4.为什么原子如此之小？

为了阐明“素朴物理学家的看法”，我们不妨从一个古怪的、近乎荒谬的问题开始讲起：为什么原子如此之小？首先，它们确实很小。日常生活中碰到的每一小块物质都含有大量原子。为使听众理解这个事实，人们设计了许多例子，但给人印象最深的莫过于开尔文勋爵（Lord Kelvin）使用的一个例子：假定你能给一杯水中的分子做上标记，再把这杯水倒入海洋，然后彻底加以搅拌，使有标记的分子均匀地分布于七大洋；然后，如果你从海洋中任何地方舀出一杯水来，你将发现这杯水中大约有100个你所标记的分子。^注47

原子的实际尺寸^注5约为黄光波长的1/5000到1/2000之间。这一比较是有意义的，因为此波长大致给出了在显微镜下仍能辨认的最小颗粒的大小。即使是这么小的颗粒也含有几十亿个原子。

那么，为什么原子如此之小呢？

显然，这个问题是一种回避，因为我们的实际目的并非原子的大小。我们关心的是有机体的大小，特别是我们自己身体的大小。当我们以日常的长度单位，比如码或米作为量度时，原子确实是很小的。在原子物理学中，人们通常使用所谓的埃（简写为Å），即1米的10¹⁰分之一，或0.000 000 000 1米。原子的直径在1Å到2Å之间。这些日常单位（与它相比，原子非常之小）与我们身体的大小密切相关。有一个故事说，码来源于一个英国国王的幽默。大臣们问他采用什么单位，他把手臂往旁边一伸说：“取我胸部中央到手指尖的距离就可以了。”不论是真是假，这个故事对我们来说很重要。这个国王自然会指出一个适合与他自己身体相比的长度，他知道其他任何长度都会很不方便。尽管物理学家偏爱埃这个单位，但在做一件新衣服时，他宁愿被告知这件衣服需用6码半布呢，而不是650亿埃布呢？8

既已确定我们问题的真正目的在于两种长度——我们身体的长度和原子的长度——之比，而原子的独立存在具有无可争议的优先性，于是这个问题实际上应当理解为：同原子相比，我们的身体为什么一定要这么大？

可以想象，许多头脑敏锐的人在学习物理学或化学时会对以下事实感到遗憾：感觉器官构成了我们身体上比较重要的部分，因而（从上述比例大小来看）是由无数原子构成的，但我们的每一个感觉器官都过于粗糙，无法被单个原子的碰撞所影响，单个原子我们是看不到、听不到也感受不到的。我们关于原子的假说与我们粗大迟钝的感官所直接发现的东西极为不同，而且也不能通过直接观察来检验。

一定是这样的吗？是否有内在的原因可以解释？为了查明和理解为什么感官不合乎自然界的这些定律，我们能否把这一事态追溯到某种第一原理呢？

这一次，物理学家能够完全弄清楚这个问题了。对所有提问的回答都是肯定的。