所有物質(zhì)都由原子構(gòu)成

最早的量子思想——事物本質(zhì)上由看不見(jiàn)的基本成分組成——至遲在 2500 年前就有人提出了。從這里開(kāi)始，物理緩慢地誕生了，如果沒(méi)有這些基本認(rèn)識(shí)，就難以理解土、水、火和空氣。這個(gè)觀念一開(kāi)始讓人免不了懷疑，因?yàn)槟嗤痢⑹^、樹(shù)葉、水、肌肉或骨骼看起來(lái)完全不是那樣。但是公元前 5 世紀(jì)的幾位古希臘哲學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自己難以表達(dá)出任何其他令人滿(mǎn)意的可能性。物質(zhì)會(huì)改變狀態(tài)——破碎、褪色、枯萎或成長(zhǎng)——但是物質(zhì)的本質(zhì)沒(méi)有變。不會(huì)變化的物質(zhì)本質(zhì)，意味著物質(zhì)的基本成分不會(huì)變。物質(zhì)會(huì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)重新組合，這會(huì)帶來(lái)外觀的改變。更有意義的是，把物質(zhì)的基本成分當(dāng)成不會(huì)改變和不可分割的東西，比如原子（atomos），意為“不可分割的”。無(wú)論原子是不是真的完全統(tǒng)一或不可分割，都不妨礙這樣的觀念。柏拉圖把原子想象成純幾何形狀的硬塊：立方體、八面體、四面體和二十面體，對(duì)應(yīng)著土、氣、火和水四大基本元素。其他人想象有小鉤子一樣的東西把原子鉤在一起（不過(guò)這些鉤子又是什么做的呢？）。

希臘人不太重視實(shí)驗(yàn)，但是有些觀察結(jié)果支持了原子的觀念。水會(huì)蒸發(fā)，水蒸氣會(huì)凝結(jié)。動(dòng)物會(huì)發(fā)出看不到的信息，它們的氣味隨風(fēng)飄散。裝滿(mǎn)灰燼的罐子還能倒得進(jìn)去水，兩者原來(lái)的體積加起來(lái)并不是最后的體積，這意味著物質(zhì)之間存在空隙。其中的機(jī)制讓人困擾，現(xiàn)在仍然如此。這些小顆粒如何運(yùn)動(dòng)？它們之間如何連接？詩(shī)人理查德· 威爾伯（Richard Wilbur）寫(xiě)道：“云啊，云啊，充滿(mǎn)了石頭。”即使在今天這樣的原子時(shí)代，我們還是很難理解為什么物理學(xué)家說(shuō)的粒子云可以構(gòu)成摸起來(lái)堅(jiān)硬的物體邊緣。

相信科學(xué)解釋的人，每天都要把教科書(shū)上的知識(shí)和真實(shí)世界聯(lián)系起來(lái)，因?yàn)橹挥姓鎸?shí)世界的知識(shí)才是我們真正接收到的和真正擁有的知識(shí)。小時(shí)候，別人教我們地球是圓形的，它繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，也繞著傾斜的軸自轉(zhuǎn)。我們可以不加懷疑地接受這些知識(shí)，但這只是現(xiàn)代世俗宗教經(jīng)不起推敲的說(shuō)教。或許，我們可以把這些知識(shí)的碎片連接成更大的框架來(lái)理解，這樣就不會(huì)輕易崩塌。隨著冬天臨近，我們看到太陽(yáng)在天上運(yùn)行的弧線(xiàn)越來(lái)越低。我們根據(jù)路燈的陰影長(zhǎng)短猜出時(shí)間。我們跨越旋轉(zhuǎn)木馬轉(zhuǎn)臺(tái)的時(shí)候要對(duì)抗側(cè)方的科里奧利力，我們也可以把這種感覺(jué)跟學(xué)到的地球氣旋的知識(shí)建立聯(lián)系：北半球的低氣壓呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。我們計(jì)算船上高高的桅桿要在多長(zhǎng)時(shí)間之后才會(huì)消失在海平面之下。太陽(yáng)、風(fēng)和波浪的種種特征都讓我們不再相信“地球是平的”，我們?cè)僖膊粫?huì)無(wú)法理解潮汐隨著月亮漲落。

所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成——要把這一觀念和日常經(jīng)驗(yàn)中的堅(jiān)固的桌椅聯(lián)系起來(lái)可不容易。看一眼辦公大樓的石階上光滑的凹陷痕跡，我們很少會(huì)想到這是千萬(wàn)次的踩踏日積月累地刮掉了無(wú)數(shù)小粒子的最終結(jié)果。我們也很少?gòu)闹閷毜膸缀吻忻媛?lián)想到把原子像小球一樣堆起來(lái)，呈現(xiàn)出特定的晶向，并形成人眼可見(jiàn)的規(guī)則角度。如果真的考慮自己身體內(nèi)外的原子，我們還是無(wú)法回答為什么石頭那么硬。費(fèi)曼曾經(jīng)問(wèn)過(guò)他的高中老師（卻從未得到令他滿(mǎn)意的答案）：“如果原子總是輕輕晃動(dòng)，那為什么尖銳的東西總是那么尖呢？”

成年的費(fèi)曼曾經(jīng)問(wèn)過(guò)：如果人類(lèi)的所有科學(xué)知識(shí)都在一次巨大的災(zāi)難中丟失了，哪一句話(huà)可以為下一代保留最多的信息？我們?nèi)绾伟褜?duì)世界的理解最有效地傳遞下去？他建議的這句話(huà)是：“所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成——這種小微粒一直在運(yùn)動(dòng)，彼此分開(kāi)時(shí)會(huì)相互吸引，但在被擠壓時(shí)會(huì)相互排斥。”他又說(shuō)：“在這句話(huà)中，只要稍加想象和思考，你就能找到大量關(guān)于這個(gè)世界的信息。”自從自然哲學(xué)家提出原子的概念以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)走過(guò)了幾千年歲月，而費(fèi)曼這一代科學(xué)家才真正且普遍相信這個(gè)概念。原子不再只是為了方便思考問(wèn)題而想象出來(lái)的概念，而是實(shí)實(shí)在在的物理事實(shí)。即便到了 1922 年，尼爾斯· 玻爾在發(fā)表諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)感言時(shí)仍然覺(jué)得自己有義務(wù)提醒聽(tīng)眾，科學(xué)家“相信原子的真實(shí)存在已經(jīng)毫無(wú)疑問(wèn)地被證實(shí)了”。可是小費(fèi)曼在家里的《不列顛百科全書(shū)》上反復(fù)讀到的句子是：“純粹從化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，即使到了今天，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)議還在繼續(xù)。”物理學(xué)這門(mén)更新的科學(xué)已經(jīng)掌握了強(qiáng)有力的證據(jù)：被稱(chēng)為輻射的現(xiàn)象，似乎暗示了物質(zhì)真的會(huì)分解，而且這個(gè)過(guò)程是真實(shí)發(fā)生的，可以聽(tīng)到清脆的聲音或看到短暫的亮光。可是直到 20 世紀(jì) 80 年代，人們才敢說(shuō)終于看到了原子。雖說(shuō)是間接看到，但是在電子顯微鏡拍攝的照片中，那些陰影重重的、整齊排列的小球，還有激光交織產(chǎn)生的“原子阱”中發(fā)亮的橙色小點(diǎn)，總能激發(fā)人的想象力。

讓 17 ～ 18 世紀(jì)的科學(xué)家們開(kāi)始相信物質(zhì)由基本微粒構(gòu)成的證據(jù)，不是固體，而是氣體。在牛頓力學(xué)引發(fā)的科學(xué)革命之后，科學(xué)家做了很多測(cè)量，找到一些常數(shù)，寫(xiě)下一些數(shù)學(xué)關(guān)系式，這是過(guò)去不用數(shù)字的哲學(xué)討論所無(wú)法提供的知識(shí)。研究者生成并分解了水、氨、碳酸、碳酸鉀和數(shù)十種其他化合物。他們?cè)谧屑?xì)地稱(chēng)量出原材料和最終產(chǎn)物的重量時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)則。氫氣和氧氣以二比一的體積比消失而轉(zhuǎn)變成水。羅伯特· 玻意耳（Robert Boyle）在英國(guó)發(fā)現(xiàn)，只要溫度固定，雖然密閉活塞內(nèi)的空氣的壓強(qiáng)和體積會(huì)改變，但是兩者的乘積是一個(gè)常數(shù)。這些測(cè)量值好像被一個(gè)看不見(jiàn)的規(guī)則聯(lián)系起來(lái)，為什么會(huì)這樣呢？加熱氣體就會(huì)使它的體積或者壓強(qiáng)增大，這又是為什么？

熱仿佛是看不見(jiàn)的流體，從一個(gè)地方流動(dòng)到另一個(gè)地方——無(wú)論它是“燃素”還是“熱量”。但是一代又一代的自然哲學(xué)家想到了另一種觀念：熱是一種運(yùn)動(dòng)。這是個(gè)大膽的想法，因?yàn)檎l(shuí)也沒(méi)有看見(jiàn)物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)。一位科學(xué)家必須想象微風(fēng)吹在臉上的柔軟壓力，其實(shí)是無(wú)數(shù)的粒子碰來(lái)碰去地向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。不過(guò)算術(shù)證實(shí)了這種猜測(cè)。瑞士的丹尼爾· 伯努利（Daniel Bernoulli）假設(shè)壓強(qiáng)正是微小的球狀粒子持續(xù)碰撞的作用，由此推導(dǎo)出了玻意耳定律。同樣，他又假設(shè)熱量就是這些運(yùn)動(dòng)加劇的表現(xiàn)，還算出了氣體的溫度和密度的關(guān)系。安托萬(wàn) - 洛朗· 德· 拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）仔細(xì)測(cè)量化學(xué)反應(yīng)前后的物質(zhì)重量時(shí)，這種微粒的觀念再次取得勝利。他證明任何化學(xué)反應(yīng)之前和之后的分子數(shù)可以像賬本一樣算得清清楚楚，即使在鐵生銹這種氣體與固體的反應(yīng)中也一樣成立。

“物質(zhì)本身不會(huì)變化，它由特別簡(jiǎn)單的小點(diǎn)組成，不可分割，沒(méi)有實(shí)質(zhì)內(nèi)容”——原子自身又包含著擁擠的、可以測(cè)量的內(nèi)在世界，這只能留給下一個(gè)世紀(jì)的科學(xué)家去猜測(cè)了——“而且每個(gè)小點(diǎn)相互分離”。魯杰羅· 博斯科維克（Ruggiero Boscovich）是 18 世紀(jì)的數(shù)學(xué)家和法國(guó)海軍光學(xué)研究的負(fù)責(zé)人。他發(fā)展出的這套關(guān)于原子的觀點(diǎn)充滿(mǎn)了先見(jiàn)之明，兩個(gè)世紀(jì)之后，費(fèi)曼的一句話(huà)也表達(dá)了同樣的意思。博斯科維克所說(shuō)的原子更像是力，而不是物質(zhì)。這樣的觀念可以解釋很多現(xiàn)象：為什么橡膠壓縮后可以反彈，而蠟卻不行？為什么物體會(huì)反彈？為什么固體保持原狀，而氣體和液體容易液化或蒸發(fā)？“不同的物質(zhì)會(huì)冒泡和發(fā)酵，粒子來(lái)來(lái)回回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，時(shí)而遠(yuǎn)離，時(shí)而又彼此靠近”，這都是為什么？

要理解這些微小的粒子，就必須理解看得見(jiàn)的現(xiàn)象背后的那些看不見(jiàn)的吸引力和排斥力。“小粒子分開(kāi)一定距離時(shí)會(huì)相互吸引，但是被擠壓到一起的時(shí)候又會(huì)互相排斥。”費(fèi)曼曾這樣簡(jiǎn)單地描述過(guò)。1933 年，這個(gè)聰明的高中生心里已經(jīng)產(chǎn)生了基本的科學(xué)思路。兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，對(duì)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)有了越來(lái)越精確的研究，發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素越來(lái)越多。即使是高中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也裝配了把水通電分解出爆炸性的氫氣和氧氣的設(shè)備。教學(xué)過(guò)程中所呈現(xiàn)的化學(xué)，好像已成為一套規(guī)則和方法的常識(shí)。但是只有充滿(mǎn)好奇，才能問(wèn)出一些最根本的問(wèn)題：如果原子一直在“晃動(dòng)”，固體怎樣維持原狀？是什么樣的力在控制著空氣和水的流動(dòng)？而什么樣的原子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生火焰？