宇宙与原子

传统来说，我们的世界上有苦有甜、有冷有热，然后还有颜色。事实上，我们的世界只有原子和虚无。
——德谟克利特（公元前460-前357）
万物皆由原子构成。
——理查德·费曼（1918-1988）

在现代的自然观念里，构成物质的*小部分的自然规律与整个宇宙的进化发展息息相关。与早期的原子观不同，我们现在所称的原子并不是*小的粒子，原子也是由更小的东西构成。同样，原子也能被分解为更小的单位。

11.1早期的原子观
古希腊的哲学家们对物理世界的诸多事物进行过猜测。他们经常会对自然的运行规律进行假想，但在亚里士多德之前，鲜有哲学家试图去证明他们的假想。因此，普通物体是由不可再分割的小东西（原子）构成这一观点和物质能够被无限分割的观点同时存在着。
有个早期的古希腊人设想了原子的存在，这个人就是阿那克萨戈拉（公元前500—前428）。德谟克利特（公元前460—前357）发展了阿那克萨戈拉的思想，并指出物质是由存在于其他虚空中的形色各异的不可见原子构成。我们可以看出，德谟克利特并没有试图证明原子存在与否。很显然，原子对他的吸引仅停留在哲学层面上。
其他的希腊哲学家则对物质可无限分割这一观点很感兴趣，亚里士多德就在此列。尽管亚里士多德强调观察，但他没有把自己的理论严格建立在观察的基础上，而且，有时他尽管确实对自然做出了观察，但他并没有从观察中得出正确的结论。亚里士多德是位伟大的哲学家，但他的科学观点仍有许多改进的余地。
在科学研究当中，亚里士多德不是很幸运，因为许多理论在当时无法通过观察来验证。亚里士多德肯定发现自己可以将物质切分得越来越小。他万万没有想到，在他观察不到的微小尺度上，物质无法在不改变属性的前提下继续分割下去。

11.2原子存在的证据
实际上，人们在200多年前就有了间接证据证明物质是由原子构成的。其中一条证据是，特定的物质可从某种看上去类似的物质中分解出来，就像这种相似的物质中包含着这种特定物质的微小颗粒一样。
另一条证据来自气体的运动现象。封闭容器中的气体会对容器的内壁施加一个压力（在第5章中，我们将压力定义为单位面积上受力的大小）。气体温度上升或容器内气体增加时，这一压力也随之加大，这就好像气体是由在容器中随机运动的粒子构成一样。在任意时间内，会有一部分粒子撞到容器内壁，从而施加一个作用力，产生压力。若气体的量增加，在单位时间内撞击内壁的粒子就会增加，压力也随之加大。若气体温度升高，气体的粒子活动就会加快，压力也会加大。粒子运动速度越快，它们所拥有的动能就越大。气体的各个粒子所拥有的动能并不是完全相等，但我们可以用这些粒子的平均动能。温度与平均动能成正比。
我们之前讨论过两种不同的温度计量方法，即华氏温标和摄氏温标。在华氏温标中，水在32度结冰，在212度沸腾。在摄氏温标中，水的冰点是0度，而沸点是100度。摄氏温标为除了美国之外的世界上各个国家通用。在科学实验中还经常用到另一种计量方式，即“绝对温度”或开尔文温标，名称取自开尔文男爵。开尔文男爵原名威廉·汤姆逊，是一个出生于爱尔兰的英国物理学家。有一个科学定律，即在压力一定时，封闭气体的体积与温度成正比，而这个温度指的就是开尔文温标下的温度。同样，我们在之前的段落中讲到温度与平均动能成正比，这个温度也是开尔文温标下的温度，缩写为K。温度的*低点为0 K，不过根据自然定律，温度只能是非常接近0 K，而不能完全达到0 K。（在开尔文温标中通常省略“°”的符号。）在开尔文温标中，水的冰点为273度，沸点为373度。注意，在开尔文温标和摄氏温标中，水的冰点与沸点之间都有100度的温度差。因此，在这两种计量手段中，1度的温度差是相等的，两种温标的差别仅在于一个恒定值为273度的尺度顺移（0 K就相当于-273℃）。