物质运动论

我们是否可以用在简单力作用下的粒子运动来解释热现象呢？一个密闭容器里装有一定质量和温度的气体（比如空气），通过加热，我们可以提高气体的温度，从而增加它的能量。但是这种热与运动是什么关系呢？我们接受热和运动有关系的观点，一方面是因为之前我们选择暂时接受的哲学观点，另一方面则是因为热是由运动产生的。如果所有问题都与力学相关的话，那么热必须是机械能。物质运动论的目的就在于用这种方式去表示物质的概念。这种理论认为，气体是由无数个粒子或分子汇集而成的。这些粒子朝着所有方向运动，彼此之间互相碰撞，每次碰撞后都会改变运动方向。粒子的这种运动必然存在一个平均的运动速度，就好像人类社会中存在平均年龄和平均财富值一样，因此粒子的平均动能也必定存在。容器中的热强度越大，粒子的平均动能就越大。根据这种猜想，热不同于机械能，它不是能的一种特殊形式，而只是分子运动的动能。温度确定的话，就会有与之相应的分子的平均动能。事实上，这不是一个随意的假设，如果我们想使物质的机械观保持一致，那我们就得把分子的动能看作气体温度的量度。

这个理论不仅仅是一个幻想而已。我们可以看到气体运动理论与实验结果相符，可以帮助我们更加深刻地理解许多事实。这里我们可以用几个例子加以说明。

假设我们用一个可拆卸的活塞将一个容器封住。容器中装有一定量的气体，且气体的温度保持不变。如果起初活塞在某个位置处于静止状态，我们可通过减重和施压使得活塞上升或者下降。为了把活塞往下压，我们必须对其施加外力，来抵抗气体的内压力。从运动论角度看，这种内压力的原理是怎样的呢？容器中气体所包含的大量粒子向各个方向运动，它们撞到容器壁与活塞上，然后像小球碰到墙一样弹开。大量粒子在容器内不停地运动，抵抗着作用在活塞与重物上的向下作用的重力，从而使活塞保持在某个高度上。在一个方向上，重力不停地发挥着作用，而在另一个方向上，数量极多的分子在进行着不规则的碰撞。如果想让这两方面取得平衡，所有这些小的不规则的力对活塞产生的净作用必须与重力相等（图1-21）。

假使我们把活塞往下压，将气体压缩到小于原来的体积，比如说到原来的1/2，同时保持温度不变，那么根据物质运动论，会有什么样的情况出现呢？在粒子不断碰撞的情况下，产生的力跟过去相比会更有效还是更无效呢？现在粒子的密度跟之前相比增大了，虽然平均动能没有发生变化，但是粒子会更加频繁地撞击活塞，因此合力可能要大些。在运动论显示的场景（图1-21）我们可以清楚地看到，要想使活塞保持在更低的位置，需要施加更大的力。这个简单实验大家都十分熟悉，但对它的预测是按物质运动论的逻辑推理出来的。

我们再来看一下另一个实验。取两个容器，在里边装入体积相等的不同气体，比如氢气与氮气，并使两者的温度相同。假设我们用同样的活塞把两个容器封住，并确保两个活塞的质量相等。简单地说，这就意味着两个容器内的气体体积、温度与压力均相同。根据运动论，如果温度相同的话，粒子的平均动能也相同。压力相同，则两个活塞所受的力也相同。一般而言，每个粒子带有的能量相同，则两个容器容积也相同。因此，虽然说两种气体在化学上是不同的，但 在每个容器中的分子数必定是相等的 。这个结果对理解许多化学现象都很有帮助。它表明在一定的体积、温度和压力条件下，容器中的分子数是所有气体都有的，而非某一种气体所独有。最让人吃惊的是，运动论不仅仅预测存在这样一个普遍的数，还能帮助我们确定这个数值。我们在不久之后还会再探讨这个问题。

物质运动论可以用定量和定性的方式解释气体定律，就像做实验一样。而且，尽管该理论的最大成就是在气体方面，但它的应用不局限于气体领域。

我们可以通过降温使气体液化。物质温度降低意味着粒子的平均动能会减小。因此，我们可以明显看出，液体内粒子的平均动能比对应的气体内粒子的平均动能小。

所谓的布朗运动第一次详尽展示了液体内的粒子运动。如果没有物质运动论，这种重要的现象依然会是神秘莫测且难以理解的。植物学家布朗（Brown）首先观察到了这种现象。80年之后，20世纪初这一现象得到了解释。只要有一个显微镜，哪怕不是特别专业的那种，就可以观察到布朗运动。

布朗当时正在研究某些植物的花粉粒子：

花粉粒子或大花粉颗粒的长度在0.004英寸至0.005英寸之间。

之后他谈道：

在观察这些浸在水中的粒子的形式时，我发现很多粒子都在不停地运动……在经过多次重复观察后，我察觉这些运动既不是由液体的流动造成的，又不是由液体逐渐蒸发造成的，而是粒子本身导致了这些运动。

布朗观察到的是：悬浮在水中且可以使用显微镜观测到的粒子在不停运动。这是非常了不起的一幕！

那么观察到这种现象与所选的植物花粉粒子是否相关呢？为了回答这个问题，布朗选用了许多不同种类的植物花粉粒子来重复这个实验。他发现只要粒子足够小，当浸在水中时，就会呈现出这样的运动。他进一步发现，无论是无机物还是有机物的微粒，都会这样不停地无规则运动。他甚至把天蛾碾成粉末来进行实验，同样观察到了这种运动！

该如何解释这种运动呢？它似乎跟过去所有的经验都矛盾。比如说，我们可以每隔30秒观察某一个悬浮着粒子的位置，然后就能确定它不规则的运动路径。不可思议的是，很显然，“永恒”是这种运动的特性。把一个摇摆着的钟摆放到水中，除非我们再对它施加外力，否则它很快就会处于静止状态。这样一种永不减弱的运动，似乎与我们之前的经验都是矛盾的。然而，这个问题也由物质运动论圆满地解决了。

即使用现在最专业的显微镜来观察水，我们也无法像物质运动论描述的那样，观察到水分子和它的运动情况。所以，我们可以得出结论，如果可以把水看作由粒子汇集而成的，那么这些粒子的大小必定不在如今最好显微镜的可观测范围内。不过我们姑且相信这个理论，并假定它对实在的描述是前后一致的。通过显微镜看到的布朗粒子会被更小的、组成水的粒子撞击。如果被撞的粒子足够小的话，就会出现布朗运动。因为从各个方向而来的撞击不相同，也不可能达到均衡，所以碰撞本身是不规则的，具有偶然性。因此，我们能观察到的运动是由观察不到的运动产生的。大粒子的运动在某种程度上反映出了分子的运动，可以说，它把分子运动不断放大，使得我们在显微镜中能够观察到。布朗粒子运动路径的不规则性和随机性说明：构成物质的更小粒子的运动路径也是不规则的。因此，从上述情况中我们可以看到：对布朗运动进行的定量研究，可以深化我们对物质运动论的理解。显而易见，我们能够观察到的布朗运动跟那些不断撞击且不可视分子的大小相关。如果不断撞击的分子没有一定量的能，或者换句话说，没有质量和速度的话，就不会有布朗运动。因此，研究布朗运动，可以帮助我们确定分子的质量，这是显而易见的。

通过理论和实验方面的辛苦研究，运动论的定量特征也就形成了。源自布朗运动现象的线索是确定定量数据的线索之一。从完全不同的线索出发，我们可以用不同的方式得到相同的数据。而我们使用的这些不同方法都指向同一个观点，这是非常重要的，因为它表明物质运动论在本质上是一致的。

我们在这里只会提到一个由实验和理论所得到的定量结果。假设我们有1克最轻的元素，即氢元素，那么在这1克氢元素中存在多少个粒子呢？这个问题的答案不仅可以回答氢元素有多少粒子，还可以使我们了解其他气体的粒子数量，因为我们已经知道在什么条件下，两种不同气体会有相同数量的粒子。

基于这个理论，我们可以测量悬浮在水中的粒子的布朗运动，并根据测量结果，来回答之前的问题。答案是一个令人吃惊的大数值：3后面接了23个数字。1克氢元素中的分子数是：

303 000 000 000 000 000 000 000

假设1克氢元素中的分子都增大到可以透过显微镜观察到的程度，比如说，它的直径达到了0.005英寸，和布朗粒子的直径一样大，那么如果我们想把它们紧实地装在一个箱子里，这个箱子的边长大约得500米长！

我们只要用1除以上面所提到的数值，很容易就能计算出来一个氢分子的质量，答案是一个小得出奇的数：

0.000 000 000 000 000 000 000 0033克

这个数代表一个氢分子的质量。

布朗运动实验只不过是让我们得以确定这个数值的众多独立实验中的一种。这个数值在物理学上意义重大。

在物质运动论以及它所有的成就中，我们看到了一个普遍的哲学理念，即把一切现象都解释为物质粒子间的相互作用。

结语：

在力学中，如果我们已知某一个运动物体现在的状态以及作用在该物体上的力，那么我们可以预测它之后的运动路径，同样也可以知道它之前的运动路径。举个例子，我们可以预测所有行星未来的运动路径——作用在它们之上的力是牛顿提出的万有引力，而万有引力只取决于距离。经典力学的伟大成果表明，我们可以把机械观应用于物理学的任何分支。所有的现象都可以用引力或斥力来解释，而所有这些力都只与距离有关，且作用于不变的粒子之间。

在物质运动论中，我们看到这个最初产生于力学问题的观点，是如何把热现象也包括进来，以及是如何使我们成功理解物质结构的。图1-22所示为显微镜下的布朗粒子。图1-23所示为长曝光拍摄一个布朗粒子表面。图1-24所示为观测一个布朗粒子连续运动位置。图1-25所示为平均计算连续位置得出的运动路径。