节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

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   我们的世界是无限可分的吗？自古以来人们从哲学上不断地探讨过这个问题。从形象上来看，一个苹果可以一分二，二分四，四分八……似乎可以永远不断地切下去——如果你的水果刀足够小且锋利的话。会不会分到最后，到了一个无法分割的最小单元呢？古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特就认为确实存在一个最小的“不可分”单元，他们把它叫做“原子”（希腊文就是“不可分”的意思），“原子”和“虚空”共同组成了世间万物。2000多年过去了，人们对微观世界是否存在基本单元的讨论主要还是停留在哲学阶段。就如同中国古代人认为万物的基本单元可以由“金、木、水、火、土”五行来组成一样，人们对物体的基本单元仍然不甚清楚。直到17-18世纪，科学实验开始盛行，物理概念光凭理论抽象往往是不足以说服别人的，实验现象和数据证实更为重要，原子的科学概念也随之建立起来。

1789年，法国化学家拉瓦锡首先从化学角度给出了原子的基本定义：原子应该是化学变化中的最小单位。1803年，英国化学家和物理学家道尔顿正式提出了科学意义上的原子论。他这一学说并不是基于抽象的哲学，而是他长年以来在记录气象观测数据中悟出的一个物理规律——道尔顿分压定律：对于同一容器内混合的多种气体，若气体间没有发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同。用原子论来解释该定律非常简单：组成各种气体的原子不同，它们可以均匀分布到容器中。道尔顿认为原子在化学反应中不可再分，化学反应其实就是不同原子之间的结合或者分离，因此原子的相对质量可以通过化学反应来测量。尽管道尔顿的原子论还存在许多局限性，如他没有意识到原子和分子之间的区别，以至于晚年时候还竭力反对分子式这一概念，而且他测量到原子量也和实际情况差别很大，但科学上的原子论提出让人们对微观世界的认识更近了一步，从此人类的好奇心深入拓展到了微观世界。

如今，科学告诉我们，世界确实由无数个很小的原子组成，原子的直径在10^-10米左右（百亿分之一米）。物质中原子间隔大概在一倍到千倍原子直径之间，小小的一滴水里面的原子数目有多少？10²³个！这可是天文数字，即使是让全地球60亿人来数的话，也要几十万年才能数完！正是因为原子的不同组合排列方式，构成了缤纷多彩的世界。例如构成生命物质的基本单元——碳原子，它既可以通过层状六角蜂窝的形式结合成质地柔软的石墨，也可以通过密集堆积的方式结合成世界上最硬的材料——金刚石，更可以“和谐团结”一起组成一个足球烯——C60，甚至成为一根微观世界的“管子”——碳纳米管。认识物质中原子排布情况主要靠精密的X射线、中子和电子衍射实验手段，一些科学手段甚至能够间接“触摸”和“感知”原子。

回到前面那个哲学问题，原子是否可以再分？当然可以！从化学意义上来说，原子确实是最小的基本单元，但是从物理意义来说，原子是有内部结构的！原子由带正电的原子核和带负电的核外电子构成，原子核直径是原子直径的十万分之一到万分之一，电子直径要更小。原子核又由不带电中子和带正电的质子组成，中子和质子的内部则是三种夸克。夸克和电子有没有内部结构？这是现代物理学尚无法给出确切答案的问题。也就说，我们的世界是否无限可分？至今仍没有科学答案。但我们知道，随着科技的发展，人们对微观世界的认识定然会更加深刻。

【丛书简介】

“改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书，含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册，以编年体的形式呈现，图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。

丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动，以科学发现的历史为主，兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂，对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神，乃至对于提高国民的整体科学文化素养，都将起到积极的促进作用。

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