不相信原子存在的人

不相信原子存在的人

不相信原子存在的人

早在17世纪，原子思想就已融入部分物理学家的思想中。伟大的物理学家牛顿就是原子学说的拥护者。在《光学》中他阐述了他的原子思想：“在我看来，上帝在最初造物时，可能使用的是固态的、有质量的、坚硬的、不可穿透的和可动的微粒；这些微粒的大小、形状、所拥有的其他性质、在空间中的比例等等，都最适合于他造物的目的；这些固态的初始粒子无比地坚硬于由它们构成的多孔的物体，坚硬到绝不会磨损，不会破碎成小块；任何普通的力量都不可能把上帝在第一次创造时使用的初始粒子破开。”

18世纪，天文学家、物理学家博斯科维奇（1711～1787）在牛顿力学的框架中，以没有大小、只有力学作用的原子模型来说明已知的物理现象。博学的数学家、物理学家丹尼尔·伯努利（1700～1782）则在1738年首先于现在意义上提出了物质的原子结构的思想，并从分子运动推导出压强公式，由此揭开了分子运动论的序幕。不过，直到19世纪，气体分子运动论才获得真正发展。在这一世纪，伟大的物理学家麦克斯韦（1831～1879）与玻尔兹曼（1844～1906，见图3－6）采用当时的原子模型，把气体看作由原子组成的分子的集合来处理，说明了气体的温度、压强等一般表现，并由此创建了“统计力学”这门学科。

到19世纪中叶后，由于物质由原子和分子组成的假说揭示了物理和化学现象间的许多关系，解释了许多问题，因而日益增多的物理学家和化学家接受了原子假说。然而，原子真的存在吗？

围绕原子是否存在的问题，几位重量级科学家在19世纪末展开了一场激烈争论。以统计力学研究而在物理学巨人之列中赢得一席之地的玻尔兹曼是原子存在的笃信者，站在他对立面的则是一大批著名的科学人士。1895年9月17日，在吕贝克科学会议上，双方就原子的实在性问题展开了激烈的正面交锋。著名化学家奥斯特瓦尔德（1853～1932，见图3－5）在会议上发表了题为《克服科学的唯物论》的讲演，玻尔兹曼当场对其观点进行了反驳。会后，以玻尔兹曼为一方，以奥斯特瓦尔德为另一方，许多科学家都卷入到这场大论战之中。这场论战持续时间之久（十余年），参与人数之多，争论之激烈在科学史上都是赫赫有名的。

奥斯特瓦尔德早先曾接受原子论，后来却转而致力于能量学研究和发展唯能论。他的新观点认为能量是唯一真实的实在，物质不是能量的负荷者，相反，它只不过是在同一地点同时找到的能量的复合。他坚持认为，能量学原理与分子运动论相比，能为化学和物理学提供一个更为坚实、更为明确的基础。进而他宣称，物质概念是多余的，现象能够用能量及其转化来满意地加以解释。作为唯能论者，他试图只借助于纯粹的能量概念去理解所有的物理过程。对此，玻尔兹曼反驳说，用能量概念构造力学，并进而构造自然科学体系的做法孕育着许多困难。在玻尔兹曼看来，原子论才是所有力学现象的完全合适的图像，很多的物理现象都适用于这一框架；而从“运动的能量是第一位的而运动物体则是派生的”这一假设出发去构造整个力学是难以想像的，因而把唯能论作为解决科学中未解决问题的灵药行不通。

图3－5　门捷列夫和奥斯特瓦尔德

图3－6　玻尔兹曼和马赫

玻尔兹曼面对的另一个对手是在当时科学界有巨大影响的德国哲学家马赫（1838～1916）。马赫最初也接受原子论，但不久后他的观点发生了重大改变。他开始坚持原子（和分子）仅是“思想之物”，是一种智力工具，而不是现象背后的实在。在他看来，把原子论当作一种启发性假设是有价值的，但启发性假设仅仅是一种工具，一种手段，他坚决反对把原子看作本体论意义上的实在。马赫问道，原子是有色的、发热的、发声的、坚硬的吗？事实是，我们无论如何也没有感觉到原子。

1897年，玻尔兹曼接连发表两篇文章《论原子论在科学中的不可缺少性》和《再论原子论》，驳斥马赫对原子理论的反对，为原子的真实存在而辩护。然而，争论中，马赫只是简洁地说：“我不相信原子的存在。”玻尔兹曼对反原子论的巨浪感到泄气。在他的名著《气体理论讲义》第二编的前言中他沮丧地承认：“我意识到在反对的时代潮流中，我是孤军奋战，势单力薄。”

现在我们都清楚地知道，反对原子的真实性是错误的。但那时反对原子论并不是没有缘由的，这是由19世纪后期的科学和哲学的状况决定的。

19世纪末，经典热力学已经形成了比较完备的理论体系，能够用于物理学和化学的广阔领域。在热力学中，只要从整体上把握给定系统的参量就可以了，没有必要把系统的性质还原为原子、分子的力学运动。简言之，放弃原子、分子概念，仍然能建立起当时包括热力学在内的物理学、化学理论体系。反之，如果接受原子概念尽管能取得一些理论成果，但却存在许多困难，比如会导致热现象的不可逆性与单个粒子运动的可逆性的尖锐矛盾。对这一矛盾，玻尔兹曼虽然已经给出了一种解释，但在当时未能当到普遍认同。

另一方面，当时实证主义思潮流行，不少科学家反对把所谓的形而上学的假设引入物理学，于是，原子、分子因被视为多余的假设而成为拒斥的对象。

事实上，19世纪的原子论还属于一种带有强烈哲学色彩的科学理论。它虽然不再是抽象的哲学理论，但也不完全是纯粹的物理学和化学理论。因而，在没有原子或分子存在的确凿证据之前，大多数科学家怀疑原子和分子的物理实在性，而仅仅把原子论作为没有实验证据的工作假设和智力技巧是无足为怪的。我们或许还有必要指出，在实验证据出现之前，奥斯特瓦尔德等对原子论的反对是完全正当的，无论对他还是对科学而言都不是一种过失，因为在任何情况下，科学都必须同批判和确凿的事实密切相关。对原子论的信仰者而言，彻底解决争论的办法就是找到原子真实存在的实验证据。