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最小的鬼魅:原子為何物?(上)

2017/3/6 — 18:12

如果世界即將毀滅、大部分的科學知識將要失傳,而我們只可以遺下一句給後世;那麼,怎樣說才能言簡意刻呢?我認為,【一切由原子組成】這一句最為恰當。」——諾貝爾物理學獎得獎者 Richard Feynman

今時今日,原子一說已被廣為接受:正如中學教科書所講,它組成了萬物。但時光倒流一百二十年,「原子是否存在」這看似幼稚的問題卻引起了當時智者們的爭論;擾攘了幾十年後,最後由一位家傳戶曉的科學英雄定奪勝負。

早在兩千年前,古希臘哲學家 Democritus 已經提出「原子組成萬物」的想法,但一直要到十八世紀,這個構想才能夠跟量化科學扯上關係。大概在 1803 年,英國人 John Dalton 發現物質會以工整的比例結合——例如,氫氣燃燒的過程是 2H2 + O2 -> 2H2O 。Dalton 認為,這暗示了物質是由某種分離的單位組成 —— 也就是「原子」。

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而經過 Avogadro、Maxwell 和 Boltzmann 等人的努力,描述氣體的「分子運動論」在十九世紀後半被廣為接受 [1]。這個理論假設了氣體由「分子」微粒組成,其直徑遠小於容器的大小;除了偶爾的互相碰撞以外,分子之間沒有交互作用。這些簡單的假設加上牛頓力學,可以推導出方程式

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其中 P 為氣體壓力、V 為體積、T 為溫度,而 n 為分子數量。在常溫常壓下,分子運動論和上述方程式適用於絕大部分氣體,無論是氫氧氦或是二氧化碳!將看似毫無關係的東西化繁為簡並歸納出規律——這,就是科學的威力。

由上述討論可見,「物質由細小、分離單位組成」的想法在十九世紀末已被科學家成功應用。但由於探測科技的貧乏和各種哲學上的考慮,「原子」作為實驗事實並沒有被全盤接受。反方的表表者有 Ernst Mach;他曾經在分子運動論創始人之一 Boltzmann 的研討會上爆出一句:「我不相信原子的存在!」根據 Mach、Oswald 和 Duhem 等人,即使撇除原子假說,他們依然能推導出跟分子運動論一樣的結論。更何況,「直接」觀測單顆原子,這不是個 mission impossible 嗎? [1]

學者相輕,莫過如此。這場難分難解的爭論,是怎樣解決的呢?

布朗運動 (Brownian Motion)

科學界有個奇怪之處:用來命名現象的人名,不一定是發現者的;布朗運動就是個例子。無論如何,透過對布朗運動的觀測和分析,科學家肯定了原子之真實,向統一描述物質世界邁進一步。

時值 1828 年,英國植物學家 Robert Brown(布朗)發表文章,表示在顯微鏡下觀測到「懸浮在水裡微小花粉碎片的運動」,其軌跡毫無規律,而運動本身從不停止。文章一出,立即引起了科學同行的留意——畢竟,Brown 是植物細胞核的發現者、英格蘭植物學家之中的佼佼者,而永不休止的運動的確令人費解。

為了尋根究底,Brown 進行了多次嚴格實驗 [2],甚至用到了剝落自獅身人面像的粉末!研究結果顯示,布朗運動並非某種生物的游動(因為無機分子同樣展示此現象),更非沿自水的蒸發和流動。雖然 Brown 本人最終無法破解謎團,但他排除了最簡單的解釋,為尋到真相作出了貢獻。

可能是課題沒有進展的關係,在 1831-1857 年之間似乎沒有人討論 Brown 的觀察 [3],直到原子假說成功應用於分子運動論和化學為止。自 1870 年代起,有多位科學家如 L. G. Gouy 提出用原子假說解釋布朗運動:花粉碎片被四周的水分子不斷碰撞,因而無法靜止。為什麼布朗運動排除了「物質為連續啫喱狀」的觀點呢?且看法國物理學家 J. B. Perrin 的解釋:

想象一個充滿水的浴缸,裡面加了細微粉末。如果我們攪動缸內的水,並等待一段長時間,如肉眼可見水最終會靜止下來。可是,在顯微鏡下粉末的郁動卻一直不會停止 — 無他,這正是布朗運動。

如果物質(例如水)是由某種連續的介體組成,那麼它就會牽一髮而動全身;上述的「宏觀靜止而微觀永動」的情況,不可能發生。因此,物質一定是由某些分離、並可分別郁動的單位組成。

(出處為 [3],中文乃筆者意譯)

但經過計算後,科學家們卻發現事與願違 [4]。根據物理理論,一堆處於溫度 T 的粒子,其動能量跟   成正比。而由於動能量跟速度相關,我們可以從溫度推算出粒子互相碰撞的力度。代入與實驗條件相符的數值後,科學家們發現水分子碰撞引起的郁動微乎其微!畢竟,花粉比起水分子重得多、大得多了。

當答案看似即將到手時,它卻從手上溜走。原子假說雖然有其吸引之處,但要用來解釋布朗運動的話,似乎還欠缺了些什麼。這塊拼圖的缺口,將會由時任辦公室職員和素人爸爸的愛恩斯坦填上。欲知後事如何,且聽下回分解。

引用文獻:

  1. Bächtold, Manuel. “Saving Mach’s View on Atoms.” Journal for General Philosophy of Science / Zeitschrift für allgemeine Wissenschaftstheorie 41.1 (2010): 1–19. Print.

  2. Brown, Robert. “Additional Remarks on Active Molecules.” Philosophical Magazine, Or Annals of Chemistry, Mathematics, Astronomy, Natural History and General Science 6.33 (1829): 161. Print.
  3. Duplantier, Bertrand. “Brownian Motion, ‘Diverse and Undulating.’” Einstein, 1905–2005. Ed. Thibault Damour et al. Birkhäuser Basel, 2005. 201–293. link.springer.com.libproxy1.usc.edu. Web. 10 Feb. 2017. Progress in Mathematical Physics 47.
  4. Renn, J. “Einstein’s Invention of Brownian Motion.” Annalen der Physik 14.S1 (2005): 23–37. CrossRef. Web.

原文刊於作者博客

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