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1827年的夏天，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）从一些紫色的克拉花（Clarkia pulchella）的花心中采下花粉，并与水滴进行混合。通过他的黄铜显微镜观察，布朗注意到了很奇怪的事情。在他的镜头下，细碎的花粉涂片漂浮在湿润的介质上，看起来似乎正在颤抖。
布朗很自然地认为，这种振动是花粉自身产生的。他在笔记本上写下：“不是由水流产生，也不是由缓慢蒸发产生，而是源于颗粒自身。”和他那个时代的很多科学家一样，他深受古希腊哲学—科学家们的影响，确信有机体中存在着一种神奇的力量，可以形成生命。或许他眼前看到的，实际上就正是生命的本质！
不过作为一位严谨的科学家，布朗为了验证他的猜想，还试验了其他一些花粉和孢子，用“绚丽的动作”一词记录了碎屑的振动。然而令他吃惊的是，在悬浮液中，没有生命的物质和生物样品一样，也会出现颤抖——石棉纤维、金属粉末，甚至来自斯芬克斯像的石头碎屑样品，都是如此。这些样品通常来讲都不具备神奇的生命力量，只是都有液体围绕着它们而已。
我们现在都已经知道这些运动确实是由微粒所引起的，但这些微粒比起布朗通过简易显微镜看到的那些颗粒可要小上数千倍。为了跟上当时的时尚，他将这些振动的微粒称之为“分子”，因为“分子”一词从字面上翻译就是“很小的东西”，所以他命名的术语从技术上说是很精确的。然而，他真正看到的其实是不可见的水分子对那些悬浮颗粒的猛烈冲击。从某种意义上讲，他也看到了自己。在我们所有人的身体里，正是因为分子的这种“动荡”，才让我们能够活着，就像传说中那神奇的力量一般。
这种运动在亚显微镜的尺度下发生，因此罗伯特·布朗的设备并未达到真正的观察深度。他所观察的颗粒几乎是不可见的，可能也就是直径1微米左右，或者说是指甲厚度的千分之一。动荡的水分子比起这些来，还要小上几万倍，甚至比光的波长还要小——而光线是让我们能看到事物的原因。如今，比光学显微镜更为强大的电子显微镜给分子和原子制作了生动的图片，但并非是真正意义上的照片，因为这已经超出“可见”的正常范围了。它们只是窥探了分子或原子的位置和形状，就像一个读取黑胶唱片凹槽的留声机针头一样。但是尺度小并非是分子和原子难以被观察的唯一原因，还有一个重要问题是它们并非是想象中那样静止不动。
在2013年，IBM的一个研究团队为了拍摄单一分子的首张“定格电影”，不得不将样品冷冻到零下450华氏度（零下268摄氏度），从而使被观察对象的运动慢到足够可以被操控。这部名为《一个男孩和他的原子》（A Boy and His Atom）的电影现已被《吉尼斯世界纪录》收录为全世界最小的定格电影，其情节是珠状的一氧化碳分子排列成简笔画的人物形象，其中一个分子充当了玩具。聚焦如此清晰的图案是绝不可能在室温条件下拍摄出来的，因为持续抖动的分子会以接近每小时1000英里（1609千米）的速度逃离出视野。
自由运动的分子和原子具有超凡的速度，以至于它们会多次极速地冲撞那些同样精力充沛的邻居。在海平面高度下，室温条件的一个氧气分子在一秒内会被它的同伴撞击超过十亿次；如果你能让你的手在看似平静的空气中保持绝对静止1秒钟，它将会遭受超过1024次这样的冲击。你周遭的空间看起来空无一物，实际上却充满着这些横冲直撞的分子，如果它们多到可以让你清晰看到时，你也许会因为吸入或穿过它们而感到反胃。不过即便是你自己，也不可能做到保持静止，因为你身体内的原子和分子仍然会疯狂地互相冲撞，或是拉拽束缚它们的化学键。
大量分子包围着罗伯特·布朗的样品，不断从各个方向撞击着这个“庞然大物”，以此宣示它们的存在。由于分子数目的微量差异，颗粒在不同方向所受的力并不均匀，从而产生了随机运动，就好像沙滩球被跳舞的密集人群顶开时表现出的反弹一样。
布朗并非是发现这一运动的第一人，尽管这已被公认是他名下的贡献。“布朗运动”这一术语主要用来描述微粒的运动，但实际也反映出更普遍的现象，即所有原子和分子的热运动。如果你曾看到过阳光下光柱中的尘埃闪烁不定，说明你已经见过类似运动了。悬浮颗粒和碎屑被大量不可见的空气分子推搡，闪光正是源自它们对光的反射。
两千年前，罗马诗人卢克莱修（Lucretius）曾推断过这种尘埃运动的原因，在古典主义学者约翰·塞尔比·沃森（John Selby Watson）翻译的其著作《原子之舞》（The Dance of Atoms）中，卢克莱修如此解释：“这种无序意味着，物质规律中尚存在着某种隐秘的运动趋势，尽管对我们的感官而言是潜在而不可见的……这种运动源于（原子），并随着温度上升而扩散，以至于被我们所感知。”
卢克莱修和其他一些早期的哲学—科学家思考了世间万物的原子本质，尽管没有任何办法证实他们的直觉。有时，想象力也会将他们带入歧途，例如，卢克莱修曾描述原子是“彻头彻尾的固体”。不过斯蒂芬·格林布拉特（Stephen Greenblatt）在《大转向》（The Swerve）这部有关卢克莱修的书中解释道，早期的这些原子论者在思考类似的问题时，想的不仅仅是定量物理学。
根据格林布拉特的观点，现实中的原子性质影响着我们每个人生命中最内在的本质：
如果你能持续对自己复述万物存在的最简单的事实——只有原子和虚无，只有原子和虚无……你的生命将会改变。当你听到雷鸣时，你不再惧怕朱庇特的愤怒，当流感爆发之时，也不再怀疑是否有人冒犯了阿波罗。
在如今这个核能与纳米技术纵横的时代，很难相信我们对原子掌握的这些细节是很新的知识，然而，在科技界完全接受原子真实性之前出生的很多人如今仍然健在。一直到1803年，才由英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出了正式的原子论，而直到1905年，才由阿尔伯特·爱因斯坦通过对布朗运动进行数学分析，论证了分子与原子的存在。
当代的专家们可以很常规地去研究特定的原子以及它们在分子结构中的排布。但是对于缺乏必要设备的我们来说，原子存在这一事实对我们的震撼程度跟卢克莱修时代是一样的。