原子真的存在吗？爱因斯坦是怎么证明的

1905年，爱因斯坦发表了四篇论文，彻底颠覆了物理学的核心原理。他的论文对世界运行方式进行了全新的解释，在此基础上催生出的现代科技改变了我们的日常生活，也加深了我们对探索宇宙的渴望。在爱因斯坦发表论文最多的一年，他取得的突破催生出了物理学中三个不同的新领域，这一年通常被称作他的“奇迹年”。

他从理论上解释说明了光电效应，即光既是粒子（从技术上讲是量子）又是波，从而推动了量子力学这一新领域的发展。

就像一首儿歌里唱的那样：“髋骨连接着大腿骨，大腿骨连接着膝盖骨……”量子力学又催生出半导体；半导体是晶体管的组成部分；晶体管构成了计算机；计算机创造了互联网；而由此产生的应用程序，从谷歌到脸书，已经重塑了社会。

爱因斯坦在他的“奇迹年”中发表的另一篇论文里，从统计学角度论证了分子（或原子）的存在。

物理学家和化学家曾经认为原子只是一个理论的或虚拟的概念，而他的这篇论文将其转变为有实际大小的实体。

此篇论文既开创了统计物理学领域，又为探索和计算原子提供了一种切实可行的实验方法。

也许与普通人更相关的是，爱因斯坦的见解（在物理学家开始对原子的概念丧失兴趣的时候提出的）将科学带进了原子时代。

随着科学新时代的到来，太空旅行、核能等应运而生，当然其中也包括核武器。

爱因斯坦在第三篇论文中提出了他最著名的方程：E = mc 2，描述了物质和能量的等效性。

最后，在第四篇论文中，他提出了狭义相对论（为E = mc 2 提供了理论基础）。

这也许是最令人难以置信的突破，却不是他获得1921年诺贝尔奖的原因，他是因为发现了光电效应才获奖。

不过，狭义相对论确实是物理学上的一次重大变革，它指出，在光速限制下，距离和空间都会被压缩，这预示着时空中有一个新的维度，同时它也预测了宇宙时空是弯曲的，这些对其他人来说都是难以想象的。

爱因斯坦的这些理论既给我们带来了有用的东西（如GPS），也带来了令人困惑的东西（如黑洞）。

尽管爱因斯坦做出了巨大的贡献，但根据他自述中对自己思维方式的深入剖析可以证明，他所用的都是为人所熟知的方法，并没有那么的神秘莫测。

爱因斯坦提出了最大胆、最“放肆”的问题，但他运用正常的创新工具回答了这些问题。

爱因斯坦不在乎他的问题有没有答案，以及有没有办法回答。

他只关心它们是不是足够宏大和有助于从根本上去理解宇宙的本质。

电磁和光的本质是什么？原子存在吗？它们是如何运动的？牛顿断言运动是相对的，但当我们知道真空中的光速总是恒定的时候，我们又怎么能继续执着地相信他呢？除了能提出大胆的问题之外，爱因斯坦还有一种天赋，就是他能通过搜集一堆杂乱的、不一致的证据并剖析其共同本质来回答这些问题。

也就是说，他可以将以前观点中最好的那部分重新排列组合为一个新的合适替代方案。

尽管这样说似乎有些亵渎的味道，但这些重新排列所参考的许多基本思想和所有的实验数据确实不是都来源于爱因斯坦。

（图源：veer）他的天才之处在于将现有的证据融合起来，并且做一些改变。

爱因斯坦在解决问题时加入了一些新元素，它们可能是来自另一个领域的现有观点，但它们通常都会打破认知框架，因为爱因斯坦会替换问题中的固有假设。

不管怎样，重新排列组合加上爱因斯坦的新观念使得那些现有的想法和证据得以共存。

如何证明原子的存在20世纪初的物理学处于一种混乱的状态。

自牛顿和伽利略时代以来公认的观点与关于原子行为的新理论和实验结果发生了激烈碰撞，换句话说，牛顿的经典力学定律似乎与更加现代的热力学和电磁学定律相冲突，从而产生了一系列悖论。

热力学是在19世纪发展起来的一门描述机器中能量流动并将其最大程度加以利用的学科。

大约就在那个时候，越来越多的工业生产过程燃起了人们制造永动机的愿望，这一愿望点燃了热力学领域，最终却因热力学新定律的发现而破灭。

热力学第二定律指出，如果没有新的能量输入，就不可能无限地将热能转化为功。

这是因为哪里有能量，哪里就有熵。

熵总是增加的，原子就会自然地由于熵增而失去能量，总是从一个较热的状态变为一个较冷的状态。

融化的冰块在没有能量（比如来自冰箱）输入的情况下不会再次冻结，这一过程是单向不可逆的。

而经典力学认为，由于热能只是影响原子的动能，那么原子A撞击原子B，或者原子B撞击原子A是一样的，即相互作用都是可逆的。

所以，根据热力学，显然需要冰箱来制作冰块。

相反，牛顿力学预测，冰块中的原子应该完全能够冻结，就像它们在室温下能够融化一样。

物理学走到了一个十字路口。

大多数专家都拒绝抛弃热力学中那些非常吸引人的原理。

人们纷纷反问，经典力学有可能是错的吗？或者原子并不是真实存在的，只是一个理论概念？如何解决这一悖论引起了人们极大的兴趣。

原子真的存在吗？它能解释热力学和经典力学之间的矛盾吗？爱因斯坦这一问题可谓占尽天时地利。

事实上，爱因斯坦不知道的是，物理学家路德维希·玻尔兹曼和J.威拉德·吉布斯已经找到了一个解决方案—热力学第二定律可以通过分子四处跳动的事实来理解。

在不知情的情况下，爱因斯坦在一系列论文中重复了他们的工作（他的文献库有限），并最终在1905年发表了一篇影响力巨大的论文。

但爱因斯坦也扩展了他们的研究成果，因为在那篇论文中，爱因斯坦大胆地用统计学重新包装了他们的观点。

路德维希·玻尔兹曼和J.威拉德·吉布斯原子存在的证据来自生物学上的一个类比。

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