发现物质的本质

物质的原子说（或者分子）说作为假说在古希腊就有了，但那仅仅是假说而已，更像是一个哲学概念，而且一开始人们对分子和原子的定义也不是很清晰，经常混淆这两个概念。近代物质结构的理论和古代的原子说其实没有什么关系。到了18世纪，出现了化学，拉瓦锡等人发现了各种元素，而元素可以构成化合物，但是他们依然不知道化合物分子的概念。1799年，法国化学家约瑟夫·普鲁斯特（Joseph Proust，1754—1826）发现了定比定律，即每一种化合物，不论是天然的还是合成的，其组成元素的质量比例都是整数。随后，英国化学家道尔顿（John Dalton，1766—1844）在得知普鲁斯特的定比定律后意识到，这说明各种物质存在一些可数的最小单位，不会出现半个单位。道尔顿认为，这些最小单位就是原子，而不同质量的原子代表不同的元素。当然，道尔顿还不知道区分分子和原子。

道尔顿的原子论从逻辑上可以解释物质的构成以及各种化学反应的原因，但是他无法通过实验证明这种粒子的真实存在，因为物质的分子小得看不见，即使用显微镜也看不到。

最初通过实验证实分子存在是靠间接的观察。1827年，英国生物学家罗伯特·布朗（Robert Brown，1773—1858）在显微镜下看到了悬浮于水中的花粉所做出的不规则运动，即后来以他的名字命名的布朗运动。布朗起初以为自己发现了某种微生物，但后来证明并非如此。在随后的几十年里，科学家对布朗运动提出了各种各样的解释，最后大家一致认同，花粉的运动是由构成水分子的随机运动撞击导致的。

当然，这种解释虽然合理，但依然是假说，如果水分子存在，就需要对它们进行定量的度量，才有说服力。1905年，爱因斯坦推导出了布朗粒子扩散方程，他根据布朗粒子平均的位移平方推导出这些粒子的扩散系数，再根据扩散系数，推导出水分子的大小和密度（单位体积有多少水分子）。虽然爱因斯坦当时的计算结果相比今天更准确的测定来说并不很准确，分子的体积估计过大，运动速度估计过慢，但是他的理论与以往的气体分子运动的理论和实验结果相吻合。从此，分子说才算确立下来。几年后，法国物理学家佩兰（Jean Perrin，1870—1942）利用爱因斯坦的理论进一步证实了分子的存在，并因此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。今天，利用柯尔莫哥洛夫的概率论理论，以及随机过程中的邓斯克定理（Donsker's theorem），能够证实水分子运动导致的花粉布朗运动和观察到的结果（花粉位移的速率和距离）完全吻合。

在了解了分子和原子之后，人们就开始好奇原子是由什么构成的。当然，没有一种直接的方法可以观察原子的内部结构，不过，著名的实验物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）巧妙地找到了一种间接了解原子结构的实验方法。这个方法原理并不复杂。为了说明它，我们不妨打一个比方。假如我们想知道一个草垛里面到底有什么东西——它是实心的，还是空心的，抑或是部分实心的？一个简单的办法是用机枪对它进行扫射。如果所有子弹都被弹了回来，那么我们就知道这个草垛是实心的；如果所有子弹都不改变轨迹穿了过去，那么草垛里面应该就是空的。卢瑟福把原子想象成那个草垛，只不过他用来“扫射”的是一把特殊的枪—α射线。1909年，卢瑟福用α射线轰击一个用金箔做的靶子，他之所以采用金铂做靶子，是因为金的比重比较大。当时人们猜想它的原子应该比较大，容易被α射线命中。卢瑟福在实验中发现，既不是所有的粒子都穿过了金箔，也不是所有的粒子都被弹了回来，其大部分穿了过去，个别的被弹了回来或者被撞歪了（大约占总数的万分之一）。这说明原子核内部既不是完全空心的，也不是完全实心的，而是大部分区域是空的，但是中间有一个很小的实心的核。卢瑟福把中间高密度的核称为原子核，后来发现原子核的周围是密度质量极低的电子云。由于原子核的体积很小，直径只有原子的几万分之一，相当于在足球场中央竖起的一支铅笔，因此，卢瑟福要想找到那些被反射或者溅射的α粒子成像的照片，其实非常困难，除了大量拍摄照片，似乎也没有更好的办法。卢瑟福的实验持续了两年左右，一共拍了几十万张照片，才得到足够多的、能够说明问题的α粒子被反射和溅射的照片。1911年，卢瑟福终于完成了这项马拉松式的实验，并且揭开了原子内部的秘密。后来他因此获得诺贝尔化学奖，并且得以用他的名字命名原子的模型。

为了了解构成原子核的基本粒子是什么，1917年，卢瑟福又用α射线轰击质量较小的氮原子，他发现氮原子核被击碎后得到了一堆氢气的原子核。于是，他得到一个结论：氢原子核是构成所有原子核的基本粒子，这种粒子被称为质子。

卢瑟福的助手查德威克（James Chadwick，1891—1974）进一步发现，氮原子的质量数是14，也就是说是氢原子核的14倍，但它只有7个电子。这样一来，很多物理学现象就解释不了了。如果按照具有一个质子、一个电子的氢原子来推算，每个质子所带的正电荷和电子所带负电荷应该相等，才能达到原子携带电荷的中性。但是，如果按照氮原子推算，它的原子核里有14个质子，但是外围只有7个电子，每个质子的电量只能是电子的一半，这就产生了矛盾。为了解释这个现象，卢瑟福和查德威克认为在原子核中可能会有一种不带电、质量和质子一样大的基本粒子，他们将它取名为中子，即电荷中性的意思。

因为中子不带电，所以很难通过实验观测到。15年后，也就是1932年，约里奥–居里（Frédéric Joliot-Curie，1900—1958）和伊雷娜·约里奥–居里（Irène Joliot-Curie，1897—1956）夫妇（居里夫人的女婿和女儿），用α射线轰击铍、锂、硼等元素，发现了前所未见的穿透性强的辐射。不过，他们误以为是伽马射线。卢瑟福与查德威克在得知这个消息后，认为小居里夫妇的解释不合理，他们所发现的应该是自己设想的中子。而远在罗马的埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana，1906—1938）也得出了同样的结论：约里奥–居里夫妇发现了中子却不知道。为了抓紧时间证明中子的存在，查德威克停掉了手中所有的工作，设计了一个证实中子的简易实验，并且不分昼夜地干了起来。查德威克先向《自然》杂志投了一篇简短的论文，从理论上讲述了中子存在的可能性，三个月后（1932年5月），他又通过实验证实了中子的存在并计算出它的质量。至此，原子的模型才变得完美起来。几乎就在查德威克发现中子的同时，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958）和小居里夫妇，也证实了中子的存在并且计算出了它的质量。在这三组人中，以小居里夫妇的计算最为准确。不过，1935年，关于中子发现的诺贝尔物理学奖还是授予了查德威克，小居里夫妇则因在放射性研究上的贡献获得了当年的化学奖，劳伦斯则在4年后因为发明回旋加速器获得了诺贝尔物理学奖。

中子的发现再次说明，重大的科技发现常常是水到渠成的结果，而非一两个天才偶然的灵感。即使某个科学家错失了一两次机会，同时代其他的科学家也会得到相应的发现。

质子和中子统称为强子，它们的内部结构一直到1968年才被破解，因为在此之前的实验设备不足以将强子打开。1968年，斯坦福线性加速器中心（SLAC）证实了质子中存在更小的粒子——夸克，从而证实了4年前（1964）美国物理学家穆里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）提出的夸克模型的正确性。

接下来，科学家又想搞清楚夸克的内部是什么，于是他们又用卢瑟福当年的老办法，使用极高速的粒子去轰击夸克，最后发现，夸克内部空无一物。也就是说，夸克是构成宇宙的不可再分的基本粒子之一，事实上，它是高速旋转的纯能量。基于这种认识，物理学家最终构想出一个关于宇宙万物的标准模型，里面包括一些夸克和轻子（比如电子）等基本粒子，它们通过几种作用力结合在一起，形成了宇宙。也就是说，对于物质，不论怎么分，最终总会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。而每一种这样的粒子，其质量都是零，也就是说里面空无一物。因此，宇宙是纯能量的。

讲到这里大家可能会有一个疑问，如果宇宙是纯能量的，那么物质从哪里来？其实早在一个多世纪之前，爱因斯坦就告诉我们E＝mc2，也就是说，我们看到的物质其实只是能量的一种表象而已。当然，这样一来，大家可能更疑惑了，既然能量是虚无缥缈的，如果物质源于能量，那么它为什么会有质量、形状和体积？其实，人类在发现夸克之前，就了解到一些基本粒子的静质量为零，并且试图解释这种现象。1964—1965年，弗朗索瓦·恩格勒（Fran??ois Englert）和彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一种解释质量产生的假说——希格斯机制（Higgs mechanism）。根据希格斯等人的理论，宇宙中有一种场（希格斯场），像胶水一样将基本粒子粘在一起，使它们有了质量和体积。这个理论非常完美，因此，物理学界后来接受了这种想法。但是证实希格斯等人的理论，花了近半个世纪的时间。2012年，欧洲核子中心发现了希格斯玻色子，证实了希格斯场的存在。2013年，恩格勒和希格斯因此荣获诺贝尔物理学奖。

有趣的是，爱因斯坦的质能关系式最早的表述为m＝E/c2，也就是说，他告诉我们质量的来源是能量，可见其深刻洞察力远超同时代的人。不过，后人将物质转化成能量时，将这个公式写成了E＝mc2。今天我们利用这个公式制造核反应，物质再变成能量，不过是大自然创造宇宙物质的逆过程而已。

爱因斯坦这个简单而深刻的公式，不仅和牛顿第二定律F＝ma共同被认为是物理学上最漂亮的两个数学公式，而且告诉人类密度最高的能量的来源，即将质量变成能量。