原子真的存在嗎?

自從道爾吞提出原子說,距今已經超過200年。現在,透過掃描探針顯微鏡或超顯微術,科學家能對單一原子進行成像。但這些技術只在最近四十年內才出現,算是非常年輕的科技。在原子說剛提出的時期,科學家是怎麼驗證原子真的存在呢?

編譯|陳奕廷

●道爾吞的難題

「物質只由幾個最基本單位組成」並不是科學革命時期的新觀念。在東方和西方,古代哲學家都曾獨立發展出許多類似的理論,古希臘的四元素和古中國的五行都包含這樣的概念。經過幾千年的思辨,自然科學中最根本問題還是沒有解答:如果把物質持續對半分割,我們會得到一個再也無法切割的最小單位嗎?還是物質總是能無限地分割呢?

19世紀初,道爾吞仔細檢驗各種化學實驗。他發現儘管物質可以用不同的比例進行化學反應,這些比例總是成整數倍。例如錫可以和1份或2份氧氣反應,卻不能和更號二(1.414214…)份的氧氣反應。如果物質能無限分割,化學反應則不應侷限於簡單的整數比例。換句話說,化學反應總是呈簡單整數比例是原子理論的一大暗示。1808年,道爾吞用上述論證,提出「原子說」:物質存在一個最小的單位,這個單位叫「原子」。以氧化錫為例,1個錫原子可以和1個或是2個氧原子反應,形成一氧化錫或二氧化錫。但是這個氧化錫例子頂多只能算是原子說的「暗示」,不能算是「證據」。如果原子真的存在,整數比例的化學反應可以很簡單地被解釋。但是如果物質可以無限分割,也沒有任何學說可以否定整數比例的可能性。

●統計力學:如果一個原子看不到,你有試過兩個嗎?

身處於現代的我們,「物質由原子組成」是一個再基本不過的常識。但在當時,原子說是一個處於科學尖端的假說,任何假說都需要接受檢驗。驗證原子說有一個根本上的困難:就算原子真的存在,它的尺寸小到我們看不到也摸不清。對於一個無法觀測的物體,我們怎麼確定它真實存在?

如果一個原子看不到,你有試過兩個嗎?如果兩個還是看不到,你有試過很多個嗎?道爾吞之後的科學家發現「驗證原子真的存在」的解答在統計力學:雖然無法直接觀察單一原子,但我們可以觀測大量原子的平均行為。統計力學研究物質巨觀的平均性質。從「離散(原子說)」和「連續(物質可以無限分割)」兩個不同的假設,統計力學能分別預測出物質應該具備的巨觀性質。我們只要比較哪一個巨觀性質的預測符合現實生活,就能知道原子到底存不存在。

第一個例子是熱力學,它假設物質由許多微小的粒子(原子或分子)組成。物質的溫度、壓力和熵等特性都只是這些微小粒子的震動和互相碰撞的結果。以此假說發展的理論和實驗相符合,因此熱力學可以被視為原子說的一大證據之一。

第二個例子是布朗運動。1827年,布朗發現灰塵在液體中的運動具有不連續性,他認為這些不連續性是原子說的間接證據:布朗運動的來源是灰塵和水分子的碰撞。愛因斯坦對這個實驗極感興趣,他發展出一套嚴格的數學理論來解釋布朗運動。愛因斯坦理論不僅為原子說提供有力證據,他甚至能從灰塵的運動軌跡推算出液體分子的質量。

●比原子還要更小

就在人們開始接受原子是物質最基本的單位時,科學界又出現另一震撼彈──比原子更小的粒子。

和愛因斯坦同一個時期,在世界另一個角落,湯姆森正進行著著名的「陰極射線實驗」。對真空管中的兩片金屬電極施加高壓電,湯姆森發現一道光束在真空中連接兩個電極。經過一連串的實驗,他驗證這個光束由帶電粒子組成,而且這個粒子比氫原子還要輕2000倍。氫原子是質量最小的原子,湯姆森發現了第一個次原子粒子──「電子」。湯姆森之後因為氣體導電等相關研究獲頒諾貝爾物理獎。

拉塞福是湯姆森的學生,他的研究專長是放射性物質。拉塞福因為發現α和β射線,獲頒諾貝爾化學獎。在獲得諾貝爾獎之後,1911年他進行了著名的「拉塞福散射」實驗。將α粒子打向金箔,他發現大約有兩萬分之一的α粒子被回彈。他推論原子其實像太陽系一樣,大部分的質量集中在兩萬分之一的中心(即是後來的原子核),物質無法穿透,其他部分則是空蕩蕩的可以穿透。這正是著名的「拉塞福原子模型」。

在道爾吞提出原子說的大約100年中,愛因斯坦提供了量測原子質量的方法,湯姆森和拉塞福發現比原子更小的粒子。這些發現可以說是科學史上最重要的發現之一,它們為接下來百花齊放的核物理、高能粒子物理、弦論、量子物理等領域奠定重要基礎。

 

 

編譯來源: How Did We Figure Out Atoms Exist?

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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