費曼物理 #01: 一切由原子組成 Matter is made of atoms

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如果整個人類的科學知識都要被毀滅,只能留下一句話給未來的生物,那該留下什麼?物理學家費曼說,他會選這一句:「所有東西都是由原子組成的。」

原子是世界最基本的單位。它們永遠在運動,彼此之間有吸引力,也有排斥力。這句話看似簡單,卻藏著對世界幾乎所有的理解:物質的形狀、溫度的變化、水的流動、氣體的膨脹,都能從這個想法推導出來。

想像一滴水,邊長大約四分之一英寸。我們肉眼看,它平滑透明。如果用最好的光學顯微鏡放大兩千倍,這滴水就變成像房間那麼大。在這個尺度下,我們也只能看到平滑的水面,但偶爾會看到一些像小橄欖球的東西在游動——那是草履蟲。這時我們可能被它們迷住,開始觀察牠們的纖毛如何擺動,身體如何扭動。但這是生物學的範圍。若我們再放大兩千倍,就進入了物理的世界。

這時,一滴水會變成十五英里寬。放大到這種程度,水已經不再平滑,而是像在遙遠高處看到球場人群那樣——擁擠、流動、混亂。再放大兩百五十倍,我們會看到一些黑白的小球,不停震動、翻轉、相互牽引。黑色的是氧原子,白色的是氫原子。每個氧原子都拉著兩個氫原子,這樣的組合就是一個水分子。

當我們想像這幅圖時,要記得:這不是靜止的畫面。所有原子都在跳動、撞擊、旋轉。它們彼此吸引,像被無形的膠黏在一起;但若硬要把它們擠進去,它們又會互相排斥,不肯重疊。這就是「物質」存在的樣子——一群永不停止跳動的微粒。

原子的半徑大約是一或兩個「埃」(10⁻⁸ 公分)。這個尺度幾乎難以想像。費曼舉例說,如果你把一顆蘋果放大到整個地球那麼大,那蘋果裡的原子,大概就像原本那顆蘋果的大小。

這些原子之間的吸引力讓水能維持形狀。它不會憑空消散。當水滴在斜坡上,它能流動,但不會散開成一團無形的霧。當我們加熱水時,原子之間的震動變強,距離變大。到了一定程度,吸引力再也抓不住它們,它們就彼此分開,變成蒸氣。

這整個過程,我們叫作「沸騰」而那種不停的抖動,就是「熱」

原子假說的美,就在於它能用一個簡單的想法,說明從微觀世界到日常經驗的一切。杯中的水、身邊的空氣、燃燒的火焰、我們的身體,甚至這張紙,全部都是一群在永恆運動中的原子。

這句「Matter is made of atoms」是整個自然科學的出發點。它讓人能從微觀層次看見:

  • 為什麼物質有形狀;
  • 為什麼會流動;
  • 為什麼會有熱與溫度;
  • 為什麼氣體能膨脹、固體能變形、液體會表面張力。

我們以為世界是靜止的,其實只是我們太大,看不見它的跳動。

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