如何確定一個東西的存在？

其實原子在被確定時，我們是真的沒有辦法看到它的存在。這其實是因為原子實在太小了，小到當時的儀器無能為力。但是我們確定一個東西的存在，真的需要直接觀察到這個東西的存在嗎？

實際上並不一定。我們舉個例子。比如：殺人放火這類的案件。一般親歷現場的不是遇害者就是兇手。那我們能說因為沒有看到兇手犯罪就不定兇手的罪名嗎？

實際上，我們並不可以這樣做，否則幾乎不可能破案。

那司法體系是如何做的呢？他們其實就是強調證據，收集足夠充足的證據來證明嫌疑犯可能就是兇手。

那會不會發生錯誤呢？實際上也會，因為我們不可能保證所有案件的證據鏈足夠完善。但這是目前最行之有效的辦法。

在科學上，如果你要證明一個理論的對錯，實際上也是需要找到關鍵證據。當然，你要證明一個理論是錯誤的，你只要提供證偽的證據就可以。這和破案的道理是非常相通的。

科學家提出原子模型，實際上也是藉助這樣的手段。那有什麼證據可以證明”原子“的存在呢？

布朗運動

其實很早以前，古希臘的哲學家德謨克里特就提出了”原子“的觀念。他認為萬物是由虛空和原子構成的。這裡原子的概念是不可再分的最小單位，實際上和我們現在原子的概念已經不一樣了

當時古希臘比較盛行的理論叫做四元素說。他們認為萬物是由水火土氣四種元素構成的。而宇宙中月球以外的空間是的萬物是由以太構成的。這個理論的代表人物就是亞里士多德。

但是受限於當時的技術，人類並沒有辦法去證明這些理論。1000多年後，19世紀初的1827年，有個著名的植物學家叫做羅伯特·布朗。

他當時在利用顯微鏡觀測花粉。他就發現，懸浮在水面上的花粉，會呈現出不規則的運動。後來，人們把這種運動以布朗的名字來命名，就命名為布朗運動。

為什麼花粉會出現這樣的運動呢？而且不僅僅是花粉，科學家們還發現許多很微小的顆粒也有類似於布朗運動的運動形式，比如：灰塵等等。但是並沒有人可以很好地解釋為什麼會有布朗運動。

後來，又過了60餘年，1877年，有一位科學家叫做德紹兒克思，他第一提出了布朗運動的相關解釋，他認為布朗運動是水中的分子的熱運動所造成的結果。

但是，他其實只停留在了猜想的階段。科學的相關研究不可能依靠“我有一個大膽的想法”來解釋。科學家和夢想家的區別就在於，他們有嚴格的正規化要去遵循。就拿布朗運動來說，說它是分子的熱運動是沒有問題的，但科學家需要做的是證明它。就拿萬有引力來說，其實在牛頓之前，胡克、哈雷等人就猜想萬有引力與距離的平方成反比，可是胡克和哈雷根本證明不出來。

而這項功績歸屬於牛頓的原因就在於，牛頓用數學方法證明這個觀點。

所以，布朗運動要成立，也需要有嚴格的數學證明，大概又過了20年左右。1905年，愛因斯坦提出了布朗運動的數學證明。（那一年，其實他還提出了光電效應、狹義相對論、質能等價理論）

也就是說，愛因斯坦用數學證明了布朗運動是由分子的熱運動造成的，這也證明了原子的存在。但是問題來了，既然原子是存在的，那原子結構應該是什麼樣子的呢？

原子結構

其實很早就有科學家把原子的存在當成是一個事實來做一些研究。比如：湯姆遜等人。

他就發現了原子中還有電子的存在。他的徒弟盧瑟福則是利用“撞”的方式證明了，質子的存在，以及原子核的大小，僅僅佔據了原子整體的不到1%，也就是說，整個原子幾乎是空心。預言了中子的存在。

後來，盧瑟福的徒弟查德威克利用類似的辦法證明了中子的存在。他們都屬於利用實驗以及實驗現象來探索原子結構。

除了他們，還有許多理論物理學加入了其中，比如：同樣是盧瑟福的徒弟波爾，波爾的徒弟海森堡。最終，科學家確定瞭如今的原子結構。

真的看到了原子？

其實當時的科學家利用雲室，是可以看到一些粒子的軌跡的。如果給雲室加上磁場，就可以觀測到帶電的粒子。這也算是間接證明了粒子的存在。

到了上世紀80年代，科學家發明了的隧道掃描隧道顯微鏡，利用這個顯微鏡，科學家就可以直接觀察到原子的存在。

但這還沒有完，如今科學家甚至可以利用鐳射來控制原子，讓它們老實待著，別亂跑。所以，實際上，原子的存在不僅是被證明了，而且還是直接被觀測到了。

就像我們的電磁波，我們用肉眼也看不到，但是，它確實的存在，我們的工業自動化，特別是我們的，通訊系統，遙控，雷達遙感，使用的都是電磁波

“科學家對元素及其行為進行了實驗和觀察，這有助於他們找出原子的存在，並構建原子理論的框架。”

原子理論早在第一個透射電子顯微鏡之前就出現了，這意味著我們早在看到原子之前就知道原子了！俗話說眼見為實誰！但科學完全打破該說法。我們沒有看到引力、電、甚至磁力，然而我們對這些事情瞭解很多。

圖注：磁鐵南北極存在看不見的磁力線

科學總是有點奇怪，因為我們知道的東西不僅僅透過視覺觀察來獲得。好奇心驅動著所有科學突破，但是當人們缺乏足夠的物理和有形證據時，他們透過間接結果來證明他們的理論。這種確定結果的方法是現代原子理論的基礎。

為什麼我們看不到原子？

很簡單，因為它們小的令人難以置信！當物體發射照射在在物體上的光線時，物體可見。原子的大小介於30-300pm之間，大約是10^(-12)米。對於光學顯微鏡，原子是不可見的，即原子不與光粒子相互作用，不存在反射。直到電子顯微鏡的發明，我們才第一次瞥見原子。電子束的波長低於可見光，當它擊中目標時，它被散射；這種散射允許建立影象。有許多更先進的顯微鏡，不僅允許我們觀察原子，而且還有助於在樣品中移動原子來研究它們！

我們怎麼認為原子的存在？

原子理論的公式跨越許多年。這裡有一個基本的嘗試，以時間線原子理論的制定過程，開始於前蘇格拉底時期。

圖注：原子模型的圖形推進

希臘哲學家德謨克里特是第一個想到原子的人。如果一塊物質被分割成越來越小的部分，那麼所有的粒子仍然具有相同的特性。如果我們繼續分割問題，總有一天我們不能進一步分割它。這種不可分割的粒子是"原子"。值得注意的一點是，在此期間，原子學家認為所有物質的原子在所有方面都是相似的。

直到19世紀約翰·道爾頓首次提出原子理論，才丟失了大約兩千年的原子主義教誨。在試圖找出為什麼元素只結合特定的"整數比"（如1：2或3：4等），道爾頓確定，必須有一個不可分割的固體，質量承載和不可分割的粒子，每一種元素有其獨特性。他認為，由於這種微小的粒子是不可分割的，化合物不能以小數比結合。J J湯普森在19世紀後期的"梅花布丁模型"，是第一個打破原子是固體粒子的神話的模型。首次發現電子的陰極射線管實驗導致了原子模型的修改。新模型不是一個固體球，但有負電荷漂浮在正電荷的海洋。（這是一個帶正電荷的海洋，因為原子作為一個整體是中性的）歐內斯特·盧瑟福的金箔實驗進一步承認，正電荷只包含在原子的一小部分中。因為大多數α射線沒有偏轉就透過，原子必須大部分是空的；偏轉的少數光可能擊中了原子核。李子布丁模型被盧瑟福的"核模型"所取代，但電子的位置仍然存在爭議。20世紀初，量子力學的興起。量子力學的先驅馬克斯·普朗克和愛因斯坦解釋說，任何量化的東西都只能佔據特定值。丹麥科學家尼爾森·波爾堅信原子的結構與行星模型相似。波爾用量子化理論來解釋電子如何停留在軌道上，儘管電子繞著原子核執行，因此沒有落入原子核。薛定諤對電子雙粒子和波行為的發現與波爾關於電子處於特定軌道上的假設相矛盾。我們現在有一個原子的量子力學模型，它計算在一個區域中找到電子的機率。這與波爾關於電子軌道具有特定能量水平的假設相矛盾。雖然模型可能看起來完整，但原子核的質量仍是一個謎。儘管我們知道質子和電子，但科學家發現，原子核的重量超過了所有質子的總重量——幾乎是質子的兩倍！1932年查德威克發現中子（其質量與質子非常相似）有助於完成現代原子模型。原子核的原子質量現在被這些新發現的中子的存在所證明。

正如您所看到的，現代原子模型是許多不同的觀察、問題和實驗的結果。如果你觀察模型多年來的演變過程，很明顯，由於缺乏可供科學家分析的視覺資料，他們主要依靠實驗證據。記住，這是第一臺透射電子顯微鏡首次出現之前！

還有其他亞原子粒子嗎？

現代顯微鏡，如電子束顯微鏡和掃描探針顯微鏡，幫助我們觀察原子和奈米粒子的結構.....但還有更多！

圖注：電子顯微鏡

斯坦福大學的科學家建造了一個電子加速器，旨在進一步進行原子核研究。電子束在200億電子伏特的能量下加速。當這種高能光束瞄準液態氫和二氧化氫時，研究人員觀察到電子開始以更寬的角度散射，並且比預期的要頻繁。到20世紀70年代，人們意識到原子核中有三個散射中心，導致散射模式。這一發現是夸克存在的第一個證據！

圖注：亞原子粒子

直到最近，我們還認為電子、質子和中子是最基本的亞原子粒子，這意味著它們是不可分割的。然而，夸克是構成質子和中子的實際元素不可分割的粒子！電子，現在，被認為是不可分割的，但我不會感到驚訝，它們可能包含更多，只是我們目前沒有探索到。

原子的發現和亞原子粒子的後續發現證明了觀察和實驗的重要性。20世紀沒有強大的顯微鏡來提供急需的視覺參考，然而科學家卻能夠研究原子！縱觀當前的技術趨勢，我們將在未來獲得更為精密的儀器，這些儀器將幫助我們突飛猛進地向前發展——進入量子領域的核心和宇宙的遙遠角落！

利用頻率共振原理，粒子越小它的頻率共振越高，對粒子群體輸入一段掃描頻率，粒子與輸入頻率發生共振的振幅反射會疊加升高，升高處的波長就是粒子的體積。這與電子顯微鏡看到粒子的大小是一樣的，利用共振法能比顯微鏡發現更小的粒子。現醫院的核磁CT等就可發現比頭髮絲還小的病灶，其他科學儀器更先進了。

原子理論早在第一個透射電子顯微鏡之前就出現了，這意味著我們早在看到原子之前就知道原子了！俗話說眼見為實誰！但科學完全打破該說法。

古希臘的自然哲學

在古希臘時期，有個叫做泰勒斯的學者，我們現在也把他叫做哲學之父、科學之父。原因就是他提出了一個想法：萬物的本源是什麼？

當然，他不光提出了問題，他還試圖去解決這個問題，他認為萬物的本源是水。

這裡我們要搞清楚一個問題，萬物的本源並不是一定要探討“萬物的構成是什麼？”，其實還可以探討“萬事萬物能夠成為其本身的依據是什麼？”

前者，演化出了自然哲學，後者逐漸演化出了形而上學。而自然哲學其實就是科學的前身。也就是說，科學的起源說白了就是從研究萬物的本源開始的，尤其是萬物構成的研究開始的。

不過，在古希臘對於“萬物的構成”的研究還都停留在純粹的哲學層面，最後有兩個分支，其中一個是被認為是異端的德謨克利特，他在他師傅的理論基礎上提出了萬物是由原子和虛空構成的。

在德謨克利特的時代，主流的學術圈主要是圍繞在亞里士多德周圍的，他和亞里士多德正好是學術上針鋒相對的對手。傳說德謨克利特是一個類似於亞里士多德這樣全能的學者，只不過他的主要著作幾乎都在亞里士多德這派的打壓下消失殆盡了，只留下些許殘篇。

而亞里士多德認為，在月亮以下，主要就是地球上，萬物的構成是水火土氣四種元素，在月球以上的宇宙則是由以太構成的。

布朗運動

古希臘之後，西羅馬帝國在公元476年後陷落，西歐進入了黑暗時代。古希臘的文明被阿拉伯人所承接，在公元1100年前後回傳到了當時的西歐。學者們開始重新研究古希臘文化，但是在接下來700年，由於觀測技術的限制，學者並沒有在微觀層面提出任何較為靠譜的理論。

一直到1827年，植物學家羅伯特·布朗在用顯微鏡觀測懸浮在水上的花粉時，他就發現花粉微粒呈現出了不規則的運動。

我們後來就把這種運動稱之為布朗運動。後來他也證實了其他的微小顆粒也會有類似的現象，比如：灰塵。不過羅伯特·布朗並沒有給出相關的理論來解釋這種現象。

那為什麼會這樣奇怪的現象呢？

後來，到了1877年，科學家德紹兒克思就提出了一個想法：

花粉微粒的運動是水中的水分子熱運動造成的。

不過，他只是提出了一個想法，並沒有給出數學表述和證明。

到了1905年，這一年被稱為愛因斯坦的奇蹟年，他提出了4個具有開創性的論文。其中就包括光電效應，布朗運動，狹義相對論和質能等價。

你可能要納悶了，“布朗運動”不是早在1905年之前就有了嗎？為什麼說是愛因斯坦提出的？

實際上，愛因斯坦在這篇論文中，用數學證明了布朗運動的，並論述了原子是真實存在的。透過布朗運動，他還證明了原子的直徑大概是在10^-8釐米。

尋找微觀粒子

自從愛因斯坦證明了布朗運動之後，證明原子存在的相關理論也就完善了。但是理論再好，都不如一個實實在在的觀測。19世紀末~20世紀初，科學家就在試圖驗證原子結構，試圖描述原子具體是什麼樣子的。

首先是湯姆遜發現了電子，然後是盧瑟福利用α粒子轟擊金箔給，驗證了原子核的大小。隨後他又用粒子的辦法找到了質子。

緊接著是盧瑟福的學生查德威克利用老師的辦法來證明中子的存在。但是電子，原子核到底是如何組成原子的呢？

這時候，海森堡提出了著名的不確定性原理，描述了原子核外電子的物理學規律，於是，我們得到了一個目前最主流的原子模型。

截止到目前為止，我們還是沒有辦法直接看到原子的存在。威爾遜發明了著名的雲室，雲室就是一個密封的環境，裡面充滿了飽和的水蒸氣或者酒精。當穿過時，就會留下痕跡。如果想要在知道粒子的電性，則只需要外加一個磁場，觀測粒子軌跡的偏折就可以了。

無論是布朗運動還是雲室，本質上其實都是間接觀測到的粒子。真正要看到粒子，其實是近30年的事情。

1981年，科學家發明了著名的隧道掃描隧道顯微鏡，這個顯微鏡就可以幫助科學家看到物質表面的單原子級別的起伏。甚至，他們還可以利用探針來進行單個分子或者原子的操作。

從德謨克利特到1981年的隧道顯微鏡，人類花了2000多年的時間，才從理論上，以及實際觀測上驗證了原子論。只不過，德謨克利特的“原子“其實和我們如今”原子“壓根是兩碼事。他的所說的原子只是在哲學層面上的探討，而且是指不可再分的粒子，這更接近於如今的基本粒子，原子是可再分的，不屬於基本粒子。

古人的物質組成哲學

華人春秋時期的思想家莊子曾經說過“一尺之錘，日取其半，萬事不竭”，老子的觀念是物質可以無限細分下去。只是在幾千年之前，還未有真正的科學的概念，但是人類文明逐步發展過程中，就在不斷思考和研究自己所生存的世界。當然，老子的這句話以目前的研究成果來看，並不是正確的，物質確實可以一步一步地分割下去，但是最終會到達不能夠繼續分割的狀態。

莊子

而古希臘哲學家德謨克利特認為世界是由原子與虛空 、風、土 、水、 火 、數等等組成的。既然最基礎的組成元素是這些，而顯然這些組成元素與世間萬物之間的差距還挺大，那麼必然這些組成元素是按照某種規律結合起來才組成世間萬物的。

布朗運動

隨著歐洲封建社會的結束，資本主義社會的發展也催生了現代科學的發展。1785年，荷蘭科學家英格豪斯發現了一個令人無法理解的奇怪現象：在他的實驗室中，一些細小的煤塵粒子在酒精表面四處遊蕩。

布朗運動

50年之後，蘇格蘭生態學家布朗也發現了類似的現象：當他移動顯微鏡觀察花粉粒時，布朗注意到，一些花粉粒釋放出隨機四散開的微小粒子，後來這種運動被稱之為布朗運動。不管是英格豪斯還是布朗都沒有對布朗運動給出明確的理論解釋。

直到1905年，愛因斯坦發表了一篇題為《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動》，在這篇論文中，愛因斯坦給出了具體計算微小粒子運動的數學公式且描述了原子的存在。

原子世界

人眼為什麼看不見原子？

我們知道，一般人的眼睛能夠感知的可見光範圍在400到700nm之間，一個原子的大小大概是10^-12m級別，也就是大概零點幾個奈米級別的，所以由基本的光學知識推算出，人眼是根本達不到這樣的解析度的。

奈米世界

雖然我們不能直接看到原子的真實模樣，但是隨著科學的發展，一些精密儀器為我們觀測原子提供了可能。比如各種顯微鏡（TEM、 STM），這些電子顯微鏡呈現的並不是原子的真實影象，而是利用電子與測試樣品的相互作用得到相關資料，之後將得到的資料處理後使其視覺化，也就是說，你看到的原子圖片是資料，並不是真實影像。

現在電子顯微鏡