思想散步分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fqng1008 前三十年写日记,后三十年写博客

博文

世界的本原:从哲学思辨到科学实证(1)

已有 5743 次阅读 2022-4-19 21:41 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记

当人演化出自我意识的那一刻起,人的天性中可能就存在一种先天的使命,即人和大自然中的物体到底是怎么产生的?它们最初的物质到底是什么?显然,轴心时代的哲学家都一劳永逸地找到了这个最原初的东西,只不过他们的结论五花八门,谁也不能说服谁,谁也不能否定谁。

一、“思辨”五彩缤纷

1. 泰勒斯(希腊语Θαλής,Thalês,约BC624-BC546)被认为是西方第一位哲学家。他仔细阅读了尼罗河每年涨退的记录,还亲自查看水退后的现象。他发现每次洪水退后,不但留下肥沃的淤泥,还在淤泥里留下无数微小的胚芽和幼虫。他把这一现象与埃及人原有的关于神造宇宙的神话结合起来,便得出万物由水生成的结论。

2. 阿那克西曼德(希腊文ναξίμανδρος,约BC610-BC545),传说是“泰勒斯”的学生。他认为物质的“本原”是不定的或无限制的实在,而且“它包围着一切世界”——因为他认为我们的世界只是许多世界中的一个。他叫这样的东西做“阿派朗无限定,英文:apeiron或Boundless,希腊文:ἄπειρον,即无固定限界、形式和性质的物质)。“阿派朗在运动中分裂出冷和热、干和湿等对立面,从而产生万物。世界从它产生,又复归于它。

3. 阿那克西美尼(希腊语Ἀναξιμένης ὁ Μιλήσιος,BC586-BC524),也是“泰勒斯”的学生。他认为万物的本原应该是“气”,通过气的浓缩和稀释能够形成各种东西:当气体变稀薄的时候,它便变成了火。当它被压缩的时候,它变成了风;再压缩就变成了水,然后是土地,最后变成了石头,世上所有的一切皆由气体形成。阿那克西美尼留下的残篇内容:(1)使物体凝聚和浓缩的是冷,使物体稀薄和松弛的是热。(2)我们的灵魂是气,这气使我们结成整体,整个世界也是一样的,由气息和气包围着。

4. 毕达哥拉斯(Pythagoras,约BC580-约BC500),他认为“数”是万物的本原。毕达哥拉斯是对“数”研究的第一人,“数”的研究完全是抽象的学问,数这个东西看不到摸不着的,只能用心灵感觉去把握。毕达哥拉斯作为数学的宗师,搞出了很多高冷的数学知识,如勾股定理、黄金分割等。

5. 赫拉克利特(Herakleitus,约BC544-BC483)认为:“这个有秩序的宇宙(科斯摩斯)对万物都是相同的,它既不是神也不是人所创造的,它过去、现在和将来永远是一团永恒的活火,按一定尺度燃烧,一定尺度熄灭。”他主张火是诸元素中最精致,并且是最接近于没有形体的东西,火与万物可以相互转化;更重要的是,火既是运动的,又是能使别的事物运动。但并未说明转化是如何进行的。

6. 留基伯(希腊文Λεύκιππος,英文Leucippus或 Leukippos,约BC500-BC440)与德谟克利特(希腊文Δημόκριτος,约BC460-BC370)是原子论的奠基人。

留基伯主张:宇宙中存在永恒、不变、不生、不灭、有限、不可分的微粒,这些微粒被称为原子,其体积小得难以觉察。德谟克利特是留基伯的学生,他继承并发展了留基伯的原子学说,指出宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。原子是一种最后的不可分割的物质微粒,它的基本属性是“充实性”,每个原子都是毫无空隙的。虚空的性质是空旷,原子得以在其间活动,它给原子提供了运动的条件。原子在数量上是无限的,在形式上是多样的。在原子的下落运动中,较快和较大的撞击着较小的,产生侧向运动和旋转运动,从而形成万物并发生着变化。一切物体的不同,都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。

二、“实证”逼近真相

1. 原子概念的重拾

由于与基督教中认为上帝是肉体和灵魂的创造者的理念相抵,古希腊哲学中的原子论而被遗弃。15世纪初,古希腊原子论著作被意大利学者带回并传抄,在15世纪下半叶出版,17世纪被译成法语、英语广为流传。作为一个自然哲学概念,“原子”在皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi,1592-1655)、弗朗西斯·培根(Francis Bacon,1561-1626)、伽利略·伽利莱(Galileo Galilei,1564-1642)等人的努力下得以重拾。

然而,此时的学者已经不仅仅把原子论看成是一种解释世界本原的猜测,而是要确切地弄清楚“原子”是否以及如何组成世界万事万物的。事实上,正是这样的一种理念,在实证基础上建立起来的原子理论成为物理学和化学的基本理论。

受到当时力学思维盛行的影响,勒内·笛卡尔(René Descartes,1596 -1650)否认原子的不可分割性,他认为最初的宇宙由大小相同的粒子组成,这些粒子沿封闭曲线形成旋涡,其性质可由质量、速度和运动的量等进行定量的描述。

罗伯特·波义耳(RobertBoyle,1627-1691)认识到组合而成的原子是以化学意义上的基本粒子的方式起作用。他在1661年出版了化学史上非常著名的《怀疑派的化学家》一书,用气体是像小弹簧似的粒子的聚集体的概念来解释气体的各种物理现象。

艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1642-1727)对于质量给出定义,提出了物质组成粒子说、光的微粒说以及质点和质点系等理论模型。

18世纪,罗杰•博什科维奇(Ruđer Josip Bošković,1711-1787)基于牛顿的粒子说和力的概念以及莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)的单子论提出了原子间的相互作用力与它们间距离的波动关系,并提出了相互作用力的数学模型。他试图以没有大小、只有力学作用的原子模型来说明所有已知的物理现象,这为后来的气体分子运动论打下了基础。

2. 道尔顿的原子学说

18世纪末,有关化学反应的两条规律,为原子理论成为科学理论提供了实验依据。一是化学反应前后反应体系的总质量不变,也就是说反应物与生成物的质量相等,即质量守恒定律。二是无论一种反应物的量有多少,反应前后组成它的各种元素的质量的比例总是保持不变,即定比定律

1803年,英国化学家、物理学家道尔顿(John Dalton,1766-1844)在此基础上提出原子学说(见《化学哲学新体系》),其要点:

(1)化学元素由不可分的微粒——原子构成,他认为原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。

(2)同种元素的原子性质和质量都相同,不同元素原子的性质和质量各不相同,原子质量是元素基本特征之一。

(3)不同元素化合时,原子以简单整数比结合。推导并用实验证明倍比定律。如果一种元素的质量固定时,那么另一元素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。

这是科学发展上最重要的里程碑之一。道尔顿使物质由原子组成这一理念成为客观现实的、可以检验和修正的假说。但正因为如此,他依据元素在化合物中质量比,以氢元素的质量为基准,来估计它们的原子量,最初存在一些与事实不相符的情况:如将元素的单质视为由元素的原子构成;两种元素间形成的最简单的化合物分子是由每种元素的一个原子构成(他认为水的分子式是HO,而非H2O)。那时候,他用于实验的仪器很粗陋,以至于得到的测量结果与现在的公认值偏差较大。例如,1803年,他认为氧原子的质量是氢原子的5.5倍,因为他对于水做测量发现每得到1g的氢会得到5.5g的氧,并坚信水的分子式是HO。1806年,他又将氧的原子量修正为7。而如果依据现在公认的分子式,氧原子和氢原子的质量比则为16:1。

1811年,阿莫迪欧·阿伏伽德罗从原理上对于道尔顿的理论进行了修正。阿伏伽德罗提出分子是决定物质性质的最小微元,分子是由原子构成的。阿伏伽德罗所做出的修正划清了分子和原子概念间的区别,并与道尔顿的原子理论形成了解释物质微观构成的原子-分子学说。

尽管如此,道尔顿仍然给元素指定符号并将符号结合起来成为化合物,制作了14种元素的原子量表。虽然他指定的符号后来为琼斯·雅可比·贝采里乌斯(Jons Jakob Berzelius,1779-1848)所修正(以氧作标准测定了40多种元素的原子量),但比炼丹家的形象文字前进了一大步

按照道尔顿的假说,元素是由原子组成的,同一种元素的所有原子都相同。并且说化合物是由一定数目的某一元素的原子与一定数目的另一元素的原子化合而成(或一般说来是由两种或两种以上元素的原子各按一定数目化合而成)。这就是倍比定律,并得到实验证明,是人们承认原子学说的重要依据。

古代原子论和道尔顿的原子学说之间存在很大区别。古代原子论都认为各种各样的物质(例如水和铁)的原子,本质都是相同的而形状不同罢了。他们认为水的原子圆而光滑,相互之间可以滚来滚去,而铁的原子都是粗糙不平,所以能牢固地一起成一种坚硬的固体。而道尔顿却认为这些原子在本质上也是不同的,并与元素概念联系起来,有多少种元素就有多少种原子,同种元素的原子大小重量都相同,特别强调了重量,也就是每种元素的原子量都相同。道尔顿的原子论虽然也是一种假说,但这种假说有了可操作、可检验的科学特征

3. 分子运动论对于原子理论的验证

19世纪,分子运动论为支持原子真实存在提供了理论支持。1821年,约翰·赫帕斯(1790-1868)提出了气体的内能与气体分子的动能有关系。随后,奥古斯特·克罗尼格(August Krönig)、鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius,1822-1888)、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)、路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Eduard Boltzmann,1844-1906)等人发展了分子运动论。这一理论从假设气体是由不断碰撞彼此或器壁的原子构成的出发,解释了气体的宏观性质,如压强比热粘性

1827年,英国植物学家罗伯特·布朗(Robert Brown,1773-1858)观察到飘浮在水中花粉迸出之微粒(并非花粉本身)会不停地做表面上无规则的运动,即布朗运动。1905年5月,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)发表了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,从分子运动论的角度,将布朗运动归因于水分子对于花粉迸出之微粒不停的撞击,并构造了一个数学假想模型去描述它。这个数学模型于1908年得到了法国物理学家让·佩兰(Jean Baptiste Perrin,1870 -1942)的实验验证,成为原子论之争的调停者。这也是让·佩兰获得1926年诺贝尔物理学奖原因之一。

但是,由于分子和原子本身难以观测,许多物理学家对于原子本身存在与否表示质疑,如恩斯特·马赫(Ernst Mach,1838-1916)和威廉·奥斯特瓦尔德(F.Wilhelm Ostwald,1853-1932)等。

4. 亚原子粒子的发现

约瑟夫·汤姆孙(Joseph John Thomson,1856-1940)1897年通过对于阴极射线的研究发现电子前,原子一直被认为是物质的最基本组分。

克鲁克斯管是内部装有两个由真空隔开的电极的密封玻璃容器,当在电极间加上电压时,会产生阴极射线。这种射线会在打在玻璃管另一端时形成一个光点。汤姆孙通过实验发现这种射线除了在磁场中会发生偏折(这一点当时已知),在电场中同样会发生偏折。通过这一点,他得出这种射线不是一种光,而是一种带有负电的、非常轻的的粒子构成的粒子流。他将这种粒子称为“微粒”,后来被科学家通常称为“电子

因为发现了电子,汤姆森荣获1906年诺贝尔物理学奖。因此,他提出原子是可分的,而微粒是其组分。为了解释原子整体的电中性,他提出了葡萄干布丁模型,即“微粒”像布丁中的葡萄干一样嵌在原子中(尽管在汤姆孙的模型中它们并非静止的),而正电荷在原子中均匀分布。

5. 原子核的发现

1909年,汤姆孙的学生,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871-1937)对于葡萄干布丁模型提出了反对意见。他发现一个原子的正电荷和绝大部分的质量都集中于其整体体积中一个极小的部分,猜想集中的位置是原子的正中心。

在金箔实验中,汉斯·盖革(Geiger,Hans Wilhelm,1882-1945)和欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden)在卢瑟福指导下利用α粒子轰击一片金箔,并用荧光屏观测它们运动轨迹的偏折情况。如果电子质量非常小,α粒子动量非常大,而正电荷在原子中像葡萄干布丁模型中假定的那样均匀分布,那么在实验中,所有的α粒子在通过金箔时运动轨迹都不会产生明显的偏折。而令他们惊讶的是,少数α粒子的运动轨迹发生了大角度偏折。因而,可以证实原子的绝大部分质量都集中在其中一个微元中(即“原子核”)。但还不能对这一个微元的电性做出定论,其可以是电中性的,也可以不是。通过库仑定律可以得到,当α粒子经过电中性的质点附近时,运动轨迹并不会发生偏折;但如果这个质点带正电的话,就会发生偏折。而卢瑟福分析,实验的结果证明后者是正确的。

卢瑟福基于试验的结果提出了原子的行星模型。在这一模型中,电子像“行星”那样环绕在一个体积极小的、集中原子所有正电的原子核周围,因为只有正电荷集中分布才足以产生导致α粒子运动轨迹发生大角度偏折的电场。

6. 质子与中子

1913年,放射化学弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy,1877-1956)在对放射性衰变产物进行实验研究时,发现在元素周期表的同一个格内可能包含有不止一个元素。随后玛格丽特·托德创造了“同位素”这一术语来称呼具有这样关系的元素。

同年,汤姆孙进行了一个实验,他令氖离子流传过电磁场,最终打在一个感光板上。在感光版上有两个光斑,而这意味着存在两种不同的偏转轨迹。汤姆孙将其归结为氖离子流中包含有不同质量的氖离子,这一现象直到1932年中子被发现后得到了解释。

1917年,卢瑟福α粒子轰击气,并观察到气体中放射出核(实际上,他分裂了氮核)。而从他自己及其学生尼尔斯·玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885-1962)和亨利·莫塞莱(Henry Gwyn Jeffreys Moseley,1887-1915)的研究工作中,他得知任何一种原子内部的总正电荷总是氢核所带电荷的整数倍。同时,当时测定的许多元素的原子量依据威廉·普劳特(William Prout,1785-1850)假定都近似等于氢的原子量整数倍。由此可以看出氢原子是最轻的原子。由此,他总结道,氢核是一种单一粒子并且是所有原子核的一种基本组分。他将这种粒子命名为质子。而通过进一步的实验,卢瑟福发现绝大多数的原子的质量要比其中包含的质子的总质量大得多,他推测多出的质量来源于当时尚未发现的一种电中性的粒子,并将其暂称为“中子”。

1928年,瓦尔特·博特(Walther Wilhelm Georg Bothe,1891-1957)在用α粒子轰击时,发现产生了一种具有高穿透性,且电中性的射线。随后发现这种射线照射石蜡时,可以放射出质子。起初,它被认为是高能γ射线,但詹姆斯·查德威克发现,如果它是一种电磁辐射,那么在至少满足能量和动量守恒条件下,它的电离作用过于强劲。1932年,詹姆斯·查德威克 (James Chadwick, 1891-1974)用这种射线照射几种元素的单质,如氢气、氮气,通过测量反冲的带电粒子所带能量,他推断这种射线实际上是由一种电中性的粒子构成;这种粒子并不像γ射线那样静质量为零,而是具有与质子相似的质量。由此,他提出这种粒子就是卢瑟福所预测存在的“中子”。而由于发现了中子,1935年,他获得了诺贝尔物理学奖

6. 量子化的原子理论模型

量子”这一概念最早由马克斯·普朗克(Max Planck,1858-1947)引入,用以解释黑体辐射。1905年,爱因斯坦将这一概念引入到光学,成功解释了光电效应。1913年,玻尔引用这一概念建立了原子的玻尔模型。在玻尔模型中,电子只能在一系列特定的的轨道上运动,其能量以及角动量也具有一系列特定的、离散的数值,而其轨道半径与它具有的能量成比例。但玻尔模型存在一定的理论缺陷,阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)于1916年将玻尔模型中电子的圆轨道推广为椭圆轨道,来解释氢光谱新出现的谱线,但这令模型变得复杂、难以应用。

1924年,路易·德布罗意(Louis Victor,Duc de Broglie,1892-1987)提出所有运动的粒子在一定程度上具有的特征。受到这一想法的启发,埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger,1887-1961)开始探究电子的运动行为,在1926年所发表的薛定谔方程里,他将电子以波函数的方式去描述,而不再将其表述为点粒子。这种表述方法解释了许多玻尔模型所不能解释的现象,但是它的物理图像是难以想象的,因而在当时遭遇到一些反对意见。马克斯·玻恩(Max Born,1882-1970)调和了两种对立的描述电子方式,提出电子既具有波的属性,比如它可以发生衍射;又具有粒子的属性,比如它有质量。

而将电子以波函数描述的一个后果就是,从数学上无法同时给出一个电子的位置和动量,即维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg,1901-1976)于1927年发表的不确定性原理。原子的现代模型根据电子在某一位置出现的概率来描述一个原子内电子可能出现的位置。一个电子可以在距核任意距离的位置被发现,但取决于其所处能级,它会在一个特定的区域出现得特别频繁,这一位置称为它所处的轨域。不同轨域可能具有不同形状,例如球形、哑铃形或环形等等,但都以原子核为中心。

三、解析“气一元论”

1. “气一元论”的形成(未完待续)



https://wap.sciencenet.cn/blog-279293-1334685.html

上一篇:[转载]国家发改委:全国建设30个国家中医疫病防治基地,支持30个左右国家中医药传承创新中心建设
下一篇:[转载]原子,从哲学到科学
收藏 IP: 120.231.245.*| 热度|

1 祁贤

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-28 18:58

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部