互动科普

第2个说明 气体的压力和体积

那么，让我们再来仔细看第2个说明。它能让你相信原子是存在的吗？

将气体灌入带有活塞的容器，并在上面压上重物，活塞将停止在20厘米高度处（不考虑大气压的影响）。再放上一个同样的重物，活塞将停止在10厘米高度处。显然，加在活塞上的压力和气体的体积成反比关系。如果设想气体是由原子构成的，就能很容易地理解这个现象。原子在作高速运动，不断撞击着器壁。而重物向下压着活塞的力和原子向上不断撞击活塞的力达到平衡，活塞就会处于静止状态。重物的重量增加为原来的2倍，压在活塞上的力相应也增大到原来的2倍，而活塞的高度将降为原来的一半。这是因为原子运动的距离缩短到一半之后，每秒撞击器壁的次数也将增加到原来的2倍，所以仍然可以和重量增加为从前2倍的重物相平衡（见图）。

图：对气体施压，体积会变小！为什么有反比关系存在？

让我们再看看对第2个说明的反驳

在本例中，用原子很好地说明了“气体的体积和作用在气体上的压力成反比”的原理。

但和第1个说明一样，它也是可以被反驳的。认为“气体是由高速运动的原子组成的”虽然能够很好地说明实验现象，但也还是不知道气体中含有多少个原子等原子的特征。所以，它仍然不过是一种“方便的说法”而已。

此外，还可以这样说明。在原子之间，存在着强大的斥力。原子之间距离越近，这种斥力就越大。当重物的重量增加到2倍时，气体原子之间的距离被压缩，导致斥力增大。当气体体积缩小到一半时，原子间的斥力与重物的压力取得平衡，这使得活塞的高度相应降为原来的一半。无论原子个数多少，这个说明也都成立，所以这仍是一种“方便的说法”。

顺便说一句，“原子在高速运动”的说法来自于荷兰科学家丹尼尔·伯努利，“原子之间具有排斥力”的说法则来自于艾萨克·牛顿。

用实验求出原子个数是不可能的吗？

在上述例子之外的化学、物理学等各个领域，用“假设原子是存在的”这个前提能够完美解释的现象不断增多，相信“原子是存在的”的科学家也不断增加。像这样，先提出假设，再用假设来说明现象的方法，称为“演绎”。

但是，所有这些假设都没有预测“单个原子的重量”等原子的具体特征。并且，即使预测了单个原子的重量，也不足以科学地表示“原子的存在”。这是因为，必须用实验来验证原子的表现是不是和假设一样的。像这样，通过多次实验来验证假设的方法，称为“归纳”。

连显微镜也看不见的原子，能够用实验来验证吗？20世纪前叶，德国化学家威廉·奥斯特瓦尔德和奥地利物理学家恩斯特·马赫等一部分科学家，主张“如果不能用实验验证，就不能从科学上判定原子是否存在”。坚持这个立场的科学家们认为，所谓原子只是个“作业假设”（为了认识的提高而试用的、暂定的假设），并不是说它就是实际存在的。

与此相反，支持原子论的科学家们在摸索各种方法，试图用实验来测定那些与表示原子特征相关的信息（例如重量、力、温度等）。能够表示原子特征的数据，其中之一就是前面提到过的“阿伏伽德罗常数”。

（本文发表于《科学世界》2015年第4期）