【青稞營】第 53 次微課分享
分 享 嘉 賓：尹 傳 紅（《科技文摘報》總編輯）
主題介紹：
揭示奇妙的微觀世界， 從原子角度解讀你與宇宙萬物之間的聯繫，
一、奇跡：生命劇場中最具分量的演員
二、尋蹤：兩千多年前的粒子物理學家
三、遐想：在空間和時間裡迴圈
四、揭秘：“都像瘋子一般在跳舞”
五、恐懼：原子內部的巨大力量
六、界限：“塵歸塵兮土歸土”
一、奇跡：生命劇場中最具分量的演員
很多人不知道， 我們犁的土都是星塵， 隨風四處飄散。 在一杯雨水中， 我們飲下了整個宇宙。 你呼吸的空氣分子 很可能達·芬奇也曾呼吸過。 自始至終， 生命劇場中最具分量的演員， 正是組成人體的原子。 我們都是原子世界的一部分。
關於這個“生命劇場中最具分量的演員”， 有一句非常著名的話是這樣說的：我們每個人的體內， 都可能含有十億個曾經屬於威廉·莎士比亞的原子。 十億這個量級有多大？這麼說吧， 一個33歲的人在這個世上度過的時光大約是十億秒， 而十億粒食鹽大概可以裝滿一個普通浴缸。 但是， 十億個原子還不到一個人體原子總數的一百億億分之一。 也就是說， 人體含有超過一千億億億個原子，
暈了吧？我們再來聽一聽有關原子與我們的一些描述。
人類的身體， 一直都在由過去的其他人使用後又丟棄的碎片回收再利用而成。 從這個意義上講， 我們都是“活著的死者”。 大氣會變成我們， 而我們也會變成大氣。 我們的細胞將被不可見的原子編織到身體裡， 然後又將它們釋放到一個環環相扣的‘生命經濟體’， 其中的流通貨幣就是碳。 你曾經聞到的每一絲氣味， 看到的每一片景色， 欣賞的每一曲旋律， 以及唇間發出的每一聲哭喊與歎息， 皆因那些游走於空氣與你身體最深暗角落的原子而產生；而不管何時微笑，
確實神奇又美妙。 今天我們看到的這個原子形象及其圍繞它旋轉的電子軌道， 實際上已經成了現代科學的一種象徵， 或者說形象代言。
我們也深刻認識到，
二、尋蹤：兩千多年前的粒子物理學家
意想不到的微觀世界；探索最基本的終極元素：古代原子論思想， 從留基伯、德謨克利特到伊壁鳩魯、盧克萊修的思辨。
我們還是從大約300年前講起吧。 因為生活在那個時代的一個人做出的重要發現， 引導我們認知了自己身邊一個從未想到的世界。
在17世紀以前， 人類所知的最小生物是微小的昆蟲。 儘管差不多所有的文明都以不同的方式確信， 有一種超自然的力量可以使生物隱而不見， 但卻沒有人想到，自然界中居然還會有小得看不見的生物。
正如伽利略在17世紀初用望遠鏡擴大了人類對天空和宇宙世界的認識那樣，荷蘭的一個市政管理員列文虎克用他製造的顯微鏡對準日常物質，展示了一個人們做夢也想不到的維度，從而開闢了一個全新的研究領域，永遠地改變了人類對自然的認識。
顯微鏡幾乎與望遠鏡同時面世。它們的出現打開了宏觀和微觀兩個世界的大門，從而大大擴展了人們的視野。有意思的是，並非所有的人都願意接受這類新儀器。
例如，伽利略的許多同時代人就拒絕通過他的望遠鏡來進行觀察。他們崇尚理性勝於相信經驗，甚而擔心人類易犯錯誤的感官，到頭來只能受非天然器具的欺騙。
一位名叫施田海姆的瑞典詩人曾好心地說服一位牧師用放大鏡去看跳蚤，不料卻差點招來殺生之禍——那位牧師看到放大鏡下跳蚤的非自然形態時驚恐萬狀，認定施田海姆就是一個男巫，一個無神論者。如果沒有克莉絲蒂娜女皇干預，這位詩人想必就會被當作巫士給燒死了。
我們再往前追溯，回到2000多年前的古希臘，西方科學的源頭。大家看看這幅有點兒調侃的圖畫。它要表明的是，2000多年前的古希臘先哲已開始探求世界是如何從混沌走向有序的答案。這個人懷抱的，就是他們這些人研究的幾個物件。
這些人當中，生活在西元前5至6世紀的泰勒斯被公認為是第一個進行哲學思考或具有哲學思維的人。
對事物原因的探尋是泰勒斯開始的。他關心的不是事物，而是事物的本質；他想要探究事物的本質究竟是什麼；山嶽、動物和植物、風和星辰、人類與其所作所為及其思想等世上形形色色的事物究竟是怎麼回事？所有這一切的本質到底是什麼？
進一步說，它們從何而來？萬事萬物源於何處？那個包羅萬象使得這一切能夠產生、存在和發展的東西到底是什麼？上述種種，直至今天也依然是人類所關心並想要解答的基本問題。由於泰勒斯是第一個提出這些問題的人，因此他當之無愧地成了哲學的開山鼻祖。
泰勒斯所棲身的米利都，是小亞細亞海岸邊的希臘殖民地，一個繁榮的商貿都市。在西元前600年之前，人類對其生存環境當中的各種迷團的反應和認識，往往帶有神秘、超自然和宗教的色彩。
可貴的是，泰勒斯所創立的古希臘最早的哲學學派——米利都學派（也稱愛奧尼亞學派），在解釋自然現象時，卻能“讓神一邊去”，根本不提超自然的力量。
泰勒斯認識到，自然現象不是因為受到任意的、胡亂的影響而產生，而是有規則的，並且受著一定的因果關係的支配。他覺得，必定有某種或多種自然物質是其他物體的來源，而該物質本身則保持不變。其哲學觀點，用一句話來概括就是“水生萬物，萬物複歸於水”。他認為世界本原是水。亞里斯多德推測他之所以提出這個見解，可能是從生物角度來看天地萬物，並且觀察到所有的生物都含水，播種與營養過程也都與潮濕有關。
從更寬泛的意義上說，泰勒斯及其追隨者的探索實際上已經展示出了科學的這一特徵：科學探討普遍的、本質的事物，而不是特定的、偶然的事物。因此，從這個意義上說，我們今天所瞭解的哲學和科學都是從他們開始的。
差不多與泰勒斯同時，西元前 5 世紀的古希臘時期，出現了一位傑出的唯物主義哲學家留基伯。他和他的主要繼承者德謨克利特，提出了科學思想史上非常重要的原子論思想。
原子論主張認為世間萬物都是由最小的、不可分割的物質即原子組成，世界的共同基礎是原子。所謂原子，希臘文原意就是不可分割的東西。為什麼萬事萬物彼此有差異？原子論認為，這是因為組成它們的原子在形狀、大小和數量上不一樣。這個回答看似尋常，意義卻非同一般。
德謨克利特（約西元前460～西元前370）
德謨克利特進一步發展了留基伯的思想。他認為萬物的本原是原子和虛空。原子是不可再分的物質微粒，虛空是原子運動的場所。所謂事物的產生就是原子的結合。原子處在永恆的運動之中，即運動為原子本身所固有。宇宙的一切事物都是由在虛空中運動著的原子構成的。
古代原子論通常被看作是一種哲學上的推測。它對世界作了一種唯物論和機械論的解釋。其後雅典的伊壁鳩魯、古羅馬時期的盧克萊修又進一步發展了原子論，並賦予其無神論色彩，實際上否認了神界的存在。這在科學思想發展史上，同樣深具意義。
三、遐想：在空間和時間裡迴圈
發現空氣間的原子級聯繫：呼吸的本質，氧的人體之旅，地球的呼吸；道爾頓對原子概念的重新審視；玻爾茲曼、麥克斯韋對原子的認識。
近代對於原子更深入的研究，是跟近兩三百年來化學、物理學這兩門學科的建立和發展緊密相連的。所以我們這就進入了科學發展的歷史。科學史其實不是人們通常印象中乾巴巴的歷史，照我看，有好些個出了名的“科學怪人”，他們的個性和故事說來也很有意思。
獨來獨往的牛頓算得上是一位吧。上圖展示的是另一位，他的英國同鄉，著名的物理學家和化學家亨利·卡文迪什。他在科學上的重要貢獻之一是制出純氧，並確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他還首次採用科學方法“稱”出了地球的重量。
這位神人出身貴族，家裡很有錢，可他終生不娶，過著一種奇特的隱居生活。他的不修邊幅也是出了名的，瞧他的那副穿戴打扮，活脫脫幾個世紀前的範。
最有趣且不可思議的是，卡文迪什家裡雖雇有女傭，但他又規定女傭不得與他見面。每天早上，他把吩咐女傭辦的事都寫在一張紙條上，放在固定的地方。吃飯時，女傭擺好菜，退出餐廳後，他才過來吃飯。等他離開後，女傭才能進來收拾東西。
據說有一次女傭違反了他的規定，不慎跟他撞了個照面，立馬就被辭退了。我估計啊，他付給人家的工錢或家裡開銷的款項，准也是固定放在某一個地方，讓女傭自己去取的。
下面要給大家介紹的另一位“科學怪人”，還是英國人，同樣也是終生不娶，光棍一條。他跟原子研究的關聯度更大。就是這主——
他的名字叫約翰•道爾頓。1781年，15歲的道爾頓跟隨他的哥哥去往距離家鄉不遠的肯德爾鎮，在一所由其表兄開辦的寄宿學校做助教。幾年之後，哥倆成了這所學校的聯合負責人。工作之餘，道爾頓借助學校圖書館豐富的藏書發奮學習，涉獵了廣泛的知識領域。
在這裡，道爾頓遇到了一位同他性格和志趣都很相似的奇人約翰•豪夫。此人在兩歲時因患天花失明，但卻以驚人的毅力掌握了許多學科知識，甚至僅僅通過觸覺、味覺和嗅覺就可以分別出當地的各種植物，並能進行十分複雜的心算。
在豪夫的輔導和鼓勵下，道爾頓的學問大有長進，而且從1787年開始記氣象日記，對自然界進行系統的科學觀察。1793年，道爾頓出版了他的第一部學術專著《氣象觀測論文集》，對雲的形成、蒸發過程和大氣降水量的分佈等展開討論。
長期所做的氣象觀測，自然而然地引導道爾頓涉及氣體性質及其組成的研究。他認真考察了大氣、水蒸氣等多種氣體和蒸發、壓縮、膨脹等物理現象，還對混合氣體的狀態、氣體的擴散、氣體在水中的溶解等問題進行了探索。
道爾頓發現，當輕重不同的兩種氣體被混合時，它們很快就自動地彌散到一起了。1801年他提出，在氣體混合物中，每一種氣體的行為都獨立於其他氣體，彼此之間不受影響。而且，在同樣溫度下，氣體混合物的總壓強是每種氣體單獨存在時的壓強之和。
看起來，只是同一種氣體的組成粒子才互相排斥。為了說明氣體的各種物理性質，似得假定各種物質都是由同樣大小的基元構成的。道爾頓進而推測：液體、固體跟氣體物質一樣，可能都有某種最小組成單位。這種物質的單個粒子因為太小而不可見。
這個時候，道爾頓想到了西元前5世紀古希臘哲學家德謨克利特提出的原子思想——歷史和現實對接起來了。道爾頓認為德謨克利特僅僅是從哲學上考慮而不是以經驗事實為依據的，於是他便選擇用“原子”一詞來稱呼這種微粒，並認為可用以解釋物質的基本性質和各種規律。
道爾頓逐漸從上述研究的結果引出了一些基本定律。不過，他這個面瓜是個極其嚴謹、認真的人。在重新做了一些實驗，並花了很多時間進行材料組織和內容安排之後，他才從1808年開始，分卷推出他的代表作《化學哲學新體系》，全面而系統地闡述他的化學原子論，並探討了金屬氧化物、硫化物及合金的有關問題。
道爾頓原子理論的基本思想是：化學元素由不可分的微粒——原子構成，它在一切化學變化中是不可再分的最小單位；同一元素的原子性質和品質都相同，不同元素原子的性質和品質各不相同；有簡單數值比的元素的原子相結合時，就發生化合。
單個原子的品質極小，難以測量。道爾頓提出把最輕的元素氫定為基本單位1，這樣就可以通過實驗簡約算出氧、氮、硫、碳等的相對原子品質。道爾頓還通過使用一些不同的字母和符號，創造了一套化學命名法，説明人們更便捷地寫出化學反應式並解釋每個化學反應中的原理。
由道爾頓的原子論延展開來不難得出結論：原子可以定義為一種元素能夠參加化合反應的最小的顆粒。幾種原子的結合物即是化合物。化合物之間的差異取決於組成它們的原子在數量上、種類上和排列上的不同。換句話說，不同的元素由不同的原子構成，它們之間可以相互結合生成化合物，而化學反應則是這些原子的重新組合。
道爾頓既重視觀察實驗，又擅長理性思維。他的原子論深刻揭示了化學變化的奧秘和規律，使化學從雜亂且看不出內在聯繫、僅僅描述自然現象的階段，真正走上了定量的發展階段，從而為建立完整的化學學科提供了基本框架。
順便說一句，道爾頓也是第一個發現並認識到人類色盲現象的人，因為他本人就是一個色盲。
呵呵這個科學家看起來也有些怪。在道爾頓系統地提出他的原子理論數年後，義大利化學家阿伏伽德羅於1811年提出了一種分子假說:“同體積的氣體，在相同的溫度和壓力時，含有相同數目的分子。這就是阿伏伽德羅定律。阿伏伽德羅反對當時流行的氣體分子由單原子構成的觀點，認為氮氣、氧氣、氫氣都是由兩個原子組成的氣體分子。
我們一下子跳到了分子。當兩個或更多的原子通過這種方式銜接在一起時，分子便形成了。分子（molecule）這個術語源於拉丁語moles，指的是“一堆物質”，一個分子簡單來說就是一小堆物質。
又過了十來年，1827年，英國植物學家羅伯特·布朗發現水中的花粉及其他懸浮的微小顆粒不停地作不規則的曲線運動，這在後來被稱為“布朗運動”，人們美其名曰“絢麗的舞姿”。
可在布朗發現之時及往後的很長一段時間裡，人們都不知道其中的原理。布朗本人為了跟上當時的時尚，就把那些振動的微粒叫做“分子”，因為分子一詞從字面上翻譯就是“很小的東西”。其實，布朗真正看到的其實是不可見的水分子對那些懸浮顆粒的猛烈衝擊。後來甚至連愛因斯坦也加盟研究、解釋，布朗運動也就成為分子運動論和統計力學發展的基礎。
四、揭秘：“都像瘋子一般在跳舞”
“布朗運動”的昭示，愛因斯坦的見解；放射性奇觀，居里夫人的發現；盧瑟福“分裂”原子核；電子的發現；基本粒子世界；隱藏在事物背後的原子性質。從量子力學的角度來理解原子、原子核、所有的化學元素以及天上的星星。
19世紀中後期，一些著名的物理學家，如玻爾茲曼、麥克斯韋等相繼加入到微觀粒子的研究之中。玻爾茲曼堅信：宏觀物體存在一個微觀的、原子的結構基礎。但是，因為沒有人真正看見過原子，這種理論一直也讓人起疑。一種唯能論提出：為什麼世界上的物質千差萬別？根本原因是它們具有不同的能量。
1895年11月8日，德國物理學家倫琴在研究陰極射線時，無意中發現了一種能夠穿透玻璃、木頭乃至人體等許多不同類型物質的神奇放射物，他將其命名為X射線。幾個月後，法國物理學家貝克勒爾在進一步研究X射線時十分偶然地發現，鈾鹽（含鈾礦物）也會發出某種穿透性很強的未知射線。
“鈾射線”引起了一對著名的科學夫婦的注意。我們的居裡夫婦出場了。
這對夫婦在尋思：鈾化合物不斷地以輻射形式發出的能量來自哪裡？這種輻射的性質究竟是什麼？幾個星期後有了初步結果：這種射線的放射實際上是鈾元素的原子特性之一，而與鈾鹽的物理和化學性質無關。一種新的自然界的力量被發現了。居里夫人把這種放射現象稱為“放射性”，而像鈾這樣有特殊“輻射強度”的物質，就叫“放射元素”。
小小的原子，竟然是如此神奇。到1908年，由計算驗證的觀測實驗確證了原子的真實存在。之後的10年間，物理學家進行了更深層次的研究，開始進一步瞭解原子的內部結構。
這要提到一位紐西蘭出身的英國物理學家盧瑟福。
外表粗獷、性情豪放、留著一把海象似鬍鬚的盧瑟福，怎麼看都不像是一個做學問的人。1895年夏初的一天，當盧瑟福做鄉村教師的母親帶給他一個行將改變自己命運的喜訊時，他正在他父親經營的農場裡幹活。據說他聽罷馬上甩掉手中的鐵鍬，以他特有的大嗓門嚷道：“這是我挖的最後一個土豆了”。
盧瑟福到英國進入劍橋大學卡文迪什實驗室後，也對放射性進行研究。當居里夫人找到化學方法分離鈾的時候，他另闢蹊徑發明了物理技巧去標定與放射性有關的輻射。他既分析包含有多種成分的輻射，也分析放射性物質自身的變化。
1902年，盧瑟福與他的研究夥伴索迪提出了原子嬗變假說，認為放射性物質由一些不穩定的原子組成，每單位時間都有確定的一部分原子通過發射（α 、β、γ）射線而衰變成不同性質的另一種新原子。
而且，每種放射性物質都有特定的半衰期（樣品中半數原子發生衰變所需的時間）。這意味著，原子並非像原來人們所認為的那樣永遠不變、不可分割。放射性可以看做是原子內部發生某種基本變化的暗示，或是一種能夠使物質變化的手段。
令人驚奇的是，原子還可以被分離開來。原子並不是一個堅固的小球，而是應該被看成微小帶電的“行星”系統，主要由三部分組成：質子、中子和電子。質子和中子在一起形成一個“太陽”，即原子核，周圍有像行星的電子環繞運動。
再說，盧瑟福和索迪通過定量分析出放射性物質在衰變過程中放出的巨大能量，認為放射性變化的能量一定至少是化學變化能量的2萬倍，並且可能是百萬倍，大大高於任何分子變化的能量。
五、恐懼：原子內部的巨大力量
原子的覺醒：科幻作家威爾斯對原子力量的神奇預言；西拉德預知原子武器威脅；一個改變世界歷史進程的提議；“曼哈頓工程”；廣島悲劇；“核時代”的哀與愁。
1933年9月，執教于柏林大學的匈牙利裔猶太學者利奧·西拉德，在擺脫納粹德國的魔爪後來到了倫敦。
此時，英國科學促進會正在這裡舉行年會。12日的《泰晤士報》以專題形式介紹了最近四分之一世紀裡科學家在原子嬗變方面的發現。
西拉德讀了相關報導，在漫步于倫敦街頭時陷入了沉思。橫穿大街瞬間，一個想法突然湧現：我們能否找到一種元素，當中子穿越它時，它吸收一個中子，同時卻釋放出兩個中子。如果能積聚起足夠多的這種元素，就可以維持核反應。
西拉德又想到，一年前，當盧瑟福預言存在的中子被查德威克發現時，他就被原子核鏈式反應的可能性迷住了。也正是在這一年，他讀到了他所熟識的英國著名科幻作家威爾斯1914年出版的一部科幻小說《獲得自由的世界》。這部作品設想在1956年發生了一場世界大戰，世界主要城市全被一種利用雪崩式的鏈式反應來製造的原子彈所摧毀。
《獲得自由的世界》的創作靈感其實來自索迪提出的科學觀點。1904年，索迪在一次演講中談到：有可能所有的重物質都擁有跟鐳類似的、隱藏在原子結構內的能量。如果這些能量能夠被開發出來並加以控制，那麼就可以改變世界的命運。
而《獲得自由的世界》又觸發了西拉德對鏈式反應和能量產生的科學思考。在隨後進行的研究中，他正確地預測了這種反應的結果及其潛在的能量來源，仔細描述了後來稱為“臨界品質”的概念的基本特徵，並在1934年3月12日提交了鏈式核反應的專利申請。不過，他將專利交給了英國海軍部，並根據禁令保守秘密。
1938年底，德國放射化學家、物理學家奧托·哈恩首次用中子轟擊鈾，發現了核裂變現象。裂變反應釋出的能量遠大於放射性的能量，令人畏懼的核鏈式反應的可能性與大規模利用核能的途徑同時展現在人們面前。
第二年夏天，德國成為第一個為研究核裂變的軍事用途而設立研究所的國家。另外一些學者的研究結果也暗示，從理論上講製造原子彈是可能的。西拉德為此深感憂慮，擔心納粹德國會搶先造出這種可怕的武器。為此他積極奔走協調，規勸他的科學家同行不要公開發表與裂變和鏈式反應相關的研究成果，以免為納粹德國的研究者所借鑒。
而真正讓西拉德青史留名的，當是其後他的一個更大的舉動——勸導愛因斯坦在1939年夏天寫信給美國總統羅斯福，力陳鏈式核反應的巨大潛力，建議美國盡一切努力趕在納粹德國之前研製出原子彈。
這直接催生了影響甚巨的“曼哈頓工程”。
1945年5月，歐洲戰事結束。1945年8月，美國在日本的廣島和長崎投下兩顆原子彈，遠東的戰爭也停止了。戰後，西拉德跟愛因斯坦一樣，懷著一種懊悔與反思的心境，積極投身于反戰的和平運動之中，不斷地警告人們使用原子武器的危險性。
後來有人談到西拉德時，說了這樣一句意味深長的話：原子彈“留給他一個極有吸引力的目標，即試圖説明人們消除恐懼時代，而這個時代卻是在他幫助下創造出來的。”
六、界限：“塵歸塵兮土歸土”
在很小的尺度上操作和控制東西；回到原子：原子圖像，單個原子模樣；人死後發生了什麼；肉體、思想、感覺與地球原子之間的隱秘聯繫；從科學的角度解析“鬼魂形象”；到底什麼能夠永續不斷，是生命、物質、光，還是意識？
我們先來欣賞兩張圖片。
美國麻省理工學院（MIT）的物理學家將鉀蒸汽冷卻到幾個納開爾文（即比絕對零度只高幾個十億分之一度）的極低溫，將其中的鉀原子約束在由縱橫交錯的雷射光束構成的網格中。然後，利用高解析度顯微鏡，科學家拍下了數百張鉀原子的圖像。
原子力顯微鏡能向我們展示單個原子。
原子是如此之小，以至長久以來都無法直接觀測到它們。但是，人們對於微觀粒子的探索的腳步一直沒有停止。量子漸漸地也進入了我們的視界。
什麼叫量子？在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的單位就叫量子。量子理論又稱為量子力學或量子物理學，是一組在極小尺度上主要應用於原子或更小實體的物理定律，其核心是不確定原理和波粒二象性概念的結合。量子世界的每個實體都同時具有我們習慣視為截然不同的事物——波和粒子的特性。例如，通常被視為電磁波的光，在某些情況下的行為就像是粒子（稱為光子）流。
美國物理學家、1965年諾貝爾獎獲得者理查·費曼，1959年在一次講演中提出了一個十分著名的設想：如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料、製備裝置，那麼將有許多激動人心的新發現。那時，化學將變成根據人們的意願逐個地準確放置原子的問題。這是關於納米技術的最早的夢想，但當時多數主流科學家對納米科技的研究持懷疑態度。
20世紀80年代初，人們發明了費曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界。與此同時，納米尺度上的多學科交叉展現了巨大的生命力，迅速形成為一個具有廣泛學科內容和潛在應用前景的研究領域。
當然，還可以從另一個角度思考問題：再微小的物質，都會同它周圍的物質發生相互作用，並產生各種各樣的效應，比如干涉、衍射、遂穿等。通過X衍射圖的分析，科學家可以間接地確定原子的存在。這相當於間接地“看到”了原子。
DNA之B型X射線衍射照片
今天，我們已經很能理解萬物互聯這個概念。因此，最後交流的一個話題是：當我們死去時，我們身上的原子會如何？
西方國家葬禮上有一句悼詞：“塵歸塵兮土歸土。”它源於聖經中的一句話：“你本是塵土，仍要歸於塵土。”人死後，身體最後的原子歸宿並不意味著終結，它們又開啟了新的傳奇旅程。
根據世俗的說法，人在死亡的那一刻，正是靈魂離開肉體的時候，但這並沒有可信的證據支持。國外曾有人從原子性質的角度探討“鬼魂形象”，讀來頗有啟發——
即便你能不擇手段地成為一個會穿牆術的古典鬼魂，你也做不到你說期望的那樣。比如說，因為你的腳是非物質的，也就不會與地面之間產生摩擦力，所以你並不能行走，而且你可能也不會被別人看到，因為你缺乏可以反射光線的原子。
如果你的魂魄不是由原子物質構成，那麼還可以假設它是一種能量，因此不具備密度或慣性，也就不能操控物體或是讓空氣分子產生運動，用抑揚頓挫的音波進行演說，或是發出令人毛骨悚然的鬼哭。而且，一旦假想出來的鬼魂形象都會穿有衣服，但我們所穿的織造品也不可能變成幽靈。的確，科學不能證明鬼魂絕對不存在，但原子性質卻至少可以說明，鬼魂不會像大多數恐怖電影和小說中描述的那樣。
一滴水可以折射太陽的光輝。小小原子，則關涉萬事萬物，更讓我們得以窺探那神奇的大世界，追尋我們身邊不可思議的聯繫。
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《詩意的原子》，《該死的粒子：理趣閱讀司南》。
正如伽利略在17世紀初用望遠鏡擴大了人類對天空和宇宙世界的認識那樣，荷蘭的一個市政管理員列文虎克用他製造的顯微鏡對準日常物質，展示了一個人們做夢也想不到的維度，從而開闢了一個全新的研究領域，永遠地改變了人類對自然的認識。
顯微鏡幾乎與望遠鏡同時面世。它們的出現打開了宏觀和微觀兩個世界的大門，從而大大擴展了人們的視野。有意思的是，並非所有的人都願意接受這類新儀器。
例如，伽利略的許多同時代人就拒絕通過他的望遠鏡來進行觀察。他們崇尚理性勝於相信經驗，甚而擔心人類易犯錯誤的感官，到頭來只能受非天然器具的欺騙。
一位名叫施田海姆的瑞典詩人曾好心地說服一位牧師用放大鏡去看跳蚤，不料卻差點招來殺生之禍——那位牧師看到放大鏡下跳蚤的非自然形態時驚恐萬狀，認定施田海姆就是一個男巫，一個無神論者。如果沒有克莉絲蒂娜女皇干預，這位詩人想必就會被當作巫士給燒死了。
我們再往前追溯，回到2000多年前的古希臘，西方科學的源頭。大家看看這幅有點兒調侃的圖畫。它要表明的是，2000多年前的古希臘先哲已開始探求世界是如何從混沌走向有序的答案。這個人懷抱的，就是他們這些人研究的幾個物件。
這些人當中，生活在西元前5至6世紀的泰勒斯被公認為是第一個進行哲學思考或具有哲學思維的人。
對事物原因的探尋是泰勒斯開始的。他關心的不是事物，而是事物的本質；他想要探究事物的本質究竟是什麼；山嶽、動物和植物、風和星辰、人類與其所作所為及其思想等世上形形色色的事物究竟是怎麼回事？所有這一切的本質到底是什麼？
進一步說，它們從何而來？萬事萬物源於何處？那個包羅萬象使得這一切能夠產生、存在和發展的東西到底是什麼？上述種種，直至今天也依然是人類所關心並想要解答的基本問題。由於泰勒斯是第一個提出這些問題的人，因此他當之無愧地成了哲學的開山鼻祖。
泰勒斯所棲身的米利都，是小亞細亞海岸邊的希臘殖民地，一個繁榮的商貿都市。在西元前600年之前，人類對其生存環境當中的各種迷團的反應和認識，往往帶有神秘、超自然和宗教的色彩。
可貴的是，泰勒斯所創立的古希臘最早的哲學學派——米利都學派（也稱愛奧尼亞學派），在解釋自然現象時，卻能“讓神一邊去”，根本不提超自然的力量。
泰勒斯認識到，自然現象不是因為受到任意的、胡亂的影響而產生，而是有規則的，並且受著一定的因果關係的支配。他覺得，必定有某種或多種自然物質是其他物體的來源，而該物質本身則保持不變。其哲學觀點，用一句話來概括就是“水生萬物，萬物複歸於水”。他認為世界本原是水。亞里斯多德推測他之所以提出這個見解，可能是從生物角度來看天地萬物，並且觀察到所有的生物都含水，播種與營養過程也都與潮濕有關。
從更寬泛的意義上說，泰勒斯及其追隨者的探索實際上已經展示出了科學的這一特徵：科學探討普遍的、本質的事物，而不是特定的、偶然的事物。因此，從這個意義上說，我們今天所瞭解的哲學和科學都是從他們開始的。
差不多與泰勒斯同時，西元前 5 世紀的古希臘時期，出現了一位傑出的唯物主義哲學家留基伯。他和他的主要繼承者德謨克利特，提出了科學思想史上非常重要的原子論思想。
原子論主張認為世間萬物都是由最小的、不可分割的物質即原子組成，世界的共同基礎是原子。所謂原子，希臘文原意就是不可分割的東西。為什麼萬事萬物彼此有差異？原子論認為，這是因為組成它們的原子在形狀、大小和數量上不一樣。這個回答看似尋常，意義卻非同一般。
德謨克利特（約西元前460～西元前370）
德謨克利特進一步發展了留基伯的思想。他認為萬物的本原是原子和虛空。原子是不可再分的物質微粒，虛空是原子運動的場所。所謂事物的產生就是原子的結合。原子處在永恆的運動之中，即運動為原子本身所固有。宇宙的一切事物都是由在虛空中運動著的原子構成的。
古代原子論通常被看作是一種哲學上的推測。它對世界作了一種唯物論和機械論的解釋。其後雅典的伊壁鳩魯、古羅馬時期的盧克萊修又進一步發展了原子論，並賦予其無神論色彩，實際上否認了神界的存在。這在科學思想發展史上，同樣深具意義。
三、遐想：在空間和時間裡迴圈
發現空氣間的原子級聯繫：呼吸的本質，氧的人體之旅，地球的呼吸；道爾頓對原子概念的重新審視；玻爾茲曼、麥克斯韋對原子的認識。
近代對於原子更深入的研究，是跟近兩三百年來化學、物理學這兩門學科的建立和發展緊密相連的。所以我們這就進入了科學發展的歷史。科學史其實不是人們通常印象中乾巴巴的歷史，照我看，有好些個出了名的“科學怪人”，他們的個性和故事說來也很有意思。
獨來獨往的牛頓算得上是一位吧。上圖展示的是另一位，他的英國同鄉，著名的物理學家和化學家亨利·卡文迪什。他在科學上的重要貢獻之一是制出純氧，並確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他還首次採用科學方法“稱”出了地球的重量。
這位神人出身貴族，家裡很有錢，可他終生不娶，過著一種奇特的隱居生活。他的不修邊幅也是出了名的，瞧他的那副穿戴打扮，活脫脫幾個世紀前的範。
最有趣且不可思議的是，卡文迪什家裡雖雇有女傭，但他又規定女傭不得與他見面。每天早上，他把吩咐女傭辦的事都寫在一張紙條上，放在固定的地方。吃飯時，女傭擺好菜，退出餐廳後，他才過來吃飯。等他離開後，女傭才能進來收拾東西。
據說有一次女傭違反了他的規定，不慎跟他撞了個照面，立馬就被辭退了。我估計啊，他付給人家的工錢或家裡開銷的款項，准也是固定放在某一個地方，讓女傭自己去取的。
下面要給大家介紹的另一位“科學怪人”，還是英國人，同樣也是終生不娶，光棍一條。他跟原子研究的關聯度更大。就是這主——
他的名字叫約翰•道爾頓。1781年，15歲的道爾頓跟隨他的哥哥去往距離家鄉不遠的肯德爾鎮，在一所由其表兄開辦的寄宿學校做助教。幾年之後，哥倆成了這所學校的聯合負責人。工作之餘，道爾頓借助學校圖書館豐富的藏書發奮學習，涉獵了廣泛的知識領域。
在這裡，道爾頓遇到了一位同他性格和志趣都很相似的奇人約翰•豪夫。此人在兩歲時因患天花失明，但卻以驚人的毅力掌握了許多學科知識，甚至僅僅通過觸覺、味覺和嗅覺就可以分別出當地的各種植物，並能進行十分複雜的心算。
在豪夫的輔導和鼓勵下，道爾頓的學問大有長進，而且從1787年開始記氣象日記，對自然界進行系統的科學觀察。1793年，道爾頓出版了他的第一部學術專著《氣象觀測論文集》，對雲的形成、蒸發過程和大氣降水量的分佈等展開討論。
長期所做的氣象觀測，自然而然地引導道爾頓涉及氣體性質及其組成的研究。他認真考察了大氣、水蒸氣等多種氣體和蒸發、壓縮、膨脹等物理現象，還對混合氣體的狀態、氣體的擴散、氣體在水中的溶解等問題進行了探索。
道爾頓發現，當輕重不同的兩種氣體被混合時，它們很快就自動地彌散到一起了。1801年他提出，在氣體混合物中，每一種氣體的行為都獨立於其他氣體，彼此之間不受影響。而且，在同樣溫度下，氣體混合物的總壓強是每種氣體單獨存在時的壓強之和。
看起來，只是同一種氣體的組成粒子才互相排斥。為了說明氣體的各種物理性質，似得假定各種物質都是由同樣大小的基元構成的。道爾頓進而推測：液體、固體跟氣體物質一樣，可能都有某種最小組成單位。這種物質的單個粒子因為太小而不可見。
這個時候，道爾頓想到了西元前5世紀古希臘哲學家德謨克利特提出的原子思想——歷史和現實對接起來了。道爾頓認為德謨克利特僅僅是從哲學上考慮而不是以經驗事實為依據的，於是他便選擇用“原子”一詞來稱呼這種微粒，並認為可用以解釋物質的基本性質和各種規律。
道爾頓逐漸從上述研究的結果引出了一些基本定律。不過，他這個面瓜是個極其嚴謹、認真的人。在重新做了一些實驗，並花了很多時間進行材料組織和內容安排之後，他才從1808年開始，分卷推出他的代表作《化學哲學新體系》，全面而系統地闡述他的化學原子論，並探討了金屬氧化物、硫化物及合金的有關問題。
道爾頓原子理論的基本思想是：化學元素由不可分的微粒——原子構成，它在一切化學變化中是不可再分的最小單位；同一元素的原子性質和品質都相同，不同元素原子的性質和品質各不相同；有簡單數值比的元素的原子相結合時，就發生化合。
單個原子的品質極小，難以測量。道爾頓提出把最輕的元素氫定為基本單位1，這樣就可以通過實驗簡約算出氧、氮、硫、碳等的相對原子品質。道爾頓還通過使用一些不同的字母和符號，創造了一套化學命名法，説明人們更便捷地寫出化學反應式並解釋每個化學反應中的原理。
由道爾頓的原子論延展開來不難得出結論：原子可以定義為一種元素能夠參加化合反應的最小的顆粒。幾種原子的結合物即是化合物。化合物之間的差異取決於組成它們的原子在數量上、種類上和排列上的不同。換句話說，不同的元素由不同的原子構成，它們之間可以相互結合生成化合物，而化學反應則是這些原子的重新組合。
道爾頓既重視觀察實驗，又擅長理性思維。他的原子論深刻揭示了化學變化的奧秘和規律，使化學從雜亂且看不出內在聯繫、僅僅描述自然現象的階段，真正走上了定量的發展階段，從而為建立完整的化學學科提供了基本框架。
順便說一句，道爾頓也是第一個發現並認識到人類色盲現象的人，因為他本人就是一個色盲。
呵呵這個科學家看起來也有些怪。在道爾頓系統地提出他的原子理論數年後，義大利化學家阿伏伽德羅於1811年提出了一種分子假說:“同體積的氣體，在相同的溫度和壓力時，含有相同數目的分子。這就是阿伏伽德羅定律。阿伏伽德羅反對當時流行的氣體分子由單原子構成的觀點，認為氮氣、氧氣、氫氣都是由兩個原子組成的氣體分子。
我們一下子跳到了分子。當兩個或更多的原子通過這種方式銜接在一起時，分子便形成了。分子（molecule）這個術語源於拉丁語moles，指的是“一堆物質”，一個分子簡單來說就是一小堆物質。
又過了十來年，1827年，英國植物學家羅伯特·布朗發現水中的花粉及其他懸浮的微小顆粒不停地作不規則的曲線運動，這在後來被稱為“布朗運動”，人們美其名曰“絢麗的舞姿”。
可在布朗發現之時及往後的很長一段時間裡，人們都不知道其中的原理。布朗本人為了跟上當時的時尚，就把那些振動的微粒叫做“分子”，因為分子一詞從字面上翻譯就是“很小的東西”。其實，布朗真正看到的其實是不可見的水分子對那些懸浮顆粒的猛烈衝擊。後來甚至連愛因斯坦也加盟研究、解釋，布朗運動也就成為分子運動論和統計力學發展的基礎。
四、揭秘：“都像瘋子一般在跳舞”
“布朗運動”的昭示，愛因斯坦的見解；放射性奇觀，居里夫人的發現；盧瑟福“分裂”原子核；電子的發現；基本粒子世界；隱藏在事物背後的原子性質。從量子力學的角度來理解原子、原子核、所有的化學元素以及天上的星星。
19世紀中後期，一些著名的物理學家，如玻爾茲曼、麥克斯韋等相繼加入到微觀粒子的研究之中。玻爾茲曼堅信：宏觀物體存在一個微觀的、原子的結構基礎。但是，因為沒有人真正看見過原子，這種理論一直也讓人起疑。一種唯能論提出：為什麼世界上的物質千差萬別？根本原因是它們具有不同的能量。
1895年11月8日，德國物理學家倫琴在研究陰極射線時，無意中發現了一種能夠穿透玻璃、木頭乃至人體等許多不同類型物質的神奇放射物，他將其命名為X射線。幾個月後，法國物理學家貝克勒爾在進一步研究X射線時十分偶然地發現，鈾鹽（含鈾礦物）也會發出某種穿透性很強的未知射線。
“鈾射線”引起了一對著名的科學夫婦的注意。我們的居裡夫婦出場了。
這對夫婦在尋思：鈾化合物不斷地以輻射形式發出的能量來自哪裡？這種輻射的性質究竟是什麼？幾個星期後有了初步結果：這種射線的放射實際上是鈾元素的原子特性之一，而與鈾鹽的物理和化學性質無關。一種新的自然界的力量被發現了。居里夫人把這種放射現象稱為“放射性”，而像鈾這樣有特殊“輻射強度”的物質，就叫“放射元素”。
小小的原子，竟然是如此神奇。到1908年，由計算驗證的觀測實驗確證了原子的真實存在。之後的10年間，物理學家進行了更深層次的研究，開始進一步瞭解原子的內部結構。
這要提到一位紐西蘭出身的英國物理學家盧瑟福。
外表粗獷、性情豪放、留著一把海象似鬍鬚的盧瑟福，怎麼看都不像是一個做學問的人。1895年夏初的一天，當盧瑟福做鄉村教師的母親帶給他一個行將改變自己命運的喜訊時，他正在他父親經營的農場裡幹活。據說他聽罷馬上甩掉手中的鐵鍬，以他特有的大嗓門嚷道：“這是我挖的最後一個土豆了”。
盧瑟福到英國進入劍橋大學卡文迪什實驗室後，也對放射性進行研究。當居里夫人找到化學方法分離鈾的時候，他另闢蹊徑發明了物理技巧去標定與放射性有關的輻射。他既分析包含有多種成分的輻射，也分析放射性物質自身的變化。
1902年，盧瑟福與他的研究夥伴索迪提出了原子嬗變假說，認為放射性物質由一些不穩定的原子組成，每單位時間都有確定的一部分原子通過發射（α 、β、γ）射線而衰變成不同性質的另一種新原子。
而且，每種放射性物質都有特定的半衰期（樣品中半數原子發生衰變所需的時間）。這意味著，原子並非像原來人們所認為的那樣永遠不變、不可分割。放射性可以看做是原子內部發生某種基本變化的暗示，或是一種能夠使物質變化的手段。
令人驚奇的是，原子還可以被分離開來。原子並不是一個堅固的小球，而是應該被看成微小帶電的“行星”系統，主要由三部分組成：質子、中子和電子。質子和中子在一起形成一個“太陽”，即原子核，周圍有像行星的電子環繞運動。
再說，盧瑟福和索迪通過定量分析出放射性物質在衰變過程中放出的巨大能量，認為放射性變化的能量一定至少是化學變化能量的2萬倍，並且可能是百萬倍，大大高於任何分子變化的能量。
五、恐懼：原子內部的巨大力量
原子的覺醒：科幻作家威爾斯對原子力量的神奇預言；西拉德預知原子武器威脅；一個改變世界歷史進程的提議；“曼哈頓工程”；廣島悲劇；“核時代”的哀與愁。
1933年9月，執教于柏林大學的匈牙利裔猶太學者利奧·西拉德，在擺脫納粹德國的魔爪後來到了倫敦。
此時，英國科學促進會正在這裡舉行年會。12日的《泰晤士報》以專題形式介紹了最近四分之一世紀裡科學家在原子嬗變方面的發現。
西拉德讀了相關報導，在漫步于倫敦街頭時陷入了沉思。橫穿大街瞬間，一個想法突然湧現：我們能否找到一種元素，當中子穿越它時，它吸收一個中子，同時卻釋放出兩個中子。如果能積聚起足夠多的這種元素，就可以維持核反應。
西拉德又想到，一年前，當盧瑟福預言存在的中子被查德威克發現時，他就被原子核鏈式反應的可能性迷住了。也正是在這一年，他讀到了他所熟識的英國著名科幻作家威爾斯1914年出版的一部科幻小說《獲得自由的世界》。這部作品設想在1956年發生了一場世界大戰，世界主要城市全被一種利用雪崩式的鏈式反應來製造的原子彈所摧毀。
《獲得自由的世界》的創作靈感其實來自索迪提出的科學觀點。1904年，索迪在一次演講中談到：有可能所有的重物質都擁有跟鐳類似的、隱藏在原子結構內的能量。如果這些能量能夠被開發出來並加以控制，那麼就可以改變世界的命運。
而《獲得自由的世界》又觸發了西拉德對鏈式反應和能量產生的科學思考。在隨後進行的研究中，他正確地預測了這種反應的結果及其潛在的能量來源，仔細描述了後來稱為“臨界品質”的概念的基本特徵，並在1934年3月12日提交了鏈式核反應的專利申請。不過，他將專利交給了英國海軍部，並根據禁令保守秘密。
1938年底，德國放射化學家、物理學家奧托·哈恩首次用中子轟擊鈾，發現了核裂變現象。裂變反應釋出的能量遠大於放射性的能量，令人畏懼的核鏈式反應的可能性與大規模利用核能的途徑同時展現在人們面前。
第二年夏天，德國成為第一個為研究核裂變的軍事用途而設立研究所的國家。另外一些學者的研究結果也暗示，從理論上講製造原子彈是可能的。西拉德為此深感憂慮，擔心納粹德國會搶先造出這種可怕的武器。為此他積極奔走協調，規勸他的科學家同行不要公開發表與裂變和鏈式反應相關的研究成果，以免為納粹德國的研究者所借鑒。
而真正讓西拉德青史留名的，當是其後他的一個更大的舉動——勸導愛因斯坦在1939年夏天寫信給美國總統羅斯福，力陳鏈式核反應的巨大潛力，建議美國盡一切努力趕在納粹德國之前研製出原子彈。
這直接催生了影響甚巨的“曼哈頓工程”。
1945年5月，歐洲戰事結束。1945年8月，美國在日本的廣島和長崎投下兩顆原子彈，遠東的戰爭也停止了。戰後，西拉德跟愛因斯坦一樣，懷著一種懊悔與反思的心境，積極投身于反戰的和平運動之中，不斷地警告人們使用原子武器的危險性。
後來有人談到西拉德時，說了這樣一句意味深長的話：原子彈“留給他一個極有吸引力的目標，即試圖説明人們消除恐懼時代，而這個時代卻是在他幫助下創造出來的。”
六、界限：“塵歸塵兮土歸土”
在很小的尺度上操作和控制東西；回到原子：原子圖像，單個原子模樣；人死後發生了什麼；肉體、思想、感覺與地球原子之間的隱秘聯繫；從科學的角度解析“鬼魂形象”；到底什麼能夠永續不斷，是生命、物質、光，還是意識？
我們先來欣賞兩張圖片。
美國麻省理工學院（MIT）的物理學家將鉀蒸汽冷卻到幾個納開爾文（即比絕對零度只高幾個十億分之一度）的極低溫，將其中的鉀原子約束在由縱橫交錯的雷射光束構成的網格中。然後，利用高解析度顯微鏡，科學家拍下了數百張鉀原子的圖像。
原子力顯微鏡能向我們展示單個原子。
原子是如此之小，以至長久以來都無法直接觀測到它們。但是，人們對於微觀粒子的探索的腳步一直沒有停止。量子漸漸地也進入了我們的視界。
什麼叫量子？在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的單位就叫量子。量子理論又稱為量子力學或量子物理學，是一組在極小尺度上主要應用於原子或更小實體的物理定律，其核心是不確定原理和波粒二象性概念的結合。量子世界的每個實體都同時具有我們習慣視為截然不同的事物——波和粒子的特性。例如，通常被視為電磁波的光，在某些情況下的行為就像是粒子（稱為光子）流。
美國物理學家、1965年諾貝爾獎獲得者理查·費曼，1959年在一次講演中提出了一個十分著名的設想：如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料、製備裝置，那麼將有許多激動人心的新發現。那時，化學將變成根據人們的意願逐個地準確放置原子的問題。這是關於納米技術的最早的夢想，但當時多數主流科學家對納米科技的研究持懷疑態度。
20世紀80年代初，人們發明了費曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界。與此同時，納米尺度上的多學科交叉展現了巨大的生命力，迅速形成為一個具有廣泛學科內容和潛在應用前景的研究領域。
當然，還可以從另一個角度思考問題：再微小的物質，都會同它周圍的物質發生相互作用，並產生各種各樣的效應，比如干涉、衍射、遂穿等。通過X衍射圖的分析，科學家可以間接地確定原子的存在。這相當於間接地“看到”了原子。
DNA之B型X射線衍射照片
今天，我們已經很能理解萬物互聯這個概念。因此，最後交流的一個話題是：當我們死去時，我們身上的原子會如何？
西方國家葬禮上有一句悼詞：“塵歸塵兮土歸土。”它源於聖經中的一句話：“你本是塵土，仍要歸於塵土。”人死後，身體最後的原子歸宿並不意味著終結，它們又開啟了新的傳奇旅程。
根據世俗的說法，人在死亡的那一刻，正是靈魂離開肉體的時候，但這並沒有可信的證據支持。國外曾有人從原子性質的角度探討“鬼魂形象”，讀來頗有啟發——
即便你能不擇手段地成為一個會穿牆術的古典鬼魂，你也做不到你說期望的那樣。比如說，因為你的腳是非物質的，也就不會與地面之間產生摩擦力，所以你並不能行走，而且你可能也不會被別人看到，因為你缺乏可以反射光線的原子。
如果你的魂魄不是由原子物質構成，那麼還可以假設它是一種能量，因此不具備密度或慣性，也就不能操控物體或是讓空氣分子產生運動，用抑揚頓挫的音波進行演說，或是發出令人毛骨悚然的鬼哭。而且，一旦假想出來的鬼魂形象都會穿有衣服，但我們所穿的織造品也不可能變成幽靈。的確，科學不能證明鬼魂絕對不存在，但原子性質卻至少可以說明，鬼魂不會像大多數恐怖電影和小說中描述的那樣。
一滴水可以折射太陽的光輝。小小原子，則關涉萬事萬物，更讓我們得以窺探那神奇的大世界，追尋我們身邊不可思議的聯繫。
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