1.3: Деяка історія атомної теорії

Сучасні атомні теорії мають своє коріння в мисленні древніх народів, зокрема давньогрецьких філософів, які жили понад 2500 років тому. У той час культурний, економічний та інтелектуальний клімат Стародавньої Греції дозволив величезний сплеск філософського та наукового розвитку, так зване грецьке диво. Хоча більшість людей того часу вважали, що світом керує когорта напівраціональних богів, серія філософів, починаючи з Фалеса Мілетського (помер 546 до н.е.), ^[2] мали намір розробити раціональні та ненадприродні пояснення спостережуваних явищ, таких як те, що ми зроблені і звідки ми прийшли. Як ми знаємо зараз, вони не могли зрозуміти основну природу матерії, оскільки їм не вистачало інструментів для спостереження та експериментів у атомному масштабі. Однак це не означає, що їх ідеї були простими пустою спекуляцією. Ідеї, які вони створили, хоча і не наукові, як ми розуміємо цей термін сьогодні, містили чудові уявлення - деякі з яких здаються правдивими.

Ця епоха породила новий спосіб наближення та вивчення природних явищ, щоб отримати розуміння їх складності та різноманітності з точки зору природних пояснень. Варто врахувати, що такий раціональний підхід не обов'язково повинен був бути продуктивним; можливо, світ дійсно є абсолютно ірраціональним, нестійким і немеханістичним місцем, постійно маніпульованим надприродними силами; але враховуючи, що наука не може вирішувати подібні ідеї, давайте просто залиште їх фантазійним авторам. Припущення про те, що світом керують виключно природні сили, було надзвичайно продуктивним; тобто узгоджується з тим, як світ, здається, поводиться, коли ми дивимося на нього безпристрасно.

Стародавні греки розвивали складні уявлення про природу Всесвіту і матерії, з якої вона складена, деякі з яких були прийняті протягом тривалого часу. Однак у відповідь на більш ретельне спостереження та експериментальний аналіз ці ідеї були в кінцевому підсумку витіснені більш доказовими теоріями. Значною мірою це включало процес, за допомогою якого люди серйозно сприймали старі ідеї та намагалися пояснити та маніпулювати світом на їх основі. Коли їхні спостереження та маніпуляції не змогли дати очікуваних або бажаних результатів, таких як перетворення недорогоцінних металів у золото, лікування хвороб або взагалі ухилення від смерті, вони були більш-менш змушені переглядати свої ідеї, часто відмовляючись від старих ідей для нових ідей, які, здавалося, працювали.

Розвиток атомних теорій переплітається з уявленнями про фундаментальну природу матерії, не кажучи вже про походження Всесвіту і її еволюції. Більшість грецьких філософів вважали, що матерія складається з якогось набору основних елементів, наприклад, знайомої землі, повітря, вогню та води. Деякі філософи пропонували наявність п'ятого елемента, відомого як квінтесенція або ефір. ^[3] Ці явно неадекватні ідеї зберігаються і сьогодні як частина астрології та знаків Зодіаку - бідна данина деяким дуже серйозним мислителям.

Вважалося, що початкові елементи, тобто земля, повітря, вогонь та вода, складаються з крихітних незнищуваних частинок, названих атомами Левкіппа та Демокріта (які жили близько 460 до н.е.). ^[4] Атоми різних елементів вважалися різними розмірами і формами, і їх форми безпосередньо породжували властивості конкретного елемента. Наприклад, атоми землі вважалися кубічними; їх тісна упаковка робила землю твердою і важкою для переміщення. Ідея про те, що будова атомів визначає спостережувані властивості матеріалу, - це та, до якої ми повернемося, в дещо іншій формі, знову і знову. Хоча деталі не були правильними, основна ідея виявляється здоровою.

Окрім своїх форм, атоми також вважали, що вони знаходяться в постійному русі, заснованому на спостереженні за рухом пилових плям на сонячному світлі, з нічим або порожнечею між ними. ^[5] Через багато століть аналіз Ейнштейна цього типу руху, відомого як броунівський рух, забезпечив потужну експериментальну підтримку фізичної реальності молекул, більших структур, що складаються з атомів, і взаємозв'язку між молекулярним рухом, температурою та енергією, які ми розглянемо далі в цьому розділі.

Загалом, об'єднані поняття грецьких філософів забезпечили самопослідовну і задовільну основу для пояснення поведінки матерії, наскільки вони могли сказати. Пастка тут така, в яку дуже легко потрапити, а саме те, що задовольняє пояснення явища не обов'язково вірно. Навіть якщо це здається самопослідовним, корисним або втішним, пояснення не є науковим, якщо воно не робить перевірені кількісні прогнози. Наприклад, вважалося, що різні матеріали складаються з різних пропорцій чотирьох стародавніх елементів. Кістки були зроблені з води, землі та вогню в пропорціях 1:1:2, тоді як плоть складалася з цих елементів у співвідношенні 2:1:1. ^[6] Хоча ці ідеї зараз вважаються дивними, вони містять передвіщення «закону множинних пропорцій», який настане приблизно через 2300 років і з яким ми розберемося пізніше в цьому розділі. Деякі філософи навіть думали, що душа складається з атомів або що самі атоми мають форму свідомості, дві ідеї, які сьогодні здаються досить чужими (більшості) нас.

Такі уявлення про атомах і елементах надавали логічні і раціональні, тобто ненадприродні пояснення багатьох властивостей матерії. Але греки були не єдиними стародавніми людьми, які придумали пояснення природи матерії і її поведінки. Насправді вважається, що корінь слів алхімія та хімія - це давньогрецьке слово Кхем, грецька назва Єгипту, де, як вважають, виникли алхімія та хімія. ^[7] Подібні теорії розроблялися в Індії приблизно в той же час, хоча саме грецькі уявлення про атоми були збережені і використані людьми, які врешті-решт розробили наші сучасні атомні теорії. З плином часу стародавні уявлення про атоми і матерію зберігалися в живих історикам і літописцям, зокрема вченим арабського світу. Під час європейських темних віків і в середньовічні часи було кілька розкиданих відроджень уявлень про атоми, але лише в епоху Відродження культурний та інтелектуальний клімат знову дозволив відносно вільне розквіт ідей. Це включало спекуляції про природу речовини, атомів і життя. Експериментальні дослідження, засновані на цих ідеях, привели до їх перегляду та можливого появи науки, як ми її зараз знаємо. Варто також пам'ятати, що цьому відносному вибуху нових ідей іноді, а іноді і енергійно протистояли релігійні установи, що призвело до тортур, ув'язнення та страт. ^[8]

Питання:

Питання, на які потрібно відповісти:

• Які властивості, які греки приписують атомам, ми все ще вважаємо дійсними?

Питання для обдумування:

• Якби на землі були кубічні атоми, яку форму ви б приписали стихіям повітря, води та вогню?

Питання для Пізніше

• Якщо атоми знаходяться в постійному русі, як ви думаєте, що змушує їх рухатися?