物理科学

历史争议：原子是真实的吗？

观点：是的，原子是真实存在的，科学已经发展到原子不仅可以被看到，而且可以被单独操纵的地步。

观点：不，许多 20 世纪前的科学家缺乏任何原子存在的直接证据，得出的结论是原子不是真实的。

1965 年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼 (Richard Feynman) 在他的物理学讲座开始时问道，如果所有其他知识都在某些不可避免的灾难中被摧毁，那么人类应该努力为子孙后代保留哪些科学知识。他的回答是，最重要的科学事实是所有物质都是由原子组成的，现在看来是完全合理的。那么，为什么在不到 100 年前，原子的存在本身会受到激烈的争论？

尽管原子的概念已经存在了很长时间——超过 2,500 年——但重要的是要注意它在不同的时代和不同的思想家意味着不同的东西。它对古希腊物质理论家来说是一回事，对伊壁鸠鲁哲学家来说是另一回事，对早期现代科学思想家来说是另一回事，对 19 世纪化学家来说又是另一回事，而对当代原子物理学家来说又意味着一些不同的东西。

原子假说，即所有物质都由微小的坚不可摧的粒子组成，通常归因于公元前 5 世纪的希腊哲学家德谟克利特（公元前 460-370 年），尽管这个想法对他来说并不是全新的。一个世纪后，另一位希腊人伊壁鸠鲁（公元前 341-270 年）将这一思想纳入他的哲学体系，反对上帝或众神在决定世界事件进程中的积极作用，并否认死后有生命的可能性. 柏拉图（公元前 428-348 年）接受了原子的存在，并试图用原子的形状来解释四种经典元素——空气、土、火和水——的特性。他的学生亚里士多德（公元前 384-322 年）驳斥了这个想法，转而支持形而上学，在这种形而上学中，物体的形式被强加于潜在的连续实体上。

尽管亚里士多德的思想起初被教会当局怀疑，但最终被认为与基督教信仰一致。十二世纪意大利的圣托马斯·阿奎那（1225-1274）采用实体和形式的形而上学来解释天主教会的圣礼，神学家引入“变质”一词来描述实体的转变，而不是形式或外观，在弥撒中使用的面包和酒。主张物质是不变原子的集合体变得异端，因此危险，至少在基督教欧洲。

对原子假说的科学和哲学兴趣在文艺复兴时期复兴。意大利数学家伽利略·伽利莱（1564-1642）、英国物理学家艾萨克·牛顿（1642-1727）、英爱物理学家罗伯特·博伊尔（1627-1691）都主张原子的存在。如果没有化学元素的现代概念，现代原子概念的真正进步就不可能发生。在1661 年出版的《怀疑化学家》中，波义耳认为存在比古代公认的四种元素多得多的元素，并且元素列表只能通过实验来确定。两个世纪后，法国化学家Antoine-Laurent Lavoisier在他的化学基础论文中(1743-1794) 发表了被认为是第一个现代元素列表——“现代”，因为它包括氧而不是有问题的燃素，但仍然包括光和热量（热）作为元素。

随着 19 世纪的开始，英语学校的教师兼导师约翰·道尔顿( John Dalton，1766-1844 年) 开始考虑化学分析中原子存在的定量后果。根据道尔顿的定比定律，形成任何特定化合物的元素的重量比是固定的，并代表所涉及原子的重量比。第二定律，多重比例定律处理两种元素形成不止一种化合物的情况。在这种情况下，一个元素的权重与另一个元素的固定权重相结合，将始终是小整数的比率。例如，在化合物 NO 中与 1 克氮结合的氧的重量将是在化合物 NO 中与 1 克氮结合的重量的一半2 .

道尔顿对化合物形成的理解是对大多数现代化学文本开始的物理变化和化学变化之间差异的讨论的基础。化学变化更加剧烈并且涉及更多能量。它们通常还产生具有与原始物质性质不同的性质的化合物。将一块柔软、有光泽的钠金属暴露在刺激性绿色氯气的气氛中，即可获得为食物增添风味的食盐。相比之下，将糖溶解在水中会产生一种味道像糖一样甜而像水一样透明的溶液。化学变化产生遵守道尔顿定律的新化合物，而物理变化则不然。

但教科书过于简单化了现实。与一克氯结合的钠的重量会略有不同，具体取决于制备的确切条件。对于大多数离子固体，与理想或化学计量重量比的偏差范围很小，但可以由细心的分析化学家测量。我们现在明白，偏离理想原子比例的原因是所有固体结构都在一定程度上容忍缺陷的存在。然而，在化学分析的早期，这些微小的例外足以质疑原子以一定的小数比例结合的假设。另一个复杂的因素是混合物和化合物之间的区别在某些金属合金中被打破了。一些金属混合物中原子之间的作用力与纯金属中的作用力一样强，合金成分不易分离，即使化学成分变化很大。化学计量偏差的存在和热力学形式主义的发展，在不涉及原子存在的情况下解释了这些材料的稳定性，这导致了 19 世纪许多最杰出的物理化学家，包括法国化学家 Pierre-Eugéne Marcellin Berthelot （1827-1907）和德国物理化学家弗里德里希Wilhelm Ostwald (1853-1932) 对原子的存在持怀疑态度。

法国化学家 Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) 在 1808 年观察到，气体之间的化学反应涉及体积在少量配给中的结合，以及意大利物理学家 Amedeo Avogadro (1776-1856) 在 1811 年提供的解释相同体积的气体包含相同数量的分子，明显加强了对原子的信念的理由。尽管如此，液体和固体状态在自然界中可能是连续的，原子和分子仅在蒸发时形成的可能性仍然存在。无法直接观察到原子的事实仍然困扰着奥地利物理学家和哲学家恩斯特·马赫（1838-1916）和他的门徒，他们告诫不要将现实归因于从未观察到的实体。考虑到之前的科学史将现实归因于诸如燃素、热量和发光以太等“不真实”概念，马赫的立场并非不合理。然而，马赫作为一位备受推崇的物理学家的地位推迟了对原子存在的普遍接受，直到 20 世纪初。

最终，原子被接受并不是因为它们最终被观察到，而是因为它们对物理和化学现象提供了如此有力和连贯的解释。与不可分割粒子的原始概念相反，出现了由更多基本粒子组成的原子的详细图片。此外，发现放射性元素中发生了一种元素的原子向另一种元素的转变。在 20 世纪后期，可以在固体表面形成原子图像的技术的发展仅证实了那些对物质行为有如此多解释的原子粒子的存在。

——唐纳德·R·弗朗西斯凯蒂

观点：是的，原子是真实存在的，科学已经发展到原子不仅可以被看到，而且可以被单独操作的地步。

物质不是连续的而是由离散的粒子组成的想法首先由希腊哲学家阿那克萨哥拉斯（Anaxagoras，公元前 500-428 年）提出。他声称物质由无限小的粒子组成，他称之为omiomeres。他相信这些小粒子包含了万物的品质，并发展了一种从分子异构体创造物质的理论。然而，另一位希腊哲学家 Leucippus（公元前 5 世纪）实际上使用了原子这个词. 他用这个词来描述一种不可分割的、紧凑的、没有部分的、具有均匀成分的粒子。这些原子因它们的性质而不同，例如大小和形状。Leucippus 还坚持认为，有无数个原子在不断、随机地运动。如果发生碰撞，原子可能会分散，或者它们可能会聚结形成聚集体。除了原子的存在之外，留基布还假设存在一个空隙，它允许原子不受限制地随机运动，并且是原子论的核心，正如 Leucippus 的假设被称为。Leucippus 的继任者、另一位名叫德谟克利特的希腊哲学家（公元前 460-370 年）将原子论的概念精炼到了难以将他的思想与 Leucippus 的思想区分开来的程度。伊壁鸠鲁（公元前 341-270 年）也是一位希腊人，他增加了重量作为原子的另一个定义特征。他修改了留基布斯和德谟克利特的假设，说所有原子都以相同的速度运动，而不管它们的重量或体积。根据当时的物理学，这一结论使伊壁鸠鲁相信所有原子都在缓慢但明确的向下运动。这种原子运动的观点使原子之间的碰撞变得难以想象。伊壁鸠鲁意识到这一点后，进行了修改，指出原子偶尔会“转向”，

不幸的是，对留基布斯和德谟克利特的原子论的这种修改给了他们的批评者足够的弹药而忽略了它的许多优点。结果，希腊哲学家亚里士多德（公元前 384-322 年）得以传播他的反原子论。首先，亚里士多德否认虚空的存在，并肯定物质的连续性。他拒绝接受对物质可分性的任何限制，称物质具有内在品质，例如颜色、气味和温暖。他赞同地、风、火、水四种元素的理论，并引入了第五种元素以太，它支配着天体。实际上，亚里士多德的思想导致了地球法则和天体法则的分离。教会接受了他的观点，综合效果是亚里士多德的 的影响基本上停止了原子理论的发展，直到文艺复兴之后。原子论在同一时期在印度单独发展，并出现在中世纪时期的中东。

在讨论原子时提到宗教似乎很奇怪，但原子理论的发展常常因其开发者无法将宗教和科学分开而受挫。科学史上许多奇怪的想法和错误的转向都是以统一科学和宗教的名义制造的。

原子理论的发展

十七世纪。

意大利数学家和物理学家Evangelista Torricelli（1608-1647）和法国科学家兼哲学家Blaise Pascal（1623-1662）对气压进行的实验工作是原子论更新的推动力。皮埃尔·加森迪（Pierre Gassendi，1592-1655），法国科学家，是反驳亚里士多德理论的带头人，依靠托里切利和帕斯卡的工作回归德谟克利特和伊壁鸠鲁的原子概念。Gassendi 是第一个使用“分子”一词来描述作为一个单元的一组原子的人。他还回到了德谟克利特描述的随机原子运动的概念，而不是伊壁鸠鲁的向下运动。

许多其他科学家和哲学家为原子理论的缓慢重建做出了贡献，但下一个巨大的飞跃是英国物理学家艾萨克·牛顿（1642-1727）。在他的运动定律中，引力定律具有再次统一地球和天体科学的作用。这一核心发展压倒了亚里士多德的影响，原子理论开始认真发展。当时有人提出可以用牛顿万有引力定律来描述原子间的吸引力，但牛顿本人并不相信。他怀疑电磁力在如此小的尺度上很重要，但他不知道他的想法会被证明是多么真实。

必须记住，虽然物质的微粒性质开始流行，但德谟克利特提出的所有原子理论仍未被接受。例如，盎格鲁-爱尔兰物理学家罗伯特·博伊尔( Robert Boyle，1627-1691) 支持原子论，但不支持原子随机运动的概念。他相信原子不能无故移动，是上帝决定了原子移动的方式和地点。

十八、十九世纪。

18 和 19 世纪见证了原子理论的巨大进步。这些理论之所以更有说服力，是因为提出它们的科学家并没有盲目地这样做。他们之间无休止地争论自己假设的真实性，并经常试图反驳自己的发展！

法国化学家Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) 坚定地将元素定义为尚未通过任何方式分解的物质。他还清楚地阐述了物质守恒定律——在化学反应中，物质既不创造也不毁灭。另一位法国化学家约瑟夫·路易斯·普鲁斯特 (Joseph-Louis Proust，1754-1826 年) 在 1806 年阐明了比例不变定律——无论其来源如何，一种物质由按质量比例相同的相同元素组成。这两条定律使英国化学家约翰·道尔顿( John Dalton，1766-1844) 提出了他的原子理论并陈述了多重比例定律。道尔顿的原子理论包含四个陈述：1）所有物质都是由原子组成的, 非常微小、不可分割的元素粒子，不能被创造也不能被破坏。2）一种元素的原子不能转化为另一种元素的原子。3）一种元素的原子在质量和其他性质上相同，与其他元素的原子不同。4）当不同元素的特定比例化学结合时形成化合物。尽管道尔顿在发展原子理论方面具有洞察力，但他错误地假设氢和氧等元素是单原子的。正是两位化学家，来自法国的 Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) 和来自意大利的 Amedeo Avogadro (1776-1856) 对气体体积的研究导致了氧气和氢气等气体形成的假设由相同元素的两个原子结合而成，因此是双原子的，而不是单原子的。

1869 年，俄罗斯化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫 (Dmitry Ivanovich Mendeleyev，1834-1907 年) 发表了他的元素周期表，其中他根据已知元素的质量和化学性质对它们进行了排序。事实上，他足够大胆地将某些他认为属性属于不同列的元素转换，历史证明他的想法是正确的。门捷列夫的伟大之处在于，他用他的表格来预测尚未发现的元素的性质。

随着化合价概念的引入——元素的属性决定了该元素的一个原子可以与之结合的其他原子的数量——法国化学家 Joseph-Achille Le Bel (1847-1930) 和荷兰物理化学家 Jacobus Hendricus van't Hoff (1852-1911) 能够想象具有三维结构的分子的概念。即使在这个时候，原子论的批评者仍然存在。阿道夫·威廉·赫尔曼·科尔贝（Adolf Wilhelm Hermann Kolbe，1818-1884 年）是一位被描述为当时最伟大的有机化学家之一，他对范特霍夫的三维分子构想发表了严厉的评论。

当时存在多种思想流派。有些人热情地支持原子论。其他人对这个想法表示支持或保持中立，还有一些人支持相互矛盾的想法。在后一类中，被称为等效论者和能量论者的两个主要群体尤其有发言权。法国化学家 Pierre-Eugéne Marcellin Berthelot (1827-1907) 是一位等价主义者，他作为政府官员行使了相当大的权力，禁止教授原子理论。事实上，原子被避免提及，并且许多文本仅将原子理论的思想作为附录，如果有的话。法国物理学家 Pierre-Maurice-Marie Duhem (1861-1916)、奥地利物理学家Ernst Mach (1838-1916) 和德国物理化学家 Friedrich威廉·奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald，1853-1932 年），所有的能量主义者，比起假设原子，更喜欢考虑感知数据。据说奥斯特瓦尔德否认物质的存在！物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955) 对马赫的想法极为批评。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann，1844-1906 年）支持爱因斯坦，他的气体动力学分子理论的发展广泛依赖于原子的存在。虽然德国物理学家马克斯·普朗克(1858-1947) 最初接受了马赫的想法，但他后来改变了主意并驳斥了他的理论。在 Duhem、Mach 和 Ostwald 中，只有 Ostwald 后来公开接受了原子理论。其他人直到最后都坚决否认。

二十世纪。

英国物理学家约瑟夫·约翰爵士 (JJ) 汤姆森 (1856-1940)、美国物理学家罗伯特·安德鲁斯·密立根(1868-1953)、德国物理学家威廉·康拉德·伦琴(1845-1923)、荷兰物理学家安东尼·范登布鲁克 (1870-1870) 的共同努力1926 年）、英国物理学家欧内斯特·卢瑟福勋爵（1871-1937 年）和英国物理学家亨利·莫斯利（1887-1915 年）发现了电子，并认识到它是所有原子的组成部分。此外，人们意识到电子数与原子质量成正比，虽然电子本身比原子小得多。第一个原子模型由英国物理学家 JJ Thomson 和威廉·汤普森勋爵 (Lord William Thompson Kelvin，1824-1907 年) 提出，是一个带正电的云，包含带负电的电子，就像李子布丁中包含葡萄干一样。

卢瑟福著名的金箔实验提供了第一个真实的原子模型。在这个实验中，卢瑟福发现，直接射向薄金箔片的带正电粒子有时会偏转，而不是始终如一地直接穿过。有时，粒子会直接偏转回源头。他提出原子包含一个密集的中心部分，他称之为原子核. 原子核比原子小得多，但包含大部分质量并带有强正电荷。卢瑟福还设想了电子围绕原子核运行，就像行星围绕太阳运行一样。由于原子是电中性的，电子的数量使得电子的负电荷将平衡原子核的正电荷。这个模型的问题在于，根据经典物理学，绕轨道运行的电子会不断地发射电磁辐射，失去能量，最终螺旋进入正核。如果真是这样，一切物质最终都会自毁。此外，该模型没有解释已知的光谱观察。如果模型正确，电子将穿过所有不同的能级，从而在所有频率上发射谱线并导致观察到连续谱。相反，每个不同元素都观察到一组不同的谱线。

马克斯·普朗克（Max Planck）提出能量不是连续发射的，而是以小包形式发射的，他称之为量子，从根本上解决了第二个问题。而不是能够在连续的尺度上假设任何值——比如能够假设斜坡上的任何位置——能量被限制在某些值上——比如能够站在一个或另一个台阶上，但不能在台阶之间站立。这个概念完全不同，普朗克本人几乎不相信它。

爱因斯坦立即发现了普朗克量子在他对光电效应的解释中的应用。他认为光是由光子组成的，每个都有一个量子的能量。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885-1962 年）结合了普朗克和爱因斯坦的观察结果，提出了一种新的原子模型。他表示，电子不能随机地环绕原子核发射能量，而是只能假设离原子核特定距离的某些离散能量值（即量子化的）。他将量子化的概念应用于电子，有效地解决了电子螺旋进入原子核的问题。此外，玻尔假设谱线是由电子从一个能级移动到另一个能级的结果。这解释了原子光谱中存在离散谱线而不是连续谱带的原因。玻尔用他的模型彻底改变了原子理论，事实上它为观察到的氢光谱提供了正确的值。然而，玻尔的模型在其他元素上并不成功。

当英国物理学家詹姆斯查德威克爵士(1891-1974) 发现中子时，进行了进一步的改进，从而解释了原子的整个质量并解释了同位素的存在。法国物理学家路易斯-维克多·德布罗意( Louis-Victor de Broglie，1892-1987) 更进一步，他推翻了爱因斯坦关于光行为像粒子的观察。他说粒子可以像光一样表现并表现出波的特性。虽然这对于像足球这样的大型物体来说是正确的，但由于它们的质量很大，它们的波长是微不足道的。然而，对于像电子这样的微小粒子，波长不再是微不足道的。这一启示确立了波粒二象性的概念，即物质可以表现为波，反之亦然。

Erwin Schrdinger (1887-1961) 是一位奥地利理论物理学家，他曾对玻尔的能级间运动或电子“跳跃”理论持批评态度，他开发了今天与我们同在的原子模型。德布罗意的工作使他的原子波力学模型成为可能。它在数学上很复杂，但非常优雅。从本质上讲，薛定谔描述了某些数学函数，他称之为波函数，并在其上放置了连续性、一致性、均匀性和有限性质的正常数学限制。在这些条件下，电子的能量只有特定的能量值是可能的，因此与玻尔的强加量子化不同，为量子化创造了一条自然路径。波函数，轨道，描述了处于特定能量状态的电子。确定这些波函数的值称为量子数。第一个是n，它是决定电子能级的主要量子数。第二个是l，它是确定轨道形状的方位角量子数。第三个是毫升，决定轨道多重性的磁量子数。所有这些数字都是整数。薛定谔的原子波力学模型得出了几个有趣的结论。第一个是，原子必须在三个维度上被描述，这一点毋庸置疑。第二个是轨道描述了空间中的一个区域，而不是一条特定的路径。第三是波函数的平方描述了发现电子的概率最高的区域。再一次，正如德谟克利特所描述的那样，解释不再是确定的，而是恢复到随机性。两位荷兰出生的美国物理学家 Samuel Goudsmit (1902-1978) 和 George Uhlenbeck (1900-1988) 的工作又增加了另一个量子数，ms，自旋量子数，四个量子数中唯一一个非整数。这第四个量子数使出生于奥地利的物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958 年）能够利用他的不相容原理阐明原子的电子结构，指出原子中的两个电子不能具有相同的四个量子数。这一原理导致了自旋耦合和电子配对的概念，并完整地解释了原子的价结构。价结构有助于确定元素的周期性，观察到某些族中的元素具有非常相似的物理和化学性质。

就在人们相信原子的性质已经得到解决时，德国物理学家维尔纳·海森堡( Werner Heisenberg，1901-1976) 使用不同的方法宣布，从数学上讲，我们可以确定有关原子的信息的程度是固有的。原子。他的测不准原理指出位置不确定性与粒子速度（或动量）不确定性的乘积必须大于或等于常数 h/2 [.pi]。这个常数非常非常小。这通常不会被视为问题，因为可以准确地知道足球飞行的速度以及它的确切位置。然而，足球的质量如此之大，以至于它的动量很大。然而，电子的质量非常小，以至于它的位置和动量的不确定性的乘积非常接近这个常数。本质上，海森堡坚持认为，如果我们知道一个值（例如位置），我们就无法确定另一个值（例如其动量）。此外，这个结果表明，通过观察原子位置的行为，我们干扰了它的行为。通过这句话，海森堡将原子理论带回了哲学领域！爱因斯坦从未接受过这个限制。

因此，确定原子是否真实的核心在于澄清“真实”是什么。如果现实是由知觉决定的，那么普遍的知觉才是真正真实的。使用波长客观描述的颜色比用眼睛描述的颜色更真实，因为没有两个人看到相同的方式。宇宙是由物质构成的。我们可以触摸和看到它，主观上，我们知道它存在。某些类型的物质行为相同的事实已在上面显示。实验证据清楚地表明，物质可以分为纯物质（元素和化合物）和混合物（元素和/或化合物的物理组合）的不同类别。更远，上述科学家断然断定，化合物是由相对比例可以测量的元素组合而成，元素是由原子组成的。后来的实验证明原子本身是由许多亚原子粒子组成的，主要的三个是质子、中子和电子。与元素无关，所有这些成分都存在的事实表明它们在客观上是真实的。

今天，可以使用称为扫描隧道显微镜或 STM 的复杂技术来观察原子，而不是用我们的眼睛。我们不仅可以将表面解析到可以看到单个原子的程度，还可以操纵表面上的原子，从一个地方提取一个原子，然后将其放置在其他地方。可以使用一个分子连接到一个由一个原子组成的电极来构建电路！也可以设计和构建具有非常特殊的特性和结构的分子。如果原子不是真实的，这一切都不可能发生。

原子是真的吗？对于我们这些无法使用扫描隧道显微镜的人来说，我们只需要看看周围的一切就说是。

——拉希米·文卡特斯瓦兰

观点：不，许多 20 世纪前的科学家缺乏任何原子存在的直接证据，得出的结论是原子不是真实的。

今天，原子的现实被认为是理所当然的。隧道电子显微镜拍摄的照片甚至可以“显示”单个原子。然而，虽然现在原子的现实被认为是司空见惯的，但并非总是如此。直到 20 世纪之交，才进行了提供原子存在的任何直接证据的实验。在此之前，原子假说是一种“最佳猜测”，受到许多科学家的反对，因为原子无法以任何方式或形式被看到、感觉到或感知到。鉴于当时的证据状态，对原子的怀疑是完全有道理的，并有助于推动理论和实验创新，从而证明原子的存在。

哲学原子

我们今天理解的原子是最近的发明，是实验证据和量子理论的产物. 然而，作为宇宙基石的原子、不可见的小粒子的一般概念是一个非常古老的概念。希腊哲学家德谟克利特（公元前 460-370 年）扩展了早期的思想，提出了物质的原子理论，推理不可能永远分割一个物体，必须有一个最小的尺寸。其他希腊哲学家将原子理论发展成一个包罗万象的思想，甚至可以解释灵魂，灵魂应该是由球状的火原子组成。然而，原子假说在希腊哲学家亚里士多德（公元前 384-322 年）及其追随者中有强大的反对者，他们出于自己的哲学原因强烈否认这些实体。亚里士多德的思想将成为占主导地位的学派，并在中世纪根深蒂固 当亚里士多德的教义与圣经联系在一起时，原子论就从知识分子的思想中消失了。

原子的概念在 16 和 17 世纪的文艺复兴时期被重新发现。像希腊人一样，17 世纪原子论的支持者更关心想法而不是实验，物质的不可分割性是原子存在的关键哲学论证。十七世纪科学界的两位大人物，法国数学家勒内·笛卡尔（1596-1650）和英国物理学家艾萨克·牛顿爵士（1642-1727），他们都认可原子论，并且在这个想法背后有这样的权威，它很快就成为了一个既定的。然而，正如两位伟人的典型思想一样，每个人都制定了一个与对方相矛盾的原子论版本。两个多世纪以来，牛顿和笛卡尔的各种追随者就原子论和原子碰撞的细节争论不休，直到最终达成妥协。尽管实验在这些理论的发展中发挥了作用，但大部分争论都是基于哲学甚至民族主义的路线，许多法国科学家支持笛卡尔的思想，而大多数英国科学家则盲目地追随牛顿的思想。两人的权威被他们的支持者认为大于一些实验证据，

道尔顿化学原子

是化学领域，而不是物理学领域，发起了最强烈的关于原子存在的科学运动。英国化学家约翰·道尔顿 (John Dalton，1766-1844) 观察到，在某些化学反应中，当化学物质结合时没有分数，并得出结论，根据产生的化合物，原子以设定的整数比例键合。重要的是，道尔顿的模型允许进行预测，并且他提出了一些化学组合的一般规则。然而，道尔顿没有给出他的规则有效性的任何理由，而且他的许多结论对大多数早期读者来说似乎是武断的。而且，他在比热上的工作也没有说服力，似乎与他自己的规则相矛盾。虽然事后证明道尔顿大体上是正确的，但他的论点以及他为数不多的支持者的论点的力量，

反原子论

对原子假说提出强烈反对并不奇怪。关于 19 世纪末的原子循环有许多不同的假设，其中一些是相互矛盾的，而且原子论的支持者似乎常常援引哲学和实验权威。也许最令人惊讶的是，这种对原子的反对直到 1890 年代才被认真对待。反对的最重要的声音之一是恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838-1916 年），他是一位奥地利物理学家，他也涉足心理学和生理学，对科学哲学和科学史有着浓厚的兴趣。马赫认为，虽然原子的概念解释了许多概念，但这并不意味着它们被认为是真实的。马赫的科学哲学很大程度上归功于苏格兰哲学家的科学哲学大卫·休谟（1711-1776）和德国哲学家伊曼纽尔·康德（1724-1804）。马赫将观察置于科学过程的最前沿，并要求对自然的科学断言仅限于可以体验的内容。马赫拒绝支持法律的原因，但他不认为这些法律是正确的；相反，它们只能被视为总结自然的一种经济方式。这些想法使马赫与德国物理学家马克斯·普朗克（1858-1947）展开了激烈的辩论，对他们来说，能量守恒等定律被认为是真实的，而不仅仅是一种方便的虚构。

马赫的观点被称为现象学的科学哲学，因为他强调对实际现象的观察，并声称如果某物不能被感知，则它不能被称为真实的。马赫声称科学不应该从对象出发，因为它们只是派生的概念。唯一可以直接知道的是经验，而所有经验都包含在感觉或感觉印象中。因此，马赫否认原子的存在仅仅是因为它们无法被感知。然而，他确实允许原子的概念作为解释某些观察的有用且经济的方法。对马赫来说，原子是一种数学捷径，很像代数中使用的符号。然而，马赫认为，声称它们是真实的，是空洞的理论，因为没有办法体验它们。

这种实证主义或反唯物主义的观点在 19 世纪末很流行，许多其他人也认同马赫的观点。德国物理化学家弗里德里希·威廉·奥斯特瓦尔德等能量学家(1853-1932) 和法国物理学家 Pierre-Maurice-Marie Duhem (1861-1916)，与马赫不同，他认为能量是真实存在的，他们也认同马赫的反原子论，并对支持现实的人发动了强烈、持续和成功的攻击。原子。能量学家认为，没有必要将热力学简化为理论原子的统计运动，因为一切都可以用能量来解释。奥斯特瓦尔德写道，“原子假说已被证明是一种极其有用的帮助……然而，人们绝不能因为图景与现实之间的这种一致性并将两者结合而误入歧途。”

虽然否认原子的存在在今天看来似乎是错误的，因为我们“知道”原子存在，但 Mach、Ostwald、Duhem、法国数学家儒勒·亨利·庞加莱 (1854-1912) 和许多其他人的怀疑科学方法在应用时证明是正确的科学中的其他结构，例如绝对空间的概念和以太的概念。在 19 世纪，人们假设光波像其他波一样穿过一种介质，这被称为以太。马赫认为，虽然物质让光穿过的概念很有用，但这并不意味着以太是真实的，因为它无法以任何方式被检测到。事实证明，他是完全正确的，正如迈克尔逊-莫雷实验要证明的那样，爱因斯坦的相对论要加以解释。马赫 对科学史的兴趣使他攻击了他认为是牛顿和笛卡尔等过去巨人遗留下来的神秘元素。无法体验诸如远距离作用之类的牛顿概念，而马赫表明，如果没有牛顿的绝对空间假设，力学也可以发展成同样可靠的科学。

玻尔兹曼和麦克斯韦的统计原子

在马赫和其他人坚持不能说原子是真实的的同时，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(1844-1906) 和苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831-1879) 的工作试图证明原子具有某些特定的特性并遵守牛顿定律。玻尔兹曼使用统计力学预测物质的可见特性。他的工作根据原子性质的统计分析描述了诸如粘度和热导率等特性。麦克斯韦以其在电学方面的工作而闻名，他还独立于玻尔兹曼制定了气体的统计动力学理论。然而，虽然他们工作中的数学和物理学现在被认为是杰出的，但玻尔兹曼-麦克斯韦原子假说未能说服反对者。他们的作品受到强烈攻击，并经常被误解，部分原因是他们既不是一个清晰的作家，也不是一个有成就的自我宣传者。玻尔兹曼和麦克斯韦的工作也产生了许多问题。例如，玻尔兹曼推导出的熵形式与力学中的牛顿可逆性概念相矛盾。

玻尔兹曼试图撰写和教授哲学来反驳马赫、奥斯特瓦尔德和其他反原子论者的观点，但未能提出令人信服的哲学解释。通过信件往来，他卷入了与马赫的私下辩论，这表明他对 19 世纪晚期物理学的许多发展感到沮丧和困惑。玻尔兹曼还与奥斯特瓦尔德进行了一些非常公开的辩论，许多人认为这些辩论本质上过于恶毒，而且常常掩盖了两人的亲密友谊。事实上，马赫非常担心争论会失控，以至于他提出了一种妥协理论，试图让局势降温。然而，玻尔兹曼因未能说服大多数科学家相信原子的真实性而深受折磨，并开始觉得反原子论者正在获胜。事实上，当大多数人认为原子是一种神秘的概念，希腊人的神秘主义的宿醉时，他成了荒野中孤独的声音，最后一位坚定的原子论者。玻尔兹曼饱受抑郁之苦，最终自杀身亡，可悲的是，距离原子假说最终胜利仅短短几年时间。

玻尔兹曼在他生命的尽头写道：“在我看来，如果[原子]气体理论因为对它的一时敌对态度而被暂时遗忘，例如波动理论，那将是科学的一大悲剧。因为牛顿的权威。” 然而，正是由于牛顿和笛卡尔等人权威的权威，原子假说才被如此接受，而正是由于实验和理论科学无法展示原子的影响，才导致了如此严厉的批评。

原子是胜利的

最终显示原子存在直接证据的实验工作在 20 世纪之交开始出现。上工作布朗运动，其中，在恒定的不规则运动的稀溶液“跳舞”小颗粒，表明它是原子碰撞的可观察到的效果。阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）的理论计算得到了法国物理学家让·佩兰（1870-1942）的实验工作的支持，并导致许多反原子论者承认失败。放射性领域的新研究也为比原子更小的小粒子提供了强有力的证据，例如英国物理学家约瑟夫·约翰爵士 (JJ) Thomson (1856-1940) 在 1897 年发现了电子（这花了一些时间被完全接受）。

1908 年，奥斯特瓦尔德确信实验最终证明了物质的离散或颗粒性质。1912 年，庞加莱宣布“[A] 原子不再是有用的虚构……化学家的原子现在已成为现实。” 马赫似乎从未完全相信——毕竟原子仍然不能被直接体验——但他不再有任何精力去追求反原子论的情况。

尽管反原子论者被证明是错误的，但他们反对原子的立场对于一般科学来说仍然是一个重要的立场。特别是马赫的思想对物理学产生了持久的影响，他对牛顿概念的攻击，例如时间和空间的绝对特征，对相对论的发展非常重要。爱因斯坦在 1916 年承认了他对马赫的亏欠，他说“我什至相信那些认为自己是马赫的对手的人几乎不知道他们有多少马赫的观点，可以说，被他们的母乳吸收了，”并指出马赫的著作早期对他产生了深远的影响，并且是导致相对论的难题的一部分。马赫还对逻辑实证主义者维也纳圈产生了创始影响，这是一群哲学家、科学家、

反原子论者质疑原子的存在是正确的，必须记住，他们的观点在 19 世纪末占据主导地位，并且出于良好的科学和哲学原因。至少，反原子论者的怀疑促使其他人去寻找强有力的原子实验证据，从而为整个物理和化学奠定了更坚实的基础。

——大卫·塔洛克

原子：

最初被认为是构成物质的最小的不可分割粒子，现在已知它由质子、中子和电子组成。

布朗运动：

苏格兰植物学家罗伯特·布朗(1773-1858) 于 1828 年发现的现象，其中稀溶液中的微小颗粒不断随机运动。布朗首先使用花粉，因此认为是生命的火花使粒子移动，但后来的工作表明，无生命的物质也有同样的效果。二十世纪初，布朗运动被证明是原子碰撞的产物。直到今天，法国物理学家让·佩兰 (Jean Perrin) 在 1905 年对布朗运动的研究中使用的载玻片包含移动粒子。

电子：

在由其占据的轨道决定的原子核周围区域中发现的带负电荷的亚原子粒子。它的质量大约是质子的千分之一。在中性原子中，电子数等于质子数。

中子：

不带电的亚原子粒子；原子核的一个组成部分，它的质量大约等于质子的质量。特定元素中中子数量的变化会导致同位素的形成。

核：

原子的致密核心，几乎包含原子的全部质量，由质子和中子组成。

迈克尔逊-莫雷实验：

尝试检测以尝试检测两个不同方向的光速差异：平行于和垂直于地球围绕太阳的运动。1881 年，物理学家阿尔伯特·A·迈克尔逊 (Albert A. Michelson，1852-1931) 在柏林首次演出；该测试是由迈克尔逊和爱德华·莫立（1838年至1923年），在1887年后精制美国。迈克尔逊和莫利原本希望看到他们的光束因地球在太空中的快速运动而发生变化，但令他们惊讶的是，他们没有发现任何变化。

实证主义：

哲学，在 19 世纪最流行，它否认思辨或形而上学的有效性，并强调科学知识。英国哲学家弗朗西斯·培根（1561-1626）和苏格兰哲学家大卫·休谟（1711-1776）是早期的实证主义者，但将实证主义发展为连贯的哲学的是法国哲学家奥古斯都·孔德（1798-1857）。

质子：

带正电的亚原子粒子；核的一个组成部分。元素中的质子数决定了它的原子序数，每个元素都有唯一的质子数。

量子：

小包能量。它的能量是h [.nu] 的倍数，其中h是普朗克常数，[.nu] 是所描述的辐射频率。

量子力学：

最新的原子模型。量子力学使用波函数来描述在原子中发现电子的概率最大的区域。

比热：

将单位质量的温度升高一个温度单位（度）所需的热量。

热力学：

物理学的一个分支，涉及热的性质及其向机械能、化学能和电能等其他形式的转化。

波函数：

Erwin Schrdinger (1887-1961) 提出的波动方程的数学解。波函数在数学上包含最初由丹麦物理学家 Niels Bohr (1885-1962) 提出的限制，用于描述原子中电子的能量状态。