這是我們發佈的物理學專欄的第二篇， 也是《費曼物理學講義》第一冊第1章的後半段內容。
我們的世界充斥著物質， 而物質又時時處於變化之中。
經過上一期， 我們對“從原子的角度來描述不同的物態（氣-液-固三態）”已經了然。 那麼， 能否用原子假說來描述過程呢？
答案是肯定的。
今天我們就從原子的觀點出發來考察一些過程。
1
原子過程
I. 與水的表面相聯繫的過程
水的表面上會發生什麼情況？
放大十億倍， 我們發現， 水面的上方有一些東西：水分子（水蒸氣）；還有一些別的——空氣， 主要為氮分子和氧分子。
這幅畫面中正發生什麼事呢？
水裡的分子不停地振動著。 時不時地水面上的一個分子受到比平常厲害一些的撞擊， 飛了出去。 或許， 另外一個分子也被撞擊飛了出去。 於是， 一個分子接著一個分子， 水消失（蒸發）了。 ——由於飛出去的分子比留下的分子的平均動能大， 蒸發還會使液體變冷！
但是如果給容器蓋上蓋子， 過一會兒我們就會發現， 空氣分子中有大量水分子。 時不時地， 有一個水分子飛到水裡， 再次結合在一起。 ——而當一個水分子從空氣中靠近水面時，
於是這杯呆板、無趣的蓋上蓋子的水， 變得生動、有趣起來：
在它的表面上方， 不停有一些分子飛出去， 一些分子飛回來。 每一刻離開的分子和飛回來的分子的數目正好一樣， 長期看來，
（可以想見， 如果沒有淨蒸發， 連水溫都不會變， ——排除熱傳遞的話。 所以， 如果想讓湯涼， 還得不停地吹。 ）
但如果我們打開蓋子， 吹走水面上方的濕空氣， 離開的分子的數目（只依賴于水分子的振動）就會比飛回來的（依賴于水面上方的水分子數）多， 水就蒸發啦。 （液-氣轉變）
當然， 實際情況更複雜。 不只是水分子進入空氣， 時不時也有氧分子和氮分子進入水中（溶解）。 這又是另一個動態平衡的例子， 在此不表。 驟然在水面上抽真空， 可是會激發出大量氣泡！
II. 固體在水中的溶解
如果將一塊食鹽扔入水中會怎樣？
食鹽是固體， 是晶體。 嚴格來說， 晶體不是由原子構成， 而是由所謂離子構成的。 普通食鹽中， 氯離子（帶一個額外電子的氯原子）和鈉離子（少一個電子的鈉原子）因電吸引力而結合，
但是， 當把它丟到水裡之後， 我們發現：在帶負電的氧和帶正電的氫的吸引下， 有些離子鬆開了（溶解了）。
由於電吸引力， 水分子中氫原子一端靠近氯離子， 氧原子一端則靠近鈉離子
從圖中我們能看出食鹽正在溶解到水中還是從水中結晶出來嗎？絕對不能！因為這又是一個動態過程：正當某些原子離開晶體時，別的原子又重新回到晶體上。和蒸發類似；溶解還是結晶，取決於水中的食鹽是多於還是少於維持平衡所需的量。水中少鹽則溶解；水中多鹽則結晶。
（而溫度的升高則會同時增加離開和返回晶體的原子的比率（即溶解和結晶速率），過程向哪個方向進行就很難預測了。——實驗表明，大部分物質還是在高溫下溶解得更多。）
生活中還有很多其它關於物態變化的例子，例如：冰的融化，水的沸騰，糖的溶解等。它們都是原子過程，可由原子假說說明。但是，我們會發現，在所有這些過程中，原子和離子都沒有變換過夥伴。
當然存在這樣的情形，原子改變其組合關係，形成新的分子。——這就是化學反應了。
2
化學反應
一個過程中，如果發生了原子夥伴關係的重新安排，我們就稱之為化學反應。與之相應的其他過程（無新分子生成）叫物理過程。但是，這二者並無截然的界限。大自然母親顯然不在乎我們怎樣稱呼它們，她只是不停產生這些過程給我們看。
碳在氧氣中的燃燒，就是一個化學過程。
碳在氧氣中燃燒時，可見不同的原子組合：兩個氧原子形成一個分子，一碳一氧形成一個一氧化碳分子，一碳二氧形成一個二氧化碳分子。
為什麼原子要這樣組合，而不是那樣組合？為什麼氧氣是兩個氧原子結合，而不是三個或四個？這就是原子的特性：它們喜歡某些特定的夥伴，某些特定的方向等等。物理學的任務就是要分析每個原子為什麼有這樣那樣的偏好。
以燃燒為例。在碳的燃燒過程中，一個碳原子原本在一塊固體（可以是石墨或金剛石）裡。現在，有一個氧分子跑過來了，其中的一個氧原子就勾搭上這個碳原子，另一個氧原子勾搭上另一個，各自形成一個新組合——碳-氧（CO分子）——雙雙飛走了！
為什麼？因為碳-氧之間的吸引力遠大於它們同各自同類之間的吸引力！二者相遇之後即瘋狂嚙合，引起巨大的騷亂，讓近旁的每件東西都從中得到能量（熱量），這就是燃燒現象！
而熱量通常以熱氣體的分子運動的形式存在，但在有些情形下，熱量大到足以發光。火焰就這樣產生了！
而且，一氧化碳並不怎麼感到滿足。它還有興致再抓一個氧原子，變成二氧化碳。——但是如果氧氣稀少，或者時間倉促來不及反應（例如在汽車發動機中的快速燃爆），那它也只能一氧一碳雙宿雙棲，再等待其他時機了。
化學家研究了原子的這種重新排列。他們發現：每種物質都對應著原子的某種排列。
以紫羅蘭的香味分子為例。
圖中這個由碳、氫、氧原子組成的“怪物”就是空氣中的紫羅蘭分子了，學名α-鳶尾酮，在三維空間中是一個“皺起來”的帶著小尾巴的環。和二氧化碳的直對稱結構（O=C=O）一樣，它也是某種確定的排列，只是更複雜（可以說是極其複雜）。
化學家是怎樣發現這些排列的呢？他們通過觀察不同種物質混合時發生的情況，來確定其組成！（幾種溶液混合之後，如果變紅了，就是包含這種組合，如果變藍，就完全不是這麼回事。）
這是曾經做過的最神的偵測工作之一 —— 有機化學。
——費曼先生如是說
物理學家從來都不相信化學家們在描述原子的排列時真正瞭解他們談論的內容。但是，後來，機緣巧合之下，能夠用一種物理方法來真正測量原子的位置了，他們發現：化學家幾乎總是對的！
……還能說什麼呢？
實際上，化學家們面臨的一個很重要的問題是：怎樣為一種物質命名，使人們一見名字就知道它是什麼東西。——不僅得告訴我們分子的形狀，還得告訴我們原子的位置。
這就得體諒化學家們的難處了。畢竟，光紫羅蘭的香味中就有三種略有不同的分子，它們的差別僅在於氫原子的排列不同！（所以，並非化學家有意把事情搞得晦澀難懂，而是他們在試圖用詞語來描述分子時遇到很大的困難！）
而對於物理學家來說，也有一個問題：你怎麼知道存在著原子呢？你看到了？
並沒有。事實上原子小得連用電子顯微鏡都看不見，更別說光學顯微鏡了。
這就用到前面說過的一種策略：先假設原子存在，然後再一個接著一個結果印證用它所作的預測，如果萬物真是由原子構成，那它們就該如此！
例如：用顯微鏡觀察水中的小粒子（膠體微粒，粒徑~1-100nm），就會看到一幅粒子不停亂動的畫面，它是許多隨機運動的原子撞擊的結果，叫做布朗運動。——這是原子存在的一個很直接的證據了。
又例如：在X射線晶體結構分析中，一塊晶體的各個“晶面”之間的夾角，同假設一塊晶體是由許多“層”原子構成而推斷出的夾角，符合到角秒量級。——這是關於原子存在的進一步的證據。
萬物都由原子構成，這是最基本的假設。就如生物學家所言：動物做的每一件事都是原子做的。換句話說：生物所做的事，沒有一件不能從認為生物是由遵循物理定律而相互作用的原子構成的觀點來理解。這並不是一開始就清楚的，而是經過一系列實驗和推理之後才提出的；但是現在它已被人們接受，並且是在生物學領域內提出各種新觀念的最有用的理論。
如果由一個原子挨著一個原子所組成的一塊鋼或一塊食鹽能夠具有那樣有趣的一些性質；如果水——從涓埃細滴到地球上的江河海洋——能形成波浪和泡沫，在它沖向水泥堤岸時咆哮著，掀起狂瀾；如果所有這些，如果潺潺流水的全部生動，都只不過是一堆原子，那麼，它們另外還能夠產生多少有趣的現象呢？如果不是把原子排列成某種確定的形式，再三重複，繼續不停，甚至形成一些像紫羅蘭的香味一樣的複雜的小東西，而是做出處處都不同的排列，用不同種類的原子，按照多種方式，不斷變化，絕不重複，那麼，這樣構成的東西的行為又將會多麼神奇？在你面前走來走去並且和你談話的那個“東西”，就是這樣一大堆排列得非常複雜的原子，這可能嗎？它的極度複雜性會改變你對它的能力的想法嗎？當我們說我們是一堆原子時，我們的意思並不是我們只是一堆原子，因為一堆並非簡單地一個一個重複的原子完全可以具有極為豐富而生動的可能性，只要你站在一面鏡子前，就可以在鏡子裡看得到這一點。
我們都是一堆原子，但又不只是一堆原子。
The whole is greater than the sum of its parts.
多麼令人驚歎！
以上，就是我們《費曼物理》第一冊第1章的全部內容。下一期，我們將繼續介紹《費曼物理》第一冊第2章：基礎物理學。
最後，問大家一個厲害的問題：
水的飽和蒸汽壓和沸點是什麼關係？
（請用本章原子假說的觀點闡述因由）
答案提示：100℃時，水的飽和蒸汽壓就是一個標準大氣壓。
編輯：Alex Yuan
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氧原子一端則靠近鈉離子從圖中我們能看出食鹽正在溶解到水中還是從水中結晶出來嗎？絕對不能！因為這又是一個動態過程：正當某些原子離開晶體時，別的原子又重新回到晶體上。和蒸發類似；溶解還是結晶，取決於水中的食鹽是多於還是少於維持平衡所需的量。水中少鹽則溶解；水中多鹽則結晶。
（而溫度的升高則會同時增加離開和返回晶體的原子的比率（即溶解和結晶速率），過程向哪個方向進行就很難預測了。——實驗表明，大部分物質還是在高溫下溶解得更多。）
生活中還有很多其它關於物態變化的例子，例如：冰的融化，水的沸騰，糖的溶解等。它們都是原子過程，可由原子假說說明。但是，我們會發現，在所有這些過程中，原子和離子都沒有變換過夥伴。
當然存在這樣的情形，原子改變其組合關係，形成新的分子。——這就是化學反應了。
2
化學反應
一個過程中，如果發生了原子夥伴關係的重新安排，我們就稱之為化學反應。與之相應的其他過程（無新分子生成）叫物理過程。但是，這二者並無截然的界限。大自然母親顯然不在乎我們怎樣稱呼它們，她只是不停產生這些過程給我們看。
碳在氧氣中的燃燒，就是一個化學過程。
碳在氧氣中燃燒時，可見不同的原子組合：兩個氧原子形成一個分子，一碳一氧形成一個一氧化碳分子，一碳二氧形成一個二氧化碳分子。
為什麼原子要這樣組合，而不是那樣組合？為什麼氧氣是兩個氧原子結合，而不是三個或四個？這就是原子的特性：它們喜歡某些特定的夥伴，某些特定的方向等等。物理學的任務就是要分析每個原子為什麼有這樣那樣的偏好。
以燃燒為例。在碳的燃燒過程中，一個碳原子原本在一塊固體（可以是石墨或金剛石）裡。現在，有一個氧分子跑過來了，其中的一個氧原子就勾搭上這個碳原子，另一個氧原子勾搭上另一個，各自形成一個新組合——碳-氧（CO分子）——雙雙飛走了！
為什麼？因為碳-氧之間的吸引力遠大於它們同各自同類之間的吸引力！二者相遇之後即瘋狂嚙合，引起巨大的騷亂，讓近旁的每件東西都從中得到能量（熱量），這就是燃燒現象！
而熱量通常以熱氣體的分子運動的形式存在，但在有些情形下，熱量大到足以發光。火焰就這樣產生了！
而且，一氧化碳並不怎麼感到滿足。它還有興致再抓一個氧原子，變成二氧化碳。——但是如果氧氣稀少，或者時間倉促來不及反應（例如在汽車發動機中的快速燃爆），那它也只能一氧一碳雙宿雙棲，再等待其他時機了。
化學家研究了原子的這種重新排列。他們發現：每種物質都對應著原子的某種排列。
以紫羅蘭的香味分子為例。
圖中這個由碳、氫、氧原子組成的“怪物”就是空氣中的紫羅蘭分子了，學名α-鳶尾酮，在三維空間中是一個“皺起來”的帶著小尾巴的環。和二氧化碳的直對稱結構（O=C=O）一樣，它也是某種確定的排列，只是更複雜（可以說是極其複雜）。
化學家是怎樣發現這些排列的呢？他們通過觀察不同種物質混合時發生的情況，來確定其組成！（幾種溶液混合之後，如果變紅了，就是包含這種組合，如果變藍，就完全不是這麼回事。）
這是曾經做過的最神的偵測工作之一 —— 有機化學。
——費曼先生如是說
物理學家從來都不相信化學家們在描述原子的排列時真正瞭解他們談論的內容。但是，後來，機緣巧合之下，能夠用一種物理方法來真正測量原子的位置了，他們發現：化學家幾乎總是對的！
……還能說什麼呢？
實際上，化學家們面臨的一個很重要的問題是：怎樣為一種物質命名，使人們一見名字就知道它是什麼東西。——不僅得告訴我們分子的形狀，還得告訴我們原子的位置。
這就得體諒化學家們的難處了。畢竟，光紫羅蘭的香味中就有三種略有不同的分子，它們的差別僅在於氫原子的排列不同！（所以，並非化學家有意把事情搞得晦澀難懂，而是他們在試圖用詞語來描述分子時遇到很大的困難！）
而對於物理學家來說，也有一個問題：你怎麼知道存在著原子呢？你看到了？
並沒有。事實上原子小得連用電子顯微鏡都看不見，更別說光學顯微鏡了。
這就用到前面說過的一種策略：先假設原子存在，然後再一個接著一個結果印證用它所作的預測，如果萬物真是由原子構成，那它們就該如此！
例如：用顯微鏡觀察水中的小粒子（膠體微粒，粒徑~1-100nm），就會看到一幅粒子不停亂動的畫面，它是許多隨機運動的原子撞擊的結果，叫做布朗運動。——這是原子存在的一個很直接的證據了。
又例如：在X射線晶體結構分析中，一塊晶體的各個“晶面”之間的夾角，同假設一塊晶體是由許多“層”原子構成而推斷出的夾角，符合到角秒量級。——這是關於原子存在的進一步的證據。
萬物都由原子構成，這是最基本的假設。就如生物學家所言：動物做的每一件事都是原子做的。換句話說：生物所做的事，沒有一件不能從認為生物是由遵循物理定律而相互作用的原子構成的觀點來理解。這並不是一開始就清楚的，而是經過一系列實驗和推理之後才提出的；但是現在它已被人們接受，並且是在生物學領域內提出各種新觀念的最有用的理論。
如果由一個原子挨著一個原子所組成的一塊鋼或一塊食鹽能夠具有那樣有趣的一些性質；如果水——從涓埃細滴到地球上的江河海洋——能形成波浪和泡沫，在它沖向水泥堤岸時咆哮著，掀起狂瀾；如果所有這些，如果潺潺流水的全部生動，都只不過是一堆原子，那麼，它們另外還能夠產生多少有趣的現象呢？如果不是把原子排列成某種確定的形式，再三重複，繼續不停，甚至形成一些像紫羅蘭的香味一樣的複雜的小東西，而是做出處處都不同的排列，用不同種類的原子，按照多種方式，不斷變化，絕不重複，那麼，這樣構成的東西的行為又將會多麼神奇？在你面前走來走去並且和你談話的那個“東西”，就是這樣一大堆排列得非常複雜的原子，這可能嗎？它的極度複雜性會改變你對它的能力的想法嗎？當我們說我們是一堆原子時，我們的意思並不是我們只是一堆原子，因為一堆並非簡單地一個一個重複的原子完全可以具有極為豐富而生動的可能性，只要你站在一面鏡子前，就可以在鏡子裡看得到這一點。
我們都是一堆原子，但又不只是一堆原子。
The whole is greater than the sum of its parts.
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