5 復雜而美麗的景色

在做好了會遇見稀奇古怪的波粒混合體的準備之后，我們懷著自信、激動和急切的心情靠近了原子之地的海岸。我們自信滿滿地覺得已經做好了探索內陸的準備，下船后即刻步行啟程。

原子是化學元素最小的、不可分割的組成部分。請回想船上的玻璃纖維和構成玻璃纖維的硅原子。我們已經短暫地窺探了硅原子的內部，目睹了原子核以及它周圍的電子。假如我們要打碎一個硅原子，我們可能會得到一些有趣的東西，但它也不再是硅了。日常生活中的各種材料都是由不同的化學元素組成的，每種元素的原子都是不同的，而且它們有時會組合起來形成分子。

雖然“物質有最小的不可分割的組成部分”這個概念可以追溯到古希臘時期，但是我們對原子的認知卻是在近兩個世紀通過仔細嚴謹的科學探索才獲得的。在這些探索實驗中，前人大多并沒有直接借助能探測微小結構的高分辨率儀器。他們采用的方法是觀察不同物質的特性，辨別它們如何組合并產生反應，然后精準測量它們的質量。探索者們采用了各式各樣的、有創造性的實驗技巧，包括用嘴巴嘗、用鼻子聞、稱重或是僅僅觀察各種物質的特性和記錄它們之間各式反應的產物。通過這些方法，大多數化學元素在1745年到1869年間被發現。

例如，18世紀60年代，幾個相互獨立研究的科學家發現了空氣中含有兩種主要氣體，一種能使火焰燃燒，并使老鼠表現得更加活躍健康；而另一種會熄滅火焰且令老鼠窒息。18世紀70年代，對老鼠比較友好的那種氣體——加熱氧化汞也可以制造出的一種氣體——被確定是含有氧元素的氧氣。1772年，一位名叫丹尼爾·盧瑟福的蘇格蘭學生在他的博士論文中推測，殺死老鼠的氣體含有另一種元素——氮元素。

天文學也在元素的發現中摻了一腳。一個之前在地球上并未被知曉，但是存在于太陽之中的元素通過它放射出的特殊頻率的光被發現。這個元素被命名為氦，得名于希臘太陽神赫利俄斯，而且隨后在維蘇威火山噴發的氣體中被辨認出。1895年，瑞典化學家佩爾·提奧多·克勒夫和尼爾斯·亞伯拉罕·蘭格發現在酸里溶解特定的礦物質也能產生同樣的氣體，他們還分離出了足量的該氣體以測量其原子質量。

約翰·道爾頓是19世紀在曼徹斯特工作的一位化學家、物理學家和氣象學家。他進行了一系列極其嚴謹的實驗——組合、反應以及稱重各種氣體和其他物質，并且確認了在各類化學反應中有一些物質總是會由特定的比例組合在一起。他推測，這是因為化學反應事實上發生在各個物質的極小組成部分之間。他相信，這些極小組成部分具有明確的組合、重組以及制造出新的穩定物質的行為規則。例如，二氧化碳是由兩份氧和一份碳組成的，水是由兩份氫和一份氧組成的。如果反應物恰巧是正確的比例，所有原先的材料都會變成最終的產物；而如果比例弄錯了，反應物會有剩余。

1869年，俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫根據已知化學元素的屬性將它們排列成了元素周期表。元素周期表比單純將元素排列整齊有著更深刻的意義。像門捷列夫那樣根據元素的活潑性和質量排列出的元素周期表，揭示出的規律不僅反映了原子的內部結構，還具有預知能力。在他最初的元素周期表中，空缺即意味著有元素“缺席”，而這些“缺席”的元素自那以后全部都被發現了。在某種意義上，元素周期表是化學的“標準模型”，它也確實直接指向了粒子物理標準模型的開端。

原子之地向前來探險的我們展露了復雜而美麗的景色——組成日常物質的微小積木。我們期待著去更好理解這些積木令人著迷的行為。但是，在原子之地里，所有我們去過的地方，問過的人，都告訴我們，要想完全了解此地的經濟和生態情況，以及掌握這里的居民究竟是如何交往的，我們還需要回到電子港。