直接看到原子

直接看到原子

直接看到原子

一项有力证明原子存在的证据意外地与一位植物学家联在一起。苏格兰植物学家布朗（1773～1858，见图3－7）1827年夏天对各种植物的花粉颗粒浸在水中时的运动做了研究。1828年，他写了一本小册子，描述了自己对此的考察。于是，这种浸泡在水中的花粉粒子的奇异的、不规则的运动后来被称为“布朗运动”。

图3－7　布朗和布朗运动

意大利物理学家乔万尼·康托尼于1868年写了一篇文章，宣称布朗运动是“热的力学理论的基本原理的美妙而直接的证明”，即可通过假定物体在水中受到来自各方向的、运动着的水分子的撞击来说明布朗运动。但这种定性解释受到一些物理学家的反驳，未受到普遍认可。1905年，爱因斯坦在其“奇迹年”中完成了一篇关于布朗运动的论文，在这篇论文中爱因斯坦对支配布朗运动的定律做了推导，首先将布朗运动的研究量化。1908年，法国物理学家佩兰（1870～1942）做了一项出色的实验，使分子实在性的证据变得更加明显。

对布朗运动的解释成为分子运动论的伟大成功，它不但说服了奥斯特瓦尔德，而且使绝大多数科学家都皈依了原子论。

奥斯特瓦尔德在1908年9月的《普通化学概论》第四版的序言中公开承认：“我现在确信，我们最近已经具有物质分立性或颗粒性的实验证据了，这是千百年来原子假设徒劳地寻求的证据。一方面，分离和计数气体离子，汤姆逊（1856～1940，见图3－8）长期而杰出的研究已获成功；另一方面，布朗运动与运动论的要求相一致，已由许多研究者并且最终由佩兰建立起来，这一切使最审慎的科学家现在也理直气壮地谈论物质的原子本性的实验证据了。原子假设于是被提升到有充分科学根据的理论地位……”奥斯特瓦尔德还对自己的对手给予了赞扬：“这个人（玻尔兹曼）在智力上，在他的科学的明晰性上都超过我们大家。”在“斗牛士”（奥斯特瓦尔德）和“公牛”（玻尔兹曼）的搏斗中，“公牛”终于大获全胜。唯一遗憾的是，胜利的一方已经无法享受胜利的喜悦了：1906年，在决定性战役仍在进行时，玻尔兹曼以自杀的方式结束了自己的一生。

图3－8　汤姆逊以及用铁原子写的“原子”二字

另一位伟大科学家庞加莱（1854～1912，见图3－9）也由对原子的怀疑转为支持。他1912年4月11日在法国物理学会所作的讲演中说：“原子的力学假设和原子理论近来已认为具有充分的可靠性，它们不再作为假设出现在我们面前了，原子不再是一种方便的虚构了；似乎可以说，我们能够看到原子，因为我们知道如何去计算原子……佩兰先生出色地测定了计算出来的原子的数目，使原子论大获全胜。使它变得更为可信的是通过完全不同的方法所得到的结果之间的多方面的一致……化学家的原子现在是一种实在了……”

然而，皈依者的名单中却没有马赫。当人们试图说服他时，他总是回答：“你看到了原子吗？”1916年，他去世后，他儿子说父亲曾对他讲过：“我不认为牛顿原理是完备的和完美的；可是在我的晚年，我不能接受相对论，正如我不能接受原子的存在和其他这样的教条一样。”直到去世，马赫都否认原子的存在。

在马赫去世后的岁月中，人们获得了“真正存在不连续的微粒”的更多实验证据：用眼睛，人们可以在威尔逊云室和在照相感光乳剂中看到记录下来的单个基本粒子的轨迹；用耳朵，人们可以通过听盖革计数器中的“咔嗒”声，对进入仪器的基本粒子计数。更为神奇的是，1982年宾宁（1947～）和罗雷尔（1933～）在IBM公司苏黎士实验室发明的一项非凡的表面成像技术：扫描隧道显微镜（STM）技术。通过这一技术，人们可以获得漂亮清晰的原子图像，从而第一次看到了原子！在道尔顿之后，经过180年的理论构建与实验验证，原子论终于在硅表面那些引人入胜的图像中最后宣告胜利了（见图3－8）。如果马赫有机会见证这一时刻，他或许会优雅地说：通过我的眼睛，我相信了原子的真实存在。

不过，一个领域要取得进展并不必等到完全了解了它的本质之后，科学的发展往往是在交错中行进的。在真的看到原子之前很久，原子的研究已经大大推进了。

图3－9　庞加莱和卢瑟福