原子真的存在吗

2009-08-05

方舟子

“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这是《庄子》记载的惠施的话，现在经常有人把它当作是有关物质无限可分的命题，其实庄子是把它和“卵有毛”、“鸡有三足”等用来狡辩的谬论列在一起的，并不真把它当回事。

与惠施差不多同时的古希腊哲学家倒是认真地探讨过类似的问题：把一个物体切成两半，再切成两半，如此反复地切，是不是能够没完没了地切下去，还是切到一定程度就无论如何切不下去了？德谟克利特（约公元前460－370）认为，切到最后就会切到最小的组成部分，再也切不动了。

德谟克利特用另外一个思想实验来说明这一点。他在海边漫步，问道：海里的水是不是连续的？如果一直把水分割下去会怎样呢？他打了一个比方，沙滩远远地看去是连续的，走近了看则是由一粒粒沙子组成的。他设想，如果把水分割成越来越小的水滴，最终会是再也没法分割的“水粒”。因此表面上看是连续的物体，都是由不连续的最小粒子组成的。德谟克利特把这种没法再分割的粒子称为原子，希腊语的意思就是“不可分割”。

德谟克利特的原子观点是从其老师留基伯（约公元前500－440）那里继承并发展而来的。它最初被提出来，是为了解决古希腊哲学家争论不休的另一个问题：世界是不是变化的？赫拉克利特（约公元前535－475）认为一切事物都在变化中，有一句名言：“人不能两次走进同一条河流。”巴门尼德（约公元前520－450）则认为世上根本没有真正的变化，一切变化都是假象。你也许觉得让巴门尼德亲眼看看一些变化就能让他哑口无言，不过巴门尼德并不相信亲眼所见，他认为感官是不可靠的，只有纯粹的抽象推理才能获得正确的认识。作为一名哲学家，他的使命是用推理来破除感官假象。

巴门尼德是这么推理的：真空是不可能存在的，因为真空就是无，说某种东西是真空，相当于说它是没有东西，这是自相矛盾的。既然真空不存在，那么运动是不可能的，因为物体运动需要真空，没有真空的话就没有物体移动的空间。巴门尼德进而否认存在多个事物，惟一真实存在的只有一个包含了一切的无限事物，它是不会变化的。它如果发生了变化，就意味着要从“无”产生“有”，或者让“有”变成“无”，这都是自相矛盾，不可能的。所以一切运动、变化都是虚假的。

你也许会觉得巴门尼德的推理偷换概念、牵强附会。不过要驳倒它，却不是那么容易。留基伯试图用原子论来调和“变”与“不变”，“有”与“无”的矛盾。事物的组成单位原子是不变的，不能产生也不能消灭，但是原子之间的重新组合会改变事物的形状，让它在表面上发生变化。留基伯同意巴门尼德所说的，事物的运动必须要有真空，但是他认为，既然我们能够感觉到事物的运动，那么一定存在真空。真空和原子，是组成宇宙的两种基本元素。

巴门尼德的学生芝诺从另一个角度否定运动的存在：你要走完全程，需要先走过给定距离的一半，为此又必须先走过一半的一半，一半的一半的一半……直至无穷，这样的话你相当于呆在原地了。芝诺还有一个更著名的悖论：长跑冠军阿基里斯永远追不上乌龟，也是玩类似的“无限”游戏：当阿基里斯到达乌龟的起跑点时，乌龟又走了一小段路了，阿基里斯必须在走过这一小段路，而乌龟又向前走了．这样，阿基里斯可无限接近，但永远追不上乌龟。为了解决这些运动悖论，留基伯否认事物可以无穷地分下去，假定存在不可再分的最小单位原子。

德谟克利特把留基伯的原子论创建成了一个精致而完备的体系。根据这个理论体系，宇宙只由原子和真空这两种基本元素构成。原子是最小的、不可分割的、不可见的物质粒子，永恒地存在于无限的虚空之中，既不能被从无中创造，也不能被消灭。原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。原子在真空中随机地运动，偶尔能够碰撞在一起结合成团。这些结合有的比较稳定，有的较不稳定。不稳定的结合将很快地分离，而较稳定的结合保留下来，并结合进越来越多的原子。事物的任何变化都是原子的结合和分离引起的。德谟克利特还试图用原子的形状来说明物质的性质，例如水原子是圆球形的，而火原子则有锐利的边缘。

德谟克利特原子论与现代原子理论有多大的相似之处，其实并不是很重要，更重要的是他在其中体现出来的还原论和决定论的科学思想：试图根据少数基本观念解释整个世界，并且以数学为工具，加以定量的研究。德谟克利特也提出了机械论思想，把宇宙当成一个高度复杂的机器。同时，德谟克利特也是彻底的唯物主义者，在对世界的解释中否认任何超自然的精神因素。他认为神根本就不存在，是原始人由于恐惧和无知，为了解释未知事物而臆造出来。灵魂也不是什么神秘的东西，也是由原子构成的，只不过是最精致、最活泼的原子，人体死亡，原子分离，灵魂也随之消失。

很显然，在一个几乎所有的人都信奉神灵、迷信超自然力量的社会，德谟克利特的思想观念会被认为是离经叛道的，必然会招致激烈的批评。据说柏拉图（公元前427－347）极其讨厌德谟克利特，曾经声称应该把德谟克利特的著作全部烧掉。柏拉图本人倒是相信原子的存在，并提出了自己的原子论来解释气、土、火、水四种元素的性质，但是在其全部著作中却只字不提德谟克利特。

柏拉图的学生亚里斯多德（公元前384-322）却完全不相信原子的存在，在著作中对原子论做了一系列反驳。我们现在能够知道留基伯、德谟克利特的原子论思想，在一定程度上还得感谢亚里斯多德对他们的观点的转述，因为他们的著作都已佚失了。亚里斯多德不相信真空的存在，也不相信原子的存在。他认为物质是连续的，可以无限分割下去，不存在不可分割的最小单位。亚里斯多德对原子论有一些具体的责难。例如，原子论认为原子处于不停的运动之中，亚里斯多德问道，原子一开始是怎么运动起来的呢？换句话说，谁给了原子第一推动力呢？按当时的共识，物体要运动起来，就必须有力的作用。

这个时候的争论还处于哲学争论的阶段，不可能通过实验来证明孰是孰非。古希腊哲学家也不习惯用实验来解决争端。他们宁愿只靠推理来提出和证明某个观点。但是只靠推理往往不能给出定论，一个观点能否被接受，就要诉诸其提出者的名望和权威了。亚里斯多德比德谟克利特更出名也更权威，人们也就更愿意相信他。结果，在德谟克利特之后相当长时期内，除了伊壁鸠鲁（公元前341-270）、卢克莱修（约公元前99～前55）等少数唯物主义哲学家，几乎没有人相信原子论。伊壁鸠鲁对原子论做了一番改造，却给它带来了更多问题。他认为原子不论其大小、形状，都在以相同的速度运动，缓慢地直线下降。果真如此的话，原子又怎么能够相互碰撞呢？伊壁鸠鲁不得不假定，原子在下降过程中，偶尔会突然转向，撞到了一起。

到了中世纪，天主教会认为亚里斯多德的自然哲学与基督教信仰兼容，将其钦定为不可质疑的官方哲学。这个时候，如果在西方世界还有人公开相信原子论，就会被视为异端，有生命危险。原子论的复兴，在文艺复兴之后才有可能。

（待续）

方舟子

留美学者，生物化学博士smfang@yahoo.com

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