所有物質都由原子構成

最早的量子思想——事物本質上由看不見的基本成分組成——至遲在 2500 年前就有人提出了。從這里開始，物理緩慢地誕生了，如果沒有這些基本認識，就難以理解土、水、火和空氣。這個觀念一開始讓人免不了懷疑，因為泥土、石頭、樹葉、水、肌肉或骨骼看起來完全不是那樣。但是公元前 5 世紀的幾位古希臘哲學家發現，自己難以表達出任何其他令人滿意的可能性。物質會改變狀態——破碎、褪色、枯萎或成長——但是物質的本質沒有變。不會變化的物質本質，意味著物質的基本成分不會變。物質會運動，會重新組合，這會帶來外觀的改變。更有意義的是，把物質的基本成分當成不會改變和不可分割的東西，比如原子（atomos），意為“不可分割的”。無論原子是不是真的完全統一或不可分割，都不妨礙這樣的觀念。柏拉圖把原子想象成純幾何形狀的硬塊：立方體、八面體、四面體和二十面體，對應著土、氣、火和水四大基本元素。其他人想象有小鉤子一樣的東西把原子鉤在一起（不過這些鉤子又是什么做的呢？）。

希臘人不太重視實驗，但是有些觀察結果支持了原子的觀念。水會蒸發，水蒸氣會凝結。動物會發出看不到的信息，它們的氣味隨風飄散。裝滿灰燼的罐子還能倒得進去水，兩者原來的體積加起來并不是最后的體積，這意味著物質之間存在空隙。其中的機制讓人困擾，現在仍然如此。這些小顆粒如何運動？它們之間如何連接？詩人理查德· 威爾伯（Richard Wilbur）寫道：“云啊，云啊，充滿了石頭。”即使在今天這樣的原子時代，我們還是很難理解為什么物理學家說的粒子云可以構成摸起來堅硬的物體邊緣。

相信科學解釋的人，每天都要把教科書上的知識和真實世界聯系起來，因為只有真實世界的知識才是我們真正接收到的和真正擁有的知識。小時候，別人教我們地球是圓形的，它繞著太陽運動，也繞著傾斜的軸自轉。我們可以不加懷疑地接受這些知識，但這只是現代世俗宗教經不起推敲的說教。或許，我們可以把這些知識的碎片連接成更大的框架來理解，這樣就不會輕易崩塌。隨著冬天臨近，我們看到太陽在天上運行的弧線越來越低。我們根據路燈的陰影長短猜出時間。我們跨越旋轉木馬轉臺的時候要對抗側方的科里奧利力，我們也可以把這種感覺跟學到的地球氣旋的知識建立聯系：北半球的低氣壓呈逆時針方向旋轉。我們計算船上高高的桅桿要在多長時間之后才會消失在海平面之下。太陽、風和波浪的種種特征都讓我們不再相信“地球是平的”，我們再也不會無法理解潮汐隨著月亮漲落。

所有的物質都由原子構成——要把這一觀念和日常經驗中的堅固的桌椅聯系起來可不容易。看一眼辦公大樓的石階上光滑的凹陷痕跡，我們很少會想到這是千萬次的踩踏日積月累地刮掉了無數小粒子的最終結果。我們也很少從珠寶的幾何切面聯想到把原子像小球一樣堆起來，呈現出特定的晶向，并形成人眼可見的規則角度。如果真的考慮自己身體內外的原子，我們還是無法回答為什么石頭那么硬。費曼曾經問過他的高中老師（卻從未得到令他滿意的答案）：“如果原子總是輕輕晃動，那為什么尖銳的東西總是那么尖呢？”

成年的費曼曾經問過：如果人類的所有科學知識都在一次巨大的災難中丟失了，哪一句話可以為下一代保留最多的信息？我們如何把對世界的理解最有效地傳遞下去？他建議的這句話是：“所有的物質都由原子構成——這種小微粒一直在運動，彼此分開時會相互吸引，但在被擠壓時會相互排斥。”他又說：“在這句話中，只要稍加想象和思考，你就能找到大量關于這個世界的信息。”自從自然哲學家提出原子的概念以來，人類已經走過了幾千年歲月，而費曼這一代科學家才真正且普遍相信這個概念。原子不再只是為了方便思考問題而想象出來的概念，而是實實在在的物理事實。即便到了 1922 年，尼爾斯· 玻爾在發表諾貝爾獎獲獎感言時仍然覺得自己有義務提醒聽眾，科學家“相信原子的真實存在已經毫無疑問地被證實了”。可是小費曼在家里的《不列顛百科全書》上反復讀到的句子是：“純粹從化學的觀點來說，即使到了今天，針對這個問題的爭議還在繼續。”物理學這門更新的科學已經掌握了強有力的證據：被稱為輻射的現象，似乎暗示了物質真的會分解，而且這個過程是真實發生的，可以聽到清脆的聲音或看到短暫的亮光。可是直到 20 世紀 80 年代，人們才敢說終于看到了原子。雖說是間接看到，但是在電子顯微鏡拍攝的照片中，那些陰影重重的、整齊排列的小球，還有激光交織產生的“原子阱”中發亮的橙色小點，總能激發人的想象力。

讓 17 ～ 18 世紀的科學家們開始相信物質由基本微粒構成的證據，不是固體，而是氣體。在牛頓力學引發的科學革命之后，科學家做了很多測量，找到一些常數，寫下一些數學關系式，這是過去不用數字的哲學討論所無法提供的知識。研究者生成并分解了水、氨、碳酸、碳酸鉀和數十種其他化合物。他們在仔細地稱量出原材料和最終產物的重量時，發現了一些規則。氫氣和氧氣以二比一的體積比消失而轉變成水。羅伯特· 玻意耳（Robert Boyle）在英國發現，只要溫度固定，雖然密閉活塞內的空氣的壓強和體積會改變，但是兩者的乘積是一個常數。這些測量值好像被一個看不見的規則聯系起來，為什么會這樣呢？加熱氣體就會使它的體積或者壓強增大，這又是為什么？

熱仿佛是看不見的流體，從一個地方流動到另一個地方——無論它是“燃素”還是“熱量”。但是一代又一代的自然哲學家想到了另一種觀念：熱是一種運動。這是個大膽的想法，因為誰也沒有看見物質在運動。一位科學家必須想象微風吹在臉上的柔軟壓力，其實是無數的粒子碰來碰去地向各個方向運動的結果。不過算術證實了這種猜測。瑞士的丹尼爾· 伯努利（Daniel Bernoulli）假設壓強正是微小的球狀粒子持續碰撞的作用，由此推導出了玻意耳定律。同樣，他又假設熱量就是這些運動加劇的表現，還算出了氣體的溫度和密度的關系。安托萬 - 洛朗· 德· 拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）仔細測量化學反應前后的物質重量時，這種微粒的觀念再次取得勝利。他證明任何化學反應之前和之后的分子數可以像賬本一樣算得清清楚楚，即使在鐵生銹這種氣體與固體的反應中也一樣成立。

“物質本身不會變化，它由特別簡單的小點組成，不可分割，沒有實質內容”——原子自身又包含著擁擠的、可以測量的內在世界，這只能留給下一個世紀的科學家去猜測了——“而且每個小點相互分離”。魯杰羅· 博斯科維克（Ruggiero Boscovich）是 18 世紀的數學家和法國海軍光學研究的負責人。他發展出的這套關于原子的觀點充滿了先見之明，兩個世紀之后，費曼的一句話也表達了同樣的意思。博斯科維克所說的原子更像是力，而不是物質。這樣的觀念可以解釋很多現象：為什么橡膠壓縮后可以反彈，而蠟卻不行？為什么物體會反彈？為什么固體保持原狀，而氣體和液體容易液化或蒸發？“不同的物質會冒泡和發酵，粒子來來回回往復運動，時而遠離，時而又彼此靠近”，這都是為什么？

要理解這些微小的粒子，就必須理解看得見的現象背后的那些看不見的吸引力和排斥力。“小粒子分開一定距離時會相互吸引，但是被擠壓到一起的時候又會互相排斥。”費曼曾這樣簡單地描述過。1933 年，這個聰明的高中生心里已經產生了基本的科學思路。兩個世紀以來，對物質的化學性質已經有了越來越精確的研究，發現的化學元素越來越多。即使是高中的化學實驗室，也裝配了把水通電分解出爆炸性的氫氣和氧氣的設備。教學過程中所呈現的化學，好像已成為一套規則和方法的常識。但是只有充滿好奇，才能問出一些最根本的問題：如果原子一直在“晃動”，固體怎樣維持原狀？是什么樣的力在控制著空氣和水的流動？而什么樣的原子運動會產生火焰？