所有物质都由原子构成

最早的量子思想——事物本质上由看不见的基本成分组成——至迟在 2500 年前就有人提出了。从这里开始，物理缓慢地诞生了，如果没有这些基本认识，就难以理解土、水、火和空气。这个观念一开始让人免不了怀疑，因为泥土、石头、树叶、水、肌肉或骨骼看起来完全不是那样。但是公元前 5 世纪的几位古希腊哲学家发现，自己难以表达出任何其他令人满意的可能性。物质会改变状态——破碎、褪色、枯萎或成长——但是物质的本质没有变。不会变化的物质本质，意味着物质的基本成分不会变。物质会运动，会重新组合，这会带来外观的改变。更有意义的是，把物质的基本成分当成不会改变和不可分割的东西，比如原子（atomos），意为“不可分割的”。无论原子是不是真的完全统一或不可分割，都不妨碍这样的观念。柏拉图把原子想象成纯几何形状的硬块：立方体、八面体、四面体和二十面体，对应着土、气、火和水四大基本元素。其他人想象有小钩子一样的东西把原子钩在一起（不过这些钩子又是什么做的呢？）。

希腊人不太重视实验，但是有些观察结果支持了原子的观念。水会蒸发，水蒸气会凝结。动物会发出看不到的信息，它们的气味随风飘散。装满灰烬的罐子还能倒得进去水，两者原来的体积加起来并不是最后的体积，这意味着物质之间存在空隙。其中的机制让人困扰，现在仍然如此。这些小颗粒如何运动？它们之间如何连接？诗人理查德· 威尔伯（Richard Wilbur）写道：“云啊，云啊，充满了石头。”即使在今天这样的原子时代，我们还是很难理解为什么物理学家说的粒子云可以构成摸起来坚硬的物体边缘。

相信科学解释的人，每天都要把教科书上的知识和真实世界联系起来，因为只有真实世界的知识才是我们真正接收到的和真正拥有的知识。小时候，别人教我们地球是圆形的，它绕着太阳运动，也绕着倾斜的轴自转。我们可以不加怀疑地接受这些知识，但这只是现代世俗宗教经不起推敲的说教。或许，我们可以把这些知识的碎片连接成更大的框架来理解，这样就不会轻易崩塌。随着冬天临近，我们看到太阳在天上运行的弧线越来越低。我们根据路灯的阴影长短猜出时间。我们跨越旋转木马转台的时候要对抗侧方的科里奥利力，我们也可以把这种感觉跟学到的地球气旋的知识建立联系：北半球的低气压呈逆时针方向旋转。我们计算船上高高的桅杆要在多长时间之后才会消失在海平面之下。太阳、风和波浪的种种特征都让我们不再相信“地球是平的”，我们再也不会无法理解潮汐随着月亮涨落。

所有的物质都由原子构成——要把这一观念和日常经验中的坚固的桌椅联系起来可不容易。看一眼办公大楼的石阶上光滑的凹陷痕迹，我们很少会想到这是千万次的踩踏日积月累地刮掉了无数小粒子的最终结果。我们也很少从珠宝的几何切面联想到把原子像小球一样堆起来，呈现出特定的晶向，并形成人眼可见的规则角度。如果真的考虑自己身体内外的原子，我们还是无法回答为什么石头那么硬。费曼曾经问过他的高中老师（却从未得到令他满意的答案）：“如果原子总是轻轻晃动，那为什么尖锐的东西总是那么尖呢？”

成年的费曼曾经问过：如果人类的所有科学知识都在一次巨大的灾难中丢失了，哪一句话可以为下一代保留最多的信息？我们如何把对世界的理解最有效地传递下去？他建议的这句话是：“所有的物质都由原子构成——这种小微粒一直在运动，彼此分开时会相互吸引，但在被挤压时会相互排斥。”他又说：“在这句话中，只要稍加想象和思考，你就能找到大量关于这个世界的信息。”自从自然哲学家提出原子的概念以来，人类已经走过了几千年岁月，而费曼这一代科学家才真正且普遍相信这个概念。原子不再只是为了方便思考问题而想象出来的概念，而是实实在在的物理事实。即便到了 1922 年，尼尔斯· 玻尔在发表诺贝尔奖获奖感言时仍然觉得自己有义务提醒听众，科学家“相信原子的真实存在已经毫无疑问地被证实了”。可是小费曼在家里的《不列颠百科全书》上反复读到的句子是：“纯粹从化学的观点来说，即使到了今天，针对这个问题的争议还在继续。”物理学这门更新的科学已经掌握了强有力的证据：被称为辐射的现象，似乎暗示了物质真的会分解，而且这个过程是真实发生的，可以听到清脆的声音或看到短暂的亮光。可是直到 20 世纪 80 年代，人们才敢说终于看到了原子。虽说是间接看到，但是在电子显微镜拍摄的照片中，那些阴影重重的、整齐排列的小球，还有激光交织产生的“原子阱”中发亮的橙色小点，总能激发人的想象力。

让 17 ～ 18 世纪的科学家们开始相信物质由基本微粒构成的证据，不是固体，而是气体。在牛顿力学引发的科学革命之后，科学家做了很多测量，找到一些常数，写下一些数学关系式，这是过去不用数字的哲学讨论所无法提供的知识。研究者生成并分解了水、氨、碳酸、碳酸钾和数十种其他化合物。他们在仔细地称量出原材料和最终产物的重量时，发现了一些规则。氢气和氧气以二比一的体积比消失而转变成水。罗伯特· 玻意耳（Robert Boyle）在英国发现，只要温度固定，虽然密闭活塞内的空气的压强和体积会改变，但是两者的乘积是一个常数。这些测量值好像被一个看不见的规则联系起来，为什么会这样呢？加热气体就会使它的体积或者压强增大，这又是为什么？

热仿佛是看不见的流体，从一个地方流动到另一个地方——无论它是“燃素”还是“热量”。但是一代又一代的自然哲学家想到了另一种观念：热是一种运动。这是个大胆的想法，因为谁也没有看见物质在运动。一位科学家必须想象微风吹在脸上的柔软压力，其实是无数的粒子碰来碰去地向各个方向运动的结果。不过算术证实了这种猜测。瑞士的丹尼尔· 伯努利（Daniel Bernoulli）假设压强正是微小的球状粒子持续碰撞的作用，由此推导出了玻意耳定律。同样，他又假设热量就是这些运动加剧的表现，还算出了气体的温度和密度的关系。安托万 - 洛朗· 德· 拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）仔细测量化学反应前后的物质重量时，这种微粒的观念再次取得胜利。他证明任何化学反应之前和之后的分子数可以像账本一样算得清清楚楚，即使在铁生锈这种气体与固体的反应中也一样成立。

“物质本身不会变化，它由特别简单的小点组成，不可分割，没有实质内容”——原子自身又包含着拥挤的、可以测量的内在世界，这只能留给下一个世纪的科学家去猜测了——“而且每个小点相互分离”。鲁杰罗· 博斯科维克（Ruggiero Boscovich）是 18 世纪的数学家和法国海军光学研究的负责人。他发展出的这套关于原子的观点充满了先见之明，两个世纪之后，费曼的一句话也表达了同样的意思。博斯科维克所说的原子更像是力，而不是物质。这样的观念可以解释很多现象：为什么橡胶压缩后可以反弹，而蜡却不行？为什么物体会反弹？为什么固体保持原状，而气体和液体容易液化或蒸发？“不同的物质会冒泡和发酵，粒子来来回回往复运动，时而远离，时而又彼此靠近”，这都是为什么？

要理解这些微小的粒子，就必须理解看得见的现象背后的那些看不见的吸引力和排斥力。“小粒子分开一定距离时会相互吸引，但是被挤压到一起的时候又会互相排斥。”费曼曾这样简单地描述过。1933 年，这个聪明的高中生心里已经产生了基本的科学思路。两个世纪以来，对物质的化学性质已经有了越来越精确的研究，发现的化学元素越来越多。即使是高中的化学实验室，也装配了把水通电分解出爆炸性的氢气和氧气的设备。教学过程中所呈现的化学，好像已成为一套规则和方法的常识。但是只有充满好奇，才能问出一些最根本的问题：如果原子一直在“晃动”，固体怎样维持原状？是什么样的力在控制着空气和水的流动？而什么样的原子运动会产生火焰？