原子论战

编者按

1869年，关于物质组成的原子理论仍旧没有得到确定性的验证，尽管这一理论已经由英国人约翰·道尔顿提出达60年之久。这篇短文综述了人们对原子理论的各种支持意见和反对意见。正如道尔顿当初说的，原子理论揭示了许多分散的、令人困惑的现象背后的规律。原子理论可以解释定比定律（自然界所有化合物中的各种组成元素之间总是存在简单的比例），通过原子理论也可以解释为什么各种元素在气态时都具有相似的比热容（温度变化对于供热的依赖程度）。不过，本文最后还是认为，关于原子理论的这些论述都只是描述性的，尚未得到证实。英文

人类历史上最值得注意的情况就是，我们在任何时候都应该从天空而不是从大地去探求人类问题的解决之道。60年前发生了一件证实这个真理的令人难忘的事例，道尔顿先生藉由恒星获得灵感，解释了化合物组成的基本现象。碳和氧以一定的比例结合形成“碳酸”，不管是用什么原料来制备碳酸这种化合物，其中碳和氧的比例都是恒定不变的。但是碳和氧还能形成另一种叫作“一氧化碳”的化合物，这种气体的火焰是蓝色的，就像我们经常在火中见到的那样。尽管一氧化碳来源广泛，但和碳酸一样，不同来源的一氧化碳在组成上总是完全相同的。这两个例子说明了什么是定比定律。但是道尔顿的研究更进了一步，他发现对于一定质量的碳，“碳酸”中氧的量是一氧化碳中的两倍。还有几个类似的例子，由两种元素组成的多种化合物，当其中一种元素的质量一定时，另外一种元素的量可能相差一倍、两倍甚至三倍，于是道尔顿提出了倍比定律。实际上，问题在于如何解释这些定律。他很快作出猜测：物质是由很小的颗粒或者不可再分的微粒组成的，这些颗粒不能再被分解成更小尺度的颗粒。物质不能被无限分割，肯定存在某种界限。作为一名化学家，他应该会批判下面这首著名的小诗：英文

大蚤生小蚤，蝇蝇啮其背；
小蚤复微蚤，夫何有止归。英文

他说：“即使分割得非常小，微粒的数目也一定是有限的，就像在一定的宇宙空间内行星和恒星的数目是有限的一样。我们可以试图向太阳系中引入一颗新的行星，或者毁掉其中一颗已存在的行星，同样地，我们也可以创造或剔除一个氢粒子。”所有的物质都是由原子构成的，这些原子就像天体一样相互吸引而又保持一定的距离。不同化合物中原子的质量、大小以及相互间的引力是不同的。但因为原子是不可再分的，所以我们必须设想所有的化学反应发生在原子之间，并且一种特定原子的质量是不变的。假设碳原子的质量是5，氧原子的质量是7。一氧化碳分子包含一个碳原子和一个氧原子，因此，它的质量肯定恒定为一个碳（5）与一个氧（7）之和。同理，碳酸分子的质量一定为一个碳（5）与两个氧（14）之和。由此，道尔顿通过一个简单的假设解释了前面提到的两个定律，同时，他显然还希望他的理论被当作将来所有分析结果的标准或参照，并且他已把这视为化学工业的起源。英文

这就是道尔顿伟大的原子论。虽然它建立在错误的数据之上，但其中包含了正确理论的萌芽。它立志征服无数的困难，引领化学精神的荣衰。英文

我们就不去回顾原子论的历史细节了。伯齐利厄斯以原子论为起点进行了研究，总体上来说，他的这些研究的应用价值还未被超越，他还在原子论的基础上衍生出了著名的电子学说。戴维和法拉第拒绝接受原子论。洛朗和凯哈德则半信半疑，确切地说是认可经过了很大修正后的原子论。亨利则声称原子论并非建立在归纳学的基础之上。然而，毫无疑问原子论已被大部分科学家接受，这只要大致浏览一下目前这方面的科学文献就知道了。这里我们简单总结一下关于原子论的探讨，以供那些对上周四化学学会举行的讨论感兴趣的读者参考。英文

原子论的现代支持者同意前面所述的道尔顿的基本假设，同时他们声称拥有说服力更强的证据。气体化合现象和比热方面的研究确实改变了原子论的数值形式，但并没有改变其本质。我们积累的有关化合比例的所有结果都非常简单，这本身就是原子存在的强力论据。例如，它们都具有同样的热容；处于气态时它们的体积都是单位质量氢气体积的偶数倍。但实际上，就像我们看到的，游离态或非化合态的物质在大多数情况下是由许多原子团（分子）而非单个原子组成。实验表明，处于气态时它们具有相同的体积，这就证明了分子的存在。再者，我们挑选一些有水生成的化学方程式，通过比较、消约可以推算出水的最小组分，我们发现其分子量是18。根据这一结果，很自然地可以推测：氧（16）在水（18）中是个不可分割的量。另外一个例子也能够说明这个观点：如果向盐酸中加入苏打，无论苏打的用量是多少，反应都只能产生一种化合物（食盐）。现在我们知道这个例子中发生的反应就是氢被钠替换了。但如果假设氢是无限可分的话，那么通过控制用量应该能够产生多种多样的交换，从而产生无数种由氢、氯、钠形成的化合物，盐酸只是反应这一侧的终点，食盐（氯化钠）是另一侧的终点。可是这种现象从来都没有发生过。可以肯定，物质要么是无限可分的要么是有限可分的，既然现在已经证明不是前者，那么必然只能是后者了。因此，可以肯定原子是确实存在的，并且化合反应的结果与其他任何假设都是不相吻合的。那些持有相反意见的人，必须提出另一种可以更好地解释这些现象的理论。英文

现在让我们听听反对者的意见。英文

毫无疑问原子论对科学是极有帮助的，因为如果不是用原子论的形式表述出来，倍比定律和定比定律的法则恐怕就不会受到应得的重视。但是，我们必须将这两大法则与原子假设加以区分，前者是对实验事实的简单描述，而后者在历史上先于两大法则出现，因此它们之间并无必然联系。道尔顿接受的只是古希腊的原子论而已。原子论者从来都没有得到过无法分割的物质。再者，如果我们别无选择而只能承认物质的无限可分性的话，那么这与物质化合中的简单比例也是相符合的，因为两种或两种以上的无限可分物之间也可以有一个有限的确定的比例。因此，就化合过程中观察到的简单比例来说，两种理论都能解释。很可能，我们把物质和分割这两个概念联系起来本身就是完全错误的。至少从来没有证明这种联系的正确性。另外，原子论虽然能够解释食盐形成的现象，但它并未告诉我们为什么酒石酸中只有三分之一的氢可以与钠交换，还有为什么大多数有机物中只有一部分氢可以这样交换。作为一种正确的理论，不但要能解释已经发现的某种现象，同样也要能够解释其他的现象。总体来说，原子论似乎就是要求我们坚信存在分割的极限，但我们从来没有感到过这种极限的存在，事实本身也并没有使人们想到极限这一概念。可以说，道尔顿只是从哲学那里借来了分割的极限这个想法。我们并未声称已经解释了化学结合过程中明显的简单比例，这要等待可能出现的实验性的解释。原子论者自从提出他们理论的那天起就背负着提供证据的责任，他们必须证实这一理论。英文

上面概述了目前原子论战的各方的观点，可能会有助于人们形成自己对原子论的评价。上周四的讨论中众人的观点可能使一些与会人员受惊了。我们的立场必须保持中立，但是有一点大家达成了共识，就是在论战双方之间存在着一条鸿沟，它比刚出现时更深、更宽，或许根本无法架通。英文

（高如丽　翻译；汪长征　审稿）