为什么原子如此之小？

要阐述“朴素的物理学家的观点”，我们可以从这个古怪的、近乎滑稽的问题开始——为什么原子如此之小？首先，它们确实很小。我们日常生活中遇到的每一小块物质都由大量原子组成。为了帮助听众理解这一事实，科学家设计过许多例子，其中最让人印象深刻的莫过于开尔文勋爵 用的那个：假设你可以给一杯水中的所有水分子标上记号；然后把这杯水倒入海里，充分搅拌，使被标记的水分子均匀地分布在七大洋中。你从海洋中任意位置舀起一杯水，就会发现水杯中大概有100个被标记的水分子。 ^[1]

原子的实际尺寸 介于黄光波长的1/5000到1/2000之间。这个对比很重要，因为这个波长范围基本代表了显微镜能分辨的最小微粒的尺寸。你会看到，如此小的微粒竟包含了几十亿个原子。

那么，为什么原子如此之小？显然，这么问是在回避。因为这个问题并不是真的在问原子的大小。这个问题真正关心的是有机体的大小，尤其是我们自己身体的大小。确实，相比我们自身的长度单位，例如码 或是米，原子真的很小。在原子物理学中，我们通常使用的计量单位是埃（Å），即10 ^-10 米，用十进制表示就是0.0000000001米。原子的直径为1—2Å。那些民用长度单位（与之相比，原子显得如此之小）和我们的身体大小密切相关。码的由来可以追溯到一位英国国王的幽默故事，他的大臣问他要使用什么单位。国王伸出胳膊，说道：“从我胸口到指尖的距离就可以。”不管是不是真的，这个故事对我们来说都很有意义。这位国王很自然地选择了可用自身长度去比拟的长度，他知道用别的会很不方便。虽然物理学家偏爱“埃”这个单位，但当定做新西装时，他还是喜欢别人告诉他要用6.5码而不是650亿埃的呢料。

因此，可以确定，我们的问题实际上是指向我们的身体和原子二者的长度之比，考虑到原子的独立存在先于身体这个无可争辩的事实，真正的问题便成了：和原子相比，我们的身体为何必须如此庞大？

可以想象，许多敏锐的物理或化学专业的学生可能会对这个事实深感遗憾：我们的每个感觉器官构成了身体的重要部分，而它们本身又由无数原子组成（鉴于上述巨大的比例），因此太过粗糙，单个原子的碰撞几乎无法对其产生影响。我们无法看到、感觉到或是听到单个原子。我们关于原子的假设和我们迟钝的感官的直观感受大相径庭，无法通过直接观察来检验。

一定是这样的吗？有没有内在原因？我们是否可以将这一事态追溯至某种第一原理，以便探明和理解为什么感官和这些自然规律如此不相容？

这一次，物理学家可以彻底厘清这个问题。上述所有问题的答案都是肯定的。

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[1] 你当然不会正正好好舀出100个分子，有可能是88个、95个、107个或112个，但不太可能少到50个，或者多到150个。“偏差”（或者说“波动”）预计为100的平方根，也就是10。统计学会这样表述：100±10个分子。这点我们先暂时放一放，之后会把它当作统计学的 律的一个例子再次提及。——作者注 At9FlzI8pv0BLNAP5ksFOcYwec8y3jhPcicR5lQqOq11tzm2oNaBYfOI6i4RjU2o