1.早期原子论

    早期人类对于世界的认识处于萌芽状态，理性还未经开发，人类对于周围世界的种种自然现象惊异不已，由于无法解释这些现象，人类只好诉诸于神灵，人们崇拜神并认为神主宰着世间的一切。根据赫西俄德的《神谱》和荷马的史诗记载，古希腊神话中从原始的神卡俄斯到宙斯，绝大多数神都象征着某种自然现象[1]。人类自己创造了神，用神解释自然，并通过神的生殖关系阐述自然的进化。

    据说古希腊的泰勒斯（Thales，约公元前625~前547）是古希腊第一个摆脱神话束缚而用自然物质解释自然的人，大概是由于他观察到很多事物都离不开水，他认为世界的本原是“水”；阿那克西美尼（Anaximenes，约公元前570年~前526年）不同意泰勒斯的观点，他认为本原是“气”；而赫拉克利特(Heraclitus，约公元前530年~前470年)认为是“火”；另外有些希腊的游吟诗人认为是“土”；后来，恩培多克勒（Empedocles，约公元前490~前430）认为用“水”、“火”、“土”和“气”四种物质来解释世界的“生成说”过于单一，要解释杂多的世界，他更倾向于“构造说”，让四种物质共同组成世间万物，于是他提出了关于本原的“四根说”；阿那克萨戈拉（Anaxagoras,约公元前500～前428）认为“四根说”过于牵强，世界远非仅仅由四种物质组成，而是无穷无尽的，每一种事物都有自己的本原，即“种子”，于是他提出了关于本原的“种子说”；古希腊自然哲学的最高成就应当归属于德谟克利特的“原子论”。德谟克利特（Democritus，约公元前460年～前370或前356）认为：宇宙是由不可分割的原子和虚空构成的[2]。接着，他还认为，事物越加以分割，它的性质就应当越加简单，当我们将事物分割成原子时，它的性质就应当非常简单了，他“规定”了原子所具有的属性，比如不可再分、具有广延和形状等[3]。他认为原子的种类是有限的，而不像种子是无限的，这样，他将自然界纷繁的“多”归结为原子的“一”。他曾这样写道[4]：

    “甜是从俗约定的，苦是从俗约定的，热是从俗约定的，冷是从俗约定的，颜色是从俗约定的。实际上，只有原子和虚空。这就是说，人们假定感觉的对象是真实的，习惯上也认为他们是真实的，但实际上并非如此，只有原子和虚空才是真实的。”

    他还写道：

    “所有感觉到的性质都只是表象，是源自不同排列的结果。”

    他认为所有像甜、苦、热、冷、颜色这样的人类感觉到的杂多的性质都只是表象，是原子对知觉者的作用效果，它们并不是实在的，最终的实在只有原子。正因为这种坚定的信念，他拒绝将杂多的性质归于实在的原子，而是将这些性质诉诸于没有这些性质的原子的排列或者运动。

    在古希腊，并不是只有自然哲学，还有另一派，他们认为本原并不在于经验的自然事物，而是感性事物背后的抽象客体，这些学说是希腊形而上学的源端。毕达哥拉斯（Pythagoras，约公元前572~前497）是第一个使用抽象实体来解释宇宙万物的人，他早年曾经游历古埃及和古巴比伦，学习了当地的数学知识，这种经历对他的影响非常大。毕达哥拉斯精通音乐、天文学和数学，他从美妙的音乐和头上的星空中发现了内在的简单数学关系，他深切地体悟到真正的实在并不在于千变万化的感性事物，而在于万物背后所共有的性质：数，于是他提出了“万物皆数”的观点；后来克赛诺芬尼（Xenophanes，约公元前565～前473）认为本原是“一”，巴门尼德（Parmenides，约公元前570~前480）认为是“存在”，形而上学的最高成就是柏拉图（Plato，约公元前427年~前347年）的“理念论”。

    可以说，以自然物质解释自然的自然哲学更多地涉及人的客观经验，而以抽象实体解释自然的形而上学更多地涉及人的理性思辨。古希腊民族是一个十分重视理性的民族，这可能是它与其他民族最大的区别。斯威夫特的《格列佛游记》中有一段描写格列佛被人带着领略拉布塔的风光，他看到：

    他们的房子建的十分糟糕，墙壁剥落，在任何一套房子中没有一处呈直角形，这些都是由于他们轻视实用几何造成的，他们把实用几何轻蔑地看做是粗俗的东西，认为属于工程方面，而这些建筑只有通过心灵手巧的木匠的智慧才会变得高雅起来，轻视实用几何是一个致命的错误，尽管他们的双手十分灵巧，能够运用自如地在纸上使用直尺、铅笔、圆规，讨论生活中的一些行为和准则，但是我从来没有看到过这样笨拙、呆板、缺少生气的人，他们几乎在所有其他方面都反应迟钝，只是在数学和音乐方面例外。[5]

    这样的民族特性一方面使得古希腊人在数学方面成就卓越、影响深远，但是在另一方面也导致了注重经验的自然哲学在中世纪长期被埋没。

2.近代原子论

    在欧洲中世纪，柏拉图和亚里士多德的思想占据主导地位，原子论思想一直被埋没。到文艺复兴之后，欧洲人的关注点才从神的世界转向了人的世界，在科学认识方面发生了实践的转向，科学一改以往只关注思辨的作风，对实验的方法加以重视，从此西方科学开始迅猛发展。17世纪初，法国科学家伽桑狄（Pierre Gassendi,1592~1655）批判了亚里士多德的思想，大力宣传原子论；英国化学家波义耳（Robert Boyle，1627~1691）通过一系列实验，也对前人的理论产生了怀疑，他驳斥了“水”、“火”、“土”、“气”四种元素构成万物的说法，认为只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素，建立了近代“元素说”[6]。经过不懈的努力，原子论渐渐为人们所认识。然而，这种深刻的思想一经接受便整整影响了西方自然科学几个世纪，这个时期的科学家都热衷于使用原子论来解释自然现象。在这些科学家中，将原子论发挥的最为淋漓尽致的也许是牛顿（Isaac Newton，1643~1727），牛顿在物理学上最大的贡献在于牛顿力学定律，他综合与发展了开普勒和伽利略等人的工作，将天上和地上的力学现象统一起来。更为重要的是，牛顿不仅仅统一了力学，而且统一了宇宙，在他看来，不论是当时的热学还是光学（那时还没有电磁学和核物理），无非是将所研究的对象诉诸于原子或是原子的运动，而无论是哪一种，归根结底都是关于原子的力学问题。也就是说，牛顿通过把质量赋予原子，从而将万物归于统一[7]。

    原子论的思想盛行于17~18世纪，当我们考察这个时代的重大科学理论时，惊奇地发现几乎所有科学家都有将自然现象解释为原子或其运动的尝试，这里我们仅对燃烧、热学和光学领域加以分析。在近代化学关于燃烧本质的争论中，以德国化学家施塔尔（G.E.Stahl，1660~1734）为首的“燃素说”认为物质之所以能够燃烧是因为含有一种称为燃素的物质，而燃烧的过程就是燃素释放的过程。后来，当有科学家以“金属燃烧，重量增加”的现象劫难“燃素说”时，“燃素说”支持者们立即提出了一种新的物质，它是燃素的“好兄弟”，称作“负燃素”，他们试图用“释放负燃素，重量增加”的特设性假说来挽救处于危亡的燃素理论[8]。然而，普利斯特里和拉瓦锡的实验再次给燃素理论以沉重的打击。这次，燃素理论没能给出令人满意的解释，而法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743-1794）提出的“氧化说”却很好地解释了燃烧的本质，这种理论认为燃烧的过程是燃烧物与氧气的化合过程；在热学关于热的本质的争论中，以伽桑狄为代表的“热质说”认为热是一种原子，物质越热说明这种物质含有热原子越多。18世纪末，伦福德伯爵（Count Rumford，1753~1814）和戴维（Sir H. Davy,1778~1829）各自的摩擦实验给热质说以严重的打击，“热动说”逐渐流行，这种理论认为热并不是什么热原子，原子就是普通的原子，热是原子的运动，物质越热说明原子运动的越激烈。随着历史的演进，“氧化说”最终取代了“燃素说”，“热动说”也取代了“热质说”，然而科学史上的理论也并非一味地是“胜者为王，败者为寇”，时而也会出现“分庭抗礼”的局面。在光学关于光的本质的争论中，笛卡尔（Rene Descartes，1596~1650）提出了“微粒说”，认为光是一种微粒，牛顿继承和发展笛卡尔的思想，他认为太阳就像一个大的“喷射器”，不断地向外部喷射粒子，借助这种理论他成功地说明了光的直线传播和反射现象，他巨大的科学威望也为他赢得了大量的“信徒”。在另一边，胡克（Robert Hooke，1635~1703）提出了关于光本质的“波动说”，认为光是原子的波动，惠更斯（Christiaan Huygens，1629~1695）发展了这种思想，虽然“波动说”一度处于劣势，但托马斯·杨（Thomas Young,1773～1829）关于光的干涉研究与菲涅尔（Augustin.Fresnel，1788～1827）关于光的衍射的研究提供了光具有波动性的确凿证据，波动说逐渐为人认可，但是“微粒说”并没有因此消亡，越来越多的研究发现仅仅用“波动说”和“微粒说”之一不足以说明光的本质，将两者结合却具有更强的说明力，于是光的“波粒二象性”理论便产生了。

    1800年左右，英国化学家、物理学家道尔顿（John Dalton,1766~1844）在做实验时发现一个“奇妙”的现象，即某些物质总是按重量的简单比值相互化合。他认为：如果物质是无限可分的，这就很难解释，而如果物质是由原子构成的，就很容易理解了，因为原子具有质量，按质量的简单比值的化合就是几个原子之间的结合，他认为证实了原子的存在。道尔顿毕其一生创立了近代原子论，他认为化学元素是由不可分的微粒——原子——构成的；每种元素的原子性质和和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同；不同元素化合时，原子以简单整数比结合。1826年，英国植物学家布朗（Brown，1773~1858）用显微镜观察悬浮在水中的花粉时，发现花粉颗粒在水中做无规则的运动，而水却没有运动。他最初认为花粉是“活”的，然而他将无生命的颗粒放入水中时也会出现同样的现象，于是他否定了花粉是“活”的这个假设。后来，德耳索提出布朗运动是由大量分子不断撞击花粉造成的，这个假说在1905年得到了爱因斯坦研究的证实。19世纪后期，俄国化学家门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev，1834~1907）批判和继承了前人的工作，对大量的实验事实进行了订正、分析和概括，提出了元素周期表，对元素进行系统化，可以说达到了近代原子论的最高峰。当时的科学家有这样一种“悲观的”倾向，认为科学的大厦已经趋于完美，后人只能在这幢大厦上添砖加瓦。

3.现代原子论

    19世纪初，法拉第（Michael Faraday，1791～1867）为了描述电磁作用引入了“力线”的概念，这是现代物理学“场”的最初形态[9]。他认为在电荷和磁极周围空间充满了电力线和磁力线，电力线将电荷联系在一起，而磁力线将磁极联系在一起，电荷和磁极的变化会引起电力线和磁力线的变化，而且电磁感应是由于磁力线对导体发生作用引起的。通过一系列实验和反思，法拉第认为：磁力线有传播力的能力，而且磁力线的传播是需要时间的，他还认识到分布于一定空间范围的力线可以是独立于物体的客观实体。其后，麦克斯韦（James Clark Maxwell，1831~1879）建立了电磁理论，从数学上发展了“场”的理论。自从“场”的概念被引入，“原子图像”就不再是唯一描述世界的方式了，特别是现代物理学，将粒子图像和场图像相结合。

    从1895年伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，1845~1923）发现X射线开始，越来越多的新现象得不到原子论的满意解释，而单纯地将这些现象归于原子的固有本性是难以令人信服的，科学家们更情愿将这些现象和原子内部结构联系起来[10]。他们逐渐认识到：原子似乎并不是不可分的，没过多久，原子的大门就被无情地“撬”开了。科学家们欢呼雀跃，纷纷致力于原子结构模型的建立，英国物理学家汤姆生（Joseph John Thomson，1856~1940）于1897年证实了电子的存在，根据当时已有的知识他构造出原子的“葡萄干蛋糕”模型，认为原子就像附着了葡萄干（电子）的蛋糕那样；但是，他的理论并不能解释后来卢瑟福（Ernest Rutherford，1871~1937）的Alpha粒子散射实验中少数粒子偏转的现象，卢瑟福在汤姆生的基础上提出了原子的“行星系”模型，认为原子内部有一个原子核，电子围绕原子核旋转，就像地球围绕太阳运行一样；同样，卢瑟福的原子模型也不完美，它不能解释后来发现的氢原子光谱不连续现象，于是波尔（Niels Henrik David Bohr，1885~1962）又在卢瑟福的基础上提出了波尔原子模型。我们可以类比地认为：波尔的原子模型也并不完美，随着历史的演进，新现象的出现必定会孕育出新的原子模型。虽然原子被无情地“劈”开，但是原子的概念被保留下来沿用至今。如今我们更多使用的是粒子而非原子，但是其思想本质还是原子论的，它是那么的深入人心，以至于现代人都表现出对量子力学中的思想难以接受。

    对原子内部的发掘属于量子理论的研究范畴，我们没有必要为了了解原子而去研究量子理论。关键的是，从历史中我们可以看出，现代科学已经远远不像从前那样直观了，一方面我们需要经验（实验事实）作为质料，另一方面我们需要理性对理论进行建构。我们所相信的实在已不是那些日常所经验到的“切实”的事物，而是趋向于我们思辨出的“准完美”理念——科学理论描述的世界图景，之所以称之为“准完美”，是因为科学理论中的世界图景并不是一成不变的永恒完美，而是随着历史的进步不断凸显矛盾与消除矛盾的演化着的完美，它与柏拉图的理念最大的不同也就在于它是有科学实验的支持而不是纯粹思辨性的。

参考文献

1. 赵林.西方文化概论（修订版）.北京：高等教育出版社，2008
2. 赵林.西方哲学史讲演录.北京：高等教育出版社，2009
3. 邓晓芒，赵林.西方哲学史.北京：高等教育出版社，2006
4. 霍布森.物理学的概念与文化素养（第四版）.北京：高等教育出版社，2008
5. M·克莱因.西方文化中的数学.上海：复旦大学出版社，2004
6. 张密生.科学技术史.武汉：武汉大学出版社，2009
7. 李浙生.物理科学与认识论 .北京：冶金工业出版社，2004
8. 陈其荣.当代科学技术哲学.上海：复旦大学出版社，2006
9. 胡化凯.物理学史二十讲.合肥：中国科学技术大学出版社，2009
10. 史蒂夫·亚当斯.20世纪的物理学.上海：上海科学技术出版社，2006

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自贺磊科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-450173-410293.html

上一篇：“天赋”引来的思考（Insights into so-called "talent"）
下一篇：运动控制系统（Motion Control System）