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作者：（法）布鲁斯·贝纳姆兰（Bruce Benamran）

出版社：人民邮电出版社有限公司

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花点时间好奇一下试读：

内容提要

什么是静电？为什么磁铁有磁力？为什么夜里飞机在降落前要关灯？门捷列夫是俄国历史上的第一位朋克青年？广义相对论“广”在何处？时间是一种幻觉吗？光是波还是粒子？……生活中的许多现象都让你充满疑问，你是否已经厌烦通篇都是专有名词的学术解释？那么这本书就是为你准备的！

请你停下脚步，花点时间满足一下自己的好奇心吧！序

人比其他动物高级，这是人类由来已久的共识。其他动物能制造出计算机处理器吗？或者火箭？抑或原子弹？答案当然是否定的，但人可以，或者说人类可以，而我……不行。

计算机处理器、火箭、原子弹，这些东西的研制方法我一概不懂，“幸运”的是，我这样的人比比皆是。我们这种人就是科学界所称的那群“笨蛋”，这让我们认识到自己是多么无能。是的，我们与那些能制造计算机处理器、火箭和原子弹的聪明人同处一个文明时代，却只代表手无缚鸡之力的弱势群体，虽然不想承认，但事实是，从人类这个物种的先天经验出发，我们就是无法理解这些发明创造。因此，那些聪明人多希望我们能为给他们带来的耻辱而道歉，我们也知道自己拉低了人类智商的平均水平。

很明显，我们的无知让自己即使在面对足够滑稽的动物世界时也满怀谦逊。我们发现（当然，是很勉强才发现），世间存在着能够不借助机械飞行的物种、奔跑速度达到60千米/小时的物种、在几秒内能分辨出500张图片的物种、能感知紫外线辐射的物种、能在水下呼吸的物种、能编织出世界上最强韧的丝网的物种、能削弱两极磁场的物种、具备夜视能力的物种、能根据环境改变自身颜色的物种、被认为几乎不会死亡的物种……还有其他一些物种的那些令人欣羡的能力，如歌唱、舞蹈、模仿、冬眠……你相信我们能展现与极乐鸟的歌喉相媲美的旋律吗？不相信？给我一把吉他，我会演奏世界名曲。弹了两段之后，我能明显“看到”自己的手指在学习这种音乐语言。是的，我们什么都不会，我们是弱势群体。就是这样，这就是一切。这，就是生活。

因此，我们需要这本书。推广本书的目的和意义对我们来说是十分明显也十分重要的，尽管对那些聪明人，也就是比其他动物高级，能造出计算机、火箭和原子弹的人来说，这本书是没有什么用的。

反过来，对那些总是生活在“我比其他动物高级”的优越感中，一想到计算机处理器、火箭抑或原子弹就有了小小幸福感的人来说，这本书是十分值得推荐的，因为他们既不期望，也不理解，更不知道怎么造出上述诸物使自己位居食物链的顶端，对此，他们真的毫无想法。对他们也对我们来说，推广这本书是十分有必要的，需要找到一个人来做这件事——布鲁斯就是最好的人选之一。

读布鲁斯的书，你能在很大程度上避免成为一个自认为“高级”却又只接受简单想法且不怀着好奇心去思考的人。亚历山大·阿斯提尔

楔子

你们知不知道如果穿着鞋子睡觉，会增加醒来后患偏头痛的概率呢？这是个看起来有点抖机灵的问题，但我基本可以肯定一般人都忽视了。然而这恰恰是统计后得到的事实：那些穿着鞋子睡觉的人带着偏头痛醒来的概率更大。热心的读者估计立即会漫不经心地回一句：“嗨，这俩根本不是一回事儿！”他们说的的确很有道理。

不管怎样，穿着鞋子睡觉的人总会带着偏头痛醒来，这居然是个统计结果，的确令人意想不到。照这么说，如果我们穿着没有鞋带的低帮轻便鞋睡觉的话，也会增加痛苦醒来的概率，这个论断似乎也挺合乎逻辑的。第一种情况是我们经过观察得到的结果，第二种情况则是我们预测的结果。而将这两种情形混合在一起，我们所看到的就是相关性和因果性。

0 相关性和因果性

你们知道世界上最危险的地方是哪儿吗？为了更好地回答这个问题，限定一下，这里“危险”一词表达的意思是，你最有可能“牺牲”掉的地方。当然，这是“危险”一词的相当狭义的说法，但这是在我写的书中，所以我说了算。让我来告诉你们吧，世界上最危险的地方，不是其他，就是床上；从统计数据来看，你最有可能“牺牲”掉的地方就是在床上。

这么说有点委屈床了——要被“冠上”一个“坏名声”，但希望读者们能够理解并同意我的观点：通过性传播的疾病是这个世界上最容易导致死亡的疾病。毫无疑问，上面说的这些都是在玩儿文字游戏，但这确实就是这一章要研究的内容。在进入正题之前，我们花几分钟或看几页书的时间（我可不是要强制你们以蜗牛的速度阅读、辨认、观察文字），来好好了解一下文字是如何很容易地让我们产生混淆的。

事实上，说床是危险的，想要表达的意思是，躺在床上睡觉是一件充满风险的事。但现实中，即使那么多人在床上过世，床也没有被人们质疑过，因为床并非危险的起因。

人们大多在床上过世的现象，很大程度上是由于，老人和病人相比热爱探险的年轻人来说，使用床的概率更大。因此，我们可以说，这里提到的死亡现象与躺在床上的人们关系更紧密，虽然这些人对死亡也十分警惕。那么死亡这件事就和在床上这件事之间存在一定的相关性。

读者们应当理解，我在这儿并没有质疑因果律；如果下雨的话，地面就会变得潮湿，由原因产生了结果：正是因为雨水落到了地面上，所以造成了潮湿的现象。这看起来当然有点平常，但所表达的关系是正确的。也存在一种原因会造成一连串结果的情况，这个时候我们说的就是反应链了：下雨，所以地面变得湿滑；地面湿滑，所以开车速度就变慢；车速减慢，所以我就迟到了。以上所有这些结果的根源就是下雨，所以因为迟到而对我生气是一点用都没有的。

同样，一个原因通常也会引起多个不同的结果。拿我们刚才举的第一个例子来说，人们在晚会上喝了很多酒的话就会增加他们晚上回家不脱鞋就睡觉的概率，这也会同时增加他们醒来之后头痛的概率。因此，是的，从统计学的角度来看，醉酒这件事不仅导致人们不脱篮球鞋或者高跟鞋就睡觉，也将导致人们带着自责醒来、呕吐甚至发誓再也不沾一滴酒，这两个结果其实有着相同的本质原因，而它们之间则只有相关性。

将相关性和因果性相混淆是一种很经典的逻辑错误，甚至在拉丁语中两者的表达方式因为差异性很小所以很容易被人们搞混：拉丁语[1]中两者分别为post hoc ergo procter hoc和 cum hoc ergo procter [2]hoc。

在互联网上有这样一些网站，专门通过公共统计数据，寻找那些没有关系的事件之间令人吃惊的相关性。例如，当尼古拉斯·凯奇在美国各大院线的影片中出现时，溺亡的人数就会增加；或者，蜜蜂所产的蜂蜜量的增长率与因为吸食大麻而被逮捕的人数的减少率一样。对第一种情况的解释是简单的，尼古拉斯·凯奇出演的大片大都是在夏季放映，而大多数人会在这个季节去度假游泳，所以也正好是溺水人数增加之时。而蜜蜂的这个故事，则很显然是一个巧合，两者毫无因果关系。

这些伪因果的例子当然很容易就可以识破，但在现实中，情况往往更加复杂，很多事情之间的关联经常被掩盖。因此，如果我说那些经常吸食大麻的学生的考试分数普遍不高的话，这个结论正确吗？难道吸食大麻就是考得不好的原因？或者考得不好是吸大麻的原因？或者还存在第三个原因，例如，是因为这个学生的家庭境况不好，导致学籍册中出现了“他要是能变好就烧高香吧”“0分”等诸如此类令人难堪的评语？这很难说，我们习惯于简化复杂的事件，并通过一些有问题的逻辑来解释，但在这种逻辑里因果经常倒置。

这也正是难点之所在，现实远比我们理论化想象的世界要复杂，很多情况下，极少的一些事就会导致大量的结果，这样就很可能引起因果关系的处理不当，这正是我们经常谈到的蝴蝶效应。由于现实太过复杂，我们无法对其建模分析，所以为了理解它，首先就需要简化事实，抓住主要矛盾，并通过观察和可复制的实验来确定这些主要矛盾是否有效。这就是科学的主要工作。生活中，对于有些事情，我们很容易就对其简化，对另一些事情则很容易就给出分析结论，而且看起来还挺有道理，而这在无形中就印入了我们的集体潜意识里。例如，习惯上大家都认为“郊区男孩=犯罪+计算机游戏=粗野+喜欢运动=白痴”，对此，我们应当追本溯源，分辨那些直觉上认为是正确的事情本质上到底是怎么回事，因为直觉经常会误导我们的判断。

科学家们的思维方式往往与一般人不同，他们并不会回避那些证明自己想法错误的东西。相反，他们会尽力把所有可能的论据都拿来，对其观点印证一番。大多数情况下，科学家们的观点经过验证并不正确。证明观点正确的途径只有一个，即验证其观点错误的尝试都没成功，而正是这个方法塑造了科学。科学最大的特点并非能够完美解释我们生活的这个世界，而是其可通过建立给定条件下的模型，以尝试模拟真实世界的运作情况。科学，不管怎样，只会得出一些估算结果，只会提供理论模型，而非事实。

1 模型与现实

想象一下，你在实验室里，希望研究小球滚落斜面的现象。你有一个小钢球和一个足够光滑的大木板，木板下垫了东西，使其与地面成20度左右的倾角。这个实验设施的组装相当简单，你自己都可以在家试试。但实际情况真的是这样吗？

首先，小钢球必须是很圆的，而且完全是钢质的。当我们用一台超高分辨率的显微镜观察时，它还是完美的球形吗？它的表面是否不规整，是否哪个地方厚了几微米？小钢球由钢制成，这我们承认，但它的组分是否是纯粹的？它有没有哪怕一点点的杂质，例如，在球心有几个原子是不对的？而那个木板，它是否完全平滑到了分子量级 [3]？另外，关于20度的倾角，我们能不能保证这个角度不会是20.000 000 001度呢？不管使用的测量工具如何精确，总是存在一个尺度限制，当事物的尺度低于这个尺度限制之后我们就无法进行测量，不信的话，用我们经常在宜家看到的纸带米尺来量一量头发丝的直径你就知道了。然后是地面，与上述质疑一样，是否是完全平整的？而实验室的空气中充满了氧气、氮气和二氧化碳等，这些气体处于不断运动中，实验者的呼吸还会造成气流。而整个实验室的光照，会通过辐射加热木板和小球。

如何把这些客观存在的细节都放到我们准备做的实验中一并考虑呢？我们可以简单地说，这个问题的本质就是一种复杂度的概念，这种复杂度不单单是指那些最聪明的人的思想，而且也指那些能够进行最复杂运算的机器。事实就是这种复杂度已经超出我们的能力范围。而接受这个事实则是我们理解世界的第一步。

那么怎么办呢？很简单，我们只需要最大限度地简化事实，同时通过实验确定我们的这种简化方式不会对结果造成很大影响就可以了。例如，认为地面是平的、木板是光滑的、小球是完美球形的。如果实验室的尺寸合理，而且球的尺寸也足够小，那么就没有什么大的影响。然后再确定气流不会干扰实验，也就是说，一般的空气气压不会过高或过低，温度也合适，这就是我们经常所说的正常温度和正常气压条件，这种情况下，空气就不会影响到实验的正常进行。最后，我们要测量小球的运动，也就是测量它的位置变化。但是，因为这个小球有一定的尺寸，测量它的位置不是那么容易的，所以我们可以测量小球前沿的位置，抑或小球球心的位置。这里我们把小球只看作一个点，也就是从数学的角度来看，它的尺寸为0。那么读到这里，你理解简化的意义了吗？

如果我们松开小球，让它沿着木板的表面滑下，然后测量它相对于时间、倾角的位移等，最后再重点研究一下艾萨克·牛顿（Isaac Newton）推导出的运动学方程（牛顿的第二运动定律， F=ma），我们就会很快地发现，牛顿的计算方法很好地模拟了实验的本质，因为观测到的数据与计算结果十分吻合。那么我们就能够确定自己已经认识到小球运动背后的本质了吗？是的，除非能获得与计算结果相悖的实验结果。假如我们将空气换为密度极高的气体，将直径几毫米的小球换为大球，将光滑的平板换成一个很粗糙的板子，那么你就不会再看到这样的结果。

科学通过不断简化项目来建立模型，即我们所称的理论模型，千万不能将它与事实相混淆。模型考虑的是在一些给定条件和特殊环境下的现实，每个模型都有其约束条件。

写这本书的目的，并非详细讲述不同的科学模型，因为这些模型通常是用数学语言来表达的；这本书也不是要给读者上一堂科学理论课。这本书的主要目的是尽可能简单地介绍科学家们提出的不同模型，并通过类比来使读者理解现实世界的运作方式。同时，对那些费尽毕生精力却只找到这个世界的本质的一些简单细节、有时找不到他们想要的答案、有时却只发现了更多问题的人们来说，这本书也不适合。[1].指“在此之后，因此之故”，又称巧合关系，是逻辑学研究中经常遇到的认识错误。它是指这样一种不正确的推理：如果A事件先于B事件发生， A事件就是B事件的原因。[2].指“相关不代表因果”，意思是就算两个事物（统计学上会用变数代表）明显相关（即当一件事出现，另一件事也出现），也不能表示两者之间一定有因果关系。[3].到这个量级，还有意义吗？

物质

理解或者尝试理解现实都要先提出一个问题，即我们看到、摸到、感觉到的东西，简单地说就是我们的感官所接收的一切，都是由什么构成的。这个问题跟世界的起源问题都在很早就被人提出，而且毫无疑问地自人类出现开始就被提出了。在远古时代，已经有两大思想学派直面了物质是什么的问题：一个是亚里士多德（Aristote）学派，另一个是聪明人的学派。亚里士多德

有些读者可能还不知道我在YouTube上的自频道，多年以来，我一直同亚里士多德西方思想学派的伟大人物进行着激烈的辩论。如果我们不去想亚里士多德在哲学和剧作领域的重要成就，也不去管他在开创哲学的重要分支——逻辑学上举足轻重的贡献，那么我们可以说，亚里士多德并没有做好科学这件事。再看看他的名望的话，他做得就更差了。而在那些考虑到亚里士多德的时代局限性而原谅他的谬论的人们看来，过去的人们不会有现代人的知识水平。我们从今天的常识出发很容易就能够判断过去的所谓“智者”的观点或理论是否正确。这里列出了亚里士多德的一些荒诞的论断，这些论断一直到中世纪末都被认为是正确的，但是，现在我们凭借简单的常识就能够摆正它们的位置：

●  苍蝇有4只脚；

●  女人比男人的牙齿要少（当然是错的），这证明了女人处于劣势；

●  山羊的性别是由它母亲怀孕时的风向决定的；

●  热的饮食习惯会导致生男孩（反过来，冷的饮食习惯会导致生女孩）。[1]

亚里士多德学派长期以来与“五元素论”紧密相连，听好了，5种元素构成了一切，世间的万物都是由空气、水、土和火组成的，而第五元素以太则是一种看不见、摸不到的物质，构成了地球以外的青天或上层大气。很显然这是完全错误的，但这个理论至少有一点是很有趣的，我们可以看看亚里士多德解释很多物理现象的推理过程，如重力、燃烧、磁力——对，你没听错，亚里士多德意识到了磁力的存在，虽然他什么都不理解，但他意识到了。

另一个思想学派以德谟克利特（Démocrite）为首。毫无疑问在他之前的代表人物是琉喀珀（Leucippe），但是我们对他的理论知之甚少，甚至连他是男是女都没法判断。这个学派是从一个我们今天看来理所当然，但是在当时没有那么肯定的问题出发开始探究的。这个问题就是，如果我手中有一个苹果，我把它切成两半，将其中一半送给别人，那么我就有了二分之一个苹果；以此类推，只要我能继续往下切，是否到最后我手中只剩下一个无法切成两半的东西了？这个无法被切开的部分是否就是构成物质的最基本的元素呢？由此产生了一个科学理论，引发了一场又一场科学变革，直到……好吧，我们还没有讲完这个“无法分割”的理论，它的希腊语是“ἄτομος”，翻译过来就是，原子。

2 原子

如果读者允许的话，这里我尽量用通俗易懂的语言来讲述什么是原子。但是，哇！我们现在已经相互熟悉了，你都读到这一页了！如上文所述，我们需要通过不断地将物体切成两半的方法，并到达一定极限后，才能最终证明苹果、梨、石头或者头发都是由无法分割的微小颗粒组成的，这些小颗粒仅仅是形状不同而已。特别值得一提的是，历史上有一种著名的用小钩子一般的结构互相紧紧抓住的钩形原子（译者注：钩形原子可见于德谟克利特的理论，他认为钩形的、粗糙的、较大的原子聚集起来，形成土 元素）。

德谟克利特认为，自然界存在一种原子物质，但由于它的尺寸太小我们无法感知得到，而在原子之间存在着空隙。由此，他也成为最早一批不是通过观察而是通过理性分析来认识和建立科学理论的人，这使得柏拉图（Platon）学派的人相当厌恶他，这些人希望烧掉他的著作，从而什么都不给后人留下，而柏拉图本人则对德谟克利特的理论没有太大反感。这里来介绍一点点背景知识，我们应当铭记，虽然时至今日，已没有人再敢质疑原子的存在，但在20世纪初，原子学家们和非原子论的科学家们之间的深刻矛盾是无法调和的。

在亚历山大图书馆被烧毁之际（在公元前50至公元642年的某一个时期），西方的文明成果就已经达到了1453年的水平，这之后数百年间的科学思想基本上都没有跳出之前的套路，也没有取得新的成就。1453年，土耳其人攻陷了君士坦丁堡，使欧洲人得以重新发现他们的先辈所书写下的伟大篇章，从而迈出了文艺复兴的第一步，也就此为长达千年的中世纪画上了句号。在中世纪，亚里士多德学派的思想在教会的扶持下统治了人们的头脑，而德谟克利特的伟大思想直到2 000年之后才重新被欧洲人拾起，他们也开始重新审视其重要的原子理论。而重新开启这场征程的则是旧时代宗教裁判所的最后一批受害者之一，著名而又令人悲叹的乔尔丹诺·布鲁诺（Giordano Bruno）。炼金术

说中世纪的原子理论没有任何的进步有点言过其实，事实上，那些炼金术师们从12世纪开始对阿拉伯文的著作做了大量的拉丁文翻译工作。当然，他们还没有走到直接讨论原子那一步，炼金术主要是基于有可能把一种单质转换为另一种单质的思想（例如把铅炼成金），也就是人工嬗变。

布鲁诺这个16世纪的意大利哲学家，穷其毕生精力在科学和思想领域从事艰难的工作，最终却不得不面对宗教裁判所的审判——宗教界对于布鲁诺认为地球不是宇宙的中心且接受日心说（即将太阳作为宇宙的中心）十分不满。值得一提的是，布鲁诺虽然接受日心说，但并不认为太阳就是宇宙的中心，他在这条道路上走得更远一些，他甚至反对宇宙有中心的观点——在他看来，宇宙是无限的，每颗恒星都类似我们的太阳，它们离我们越远看起来就越小，而在每颗恒星的周围都有行星绕转，直至寿命殆尽。

布鲁诺认为，所有的物质都是由不可见的基本元素组成的，他把这些元素称作“单子”。他的这种想法已经蕴含了原子的基本概念。但另一方面他也认为，上帝作为最宏大同时又最微小的存在，也是一[2]种单子，是所有数的来源 。单子是数学意义上的点在物理学上的映射，而点是组成所有几何图形的基础。在这个时期，原子或者单子的概念在哲学层面上是不可分割的，甚至在宗教层面上也被认为是不可分割的。

17世纪的科学发展推动了先贤们将视野投向恒星，他们中的大部分人都成了“唯物主义者”，比如伽利略（Galileo）和牛顿，他们已经开始思考并接受如下观点：物质是由极小的、不可见的种子组成的。但这个时期真正的原子学家是埃蒂安·德·克拉夫（Étienne de Clave），他和安托万·德·维庸（Antoine de Villon）与让·比托（Jean Bitaud）精心策划了试图推翻亚里士多德“五元素”理论的活动。1624年8月23日，他们宣布计划于24至25日公开支持《反对亚里士多德、帕拉塞尔苏斯以及“巫师们”的14条理论》。他们先后用一系列的海报进行宣传，发布较早的一些海报批判了任何怀疑他们理论的[3]人，随后的一些海报则给出了他们的一些支持性意见 。结局可想而知，这3个“强盗”被索邦学院裁定为异教极端分子，并处以火刑；随后该学校把所有支持原子理论或者笛卡儿主义的人都判处火刑。

直到18世纪，原子理论才真正地迈入历史的大门。事实上， 2 500年前，古希腊克拉佐美尼古城的阿那克萨戈拉（Anaxagore）已经表达过相同的观点，即没有什么是可以完全毁灭殆尽的，也没有什么是从虚无中产生的，只有（物质之间的）转化是可能的，这在当时是认识世界的一种方式，而且只有斯多葛学派的几位大贤才能理解和掌握，没有更多的人了解。但是，在1775年，安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）声称：“不管是在艺术行为中还是自然世界中，没有东西会由虚无而生。我们可以原则上提出，任何行为在其发生前和发生后都会保持相同量的物质，也就是说质量和数量在[4]行为发生前后原则上是相同的，唯一的不同只是形式的变化 。”

好的，我们目前也能认识到，那句著名的格言 “没有什么损失掉，没有什么造出来，有的只是变化”，如今仍然十分适用。拉瓦锡显然并不善于言辞表达，而相比起来，阿那克萨戈拉在他的那个时代却已经提出了更好的解释：“物既未生亦未灭，存在自组合，后复归分隔。”但区别在于，与阿那克萨戈拉相比，拉瓦锡差不多已经知道他所讲的究竟是什么，而且能够清楚地认识到自己观点的论据基础之所在——他通过完成几次不同的气体变化实验，证明了经过火燃烧之后的物质总质量并没有发生变化，但是组成物质的成分发生了根本性的变化。拉瓦锡的成就使其成为现代化学之父，但我们回头看看的话，这并非我们这一部分讨论的主题。重要的是，在18世纪末，人们最终开始严肃地探寻组成物质的元素的本质，当时采取的研究手段已经达到那个时代的最小观察尺度。在这之后，一个患有色盲的人出现了，他为德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（Dmitri Ivanovitch [5]Mendeleev）后来成为举世瞩目的科学明星铺平了道路 。

约翰·道尔顿（John Dalton）是一名英国化学家和物理学家。直到1794年，道尔顿28岁的时候，他才发现自己视觉有问题：他无法分辨颜色之间的区别。后来，我们将这种疾病称为色盲。道尔顿对于物质的构成学说十分感兴趣，特别是拉瓦锡此前所做的一些工作。在此基础上，他于1801年进一步发展了原子理论。道尔顿认为，物质是由原子组成的，每个元素都有唯一对应的原子，它们之间互相组合构成了木头、水、耳朵和空气等。这些原子是不能被摧毁的，从这个角度来看，原子是不可分割和不可毁灭的，也就是会永恒存在。另一方面，就像拉瓦锡所说，原子之间可以自由组合。可能没有人了解他这个理论从何而来，而且上述观点很可能只是基于他自己的假设，但这个理论至少能够很好地解释一系列的化学现象，而这在发展一种理论之时是非常有用的，特别是当这种理论没有什么依据，而且看起来也没有什么意义的时候，能够找到它可以解释的现象就行。

道尔顿的原子理论很好地解释了拉瓦锡的质量守恒定律。事实上，如果原子自身从未转变而只是发生了重新组合，那么可以肯定的是任何东西都不能凭空产生或毁灭，有的只是转化。这个理论也解释了这样一个原理，即在化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，数目没有增减，例如，两个单位的水分子可以分解为两个单位的氢气和一[6]个单位的氧气 。1803年，道尔顿尝试解释一些气体之间的差异，例如，水能够吸收更多的二氧化碳却不能很好地吸收氮气，他认为，这是不同组分的气体之间的质量差别所造成的。所以很自然地，他开始计算这些组分的质量。但是，由于一方面在当时的情况下他不具备测量的条件，另一方面，他想要的只是能够比较两种气体的质量，所以他开始将这些物质与一种作为基准的物质的质量进行比较，这种基准物质就是氢气，他定义其质量为1，这也是后来我们所说的元素的相对原子质量（通称原子量）。但由于他不能意识到像氢气、氧气这种东西是由分子组成的，即H和O，所以他迷失在了自己的计算之22中。

1811年，阿莫迪欧·阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro）提出了一个理论，并纠正了道尔顿的问题。该理论表述如下：对于相同体积、相同温度以及相同压力下的两种气体来说，组成它们的气体分子数目是相同的，这样就可以说，气体的质量与它的体积是无关的。这个发现使阿伏伽德罗得以推导出，一些气体可能不是由简单的原子组成的，而有可能是原子自身组合成的一种物质，也就是分子组成的。他还注意到，原子不会一直存在于假设下的这个理想状态，而且即使不存在原子这种东西，物质的相对质量也可测量得到。后来威廉·渥拉斯顿（William Wollaston）尝试通过将氧气的质量作为标准质量，并赋值100来对物质质量进行分类。他的工作为俄国科学家门捷列夫的研究铺平了道路。

3 通过观察进行证明：德米特里·门捷列夫

毫无疑问，德米特里·门捷列夫是19世纪俄国大胡子科学家中的[7]一个“坏人 ”。门捷列夫1834年出生在西伯利亚，我们现在已无法得知他是他父亲的第11个还是第14个孩子。我们所知道的是，直至1849年门捷列夫父亲去世，这个家庭才搬到了圣彼得堡，门捷列夫当时只有15岁。他母亲发现了他在科学方面的天赋，由此决定搬到大学附近住。在这里，门捷列夫于1850年接触了化学研究，是的，他当时只有16岁。他在光谱学先驱基尔霍夫以及本生等学者的指导下开展研究工作。光谱学

你们知道吗？当科学家们将纤维放进鉴定仪器里，就可以确定组成纤维的分子成分。这，就是光谱学。在基尔霍夫和本生的时代，光谱学的表现并不尽如人意，但它的原理与光学是相同的：将光投射到一个物体上，并通过棱镜分离反射光，由此推断组成物质的组分信息。

1863年，门捷列夫成为化学教授，并于1869年发表了一篇没有[8]引起多少关注的论文 :《元素特性和原子量的关系》。在讨论这一绝对属于革命性的科学成果之前，我们很有必要向后倒退一点来了解一下大家所熟知的元素。这本书就是科普书中的《玛卡雷娜》[译者注：《玛卡雷娜》是西班牙河边人二重唱（Los Del Rio）的专辑，是世界上最成功的拉丁音乐唱片]。

1817年，德国化学家约翰·沃尔夫冈·德贝赖纳（Johann Wolfgang Döbereiner）偶然发现了“三组律”，即如果我们把具备相同化学性质的元素归类（也就是归为同一族），那么当按照相对原子质量大小排序连取3个元素时，中间元素的质量总是其他两个元素质量的平均值，这也就是说同一族连续元素之间的质量差是固定且相同的。1859年法国化学家让-巴蒂斯特·安德烈·杜马（Jean-Baptiste André Dumas）扩展此发现至4个元素，即不仅仅是“三组律”，而且还有“四组律”。他发现，任意两个具备相同化学性质的连续元素之间的质量差是一个恒定值。也就是在这个阶段，人们开始逐步认识到，元素的化学性质存在一定的周期性。

1862年，法国科学家亚历山大-埃米尔·贝吉耶·德·尚古尔多阿（Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois）发明了“螺旋图”，进[9]一步夯实了元素周期律 。“螺旋图”即将元素按相对原子质量大小循序标记在绕着圆柱体上升的螺线上，然后可以清楚地看出某些性质相近的元素都出现在了同一条母线上。“螺旋图”清晰地显示出了元素所具备的周期性，两个相似属性的连续元素之间的相对原子质量之差是固定的。

这证实了杜马的猜想，并且尚古尔多阿对其进行了进一步的发展。由此，科学界疯狂地崇拜这位天才，并为尚古尔多阿建了很多塑像，不，我开玩笑的……事实上，没人记住尚古尔多阿的工作，因为他是个地质学家，所以采用了地质化学的语言来描述元素。但一位地质学家怎么会理解除了岩石和洞穴之外的东西呢？他由此被科学界“送回了山洞中”，把这些问题留给其他那些大人物们来处理。科学的层级结构

不管我们愿不愿意，科学中的确存在层级结构，据此我们可快速地确定一个科学家是否是严谨的科学家。在科学的顶端，是数学和其他纯理论性的“困难”科学：宇宙学、天体物理学、粒子物理学等。然后就是应用科学，针对生物或者非生物：神经科学、生物学、化学。位于下层的是地质学、气象学。而在最底层的则是人类学——很多人都不认为它是一门科学，它包括历史学、社会学、精神分析学等。

非常明显，这个分类带有严重的偏见：科学就是科学，就这么简单。我们可以将科学分为精确科学（如数学等）和非精确科学（如精神分析学等），但是不存在任何一种情况，让我们可以对其划分高低级别。一类科学总是有自己的一套方法：观察、假设、理论模型、实验和验证。如果没有这些偏见，谁知道人类又会获得怎样的进步呢？与这种偏见相同的是，女性所完成的科学发现经常不被认可并遭到嘲笑。这个我们会在后面讲到。

幸运的是，没有等太久，另一位“名副其实”的科学家便重拾了尚古尔多阿的工作。另外，他是一位真真正正的化学家，所以如果由他来讲述元素的话，合理性就完全不应当受到科学界质疑。1864年，英国化学家约翰·纽兰兹（John Newlands）发表了依据周期性分类的元素，并公布了他的元素八音律：“（按相对原子质量递增顺序排列的元素）从任意一种元素算起，每当到第八种元素时就会出现性质跟第一种元素相似的情况，犹如八度音阶一样。”

约翰·纽兰兹在这个方面肯定是领先了门捷列夫，并成为首位正确划分元素种类和证明其周期性的科学家。这一次，科学界为这样一位天才所疯狂，并为其树立了雕像——不不不，我这儿又瞎说了，纽兰兹在科学界的同人面前也遭到了嘲笑和无视。首先是因为他的八音律观点让人感觉有点像史前的那些哲学家们的荒诞想法，因为他宣称每8种元素就存在周期性，就像音律中的8个音符一样，这不得不让人想起了柏拉图和亚里士多德著名的“五元素论”，后者因为认为世间有5种常存的物质而断定世间万物都是由5种元素构成的。此外，纽兰兹不被世人接受的主要原因是，他的理论只对那些质量较轻的元素（指元素周期表中的前20种元素）适用。正是这样，门捷列夫才得以进入历史的视野范围。

1869年，德米特里·门捷列夫发表了论文《元素特性和原子量的关系》。这篇论文不仅对化学领域具有划时代的意义，而且对于理解人类的物质构成也具有非凡的意义。这篇论文对元素的周期性规则进行了表述，并通过元素周期表进行形象化的表征，后来这种方法被全世界的化学课堂所采用。那么这篇论文真的那么无懈可击吗？这个问题不好回答。不过最重要的是，在门捷列夫的那些理论成果发表之时，人们尚不清楚原子是否存在，所以即使是那些原子学家也不会想到原子还由其他物质构成；无论如何，在19世纪前，人们根本无法对门捷列夫的理论假设进行验证。

我们可以很简单地将门捷列夫的论文分为以下7点来看。（1）如果我们依照元素的原子量进行划分——我们当然不是在说那个时代人们所理解的原子量，而是元素真正的原子量——我们就会观察到其化学性质的周期性规律，包括化学稳定性、可燃性以及金属腐蚀性等。（2）如果3个元素拥有相似的化学特性，那么就肯定属于以下两种情况之一：要么它们有相似的相对原子质量，如铁、钴、镍，其相对原子质量分别为26、27和28；要么它们（指相邻元素）之间的相对原子质量之差恒定，如铂、铷、铯，其相对原子质量分别为19、37和55，差均为18。（3）第三点部分来自于前两点，即元素在周期表中的位置对应其化合价，并至少在一定程度上反映了其化学性质。化合价

元素的一个基本化学性质就是其化合价，它对应于原子能够联结的最大原子数目。例如，氢原子只能同时联结一个原子，因此其化合价为1（准确来说，应为+1），我们说氢元素是单价元素；氧原子则可同时联结2个原子，因此化合价为2（准确来说，应为-2），所以是双价元素。原子也可能无法与其他原子联结，例如氖原子，它的化合价就是0。

化合价与原子中的电子分布情况息息相关。但是在门捷列夫的时代，没有人能够想到电子的存在，也正是由于这个原因，门捷列夫被称为“坏人”！（4）自然界中数量最多的元素是那些相对原子质量小的元素。我们可以想象门捷列夫按照元素的分类发现自然界中最容易得到的就是那些最轻的元素时是多么高兴。但事实上，门捷列夫并没表现出多欢喜，他进一步猜测，这种现象的产生是由于存在一种我们可以解释的自然规律。现在我们知道，恒星的核聚变，也即星体中心“创造”原子的过程，就能够很好地解释这个现象：在相对原子质量达到一定级别之后，原子就会变得越来越不稳定，并容易分解为相对原子质量更小的另一种原子。如果相对原子质量为118的元素存在的话，它的寿命周期只有几毫秒。但仍然可以看到锂元素是这条规则中的一个特例，自然界中能找到的锂元素相比其他元素实在是太少了。这种现象被称作“神秘的锂”。（5）元素的相对原子质量具有唯一性，我们由此可以判断其化学性质。门捷列夫对其元素周期表相当有信心，他认为可以据此来推断那些只知道相对原子质量的元素的化学特性。他对外宣称，如果我们发现一种新元素，而且只知道它的相对原子质量，那么我们也很快可以基本断定其化学性质。这里要提醒一下读者，虽然有信心是很重要的，但是仍然需要认识到，只有两只脚都站稳，才能保证不摔得头破血流。（6）一些已知相对原子质量的元素并不能很好地融入元素周期表中。门捷列夫在这类问题上没有一点纠结，而是断定这些元素的相对原子质量需要修正，也就是说：“跟我门捷列夫的分类有出入的都是错的。你们全都错了！赶紧改过来！不要犹豫，用我的分类来准确地修正！”如果门捷列夫错了，他在当年的俄国学术界就会成为笑话，而且如果当时有互联网存在的话，情况会变得更惨，虽然在当时已经会很惨了。但是他说对了。（7）这一点放在最后，绝对不是因为它不重要，而是恰恰相反，因为正是由于这一点，门捷列夫才成为真正的大师。他发现一些元素“跳”出了已有周期表，于是他推断，这证明了还存在一些尚未被发现的元素。所以可以想象门捷列夫的言下之意：我很确定我的理论是正确的，以至于最小的不自洽都肯定是来自于你们的错误和忽视。这一次他又说对了，钙（1875年）、钪（1879年）和锗（1886年）的连续发现证明了门捷列夫的预测（他当时将这几个元素分别称为“尚未被发现的铝”“尚未被发现的硼”和“尚未被发现的硅”），而且都证明了元素周期表作为科学界经过验证的理论模型的正确性。重新再来，洛塔尔！

认为德米特里·门捷列夫与德国化学家洛塔尔·迈耶尔（Lothar Meyer）互相认识是毫无根据的，后者也在元素的周期性规律领域开展了研究。他在1864年完成了首部著作，并于1868年进行了修订，但直至1870年，也就是门捷列夫发表著作后的几个月，他的著作才真正发表。由此，他也被视为在该领域与门捷列夫开展了相互独立的研究。他仅仅晚了几个月，要不然人们记住的就是迈耶尔的元素周期表了，他的研究也已经到了能预测存在尚未发现的元素的地步。

我们也需要记住一位英国的化学家，威廉·奥德林（William Odling），他也在该领域进行了研究。他的研究成果与门捷列夫相比毫不逊色，甚至在一些元素上的发现比门捷列夫做得更好（如铂和镁），而且他也预测到了那些尚不为人知的元素有待进一步探究和发现。但作为纽兰兹的对手，奥德林对元素八音律嗤之以鼻。他的名誉因此受损，研究成果也没有得到人们的认可。所以到今天，奥德林已基本上不为人所知。这当然令人惋惜，但就像我们经常说的，可怜之人必有可恨之处。

好吧，上面所述的这些都很好，但究竟是什么让门捷列夫成为一位举世闻名的科学界大师而非仅仅一位普通的俄国科学家呢？就像一些摇滚明星一样，门捷列夫的人生是乱七八糟的，特别是在爱情方面。1876年，他已经与大他6岁的妻子成婚，并养育了3个孩子，却爱上了安娜·伊万诺夫娜·波波娃，后者是他最好的朋友的外甥女，年龄比他小了太多（当时门捷列夫已经42岁了，但波波娃只有16岁），看看，还用说什么吗？!1881年，门捷列夫向波波娃求婚，并威胁她如果拒绝就要自杀——这在莎士比亚的戏剧桥段中当然很浪漫……但也就在莎士比亚的剧本中才这样。波波娃很显然已经爱上了门捷列夫，因此她在1882年嫁给了门捷列夫，不过同时，门捷列夫还与其首任妻子保持着婚姻关系（这在当时的俄国是比较正常的）。一个月之后，他的首段婚姻宣告结束。从民政的角度来说，门捷列夫在这一个月期间是犯了重婚罪的，而由于在此期间他已经与首任妻子分开了，这就不构成大问题；但从东正教的教义来看，第二次婚姻是不能算数的。在当时的俄国，东正教是掌权教派，根据该教的教义，离婚7年之后再结婚才不算重婚，在此期间，离了婚的人仍然算已婚人士。正是因为犯了重婚罪，门捷列夫进入俄国科学院的大门被关上了。但在当时极为罕见的是，这场离婚直接受到了沙皇亚历山大二世的庇护，主要还是沙皇本人对门捷列夫极为看重，当时的廷臣们都抱怨沙皇对门捷列夫太过宽容。沙皇当时是如此回复的：“门捷列夫可能的确是有两个妻子，但是我只有一个门捷列夫！”

从此以后，原子在历史的征途上一往无前，直到原子理论完全被原子武器摧毁，你们也了解，这本书没办法每次都弄点好笑的俏皮话。事实上，原子理论完全被颠覆，主要归功于一位电子理论的支持者——约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）。

4 电子

电子的历史与电密不可分，但很明显的是，一旦提到电子和电，我们会感觉它们是同一个东西的衍生物，不是吗？在史前阶段，希腊人发现，当我们拿毛皮与木棍摩擦的时候，后者会吸引小物体。我们今日称这一现象为静电效应，但是在当时，没有人会将它与闪电联系起来，闪电是当时唯一为人所知的电现象。公元1600年，一名叫威廉·吉尔伯特（William Gilbert）的英国医生，在他的著作《磁石论》中对磁现象进行了探究，我们后面再讲磁现象。简单来说，吉尔伯特在这部著作里将一个物体经摩擦之后吸引小物体的特性称为“电”（électrique）,“électrique”一词来自拉丁语的“electricus”，意思是“琥珀专有”。而这个拉丁语词又来自希腊语“ἤλεκτρον”，意思是“琥珀”。此外，“电子”这一名称是乔治·约翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）在1891年的论文《带电的原子》中首次提出的，或者更准确的说法是带电粒子。

我们这里岔开话题，来讲一下电视机。如果年轻的读者只知道那些厚度只有几毫米到几厘米的平板电视的话，那么老人们则会记得以前的电视屏幕就像一个台式计算机屏幕，厚度和长度都和计算机差不多。这在当时也成为制造更大屏幕电视的重要技术限制。事实上，在20世纪80年代，对角线长度达到1米的电视，其厚度基本都在40厘米，而质量更是达到40千克。因为在那个时候，电视机屏幕既不使用等离子体，也不用液晶来制造，主要是利用阴极射线管（CRT），这源于一项更早的发明——克鲁克斯管。

威廉·克鲁克斯（William Crookes）是一位英国化学家和物理学家，他对气体能否导电十分感兴趣，就像我们也有自己的业余爱好一样。他尝试探究在一个充满低压气体的管子里通上电流会发生什么。他在实验中选用了一根两端分别连着一个电极（即阴极和阳极）的玻璃管，并在管里充入低压气体，然后他发现，随着气体气压的降低，再通上高电压，在阴极就会产生荧光辐射现象，他称之为阴极辐射。这个岔开的话题就讲到这儿吧。

约瑟夫·约翰·汤姆逊是一位英国物理学家，由于在气体导电性领域所取得的理论和实验研究成就而获得了1906年的诺贝尔物理学奖。你们知道了吧，前面岔开的话题也是有用的，对吧？1876年，汤姆逊考取了剑桥大学三一学院，这座著名的“诺贝尔奖工厂”到目前为止共计产生了32名诺贝尔奖得主，包括汤姆逊自己，而他的儿子在他获奖31年之后也获得了该奖项。此外，这里还出了很多杰出人才，如弗朗西斯·培根（Francis Bacon）、拜伦勋爵（Lord Byron）（译者注：乔治·戈登·拜伦是19世纪初期英国伟大的浪漫主义诗人和革命家，世袭男爵，所以被世人称为“拜伦勋爵”）以及詹姆斯·邦德（这里说的可不是《007》里的邦德，这位邦德是个鸟类学家，他的真名就叫詹姆斯·邦德）。当然，这里不得不提尼尔斯·玻尔以及另外一个举世闻名的人物艾萨克·牛顿。维基百科把剑桥大学三一学院的著名校友列了个表，篇幅超过了3面。好吧，话题又扯远了。

汤姆逊在19世纪末针对阴极射线现象进行了一系列的实验，并于1897年发现，在阴极射线管周围加上电场之后，这些射线的方向会发生偏移，这也正式证明了上述射线是带电的，即它们是由“小颗粒”而非波构成的。关于波动理论，我们很快将在后面讲到，敬请耐心等待。在采用不同的气体进行了相同的实验后，他总结出，这种电荷是从气体原子身上“拽”下来的，而且不管对于哪种气体，这种电荷都是一样的，因为射线的偏移量总是一样的。他就这样简单地通过实验证明了斯托尼预言的电子的确存在，尽管当时他把电子称作“微粒”。这是一个物理学史上的革命性事件，它既证明了几个世纪以来，那些热衷于原子理论的科学家们是正确的，但也同时证明了人们在另一种认识上错得离谱。事实上，这个发现与当时原子学家们的预测和理论假设是相吻合的，同时也与他们认为的宇宙由原子（也就是那种尺寸超级小但是无法分割的物质）组成的模型相吻合。“原子”这个词的本义就是指不可切割的物质。但由于电子比原子还小，所以电子就成了原子的构成物。

在这里，值得一提的是，虽然原子学家们的那些假设和理论在几个世纪以来帮助人们更好地理解了物质的本质，但他们最初的假设是错误的，因此这些假设和理论有待更新。原子并非构成宇宙的基本粒子。但这不会影响人们通过上述理论更好地理解原子的特性——不管原子是基本粒子还是由其他物质构成的，因此，传统理论可以自然地发生演进，从而将新现象囊括其内，而不用再花大力气来创造一个新的完全不同的理论。简单来说，除了原子是并非不可分割的，人类对于原子的所有认知还都是正确的，所以我们还是保留了“原子”这个名字。但是如果原子不再仅仅是一个基本粒子，而是一个由其他物质构成的东西，那么就很自然地产生了一些问题：这些构成原子的粒子究竟是什么，它们之间是如何组织的呢？这将推动汤姆逊进一步开展他的研究。

关于原子的内部结构，汤姆逊进行了一次绝佳的理论分析：首先，他知道原子是由一定数量的电子组成的；其次，他也了解电子是带负电荷的；最后，他知道原子是不带电荷的。于是他总结出，带负电荷的电子或多或少是在围绕着带正电荷的物质自由运动，使得原子整体显现出电中性。如果电子是在进行自由运动，那么可以得到两个结论：一方面，在阴极射线中发出电子辐射是可能的，也就是说电子是可以被发射出来的，而非完全被包裹在原子之中；而另一方面，电子之间由于带了相同的电荷而互相排斥，但是无论怎样都不会自动逃逸出原子，因为它们受到了带正电荷的物质吸引。汤姆逊的模型并非以他自己的名字命名，而是被称作“葡萄干布丁”原子模型。在这个模型中，电子就像是一个充满了正电荷的布丁中的葡萄干：不是完全地陷在里面，也不是脱离开来。其他人也提出了其他类似的名字，例如，越橘松饼模型，或者巧克力块饼干模型。很明显，我们这里说的不是科学语言，每个人的文化传统都会影响最终的命名结果。汤姆逊自己将其论文命名为“论原子结构——一种以等距同心圆方式排布的粒子波[10]动的稳定性和周期的探究，以及将结果应用于原子结构理论”。

而一位叫作长冈半太郎（Hantaro Nagaoka）的日本物理学家，在1904年完全否定了汤姆逊的理论模型。他提出，由于正电荷粒子和负电荷粒子之间是无法互相穿透的，所以就存在一种“土星模型”的结构，即一种围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型，但他的发现在当时并不为人所关注。他随后也发现，如果要保证他的理论正确，那么原子中心位置的质量将占据整个原子质量的绝大部分。

这个模型存在很多个变种：一些学说认为存在正电子云，电子分布于其中；另一些则认为电子在正电荷周围绕转。这个模型在世界范围内一直被采用，直到1909年才被证实是有问题的。那一年，在欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）的指导下，汉斯·盖革（Hans Geiger）和欧内斯特·马士登（Ernest Marsden）完成了一项实验——卢瑟福散射实验，或称为“金箔实验”。这项实验最终导致了原子的另一个主要组成部分——原子核被世人发现。

5 原子核

1907年，剑桥大学三一学院的毕业生欧内斯特·卢瑟福，也是汤姆逊早期的一位学生，与汉斯·盖革在曼彻斯特大学共事，他们一起发明了一种能够检测到α粒子的计数器，α粒子是放射性物质所发射出的一种粒子，这个计数器也就是盖革计数器的前身。卢瑟福对于放射性现象十分痴迷，而我们后面会聊到玛丽·居里（Marie Curie）。卢瑟福认为α粒子正是失去负电荷——电子——的氢原子，他在1908年进行了证明。简单来说，他隔离了放射性物质，使得实验装置只能接收α粒子，随后他对实验装置附近采集到的气体成分进行分析，并确定它就是氢，因为接收了负电荷的α粒子变成了氢原子。

1907年是卢瑟福在科学史上确立地位的一年，他获得了当年的诺贝尔化学奖，获奖理由是“他在元素的拆解和放射性物质的化学性质方面的研究”。卢瑟福当然很开心，但是他对没有获得诺贝尔物理学奖感到遗憾，因为在他看来，“所有的科学不是物理学，就是集邮”，还记得我跟你们说过的对科学划分等级的事儿吗……

1909年，卢瑟福决定用一束α粒子轰击特别薄的金箔——6微米厚，跟眼睫毛的厚度差不多。事实上，在此之前，他已经用云母片进行过实验。这次实验跟盖革和马士登用金箔做的实验相比，使这项研究更进了一步。根据汤姆逊的模型，α粒子直线通过金箔应该并不困难，卢瑟福在金箔后面加上了一种化学物质——硫化锌——构成的屏幕，当α粒子通过时会发出荧

光

卢瑟福的这个比喻是十分完美的。因为按照汤姆逊的理论，由于正电荷过于分散，按道理没有什么东西能阻挡α粒子穿过金箔，或者使其发生偏移。但这个问题直到两年后的1911年，卢瑟福才给出了相应的解释：如果99.99%的粒子都没有发生偏移，我们就可以得出结论，物质体内的绝大部分空间是空的，这成为预示着汤姆逊正电荷物质均匀分布理论坍塌的第一条裂缝；此外，剩余的0.01%的粒子受正电荷影响发生了偏移或者反弹。由此可以断定，原子的正电荷只分布在其自身的一小片区域，只有原子体积的十万分之一。卢瑟福总结说，原子的正电荷和绝大部分质量都存在于一个极端小的核内，电子围绕着原子核进行绕转，电子绕转的轨道就是可以观测到的原子尺寸。他所发现的特性与7年之前长冈半太郎提出的理论是十分接近的，他由此提出了一种新的原子模型，即卢瑟福模型，又称为卢瑟福-皮兰模型，或者行星模型。

在这个模型中，原子核如太阳一样，而绕转的电子则与行星一样。当时的人们认为电子就像一个形状无法改变的小圆球一样，然而他们并没有深入探究这个球体内部由什么组成。与真正的太阳系行星不同，电子并不是在同一个平面中绕原子核旋转的，所以原子的结构不是平面的，而更像是球形的，正是离原子核最远的那些快速绕转的电子确定了原子的形状轮廓。球体

由于很多东西的形状都是球体的，或者看起来像球体，所以这里有必要讨论一下球体的性质。我们可以想象一下，有一只山羊，什么？

没错，花园里的一只山羊，被一根1米长的绳子束缚在小木桩的周围，山羊可以在小木桩周围1米的范围内活动。如果它决定沿着绳子的最大长度绕着走吃草的话，那么它的行动轨迹就是一个以木桩为中心、半径为1米的圆圈。而如果它决定在能够走到的任何区域吃草，那么就吃出来了一个盘子形状，跟刚才的圆圈有相同的中心、相同的半径。这只羊只朝着两个方向或者说两个维度移动，即向左或者向右，向前或者向后。如果它向着第三个方向移动，也就是说向上或者向下，这个圆圈就变成了球，这个盘子就变成了圆珠。用正式的语言来说，球就是那些在空间中与给定中心距离相同的点的集合。而球体则是指球内部所有与给定中心相连的点的合集。好吧，好像这也没有什么特别的，但是这对于理解原子、行星和恒星乃至足球（只在充气膨胀状态下）的形状都有好处。

对卢瑟福来说，电子绕着原子核以圆形的轨迹绕转，于是在原子核周围产生了很多空白空间。这引起了很多问题：首先，如果这与行星绕转恒星的方式是一样的，我们可以立马想象出电子绕转原子核的情形，因为受到了库仑定律的影响（该定律指出异性电荷之间是相互吸引的），那么为了保证这种运行方式的存在，电子就会不停地被加速。为什么？因为绕着原子核旋转表示电子是会损耗能量的；如果这个粒子没有被加速，这就表示它将靠近原子核并最终减速掉进原子核里。如果这样的话，那么原子就是不稳定的。所以，需要电子不停地被加速。这主要归功于另一位天才——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），电磁理论领域最杰出的科学家，他证明了加速的粒子会发出辐射能量。所以电子会损失能量，最终减速并掉进原子核中。但是我们也知道，事实并非如此，简单来说，就是卢瑟福模型并不太完善。但无论怎样，卢瑟福连续做出的两大发现使其进入

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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