物质动力论

用简单力进行相互作用的粒子的运动是否可能解释热现象？比如，在一定温度下，一个装有一定质量气体——空气的密闭容器，通过加热，我们提高其温度，从而使能量增加。但这种热量是如何与运动联系起来的呢？我们暂时接受的哲学观点及运动产生热量的方式都表明了这种联系的可能性。如果所有问题都是机械问题，热量就必须是机械能。 动力学理论 的目的是以这种方式呈现物质的概念。根据这一理论，气体是大量粒子或 分子 的聚集体，它们在各个方向上运动，相互碰撞，并随着每次碰撞而改变运动方向。就像在大型人类社区中存在平均年龄或平均财富一样，分子的平均速度也必须存在。所以，每个粒子都具有平均动能。容器中的热量更多意味着它的平均动能更大。因此，根据这幅图景，热量不是一种与机械能不同的特殊能量形式，而只是分子运动的动能。在任一确定的温度下，每个分子对应着一定的平均动能。其实，这不是一个随意的假设。如果我们希望得到一个不矛盾的物质机械图景，我们不得不将分子的动能视为气体温度的量度。

这个理论不仅仅是发挥一下想象力。我们可以证明，气体动力学理论不仅与实验相符，而且让我们对事实有了更深刻的理解。这可以通过一些例子来体现。

我们有一个由活塞塞住的容器，活塞可以自由移动。容器含有一定量的气体，并保持在恒定的温度。假设活塞一开始静止在某个地方，可以通过减重向上移或者增重向下移，那么，推动活塞向下的力必须抵抗气体的内部压力。根据动力学理论，这种内压的机制是什么呢？气体中的大量粒子在各个方向上移动。它们撞击着内壁和活塞，就像扔向墙壁的球一样弹回。这样，大量粒子的连续撞击与活塞和重物向下的重力相反，从而使得活塞保持在一定高度上。在一个方向上存在着恒定的重力，而在另一个方向上是来自分子的很多次无规律的撞击。若要达到平衡，所有这些施加在活塞上的小的不规律力的净效应必须等于重力的效应。

假设活塞被向下推，从而将气体压缩到原先体积的一部分，比如说一半，且其温度保持不变，那么根据动力学理论，我们可以期待什么呢？撞击力的效果会和之前差不多吗？这些粒子现在更紧密地挤在一起。尽管分子的平均动能仍然不变，但这时粒子和活塞的碰撞将会更加频繁，因此合力将更大。从动力学理论提出的这幅图景中我们可以清楚地看出，为了将活塞保持在较低的位置，需要有更多的重量。这个简单的实验事实是众所周知的，但它的预测逻辑上来自物质的动力学观点。

我们来考虑另一个实验装置。取两个含有等量不同气体的容器，如氢气和氮气，二者都处于相同的温度。假设两个容器都用相同的活塞堵住，其上具有相同的重量。简单地说，这意味着两种气体具有相同的体积、温度和压强。由于温度是相同的，根据物质动力学理论，每个粒子的平均动能也相同。由于压力相等，两个活塞受到的撞击的合力相等。平均而言，每个粒子携带相同的能量，并且两个容器具有相同的体积。因此，尽管气体在化学上是不同的，但 每个容器中的分子数必须相同 。这个结论对于理解很多化学现象至关重要。这意味着在特定温度和压力下，一定体积中的分子数是特征性的，这不是对某种特定气体而言，而是对所有气体如此。令人惊讶的是，动力学理论不仅预测了这个通用数的存在，而且使我们能够确定它。我们很快就会回到这一点。

物质动力学理论定量和定性地解释了通过实验确定的气体定律。此外，该理论不仅适用于气体，虽然它是在这一领域取得最大成功的。

气体可以通过降低温度而液化。物质的温度下降意味着其中粒子的平均动能降低。因此很清楚的是，液体粒子的平均动能小于相应的气体粒子的平均动能。

液体中的粒子运动的显著表现是由所谓的 布朗运动 给出的，这种奇异的现象在没有物质动力学理论的情况下仍然是非常神秘且难以理解的。它首先由植物学家布朗观察到，并在80年后，于20世纪初得到解释。观察布朗运动所需的唯一装置是显微镜，甚至不需要特别好的。

布朗当时在研究某些植物的花粉粒，即：

非常大的粒子或颗粒，长度从4‰到5‰英寸不等。

他进一步报告：

在研究这些颗粒浸入水中的形态时，我观察到其中许多颗粒明显处于运动状态……经过反复地观察，这些运动使我确信，它们既不是源于液体中的水流也不是源于水的逐渐蒸发，而是来自粒子本身。

布朗观察到的是悬浮在水中的颗粒通过显微镜看时，不断翻滚的状态。这是多么令人印象深刻的一幕！

特定植物的选择对这一现象至关重要吗？布朗通过许多不同植物的重复实验回答了这个问题，他发现所有的颗粒，如果足够小，悬浮在水中时都会表现出这种运动。此外，他在无机和有机物质的极小颗粒中也发现了同样不安定、不规则的运动。即使是在狮身人面像的一个碎片上，他也观察到了同样的现象！

这个运动应该如何解释呢？它似乎与之前的所有经历相矛盾。假如我们每隔30秒检查一个悬浮颗粒的位置，就会发现其路径的奇妙表现。令人惊奇的是，这个运动具有看似永恒的性质。如果没有外力的推动，放置在水中的摆锤很快就会停下来。一个永不衰减的运动的存在似乎与所有经验相悖。这一难题很好地被物质动力学理论阐明。

即使是用最强大的显微镜观察水，我们也无法看到物质动力学理论中描述的分子运动。我们一定可以得到这样的结论：如果关于水是粒子集合的理论是正确的，那么粒子的大小一定超出了最佳显微镜的观测能力。不管怎样，让我们坚持这个理论，并且假定它与真实图景一致。通过显微镜可以看到的布朗运动的粒子受到更小粒子的撞击，这些更小的粒子是构成水的一部分。如果撞击的粒子足够小，布朗运动就是存在的。它之所以存在，是因为这样的撞击不是各方向均匀的，且无法被平均掉，这源于它的不规则性和随意性。因此，观测到的运动就是不可观测运动的结果。大粒子的表现在某种程度上反映出微粒的运动，可以说，构成的放大倍数很高，足以让我们通过显微镜看到。布朗粒子路线的不规则性和随意性反映出在组成物质的更小粒子的路线中存在着类似的不规则性。由此我们明白，布朗运动的定量研究可以使我们更深地领悟物质动力学理论。很显然，可以看到的布朗运动取决于看不到的撞击微粒的大小。如果撞击微粒没有达到一定的能量，或者换句话说，如果它们没有质量和速度，那么根本就没有布朗运动。因此，研究布朗运动可以确定分子的质量并不令人感到惊讶。

通过理论和实验的艰苦研究，动力学理论的定量特征形成了。来自布朗运动现象的线索是得到定量数据的线索之一。同样的数据可以用不同的方式获得，从非常不同的线索开始。所有这些方法支持同一个观点是最重要的，因为它证明了物质动力学理论的内部一致性。

这里我们只提及从实验和理论得出的众多定量结果中的一个。假设我们有1克所有元素中最轻的元素——氢，问：这1克中有多少个分子？答案不仅可以表征氢气，还可以表征所有其他气体，因为我们已经知道在哪种条件下两种气体具有相同数量的分子。

这个理论使我们能够从悬浮粒子的布朗运动的某些测量中回答这个问题。答案是一个惊人的数字：3后面跟着23个数字！1克氢中的分子数是：

303，000，000，000，000，000，000，000。

想象1克氢气分子，它们的尺寸增长到可以通过显微镜看到：比如，直径变成1/5000英寸，如同布朗粒子的直径。然后，为了使它们紧密地装在一起，我们还必须使用一个盒子，盒子的每个边长大约是1/4英里！

我们可以用1除以上面的数字，容易地计算出这样一个氢气分子的质量。答案是一个极其微小的数字：

0.0000000000000000000000033克。

这表示一个氢气分子的质量。

关于布朗运动的实验只是确定这个数字的诸多独立实验中的一个，这个数字是物理学中的一个重要部分。

在物质动力学理论及它所有的重要成果中，我们看到一般哲学过程的实现：把一切现象都简化为物质粒子之间相互作用。

我们总结如下

在力学中，如果我们知道一个运动物体的当前状态和作用在它上面的力，那么它的未来路径就可以被预测，而它的过去也可以被揭示。例如，所有行星未来的路径都可以被预测，作用于其上的力是只与距离有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果表明，机械观可以一贯地应用于物理学的所有分支，所有现象都可以通过吸引力或排斥力的作用来解释，它们仅与距离有关，且作用在不变的粒子之间。

在物质动力学理论中，我们看到这种观念是如何在机械问题中兴起，怎样把热现象囊括进去，以及如何形成一幅成功的物质结构的图景。 fn7K33IXutVT0PRkTMAbjnO2MkXiNLvWffbB0qmWo1cy/qNe0RurAqGln15I0nQd