【科學史沙龍】原子的故事

■我們如今習以為常的原子說,古人早在幾千年前就已經有類似的概念,然而真正能夠「眼見為憑」,不過是區區一百年前的事。本次講座帶您飛掠原子論發展的漫漫長河。

講者|臺灣大學物理系 高涌泉教授
撰文|高英哲

理查.費曼在 1961 年,於加州理工學院大一普通物理的第一堂課,丟出一個問題:「如果發生了一場大災難,所有的科學知識都銷毀了,只能留給後代一句話,要用最少的字包容最多的訊息,那句話會是怎樣?」他給的答案是:「所有的東西都是由原子構成的,而原子是不停在運動的小粒子,分開遠一點時彼此有吸引力,但非常靠近時卻又會互相排斥。」他說只要用上一點點想像跟思考,就能從這句話推知出非常多的知識。

原子的概念最早是由古希臘人提出,德謨克利特 (Democritus) 認為萬物是由原子跟空無所構成,而原子是形狀跟大小永恆不變的最小粒子;我們所觀察到的事物變化,都是原子在空無中運動跟重組所造成的結果。到了十九世紀,法國哲學家亨利.柏格森 (Henri Bergson) 甚至認為,無論是人的身體還是靈魂,都只是原子在空無之中運動所產生的現象,沒有別的。這樣的原子概念是哲學性的,並沒有任何實證基礎,能夠支持原子確實存在,並描繪出它的樣貌。

哲學上的原子論一直要到十七世紀,才第一次有科學上的論述。羅伯特.波義耳對原子的看法,跟古希臘人大同小異,但他把原子的概念僅限於物質世界,並不接受古希臘人用原子解釋形上層面的說法。牛頓則是在波義耳的原子認知上,再加上慣性的概念;不過要注意的是,牛頓對原子的看法雖然可用來解釋實驗結跟我們的生活經驗,卻仍然沒有實證基礎。

為現代原子論奠下雛形的,是在一百多年後,由英國化學家道耳頓提出的化學原子論:他認為每個元素都是由獨特的原子所構成,而化合物則是由兩個以上的不同原子結合而成,我們所看到的化學反應,實際上就是原子重新排列組合的結果。他這個論述非常簡潔有力,也能夠用來解釋定比定律;然而跟牛頓一樣,道耳頓也沒有可證明原子確實存在的實證結果,因此即使化學原子論本身的解釋力很強,但仍然無法證明原子確實存在。

在科學上真正以實證確認原子的存在,則要歸功於二十世紀初期幾位傑出的科學家。愛因斯坦透過布朗運動,確認了微小粒子的存在;約瑟夫·湯姆森證實了電子是一種次原子粒子;拉塞福則以碰撞實驗發現了原子核。千百年來許多哲學家與科學家信誓旦旦,卻始終虛無縹緲的原子,總算實實在在地呈現在世人眼前;科學的探索也得以在紮實的基礎上,繼續往更為深邃的未知鑽探。

 

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