原子論建立過程中科學(xué)思維的歷史演變

楊 帆 馮 杰

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

原子的數(shù)量級(jí)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(jì)初，隨著對(duì)放射性物質(zhì)的研究，盧瑟福等人才通過電法計(jì)數(shù)器證實(shí)了氦原子的存在．然而，原子一詞早在古希臘時(shí)期就作為自然哲學(xué)的本體論概念而提出．那么，原子概念為何先于經(jīng)驗(yàn)而最早被提出？其背后反映了怎樣的科學(xué)思維的演變過程？與此同時(shí)，從一種假設(shè)的哲學(xué)概念到被證實(shí)的物質(zhì)的一種客觀存在形式．

在這一漫長的科學(xué)發(fā)展歷程中，原子理論歷經(jīng)演變并不斷被完善．在不同的歷史時(shí)期，原子理論在物理學(xué)研究中分飾不同角色，進(jìn)而推動(dòng)物理學(xué)的不斷發(fā)展．因此，如何評(píng)價(jià)原子論在物理學(xué)發(fā)展中的作用值得思考．要回答以上問題，不妨先對(duì)原子理論的歷史發(fā)展脈絡(luò)做一梳理．

1 作為哲學(xué)本體論的原子論

原子概念最初是由古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出的．出于對(duì)物質(zhì)世界本源的理性思考，他認(rèn)為宇宙萬物都是由最基本的、不可分的物質(zhì)單元即原子(Atom)和虛空組成的．每個(gè)原子都有一定的大小和形狀，在虛空之中占據(jù)一定空間．同時(shí)，每個(gè)原子不斷處于渦旋運(yùn)動(dòng)之中，進(jìn)而結(jié)合構(gòu)成世間萬物．甚至認(rèn)為人的主觀感覺也是由原子所構(gòu)成，例如他認(rèn)為人之所以能看見客觀物質(zhì)，是因?yàn)橛性恿鲾z入人的眼睛．之后，另一位哲學(xué)家伊壁鳩魯進(jìn)一步繼承和擴(kuò)充了德謨克利特的原子論，提出原子是有質(zhì)量的，并且認(rèn)為原子具有慣性運(yùn)動(dòng)及偏離直線軌跡的偶發(fā)性運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合使原子相互結(jié)合形成物質(zhì)．他的理論又使得原子論得到進(jìn)一步發(fā)展．

顯然，上述理論是希臘哲學(xué)家們?cè)谄錁闼匚ㄎ镏髁x哲學(xué)觀的基礎(chǔ)上提出的，所謂原子只是其哲學(xué)本體論的一個(gè)基本概念，而非科學(xué)意義上的、被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的原子概念．然而，其理論價(jià)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(zhì)觀．這使得17世紀(jì)以來多數(shù)物理學(xué)家甚至化學(xué)家們都始終相信物質(zhì)是由原子組成的．從科學(xué)思維意義上而言，原子論誕生于希臘哲學(xué)家的理性思辨，而非建立在經(jīng)驗(yàn)之上．

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

2 作為自然科學(xué)基礎(chǔ)的原子論

羅馬帝國滅亡以后，歐洲進(jìn)入了黑暗的中世紀(jì)．包括原子論在內(nèi)的希臘時(shí)期燦爛的思想與文明淪為神學(xué)的婢女．直到17世紀(jì)，西歐迎來了科學(xué)的春天，布魯納、伽利略等科學(xué)先驅(qū)們恢復(fù)了希臘時(shí)期的原子論思想，但他們的原子思想僅僅停留在哲學(xué)范疇．真正將原子理論系統(tǒng)地應(yīng)用于自然科學(xué)研究之中當(dāng)屬牛頓．他不僅繼承前人的觀點(diǎn)，將原子論作為其基本物質(zhì)觀念．同時(shí)，他將原子論與物質(zhì)的基本屬性聯(lián)系起來，極大地促進(jìn)了經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展．

具體而言，牛頓認(rèn)為質(zhì)量是物體密度與體積所共同產(chǎn)生的同一的量度，而所謂“同一”及組成物質(zhì)的原子，那么，密度和體積越大物質(zhì)所含原子數(shù)越多，物質(zhì)的質(zhì)量也就越大．質(zhì)點(diǎn)概念的提出也源于原子論，牛頓認(rèn)為原子是一個(gè)趨近于無限小的有質(zhì)量的客觀實(shí)體，再考慮到力學(xué)研究中只關(guān)心物體的力學(xué)性質(zhì)，因此，為研究的簡捷，牛頓便將物體抽象為質(zhì)量集中于沒有大小的點(diǎn)，即質(zhì)點(diǎn)．同時(shí)，他受德謨克利特思想的影響在關(guān)于光的本質(zhì)問題上始終堅(jiān)持微粒說．另一方面，牛頓在繼承原子論的同時(shí)，也對(duì)原子理論的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，再解釋原子之間的契合問題上，他認(rèn)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(dāng)原子之間距離較小時(shí)表現(xiàn)為排斥作用，而距離較遠(yuǎn)時(shí)表現(xiàn)為相互吸引作用．

正是由于牛頓將原子理論系統(tǒng)引入自然科學(xué)之中，才建立了經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)量、慣性、質(zhì)點(diǎn)等基本概念，從而使物理學(xué)得到長足的發(fā)展．然而，我們不得不承認(rèn)牛頓的原子論也僅僅停留在假說層面，他并沒有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原子的存在．同時(shí)，牛頓本人認(rèn)為原子具有不可分性，因此對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型的研究并沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展．但在這一時(shí)期，原子論所表現(xiàn)出的方法論意義值得斟酌．筆者認(rèn)為有兩點(diǎn)：其一，原子論構(gòu)成了這一時(shí)期基本的物質(zhì)觀，包括光的微粒說；其二，原子理論啟發(fā)了科學(xué)家的思維，正是受原子論極限思想的影響牛頓發(fā)明了微積分．

3 作為科學(xué)研究方法的原子論

牛頓是把原子論中作為他自然哲學(xué)的理論基礎(chǔ)，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(xué)相融合，使原子擺脫作為哲學(xué)思辨產(chǎn)物的尷尬境地，真正成為科學(xué)的概念．而真正做到這一點(diǎn)的，當(dāng)屬19世紀(jì)英國化學(xué)家道爾頓．他通過將原子論應(yīng)用于化學(xué)研究之中，使得原子論實(shí)現(xiàn)真正意義的科學(xué)化．

道爾頓原子模型的形成來源于他對(duì)氣體膨脹現(xiàn)象的解釋，他認(rèn)為膨脹之所以取決于物質(zhì)的熱量，原因在于組成物質(zhì)的原子周圍存在熱氛從而導(dǎo)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(shí)物粒子．同時(shí)他提出用元素符號(hào)來表示不同元素，如圖1所示．

圖1 道爾頓的元素符號(hào)

之所以說他的原子論是科學(xué)的原子論原因在于他通過對(duì)氣體溶解度的研究，提出不同元素原子具有不同的相對(duì)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(zhì)元素的化合關(guān)系．這使他的原子論建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，符合科學(xué)過程的內(nèi)在邏輯．同時(shí)他最重要的貢獻(xiàn)就是為之后原子論研究提供了科學(xué)的思維方式，即通過對(duì)物質(zhì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和定量分析，進(jìn)而構(gòu)建其微觀結(jié)構(gòu)．這一思維的轉(zhuǎn)變也反映了人類對(duì)微觀世界認(rèn)知方式的轉(zhuǎn)變，人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)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(xué)的思維方式來認(rèn)知感知以外的世界．

4 作為物質(zhì)存在形式之一的原子論

進(jìn)入19世紀(jì)后，經(jīng)典物理學(xué)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(dāng)時(shí)眾多物理學(xué)巨匠們堅(jiān)信原子論，并以此作為前提構(gòu)建各自的理論．例如，克勞修斯的分子動(dòng)理論、麥克斯韋對(duì)氣體分子速率分布律研究；玻爾茲曼對(duì)熵的統(tǒng)計(jì)解釋，這些理論無一不是以原子論作為理論基礎(chǔ)的．

原子論似乎成為物理學(xué)界主流的物質(zhì)觀，事實(shí)上，關(guān)于物質(zhì)的其他存在形式的爭論在物理學(xué)史上一直存在，如波粒之爭．但是最為顛覆人們物質(zhì)觀念的是法拉第提出的“場”的概念，并認(rèn)為場是物質(zhì)存在的一種形式，它具有物質(zhì)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(huì)提出與原子論背道而馳的觀點(diǎn)呢？有必要來梳理一下他思想的轉(zhuǎn)變過程．這一概念的提出源于他對(duì)電磁感應(yīng)定律的研究，他反對(duì)超距作用的觀點(diǎn)認(rèn)為電磁相互作用的傳遞需要介質(zhì)，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(zhì)而獨(dú)立存在的實(shí)體．當(dāng)然，從現(xiàn)代物理觀念角度來講，承認(rèn)力是一種客觀存在的物質(zhì)是很荒謬的．那么法拉第這樣一個(gè)原本相信原子論的科學(xué)家為何會(huì)認(rèn)為力場是一種實(shí)物場呢？這一觀念的轉(zhuǎn)變?cè)从诜ɡ趯?duì)波斯考維奇原子論的借鑒．波斯考維奇認(rèn)為原子有質(zhì)量但沒有廣延性，在原子的周圍存在著力氛．在此基礎(chǔ)上，法拉第認(rèn)為物質(zhì)是由力心和力氛組成的，這些力的存在給予中心以物質(zhì)性．換而言之，物質(zhì)是由力組成的，因此，力場便是一種實(shí)物場．

法拉第場的概念提出后，經(jīng)麥克斯韋的繼承與發(fā)展進(jìn)而建立了十分自洽的電磁場理論．之后，赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，從而，使物理學(xué)們相信“場”的確是一種客觀存在的物質(zhì)．它不同于原子，是物質(zhì)另一種存在方式．同時(shí)，電磁場理論的建立打破傳統(tǒng)的原子論的物質(zhì)觀念，然而，這一新的理論并沒有動(dòng)搖物理學(xué)家們對(duì)原子論的堅(jiān)定信仰．對(duì)原子世界的探索仍舊持續(xù)著．

5 從原子論到原子模型

19世紀(jì)后半葉以前，物理學(xué)界一直認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小單元，它具有不可分性．因此，物理學(xué)家對(duì)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(diǎn)原子和帶電粒子問題上的困難，他提出原子是可分的，為構(gòu)建原子模型提供觀念上的支撐．在技術(shù)層面提供支撐的是陰極射線的發(fā)現(xiàn)．那么，在當(dāng)時(shí)對(duì)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(rèn)為是組成原子的一部分？

對(duì)陰極射線的本質(zhì)做出實(shí)質(zhì)性研究的是克魯克斯，他為了直觀驗(yàn)證陰極射線是由微粒組成的，于是在1875年發(fā)明了輻射計(jì)，如圖2所示.當(dāng)陰極發(fā)出射線時(shí)中間的飛輪就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從粒子假說出發(fā)可以解釋為當(dāng)射線照射飛輪時(shí)，相當(dāng)于大量微觀粒子打到飛輪上，此時(shí)飛輪則受到類似于光壓作用，從而轉(zhuǎn)動(dòng)．這便有力地證明了陰極射線是運(yùn)動(dòng)的微觀粒子．同時(shí)，陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又說明粒子帶負(fù)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(chǔ)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(zhì)比與氣體種類無關(guān)，無論哪種原子發(fā)出的微粒質(zhì)量都相同，可見這種微粒是所有原子所共同具有的．并且經(jīng)計(jì)算微粒的質(zhì)量只是氫原子質(zhì)量的千分之一．基于以上幾點(diǎn)J·J·湯姆孫將這種微粒命名為電子．

圖2 克魯克斯輻射計(jì)

在電子被發(fā)現(xiàn)之后，湯姆孫就開始構(gòu)思電子是如何構(gòu)成原子的，這標(biāo)志著物理學(xué)向著原子內(nèi)部世界進(jìn)軍．當(dāng)時(shí)，許多科學(xué)家都提出了自己的原子模型．其中最具代表性的當(dāng)屬湯姆孫的棗糕模型，即原子是由一個(gè)帶正電的球體和分布于球體中的電子構(gòu)成的，電子在正電球體內(nèi)按照環(huán)狀排列，正負(fù)電荷相互抵消從而使得原子承電中性．并且湯姆孫經(jīng)過計(jì)算還得到了電子環(huán)繞軌道半徑與電子數(shù)的關(guān)系．湯姆孫的原子模型很快就被學(xué)界所接受，但是該模型卻有一個(gè)致命的缺陷，即不能合理地解釋?duì)辽渚€的大角度散射現(xiàn)象．

湯姆孫的學(xué)生盧瑟福，在考慮這個(gè)問題時(shí)否認(rèn)湯姆孫提出的用多次散射解釋?duì)辽渚€的大角度散射現(xiàn)象，他聯(lián)想到α射線被散射后延雙曲線折返的現(xiàn)象與彗星受萬有引力繞太陽做雙曲線運(yùn)動(dòng)類似，于是認(rèn)為原子中心有負(fù)電中心，周圍有繞核運(yùn)動(dòng)的電子．后來在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盧瑟福對(duì)模型進(jìn)行了修正認(rèn)為正電中心比負(fù)電中心對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋更合理，進(jìn)而完善了他的核實(shí)模型．

但是，盧瑟福模型的先天不足就是與經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的矛盾．按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)向外輻射電磁波．因此，電子的動(dòng)能就會(huì)減小，這樣持續(xù)下去電子會(huì)最終向原子核塌陷．于是，玻爾在此基礎(chǔ)上提出定態(tài)假設(shè)認(rèn)為當(dāng)電子處在某一軌道上時(shí)，既不吸收也不輻射能量，只有當(dāng)原子吸收的能量等于兩不同軌道能級(jí)之差時(shí)，電子才會(huì)躍遷到另一個(gè)軌道上．

6 從哲學(xué)假設(shè)到客觀從在

到20世紀(jì)初，原子模型基本建立．科學(xué)家們通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，再提出相應(yīng)的理論模型，再通過新的模型去解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)而檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性．通過這種科學(xué)的方法物理學(xué)家們給我們展現(xiàn)出一幅幅原子世界的畫面．然而，到1907年以前，科學(xué)界卻并沒有直接證據(jù)證實(shí)原子的存在．而原子的核式模型建立時(shí)間卻早于原子被證實(shí)的時(shí)間．這主要受限于當(dāng)時(shí)科技水平．

證實(shí)原子存在的直接證據(jù)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(huì)在熒光屏上產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象的原理，制作出了閃爍計(jì)數(shù)器，這種計(jì)數(shù)器配上顯微鏡，便能夠使當(dāng)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(shí)，其理論的演變過程中伴隨著科學(xué)思維的轉(zhuǎn)變．古希臘時(shí)期，天才的哲學(xué)家們通過其帶有濃厚的直觀、思辨及猜測性質(zhì)的思維方式去認(rèn)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(xiàn)．到17,18世紀(jì)原子論本身并沒有得到科學(xué)性的發(fā)展，主要受這一時(shí)期形而上學(xué)的思維方式的禁錮．這一時(shí)期的物理學(xué)家習(xí)慣于用靜止的、孤立的方式觀察外界事物，習(xí)慣于把復(fù)雜抽象的事物歸結(jié)為簡單的東西．反映到物質(zhì)觀上就是原子論．然而，在當(dāng)時(shí)的歷史時(shí)期，這種思維方式則是自然科學(xué)發(fā)展的必要條件，正從這一假設(shè)出發(fā)，在科學(xué)物理學(xué)建立了最基本的諸如質(zhì)量、慣性、力這些基本概念，進(jìn)而建立了經(jīng)典力學(xué)理論．從而推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的長足發(fā)展．

到了19世紀(jì)，唯物辯證的思維方式逐步形成，科學(xué)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(lián)系、互相制約、互相影響的世界觀．于是有了法拉第對(duì)超距作用的顛覆，并在此基礎(chǔ)上建立了場的概念，突破了人們傳統(tǒng)的原子論的物質(zhì)觀．正是這一突破加速了電磁理論的發(fā)展，進(jìn)而使得科技取得了巨大的進(jìn)步．于是到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，科學(xué)的理論、方法以及手段已全部具備，這為物理學(xué)家們打開原子世界這扇大門提供了先決條件．這一時(shí)期的科學(xué)家們借助于先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過間接觀察與邏輯思維相結(jié)合的思維方式使原子這個(gè)被視為不可分的物質(zhì)單元找到了自身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)．于是，歷經(jīng)2 000多年的原子從樸素的哲學(xué)觀念搖身一變?yōu)榭茖W(xué)的物理概念．原子理論的演變史值得仔細(xì)研讀．