構成任何物質。這就產生了一個矛盾:以一件物質開始,我們卻推論出該物質不存在。

原子(atom)一字就是來自德模克里特提出的原子論,他把物質的最小單位稱為atomos,意即「不可分割的」。有一種說法,德模克里特對原子存在的思想來自他在數學上的洞察:如果原子不存在,那麼錐體也不會存在,所以所有物件都只會是柱體!德模克里特想像把一個錐體水平切割,直至每片薄片的厚度接近零。如果原子不存在,那麼每片薄片的厚度就會是零,而所有上下相鄰兩片薄片的大小都會一樣。把這些大小一樣的薄片重新組合一起,就應該得到一個柱體。

當然,德模克里特的數學推論是錯的,因為他未有無限小(infinitesimal)的概念。錐體不會等於柱體的原因,是因為無限薄的薄片邊緣也有斜率。不過,他嘗試以反證法去論證原子的存在,是史無前例的。再者,他是真心相信原子存在的,他認為既然所有物質都由原子構成,那麼他不用進食,只需要嗅嗅食物就會飽了,因為食物的香味也是由與食物同樣的原子構成。雖然此舉令他賠上性命,不過我們也應該向這種身體力行實踐理論的精神致敬吧!

我們還需要再討論另一位古希臘哲學家盧克萊修(Lucretius Carus, 99 BC~55 BC),他跟德模克里特一樣提出了原子論,而且他的立論是基於觀察自然而非純粹思考。盧克萊修看見物質會分解和混合:石頭會分裂成沙石,沙石與水混合後會變成泥。可是,為什麼泥卻不會繼續分解?另一方面,他又看見物質會以自然的方法「重生」,好像樹林結出的種子又會再變成新的樹木。盧克萊修認為如果原子不存在,那麼所有物質都只會不斷分解,不會重生。所以,有些物質不會分解、有些物質能夠互相變換和重生,就是原子存在的證據。他是歷史上首位以觀察證據論證原子存在的人。

黑暗時代後的原子論
古希臘哲學時代終結之後,歐洲經歷了一段長達千年、被盲目宗教控制的黑暗時代。這段時期,科學文明不進反退,原子論也就漸漸被世人所遺忘。直到17世紀,在一位煉金術士提出的氣體動力學定律裡,才又再找到原子論的一道曙光。

波以耳(Robert Boyle, 1627~1691)本來是一位煉金術士,後來成為了化學家,他發現著名的氣體動力學定律「波以耳定律」:在固定溫度之下,氣體壓力與氣體體積成反比。這個發現間接表示氣體是由細小微粒組成,因為氣體微粒之間必需有空隙,氣體才能被壓縮。微粒碰撞容器產生壓力,如果把容器體積縮小,氣體微粒碰撞容器的頻率就會增加,壓力就變大了。然而,這個理論始終未能直接證明原子的存在。一直到19世紀,科學家都只把氣體微粒理論當做一個方便解釋實驗結果的比喻。

18世紀,化學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743~1794)發現質量守恆定律。他使用密封的氣瓶做化學實驗,小心量度化學反應前和反應後的總質量,發現兩者完全相等。在此之前,一直未有人能夠證明質量守恆,因為化學反應通常會產生氣體,測量氣體的重量非常困難。他發現的質量守恆定律雖然未能證明原子存在,但啟發日後道爾頓(John Dalton, 1766~1844)提出現代的原子理論。

拉瓦節除發現質量守恆定律之外,亦是現代元素概念的創始人。他發表了第一個元素週期表、預測元素矽的存在,並指出呼吸其實是氧化作用。他把定量分析引入化學之中,使化學不再流於煉金術之流的紙上談兵,因此他被稱為現代化學之父。可惜的是,他生於法國大革命時代,因曾擔任稅務官而被判死刑,一代科學巨人最終魂斷斷頭台。
19世紀的英國,道爾頓發現,當不同元素發生化學反應,得出化合物含有的元素比例是整數,即「道爾頓倍比定律」。舉例來說,一氧化碳分子是由一個氧原子和一個碳原子結合而成,而二氧化碳分子是由兩個氧原子和一個碳原子結合而成。根據他發現的倍比定律,100克的碳可以和 133 克的氧完全合成一氧化碳,或者和 266 克的氧完全合成二氧化碳。他認為如果物質有個叫原子的最小單位,就可以解釋為什麼化合物裡各種元素的重量是整數比了。

到了19世紀,原子理論在現代科學發展下重新受人重視。可是,仍然未有決定性的證據能證明原子真實存在,原子論只被視作方便解釋實驗結果的比喻。當所有科學家都集中研究氣體,誰會想到原子存在的最終證據會在愛因斯坦對液體的研究之中?誰又會想到,決定性的證據竟然來自一位植物學家之手?

植物學家發現原子存在證據
1827年,植物學家布朗(Robert Brown, 1773~1857)把花粉放入水中,再用顯微鏡觀察,發現花粉散發出來的微粒並非靜止浮在水中或下沉,而是進行著一種不規則的運動。當時包括布朗在內的科學家們都不能解釋這種運動,稱為「布朗運動」。後來人們認為這是由於看不見的水分子不斷來回撞擊微粒,使其不斷來回反彈。不過,這仍只算是原子存在的間接證據。

轉眼來到1905年。愛因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)在這年寫了4篇論文,每篇均對科學界有舉足輕重的貢獻。其中一篇,就是利用統計力學去解釋布朗運動。在微粒尺度下,碰撞頻率極高,難以古典力學用人手計算微粒的運動路徑。他利用統計力學裡的擴散方程,計算微粒的擴散系數,這與微粒在一定時間內的平均位移有關。他再對比微粒位移的理論計算和觀測數據,發現兩者一致。利用擴散系數的數值,他就能夠計算出有多少水分子以及其質量和大小。因此,他這篇論文實實在在以觀測數據證明了原子的存在,說明了原子是非常細小(約為100億分之1米)、不斷運動著的粒子。

就是這樣,從公元前500多年由德模克里特提出的原子難題,就被愛因斯坦破解了。然而,原子的故事並未就此結束。......【更多內容請閱讀科學月刊第571期】

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