引子

0 西瓜能无限切下去吗

当你切西瓜的时候，不知道有没有想过这样一个问题：西瓜能无限地切下去吗？

别看这个问题显得荒唐，几千年来有无数思想者思考过与此相似的问题。2000多年前，战国时期的惠施（约公元前4世纪）曾经说，“一尺之捶，日取其半，万世不竭”（《庄子》），意思是如果有一根一尺长的木棒，每天都截取它前一天长度的一半，那么一万年也不能取尽。惠施的想法很符合我们的一般经验，因为在切西瓜的过程中，就是不断地一切为二、二切为四、四切为八……这样进行下去的，只要我们有足够锋利的刀，看起来总能把西瓜无限切下去。

木棒的截断

不过，如果我们换一种思考方式，可能情况就不一样了。现在让我们把一堆花生米按照同样的方式不断地一分为二、二分为四、四分为八下去，就会面临这样一个问题：花生米的数量是有限的，总有一个时刻，我们会发现，分到此时花生米只有一粒了，没法再分下去。如果要再分下去，就必须切开花生米了。这说明，像一堆花生米这样、由众多的小颗粒组成的物品，就无法无限分割下去，因为颗粒的数目是有限的。

既然如此，那么为什么西瓜就能无限切下去呢？组成西瓜的，难道就是无限连续的物质吗？

事实上，同样在2000多年前，古希腊的哲学家德谟克利特（约公元前460—前370年）就提出了这样一种猜测：一切的物质（不管它是西瓜、木棍、花生米，还是金属、流水、石块，甚至是天上的星星），都是由非常小的微粒组成的，这种微粒不能再分割下去，因此是组成物质的本原，德谟克利特把它们叫作“原子”。原子足够小，小到我们用肉眼、用放大镜都无法看见，但它的数量总是有限的，也就是说，西瓜是无法无限切下去的。

德谟克利特的想法在当时引起了很大的争议，因为谁也没有看到过原子，也就没有人能支持他的这种假说，反而都认为这种假说很荒谬。但经过漫长的时间，德谟克利特的思想还是流传了下来。从牛顿的时代开始，科学家们逐渐认识到，物质可能确实由某些微粒组成，比如牛顿自己就提出，光的本质是一种微粒。列文虎克发明的显微镜一度给科学家们带来观察原子的希望。不过，光学显微镜虽然放大了很多肉眼看不到的物体，让我们发现了细菌、寄生虫和细胞，但仍然没有看到原子的踪迹。

1827年，英国的植物学家布朗用显微镜发现了一种奇特的现象：微小的植物花粉颗粒在水中并不是静止的，也不是有规律地运动的，而是处在看起来毫无规律地随机运动中。这就好像我们看见水面上漂浮着的乒乓球既不是静止不动，也不是沿着某些轨迹运动，而是在完全没有方向地四处乱动一样。由于花粉颗粒之间并没有相互接触，布朗没有办法理解这种运动产生的根源。

布朗运动的原理

布朗的实验结果引起了物理学家们的广泛兴趣。他们提出，很可能是这样的一种情况：花粉颗粒被水中存在的大量微小粒子推动，在显微镜下不能直接看到这些微小粒子，而它们的存在恰恰可以从花粉的随机运动中推测出来。也就是说，水面上的乒乓球之所以到处乱动，并不是由于它们自己在随心所欲地运动，而是四面八方有大量我们肉眼看不到的微粒在不断撞击这些乒乓球，而这种撞击是完全随机的，一会儿来自这边的撞击多，一会儿来自另一边的撞击多，因此它们也就随着撞击一会儿向这边移动、一会儿向另一边移动。科学家将这种运动形式命名为布朗运动。

到了1905年，物理学大师爱因斯坦深入地研究了布朗运动的规律，并给出了定量描述布朗运动的理论公式。爱因斯坦是一位深信原子存在的科学家，他指出，只要他推导的方程与实验观察的结果一致，就能证明在水中确实存在着微小的颗粒，也就间接证实了原子的存在。实验结果不出爱因斯坦所料。因此，原子的存在也得到了科学家们的广泛认同。到了今天，我们已经可以用电子显微镜直接观察到某些原子的形状和大小，甚至对单个原子进行搬运和组装。这就彻底回答了最开始提出的问题：西瓜是不能无限切下去的，因为它有组成西瓜的最小微粒：原子。

1993年，中国科学院真空物理实验室的科学家利用超真空扫描隧道显微镜技术，在一块晶体硅（由硅原子构成）的表面刻蚀硅原子，写下了“中国”两字。

今天我们已经知道，物质是由原子组成的，而原子并非只有一种，原子像积木一样，有很多种不同的“形状”和“颜色”。为了区分不同种类的原子，我们把同样种类的原子叫作一种“化学元素”，或者就简称为“元素”（至于为什么叫“元素”，我们会在后文解释）。元素及其之间的组合与演化，构成了我们这个世界的各个部分。下面就让我们从原子的诞生开始，走进元素的“编年史”，开始一段激动人心的化学元素时空之旅吧。