5 复杂而美丽的景色

在做好了会遇见稀奇古怪的波粒混合体的准备之后，我们怀着自信、激动和急切的心情靠近了原子之地的海岸。我们自信满满地觉得已经做好了探索内陆的准备，下船后即刻步行启程。

原子是化学元素最小的、不可分割的组成部分。请回想船上的玻璃纤维和构成玻璃纤维的硅原子。我们已经短暂地窥探了硅原子的内部，目睹了原子核以及它周围的电子。假如我们要打碎一个硅原子，我们可能会得到一些有趣的东西，但它也不再是硅了。日常生活中的各种材料都是由不同的化学元素组成的，每种元素的原子都是不同的，而且它们有时会组合起来形成分子。

虽然“物质有最小的不可分割的组成部分”这个概念可以追溯到古希腊时期，但是我们对原子的认知却是在近两个世纪通过仔细严谨的科学探索才获得的。在这些探索实验中，前人大多并没有直接借助能探测微小结构的高分辨率仪器。他们采用的方法是观察不同物质的特性，辨别它们如何组合并产生反应，然后精准测量它们的质量。探索者们采用了各式各样的、有创造性的实验技巧，包括用嘴巴尝、用鼻子闻、称重或是仅仅观察各种物质的特性和记录它们之间各式反应的产物。通过这些方法，大多数化学元素在1745年到1869年间被发现。

例如，18世纪60年代，几个相互独立研究的科学家发现了空气中含有两种主要气体，一种能使火焰燃烧，并使老鼠表现得更加活跃健康；而另一种会熄灭火焰且令老鼠窒息。18世纪70年代，对老鼠比较友好的那种气体——加热氧化汞也可以制造出的一种气体——被确定是含有氧元素的氧气。1772年，一位名叫丹尼尔·卢瑟福的苏格兰学生在他的博士论文中推测，杀死老鼠的气体含有另一种元素——氮元素。

天文学也在元素的发现中掺了一脚。一个之前在地球上并未被知晓，但是存在于太阳之中的元素通过它放射出的特殊频率的光被发现。这个元素被命名为氦，得名于希腊太阳神赫利俄斯，而且随后在维苏威火山喷发的气体中被辨认出。1895年，瑞典化学家佩尔·提奥多·克勒夫和尼尔斯·亚伯拉罕·兰格发现在酸里溶解特定的矿物质也能产生同样的气体，他们还分离出了足量的该气体以测量其原子质量。

约翰·道尔顿是19世纪在曼彻斯特工作的一位化学家、物理学家和气象学家。他进行了一系列极其严谨的实验——组合、反应以及称重各种气体和其他物质，并且确认了在各类化学反应中有一些物质总是会由特定的比例组合在一起。他推测，这是因为化学反应事实上发生在各个物质的极小组成部分之间。他相信，这些极小组成部分具有明确的组合、重组以及制造出新的稳定物质的行为规则。例如，二氧化碳是由两份氧和一份碳组成的，水是由两份氢和一份氧组成的。如果反应物恰巧是正确的比例，所有原先的材料都会变成最终的产物；而如果比例弄错了，反应物会有剩余。

1869年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫根据已知化学元素的属性将它们排列成了元素周期表。元素周期表比单纯将元素排列整齐有着更深刻的意义。像门捷列夫那样根据元素的活泼性和质量排列出的元素周期表，揭示出的规律不仅反映了原子的内部结构，还具有预知能力。在他最初的元素周期表中，空缺即意味着有元素“缺席”，而这些“缺席”的元素自那以后全部都被发现了。在某种意义上，元素周期表是化学的“标准模型”，它也确实直接指向了粒子物理标准模型的开端。

原子之地向前来探险的我们展露了复杂而美丽的景色——组成日常物质的微小积木。我们期待着去更好理解这些积木令人着迷的行为。但是，在原子之地里，所有我们去过的地方，问过的人，都告诉我们，要想完全了解此地的经济和生态情况，以及掌握这里的居民究竟是如何交往的，我们还需要回到电子港。