第三課　什么是物質？

從92到數百萬

我們在地球上可以看到或觸摸到數百萬種不同的物體。下面請用幾分鐘的時間列舉出所有你們能想到的物體，大家可以從自己此刻所能看見、感覺、觸摸、聽見或嗅到的物體寫起。如果紙上還有空間，就繼續寫出這些物體的組成及其組成部分的組成。倘若再寫上在過去24小時內曾感覺過的物體，或者和別人所寫的做一個比較，你們就會發現這個列表還可以更長！

看看你們在表單上列出的物體，它們是由什么構成的。其實，在人類歷史上曾有人研究過這數百萬種不同物體的存在方式。其中，有一種解釋就是它們都由少數幾種基本材料構成的。

通過觀察，你們會發現城市中存在大量不同形狀、大小和顏色的建筑。但相同的是它們都是由為數不多的幾種建筑材料建成，例如木材、玻璃、金屬、混凝土、涂料和塑料。依此類推，也許地球上這數百萬種物體也同樣是由少數幾種基本材料構成的。

古希臘人認為，世間萬物都由泥土、空氣、火和水這四種基本元素按照各種不同的方式組合而成。據此觀點而言，我們人類毫無例外也都應由這四種基本元素構成。進出我們身體的空氣、我們體內的熱量（火）、我們的肉體（泥土）以及我們的體液（血液、汗液、眼淚），無一例外都證明了這一點。然而，當一位名叫亞里士多德的古希臘人試圖把60杯水、20罐土、可供10個人呼吸的空氣和2堆篝火混合在一起從而創造出一個人時，他失敗了。

希臘人認為，只有這四種基本元素是純凈的，其他任何物體都由兩種或兩種以上的基本元素以適當的方式混合而成。因此，希臘人對基本元素的定義可分為以下兩部分：

世間萬物都由基本元素構成。因此，把任何物體分解之后，我們會發現它由一種或多種基本元素組成。

這四種基本元素不能被進一步分解。

盡管我們并不認同以上觀點，但現代科學仍沿用了古希臘人的定義方法。至今，我們已經發現地球上存在著92種基本自然元素，而非古希臘人所說的4種。就是這92種基本元素以不同的方式結合形成了所有數百萬種不同的物體。

從古希臘人所定義的四種基本元素之一水，就可以為我們解釋為什么基本元素種類會從4增加到92。倘若水是基本元素，就不能被進一步分解。然而，科學家卻發現我們可以輕易地將水分解成兩個部分。

給水通電時，會不斷地有氣泡形成、溢出。如果正確地設計實驗裝置，我們就能收集到由水分解所得的兩種不同氣體。若把這兩種氣體重新結合，就又生成了水。這兩種氣體就是氫元素和氧元素。之所以稱之為元素，是因為它們不能像水一樣，輕易地分解成更簡單的部分。

假設你們所在的公司承擔著建設行星的重任，比如說建設地球。剛開始，這看似是一項不可能完成的工作，因為這需要上百萬種不同的物體。但現在你們就會覺得，這項工作并不是不可能完成的。理論上，要完成這項任務只需要92個裝有不同基本元素的容器即可。當需要諸如巖石、樹葉或牙齒之類的物體時，你們所要做的就是把那些元素以適當的方式結合起來。

這樣一來，這個浩大的工程就會簡單得多。由于地球表面及內部的大多數物體都只由少數幾種元素構成，所以你們就只需氫、氧、氮、碳、鐵和硅這幾種基本元素，來形成水、泥土、空氣和生命體。當然，若要完成所有物體的建設還需要其他一些少量元素，例如鋁、硫和氯。至于像鉑和氦這樣的元素，其所需的容器就小得多，因為地球上此類元素的含量都非常低。

這時候我們就可以利用系統的觀點來解釋以上內容。92種元素是地球整個系統的組成部分，當兩個或更多的元素組合起來，就會形成不同于部分的新物體。計算一下92種元素不同的排列組合方式，地球上有數百萬種不同物體也就不足為奇了。

讓我們來看看自己對物質的理解到什么程度了。現在我們知道，要重建地球僅需研究92種基本元素即可，而非上百萬種不同物體的組成。大家也許會認為只要知道這些就足夠了，但我們還面臨著另一個科學難題。

基本元素為什么會彼此不同呢？這個問題的答案可以從對最小元素的研究中獲得。古希臘思想家德謨克利特給出了一個我們至今仍在使用的詞來形容元素的最小可能顆粒。對于人類而言，我們不僅僅學會了一個新詞，同時也進入到了元素研究的一個更深的層次上。