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2017-07-01從古希臘說起原子的故事
571 期
Author 作者
余海峯 ／ 天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員，研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。
物理學家費曼（Richard Feynman, 1918~1988）曾經問過一個問題：「如果人類文明即將毀滅，所有科學知識都將消失，只有一句話能夠傳承給存活下來的人，什麼話能以最少字數包含最多資訊呢？」是慣性定律？萬有引力定律？抑或是質能等價？費曼認為，包含最豐富科學知識的一句說話，是原子假說。
我們知道原子是細小的粒子，它們永遠都在運動、振動著。當它們隔了一定距離就會互相吸引、靠得太近又會互相排斥。這是因為科學家發現原子是由帶正電荷的原子核與帶負電荷的電子構成的。可是，我們又知道這個看似簡單平常的事實，其實經歷了2000多年來無數科學家的努力才得以證實嗎？
古希臘探索世界構成
讓我們一起回到公元前500 多年的古希臘。泰利斯（Thales, 624 BC~546 BC）是歷史記載第一個不以神祇去解釋自然現象的人。曾問：「這個世界是什麼構成的？」他相信地球是浮在水上的一塊平坦大地，地震的成因就是因為波浪搖動大地。他認為世上所有物質都是由同一種物質構成的，而這個基本物質就是水，並嘗試以自然現象的因果關係解釋各種現象，而且提出了元素論。
在泰利斯提出元素論的百年之後，德模克里特（Democritus, 460 BC~370 BC）提出史上首個原子論。德模克里特認為原子真實存在，他問：「可以把物質不斷重覆切割嗎？抑或會碰到一個最小的單位，不能再切割下去？」德模克里特認為必然是後者，因為前者正確就代表我們能夠把物質切割成無限小，而他認為無限小等於零，因此不可能構成任何物質。這就產生了一個矛盾：以一件物質開始，我們卻推論出該物質不存在。
原子（atom）一字就是來自德模克里特提出的原子論，他把物質的最小單位稱為atomos，意即「不可分割的」。有一種說法，德模克里特對原子存在的思想來自他在數學上的洞察：如果原子不存在，那麼錐體也不會存在，所以所有物件都只會是柱體！德模克里特想像把一個錐體水平切割，直至每片薄片的厚度接近零。如果原子不存在，那麼每片薄片的厚度就會是零，而所有上下相鄰兩片薄片的大小都會一樣。把這些大小一樣的薄片重新組合一起，就應該得到一個柱體。
當然，德模克里特的數學推論是錯的，因為他未有無限小 （infinitesimal）的概念。錐體不會等於柱體的原因，是因為無限薄的薄片邊緣也有斜率。不過，他嘗試以反證法去論證原子的存在，是史無前例的。再者，他是真心相信原子存在的，他認為既然所有物質都由原子構成，那麼他不用進食，只需要嗅嗅食物就會飽了，因為食物的香味也是由與食物同樣的原子構成。雖然此舉令他賠上性命，不過我們也應該向這種身體力行實踐理論的精神致敬吧！
我們還需要再討論另一位古希臘哲學家盧克萊修（Lucretius Carus, 99 BC~55 BC），他跟德模克里特一樣提出了原子論，而且他的立論是基於觀察自然而非純粹思考。盧克萊修看見物質會分解和混合：石頭會分裂成沙石，沙石與水混合後會變成泥。可是，為什麼泥卻不會繼續分解？另一方面，他又看見物質會以自然的方法「重生」，好像樹林結出的種子又會再變成新的樹木。盧克萊修認為如果原子不存在，那麼所有物質都只會不斷分解，不會重生。所以，有些物質不會分解、有些物質能夠互相變換和重生，就是原子存在的證據。他是歷史上首位以觀察證據論證原子存在的人。
黑暗時代後的原子論
古希臘哲學時代終結之後，歐洲經歷了一段長達千年、被盲目宗教控制的黑暗時代。這段時期，科學文明不進反退，原子論也就漸漸被世人所遺忘。直到17世紀，在一位煉金術士提出的氣體動力學定律裡，才又再找到原子論的一道曙光。
波以耳（Robert Boyle, 1627~1691）本來是一位煉金術士，後來成為了化學家，他發現著名的氣體動力學定律「波以耳定律」：在固定溫度之下，氣體壓力與氣體體積成反比。這個發現間接表示氣體是由細小微粒組成，因為氣體微粒之間必需有空隙，氣體才能被壓縮。微粒碰撞容器產生壓力，如果把容器體積縮小，氣體微粒碰撞容器的頻率就會增加，壓力就變大了。然而，這個理論始終未能直接證明原子的存在。一直到19世紀，科學家都只把氣體微粒理論當做一個方便解釋實驗結果的比喻。……【更多內容請閱讀科學月刊第571期】