是否可以通过有简单的力相互作用着的粒子的运动来解释热现象呢？密闭容器里装着一定质量和温度的气体，比如空气。加热使气体的温度升高，气体的能量也由此增加。但这种热与运动是如何关联的呢？我们尝试接受的哲学观点以及运动产生热的方式都暗示，热可能与运动有关。如果每一个问题都是力学问题，那么热必定是机械能。 运动论 （kinetic theory）的目标就是用这种方式来表达物质概念。根据这种理论，气体是无数粒子或分子的聚集。这些分子朝四面八方运动，相互碰撞，每次碰撞之后都会改变运动方向。分子必定有一个平均速度，就像人类社会有平均年龄和平均财富一样。因此，必定存在着每一个粒子的平均动能。容器中的热越多，平均动能就越大。根据这幅图像，热并不是一种与机械能不同的特殊形式的能量，而就是分子运动的动能。任何特定的温度都对应着每个分子确定的平均动能。事实上，这并不是一个随随便便的假设。要想就物质建立一幅前后一致的力学图景，就必须把一个分子的动能看成气体温度的量度。

这个理论不仅仅是想象力的娱乐。可以表明，气体运动论不但与实验相符，而且使我们对事实有了更深刻的理解。这可以用几个例子来说明。

假定有一个容器，用一个能自由移动的活塞将它封住。容器中有一定量的气体，保持温度恒定。起初活塞静止在某个位置，可以通过减重或加重而使之上升或下降。要把活塞下推，必须用力来抵抗气体的内压力。根据运动论，这种内压力的机制是怎样的呢？构成气体的数目极大的粒子正在朝四面八方运动。它们撞击容器壁和活塞，像掷到墙上的球一样弹回来。大量粒子的这种持续撞击反抗着向下作用于活塞和重物的重力，使活塞保持在一定高度。在一个方向上是恒定的重力，在另一个方向上则是分子的大量不规则碰撞。如果达成平衡，所有这些小的不规则的力对活塞的净作用必须等于重力的作用。

假定把活塞推下去，把气体压缩到比如原来体积的1/2，而温度保持不变，那么根据运动论，我们可以预料发生什么？撞击力会比以前更有效或更无效吗？现在粒子挤得更紧密了。虽然平均动能和以前一样，但粒子与活塞的碰撞更频繁了，因此总的力要更大。从运动论所呈现的这幅图景中可以清楚地看出，要使活塞保持在这个更低的位置，需要更大的重量。这个简单的实验事实是众所周知的，但其预测却可以从物质的运动论中逻辑地推导出来。

再看另一个实验。取两个容器，装有相同体积的不同气体，比如氢与氮，两者温度相同。用同样的活塞将两个容器封住，活塞上放置的重量也相等，简而言之，两种气体具有相同的体积、温度和压力。既然温度相同，那么根据运动论，粒子的平均动能也相等。既然压力相同，那么两个活塞都受到同样的总的力撞击。平均而言，每一个粒子都携有相同的能量，两个容器有相同的体积。因此，虽然两种气体在化学上有所不同，但每个容器中的分子数必定相等。这个结果对于理解许多化学现象非常重要。它表明，在一定的温度和压力下，既定体积内的分子数并非某一种气体所特有，而是所有气体都有的。令人惊讶的是，运动论不仅预言存在着这样一个普遍的数，而且还能帮助我们确定它。我们很快还会回到这一点。

无论在定性方面还是在定量方面，物质的运动论都能解释由实验确定的气体定律。而且，虽然这个理论的最大成就在气体领域，但并不限于气体。

我们可以通过降低温度而使气体液化。物质温度的降低意味着其粒子平均动能的减小。因此，液体粒子的平均动能显然要小于相应气体粒子的平均动能。

最早揭示液体粒子运动的是所谓的 布朗运动 。假如没有物质的运动论，这个奇异的现象会始终保持神秘和无法理解。植物学家布朗（Brown）第一次观察到它，直到80年后即20世纪初，它才得到解释。只要有一架质量不太差的显微镜就可以观察到布朗运动。

当时布朗正在研究某些植物的花粉颗粒，他说：

尺寸极大的花粉粒子或颗粒长0.004英寸至0.005英寸。

他又说：

我在考察浸在水中的这些粒子的形态时，发现其中许多粒子都明显在运动……经过多次反复观察，我确信这些运动既非缘于液体的流动，亦非缘于液体的逐渐蒸发，而是属于粒子本身。

布朗透过显微镜观察到的是水中悬浮颗粒的持续扰动。他看到的景象真是让人印象深刻！

这种现象是否与选择某些特殊的植物有关呢？为了回答这个问题，布朗用多种不同植物重复做了这个实验。他发现所有颗粒只要足够小，悬浮在水中时都会显示这样的运动。此外他还发现，无论是有机物还是无机物，其微粒都会作同样不规则的无休止的运动。他甚至把蛾子磨成粉末来做实验，也观察到同样的现象。

如何解释这种运动呢？它似乎与之前的所有经验都矛盾。比如每隔30秒对一个悬浮粒子的位置作一次观察，我们看到它所走的路径很奇特。令人惊讶的是，这种运动似乎是永无休止的。将一个摆动的钟摆放入水中，如果没有外力推动，它很快就会静止。存在着一种永不减弱的运动，这似乎与所有经验相矛盾。物质的运动论出色地澄清了这个难题。

即使透过最强大的显微镜来观察水，我们也看不到分子和物质运动论所描述的运动。可以断定，假如把水看成粒子的聚集的理论是正确的，那么这些粒子的尺寸必定超出了哪怕最好的显微镜的可见范围。不过，我们还是信守这个理论，认为它描绘了一幅一致的实在图景。透过显微镜看到的布朗粒子受到了更小的水粒子的撞击。如果被撞的粒子足够小，布朗运动就会发生。它之所以会发生，是因为来自各个方向的碰撞并不均匀，因其不规则性和偶然性而无法达到平衡。因此，观察到的运动乃是观察不到的运动的结果。大粒子的行为在某种意义上反映了分子的行为，可以说是把分子的行为放大到透过显微镜可见的程度。布朗粒子不规则和偶然的路径反映了构成物质的较小粒子类似的不规则路径。因此我们看到，对布朗运动进行定量研究可以使我们更深刻地理解物质的运动论。显然，可见的布朗运动取决于不可见的碰撞分子的尺寸。如果碰撞分子没有一定的能量，或者换句话说，没有一定的质量和速度，就不会有布朗运动。因此，研究布朗运动可以确定分子的质量，这是不足为奇的。

通过理论与实验方面的艰苦研究，运动论的定量特征已经形成。源于布朗运动现象的线索是导向定量数据的诸多线索之一。从完全不同的线索出发，可以通过不同的方法得到同样的数据。所有这些方法都支持同一种观点，这个事实非常重要，因为它表明物质的运动论具有内在的一致性。

这里只能提及由实验和理论得出的许多定量结果中的一个。假定有1克最轻的元素氢，我们问：在这1克氢之中有多少粒子呢？这个问题的答案不仅适用于氢，而且也适用于所有其他气体，因为我们已经知道，在何种条件下两种气体具有相同数目的粒子。

根据对悬浮粒子的布朗运动的某些测量结果，理论使我们能够回答这个问题。答案是一个大得惊人的数：3后面跟23个数字。1克氢中的分子数是：

3.03×10 ²³ 。

假定1克氢的各个分子的尺寸增大到可以用显微镜看到，比如说直径变成5/1000英寸，亦即和布朗粒子的直径一样大。要想把它们紧密地包装起来，我们需要一个边长约为1/4英里的箱子！

拿1去除上面这个数，就可以计算出一个氢分子的质量。答案是一个小得出奇的数：

3.3×10 ^{- 24} 克。

这个数代表一个氢分子的质量。

这个数在物理学上发挥着重要作用，布朗运动的实验只不过是确定这个数的许多独立实验中的一个。

从物质的运动论及其所有重要成就中可以看出，那个一般的哲学纲领已经得以实现：对一切现象的解释都可以归结为物质粒子之间的相互作用。

总结：

在力学中，如果知道运动物体现在的状况和作用于它的力，就可以预言它未来的路径，揭示它的过去。例如，所有行星未来的路径都是可以预见的，作用于行星的是只依赖于距离的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示，力学观可以一致地应用于物理学的所有分支，所有现象都可以用引力或斥力的作用来解释，这些力只依赖于距离，并且作用于不变的粒子之间。

我们从物质的运动论中看到，这种产生于力学问题的观点把热现象也包含了进去，形成了一幅成功的物质结构图景。 dtezsoU6RqAkdUeUO5fE7RtMVVBvKqO2lDSmYhXplIcHtRWW7b6nhqug65j4NNHp