科學大爭論

真正為原子論提供了實驗依據的不是物理學家，而是化學家。但是在此之前，還有一個障礙需要清除：什么是元素?亞里士多德認為世界由氣、火、水、土四種元素組成(在天上還有第五種元素——以太)。這個觀點被視為真理信奉了2000年。煉金術士在此基礎上增加了三種元素：汞、硫和鹽，但并非指具體的物質，而是分別用來代表金屬性、可燃性與非金屬性、溶解性。波義耳在1661年發表《懷疑派的化學家》，對亞里士多德的四元素學說和煉金術的三元素學說都進行了批判，認為這些傳統的元素都不是真正的元素。他提出，元素應該是指既不能由其他物質生成，也不能相互轉換，無法再分解的某種原始、簡單的東西。他提出，元素的種類有很多，什么東西能被算是元素，要用實驗來確定。100多年后，法國化學家拉瓦錫在1789年出版的《化學概要》一書中，列出了33種元素，盡管其中有些元素其實是化合物，而且他把光、熱也當成元素，但是這是第一張現代意義上的元素表，包含了許多真正的元素，例如氧、氮、氫、硫、磷、碳、銅、錫、鐵、錳、汞等等。

拉瓦錫明確地把元素定義為無法用任何方法分解的物質，并根據實驗結果提出了質量守恒定律：在化學變化中物質的質量是守恒的，物質不能被創造也不能被消滅。另一位法國化學家普魯斯特根據一系列實驗結果，在1799年提出定比定律：每一種化合物，無論是用什么方法制成的，其組成元素及質量都有確定的比例。這條定律在今天看來其實是化合物的定義，但是在當時?；衔锖突旌衔锏母拍钸€沒有做出明確的區分，因此這條定律的提出受到了許多化學家的反對，他們認為元素能夠以任何比例相互結合。

1803年，英國化學家道爾頓發現如果一種元素的質量固定，那么和它結合的另一元素在各種化合物中的質量一定和它成簡單的整數比，而不會是分數。在1808年出版的《化學哲學的新體系》一書中，道爾頓根據這些定律系統地提出了原子論。

道爾頓認為，元素是由極為微小的微?！咏M成的。一種元素的所有原子全都一樣，但是與其他元素的原子不同。不同元素的原子能夠根據其相對重量(原子量)區分開來。一種元素的原子能和其他元素的原子形成化合物，組成一種化合物的不同元素的原子總是有同定的比例。在化學變化中，原子不能被創造、分割或毀滅?；瘜W反應不過是改變了原子結合的方式。這樣，道爾頓把原子論從哲學學說變成了有堅實的實驗基礎、可以預測和驗證的科學理論，為化學研究奠定了理論基礎，讓化學真正成為了一門科學。

但是就在道爾頓系統提出原子論的這一年，原子論遇上了一點兒麻煩。法國化學家蓋·呂薩克發現氣體化合體積定律，在同溫、同壓下，參加同一反應的各種氣體的體積互成簡單的整數比。例如，氫氣和氯氣化合生成氯化氫時，三者的體積比為1:1:2。也就是說，1體積的氫氣和1體積的氯氣生成了2體積的氯化氫。根據道爾頓原子論，同體積氣體中所含原子的數目必然相同，這就意味著生成1個原子的氯化氫需要0，5個原子的氫氣和0，5個原子的氯氣。但是這就與原子是化學反應中不可分割的最小微粒的說法相矛盾了。因此道爾頓干脆否認蓋·呂薩克的實驗結果。

之所以會出現這個矛盾，是由于在道爾頓原子論中，沒有分子的概念，把所有的物質都看成是由原子直接組成的。意大利化學家阿伏伽德羅在1811年提出，1個氣體分子可由2個或2個以上的相同原子組成，而且在同溫、同壓下，相同體積的氣體都含有相同數目的分子。根據這個觀點，從氣體化合體積定律可以推導出，1個分子的氯化氫需要0，5個分子的氫氣和0，5個分子的氯氣，但是這與原子論并不矛盾，因為0，5個分子的氫氣和0，5個分子的氯氣分別是1個原子的氫氣和1個原子的氯氣，原子并沒有被分割。阿伏伽德羅的分子論完善了原子論，完滿解釋了氣體化合體積定律。

然而，原子論的最大缺陷是，原子無法被直接觀察到，這讓許多物理學家無法相信原子是真實存在的。到了19世紀末，原子是否真實存在，成了科學爭論的一大熱點。

在反對原子論的物理學家中，影響最大的是奧地利物理學家馬赫。他承認原子是一個有用的概念，可以用來解釋很多現象，但是這并不等于原子就是真實存在的。由于原子不能被直接觀察到，所以馬赫認為它只是一個假想的概念而已。

只有少數物理學家堅定地捍衛原子論，其中嗓門最高的是統計力學的創建者、奧地利物理學家玻爾茲曼，他的統計力學是建立在原子論的基礎上的，如果原子、分子不是真實存在的話，他的主要學術成果也就成了泡影。為此他與馬赫等人展開了激烈的論戰。但是在戰斗中他顯得很孤單，由于無法說服大多數物理學家接受原子論，玻爾茲曼心灰意冷，患上了嚴重的憂郁癥，最終付出了生命的代價——于1906年9月5日自殺身亡。

可惜的是。在玻爾茲曼自殺兩三年后，原子的存在就被實驗直接證實了，原子論在物理學界取得了完全的勝利。原子(或分子)存在的直接證明首先來自對布朗運動的研究。1827年，蘇格蘭植物學家布朗用顯微鏡觀察水中的花粉時，發現花粉在做不規則的抖動。他接著觀察水中的灰塵，發現它們也在抖動，表明這種無規則運動并不是由于生命運動引起的，液體中各種不同的懸浮微粒都能做布朗運動。1905年，愛因斯坦在一篇論文中指出，布朗運動是由于周圍液體分子的不平衡碰撞導致的，這個現象是分子(以及原子)存在的直接證據，并建立數學模型做了理論計算。1908年，法國物理學家貝蘭用實驗證實了愛因斯坦的計算結果。

貝蘭的實驗結果出來后，許多反對原子論的物理學家都改變了立場。除了布朗運動的實驗，讓反對原子論的人覺得原子論真實可信的還有英國物理學家湯姆孫對電子的發現。它是湯姆孫于1897年在研究陰極射線管時發現的。陰極射線管是一種抽了真空的玻璃管，一端有電極。給陰極射線管加上電流，就有發光的射線從電極射出。湯姆孫注意到，帶正電的板會吸引射線，而帶負電的板則排斥射線，因此該陰極射線是帶負電的。他推導出陰極射線是由帶負電的粒子(即電子)組成的，并計算出電子比最小的原子(氫原子)小大約2000倍，因此它們是原子的組成部分。

電子的發現不僅證實了原子的存在，而且表明原子并不是不可切割的，還有比原子更小的粒子。由于物質一般并不帶電，既然電子帶負電，那么原子內部必然還有帶等量正電的部分。湯姆孫設想，原子是一團帶正電的云，里面撒著一些電子。

怎么驗證這個理論呢?需要有某種東西小到能夠穿透原子。恰好在1900年左右，人們發現放射性現象，有些礦物質會自發地發射出幾種射線，其中一種射線是由帶正電的阿爾法粒子組成的。1911年，英國物理學家盧瑟福用阿爾法粒子當子彈射向金箔。阿爾法粒子大約比電子重7400倍，如果湯姆孫的理論是正確的，那么阿爾法粒子就能全部輕易地穿透金原子，照亮金箔后面的屏幕。

實驗出現了意想不到的結果。雖然大部分粒子穿透了金箔，但是有相當一部分出現了折射，還有少數粒子被反射了回來。盧瑟福因此認為湯姆孫的原子模型是錯誤的，并提出原子是由集中了原子的質量、帶正電的原子核和帶負電的電子組成的，那些發生折射、反射的粒子是正好撞上了堅實的原子核。

有了盧瑟福的發現，原子的存在已毫無疑義。但是馬赫至死不相信原子的真實性，畢竟原子是沒法看到的!然而，在1981年，人們用掃描隧道顯微鏡首次觀察到了單個原子在物質表面的排列狀態。

雖然馬赫等人對原子論的批評最終被證明是錯誤的，但是這一爭論是相當重要而且有益的。它是正當的學術爭論，迫使相信原子論的人們去尋找能夠確鑿地證明原子的存在的實驗證據，讓原子論完全、徹底地擺脫了哲學思辨的陰影，讓物理和化學有了更堅實可靠的基礎。