第一性原理：第8章 原子
作者：[英]馬庫斯·喬恩
#第一性原理21
第8章 原子
原子是大自然的字母表，將它們按不同的方式排列，就可以構成一朵玫瑰花、一個星系，或是一個新生的嬰兒。
假如由於某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話可傳給下一代，那麼怎樣才能用最少的詞語來傳達最多的信息呢？……所有的物體都是由原子構成的。
——理查德·費曼
公元前440年，古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)拿起一塊石頭，或是一根樹枝，或是一枚陶片，沒人知道他拿的到底是什麼。但重要的是，他提出了這樣一個問題：“如果我把它切成兩半，再切成兩半，能不能永遠這樣切分下去呢？”德謨克利特的答案是否定的，他無法想象一個物體可以被無限細分下去。後來，他提出一定存在一種最小的物體，它無法被切成兩半。於是他借用希臘語中表示不可分割的單詞atomos，將這一物質的最小單位命名為“原子(atom)”。
人們發現原子存在的直接證據是很久以後的事了，但在此之前的千百年間，人們也積累了很多間接的證據。18世紀，瑞士數學家丹尼爾·伯努利(Daniel Bernoulli)提出，像空氣、水蒸氣這樣的氣體是由無數隨機飛舞的原子構成的。如果將氣體裝進容器中，這些原子就會撞擊容器內壁，就像冰雹砸在屋頂上一樣。它們會在容器內壁上產生一種力，這就是我們在宏觀上所感受到的一種平均的推力，或者說是壓力。
伯努利想象有一個圓柱體容器，裡面有一堵可移動的牆，或者說是活塞，那麼如果容器中的氣體體積被壓縮到原來的一半會發生什麼？伯努利認為，此時原子只需要飛行原來的一半距離就可以撞擊到活塞，因此原子撞擊活塞的頻率會變成原來的兩倍，即產生的壓力會變成原來的兩倍。如果有個人嘗試推著活塞不讓它彈回來，那麼他一定會感受到這一變化，因為他需要花更大的力氣才能讓活塞在容器中保持不動。同樣的道理，如果氣體體積縮小到原來的三分之一，壓力就會變成原來的三倍，以此類推。愛爾蘭物理學家羅伯特·波義耳(Robert Boyle)於1662年觀察到同樣的規律，這一規律因此被命名為“波義耳定律”。
接下來，伯努利想象對裝有氣體的容器加熱。由於加熱後原子的運動會變快（熱是原子的微觀運動），因此它們會更頻繁更猛烈地撞擊活塞，表現為氣體壓力上升。他的推理再一次與真實氣體的狀況一致。法國科學家傑克-亞歷山大-塞薩爾·查理(Jacques-Alexandre-César Charles)於1787年觀察到同樣的規律，這一規律因此被命名為“查理定律”。
伯努利的成就在於他僅僅基於氣體是由無數像蜂群一樣隨機飛舞的原子構成的這一假設，就成功預言了氣體的兩個可測屬性。實際上，在很多氣體中，撞擊容器內壁的並不是原子，而是多個原子組成的小團——分子。例如，水蒸氣中的分子是由兩個氫原子和一個氧原子連接而成的(H2O)。無論如何，不管組成氣體的基本單位是分子還是原子，都不影響伯努利的結論。
19世紀，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼注意到伯努利的洞察，並進一步推導出氣體原子的統計學屬性。然而，關於原子的存在卻依然充滿爭議。1906年，玻爾茲曼在一次度假中自殺，其他科學家對玻爾茲曼觀點的敵意或許是造成他精神抑鬱的原因。諷刺的是，就在玻爾茲曼自殺的前一年，愛因斯坦通過對神秘的布朗運動現象的解釋，給出了原子存在的最好證明。
1827年，蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗(Robert Brown)用顯微鏡觀察水面上的花粉顆粒，發現它們會隨機游動。此後大約100年間，沒有人能夠搞清楚這些花粉顆粒為什麼會瘋狂地舞動。後來，愛因斯坦在1905年提出了一個猜想，每個花粉顆粒都受到來自其周圍水分子的持續撞擊。在某個特定時刻，從一側撞擊的分子數量大於另一側，這會導致花粉顆粒的不規則運動。你可以想象有一群人在一片空地上圍著一個巨大的充氣球，每個人都會從隨機的方向推動它。
愛因斯坦提出了一個用來描述布朗運動的數學理論，他的預言在三年後被法國科學家讓·巴蒂斯特·佩蘭(Jean Baptiste Perrin)證實。為了方便，佩蘭將花粉顆粒換成了藤黃顆粒（它是柬埔寨的一種樹上分泌出的黃色膠質）。愛因斯坦的理論預測了在水分子的持續撞擊下花粉顆粒運動的速度和距離，其中的關鍵問題在於水分子的大小，因為水分子越大，花粉顆粒所受到的力就越不平衡，因此布朗運動就會變得越不規則。佩蘭將其對藤黃顆粒的觀察與愛因斯坦的理論進行比較，從而得出了水分子以及組成它的原子的大小。他的結論是一個原子的大小大約是一百億分之一米，所以我們才說1000萬個原子連起來只有一個句號那麼大。
儘管佩蘭的證明很有說服力，但依然是一種間接的證明。原子存在的實際證明要等到1981年，當時在瑞士蘇黎世的國際商業機器公司(IBM)工作的格爾德·賓寧(Gerd Binnig)和海因里希·羅雷爾(Heinrich Rohrer)發明瞭掃描隧道顯微鏡。儘管它的名字有點長，但其實工作原理非常簡單。假設一位盲人想要“看到”另一個人的臉，他就會用手指去觸摸。同樣，掃描隧道顯微鏡是使用一根非常細的金屬針去觸摸一個物體表面的微觀形態。但是要做到這一點需要很多的才智和巧思。例如，如何避免周圍環境中的震動對設備的影響，這也是賓寧和羅雷爾能夠獲得1986年諾貝爾物理學獎的原因。
當兩位物理學家將掃描隧道顯微鏡探針的上下移動轉換成圖像後，他們倒吸了一口涼氣：原子就像微小的足球，或者像堆在箱子里的迷你橘子。這一結果與2500年前德謨克利特僅憑思想的力量所得出的結論完全相同。但是，德謨克利特不僅猜想原子是構成物質的不可分割的微粒，而且他還猜想原子具有有限的幾種不同形狀和類型，通過將它們以不同的方式組合起來，就可以形成一朵玫瑰、一個星系或是一個新生的嬰兒。萬物都是原子的不同組合而已。這個世界也許看起來複雜得不可思議，但是德謨克利特認為，這只是一種錯覺，它只是反映了幾種基本構件的無盡排列組合而已。
19世紀後期，法國科學家安托萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier)編寫了一個物質列表，這些物質是無法通過任何手段變成其他物質的，例如金，它們很有可能是由單一種類的原子組合而成的。他列出了23種基礎物質，或者叫“元素(elements)”。當然，其中一些並不基礎，也不應該出現在這張列表上，例如“熱質(caloric)”，它是一種與熱有關的假想的流體。如今，我們知道從最輕的氫到最重的鈾，一共有92種天然元素。但即便是拉瓦錫的列表中似乎也包含了相當多的基本組成部分，肯定比德謨克利特當初所設想的寥寥數種要多。
原子可能是由更小的物體構成的，這一跡象的發現源於一位俄國西伯利亞的化學家——德米特里·門捷列夫(Dmitri Mendeleev)。在編寫一本教科書時，他發現元素的性質是有規律的。在1869年的當時，人們總共已經發現了67種元素。門捷列夫把這些元素做成卡片，按原子量從小到大排成一排。他驚訝地發現化學性質相似的元素竟然出現在同一竪列中，而且這種性質的變化具有週期性，因此他把元素的這種排列方式稱為“元素週期表”。通過這張表，門捷列夫預言了“缺少”的元素的性質，這些元素後來被一一髮現。
英國物理學家約瑟夫·湯姆遜(J.J.Thomson)於1897年發現了電子，這是人類第一次認識到比原子更小的物體。後來，新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)於1911年發現了原子核，也是他提出了原子的結構模型，即原子核像太陽，而電子像行星一樣圍繞其旋轉。儘管原子核的大小只有原子的十萬分之一，卻佔了原子總質量的99.9%。捷克裔英國劇作家湯姆·斯托帕德(Tom Stoppard)曾經生動地詮釋了原子核的大小：“伸出拳頭，如果你的拳頭像原子核一樣大，那麼整個原子就像聖保羅（大教堂）一樣大。如果這是一個氫原子的話，那麼就會有一個電子像一隻蛾子一樣在這座空曠的大教堂里飛來飛去，一會兒飛到穹頂下，一會兒飛到聖壇上。”
原子核中含有質子，它的質量是電子的約2000倍，並且帶有與電子等量但極性相反的正電荷。在最輕的氫原子中，原子核中只有一個帶正電的質子，它的電荷與圍繞它旋轉的僅有的一個電子所帶的負電荷達到完美的平衡，而正是這兩種相反電荷之間的吸引力使得氫原子能夠保持其結構。原子核中質子的數量總是與其核外電子的數量相等。
氫原子與碳、鈾等其他原子之間的關鍵區別在於其原子核中包含的質子數量，這等價於其核外電子的數量。氫原子含有1個質子和1個電子，碳原子含有6個質子和6個電子，而鈾原子則是一個巨大的怪獸，它的原子核含有92個質子，周圍則有92個呼嘯飛行的電子。
實際上，除氫原子外，其他原子的原子核中還含有除質子以外的另一種粒子。 1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)發現了中子。中子的質量和質子相當，但它不帶電荷，對原子的性質也沒有顯著的影響，因為原子的性質幾乎完全是由電子的數量決定的。
根據19世紀的經典物理學理論，電子繞原子核旋轉時會像微型電台一樣輻射電磁波，這會消耗電子的能量，使得電子在不到一億分之一秒的時間內撞向原子核。但這並沒有發生，因為我們周圍的世界都是由原子構成，而且它們顯然非常穩定。電子之所以不會在旋轉中撞上原子核，是因為它們具有奇妙的波的性質，這一點是在20世紀初被發現的。電子的行為並不遵循經典物理學，而是遵循量子物理學，而表示電子的量子波本質上是擴散的，因此並不會被壓縮到一個原子核的微小體積中（參見第7章）。
儘管電子具有波的性質能夠解釋為什麼它們不會撞上原子核，從而維持原子的結構，但是並不能解釋為什麼原子中的所有電子不在同一個軌道上運行。原子中的電子是原子與外部世界產生相互作用的界面，它們與其他原子的電子之間的相互作用決定了原子的性質：它們如何與其他原子結合（也就是它們的化學性質），以及它們的導電性和導熱性。如果每種原子的所有電子都排列在同一軌道上，那麼它們的外部界面也應該是相同的，也就是都具有完全相同的性質，即世界上只有1種元素，而不是92種不同的元素，這個世界的多樣性和複雜性便無從談起。
奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利提出了“泡利不相容原理”，以此解釋了這92種原子之間的區別。泡利不相容原理是一條量子世界的規則，它規定兩個相同的電子不能共享同一個軌道。原子是一個三維物體，因此描述電子的軌道不僅需要知道其與原子核的距離，還需要知道它在空間中旋轉的方向。正如我們需要兩個數——緯度和經度，來確定地球上的某個位置，要確定一個電子的軌道也需要兩個數，再加上電子與原子核的距離，總共需要三個量子數。但實際上，電子還具有第四個屬性：自旋。簡單來說，你可以理解為電子會沿順時針或逆時針方向自轉。
根據泡利不相容原理，電子會按距離原子核從近到遠依次排列在不同的“層”上。第一層最多能容納2個電子，第二層是8個，第三層是18個，以此類推。我們看幾個例子：有6個電子的原子，其第一層有2個電子，第二層有4個電子；有12個電子的原子，其第一層有2個電子，第二層有8個電子，第三層有2個電子。於是，我們便很容易理解為什麼某些原子具有相似的性質——例如鋰、鈉、鉀，因為它們最外層都只有1個電子，所以它們與外界發生相互作用的方式相同。這就是門捷列夫元素週期表中所呈現的規律的本源。
泡利不相容原理不允許所有電子處於同一軌道，這解釋了為什麼會有92種天然元素而不是只有1種，也解釋了為什麼世界如此豐富多彩以及為什麼你能讀到這些文字。
儘管和德謨克利特所想象的一樣，世界的多樣性是由少數構件按不同方式組合而產生的，但和他的想象不同的是，原子核和電子的存在說明原子並不是不可分割的。特別是現在我們已經發現了真正不可分割的基本粒子，令人驚訝的是，它們只有3種：上誇克、下誇克和電子（參見第15章）。質子其實是由2個上誇克和1個下誇克構成的復合粒子，而中子則是由2個下誇克和1個上誇克構成的復合粒子。神奇的是，整個宇宙的多樣性都來源於區區3種基本構件的排列組合。德謨克利特在兩千多年前就參透了現實世界的終極本質，不得不說，他的思想在這個意義上是完全正確的。
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