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古希腊不仅有哲学家,也有数学家,毕达哥拉斯就是一个数学、哲学两者皆通的典型代表。他提出“数是万物的本原”,如今从物理学家看起来一个颇为奇怪的观点,因为他取消了一切感性的实体,代之以抽象的思想——数。毕达哥拉斯认为数字先于事物而存在,数生万物。因为数字与几何一一对应,所以点生线、线生面、面生体,然后再产生出“水、火、气、土”等元素,乃至世界万物。
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图4-1-1 古希腊哲学家
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赫拉克利特(Heraclitus,前540—前480年),是古希腊一位颇有特色的哲学家。他出身贵族,性格古怪、矛盾,被称为“哭泣哲人”。他的文章经常充满隐喻和悖论,有时让后人读起来感觉隐晦难懂、不知所云,往往引起争论纷纭。赫拉克利特将他本来可以继承的王位让给了他的兄弟,自己到寺庙过隐居生活,以野草植物度日,被视为人间的“异类”。
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在世界本源的问题上,赫拉克利特认为宇宙不是被人或神创造的,而是一团自身永恒燃烧的“活火”。火与宇宙万物可以互相转换。赫拉克利特用对立统一的辩证法思想为宇宙构建秩序和规律。认为万物的运动、物与火之间的转换,都是由它自身的“logos”所决定的。“罗各斯”(logos)这个名词,包含了“话语”“逻辑”“规律”多层意思。赫拉克利特提出罗各斯理论,意在追寻宇宙万物规律的源头。有趣的是,某些中文读物中,将logos翻译成“道”字,因为这与老子的“万物生于道,统一于道”的哲学思想不谋而合。
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老子(姓李名耳)是中国春秋时代的思想家和哲学家,道家学派之宗师,其经典名著《道德经》上说:“道生一,一生二,二生三,三生万物,万物负阴而抱阳,冲气以为和。”如此看来,他们确有相同之处。
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随着科学思想的萌芽,哲学家们对世界本源的认识逐渐向物理学的思维靠拢。大多数哲学家本人也都同时思考物理问题,同时也是物理学家。我国古代有五行之说,认为组成世界有五种基本元素:金、木、水、火、土,并且中国古时候的天文学家用这五个字为观察到的五大行星命名。中国还有阴阳说,认为世界是由阴和阳两种元素构成的。
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古希腊的哲学家柏拉图(Plato,前427—前347年)将泰勒斯等人的水、气、火、土四种元素形象化,用四种正多面体的几何图像表示,认为它们是组成世界的本源。柏拉图的学生亚里士多德(Aristotle,前384—前322年)认为除了组成地球的四种元素之外,还有组成天体的第五元素:“以太”。古希腊的数学家已经证明,只有五个正多面体,因此,柏拉图和亚里士多德认为它们与组成世界的五种元素一一对应。
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原子这个名词,最早也是由一位古希腊哲学家德谟克利特提出来的。根据德谟克利特的原子说,世界中每一种事物都由不可分割的“原子”组成,原子可能有不同种类,世界的本质就是原子和虚空。柏拉图则正式使用“元素”一词来表示不同的化学物质。这两个名词:“原子”及“化学元素”,一直沿用至今。
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爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事 2.从炼金术到周期率
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虽然物质结构的理论尚未成熟,但在探索物质奥秘的实验中,化学家却早已捷足先登。可以说,化学的历史从远古时代就开始了。自从人类认识了“火”的作用,就开始制作陶瓷、融化金属、打造工具和武器、提取香料、制造肥皂染料等,这些都可以算是不自觉进行的化学实验。炼金术更是现代化学的先行者和基础,牛顿就是一个终身追求炼金术的狂热信徒。
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对不同种类的物质“元素”的认识,在各种各样的化学实验中得到深化和发展。
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近代科学中关于世界基本是由原子组成的观点,可以认为是从约翰·道尔顿(John Dalton,1766—1844年)开始的,他首次将原子的研究从哲学引进到科学。
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道尔顿以78岁高龄去世,他终生未婚、安于穷困,只为科学理想而献身。道尔顿是个气象迷,他从21岁开始,连续观测和记录当地气象,几十年如一日,从不间断。一直到临终前几小时,还为他近20万字的气象日记,颤抖地写下了最后一页,给后人留下了宝贵的观测资料。在老耄贫穷之年,他还把英国政府给予他的微薄养老金积蓄起来,捐献给曼彻斯特大学作为奖学金。
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道尔顿对色盲做了很多研究,因为他自己就是个色盲。并且,道尔顿希望在他死后对他的眼睛进行检验,用科学的方法找出他色盲的原因。1990年,在道尔顿去世后将近150年,科学家对其保存在皇家学会的一只眼睛进行了DNA检测,发现他的眼睛中缺少对绿色敏感的色素。让我们对这位鞠躬尽瘁,为科学献身的科学家致以深深的敬意。
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1803年9月6日,道尔顿提出原子学说,以此庆贺自己的生日。不过现在我们知道,物质并不是直接由原子构成,中间还有一个层次,叫做“分子”。当时道尔顿的原子论并没有假设存在分子,因此出来没多久便碰到了与实验不符合的、难以解决的困难。比如说,1805年盖—吕萨克发现2体积的氢气和1体积的氧气燃烧,会生成2体积的水。如何用道尔顿的原子论来解释这个化学反应呢?根据原子论,氢气由氢原子组成,氧气由氧原子组成,水由“水原子”组成。因此,就像图4-2-1(a)中所画的,根据原子论,这个反应好像意味着:2个氢气原子,加1个氧气原子,生成2个“水原子”。也就是说,1个氢原子和“半个”氧原子,生成1个“水原子”。
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图4-2-1 道尔顿的原子论和阿伏伽德罗的分子说
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但是,原子论是不允许存在“半个”氧原子的,道尔顿认为,原子不可能一分为二。
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其实这个矛盾并不难解决,将反应中的原子数目都乘以2不就行了吗。换言之,我们可以如此来解释氢气和氧气变成水的反应:2个氢原子和1个氧原子,生成2个“水原子”。这也就是意大利化学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro,1776—1856年)所提出的假设。不过这里他还用了一点技巧,建立了分子的概念,称为“分子说”。并且,他所提出的阿伏伽德罗定律认为同温、同压、同体积的气体含有相同的分子数,这个数字等于6.0221367×1023,现在已经成为物理学中重要的基本常数之一。阿伏伽德罗的分子—原子论正确地解释了上面的反应(图4-2-1(b))。
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新理论往往不容易被认可。当时欧洲各国的科学家,包括道尔顿,都不接受阿伏伽德罗的理论。一直到差不多过了50年之后,1860年,阿伏伽德罗已经去世,他的学生在欧洲的一次化学学术讨论会上,重新提起阿伏伽德罗假说,这个分子—原子论才得到学术界承认。
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化学家们发现了越来越多的化学元素,认识到世界的本源远不是古希腊哲学家们所想象的“四元素”或“五元素”学说那么简单。不过,化学家们也发现各种元素性质不同,但却符合某种周期性的规律,于是,他们便企图将不同的元素按照周期规律进行分类。1789年,拉瓦锡将当时已知的33种元素分为四类,发布了人类历史上第一张“元素表”。1829年,德贝莱纳对当时已知的54种元素提出了三元素组规则。之后,又有好几位化学家提出化学元素的分类方法,其中最具影响的是俄国化学家门捷列夫、德国化学家迈尔等发现的元素周期表。
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