世界如何存在？（下）

互联杂谈按：

不错的科普文章，介绍这个世界的一些基石，（上）点这里世界如何存在？（上）

1

    

原子过程

I.  与水的表面相联系的过程

水的表面上会发生什么情况？

放大十亿倍，我们发现，水面的上方有一些东西：水分子（水蒸气）；还有一些别的——空气，主要为氮分子和氧分子。

这幅画面中正发生什么事呢？

水里的分子不停地振动着。时不时地水面上的一个分子受到比平常厉害一些的撞击，飞了出去。或许，另外一个分子也被撞击飞了出去。于是，一个分子接着一个分子，水消失（蒸发）了。——由于飞出去的分子比留下的分子的平均动能大，蒸发还会使液体变冷！

但是如果给容器盖上盖子，过一会儿我们就会发现，空气分子中有大量水分子。时不时地，有一个水分子飞到水里，再次结合在一起。——而当一个水分子从空气中靠近水面时，会突然受到一个很强的吸引力，使得速率增大，结果产生了热量！

于是这杯呆板、无趣的盖上盖子的水，变得生动、有趣起来：

在它的表面上方，不停有一些分子飞出去，一些分子飞回来。每一刻离开的分子和飞回来的分子的数目正好一样，长期看来，竟“什么也没发生”！（气-液平衡！）

（可以想见，如果没有净蒸发，连水温都不会变，——排除热传递的话。所以，如果想让汤凉，还得不停地吹。）

但如果我们打开盖子，吹走水面上方的湿空气，离开的分子的数目（只依赖于水分子的振动）就会比飞回来的（依赖于水面上方的水分子数）多，水就蒸发啦。（液-气转变）

当然，实际情况更复杂。不只是水分子进入空气，时不时也有氧分子和氮分子进入水中（溶解）。这又是另一个动态平衡的例子，在此不表。骤然在水面上抽真空，可是会激发出大量气泡！

II.  固体在水中的溶解

如果将一块食盐扔入水中会怎样？

食盐是固体，是晶体。严格来说，晶体不是由原子构成，而是由所谓离子构成的。普通食盐中，氯离子（带一个额外电子的氯原子）和钠离子（少一个电子的钠原子）因电吸引力而结合，有组织地排列成三维结构。

但是，当把它丢到水里之后，我们发现：在带负电的氧和带正电的氢的吸引下，有些离子松开了（溶解了）。

由于电吸引力，水分子中氢原子一端靠近氯离子，氧原子一端则靠近钠离子

从图中我们能看出食盐正在溶解到水中还是从水中结晶出来吗？绝对不能！因为这又是一个动态过程：正当某些原子离开晶体时，别的原子又重新回到晶体上。和蒸发类似；溶解还是结晶，取决于水中的食盐是多于还是少于维持平衡所需的量。水中少盐则溶解；水中多盐则结晶。

（而温度的升高则会同时增加离开和返回晶体的原子的比率（即溶解和结晶速率），过程向哪个方向进行就很难预测了。——实验表明，大部分物质还是在高温下溶解得更多。）

生活中还有很多其它关于物态变化的例子，例如：冰的融化，水的沸腾，糖的溶解等。它们都是原子过程，可由原子假说说明。但是，我们会发现，在所有这些过程中，原子和离子都没有变换过伙伴。

当然存在这样的情形，原子改变其组合关系，形成新的分子。——这就是化学反应了。

2

    

化学反应

一个过程中，如果发生了原子伙伴关系的重新安排，我们就称之为化学反应。与之相应的其他过程（无新分子生成）叫物理过程。但是，这二者并无截然的界限。大自然母亲显然不在乎我们怎样称呼它们，她只是不停产生这些过程给我们看。

碳在氧气中的燃烧，就是一个化学过程。

碳在氧气中燃烧时，可见不同的原子组合：两个氧原子形成一个分子，一碳一氧形成一个一氧化碳分子，一碳二氧形成一个二氧化碳分子。

为什么原子要这样组合，而不是那样组合？为什么氧气是两个氧原子结合，而不是三个或四个？这就是原子的特性：它们喜欢某些特定的伙伴，某些特定的方向等等。物理学的任务就是要分析每个原子为什么有这样那样的偏好。

以燃烧为例。在碳的燃烧过程中，一个碳原子原本在一块固体（可以是石墨或金刚石）里。现在，有一个氧分子跑过来了，其中的一个氧原子就勾搭上这个碳原子，另一个氧原子勾搭上另一个，各自形成一个新组合——碳-氧（CO分子）——双双飞走了！

为什么？因为碳-氧之间的吸引力远大于它们同各自同类之间的吸引力！二者相遇之后即疯狂啮合，引起巨大的骚乱，让近旁的每件东西都从中得到能量（热量），这就是燃烧现象！

而热量通常以热气体的分子运动的形式存在，但在有些情形下，热量大到足以发光。火焰就这样产生了！

而且，一氧化碳并不怎么感到满足。它还有兴致再抓一个氧原子，变成二氧化碳。——但是如果氧气稀少，或者时间仓促来不及反应（例如在汽车发动机中的快速燃爆），那它也只能一氧一碳双宿双栖，再等待其他时机了。

化学家研究了原子的这种重新排列。他们发现：每种物质都对应着原子的某种排列。

以紫罗兰的香味分子为例。

图中这个由碳、氢、氧原子组成的“怪物”就是空气中的紫罗兰分子了，学名α-鸢尾酮，在三维空间中是一个“皱起来”的带着小尾巴的环。和二氧化碳的直对称结构（O=C=O）一样，它也是某种确定的排列，只是更复杂（可以说是极其复杂）。

化学家是怎样发现这些排列的呢？他们通过观察不同种物质混合时发生的情况，来确定其组成！（几种溶液混合之后，如果变红了，就是包含这种组合，如果变蓝，就完全不是这么回事。）

这是曾经做过的最神的侦测工作之一  —— 有机化学。

——费曼先生如是说

物理学家从来都不相信化学家们在描述原子的排列时真正了解他们谈论的内容。但是，后来，机缘巧合之下，能够用一种物理方法来真正测量原子的位置了，他们发现：化学家几乎总是对的！

……还能说什么呢？

实际上，化学家们面临的一个很重要的问题是：怎样为一种物质命名，使人们一见名字就知道它是什么东西。——不仅得告诉我们分子的形状，还得告诉我们原子的位置。

这就得体谅化学家们的难处了。毕竟，光紫罗兰的香味中就有三种略有不同的分子，它们的差别仅在于氢原子的排列不同！（所以，并非化学家有意把事情搞得晦涩难懂，而是他们在试图用词语来描述分子时遇到很大的困难！）

而对于物理学家来说，也有一个问题：你怎么知道存在着原子呢？你看到了？

并没有。事实上原子小得连用电子显微镜都看不见，更别说光学显微镜了。

这就用到前面说过的一种策略：先假设原子存在，然后再一个接着一个结果印证用它所作的预测，如果万物真是由原子构成，那它们就该如此！

例如：用显微镜观察水中的小粒子（胶体微粒，粒径~1-100nm），就会看到一幅粒子不停乱动的画面，它是许多随机运动的原子撞击的结果，叫做布朗运动。——这是原子存在的一个很直接的证据了。

又例如：在X射线晶体结构分析中，一块晶体的各个“晶面”之间的夹角，同假设一块晶体是由许多“层”原子构成而推断出的夹角，符合到角秒量级。——这是关于原子存在的进一步的证据。

万物都由原子构成，这是最基本的假设。就如生物学家所言：动物做的每一件事都是原子做的。换句话说：生物所做的事，没有一件不能从认为生物是由遵循物理定律而相互作用的原子构成的观点来理解。这并不是一开始就清楚的，而是经过一系列实验和推理之后才提出的；但是现在它已被人们接受，并且是在生物学领域内提出各种新观念的最有用的理论。

如果由一个原子挨着一个原子所组成的一块钢或一块食盐能够具有那样有趣的一些性质；如果水——从涓埃细滴到地球上的江河海洋——能形成波浪和泡沫，在它冲向水泥堤岸时咆哮着，掀起狂澜；如果所有这些，如果潺潺流水的全部生动，都只不过是一堆原子，那么，它们另外还能够产生多少有趣的现象呢？如果不是把原子排列成某种确定的形式，再三重复，继续不停，甚至形成一些像紫罗兰的香味一样的复杂的小东西，而是做出处处都不同的排列，用不同种类的原子，按照多种方式，不断变化，绝不重复，那么，这样构成的东西的行为又将会多么神奇？在你面前走来走去并且和你谈话的那个“东西”，就是这样一大堆排列得非常复杂的原子，这可能吗？它的极度复杂性会改变你对它的能力的想法吗？当我们说我们是一堆原子时，我们的意思并不是我们只是一堆原子，因为一堆并非简单地一个一个重复的原子完全可以具有极为丰富而生动的可能性，只要你站在一面镜子前，就可以在镜子里看得到这一点。

我们都是一堆原子，但又不只是一堆原子。

The whole is greater than the sum of its parts. 

多么令人惊叹！

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