书城科普读物奇妙的微观世界(科学新知丛书)
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第1章 古代的原子学说

胜日寻芳泗水滨,

无边光景一时新。

等闲识得东风面,

万紫千红总是春。

宋代朱熹这首《春日》诗篇,展现在我们面前的是一幅绚丽多姿的大自然的画卷。苍茫大地,江河横流,万物峥嵘,一派生机。正是这个五彩缤纷的世界,给人类带来了无穷无尽的追求与探索。什么是构成大自然的基元?这千姿百态变化的根由是什么?物质微观世界是怎样一种图景?……这些疑问一直是古今人们关于这个客观世界的最诱人的话题之一。对这些问题的回答,人们曾有过许多美好的臆想。

众说纷纭

早在3000多年以前,我国的殷商时期,人们就将天、地、山、泽、水、火、风、雷这8种物质形态看作自然界运动变化的基本要素,称之为“八卦”。《易经》中指出,宇宙的本源是“太极”。太极就是天地未分之前的状态,太极生天地,天地生太阳、太阴、少阳、少阴,由这4者再演变为代表阴阳成分不同的8种抽象形态,即乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑。

公元前700多年的西周末年,盛行“五行说”,认为金、木、水、火、土是构成宇宙万物的5种最基本的形态。

战国时期,李耳——道家的创始人老子提出,用“道”的观念统一宇宙万物。他认为“道生一,一生二、二生三,三生万物”,“天下万物生于有,有生于无。”老子认为,只有阴阳二气的统一,才能调整宇宙万物。

战国时期的重要学派墨家,把组成物质的不可分割的最原始的东西称为“端”。《墨经》中记载:“端,体之无序而最前者也”,“端,无间也”。意思是说,一个端里,没有共同的东西,自然不能再分割了。因此,在墨家看来,“端”即为物的初始。

战国时期,名家则称为“小一”。名家代表人物惠施(约公元前370—前310年)指出:“至大无外,谓之大一;至小无内,谓之小一。”意思是说“小一”这东西不再有内,自然也就无法再分了,“小一”便是构成物质的最小单位。

儒家名篇《中庸》明确指出:“语小,天下莫能破焉。”“莫能破”就是不可分割的意思。

西方一些自然哲学家,对这个问题的回答也是五花八门的。希腊的泰勒斯(公元前640—前546年)主张水元素说,他认为“水是万物之母”。也有人主张火元素说、气元素说等。古代的巴比伦人和埃及人认为,水、气、土为宇宙万物的3种本原。恩培多克勒(公元前490—前430年)提出“四根”说,认为土、水、火、气是物质的4种基本元素,它们相互组合,而且不生也不灭。

古代的这些自然哲学家、思想家对于问题的回答,有一个共同的基础,他们都是以物质为依据来认识自然、理解自然、研究自然的组成,体现了朴素的唯物主义思想。

古代也有一些哲学家,把世间万物的形成归于上帝。以古希腊的柏拉图(公元前427—前347年)为代表的一些哲学家认为,万物来源于神,上帝创造了世界的一切。他们强调理念世界是第一性的,而可感的实物世界则为第二性的。在柏拉图等人看来,实物仅是理念世界的影子,这是一种典型的唯心论观点。

柏拉图的学生亚里士多德(公元前384—前322年)虽然不同意这种“理念论”的思想,承认物质是客观实在;但是,他也并没有完全摆脱神主宰世间一切的思想。他仍然认为存在着一个纯粹的,即脱离物质世界的“自我思维”的理性。因而,归根结底还是属于唯心主义的范畴。

“莫破”质点

公元前5世纪到前4世纪,古希腊哲学家的代表留基伯和他的学生德谟克利特(公元前460—前370年)提出了原子学说,被誉为古原子论的奠基者。他们认为,世间万物都是由原子组成的;原子是构成物质的不能再分割的基本单元;构成物质的各种各样的原子,仅仅在形状、大小、位置和次序上彼此之间存在着不同,并没有什么质的区别,它们是永远不变的客体;原子始终处于永恒的运动之中。这些朴素的思想便是早期原子学说的萌芽,称为“古原子论”。如今,人们通常使用的原子一词,就沿用了古希腊的atomos(原意是不可分割的)。在古印度,将原子称为anu(译为“微”,意思是“微小”)。

我国学者严复(1853—1921年)翻译的《穆勒名学》一书中,首次把原子(atom)一词介绍到我国。当时,他把atom译为“莫破”,把atomtheory译为“莫破质点论”。

原子真的是不可破坏、不能再分割了吗?差不多与建立“古原子论”的同一时代,也有不少人反对这种物质的原子观。亚里士多德等人就明确指出,物质是连续的,是可以无限分割下去的。古希腊的阿那科哥拉也有着类似的看法,他认为物质的第一性要素(物的种子)是可以无限分割的,并且有着无穷的质的多样性。这些要素以各种各样的不同方式结合成物质,进而构成了色彩斑斓的物质世界。

在我国,以战国时期公孙龙为代表的名家也是主张物质无限可分的。名家断言:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”近几百年来,物理学一直在检验着2000多年前提出的这种臆想是否正确。

从公元前几百年到16世纪末的2000多年中,社会在发展,人类在前进,人们对物质微观世界的探索也在不断地深入。“古原子论”、“物质无限可分”,这些具有代表性的观点,为近现代人们进一步揭示微观世界的秘密奠定了思想基础。

建立在科学基础上的原子学说是近二三百年内才出现的。17世纪,原子论重新引起了人们的关注。受法国思想家伽桑狄(1592—1655年)的影响,玻意耳(1627—1691年)试图运用物质和运动的概念,对所有的化学反应和物理性质做出解释。牛顿(1642—1727年)全盘接受了这种思想,并进一步发展了物质结构的微粒说。牛顿认为,一切物质都是由坚固的、有质量的、硬的、不能穿透的、不停止运动的粒子——原子所组成的;原子赋有一种固有的属性——惯性;原子可以结合成物体,并保持其本身的特性不变;原子不能产生,也不能消灭;原子不能再分割,永远不会发生变化;各种不同的原子形状、大小、密度等是不相同的。

18世纪后半期,法国化学家拉瓦锡(1743—1794年)建立了燃烧的氧化理论,倡导化学研究普遍应用天平,从而使化学研究开始向近代的定量科学过渡。俄国著名的化学家罗蒙诺索夫(1711—1765年)在定量燃烧实验的基础上,提出了物质不灭原理的思想。

18世纪70年代,通过化学反应前后物质质量的测定,化学家们发现,化学反应过程中物质的总量始终保持不变。由此人们得出这样的结论:在化学反应中,原子总数也应该保持不变。

德国化学家李希特(1762—1807年)从研究酸碱化合中的比例关系入手,发现了酸碱中和定律,并运用数学方法寻找其规律性的东西,于1791年提出了当量定律。由这一定律人们得到了重要的启示:分子必定是由整数个原子组成的,在一个分子里不会出现半个原子或13个原子。在李希特当量定律的基础上,英国科学家道尔顿(1766—1844年)通过各种化学反应间定量关系的总结,提出了自己的原子论。1803年10月21日,在英国曼彻斯特学会会议上,他作了题为《论水对气体的吸收作用》的学术论文报告,第一次阐述了他的科学原子论,并公布了他的一张原子量表。道尔顿的原子论明确主张:相同元素的原子形状和大小都一样,不同元素的原子则不相同;每一种元素的原子重量都是固定的、不变的,原子的相对重量是可以测量的;每一种元素的原子都是以其原子量为基本特征。这一研究成果,不仅是化学发展史上的里程碑,在物理学的史册上,也有着重要的意义。

总之,在当时一些化学家的眼里,原子最基本的特征是不变性,原子是不可分割的。

原子是不是物质的最基本单元?原子是“莫破”的,还是可以继续发割下去,这一争论了2000多年的问题,直到1897年电子的发现才得出了答案。同时,也标志着人类对于微观世界的认识迈出了具有划时代意义的一步。

现代物理学研究表明,物质的构成分为许多层次,各层次之间并不是简简单单地重复,彼此存在着质的飞跃。正是由于这种巨大的差异,才使微观世界呈现出奇妙无穷的绚丽图景。