原子論建立過程中科學思維的歷史演變

楊 帆 馮 杰

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

原子的數量級約為10-10m，如此微小的尺度，人類的感官是無法感知它的存在的．直到20世紀初，隨著對放射性物質的研究，盧瑟福等人才通過電法計數器證實了氦原子的存在．然而，原子一詞早在古希臘時期就作為自然哲學的本體論概念而提出．那么，原子概念為何先于經驗而最早被提出？其背后反映了怎樣的科學思維的演變過程？與此同時，從一種假設的哲學概念到被證實的物質的一種客觀存在形式．

在這一漫長的科學發展歷程中，原子理論歷經演變并不斷被完善．在不同的歷史時期，原子理論在物理學研究中分飾不同角色，進而推動物理學的不斷發展．因此，如何評價原子論在物理學發展中的作用值得思考．要回答以上問題，不妨先對原子理論的歷史發展脈絡做一梳理．

1 作為哲學本體論的原子論

原子概念最初是由古希臘哲學家德謨克利特提出的．出于對物質世界本源的理性思考，他認為宇宙萬物都是由最基本的、不可分的物質單元即原子(Atom)和虛空組成的．每個原子都有一定的大小和形狀，在虛空之中占據一定空間．同時，每個原子不斷處于渦旋運動之中，進而結合構成世間萬物．甚至認為人的主觀感覺也是由原子所構成，例如他認為人之所以能看見客觀物質，是因為有原子流攝入人的眼睛．之后，另一位哲學家伊壁鳩魯進一步繼承和擴充了德謨克利特的原子論，提出原子是有質量的，并且認為原子具有慣性運動及偏離直線軌跡的偶發性運動，兩種運動的結合使原子相互結合形成物質．他的理論又使得原子論得到進一步發展．

顯然，上述理論是希臘哲學家們在其樸素唯物主義哲學觀的基礎上提出的，所謂原子只是其哲學本體論的一個基本概念，而非科學意義上的、被實驗所證實的原子概念．然而，其理論價值不容忽視，正是德謨克利特的原子論奠定了西方近2 000年的物質觀．這使得17世紀以來多數物理學家甚至化學家們都始終相信物質是由原子組成的．從科學思維意義上而言，原子論誕生于希臘哲學家的理性思辨，而非建立在經驗之上．

但正是這種思維方式鑄就了西方自然科學思維的基本范式，即擺脫對事物具體感覺及現象，而是去尋求現象背后的本質和內在原因．這一觀念一直促使西方的學者們致力于發現事物多樣性后的內在統一性．這一點無論是在希臘時期德謨克利特提出原子論還是在近代物理學家們不斷探索統一場理論上都有所體現．

2 作為自然科學基礎的原子論

羅馬帝國滅亡以后，歐洲進入了黑暗的中世紀．包括原子論在內的希臘時期燦爛的思想與文明淪為神學的婢女．直到17世紀，西歐迎來了科學的春天，布魯納、伽利略等科學先驅們恢復了希臘時期的原子論思想，但他們的原子思想僅僅停留在哲學范疇．真正將原子理論系統地應用于自然科學研究之中當屬牛頓．他不僅繼承前人的觀點，將原子論作為其基本物質觀念．同時，他將原子論與物質的基本屬性聯系起來，極大地促進了經典力學的發展．

具體而言，牛頓認為質量是物體密度與體積所共同產生的同一的量度，而所謂“同一”及組成物質的原子，那么，密度和體積越大物質所含原子數越多，物質的質量也就越大．質點概念的提出也源于原子論，牛頓認為原子是一個趨近于無限小的有質量的客觀實體，再考慮到力學研究中只關心物體的力學性質，因此，為研究的簡捷，牛頓便將物體抽象為質量集中于沒有大小的點，即質點．同時，他受德謨克利特思想的影響在關于光的本質問題上始終堅持微粒說．另一方面，牛頓在繼承原子論的同時，也對原子理論的發展做出巨大貢獻，再解釋原子之間的契合問題上，他認為原子之間存在相互作用的引力和斥力，由于兩種力隨原子之間距離增大而減小的速度不同，則當原子之間距離較小時表現為排斥作用，而距離較遠時表現為相互吸引作用．

正是由于牛頓將原子理論系統引入自然科學之中，才建立了經典力學中質量、慣性、質點等基本概念，從而使物理學得到長足的發展．然而，我們不得不承認牛頓的原子論也僅僅停留在假說層面，他并沒有通過實驗驗證原子的存在．同時，牛頓本人認為原子具有不可分性，因此對原子結構模型的研究并沒有實質性的進展．但在這一時期，原子論所表現出的方法論意義值得斟酌．筆者認為有兩點：其一，原子論構成了這一時期基本的物質觀，包括光的微粒說；其二，原子理論啟發了科學家的思維，正是受原子論極限思想的影響牛頓發明了微積分．

3 作為科學研究方法的原子論

牛頓是把原子論中作為他自然哲學的理論基礎，這難免使得他的原子論帶有一定思辨性．但牛頓始終致力于將原子理論與科學相融合，使原子擺脫作為哲學思辨產物的尷尬境地，真正成為科學的概念．而真正做到這一點的，當屬19世紀英國化學家道爾頓．他通過將原子論應用于化學研究之中，使得原子論實現真正意義的科學化．

道爾頓原子模型的形成來源于他對氣體膨脹現象的解釋，他認為膨脹之所以取決于物質的熱量，原因在于組成物質的原子周圍存在熱氛從而導致了熱膨脹．于是他提出自己的原子模型，即由熱素包圍的實物粒子．同時他提出用元素符號來表示不同元素，如圖1所示．

圖1 道爾頓的元素符號

之所以說他的原子論是科學的原子論原因在于他通過對氣體溶解度的研究，提出不同元素原子具有不同的相對重量，即元素的原子量，這使得它能夠定量地研究組成不同物質元素的化合關系．這使他的原子論建立在科學實驗的基礎之上，符合科學過程的內在邏輯．同時他最重要的貢獻就是為之后原子論研究提供了科學的思維方式，即通過對物質宏觀現象進行觀察和定量分析，進而構建其微觀結構．這一思維的轉變也反映了人類對微觀世界認知方式的轉變，人類對客觀世界的認識范圍不再僅僅停留在自身感官所能感知得到的尺度上，而是借助于這種科學的思維方式來認知感知以外的世界．

4 作為物質存在形式之一的原子論

進入19世紀后，經典物理學理論體系不斷完善．理論上所取得的重大成就某種程度上歸功于當時眾多物理學巨匠們堅信原子論，并以此作為前提構建各自的理論．例如，克勞修斯的分子動理論、麥克斯韋對氣體分子速率分布律研究；玻爾茲曼對熵的統計解釋，這些理論無一不是以原子論作為理論基礎的．

原子論似乎成為物理學界主流的物質觀，事實上，關于物質的其他存在形式的爭論在物理學史上一直存在，如波粒之爭．但是最為顛覆人們物質觀念的是法拉第提出的“場”的概念，并認為場是物質存在的一種形式，它具有物質性．值得注意的是，法拉第早期是相信原子論的，但為什么后來會提出與原子論背道而馳的觀點呢？有必要來梳理一下他思想的轉變過程．這一概念的提出源于他對電磁感應定律的研究，他反對超距作用的觀點認為電磁相互作用的傳遞需要介質，于是他提出磁體周圍存在著力場分布于空間之中，磁力作用正是通過力場而傳遞的，在這里，法拉第眼中的力場是脫離物質而獨立存在的實體．當然，從現代物理觀念角度來講，承認力是一種客觀存在的物質是很荒謬的．那么法拉第這樣一個原本相信原子論的科學家為何會認為力場是一種實物場呢？這一觀念的轉變源于法拉第對波斯考維奇原子論的借鑒．波斯考維奇認為原子有質量但沒有廣延性，在原子的周圍存在著力氛．在此基礎上，法拉第認為物質是由力心和力氛組成的，這些力的存在給予中心以物質性．換而言之，物質是由力組成的，因此，力場便是一種實物場．

法拉第場的概念提出后，經麥克斯韋的繼承與發展進而建立了十分自洽的電磁場理論．之后，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，從而，使物理學們相信“場”的確是一種客觀存在的物質．它不同于原子，是物質另一種存在方式．同時，電磁場理論的建立打破傳統的原子論的物質觀念，然而，這一新的理論并沒有動搖物理學家們對原子論的堅定信仰．對原子世界的探索仍舊持續著．

5 從原子論到原子模型

19世紀后半葉以前，物理學界一直認為原子是組成物質的最小單元，它具有不可分性．因此，物理學家對微觀世界的探索僅僅停留在原子層面．首先在觀念層面突破原子不可分思想限制的首先是法拉第，為克服原子論在點原子和帶電粒子問題上的困難，他提出原子是可分的，為構建原子模型提供觀念上的支撐．在技術層面提供支撐的是陰極射線的發現．那么，在當時對陰極射線全然無知的情況下，是如何確定他就是帶電的微粒，并且認為是組成原子的一部分？

對陰極射線的本質做出實質性研究的是克魯克斯，他為了直觀驗證陰極射線是由微粒組成的，于是在1875年發明了輻射計，如圖2所示.當陰極發出射線時中間的飛輪就會轉動，從粒子假說出發可以解釋為當射線照射飛輪時，相當于大量微觀粒子打到飛輪上，此時飛輪則受到類似于光壓作用，從而轉動．這便有力地證明了陰極射線是運動的微觀粒子．同時，陰極射線在磁場中的偏轉運動又說明粒子帶負電．那這些微觀粒子又是如何被確定為電子呢？在前人研究的基礎上，J·J·湯姆孫研究了穿過不同氣體的陰極射線，得到微粒的荷質比與氣體種類無關，無論哪種原子發出的微粒質量都相同，可見這種微粒是所有原子所共同具有的．并且經計算微粒的質量只是氫原子質量的千分之一．基于以上幾點J·J·湯姆孫將這種微粒命名為電子．

圖2 克魯克斯輻射計

在電子被發現之后，湯姆孫就開始構思電子是如何構成原子的，這標志著物理學向著原子內部世界進軍．當時，許多科學家都提出了自己的原子模型．其中最具代表性的當屬湯姆孫的棗糕模型，即原子是由一個帶正電的球體和分布于球體中的電子構成的，電子在正電球體內按照環狀排列，正負電荷相互抵消從而使得原子承電中性．并且湯姆孫經過計算還得到了電子環繞軌道半徑與電子數的關系．湯姆孫的原子模型很快就被學界所接受，但是該模型卻有一個致命的缺陷，即不能合理地解釋α射線的大角度散射現象．

湯姆孫的學生盧瑟福，在考慮這個問題時否認湯姆孫提出的用多次散射解釋α射線的大角度散射現象，他聯想到α射線被散射后延雙曲線折返的現象與彗星受萬有引力繞太陽做雙曲線運動類似，于是認為原子中心有負電中心，周圍有繞核運動的電子．后來在實驗的基礎上，盧瑟福對模型進行了修正認為正電中心比負電中心對實驗現象的解釋更合理，進而完善了他的核實模型．

但是，盧瑟福模型的先天不足就是與經典電動力學的矛盾．按照經典電動力學理論，當電子繞核做圓周運動時會向外輻射電磁波．因此，電子的動能就會減小，這樣持續下去電子會最終向原子核塌陷．于是，玻爾在此基礎上提出定態假設認為當電子處在某一軌道上時，既不吸收也不輻射能量，只有當原子吸收的能量等于兩不同軌道能級之差時，電子才會躍遷到另一個軌道上．

6 從哲學假設到客觀從在

到20世紀初，原子模型基本建立．科學家們通過對實驗結果的分析，再提出相應的理論模型，再通過新的模型去解釋實驗現象進而檢驗模型的正確性．通過這種科學的方法物理學家們給我們展現出一幅幅原子世界的畫面．然而，到1907年以前，科學界卻并沒有直接證據證實原子的存在．而原子的核式模型建立時間卻早于原子被證實的時間．這主要受限于當時科技水平．

證實原子存在的直接證據是在鑒別α粒子為帶正電的氦原子．之后盧瑟福和蓋革等人利用α粒子會在熒光屏上產生閃爍現象的原理，制作出了閃爍計數器，這種計數器配上顯微鏡，便能夠使當觀察者在暗室中直接觀察到射到熒光屏上的α粒子．

從原子概念的提出到最終的證實，其理論的演變過程中伴隨著科學思維的轉變．古希臘時期，天才的哲學家們通過其帶有濃厚的直觀、思辨及猜測性質的思維方式去認知和解釋萬物之本源，這是一種樸素唯物辯證思維的直接體現．到17,18世紀原子論本身并沒有得到科學性的發展，主要受這一時期形而上學的思維方式的禁錮．這一時期的物理學家習慣于用靜止的、孤立的方式觀察外界事物，習慣于把復雜抽象的事物歸結為簡單的東西．反映到物質觀上就是原子論．然而，在當時的歷史時期，這種思維方式則是自然科學發展的必要條件，正從這一假設出發，在科學物理學建立了最基本的諸如質量、慣性、力這些基本概念，進而建立了經典力學理論．從而推動了科學技術的長足發展．

到了19世紀，唯物辯證的思維方式逐步形成，科學家們不再以孤立的、靜止的視角去看待客觀世界，而取之以互相聯系、互相制約、互相影響的世界觀．于是有了法拉第對超距作用的顛覆，并在此基礎上建立了場的概念，突破了人們傳統的原子論的物質觀．正是這一突破加速了電磁理論的發展，進而使得科技取得了巨大的進步．于是到了19世紀末20世紀初，科學的理論、方法以及手段已全部具備，這為物理學家們打開原子世界這扇大門提供了先決條件．這一時期的科學家們借助于先進的實驗設備，通過間接觀察與邏輯思維相結合的思維方式使原子這個被視為不可分的物質單元找到了自身的內在結構．于是，歷經2 000多年的原子從樸素的哲學觀念搖身一變為科學的物理概念．原子理論的演變史值得仔細研讀．