人類是怎麼知道原子的存在?如何證明無法直接看到的東西存在?

2020-11-25 博科園
博科園：本文為物理學類

19世紀化學家約翰·道爾頓提出了一個非常有說服力的論點，並由此得出了一個驚人的認識：也許所有的物質(即stuff, things, objects)都是由很小的東西組成。這個概念已經斷斷續續地流傳了幾千年，古代文化當然知道物質是由更基本元素組成的這一普遍觀點(儘管他們對什麼才是元素有很大的分歧)，並且知道這些元素以有趣而富有成效的方式結合在一起構成了複雜的東西，比如椅子和啤酒。但在那幾千年裡，這個問題一直存在：

博科園-科學科普：如果我把一個元素分離出來，把它切成兩半，然後再把那兩半切成兩半，以此類推，最終會找到一個我再也不能切的最小元素嗎？還是會無限延伸？經過多年仔細研究，道爾頓發現了這些元素之間驚人的關係。有時候，兩種元素可以結合成不同比例的多種化合物，就像錫和氧一樣。但是在各種組合中，每個元素的比例總是減少到非常小的數字。如果物質是無限可分的，沒有最小的位，那麼任何比例都應該被允許。

圖2：基本粒子標準模型為宇宙提供了一個成分表。圖片：Fermi National Accelerator Laboratory, CC BY相反，他發現一定量的一種元素可能與等量的另一種元素結合，或者是其他元素的兩到三倍。道爾頓在所有情況下，在任何地方都只發現簡單的比例。如果物質最終是不可分割的，如果它是由原子構成的，那麼在組合元素時只允許簡單的比例。一百年後，這個關於物質的「原子」理論似乎並不完全荒謬。然而，其中最具挑戰性的事情之一是，如果原子真的存在，它們會小得看不見，你怎麼能證明你無法直接觀察到的東西存在呢？

圖3：鈹原子的結構：四個質子，四個中子和四個電子。圖片：general-fmv Shutterstock原子存在線索之一來自於新近建立的熱力學研究，為了理解熱機是如何工作的，以及伴隨而來的諸如溫度、壓力和熵等概念，物理學家們意識到，可以把氣體和液體看作是由幾乎無數微小、甚至微觀的粒子組成。例如，「溫度」實際上是測量所有這些氣體粒子撞擊溫度計的平均運動，將它們的能量傳遞給溫度計。這非常引人注目，阿爾伯特·愛因斯坦是這類物理學的狂熱愛好者。就像所有其他所熱愛的物理學一樣，愛因斯坦對它們進行了革命性的改革。

圖4：歐洲核子研究中心粒子加速器記錄的一個事件：三維視圖，顯示了從SM希格斯玻色子衰變到一對光子(虛線黃線和綠塔)的預期特徵)。圖片： McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration CERN, CC BY-SA他對布朗運動問題尤其感興趣，布朗運動最早是在1827年由羅伯特·布朗(Robert Brown)提出(因此得名)。如果把一顆大顆粒扔進液體裡，這個物體就會完全獨立地擺動和跳躍。經過幾次仔細的實驗，布朗意識到這與空氣或流體電流無關。布朗運動只是那些無法解釋隨機現象之一，但愛因斯坦從中發現了一條線索。通過把流體看作是由原子組成的某種東西，能夠推導出一個公式，來計算流體粒子的無數次碰撞會在多大程度上推動這種顆粒。

圖5：圖片：Shutterstock通過把這種聯繫建立在堅實的數學基礎上，他能夠提供一條從你能看到的東西(在給定的時間內，顆粒移動了多少)到你不能看到的東西(液體顆粒的質量)的路徑。換句話說，愛因斯坦給了我們一種稱原子的方法。就在人們對這些微小物質大小感到舒服的時候，他們認為這些必須是可能最小的東西，有人來把它複雜化了。與愛因斯坦並行工作研究的是一位極具天賦的實驗主義者，是物理愛好者們熟悉的J.J.湯姆森。在19世紀末，他被稱為陰極射線幽靈般的光束迷住了。

圖6：圖片：Shutterstock如果把幾個電極插在玻璃管裡，把所有的空氣從管子裡吸出來，然後加大電極上的電壓，就會得到一種沸騰的輝光，確切地說，是從陰極這個電極中發出來——陰極射線。這一現象給物理學家提出了問題，是什麼讓它發光？電荷——在當時，電荷被認為與電的概念有關，但在其他方面卻很神秘——是如何與這種輝光聯繫在一起的？湯姆森破解這個密碼的方法是：①製造出有史以來最好的dang真空管；②把整個裝置推進超強電場和磁場中。如果電荷以某種方式參與到陰極射線的研究中，那麼你最好相信它們會傾聽這些場。

圖7：中微子是一種亞原子粒子，它以接近光速的速度穿過宇宙。圖片：Shutterstock他們做到了，陰極射線在電場和磁場的作用下都會發生彎曲，很迷人！這意味著發光的部分與電荷本身相連；如果光以某種方式與電荷分離，那麼它就會徑直穿過，而不受電場的幹擾，這也意味著陰極射線和電是由同樣的物質構成。通過比較電場和磁場中光線的偏轉量，湯姆森可以推導出一些數學公式，並計算出這些電荷的一些性質。這就是J.J.湯姆森獲得諾貝爾獎的原因：這些「微粒」(用他的話說)大約比氫小2000倍，氫是已知的最輕的元素，因此也是最小的原子，這些「電子」(每個人都這麼說)真的很了不起。

圖8：圖片：Shutterstock這是由下一代科學家來解決湯姆森研究結果提出的難題。最重要的是：怎麼可能比原子還小？這對原子本身的結構意味著什麼？正是湯姆森的前學生歐內斯特盧瑟福、他的學生漢斯蓋格和歐內斯特馬斯登決定向金撞擊，看看會發生什麼。科學家們選擇了黃金，因為他們可以用這種材料製成非常薄的薄片，這意味著這群人可以放心，他們正在探索原子物理學。發射了非常小的子彈：阿爾法粒子，這是氦的帶電原子。這些粒子體積小、重量大、速度快，是完美的科學子彈。

當研究人員進行打靶時，大部分阿爾法粒子就像薄紙一樣穿過了金子。但每隔一段時間，粒子就會向隨機的方向傾斜。在很長一段時間裡(大約每20000個鏡頭中就有一個，是的，科學家們手動計算)，一個阿爾法粒子從金上彈回來，砰的一聲反彈回去。真神奇！這些小粒子告訴我們關於金原子的什麼？研究人員得出結論，唯一合理的解釋是，原子絕大多數質量都集中在一個非常小的體積裡。這個原子核一定帶正電荷。因為原子的總電荷必須是中性，所以電子必須非常非常小，在鬆散的雲中圍繞原子核旋轉跳舞。

所以，當阿爾法粒子爆開時，它們幾乎總是遇到一片空白。但一個極其不幸的粒子可能會掃過原子核，或者更糟，迎頭撞上原子核，從而極大地改變子阿爾法粒子的軌跡。因此，在道爾頓最後論證不可分割原子存在的近一百年後，當愛因斯坦提出一種直接測量這些原子的方法時，湯姆森和盧瑟福發現原子根本不是不可分割的，相反，它是由更小的比特組成。所以，在我們鞏固原子理論的同時，第一次嘗到了亞原子世界的味道，從那以後，事情變得更加豐富，粒子物理學的大門裡還有太多奧秘！

博科園-科學科普｜文: Paul M. Sutter（俄亥俄州立大學的天體物理學家）/space博科園-傳遞宇宙科學之美

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