文/陳利根

量子力學(xué)其實是原子論發(fā)展到今天的產(chǎn)物，是原子論的一部分。原子論的歷史從古希臘開始，十分漫長，本文提綱挈領(lǐng)，講清楚從古希臘到現(xiàn)代，兩千多年來人類對原子的認知不斷加深的歷史。

我們?nèi)祟惖南荣t，在一次次的探索中質(zhì)疑和追問；又在一次次追問和質(zhì)疑中探索，讓真理離我們越來越近。

承蒙大司馬的抬愛，約我撰寫了一篇關(guān)于化學(xué)史的文章，并在《文史宴》發(fā)表了。今天，筆者借著文史宴的講臺，再對原子論的歷史進行一番追溯和評述，希望各位看官能從化學(xué)和歷史中品出趣味。

對事物的追根尋源、刨根問底，是好奇的人們所共有的習(xí)慣；或者說，是好奇的人們所共有的精神。正是我們?nèi)祟愖怨乓詠砭陀羞@種代代相傳的探索精神，使得我們?nèi)祟愒跉v史的長河中不斷地成長，不斷地進步，不斷地發(fā)展。

從宏觀來看。當人們遙望星空，就會追問：宇宙究竟有沒有盡頭？如果沒有，何來無窮的空間、無窮的時間、無窮的物質(zhì)？如果有，盡頭之外又是什么？

古今中外，總有人類的先賢思考這些看似無用，其實非常啟迪人類智慧的問題。早在戰(zhàn)國時期，詩人屈原就發(fā)出“天問”：冥昭瞢暗，誰能極之？陰陽三合，何本何化？

屈原“天問”

從微觀來看。當我們的先人把一塊木頭劈成兩爿時，有人也許就把木頭當柴火燒了；但哲人就會思考：如果把木頭不斷地劈開，劈開，一直劈下去……，會有窮盡嗎？

古希臘的哲學(xué)家德謨克利特就是這樣一位哲人，正是他，最早提出了比較系統(tǒng)的原子論。

今天，我就和大家一起，聊聊原子論的發(fā)展史，沿著我們?nèi)祟愖嫦鹊淖阚E，順著他們的思路，來看看這些人類的先賢是如何逐漸深入到微觀世界里面去的。

各位看官不用擔心，雖然關(guān)于原子的探索屬于化學(xué)的一個領(lǐng)域，但即使你在中學(xué)時化學(xué)考試成績不理想，也不會影響下面的閱讀。

學(xué)化學(xué)的朋友也許知道，最早提出“萬物由原子構(gòu)成”并建立原子論的人是古希臘的哲學(xué)家德謨克利特，他認為“原子是一種最后的不可分的物質(zhì)微?！?，也就是把一塊木頭劈開、劈開，一直劈開，到最后就無法劈開了，這個“無法劈開的微粒”，就是原子。

其實，德謨克利特創(chuàng)建的原子論，深受他的前輩們的影響。在他之前，已經(jīng)有一堆哲學(xué)家鉆進了微觀世界。他的老師留基伯就已經(jīng)提出了原子的概念，德謨克利特繼承和發(fā)展了老師的思想。

德謨克利特的紀念郵票

需要指出的是，德謨克利特的原子論是建立在理性思辨的基礎(chǔ)上的，和后來建立在實驗觀察基礎(chǔ)上的現(xiàn)代原子論在方法上完全不一樣。令人驚奇的是，他的許多思辨結(jié)論，在兩千多年后得到了現(xiàn)代科學(xué)實驗的驗證。

德謨克利特認為，原子和原子之間，存在著“虛空”。這是一個大膽而富有想象力的推論?，F(xiàn)代科技證明：在微觀粒子之間，確實存在大量的“虛空”。

德謨克利特認為，原子一直存在于宇宙之中，它們不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。這個就更厲害了，這是物質(zhì)守恒定律的雛形。要知道，物質(zhì)守恒定律一直到18世紀法國化學(xué)家拉瓦錫的燃燒實驗之后，才被化學(xué)界公認。

德謨克利特還認為，原子在形式上是多樣的，任何變化都是它們的結(jié)合和分離引起的。這個還要厲害，把它放在21世紀的化學(xué)課上講，依然是正確的。

當然，德謨克利特的原子論僅僅對原子進行了大膽想象和推論，對原子的本質(zhì)無法給出任何說法。

古羅馬在自然科學(xué)和哲學(xué)方面的發(fā)展不象古希臘那樣群星璀璨，不過，古羅馬在藝術(shù)方面的發(fā)展還是成績斐然的。說到我們今天的主題原子論，古羅馬出現(xiàn)了一位跨越藝術(shù)和科學(xué)兩大領(lǐng)域的大咖——盧克萊修。

盧克萊修是一位詩人，又是一位哲學(xué)家，他用詩的語言闡述了他對自然現(xiàn)象、宗教和人類社會發(fā)展的理解。這就是他的長詩《物性論》。

今天，我們就來欣賞盧克萊修的詩篇，看看兩千年前的古羅馬哲人如何闡述他對原子的理解。

有一種相似的情形時常出現(xiàn)在我們眼前：

瞧，每當你讓太陽的光線投射進來，

斜穿過屋內(nèi)黑暗的廳堂的時候，

你就會看見許多微粒以許多方式混合著，

恰恰在光線所照亮的那個空間里面，

象在一場永恒的戰(zhàn)爭中，不停地互相撞擊，

一團一團地角斗著，沒有休止，

時而遇合，時而分開，被推上推下。

從這個你就可以猜測到：

在那更廣大的虛空里面，

有怎樣一種不停的基始運動。

詩人用日常生活中“時常出現(xiàn)在我們眼前”的東西，來描述我們看不見的微觀世界，用在陽光中顯現(xiàn)的塵埃微粒來表征原子（詩中稱為“基始”），用“黑暗的廳堂”來表征容納原子的“虛空”。然后原子“不停地互相撞擊”，形成“一團一團”，“ 時而遇合，時而分開”，非常形象地描述了原子結(jié)合形成新的物質(zhì)，以及在一定條件下的物質(zhì)的分解。

盧克萊修的《物性論》

這些形象的、感性的描寫，是詩人和哲人既浪漫、又理性的思想，和兩千年后的科學(xué)實踐非常接近。這不能不說是人類文明的奇跡。

伊斯蘭科學(xué)中的原子論

在漫長的中世紀，西方古典文化發(fā)展緩慢，甚至有人把中世紀稱為“黑暗時代”。但是，西方不亮東方亮，阿拉伯文化的興起，為中世紀增添了一抹亮色。伊斯蘭教穆爾泰齊賴派的經(jīng)院哲學(xué)家將原子論的討論引入經(jīng)院哲學(xué)，逐漸形成了理論框架。但是，由于伊斯蘭中后期蘇非派的神秘主義的流行，該理論被邊緣化，相關(guān)文獻也失散了。

神奇的是，該理論居然在一位猶太人手里復(fù)活了。一位生活在阿拉伯世界的猶太人邁蒙尼德將伊斯蘭經(jīng)院哲學(xué)中的原子論整理為十二個前提，主要觀點是：

1、一切存在物都由不可再析分的原子組成；

2、存在一個虛空；

3、原子周圍存在著依附原子但不占空間的東西（邁蒙尼德稱其為“偶性”）；

4、時間由一個個分離的瞬間組成。

對比德謨克利特的原子論，伊斯蘭的原子論很有創(chuàng)新，尤其是它不但在空間上對“存在物”進行析分，還把時間析分成一個個瞬間。這很了不起。

文藝復(fù)興大約從14世紀開始。各位看官也許納悶：你怎么從歐洲兩千年前一下子跳到14世紀，這中間一千多年難道原子論的發(fā)展是空白嗎？

確實是這樣，基本上就是空白。在漫長的歐洲中世紀，古典文化發(fā)展緩慢，原子論的發(fā)展也停滯不前。直到17世紀，法國學(xué)者伽森狄再一次提出了古希臘的原子論。

伽森狄是神學(xué)博士，又是教會的神職人員，但他在自然科學(xué)方面有相當?shù)脑煸?，是著名的哲學(xué)家。他不但繼承了古希臘的原子論，認為原子是永恒運動的，虛空是原子的運動場所，并且進一步發(fā)展了這種理論。

他認為：原子是不可分、不可滅的，物質(zhì)是按一定次序結(jié)合的原子的總和。這種觀點，更接近現(xiàn)代化學(xué)理論。

法國哲學(xué)家伽森狄

伽森狄之后，又有兩位超重量級的科學(xué)家——波義耳和牛頓，對原子論提出了一些新的觀點，但是，他們對原子的本質(zhì)，并沒有確切的描述。

到了18世紀，隨著化學(xué)學(xué)科的飛速發(fā)展，人們積累了大量化學(xué)實驗的經(jīng)驗，原子論不僅僅是哲人們理性思辨的產(chǎn)物，它在被實驗結(jié)果驗證或質(zhì)疑的同時，開始對實驗結(jié)果進行新的解釋。原子論進入了近代時期。

英國科學(xué)家道爾頓被認為是近代原子論的創(chuàng)立者。他繼承了古希臘的原子論和牛頓的微粒學(xué)說，創(chuàng)立了新的原子論。道爾頓的原子論揭示了化學(xué)學(xué)科的一些真理，比如：

（1）原子在一切化學(xué)變化中是不可再分的最小單位。

（2）不同元素原子的性質(zhì)不同，質(zhì)量也不同（由于同位素的原因，偶爾有例外），原子質(zhì)量是元素基本特征之一。

（3）不同元素化合時，原子以簡單整數(shù)比結(jié)合。

當然，也有后來被證明是不正確的，比如：

（1）原子是實心球，原子不可分?，F(xiàn)在我們知道，通過核反應(yīng)，原子是可以分裂的。

（2）同種元素的原子性質(zhì)和質(zhì)量都相同?，F(xiàn)在我們知道，由于存在同位素，同種元素的原子質(zhì)量可以不同。

盡管如此，道爾頓的原子論，仍具有劃時代的意義。

隨著科技革命的不斷推進，原子論被不斷修正，各種原子模型紛紛閃亮登場，原子論進入了飛速發(fā)展的時代。下面我們來欣賞一下，我們的科學(xué)家如何腦洞大開，根據(jù)當時最新的科技發(fā)現(xiàn)，提出他們的原子模型。

（1）湯姆生的葡萄干面包型

到了19世紀末期，在法拉第和麥克斯韋的努力下，電磁學(xué)的實驗和理論已經(jīng)趨于成熟，英國科學(xué)家湯姆生發(fā)現(xiàn)了帶負電荷的電子。由于電子帶負電，這意味著原子中必須還有帶正電荷的東西，這樣電荷才能平衡，讓原子不帶電。

所以，湯姆生的原子模型是葡萄干面包型，就是帶正電的面包上鑲嵌著帶負電的葡萄干，也就是整個原子就像一個葡萄干面包。

（2）“徒弟出拳打師傅”——盧瑟福的行星模型

盧瑟福是湯姆生的學(xué)生，湯姆生退休后他接替了老師的職務(wù)。盧瑟福在用一種射線轟擊金箔時，發(fā)現(xiàn)射線不但反射了，還發(fā)生了散射和透射，也就是射線透過了金箔。這意味著原子不是實心的，里面存在著“虛空”。就這樣，湯姆生的葡萄干面包模型被他的學(xué)生盧瑟福給“擊碎”了。

據(jù)此，盧瑟福提出了他的“行星模型”，就是原子中心有一個原子核，相當于太陽，而電子象行星一樣圍繞在太陽周圍。這樣就很好地解釋了“虛空”的存在。

盧瑟福的行星模型

中間紅色的為原子核，綠色的為電子

（3）時尚的“量子”，其實很有些年頭了——波爾的量子化軌道模型

“量子”這個詞近年來比較時髦：有量子貼膜、量子服裝，甚至還有量子護膚品，等等，這些往往都有概念炒作之嫌。其實，量子是上世紀初就提出來的一個概念。本意是最小的、不可分割的單位。

舉個例子，比如長度，就沒有不可分割的單位。即使是納米，也可以有0.5個納米，可以分割。

但量子不能分割，不可以有0.5個量子。所以一旦某個數(shù)量是量子化的，它就不能連續(xù)地變化，只能一個量子一個量子的變化。通俗地講，只能一份一份地變化，就象買包子，只能一個一個買，不能買半個。

言歸正傳。顧名思義，波爾的量子化軌道模型，就是指電子圍繞原子核運行的軌道的半徑，不是任意的，電子和原子核的距離是按照軌道的能級，一份一份地增加，或一份一份地減少。這讓電子運行的軌道理論更加量化，可以說波爾的量子化軌道模型是盧瑟福的行星模型的升級版。

順便提一句，波爾是盧瑟福的學(xué)生。

量子軌道模型

圖中有兩層電子軌道，

兩層之間的距離不是任意變化的

距離的變化是量子化的

（4）電子云模型

許多朋友一定聽到過“薛定諤的貓”，這是用宏觀的實驗（當然，是一個設(shè)想的實驗）來描述微觀的狀態(tài)。就是說，在微觀世界里，所有粒子的狀態(tài)都是不確定的，就象薛定諤的貓，是死是活不能確定，處于死和活的疊加狀態(tài)。

所以，在原子核外面的電子，它的狀態(tài)是不確定的：你無法確定在某個時刻，某個電子它所在的具體位置。你只能通過計算，了解電子在某個位置出現(xiàn)的幾率——也就是電子在各個具體位置上的疊加狀態(tài)。

這樣，電子云模型出現(xiàn)了。電子出現(xiàn)幾率大的地方，電子云密度就大；反之，電子云密度就小。

電子云模型

電子云模型從問世到今天，已經(jīng)有近一百年的歷史了。一百年中，為我們解決了許多化學(xué)相關(guān)的問題。比如，通過計算得到電子云的伸展方向，可以了解化學(xué)鍵的特性，等等。這里就不展開了。

筆者曾撰文說：一部人類的文明史，伴隨著化學(xué)發(fā)展史。今天我們又了解到，原子論的發(fā)展，同樣也陪伴著我們?nèi)祟惖奈拿魇贰?strong>原子論，不但是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，也是物理學(xué)科的重要組成部分。

我們?nèi)祟惖南荣t，在一次次的探索中質(zhì)疑和追問；又在一次次追問和質(zhì)疑中探索，讓真理離我們越來越近。

讓我們由衷地致敬！