希腊古物理学家德谟克利特对物质的独特见解解答了科学界的疑惑

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：第一个提出并且试图解答这个问题的人是大约2 300年以前居住在雅典的古希腊物理学家德谟克利特。所有物质都是由相同的特定原子组成的。与此观点不同的是一个与德谟克利特同时代名叫恩培多克勒的人，他认为有很多种不同种类的原子以不同的比例混合，形成了各种各样的已知物质。至于古人曾认为的可以进入植物的物质结构的“火原子”，其实是不存在的。

在分析各种物体的性质时，先从一些“正常尺寸”的熟悉物体入手是个很不错的方法，然后逐步深入它的内部结构，从而寻求人们肉眼看不到的物质特性。那么现在我们从餐桌上的一碗蛤蜊杂烩开始讨论，我们选择蛤蜊杂烩作为开始倒不是因为它的美味和营养，而是因为它是一个为人熟知的混合物例子，甚至不用显微镜你就能看出它是由大量不同成分组成的混合物：小蛤蜊片、洋葱片、西红柿，还有芹菜、土豆丁、胡椒粒、肥肉末和加了盐的水。

我们在日常生活中遇到的大多数物质，尤其是有机物，都是混合物，虽然大多数时候我们需要借助显微镜才能确认事实。比如，只用一个低倍放大镜就能让你看出牛奶是一种由一些小滴奶油悬浮在均匀的白色液体中形成的乳状液体。

在显微镜的观察下，普通的园林土壤是由石灰石、高岭土、石英、氧化铁等矿物和盐类微小颗粒与各种来自腐朽植物和动物的有机物混合而成的精细混合物。那么，如果我们把一块普通的花岗岩表面打磨抛光，我们应该可以一下子就看到这个石头是由三种不同的晶体（石英、长石和云母）牢固地结合在一起而形成的固体。

在我们对物质内在结构的研究中，分析混合物质的构成只是第一步，就像是一台正在下降的楼梯所到达的第一层，在这种情况下，我们可以准确地对混合物中的每种均质成分进行研究。比如一段铜丝、一杯水或者房间内的空气（当然不考虑悬浮的灰尘在内）这样非常均匀的物质，即使用显微镜也观察不出一丝它们是由不同物质组成的迹象，而且它们的内部成分始终是均匀而连续的。的确，几乎每种像铜丝这样的固态物质（除了玻璃制品一类的非晶体外），在高倍放大镜下都会显示出所谓的微晶结构，但我们在均质材料中看到的单晶体都是同一类型的——铜丝中的铜晶体、铝锅中的铝晶体等——就像在一团压缩得很紧的食盐中只能找到氯化钠晶体一样。利用一种特殊的技术（慢结晶），我们可以把食盐、铜、铝或者任何其他均质物质的结晶体积增大，并且这种“单晶”物质像水或玻璃一样均质。

我们能否通过肉眼或者最好的显微镜进行观察，并以此作出合理的假设呢？是否可以假设这些均匀的物质无论被放大多少倍都不会变样呢？换句话说，我们能不能相信无论这一块铜、一粒盐有多小，或者我们的水有多么少，它们都和大体积物质拥有同样的性质，而且总是可以进一步细分成更小的部分呢？

第一个提出并且试图解答这个问题的人是大约2 300年以前居住在雅典的古希腊物理学家德谟克利特。他的答案是否定的，他更倾向于相信：无论所给物质看起来多么均匀，都是由大量（他不知道具体多大）独立的非常小（他也不知道多小）的粒子组成的，他称之为“原子”或“不可分割物”。这些原子或者不可分割物，在各种各样的物质中数量不同，但各种物质的性质不同只是表象，而不是本质。事实上火的原子和水的原子是一样的，不同的只是表现形式。所有物质都是由相同的特定原子组成的。

与此观点不同的是一个与德谟克利特同时代名叫恩培多克勒的人，他认为有很多种不同种类的原子以不同的比例混合，形成了各种各样的已知物质。

根据当时已知而尚不完备的基本化学事实进行推理，恩培多克勒对应着四种不同的所谓基本物质提出四种不同类型的原子：石头、水、空气和火。

按照这个观点，用土举例，土壤是由紧密结合在一起的石头原子和水原子混合在一起，混合得越好，土质就越好。生长在土中的植物把石头原子、水原子和从太阳照射中获得的火原子结合在一起，形成木头的复合分子。当水分子蒸发后，木头就成了干柴，干柴的燃烧被看作把木分子变成原来的火原子和土原子的分解；火原子由火焰排除，剩下的土原子就是灰烬。

我们知道这样去解释植物的生长和木头的燃烧，在科学发展的萌芽期看似合乎逻辑，但实际上却是错误的。现在我们知道，植物生长所需要的大部分物质并不像古代人和一些现代人所想的那样来自土壤，而是来自空气。土壤本身，除了作为支撑和保存植物生长所需水分的水库以外，只提供一小部分植物生长所必需的盐类，实际上，只需要顶针那么小的一块土地就可以种出一株像玉米那么大的植物。

事实上空气是氮气和氧气的混合物（而且并不是古人所想的那种简单的基本组成），另外也含有一定量的由氧原子和碳原子组成的二氧化碳。在阳光的作用下，植物的绿叶以大气中吸收来的二氧化碳与根系吸收来的水分，反应生成各种有机物用以构成植物本身，产生部分氧气排回到大气中，所以事实上在“室内种绿植可以让空气变新鲜”是有道理的。

木头燃烧时，木头分子再次和空气中的氧气结合，在火焰中重新变成二氧化碳和水蒸气分解出来。

至于古人曾认为的可以进入植物的物质结构的“火原子”，其实是不存在的。阳光只提供分解二氧化碳分子所需的能量，从而形成这种可以在植物的生长过程中被消化的气体养料；并且，因为火原子并不存在，显然他们所说的“逸出”并不是火产生的原因；火焰是一股被加热的气体物质，其由于在燃烧过程中释放出能量而变得可见。

现在让我们用另一个例子来说明古代化学和现代化学观点的不同。当然，你肯定知道各种金属是通过在高温熔炉里熔炼相应的矿物所得到的。刚开始的时候这些矿石和其他普通的岩石看起来没有什么不同，因此古代的科学家简单认为这些矿石和其他石头一样由石头原子组成是意料之中的事。然而当他们把一块铁矿石放进烈火中时，他们发现有和普通石头完全不同的东西产生了——一种可以制造上好的刀和矛头的坚硬且有光泽的物质。用最简单的方式去解释这种现象就是金属是由石头和火结合而成的——换句话说，金属原子结合了石头原子和火原子。

因此大体上所有的金属都可以被这样解释，他们解释说不同的金属之所以有不同的性质，比如铁、铜和金，是因为组成它们的石头原子和火原子的比例不同。显然闪闪发光的黄金比黑色的铁含有更多的火原子，不是吗？

但是如果真的是这样的话，那为什么不再往铁里加入更多的火原子，或者不如干脆往铜里加火原子，这样不就能让它们变成贵重的黄金了吗？因此，中世纪那些炼金术士在烟雾缭绕的炉子上耗费了他们大部分的生命，毕生都企图用更便宜的金属来制造“合成黄金”。

从他们的观点来看，他们所做的事情就和现在的化学家致力于找到一种生产人造橡胶的方法一样有道理。他们的理论与实践上的谬误都在于他们认为黄金和其他金属是合成的，而不是基本物质。

但是不通过实验，又怎能知道哪些是基本物质，哪些是合成物质呢？如果不是这些早期化学家试图将铁或铜变成金或银的徒劳，我们可能永远不会知道金属就是基本的化学物质，含金属的矿石是由金属原子和氧结合而成的复合物（现代化学家称之为金属氧化物）。

铁矿石在炼铁炉的高温下变成金属铁的过程并不是像古代化学家所想的那样是原子的结合（石头原子和火原子），实际上恰恰相反，这是不同原子分离的结果，也就是说，从金属氧化物的复合分子中除去了氧原子。暴露在潮湿空气中的铁制物表面之所以会出现铁锈，并不是铁在分解过程中失去了火原子而剩下了石头原子，而是空气或者水中的氧原子和铁原子结合产生了金属氧化物的复合分子^[1]。

显然，从以上的讨论中可以得出古代科学家对物质内部结构以及化学变化本质的解释基本上是正确的，他们的错误在于对基本物质概念理解有误。事实上恩培多克勒所列出的四种物质没有一个是基本的；空气是几种不同气体的混合；水分子由氢原子和氧原子组合而成；岩石的组成非常复杂，包含了大量不同的基本物质；火原子根本就不存在^[2]。

实际上自然中存在着不止4种而是92种不同的基本化学元素，即92种原子。其中一些元素，像氧、碳、铁和硅（大部分岩石的主要组成元素）等在地球上大量存在，而且对每个人来说都很熟悉，其他的则非常少见。你可能从来也没有听过像镨、镝或镧这样的基本元素。另外除了这些天然的基本元素以外，现代科学还造出了一些全新的人工化学元素，在本书的后面会提到它们，其中有一种叫钚，无论是用于战争还是和平，它都在原子能的释放上起到重大作用。将这92种基本原子以不同比例结合，就组成了无穷无尽的各种化学物质，比如水和黄油、食用油和石油、石头和骨头、草药和TNT炸药，还有很多其他像三苯基吡啶氯化物和甲基异丙基环己烷族这样为化学家们所熟知，而大多数人一生可能连读都不会去读的物质。目前，关于总结化合物的制备方法和性质，包括有关原子间无穷尽的组合情况的化学手册正在一卷接一卷地被编写着。

希腊古物理学家德谟克利特对物质的独特见解解答了科学界的疑惑

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