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世界为什么是由原子组成的?

文章来源:墨子沙龙编辑:氢脉医疗浏览:130时间:2020-07-28 11:32
“一说万物:现代物理学百年漫谈”
 
第四讲:原子
4.1  世界为什么是由原子组成的?
 
系列课程介绍

20世纪是物理学的世纪。
在过去一百年中,物理学取得了空前的发展,涌现出很多新想法、新观念,其影响超越了物理领域,深刻改变了人们对世界的认识。
在《一说万物:现代物理学百年漫谈》中,来自香港科技大学的王一老师将给大家分享这些既深刻又有趣的新想法、新观念。
每期一个话题、一个概念,讲述精巧、富有启发性。来一起感受思考的乐趣吧!
费曼曾经问过这样一个问题:假如由于某种大灾难,所有的科学知识都将丢失,只有一句话可传给下一代,那么怎样才能用最少的词汇来传达最多的信息呢?
 
大家可能会疑惑,我们都知道世界是由原子组成的,看起来也没有那么难以理解,为什么是把这句话流传下去呢?但是大家想过吗,这个世界到底为什么是由原子组成的,我们又是怎样知道这一点的呢?
 
在我们学校招生时,我曾向面试的一些高中学生问了这样的问题,一些考试成绩非常好的学生未必能回答出来。下面我们就来看一看:世界为什么是由原子组成的呢?
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眼见为实,电子隧道显微镜等现代科技使我们可以直接看到世界的原子层面。我们看到世界的确是由原子组成的,甚至我们可以操纵这些原子,摆成一些我们需要的图案。(注解1:我们说世界是由原子组成的,这里原子是一个泛指,既包括通常意义上的原子,也包括通常意义上的分子,也就是说,看起来连续的物质是由一小块一小块分立的基本单元组成的。
注解2:世界是由原子组成的,这里我们只针对通常的物质,其实这个世界上还有暗物质,还有暗能量,这些东西我们不知道是不是由原子组成的,甚至它们很大概率不是由原子组成的。)
 
但是,在什么时候我们知道了世界是由原子组成的?并不是现在,二百多年前,我们就已经知道了世界是由原子组成的。那时,我们是怎么知道的呢?
 
你可能想到了德谟克利特,2000多年前他就已经知道世界是原子组成的了,不是吗?不完全是,德谟克利特的原子是一种思考性的、基于哲学思想的猜测。当然,猜测很重要,这体现了他非凡的想象力,但是他并没有物理的依据来表明为什么这个世界是由原子组成的?什么时候我们开始有了观察和实验依据呢?富兰克林的时代。
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1773年,富兰克林注意到这样一件事情:如果往水上滴一滴油,这滴油会扩展成一个油膜。油膜会扩展的非常大,扩展到方圆百米的范围。这句话里的信息是非常丰富的。一立方厘米的一滴油扩展到了方圆百米的范围,假如油膜的厚度就是原子的直径,那么利用体积不变,我们就可以把原子直径算出来。他的计算结果是大约10-10米。非常的小,并且和我们现代意义上的原子直径是非常接近的。
 
那么,怎么去测湖面上分布很广的一个油膜的面积究竟有多大呢?坐船从一边行到另一边的话,油膜的形状是不是可能已经发生改变了?风可能把油膜吹跑了,以及还有其他各种因素会影响油膜的形状。在自然条件下去测一个方圆百米量级的油膜的面积是非常困难的事情。如果我们能让油膜小一点(比如一分米见方大小)、把实验搬到实验室里,测量就方便多了。
 
如果把10-6滴油滴到水里,就应该会产生一分米见方的油膜。那么问题来了,你去哪儿找这10-6滴油呢?
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1917年,朗缪尔想出一个主意,他注意到,有一些油是溶于酒精的。我们把一小滴油,不是10-6滴而是一整滴油,溶到一大罐酒精里,待溶液均匀之后,取出一小滴溶液滴到水里。通过这种方法,他可以实现水中只有“10-6滴”油。酒精在水里溶解不见了,油剩下来在水面上形成了一片油膜。这个油膜的面积在实验室里我们是可以测的。这样就更精确的测量了原子的直径,这种方法叫“油膜法”。
 
另一种方法“等比定律”是道尔顿发现的。简单的说,如果我们有碳和氧,在不同的情况下发生反应可能产生一氧化碳,也可能产生二氧化碳。道尔顿发现了一个特别激动人心的现象:如果我们要产生相同体积的一氧化碳和二氧化碳,所消耗氧气的比例是1:2。如果这个实验可以做得非常非常的精确,那么消耗氧气的比例是精确的1:2。
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为什么呢?大家可能会说,这个题不是物理题、也不是化学题,而是语文题。你都说是一氧化碳、二氧化碳了,那当然比例是1:2了。但是大家要清楚,一氧化碳、二氧化碳是后来我们命名的,道尔顿那时只知道碳和氧气发生反应产生了两种不同的气体。他那时连原子论的概念都没有,怎么可能知道它叫“一氧化碳”和“二氧化碳”?他只知道产生了两种不同的气体,而如果要产生相同体积的这两种气体,所消耗氧气的量是1:2。非常神奇!
 
如果你没有觉得它背后蕴含了重要的内容的话,我们来举一个例子。我去吃火锅,到火锅店里,服务员问:“你是要微辣的,还是要特辣的?”什么叫微辣,什么叫特辣?微辣的就是加一勺辣椒,特辣的就是放两勺辣椒。然后,我有的时候要微辣,有的时候要特辣。如果你能非常准确的测量出火锅里辣椒的量的话,它会不会是精确的1:2啊?不会!虽然服务员告诉你,微辣的是一勺辣椒、特辣的是两勺辣椒,但厨师在做火锅时,随便舀一勺或两勺,有可能是1:1.8,也有可能是1:1.9、1:2.2。但是,道尔顿发现一氧化碳和二氧化碳所消耗氧气的量是精确的1:2,跟我们的火锅不一样,为什么?
 
再回到火锅的例子,假如这个饭店比较特殊,我去吃的时候发现微辣的和特辣的含辣椒的量还真都是精确的1:2。你是不是感觉有一点奇怪了?你偷偷跑到后厨去看,为什么这么精确?你发现,厨师原来用的不是一勺一勺的辣椒,而是调料块。微辣的往锅里扔一个调料块,特辣的往锅里扔两个调料块。这样的话,你每次吃到的就是精确的1:2。回到道尔顿也是一样的,氧气相当于火锅里的辣椒。精确的1:2意味着氧气不是连续的,就像调料块一样,它是有基本单位的,是一块一块的。这个不连续的基本单位就是原子、分子。这个1:2之中蕴含着一个值得刻在石头上、放在冥王星的道理:世界是由原子组成的。
 
讲到这儿,我们小结一下。我们讲了朗缪尔的油膜法和道尔顿的等比定律。现象很简单,但是里边的本质是很深刻的,它告诉我们:世界是由原子组成的。
 
导师简介
 
王一:中国科学技术大学本科,中国科学院理论物理研究所博士。现任香港科技大学副教授,研究领域为理论宇宙学。近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来,用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等。曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师。
 
系列课程内容
第一讲:概述物理学的世纪
1.1 一百年前,我们知道什么? 
1.2 更小:从打地鼠到光电效应
1.3 更高:“上帝”的菜单
1.4 更快:什么是相对论?
1.5 从简单的定律到复杂的宇宙
 
第二讲:现代物理学之光
2.1 什么是现代物理学之光?
2.2 光是粒子还是波动?
2.3 你见过波动着的粒子吗?
2.4 什么是波粒二象性?
 
第三讲:漫游量子世界
3.1 从聊斋志异到量子隧穿
3.2 不确定性原理:拯救世界的大英雄
3.3 非同寻常的测量
3.4 薛定谔猫死了吗?
 
第四讲:原子
4.1 世界为什么是由原子组成的?
4.2 花粉颗粒为什么会跳舞?
4.3 从氢原子到万物
 
第五讲:熵与信息
5.1 大吃一斤,什么增加了?
5.2 时间箭头:谁偷走了你的时间?
5.3 麦克斯韦的妖精教你什么是新闻
吸氢气有什么作用呢?
 
消除毒性的自由基,抗氧化,促进代谢,缓解疲劳,提升免疫力,预防癌变,身体排毒,消除炎症,淡化肌肤皱纹,延缓衰老,美白护肤,清除色斑,改善睡眠,提高记忆力,增强体质。
辅助治疗慢性病,双向调节血液粘稠度,可增加双岐杆菌,改善肠内环境,保护人体不受电磁波危害,增加男子精子数量,改善女子卵子质量,燃烧脂肪减肥,具有胰岛素的作用,分解酒精具有解酒功能,降低血糖、血脂、血压、尿酸,防治高血糖、高血脂、高血压、高尿酸,防治糖尿病,清理血管,防止血栓,防止动脉硬化,防止必肌硬塞,防治脑梗塞,防治心脑血管疾病,治疗关节炎,治疗痛风,对生理不调有用,对更年期障碍有用,治疗神经失调,防治帕金森疾病,防治缺血性脑病,防治老年痴呆症,防治消化系统、呼吸系统气管、皮肤炎症过敏、脊椎神经系统、肿瘤、癌症、肝脏肾脏癌症、泌尿生殖系统、内分泌代谢性、口腔疾病、胃溃疡、过敏性肠炎、气管炎、慢阻肺、肺心病、肠胃炎...
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