一分钟看懂物理知识 普通人甚至文盲都能完全理解的物理科普第一部分

世界是什么？

世界到底是什么

这是一个古老的问题。也是一个闲得蛋疼却又无比重要、始终折磨地球人却又持续推动人类发展的问题。

通俗点具体点问：世界是由神马构成的？

是金石土木、风火水云、虫鱼禽兽、日月星辰。哦哟，这么理直气壮，看来答案很靠谱。好吧，那么它们又是什么构成的？

它们是由不同的小颗粒构成的。嘿嘿，好像有点底气不足了，那么好吧，这些不同的小颗粒又是什么构成的呢大神？

……

咱俩发现，顺着这个思路，用不了10个问号，那个看似在眼前晃来晃去的答案，就会“笔油”地一声遥远到我们的目光之外。

抬头，假装让目光穿透雾霾刺向星空，低头，再看看自己身上这些物件。虽然这一切都很坦然地对着我们，但，一股神秘的气息仍旧扑面而来。（画外音：已经洗澡了啊怎么还这么味儿!）

仅仅是几个问号，就让咱俩感到，这个曾经熟悉得乏味的世界，包括我们自己，突然变得陌生起来！

于是，咱俩习惯地把迷惘的目光转向先贤——神呐，又要开始回忆了！

有什么关系呢？子曰：忘记过去，就意味着错过了复习。下面我们来复习一下开篇，过去的地球人对这事儿是怎么看的。

世界是神马？

佛：是浮云（凡所有相，皆是虚妄嘛）。

老子：是虚无（天下万物生于有，有生于无。有无相生嘛）。

泰勒斯：是水（答案开始明确了，但是好像有点…）。

毕达哥拉斯：是数（够明确，但太抽象）。

留基伯和德谟克利特：是原子（这个嘛…）。

中国古代人民集体智慧：金木水火土（天有五行，水火金木土，分时化育，以成万物嘛。清晰而又具体）。

……

学过一点点一丢丢自然常识的我们，会很文艺地认为，原子的答案最靠谱。但是，很快我们就会知道，这种文艺的“认为”其实很二逼。站在公平的、科学的角度讲，在他们得出结论的当时，抛开偏见，这些答案没有优劣之分，都差不多！

不服气？就知道你不服。

那你说说，上面哪个答案最不靠谱：浮云？虚无？水？数？五行？

你挑出其中任何一个，然后咱俩去Look Look人家的哲学思辨和理论基础，我们会发现，这些大神说的，都相当有道理了！

既然，既然这些答案，都是经过深入思考后，各自提出的一种假设（记住哦，都是“假设”），而且，都满脸道理，那么，你凭什么断定，哪位爷思考出来的假设靠谱，而哪个孙子思考出来的假设不靠谱？拼爹拼胸还是拼下限？

我们发现，这种拼法不能跟国际接轨，而且水越搅越混，说是适合摸鱼，其实只适合摸石头，所以幡然醒悟：想断定什么靠谱，一定要用别的法子！

其实答案很简单，就摆在那，用不着摸，拿来就能用：验证。

任何假设——你不喜欢“假设”这个词，也可以叫做“猜想”，或者“语录”、“梦呓”，都行，随你喜欢。嗯，任何假设，在经过反复验证、确认之前，你都只当是看娱乐八卦好了，它们与谁谁谁是不是真的真的真的赌博了接吻了拍照了PS了没啥两样——对咱俩都没毛意义。不管哪个看起来更美丽迷人，哪个看起来更猥琐恶心，它们都只是假设而已。但是，有一点必须得认真对待：一旦“最终”验证了哪个是“正确”的，或者，换句话说，一旦验证了哪个最好用——不论它看起来有多荒谬，那么，它就是王道，而其余的竞争理论就都是垃圾——无论它们看起来有多合理。这就叫成王败寇。

哦，明白。验证是吧？那么好，我们大家都很爱思考，各有各的看法，在这千千万万不计其数的假设中，我们有什么靠谱的手段，来验证、判定谁的假设更靠谱呢？

连续遭遇这么多耗费脑细胞的问题，咱俩是不是累了？

嗷！我讨厌问号，下面插播广告：

滚滚红尘，立言无数，纷繁争艳，乱花迷眼，想知道谁更靠谱？请使用“冷酷清洗大法”！

面对玄妙的哲学，你皈依吗？

面对严谨的逻辑，你膜拜吗？

面对美丽的猜想，你痴迷吗？

面对翔实的数据，你臣服吗？

咱俩的答案是：不！这不是我想要的！！

冷酷清洗大法要诀：我要的不单单是哲学，或者逻辑、猜想、数据什么的，而是一个完整的、耐用的科学理论。

必须冷静到冷酷的程度，才能清洗掉我们不想要的，得到我们想要的。就算得不到我们想要的，也绝不凑乎要不想要的。所以，为了冷酷到底，我们从一个悲剧说起。

这个故事来自美国人斯蒂夫·列维特·斯蒂芬都伯纳所著的《超爆魔鬼经济学》，比较火的一本书。

说的是19世纪40年代，产妇分娩极易染上一种病：产褥热。一旦染上，常常母婴双亡。伦敦产科总医院、巴黎产科医院等欧洲最好的医院，都饱受威胁。

维也纳总医院也不例外。1841~1846年，产妇死亡率达1/10。到1847年，产褥热导致产妇死亡率达1/6。太恐怖了！院长助理、匈牙利籍医生赛梅尔维斯看在眼里，急在心里。他殚精竭虑想解决问题。

第一步，查原因。

反复检查接生过程、医疗环境等，但一无所获。

其实，当时的主流医生也能说出一堆理由：妊娠期间胸衣和衬裙太紧；产房的空气恶臭；宇宙影响……

聪明的赛梅尔维斯看出，这些纯属胡猜。

于是，他开始了第二步，统计数据。

取得了充足的第一手资料，经分析，小赛发现几个诡异的现象：

一、在医院生产的产妇死亡率，远远高于民间产婆接生的产妇死亡率。后者是前者的1/60。也就是说，接生同样数量的产妇，在医院里死60个产妇，产婆手里只死1个。

二、男医生负责的产房的死亡率，是女接生员（不是医生哦）负责的产房的死亡率的2倍还多！

这不是要逆天吗？俺们医生又不是在屠宰场培训的！没道理啊!

接下来的分析，得到了更离谱的事实：

A．产妇就算是在大街上生产，也比在医院里生产死亡率低。

B．先在医院外分娩，再去医院的，无论贫穷还是富有，一般不会得产褥热。

C．接生的医生没有染上产褥热，因此，该病没有传染性。

所有的数据分析指向一个结论——问题出在医院！

杯具啊！

数据很翔实，是不是可以公布，请居委会大妈通知产妇不要去医院、不要找医生帮助生孩子了？

当然不行，你数据是有了，可是没有理由啊！这不等于宣布医生是凶手吗？凭什么？你欠世界一个解释。

科学需要解释。

如果看到不一样的东西，就急着发表意见，那么，在生活中，在实验室，几乎天天都会涌现“新发现”。其中，绝大多数的“新发现”都相当不靠谱。

小赛很清楚这一点，所以他进行了第三步：找这个解释。

答案在又一个悲剧中找到了。一位老教授指导学生解剖尸体，被手术刀划伤手指，随即患病而死，症状与产褥热极其相似。

是“进入他血管系统的死尸粒子”害死了他。赛梅尔维斯推测道。

那个时期，欧洲的医院兴起解剖热，病人死了直接送解剖室。离开解剖室，医生往往直接去产房，顺便将死尸粒子带给了产妇！

上面那些诡异、离谱的现象，一下子都有了答案。

现在，有了数据，也有了配套的理论解释，可以公布了吧？

不行，这个解释靠不靠谱还很难说，没有实验证据啊！

于是小赛进行第四步：实践。要求维也纳总医院的医生解剖后必须洗手，结果立竿见影，产妇死亡率比2008年股票下跌还快，直接降到了1%！

神医啊！

这回统计数据、理论解释、实验证据都有了，可以公布了吧？

Yes！赛梅尔维斯认为可以了。

但是，可怜的小赛万没想到，其他医院的医生们对洗手的建议十分不屑，认为这是小赛对医生们的集体羞辱和诽谤。尸体粒子？哼！这是什么东西？你拿出来给我们观测观测先！它是用什么机制导致人死亡的？你说来听听？

不能观测，并且缺乏一个靠谱的机制。这不能称之为科学。

解开产褥热之谜，不仅没有被认可，还受到医生们的讥笑和侮辱！小赛压力倍增，精神崩溃。后来，他凄凉死去。惜哉！悲哉！

那么，医学界没有接受小赛的建议，错了吗？

没错。

这位童鞋愤愤不平：太没道理了！人家小赛数据详实，论据充分，还有理论解释和实验证明，这些还不够？！你们凭什么不信？！

是的，你说的这些确实有，但不够。科学必须经受质疑、异见和争论。否则，科学早死了。

关键的东西不能观测，不能提供有效的机制，如果这样也行，那么，同一件事就会拥有无数个理论，如果都付诸实践，那才是愚蠢的。

科学

科学

科学，不仅需要统计数据、理论解释、实验结果——这些很有可能是巧合，或者其他什么因素导致的相似结果。科学还需要答案明确，需要机制清晰有效，需要可观测、可重复、可验证。

可怜的小赛死了，但洗手的故事还没结束。赛梅尔维斯死后一二十年，路易斯·巴斯德（法国著名生物学家、化学家、在《影响人类历史进程的100名人排行榜》中名列第12名）奠定了工业微生物学和医学微生物学的基础，并开创了微生物生理学。英国医生李斯特据此解决了创口感染问题。

那个问题现在看起来很简单：是微生物感染伤口杀死了病人。

知道是谁干的，解决办法也就简单了：避免伤口感染。手段：消毒杀菌、包扎隔离，当然也包括洗手。

微生物可观测。

有些微生物可以感染伤口、致人死亡，这个机制很清楚很靠谱。

这个机制可验证、可重复——向无辜的小白鼠们致哀。

还是那个顽固的医学界，这次一句废话没有，立即信了。这才是一个靠谱的科学理论。

有了这个靠谱的科学理论，整个医学从此迈入细菌学时代，得到了空前发展——不仅是产妇，其他病例的死亡率也迅速下降。巴斯德发明的巴氏消毒法至今仍在应用。

这个理论的优先权归谁呢？当然没有小赛的份，它是巴斯德和李斯特等人的功劳。

我们在上部专门讨论过关于科学理论的问题，并且拿到了奥卡姆剃刀等神兵，为什么还要插播这段广告呢？因为量子之路太艰险、太诡异，我们必须手握利器，外武装到牙齿，内武装到头脑，才有可能保持清醒，一往无前。所以，后面还有几段广告在等着我们。

现在，让咱俩回到那个问题：世界是什么。我们快跑几步，跟上牛人们的脚步，踏上发现和验证之旅，顺便看看，前面那些假设，谁靠谱，谁不靠谱。

留基伯和德谟克利特所说的“原子”，在希腊文里是“不可分”的意思，用以表示构成物质最基本的微粒。而亚里士多德和柏拉图认为，物质是由离散的单元组成的，能够被任意分割。我们知道，以上双方的这些想法，都只是由哲学推理，而非实验观察而来的。

1661年，波义耳，对，就是在波粒大战中玩肥皂泡的那个波义耳，他出版了《怀疑派化学家》，近代化学由此发轫。他认为，物质是由不同的“微粒”或原子自由组合而成，气、土、火、水等不是基本元素。

1789年，一个喜欢玩火的法国贵族给“原子”下了定义：化学反应的最小单位。他是安托万·洛朗·拉瓦锡，近代化学之父，化学领域的牛顿。

拉瓦锡还发现了燃烧原理，说起来是个“意外”。

在当时，物体燃烧被认为是“燃素”脱离物体的结果。按照这个理论，物体燃烧后，应该减轻才对。

1772年秋，拉瓦锡想测量“燃素”的含量是多少。他称量了一些红磷，点燃，冷却后又称量灰烬，然后惊奇地发现，质量竟然增加了！好奇心立即被勾起来了，他又燃烧硫磺，同样发现质量增加！

难道有什么气体被吸收进去了？那就罩上烧烧看！

拉瓦锡把白磷放进一个钟罩，点燃，同时监测罩内的空气压力。他发现，燃烧后，灰烬增加的重量，和罩内所消耗的空气重量基本接近。

结论与“燃素说”预言正好相反！一边是强大的“燃素说”，一边是小小的天平，相信哪个呢？

当然相信天平！相信实验结果。

无论多强大的理论，无论这个理论有多久远、有多少人信奉，只要确定一例与实验或观测不符（注意，句子里有“确定”），这个理论就立即被证伪，你必须认账，毫无商量余地，你可以修补，也可以推翻重建，但就是不能坚守不降。抱着一个不符合观测、经不住验证的理论拒不撒手、死不松口，无论在自然科学界还是在社会科学界，都是孱弱和无耻的表现。

1773年2月，拉瓦锡在实验记录本上写道：“我所做的实验，使物理和化学发生了根本的变化。”他说的没错。

拉瓦锡发现并命名了氧气。1775年，他发现物体燃烧时增加的质量，恰好是氧气减少的质量。这说明，物体燃烧，实际上就是与氧气化合。

他用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。用氧化学说彻底地推翻了燃素说，指出水由氧和氢构成。我们发现，按照这个说法，泰勒斯的“水”说，咱家的“五行”说，都靠不住了。拉瓦锡还否定了古希腊的四元素说和三要素说。在《化学概要》里，他列出了第一张元素一览表，这应该是元素周期表的前世吧。

元素周期表

元素周期表

由于亚里士多德和柏拉图太抢眼，原子说长期徘徊在公众的视线之外，流落蛮荒。

直到一个色盲患者拔刀相助，原子说才摘掉非主流的帽子，登上科学的舞台，吸引越来越多的眼球。

约翰·道尔顿，英国化学家、物理学家、气象学家，1766年生于坎伯兰的伊格尔斯菲尔德村。他天生色盲，却没有影响科学研究，反而利用这个“优势”，研究了颜色视觉问题，发表了《关于颜色视觉的特殊例子》的论文，用亲身体验，对色盲症给出了的最早描述。难得啊！

1803年，道尔顿创立了原子说。为什么创立原子说的是道尔顿，而不是留基伯和德谟克利特呢？我们看看道尔顿的工作就门儿清了。

我们现在知道，碳和氧联姻，可以产生两种气体：一氧化碳CO、二氧化碳CO2。

道尔顿很好奇，在这两种气体中，碳和氧的比重关系是怎样的。说量就量，结果是：

一氧化碳，碳：氧=5.4：7；

二氧化碳，碳：氧=5.4：14。

道尔顿注意到，两种气体所含的氧，重量之比为1：2。是个整数。

其实这个工作，有个牛人早在3年前，也就是1800年就做了。法拉第的老师戴维，他测定了三种氮的氧化物，即一氧化二氮N20、一氧化氮NO、二氧化氮NO2。他只测出了氧和氮在这三种气体中各占了多大比例，却没纵向换算一下，在这三种化合物之间，氧、氮的同类比例关系各是多少。可惜了。就差一步：“注意到”。好在戴维老师的发现多得是，尤其是还包括法拉第，够用了。

道尔顿注意到这件事后，有点小激动。因为，他相信，物质是由原子构成的，但是那东西太小，看不见摸不着，没有证据。如果这个整数的倍比关系普遍成立，就说明元素是“一个一个”的，而不是可以无限分割的，那么，原子说也就可以成立！

于是，他一鼓作气，兴奋地分析了沼气等其他化合物，结果如他所愿：当甲乙两种元素联姻，可以生成不同的化合物时，如果甲的重量恒定，那么，乙在各化合物中的重量成简单的倍数比。这就是著名的“倍比定律”。道尔顿以此论证了他的原子说。

之后，瑞典化学家、有机化学之父贝采里乌斯也做出了类似的试验，以精确的数据证实了倍比定律。1840年，两位原子、分子测量方面的高手，比利时化学家斯达、法国化学家杜马斯，他俩严格测定了多种化合物，把元素的质量关系搞得相当精确，得出了相同的结果，倍比定律再次过关。

道尔顿提出，原子是构成物质的最基本的砖块，每一种元素只包含一种原子，而这些原子的聚散离合——产生化学反应，形成了一切物质。

他著成了《化学哲学的新体系》，创立了原子论。比起当时的其他学说，原子论能解释更多的现象，包括气体的行为、物质的化学变化等方面。比方说，为什么某些气体更容易溶于水；再比方说，水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。等等。

开始，化学家们对此将信将疑，不过这没关系，反正作为一种工具，原子用来解释实验数据更方便。当然，也有反映比较激烈的，比如刚刚这位杜马斯，他曾说，“要是我能做主，我会把原子这个词从科学上抹掉。”

路遥知马力。原子不是你想抹，想抹就能抹。星移斗转，花落雪飞，大家慢慢发现，越来越多的独立证据，纷纷向原子论暗送秋波、投怀送抱。

但是，仍然有很多人反对原子说，比如马赫，对，就是跟牛爷抢水桶的那个马赫，还有德国物理学家、化学家奥斯特瓦尔德等。谁也没见过原子的真身，是吧？于是他们强调，谈论一个无法看到的东西，是毫无意义的。

再唠叨一下，这里的“看”，指的是观测、检测、感知，以后也是一样。

那么，谈论无法看到的东西，到底有没有意义呢？

这是个大问题。以后我们将发现，在量子论的创立过程中，那些大牛们也在这个问题上纠缠不休，大伤脑筋。没法看到的东西，要不要挥起我们的奥卡姆剃刀，断然削除呢？

这个，就要看情况了。

根据奥卡姆剃刀“如无必要，勿增实体”的八字方针，操刀要诀是：

对同一现象，假设最少的解释最接近真相。所以多余的假设，以及假设多的解释，必须斩除。这一条，科学家们不反对。

永远无法检测到的条件，等于不存在，必须斩立决。这一条，科学家们也不反对。

那么，他们在争论什么呢？让他们先吵着，咱俩再来详细讨论一下操刀诀：

一、有的东西不能直接观测，但是可以间接观测，我们根据这些间接的观测结果，来确定可信度，同时，慢慢寻找直接观测的办法。这样的例子也不少，比方说弯曲的空间、引力波、黑洞、希格斯粒子等。

这种情况，我们不能贸然动用奥卡姆剃刀。

二、由于技术条件等方面的限制，有的东西现在看不到，但将来可能看得到。

第二种情况就比较麻烦了，我们怎么断定，哪些东西将来可能看到，哪些东西根本就不“存在”呢？这才是科学家们争论的焦点。

其实，在一般情况下，也很简单。因为科学允许假设。观测不到的东西，可以作为一个假设条件引入理论。

引入该假设后，如果这个理论能够很好地解释现象，与观测相符，并且能做出明确 准确的预言，我们就暂时保留它，相信这个可以有，等观测到了再确信。比方说暗物质、暗能量、高维空间等。

引入该假设后，出现这三种情况：A.和没引入一样；B.引入后理论与观测不相符；C.理论不能做出明确 准确的预言。符合这三条中的任何一条，我们就不管它“事实上”存在不存在，一律斩立决，比方说光以太、龙王爷等。

所以，马赫等科学家反对原子说，也有他们的道理。

道尔顿需要观测证据，哪怕是间接的也行。

一个爱玩水的植物学家实现了他的愿望。英国人罗伯特·布朗。

布朗是一名热爱科学的军医，后来受邀乘船去澳洲搞沿海测绘，他顺便搜集标本、研究植物，成了一名植物学家。

1827年，布朗想知道微粒在水中悬浮时，是个啥情况，就用显微镜去观察。他惊奇地发现，在看起来无比平静的水里，微粒们不是老老实实地悬浮着不动，而是勤奋地做运动！并且运动路线一点也不规则。它们一个劲儿地折腾什么？全民健身运动？或者，是什么让它们这样不厌其烦地瞎折腾？动力何来？难道有回扣吃？

布朗当时观察的是花粉里迸出的微粒（这里澄清一下，不是花粉，花粉颗粒的直径大约是水分子的十万倍，难以产生不规则振动），难道花粉里迸出的微粒是“活性因子”，可以美容美发美肤包治百病的那种？他迫不及待地观察了灰尘等微粒，这些小家伙是一样一样一样的爱折腾啊！这是怎么回事？！

现象很简单，似乎是小菜一碟。但是当时，没人能解释。后来，微粒在液体里瞎折腾的现象，被叫做“布朗运动”，记录在案，坐等高人破解。

布朗一定不会想到，这一等，就是78年。他更不会想到，杀这只鸡用的不是牛刀，而是屠龙刀！

屠龙刀还要等50多年才出世。我们先按下不表。1834年，门捷列夫出世了，但是要等他37岁时，才会给我们带来那个惊喜。

所以，我们还是把1820年代的事情搞搞清楚吧。曾记否，那些年，我们一起追过的星，集工艺技术、科学理论于一身的强人夫琅和费，他发明了光栅，还越搞越精密，能够精确观测光谱线。

从1850年代开始，这个技术在元素识别工作中大显神通。德国物理学家基尔霍夫和本生发现，不同的元素，有着不同的光谱线，光谱线就是元素的指纹。有了这个利器，基尔霍夫、本生、瑞典物理学家埃格斯特朗、英国化学家克鲁克斯、德国化学家赖希等众多科学家纷纷抢滩登陆，发现了多种元素，同时记录了这些元素的光谱线。

科学家们的发现越来越多，元素越来越丰富。但这些，只能换来短暂的欢欣。因为，有些现象，天天见，却解释不了。比方说，为什么气体会对容器产生压力。

这个问题看起来很简单，可是，那么多科学家，就是拿不出一个靠谱的解释。

一个纯粹的科学家，是不能容忍难题在自己面前耀武扬威的。麦克斯韦更是如此。

麦爷刚刚搞定电磁学，就一边筹建卡文迪许实验室，一边抽空搞起了气体动力的研究。他把气体看做一群刚性球的集合，它们不停地冲撞容器壁，这种过程，可以用牛顿力学描述。气体越热，分子运动越快，对容器的压力也就越大。这样，就解释了气体为什么会对容器壁产生压力。

虽然刚性小球疑似原子，并且引入后，理论非常符合观测，但是，它依然属于假设。根据刚才讨论的操刀诀，这个可以有，暂时保留，以观后效。

那么，这些“原子”，或者元素，它们有什么性质、关系如何呢？

1840年代，一个超级敬业的俄国教师开始了对元素规律的艰辛探索。

德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫，1834年生于俄国西伯利亚的托博尔斯克市，著名科学家。

那时候，我们已经发现了63种元素。这些元素相互化合，可以产生成百上千种化合物，组成形形色色的物质。身为化学教师的门捷列夫意识到，这些东西太杂乱，讲上几个月也讲不完，枝枝桠桠的，可能讲得越多，听的人就越糊涂。怎么办？大自然如此美妙，这些元素绝不可能毫无章法、乱凑乱搭。一定要找出那个普遍的、统一的规律！

可是，谈何容易！当真正面对的时候，才发现，这是一团乱麻，每一种元素都有自己的个性，好像很偶然很随机的样子，毫无PS痕迹！

最基本的，这些元素按什么排列，就是个大问题，颜色？比重？电磁性质？身价？三围？姓氏笔画？都不靠谱。

那个隐秘的自然秩序究竟是什么？

静下心来，细细地分析整理，门捷列夫发现，一些元素相似性极强。这决非偶然！门捷列夫基于这个想法，把所有的元素，连同它们的各种化合物，综合排行布阵。

然后再去分析，决定元素位置的，到底是什么里格楞。

原子量、原子价。门捷列夫脑子里蹦出两个词。

所谓原子量，就是为了方便计算，以碳-12原子质量的1/12为标准，其它原子的质量跟它相比较，所得的一种相对质量。

所谓原子价，就是一个原子形成氢化合物时，需要跟多少氢原子结合，它的原子价就是多少。

门捷列夫抓住这两根线，玩起了卡片游戏——用厚纸板切成63张卡片，每张卡片写一种元素的名称、重要性质和原子量，然后不厌其烦地排布调整，寻找规律。

1867年2月17日，那个苦苦寻求的规律，终于浮出水面：各元素的性质和它们的原子量，呈周期性的依赖关系。于是，那些小纸片排布得越发美妙起来。1869年3月1日，他公布第一稿元素周期表，由此得出8个原理，其中，最主要的是“元素的物质性质和化学性质随着原子量作周期性的变化”。

1870年，门捷列夫将周期表加以修缮补充，宣告元素周期分类已趋成熟。

按照周期表排布原理，他在表中留出了一些空格，预言在这些位置应该填入的未知元素，并描述了它们的性质。后来果然陆续发现了那些元素。比方说，他预言，在钛的下面，应该填入一个原子量72、密度5.5，其氯化物为液体的元素，后来果然发现了这个元素：锗。它的原子量为72.61，密度为5.323，氯化锗为无色液体。预言正确。

元素周期率的发现，是近代化学史上的一个创举。元素周期表的发明，使我们对元素的认识更加简洁、优美、深刻，那神秘玄妙的化学，变得连中学生都能理解了。直到现在，我们的化学课本里，都少不了元素周期表。

但是，这只是一个开始。

为什么元素性质非要随着原子量的递增而呈周期性的变化？

为什么原子量的一个小变动，就会引起元素性质的大变动？比方说，氟和氖的原子量只差1，但个性迥异，氟最活泼，和几乎所有元素都合得来，甚至能与铂、金等发生剧烈反应；而氖最不活泼，一般不跟任何元素发生反应，包括氟在内；而铁和钴的原子量差值达到3，可是它们的化学性质却差不多！

是谁在和我们开玩笑？

我们从雾霾中跌跌撞撞、一路走来，偶一抬头，前方白云飘渺，豁然开朗，谈笑间却身入其中，希望灰飞烟灭，但见迷云漫漫，深渊暗壑，隐隐其间。

原子之谜

原子之谜

原子在理论上作为一个假设，逐渐被接受。相当一部分人相信它的存在，也有相当一部分人怀疑它的存在，只把它作为一种工具来使用，有的甚至不屑使用这个工具。不信当然有不信的道理，因为作为一个科学理论，原子说缺少关键的东西：

没有观测证据，间接的也没有。

元素周期表固然美丽，把看起来毫不相干的元素，组成了一个完整的自然体系，但是，它是建在沼泽地上的豪宅，没有地基——理论基础，造成元素性质不同的机制是什么？问谁谁傻眼。

我们发现了原子的条码身份证——光谱线，藉此发现了越来越多的原子，积累了大量的、精确的光谱数据，但是，谁也不知道光谱线何时出现、为啥出现。

我们从这些数据、经验中所得到的知识，确实能解决很多问题，但是，它们有时候好使，有时候不好使，这让科学家们情何以堪？！

七彩光谱诡异莫测，究竟谁是幕后黑手？基本粒子似隐似现，到底在隐藏什么秘密？原子为何频频变脸，究竟哪个才是真身？这一切到底是上帝的疯狂还是人类的偏执？敬请追随科学牛人的脚步，关注原子之谜！

无论这些问号怎样让我们愁肠百转，问题，还得一步一步解决。

在科学家们纷纷用光栅观测原子光谱，发现新原子的那个激情燃烧的年代，瑞典物理学家埃格斯特朗也跻身其中，关注了氢的光谱中，处于红、绿、蓝、紫色区域的四条光谱线，他给这四条线起了个名：阿尔法、贝塔、伽马、德尔塔（α，β，γ，δ）。并精确测量了它们的波长：656.210；486.074；434.01；410.12。单位是纳米哟。精确到了骨子里。

瑞士，有间女子学校。

约翰·巴尔末老师今天有点无聊，抱怨道，没啥有趣的事可做。巴尔末老师是教数学的，课余喜欢玩玩有点挑战性的数学游戏，比如数字占卦术之类的。

物理教授哈根拜希正为光谱纠结呢，听到巴老师的抱怨，就说，三条腿的蛤蟆不好找，N条线的难题有的是！你摆弄一下埃格斯特朗的四条线吧，正好你喜欢玩数学游戏，试试看，能不能找到它们的数学关系？

这些谱线，看似纤弱懒散，却巍然不动；看似毫无章法，却不越雷池。怎一个拽字了得？！喜欢刺激的巴老师立即就被光谱线的神秘勾住了魂。解谜的渴望，让巴老师的业余文化娱乐生活立即充实起来——凑公式，凑公式，以及凑公式。人工暴力破解。

1884年6月，巴老师快满60岁的时候，终于凑出一条公式，可以再现四条谱线的波长。我们来欣赏欣赏巴老师的劳动成果：

λ=B[m^2/(m^2-n^2)]

m和n为整数。

B=3.6546×10^-7m，是个常数。

这个式子是硬凑出来的，用的都是数学技巧，至于m和n为啥必须是整数，B的值为啥必须是这个常数，它的描述代表什么意义，巴老师一概不知。他只知道，眼前的这个式子好用。

奇怪吗？不奇怪。凑式子这种事，并不少见。我们不能解释某个现象，但可以根据手里掌握的观测资料，用数学予以描述，先凑出一个公式，作为一个工具来用，确定它好用、实用后，就可以试着读出它隐藏的秘密。

巴尔末发现，如果n=2，让m分别等于3、4、5、6的话，那么，这个公式会分别得出那四条线的波长。

不仅如此，他还用这个公式预测到，氢谱线应该还有第五条，那就是当n=2，m=7时。

巴尔末还不知道，埃格斯特朗后来已经发现了第五条线，当然也测量了它的波长，这个成果是在瑞典发表的，没人告诉巴老师这件事。你知道，那个时候没有互联网，无墙可翻，信息不畅啊！

后来，人们拿着第五条线的测量值，与巴老师的理论值一比照，嗬，那是相当吻合了！

再后来，巴尔末用他的公式，分别让n等于1、3、4、5，让m也取不同的值，预测出氢原子在红外和紫外区域还存在其他光谱线。预测本是寻常事，偏偏此事不寻常——这些预测被证实是对的，简直太成功了！

可是，就是没人能解释，是什么让这个公式频频得手。

1885年，巴尔末公式被刊载在《物理、化学纪要》杂志上。这一年的10月7日，在丹麦的哥本哈根，维特·斯特兰顿14号，一座名副其实的豪宅里，年轻的母亲艾伦在自己生日这天，产下她的第二个儿子，尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔。隐藏在这个公式背后的惊天秘密，将在28年后，由这个男孩一手揭开。

所以，关于巴尔末公式的故事，我们28年后再说。现在，我们去看看另一位牛人对原子干了什么。

约瑟夫·约翰·汤姆逊，著名物理学家，1856年12月18日生于英国曼彻斯特。

天才都很善于学习。上曼彻斯特大学那年，汤姆逊年方十四。后来他又去了剑桥，听过麦克斯韦老师的课，也不知道他是用什么办法听懂的。汤姆逊还在卡文迪许实验室第二任主任瑞利勋爵的指导下，完成了几篇论文。

经历了这么多名师，汤姆逊显得很出色，但是那时，他还没做出什么突出贡献。

1884年，瑞利如约辞去了卡文迪许实验室主任兼物理教授职务（他承诺只任5年）。时年28岁的汤姆逊试着申请了一下，没报什么希望，所以即使落选也不会失望。但是，天上真掉了个馅饼，还直接砸到汤姆逊头上。经瑞利推荐，汤姆逊居然当选了！申请人自己先吓了一跳，这才想起来，自己还“没有认真考虑过这项工作和所要负的责任”。这些选举人，要么是极不负责任的，要么是极有远见的。后来的事实证明，汤姆逊极其认真负责，并且具备担任这一职务的实力。估计是大家相信瑞利的眼光，才让汤姆逊坐上了这个重要位置。

汤主任治学严谨，他注重培养会思考、有独立工作能力的人才，要求学生在做研究之前，必须先学好相关实验技术。不仅做实验的观察者，更要做实验的创造者。

汤姆逊在担任这一要职的34年间，创立了一个极为成功的研究学派，新成果、新发现从卡文迪许实验室不断涌出，培养了一大批牛人：卢瑟福、威尔逊、斯特拉特（瑞利之子）、汤森、巴克拉、里查生、阿斯顿、泰勒、以及G．P．汤姆逊（汤主任之子）……在汤姆逊的学生中，有九名诺奖得主，加上他自己的诺奖，汤主任这个老师当的可谓十全十美了，真正做到胡锦涛同志所倡导的“创新智慧竞相迸发，创新人才大量涌现”。

这里要说的，不是汤主任的教育勋业，而是他和阴极射线的那些事儿。

阴极射线管

阴极射线是什么玩意儿？这还得从一根玻璃管说起。

1858年，德国的盖斯勒制成了低压气体放电管。就是一根密封的玻璃管，内充少量气体，两端通电，一端是阳极，另一端你来猜猜看？对嘛是阴极！给电极通电，电压达到一定高度时，电流就会击穿管内的气体，开始放电。

1859年，德国的普吕克尔觉得这根管挺好玩，于是给它通电，发现阴极的对面冒出了绿光。咦？

为什么不直接说是阳极那边冒出绿光呢？等17年就知道了。

1876年，德国的戈尔兹坦回答道，是阴极产生的某种射线，撞击到对面，从而发出绿光。他给这种射线起了个名：阴极射线。

阴极射线本身跟它的名字一样神秘，有人说它是电磁波，也有人说它是带电的原子束，还有人说是以太波……二十多年过去了，只有争论，没有结果。

1897年，汤姆逊决定试试看。他拿来一块小玻璃片，涂上硫化锌，放在阴极射线的必由之路上。阴极射线能让硫化锌闪光。利用这个原理，他搞清了阴极射线的“径迹”。发现，一般情况下，阴极射线是走直线的。接着，他拿来一块U型磁铁，跨放在放电管外面，结果见证了奇迹——阴极射线跑偏了！根据这个偏折方向，可以断定，阴极射线是带负电的微粒。顺便说一下，用电场，也可以让阴极射线跑偏。

那么，阴极射线是原子还是分子呢？测一下质量就知道了！可是，这么小的东西，怎么能测出质量呢？这需要多精细的设备啊！

这时，汤主任的功力就显现出来了。他设计了一套既简单又巧妙的实验：

首先，电场，或者磁场，都能使带电体偏转。而磁场呢，对粒子施加的力，是与粒子的速度密切相关的。汤教授同时施加电场和磁场，让粒子受夹板气，并精心调节，直到双场造成的粒子偏转互相抵消。这时，粒子在双场的淫威下，仍作直线运动。然后，用电场和磁场的强度比值，就能算出粒子的运动速度。

有了速度值，单靠磁偏转，或者电偏转，都可以测出粒子的电荷与质量的比值。

算出这个值后，汤姆逊惊奇地发现，它比电解质中氢离子的比值还要大得多！

这说明什么呢？说明这种粒子的质量，比氢原子的质量要小得多——前者大约是后者的1/2000。

我们看看元素周期表就知道，氢原子是最轻的原子，比它还小2000来倍的东西，不可能是原子！

那么，它是谁？一股寒意倏然袭来。

纵览科学史，从来没有这样的概念：比原子还小得多的带电微粒。

汤主任漂亮的实验结果，肯定地证实了阴极射线是由电子组成的。这是人类首次用实验证实了一种“基本粒子”——电子的存在。

我们一直在为原子找证据，因为无法观测，而总是怀疑它的存在。为这事儿，不知白了多少少年头，熬了多少不眠夜！没想到，我们首先观测到的微粒，竟然是比原子轻2000倍的电子！而原子，到现在也没看到，真是造化弄人啊！

先不要忙着感慨，好像有点不对劲——发现了电子，这意味着什么？

这意味着，八成存在原子。即使存在原子，它也不是原来大家认为的那样，是一个不可分割的基本颗粒，Look，电子就是从原子身上拆下来的！

它同时还意味着，除了电子，原子里还存在别的什么东西。

什么？你说原子里都是电子不可以吗？

不可以，因为原子不带电，也就是说，它是电中性。而电子带负电，只有跟带正电的东西在一起，才可能抵消，表现出整体的电中性。所以，原子里一定还有带正电的结构。

这位童鞋说了，就不能是带正电的电子吗？

不能，以后我们会知道，如果这个世界上，负电子非要和正电子往一块儿凑，那么，世界就毁了。

原子还没被证实，它的“基本粒子”身份就被取消了。科学进入了一个新时代。

发现电子后，汤主任火了，被誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。1906年，他因此获得诺贝尔物理学奖。

1940年8月30日，汤姆逊逝世，他的骨灰与牛顿，达尔文、开尔文等伟人的骨灰安放在一起。

话说发现电子后，人们都在想，电子貌似原子的零件之一，那么，原子的构造是个什么模样呢？这时，想象力占了主场，科学家们纷纷提出各种原子模型。

1901年，法国物理学家让·佩兰提出，带负电的电子，围着一个带正电的粒子旋转，组成了原子。原子的光谱不一样，是因为电子的运行周期不一样。

1903年，日本物理学之父长冈半太郎受到麦克斯韦土星模型的启发，提出原子就是像土星那样。

1904年，汤姆逊提出，原子是个球，带正电，镶嵌着带负电的电子。有点像葡萄干蛋糕。

……

众说纷纭，各有各理，很难说哪个靠谱，哪个不靠谱。揭开原子之谜的道路太曲折，太漫长。我们也累了。现在，咱俩静静地坐下来，插播一段广告。

客观世界纷繁复杂，你想撇开次要因素吗？你想抓住主要矛盾吗？你想让科学研究更纯粹、更基本、更简洁吗？请使用科学模型！

科学离不开模型。科学研究中的计算，针对的都是模型，而不是“现实”的东西。这个模型，要能够尽量简洁地模拟现实对象。比如计算天体力学关系时，最简洁、最有效的办法是，把天体简化成质点，这样计算起来又快又准。如果不依赖这个“质点模型”，那我们就把自己逼疯了：我们必须考虑每一个天体、及其每一个原子之间的力学关系！就算我们有这个能力、精力和时间，也是麻烦无比，还很难算得准。

有人说了，模型这东西，虽然好用，但太主观。

不错，不仅模型主观，就连我们对客观世界的观察，也撇不开主观。因为，我们的感知能力有限。所以，观察到的东西，只能是世界的一小部分，究竟是多小的一部分，还不知道。这些碎片信息，通过感官，映射到我们的大脑，做出分析理解，这个过程本身，就是客观刺激、主观反映。我们所能做的，就是尽量多地去观测客观世界，尽量客观地去模拟现实对象——用我们的模型。

这位童鞋问，模型再好用，它也不是“真实”，科学追求的不是真理吗？

是的，科学是在追求真理、拼命鞭策自己去接近真理，但是，对于科学，最科学的表述是：我们追求的真理，是有限的，但必须是有效的。

绝对真理也许存在，也许将来有一天，能够找到我们这个宇宙的绝对真理。但是，你能保证我们的宇宙是唯一的吗？你能保证其他宇宙的真理也和我们一样吗？

研究绝对真理，是哲学家、神学家、玄学家、政治家们的事，他们可以仙风道骨，很拽很大气；坐而论道，很玄很肯定。唯一的遗憾是，他们不能肯定、准确地预测一件事。

科学家们没那么潇洒，他们谨小慎微，很清楚地知道，自己建的模型很简陋，对大自然的描述很片面，他们承认自己没有能力客观地、全面地、历史地、辩证地看问题，他们只能用这些简陋的、片面的、孤立的东西，战战兢兢地搞些观测、做些实验，好不容易总结出可怜的几条规律，还心虚不已，一个劲儿地预测、验证，一旦发现某处与观测不符，就立即推翻自己苦心经营的理论，从头再来。他们唯一的骄傲是，总算能够肯定、准确地预测一些事了。比方说，能把飞行器送上太空的预设轨道、月球和火星的指定位置；预测几千年的日食月食，发生时间敢精确到秒；土星在2022年2月2日2点2分处于什么位置；130亿光年远的那颗恒星含有什么元素……有一次不准，他会立即认栽，比谁都认真地找出倒底错在哪，一旦找到原因，改得比谁都快。这就是有自知之明的科学，知道自己不代表真理的科学。

咦？倒底谁更主观？

哈，扯远了，违反了广告法。下面，接着说模型。

原子还没观测到，模型倒是提出不少。那，倒底有没有原子呢？

别急，咱俩熟悉的奇迹年——1905姗姗而至。三级技术员爱因斯坦同志在创立狭义相对论之余，关注了一下微观世界。他的目光落在布朗运动谜题上。5月份，小爱同志接连发表了《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》、《布朗运动的一些检视》两篇论文，用来解释布朗运动。

在论文里，小爱说，研究布朗运动，就是要找到证据，证实原子存在或不存在。原理是，假设存在水分子、或者水原子，把它们看做微小的圆球，那么，按照热分子运动理论，观测悬浮颗粒的运动，就可以用数学手段精确测定小球的大小。如果做不到，那就说明，不能把水看作小球的集合，也就是说，原子不存在。

他做到了。在论文里，小爱创立了相关数学定律，成功统计了在一定体积的液体中，分子的数量和质量，准确描述了布朗运动，还给出了完美的解释：是分子（原子）的热运动，不停地撞击悬浮在其中的微粒，使它们不停地瞎折腾。

这个结论，不仅证明了原子的存在，终结了两千年来关于原子存在与否的争论，还顺便为现代统计力学作出了基础性的重大贡献。

小爱为解释布朗运动所创立的统计方法，可以用来描述和预测那些信息海量庞杂、变化微妙多端的复杂事物，比方说，模拟空气污染物的行为，或者股票市场涨落走势等等。

后来的事，我们在上部里说过，佩兰在物理学领域验证了爱因斯坦的理论，斯维德伯格在化学领域验证了爱因斯坦的理论，他俩因此分别获得了1926年的诺贝尔物理学奖和化学奖。验证同一个结论的两个实验，分别获得不同领域的诺贝尔奖，这在诺奖历史上应该是绝无仅有的，足见这个理论的重要性。

多年来不遗余力捍卫原子论的著名科学家玻尔兹曼胜利了，但他已身心俱疲，于1906年自杀身亡。玻尔兹曼是热力学和统计物理学的奠基人之一，我们以后会谈到他。

原子，你是有多让人操心啊！

欧内斯特·卢瑟福

初露端倪

科学家们提出品类繁多、形态各异的原子模型，倒底哪个更靠谱呢？这个问题不能靠口才来解决，科学家们用的都是笨办法：实验。

1910年。

这个实验，被评为物理最美实验之一。

伟大的实验，自然要由伟大的人物来做。

欧内斯特·卢瑟福。

“法拉第之后最伟大的实验物理学家”的名头，不是说有就有的。

如果你嫌不够，那么，卡文迪许实验室第四任主任，也不是说当就能当的。

他的名头当然远远不止这两个。如果列一张清单给你，你一定会后悔看到它。因为它很长。

长到你无法承受。

卢瑟福可以承受。凭实力。

但现在，他把这些名头都忘在了九霄云外。

因为，他正盯着一个模型。原子模型。

每个人心中都有一个原子模型。但这只不同。

如果选择一只模型去相信它，自然要选老师的那只。

可以肯定，这位老师，就是汤姆逊，那个尊敬的长者。

而模型，却未必是原子的真身。

葡萄干蛋糕？其实这个模型更像一只西瓜。当然是削了皮的那只。

西瓜瓤，应该就是原子。而西瓜子，自然就是电子。

揭开它的面纱！这是卢瑟福的一个梦。也是整个物理界的一个梦。

梦想很丰满，但武器太骨感。

一张纸，涂了硫酸锌的纸。这张纸围成一个圈，让人想起天坛的回音壁。纸壁上有一个孔。纸圈当中，一张箔孑然而立。

够薄才能称箔。但这张，薄得让人心酸。寒酸的厚度，却由上好材质打造。是的，这是一张金箔。做靶，是它的宿命。

带正电的氦核，江湖人称α粒子，昵称阿尔法。它现在是射线，由放射性元素衰变射出，当然，裂变亦可。

纸圈外，α粒子发射孔透过纸孔，正对着那张箔。

当阿尔法遭遇硫酸锌，便有微光闪逝。

武器太寒酸，相对于名震物理江湖的实验。但放在卢瑟福手中，已然足够。

兵刃未动，卢瑟福却已在心中过招。事实上，每一个高手都会在心中过招。

α粒子，射中金箔中的原子，会发生什么？

实力决定结果。

α粒子冲击电子，就像卡车撞上乒乓球，毫无挂碍。而西瓜瓤这种疏松之物，只作容纳电子之用，不足为虑。

所以，α粒子将直贯而过——穿透金箔，砸在发射孔对面的纸壁上，就像子弹穿透纸靶射进墙壁。这是卢瑟福的推测。也是所有人的推测。

然而，失算乃兵家常事。即使是高手也不例外。

比如现在的卢瑟福。

不错，果然有微光频闪，但不止是在发射孔对面。大半个纸壁上都有！

那些散落在别处的微光也不容小觑。

事实上，每一点微光都不容小觑。一点微光，就是一个α粒子。

少数α粒子被反弹偏角超过90度！

它撞上了什么，被弹得四处飞散？！

电子？绝无可能。

那么，就只有一种可能：原子内部，一定还有异物！

质量大、硬度高，才有如此功力。

原子里居然有这等神器？

失算的不是卢瑟福，而是那个模型。

“这就像你用一发十五英寸的炮弹去轰击一张纸，可这发炮弹却被弹回来打到你一样。”

卢瑟福这样形容他对“α粒子散射实验”的不可思议。

实际上，这个实验，比上述要复杂得多。比方说，为了多打探些原子内幕信息，必须干一件又费力又无聊的事——数清闪光次数。需要在完全黑暗的环境中老老实实盯几个小时，去捕捉那一闪而逝的、孱弱的微光。达摩面壁，还能看见蚂蚁搬家呢，这小黑屋谁伤得起？对一般人来说，这活儿还不如守墓。好在卢老师门下奇人辈出，都不一般。

盖革尤其不一般。卢瑟福评价说，盖革工作起来像个魔鬼，可以整夜定时计数，而且极其淡定，丝毫不乱。

于是盖革老是被安排干这类事。

于是盖革发明了一个仪器替自己工作，这就是名震江湖的盖革计数器。当然不是为这次实验发明的。

这次试验，还是要靠眼力。因为不仅要计数，还得搞清楚散射位置。

盖革发现，阿尔法粒子要么直接穿过金箔，要么稍有偏转。这都很正常。但意外的是，盖革还发现，一些α粒子偏转角“相当可观”。

而那时，物理学家卢瑟福刚刚获得了诺贝尔化学奖。因为他发现，所谓放射性，是嬗变产生的一种现象，而所谓嬗变，就是一种元素变成另一种元素。突然从物理学家嬗变为化学家，这是在恶搞吗？喜欢幽默的他为这件滑稽的事发生在自己身上有点小得意：“这真是太妙了！我研究了那么多变化，但是最大的变化是这一次，我从一个物理学家变成了一个化学家。”

幽默归幽默，工作归工作。卢老师算了下，按照汤老师的模型，α粒子被大角度偏转的可能性不大。这时，盖革向卢老师推荐了一位很有前途的研究生——马斯登，并建议给这位新人安排一个项目。

卢老师当场拍板：那就让他去看看，有没有α粒子反弹回来。

卢老师安排这件事的时候，只是给这位年轻人找点事干，也没抱什么希望，怎么可能反弹回来呢，还恰好被你看见，是吧？

于是马斯登就屁颠屁颠去了盖革的小黑屋。

没想到啊没想到，他真看到了！

于是卢瑟福拿炮弹作比喻，表示了这件事的不可思议。

事情到这儿还没完。搞出这么大个怪事，盖革和马斯登更来劲了，他们召集不同材料的箔，组织了一场比赛，就比谁弹回的α粒子多。赛后，盖革和马斯登发布了成绩榜：金是银的2倍，是铝的20倍……然后就兴冲冲干别的去了。

但卢瑟福没心思干别的了。他想为这张成绩榜找个解释。

在此之前，他得先理清思路：

第一，爱因斯坦对布朗运动的解释，加上自己刚发现的元素嬗变，这两个证据都毋庸置疑地证明了原子的存在。

第二，汤老师发现了电子，不容置疑地证明了原子不是基本粒子，它是可以拆开的。

第三，汤老师认为，原子主要是由电子构成的，还提出一个镶了很多电子的球形原子模型。

第四，α粒子有大角度的散射，说明原子里存在大质量的硬物。汤老师的模型不对。

第五，绝大部分α粒子直贯而过，说明这个硬物体积不大。那么它到底有多大呢？可以根据α粒子散射的数量，以及分布情况的数据算出来。

第六，这个数据已经被盖革和马斯登这俩小子弄出来了。

Yeah！

1910年12月，卢老师告诉盖革：“俺晓得原子是嘛模样了！”

卢瑟福原子模型闪亮登场：一个小小的、带正电的核心，叫原子核，只占原子中极小的一部分空间，就像教堂中心悬浮的一只苍蝇，电子绕着原子核转，就像教堂的墙。也就是说，原子基本上是空的。如果非要想象一下电子的大小，我们就只好把原子放大到地球的尺寸，原子核就相当于一个棒球场，而电子就是棒球。

实际上，原子核只占原子体积的几千亿分之一，却集中了原子99.96%以上的质量！原子核的密度是一样的，质量越大的原子，其原子核体积越大，所以弹回的α粒子越多。如果原子不是空的，而是都充满原子核，那么，1立方米的任何物质都将重达1百万亿吨！

卢老师原子模型简直就是一个小行星系统的翻版，就像我们的太阳系——原子核是太阳，电子就是行星，史称“行星系统”模型。多美妙啊！微观世界竟然是宏观世界的超级袖珍版！

这个原子模型，直接由实验数据计算而来，原子核的概念从此出现在人类的词典里，颠覆了此前人们对原子的认识，开辟了物理学的一个崭新分支，为原子核物理学最终确立迈出了决定性的一步。在卢瑟福的主持下，卡文迪许实验室涌出一系列重大发现，成为实验物理学圣殿。卢瑟福因此被誉为“原子核物理学之父”。

“原子核物理学之父”于1871年降生于新西兰纳尔逊，父亲是个手艺人，车轮工匠、木匠、机械、农活，样样拿得起。

但是样样拿得起的人，往往有一样拿不起，钱。所以爱好不要太广泛，盯住一样做到极致，你就赢了。

卢瑟福自小家境贫寒。好在智力和快乐并不是按价购买的。

小卢聪明淘气，建过土炮，Diy过相机，拆过闹钟，心灵手巧的劲儿比父亲有过之而无不及。如果你对此不以为然，那是你不知道，这对一个实验物理学家是有多重要。所以，看见孩子拆东西，鼓捣稀奇古怪的玩意儿，千万不要粗暴禁止，说不定你一不留神，就扼杀了一个伟大的科学家。

咱爹就是个明白人，咱俩拆啥他都不管，但是后来，咱俩都没变成科学家。那是因为，咱俩管拆不管装，把成品变成零件，就算万事大吉了。什么？你现在是报废汽车回收公司经理？嗯，算是专业对口，人尽其才了！

人家小卢比咱俩厉害，他不仅能拆，还能装上，坏了还能修好，比如那只钟；自己没有的东西能Diy出来，比如那个相机，真能拍照片，厉害吧？

其实他更厉害的是，淘气学习两不误，很小就爱思考，爱读书，但目标不明确。直到10岁那年，他看到一本书，《物理学入门》。小卢立即被书里简单而神奇的实验、美丽而优雅的自然规律所吸引，从此心里种下一个梦。也算是冥冥之中的巧合吧，这本书是他后来的老师汤姆逊的老师写的，说起来，还是师祖点化他投入师父的门下。

小卢靠自己劳动，解决了小学的学费。小学以后的学费，他靠奖学金解决。我们知道，奖学金可是个稀罕物，它只青睐两类人：凤毛、麟角，你得用成绩PK掉绝大多数对手才行。小卢一路过关斩将，进入了新西兰大学，毕业时还赚了三个学位：文学学士、理科学士和硕士学位。这个时候，他也可以凭本事养家了。但卢瑟福同学心里的那个梦发芽了，于是申请了剑桥的奖学金，这回竞争对手更多了。而且，你知道，敢申请剑桥奖学金的，那都是神人，否则就是神经了。果然，这次竞争特别激烈，一个叫迈克劳林的人跟小卢杠上了，他俩条件差不多，基金委员会很为难，最后经过争论，决定把机会给迈克劳林。小卢只好回家等下次机会。1895年4月，小卢正在菜园里挖土豆，母亲兴奋地给他送来一份电报，原来基金委员会改了主意，奖学金归卢瑟福了。小卢立马扔掉铁锹，雀跃道：“这是我挖的最后一个土豆了！”

卢瑟福从菜园子一路走来，取得巨大成就，靠的不仅仅是聪明的头脑，更有勤奋、坚持和勇气。还记得我们的成功等式吗？那几个因子，小卢一个也不少。他也许不是最牛的物理学家，但绝对是最牛的物理学导师，没有之一。

他真挚、爽朗、淳朴、诚恳、热忱、负责、渊博、智慧、幽默、勤恳，几乎具备作为好朋友、好导师所要求的一切优点，这绝不是搞浮夸，搞高大全，他被科学界公认为“从来没树立过一个敌人，也从来没失去过一个朋友”，让整个科学界这帮吹毛求疵的家伙公认一件事，容易吗？

当然不容易！他作为导师，对学生的影响和帮助，无论在精神、知识还是其他方面，都是无可比拟的。

俄罗斯物理学家卡皮查勤奋、有思想、还有幽默感，在卢老师门下工作了14年，师生俩情同父子，小卡给他敬爱的卢老师起了个外号：鳄鱼，寓意老师从不回头、勇往直前的精神，还做成一个鳄鱼徽标，挂在卢老师为他建的“蒙德实验室”，用来激励自己。

1934年秋，卡皮查回国探亲，被苏联留在国内出不来了。一个实验物理学家，离开了实验室，那就是龙游浅水、虎落平阳，卡皮查一连三年无所事事。卢瑟福做了一件谁也没想到的事，他说服了苏英两国政府，把“蒙德实验室”的所有设备、仪器送到莫斯科，还派了个得力助手前去协助安装。小卡后来在液氦的超流动性、球型闪电研究等方面取得成功，于1978年获得诺贝尔物理学奖，成为史上最高龄捧回诺奖者，那年他84岁。如果希格斯粒子最终被证实，这个记录有望被打破。希格斯小老头，祝您健康！

卢老师对学生不仅“能帮”，还“善导”。一天深夜，卢瑟福见实验室仍亮着灯，进去一看，一个学生正在那忙乎，便问道：“大半夜的你干嘛呢？”学生答道：“我加班呢。”交谈中，他得知学生从早到晚不是上班就是加班，就不满意的问了句：“那你用什么时间思考问题呢？”一个真正有头脑的老板，不是想方设法让手下加班，而是想方设法提高手下的效率和能力。

所以，他门下神人辈出，他的学生和助手，至少有11人获诺奖。物理学奖：索迪（1921）、玻尔（1922）、查德威克（1935）、赫维西（1943）、哈恩（1944）、阿普顿（1947）、布莱克特（1948）、鲍威尔（1950）、科克拉夫特和瓦尔顿（1951）、卡皮查（1978）。

受卢瑟福影响获奖的还有：阿斯顿（1922）、狄拉克（1933）、贝特（1976）等等。

当然，还有些牛人没获诺奖，比方说刚才在小黑屋数数的盖革、马斯登等。没办法，诺贝尔物理学奖太少，卢老师门下神人太多，不够分呐！这不，还匀了几个化学奖给他们！

这个纪录超过他的老师汤姆逊，稳居世界第一。

导师当得够完美，那么，刚刚设计的这个原子模型怎么样呢？

这个模型既符合刚刚结束的实验观测，又符合自然的美感，何止是完美？简直就是完美！

但是，经验告诉我们，每当我们迎接一段光明时，后面总会跟着一个大大的阴影。

这次也不例外。科学家们很快发现，如果原子是这样的，这个世界就毁了。为了拯救世界，必须反对这个模型！

这次反对者的后台特别硬：牛爷、麦爷。

牛爷证明：做圆周运动的物体都经受加速度。

麦爷证明：带电粒子加速，会产生电磁辐射，不断损耗能量。

这位童鞋问：两位爷说得都没错，但是，损耗能量很平常啊，有什么大不了？

问题很严重，一个做圆周运动的物体，损耗能量，就必须缩小半径，能量损耗越多，半径越小。这下你懂了——电子会坠毁在原子核上。

这个坠毁过程需要多长时间呢？科学家们算了下：大概不会超过万亿分之一秒！

也就是说，如果原子系统是这样运行的，那么。它刚出生，就会毁在自己手里。

有的同学又问了，如果电子不是绕核“公转”，而是离原子核一定距离，老老实实呆着不动，不就没有能量损耗了吗？那就不能坠毁了吧？

答案是：坠毁得更快。带负电的电子，怎么能抗拒带正电的原子核的强大魅力？它会立即投向原子核的怀抱，比绕转坠毁还快！

事情闹大了。

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