物质的运动论

是否有可能用质点通过简单力的互相作用而运动的方式来解释热现象呢？封闭容器中装入一定质量的气体——比如说空气——置于一定的温度下。通过加热，升高温度，从而增加了能量。但是这里的热是如何与运动关联的呢？可能的联系也许会来自我们最初接受的哲学观点，或者是热由运动产生。假如每个问题都是经典力学问题，热一定是机械能。物质的运动论的内容，就是以这种方式来表现物质的概念。根据这个理论，气体是数量庞大的质点或者粒子的组合，它们在不同的方向上运动，互相碰撞，并在碰撞中改变运动的方向。这里必然存在粒子的平均速率，就好像在有大量人口的社区中存在平均年龄或者平均财富一样。因此，每个粒子也有平均动能。容器中有更多的热就意味着更高的平均动能。因此，根据这个理解，热并不是某种特殊的能量，和机械能没有什么不同，不过是粒子运动的动能。要达到任何确定的温度，每个粒子就需要具有一定的平均动能。这实际上并非凭空猜测。如果想要建立一致的力学图景，我们不得不把一个粒子的动能看作测量气体温度的度量。

这个理论不仅仅是想象力的游戏。它不仅可以证明气体的运动论与实验吻合，而且确实引出了对客观现象的深刻理解。有几个例子可以说明这一点。

有一个用活塞密闭的容器，活塞可以随意移动。容器中装有一定数量的气体，处于恒温状态。活塞一开始处于某个位置，并可以往上提或者向下压。要把活塞压下去，力必须与内部气压的方向相对。根据物质的运动论，内部压强的产生机制是什么？巨额数量的粒子组成了气体，它们在所有方向上移动。它们轰炸瓶壁和活塞，再反弹，就像扔向墙壁的球。巨量粒子的持续撞击，抵抗住了作用于活塞上的地心引力和它的质量，让活塞保持在一定的高度。一个方向是恒定的地心引力，另一个则来自粒子的无序撞击。如果要保持平衡，所有作用在活塞上的小额无序力的净值，必须和地心引力大小相等（如图1-22）。

假设我们已经把活塞压下去了，从而把气体的容积压缩到原来容积的部分大，比如说一半，温度保持不变。那么，根据运动论，会发生什么？这个力会导致撞击比先前更活跃还是更不活跃呢？现在，粒子之间挨得更紧密了。尽管，平均动能还是一样的，质点对活塞的撞击会更加频繁，因此总的力会更大。很明显，从物质的运动论的解释中可以看出，要让活塞保持在目前较低的位置，就要求更大的重量。这一简单的实验事实清晰可见，但是它的预测是遵循物质的运动推导出来的。

再看另一个实验设计。取两个容器，装有同等容积的不同气体，比如说氢气和氮气，二者温度一致。假设这两个容器各用一个活塞密闭，活塞重量一致。这说明，简单讲，就是两种气体拥有相同的容积、温度和压力。因为温度是一样的，根据理论，每个质点的平均动能也是一致的。因为压力是一样的，那么撞击两个活塞的力的总大小一致。从平均程度上看，每个粒子带有同样的能量，而且，两个容器都有一样的容积。所以，每个容器中的粒子数量一定是等同的，尽管气体在化学上是不同的。这个结果对于理解很多化学现象十分重要。它意味着，在给定容积、确定温度和压力下，粒子的数量保持一定是所有气体的特性，而非某种气体所特有。更令人震惊的是，物质的运动论不仅预测了存在这么庞大的数量，还让我们有能力确定数值。这一点我们很快就会说到。

物质的运动论不仅在数量也在性质上，解释了气体的规律，正如实验证明的那样。更进一步说，这个理论不仅限于气体，尽管它最大的成就就是在这个领域。

气体可以通过降温实现液化。物质温度的下降意味着粒子平均动能的下降。据此，可以清楚地得知液体粒子的动能小于相应气体粒子的动能。

液体粒子运动的惊人表现，第一次出现在所谓的布朗运动中。这是一个著名的现象，如果没有物质的运动论，它依旧会相当的神秘和难以捉摸。生物学家布朗第一次发现了这个现象，而对它的解释则是在80年之后，即19世纪初。观测布朗运动唯一需要的装置是显微镜，甚至都不用是多么好的显微镜。

布朗当时在研究某些植物的花粉颗粒，他写道：

花粉或者其他粒子的尺寸大小通常在1英寸长的千分之四到千分之五之间。

他进一步报告：

在观察这些浸在水中的粒子时，我发现，它们中的许多都处于明显的运动中……在多次重复的观察后，我确信这些运动不是因为液体的流动或缓慢的汽化而发生的，而是出于粒子本身的运动。

布朗发现的正是当颗粒悬浮在水中并可以通过显微镜观察到的不停歇的运动。这是个令人印象深刻的发现。

特定的植物是否是这个现象的关键呢？布朗回答了这个问题，他用多种不同植物重复了这个实验，并发现所有颗粒，只要足够小，它们浮在水中时就会显示出同样的运动。更进一步，他发现了同样不安、无序的运动，存在于极小的无机物颗粒中，就如有机物一样。即便是在狮身人面像粉碎的碎片中，他也观察到了相同的现象！

这个运动现象要如何解释？看起来它和之前所有的经验都截然相反。测量一个悬浮粒子的位置，比如说每30秒测量一次，就会揭示出它神奇的轨迹形式。不可思议的事情在于，这种运动具有显而易见的永恒性质。摆动的摆锤放入水中，如果没有外力推动，不久就会静止。永不停歇运动的存在似乎违背了所有经验。而物质的运动论精彩地解释了这一难题。

即便使用最高端的显微镜向水中看去，我们都不能看到水粒子和它们的运动，像是物质的运动论阐释的那样。可以得出的结论是，如果水是粒子集合体的理论是正确的，那么粒子的大小必定超出了最高端显微镜的可见度。不过，我们可以坚持这个理论，并假设，它和现实一致。通过显微镜看到的布朗粒子在互相撞击，而较小的粒子组合成了水。如果撞击的粒子足够小，布朗运动就会存在。它的存在是因为，不是所有的撞击都相等，也不能被综合抵消，是因为它是毫无规则、杂乱无章的。从而可以观察到的运动成了不可观测现象的结果。大颗粒子的行为，在一定程度上是对分子行为的高度放大，或者说使分子的行为在显微镜下是可见的。布朗粒子毫无规则、杂乱无章的轨迹特征，反映了组成物质的较小粒子也有类似无规律的轨迹。因此，我们可以理解，对布朗运动的定量分析能让我们对物质的运动论有更深的理解。很显然，可见的布朗运动取决于不可见撞击中分子的大小。如果这些撞击中的分子不具备一定数量的能量，或者说，如果它们不具有质量和速度，那么压根儿就不可能产生布朗运动。对布朗运动的研究能推导和测量分子的质量，因此也就不奇怪了。

理论和实践上的研究，形成了物质的运动论的定量特征。从布朗运动现象产生的线索是推导出定量数据的条件之一。同样的数据可以通过不同方式获得，这些方式则来自差异极大的线索。所有这些方法都支持相同的理念，这是最重要的事实，因为它证明了物质的运动论的内部一致性。

在诸多定量结果中，我们只说明一种通过实验和理论得到的结果。假设我们有1克所有元素中最轻的物体——氢气，请问：在这1克氢气中有多少粒子？这个答案代表的将不仅仅是氢气，还是所有的其他气体，因为我们已经知道了在同样的情形下，两种气体拥有同等数量的粒子。

这个理论让我们能够回答这个问题，确切的测量方法就是布朗运动中对一个悬浮粒子的测量。答案大得令人震惊：一个3，后面还跟着23个数！1克氢气中的粒子数量是：303000000000000000000000。

想象1克氢气中的分子不断膨胀，直到通过显微镜能看见它们，比如说直径变成1英寸的千分之五，就像是布朗粒子一样。然后，把它们紧紧打包起来，我们得用边长1/4英里的盒子才行！

我们可以轻而易举地算出这种氢分子的质量，用1除以上述的数字。结果数字不可思议的小：0.0000000000000000000000033克，这代表的就是1个氢分子的质量。

布朗运动的实验不过是众多独立实验中的一个，它们都能够测量出这个数字，而这个数字在物理学中有着重要的作用。

在物质的运动论和它所有重要的成就中，我们看见了一般哲学进程的实现：把所有现象的解释简化成两个物质质点之间的联系。

总结：

在经典力学中，运动物体未来的轨迹是可以预测的，也可以追寻其过去的轨迹，只要知道它当下的状况和作用于其上的力。譬如说，所有行星未来的轨迹都能被预测。主要的作用力是牛顿的万有引力，它只取决于距离。经典力学的伟大成果说明，机械观可以持续地应用在物理学所有分支中，也就是所有现象都能通过力的作用解释，无论是吸引力还是排斥力，而且力的大小只取决于距离，只在不变的质点间起作用。

在物质的运动论中，我们看到，这个起源于经典力学问题的观点如何涵盖了热的现象，又如何成功解释了物质的结构。