《宇宙与原子》一书首先将注意力集中于极微观和极宏观的世界——原子、亚原子、粒子以及整个宇宙,目的是尽量解答以下两个问题:“我们是由什么构成的?”和“我们所在的宇宙是怎样的?”。为了更好地了解微观世界和宏观世界,书中首先在人类自身的尺度上对自然进行审视。在这一过程中,我们会学到一些有用的物理规律,同时,我们还采取历史方法,讨论一些现在看来很古怪,甚至很愚蠢的观点,探讨早期科学观点中的谬误对我们而言有着诸多裨益。
唐.利希滕贝格,印第安纳州,印第安纳大学布卢明顿物理学名誉教授。纽约大学本科理学士,伊利诺斯大学乌尔班纳分校学术博士。他的专业范畴是基本粒子的理论,包括夸克、电子,和胶子。他多年来致力于研究重子相互作用的夸克,如质子和中子,介子,π介子和k中介子。尽管他停止了原创物理学研究,但他的作品仍被物理学家所引用。
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,构成物质的最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最小的粒子,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。温度的最低点为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℃)。
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