我们要先搞清楚一点,那就是爱因斯坦没有直接证明了“原子的存在”,不过他的发现确实能够成为证明“原子存在”的一个佐证。那究竟是咋回事呢?我们得先从“原子”的发展说起。
原子的发展
古希腊时期学者们在探究世界的本源时,分成了两条路径,一条路就是寻找构成万物的最小单位,另一条路就是抽象出世界的本质。前者更偏向自然哲学的领域,而后者则更偏向于形而上学。自然哲学这支后来也逐渐演变成了现代科学,在牛顿时代,还没有“科学家”这个词语,所以你看看牛顿最牛的著作就叫做《自然哲学的数学原理》。
在古希腊时代,在探究构成万物最小单位过程中,有个叫做德谟克利特的,他就提出世界是由原子和虚空构成。不过,这时候对于万物本源的探讨哲学味还很浓厚,德谟克利特并不是具体的某一种粒子叫做原子,这里的原子和虚空更多的是一种哲学概念。
后来,随着时代的发展,到了拉瓦锡的时代,他发现了质量守恒定律,并且绘制了最早的元素表。基于拉瓦锡的理论,道尔顿一直在试图寻找质量守恒定律的底层逻辑,也就是整个过程没有发生变化的基本单位。后来,道尔顿就提出了《原子论》,他认为原子是不可再分割的最小粒子。
当然,如果你问道尔顿:原子长啥样,你见过么?实际上,道尔顿是没办法回答你的,因为他确实没有办法证明原子的的确确存在。
原子真的存在么?
证明原子存在是很后来的事情了,爱因斯坦确实也参与了其中,这主要是和布朗运动有关。话说在1827年,有个植物学家叫做罗伯特·布朗,是个英国人,他利用显微镜观测水面的花粉,结果他就发现,
花粉正在不规则的运动
花粉的这种不规则的运动就被叫做布朗运动。
后来,到了1877年,有一个叫做德绍儿克思的科学家就试图解决布朗运动的成因,他就提出了这么一个观点:
花粉的不规则运动应该是因为水中的分子的热运动造成的结果。
啥意思呢?我们可以来简单地解释一下,当时热力学已经得到了发展,人们逐渐意识到温度本质上是一种运动,是构成物质的分子在不规则地运动,也被我们叫做分子的热运动,就像下面这样。
而温度本质上就是分子的平均动能,温度越高,分子的平均动能也就越大,说白了,就是越热,分子整体上就应该是动得越欢实。
而花粉的尺度很小很小,不过也要稍微比水分子的大一些,当它在水面上时,水分子会有不规则地运动,这时候就会对花粉产生力的作用,使得花粉产生不规则地运动。从这个角度也就解决的布朗运动的成因。
可是,我们都知道,这些都是科学理论,那科学的语言是什么呢?是数学。
德绍儿克思说白了只在原理上对成因进行的分析,到底对不对,还是要实打实地用数学语言进行论述,这个问题就一直没有人来解决,直到28年后,也就是1905年,这一年被称为爱因斯坦奇迹年。在这一年,爱因斯坦发表了数篇开创性的论文,其中就有一篇和布朗运动有关的论文,这名论文名为《热的分子运动论所要求的的静止液体中悬浮粒子的运动》。
在这篇论文当中,爱因斯坦利用数学分析方法证明了布朗运动的成因。
而布朗运动其实间接证明了分子的存在,我们要知道的是,根据理论,分子是由原子构成的,因此也就间接地证明了原子也应该存在。并且,我们还可以根据爱因斯坦的理论计算原子的直径。这个直径大概在10^-10米,这一点后来也确实得到了证实。
而原子具体长什么样,也就是具体的原子模型,则是后来由汤姆逊以及他的徒子徒孙们历经四代终于搞清楚,而我们也能够在云室当中看到微观粒子的运动轨迹。
到了近代,我们甚至可以通过扫描隧道显微镜观测到原子,并且用探针在原子层面上进行操作。这些都是切切实实地证明原子存在的证据。