【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。