第一卷 第一章 原子的運動
理查德·費曼1-1 引言
這是一門兩學年的物理課，我們開設這門課程是著眼於你們，讀者們，將成為物理學工作者。當然情況並非一定如此，但是每門學科的教授都是這樣設想的！假如你打算成為一個物理學工作者，就要學習很多東西，這是一個200年以來空前蓬勃發展的知識領域。事實上你會想到，這麼多的知識是不可能在四年內學完的，確實不可能。你們還得到研究院去繼續學習。相當出人意外的是，儘管在這麼長時間中做了極其大量的工作，但卻有可能把這一大堆成果大大地加以濃縮。這就是說，找到一些概括我們所有知識的定律。不過，即使如此，掌握這些定律也是頗為困難的。因此，在你對科學的這部分與那部分題材之間的關係還沒有一個大致的了解之前就讓你去鑽研這個龐大的課題的話，就不公平了。根據這種看法，前三章將略述物理學與其他科學的關係，各門學科之間的相互聯繫以及科學的含義，這有助於你們對本學科產生一種切身的感受。你們可能會問，在講授歐幾里德幾何時先是陳述公理，然後作出各種各樣的推論，那為什麼在講授物理學時不能先直截了當地列出基本定律，然後再就一切可能的情況說明定律的應用呢？（這樣一來，如果你不滿足於要花四年時間來學習物理，那你是否打算在4分鐘內學完它？）我們不能這樣做是由於兩個理由。第一，我們還不知道所有的基本定律：未知領域的邊界在不斷地擴展。第二，正確地敘述物理定律要涉及到一些非常陌生的概念，而敘述這些概念又要用到高等數學。因此，即使為了知道詞的含義，也需要大量的預備性的訓練。的確，那樣做是行不通的，我們只能一步一步地來。大自然整體的每一部分始終只不過是對於整個真理——或者說，對於我們至今所了解的整個真理——的逼近。實際上，人們知道的每件事都只是某種近似，因為我們懂得，到目前為止，我們確實還不知道所有的定律。因此，我們之所以需要學習一些東西，正是為了要拋棄以前的謬見，或者更可能的是為了改正以前的謬見。科學的原則——或者簡直可稱為科學的定義為：實驗是一切知識的試金石。實驗是科學「真理」的唯一鑒定者。但是什麼是知識的源泉呢？那些要檢驗的定律又是從何而來的呢？從某種意義上說，實驗為我們提供了種種線索，因此可以說是實驗本身促成了這些定律的產生。但是，要從這些線索中作出重大的判斷，還需要有豐富的想像力去對蘊藏在所有這些線索後面的令人驚訝、簡單、而又非常奇特的圖象進行猜測，然後，再用實驗來驗證我們的猜測究竟對不對。這個想像過程是很艱難的，因此在物理學中有所分工，理論物理學家進行想像、推演和猜測新的定律，但並不做實驗；而實驗物理學家則進行實驗、想像、推演和猜測。我們說過，自然的定律是近似的：起先我們找到的是「錯」的定律，然後才發現「對」的定律。那麼一個實驗怎麼可能是「錯誤」的呢？首先通常是：儀器上有些毛病，而你又沒有注意，但是這種問題是容易確定的，你可以反覆檢查。如果不去糾纏在這種次要的問題上，那麼實驗的結果怎麼可能是錯誤的呢？這隻可能是由於不夠精確罷了。例如，一個物體的質量似乎是從來不變的：轉動的陀螺與靜止的陀螺一樣重。結果就發現了一條「定律」：質量是個常數，與速率無關。然而現在發現這條「定律」卻是不正確的。質量實際上隨著速度的加大而增加，但是要速度接近於光速才會顯著增加。正確的定律是：如果一個物體的速率小於100海里/秒，那麼它的質量的變化不超過百萬分之一。在這種近似形式下，這就是一條正確的定律。因此，人們可能認為新的定律實際上並沒有什麼有意義的差別。當然，這可以說對，也可以說不對。對於一般的速率我們當然可以忘掉它，而用簡單的質量守恆定律作為一種很好的近似。但是對於高速情況這就不正確了：速率越高，就越不正確。最後，最有趣的是，就哲學上而言，使用近似的定律是完全錯誤的。縱然質量的變化只是一點點，我們的整個世界圖景也得改變。這是有關在定律後面的哲學或基本觀念的一件十分特殊的事，即使是極小的效應有時在我們的觀念上也要引起深刻的變化。那麼，我們應該首先教什麼呢？是否應先教那些正確的、陌生的定律以及有關的奇特而困難的觀念，例如相對論、四維時空等等之類？還是應先教簡單的「質量守恆」（掃校者註：譯本原文如此，有網友提出，這裡的"constant-mass」被譯成「質量守恆」是有問題的。從上下文來看，上文提到的需要相對論修正的老定律是「質量不隨速率改變」，而不是一般意義上的質量守恆。在後面，提到類似的能量守恆定律的時候，作者用的是conservation of energy）定律，即那條雖然只是近似的，但並不包含那種困難的觀念的定律？前一條定律比較引人入勝，比較奇特和比較有趣，但是後一條定律在開始時比較容易掌握，它是真正理解前一種觀念的第一步。這個問題在物理教學中會一再出現，在不同的時候，我們將要用不同的方式去解決它。但是在每個階段都值得去弄明白：我們現在所知道的是什麼，它的正確性如何，它怎樣適應其他各種事情，以及當我們進一步學習後它會有怎樣的變化。讓我們按照我們所理解的當代科學（特別是物理學，但是也包括周圍有關的其他科學）的輪廓繼續講下去，這樣，當我們以後專門注意某些特殊問題時，就會對於背景情況有所了解——為什麼這些特殊問題是有趣的，它們又是怎樣適應整體結構的。那麼，我們世界的總體圖象是怎樣的呢？
1-2 物質是原子構成的假如由於某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話傳給下一代，那麼怎樣才能用最少的辭彙來表達最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設（或者說原子的事實，無論你願意怎樣稱呼都行）：所有的物體都是用原子構成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運動著。當彼此略微離開時相互吸引，當彼此過於擠緊時又互相排斥。只要稍微想一下，你就會發現，在這一句話中包含了大量的有關世界的信息。
圖1-1 放大10億倍的水為了說明原子觀念的重要作用，假設有一滴直徑為1/4英寸的水滴，即使我們非常貼近地觀察，也只能見到光滑的、連續的水，而沒有任何其他東西。並且即使我們用最好的光學顯微鏡（大致可放大2000倍）把這滴水放大到40英尺左右（相當於一個大房間那樣大），然後再靠得相當近地去觀察，我們所看到的仍然是比較光滑的水，不過到處有一些足球狀的東西在來回遊動，非常有趣。這些東西是草履蟲。你們可能就到此為止，對草履蟲以及它的擺動的纖毛和捲曲的身體感到十分好奇。也許除了把草履蟲放得更大一些看看它的內部外，就不再進一步觀察了。當然這是生物學的課題，但是現在我們繼續觀察下去，再把水放大2000倍更接近地觀察水這種物質本身。這時水滴己放大到有15英里那樣大了，如果你再十分貼近地觀察，你將看到水中充滿了某種不再具有光滑外表的東西，而是有些象從遠處看過去擠在足球場上的人群。為了能看出擠滿的究竟是些什麼東西，我們再把它放大250倍後就會看到某種類似於圖1-1所示的情形。這是放大了10億倍的水的圖象，但是在以下這幾方面是理想化了的。首先，各種粒子用簡單的方式畫成有明顯的邊緣，這是不精確的。其次，為了簡便起見，把它們都畫成二級的排列，實際上它們當然是在三維空間中運動的。注意在圖中有兩類「斑點」或圓，它們各表示氧原子（黑色）和氫原子（白色），而每個氧原子有兩個氫原子和它聯結在一起（一個氧原子與兩個氫原子組成的一個小組稱為一個分子）。圖像中還有一個被理想化的地方是自然界中的真實粒子總是在不停地跳動，彼此繞來繞去地轉著，因而你必須把這幅畫面想像成能動的而不是靜止的。另一件不能在圖上說明的事實是粒子為「粘在一起」的，它們彼此吸引著，這個被那個拉住等等，可以說，整個一群「膠合在一起」。另一方面，這些粒子也不是擠到一塊兒，如果你把兩個粒子擠得很緊，它們就互相推斥。原子的半徑約為1～2×10-8厘米，10-8厘米現在稱為1?（這只是另一個名稱），所以我們說原子的半徑為1～2?。另一個記住原子大小的方法是這樣的：如果把蘋果放大到地球那樣大，那麼蘋果中的原子就差不多有原來的蘋果那樣大。
圖1-2 水蒸氣現在，想像這個大水滴是由所有這些跳動的粒子一個挨一個地「粘合」起來的。水能保持一定的體積而並不散開，因為它的分子彼此吸引。如果水滴在一個斜面上，它能從一個位置移動到另一個位置。水會流動，但是並不會消失——它們並沒有飛逝，因為分子之間有吸引力。這種跳動就是我們所說的熱運動。當溫度升高時，這種運動就增強了。如果我們加熱水滴，跳動就增加，原子之間的空隙也增大。如果繼續加熱到分子間的引力不足以將彼此拉住，它們就分開來飛散了。當然，這正是我們從水製取水蒸氣的方法——提高溫度。粒子由於運動的增強而飛散。圖1-2是一幅水蒸氣的圖象。這張水蒸氣圖象有一個不足之處：在通常的氣壓下在整個房間里只有少數幾個分子。決不可能在這樣一張圖象中有三個以上的分子。在大多數情況下，這樣大小的方塊中可能連一個都不會有——不過碰巧在這張圖中有兩個半或三個分子（只有這樣圖象才不會是完全空白的）。現在，比起水來，在水蒸氣的情況下，我們可以更清楚地看到水所特有的分子。為了簡單起見，將分子畫成具有120°的夾角，實際上，這個角是105°3『，氫原子中心與氧原子中心之間的距離是0.957?，這樣看來，我們對這個分子了解得很清楚了。
圖1-3讓我們來看一下水蒸氣或任何其他氣體具有一些什麼性質。這些氣體分子是彼此分離的，它們打在牆上時，會反彈回來。設想在一個房間里有一些網球（100個左右）不斷地來回跳動，當它們打到牆上後，就將牆推離原位（當然我們必須將牆推回去）。這意味著氣體施加一個「顫動」的力，而我們的粗糙的感官（並沒有被我們自己放大十億倍）只感到一個平均的推力。為了把氣體限制在一定的範圍之內，我們必須施加一個壓力。圖1-3是一個盛氣體的標準容器（所有教科書中都有這種圖），一個配有活塞的汽缸。由於不論水分子的形狀如何，情況都是一樣，因此為簡單起見我們把它們畫成網球形狀或者小黑點。這些東西沿著所有的方向不停地運功著。由於有這麼多的氣體分子一直在撞擊頂端的活塞，因此要使活塞不被這種不斷的碰撞逐漸頂出來，必須施加一定的力把活塞壓下去，這個力稱為壓力（實際上，是壓強乘以面積）。很清楚，這個力正比於面積，因為如果我們增大面積而保持每立方厘米內的分子數不變的話，那麼分子與活塞碰撞次數增加的比例與面積增加的比例是相同的。現在，讓我們在這個容器內放入兩倍的分子，以使密度增加一倍，同時讓它們具有同樣的速度，即相同的溫度。那麼，作為一種很好的近似，碰撞的次數也將增加一倍，由於每次碰撞仍然和先前那樣「有力」，壓力就正比於密度。如果我們考慮到原子之間的力的真實性質，那麼由於原子之間的吸引，可以預期壓力略有減少。而由於原子也佔有有限的體積，則可以預期壓力略有增加。無論如何，作為一個很好的近似，如果原子較少，密度足夠低，那麼，壓力正比於密度。我們還可以看一下其他情況。如果提高溫度而不改變氣體密度，亦即只增加原子的速度，那麼在壓力上會出現什麼情況？當然，原子將撞擊得更劇烈一些，因為它們運動得更快一些。此外，它們的碰撞更頻繁了，因此壓力將增加，你們看，原子理論的概念是多麼簡單!我們來考慮另一種情況。假定活塞向下移動，原子就慢慢地被壓縮在一個較小的空間里。當原子碰到運動著的活塞時，會發先什麼情況呢？很顯然，原子由於碰撞而提高了速率。例如，你可以試一下乒乓球從一個朝前運動的球拍彈回來時的情況，你會發現彈回的速率比打到球拍上的速率更大一些（一個特例是：如果一個原子恰好靜止不動，那麼在活塞碰上它以後，當然就運動了）。這樣原子在彈離活塞時比碰上去之前更「熱」。因此所有容器里的分子的速率都提高了。這意味著，當我們緩慢壓縮氣體時，氣體的溫度會升高。而在緩慢膨脹時，氣體的溫度將降低。
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圖1-4 冰現在回到我們的那滴水上去，從另一個角度去觀察一下。假定現在降低水滴的溫度，並且假定水的原子、分子的跳動逐漸減小。我們知道在原子之間存在著引力，因而過一會兒，它們就不能再跳得那麼厲害了。圖1-4表示在很低的溫度下會出現什麼樣的情況。這時分子連接成一種新的圖象，這就是冰。這個特殊的冰的圖象是不正確的，因為它只是二維的，但是它在定性上是正確的。有趣的一點是，對於每一個原子都有它的確定位置，你們可以很容易地設想，如果我們用某種方式使水滴一端的所有的原子按一定的方式排列。並讓每個原子處在一定的位置上，那麼由於互相連接的結構很牢固，幾英里之外（在我們放大的比例下）的另一端也將有確定的位置。如果我們抓住一根冰棍的一端，另一端就會阻止我們把它拉出去。這種情況不象水那樣由於跳動加強以致所有的原子以種種方式到處跑來跑去，因而結構也就被破壞了。固體與液體的差別就在於：在固體中，原子以某種稱為晶體排列的方式排列著，即使在較長的距離上，它們的位置也不能雜亂無章。晶體一端的原子位置取決於晶體另一端的與之相距千百萬個原子的排列位置，圖1-4是一種虛構的冰的排列狀況，它雖然包括了冰的許多正確的特徵，但並不是真實的排列情況。正確的特徵之一是這裡具有一種六邊形的對稱性。你們可以看到：如果把畫面繞一根軸轉動120°的話，它仍然回到原來的形狀，因此，在冰里存在著一定的對稱性，這說明為什麼雪花具有六邊形的外表。從圖1-4中還可以看到為什麼冰融解時會縮小。在這裡列出的冰的晶體圖樣中有許多「孔」，真實的冰的結構也是如此，在排列打散後，這些孔就可以容納分子。除水和活字合金外，許多簡單的物質在融解時都要膨脹，因為在固體的晶體結構中，原子是密集堆積的，而當熔解時，需要有更多的空間供原子活動，但是敞形結構則會倒坍，體積反而收縮了，就象水的情況那樣。雖然冰有一種「剛性的」結晶形態，它的溫度也會變化——冰也儲存熱量，如果我們願意的話，就可以改變熱量的儲存。對冰來說，這種熱量指的是什麼呢？冰的原子並不是靜止不動的，它們不斷地搖晃著、振動著，所以雖然晶體存在著一種確定的次序——一種確定的結構，所有的原子仍都「在適當的位置」上振動，當我們提高溫度時，它們振動的幅度就越來越大，直到離開原來的位置為止。我們把這個過程稱為熔解。當降低溫度時，振動的幅度越來越小，直到絕對零度原子仍能有最低限度的振動，而不是停止振動。原子所具有的這種最低的振動不足以使物質熔解，只有一個例外，即氦。在溫度降低時，氦原子的運動只是儘可能地減弱，但即使在絕對零度時也有足夠的運動使之不至於凝固，除非把壓力加得這樣大以致將原子都擠在一起。如果我們提高壓力，就可以使它凝固。
1-3 原子過程 關於從原子的觀點來描寫固體、液體和氣體，我們就講到這裡。然而原子的假設也可以描寫過程，所以我們現在從原子的觀點來考察一些過程。我們要考察的第一個過程與水的表面有關。在水的表面有些什麼情況呢？設想水的表面上是空氣，現在我們來把圖畫得更複雜一些——也更實際一些，如圖1-5所示。我們看到，水分子仍然象先前那樣，組成大量的水，但現在還看到水的表面。在水面上我們發現一些東西：首先，水面上有水的分子，這就是水的蒸氣，在水面上總是有水蒸氣的（在水蒸氣與水之間存在著一種平衡，這種平衡我們以後再講）。此外，我們還發現一些別的分子：這裡是兩個氧原子彼此結合成一個氧分子。空氣幾乎完全是由氮氣、氧氣、水蒸氣組成的，此外還有少量的二氧化碳、氬氣和其他一些氣體。所以，在水面上的是含有一些水蒸氣的氣體。那麼在這種情況下會發生什麼事呢？水裡的分子不斷地晃來晃去。有時，在水面上有個別分子碰巧受到比通常情況下更大的衝擊而被「踢」出表面。因為圖1-5是靜止的畫面，所以在圖上難以看出所發生的事。但是我們可以想像表面附近的某一個分子剛好受到碰撞而飛了出去，或者也許另一個分子也受到碰撞而飛了出去。分子一個接著一個地跑了出去，水就消失了——蒸發了。但是如果把容器蓋上，過了一會兒就會發現在空氣分子中有大量的水分子。水蒸氣的分子不時地飛到水面，又回到水中。結果，我們看到那個看來死氣沉沉的、無趣的事情——一杯蓋上的可能已放了二十年的水——實在包含了一直生氣勃勃而有趣的現象。對我們這雙肉眼而言，看不出有任何變化，但是如果能放大十億倍來看的話，我們就能發現情況一直在變化：一些分子離開水面，又一些分子則回到了水面。
圖1-5為什麼我們看不出變化呢？因為有多少分子離開水而就會有多少分子回到水面！歸根到底「沒有任何事情發生」。如果現在我們把容器蓋打開，使潮濕的空氣吹走而代之以乾燥空氣，那麼離開水面的分子數還是如先前那樣多，因為這隻取決於水分子晃動的程度。但是回到水面的分子數則大大地減少了，因為在水面上的水分子數已極其稀少。因此逸出水面的分子比進入水面的分子多，水就蒸發了。所以，如果你要使水蒸發的話，就打開風扇吧！這裡還有另一件事情：哪些分子會離開？一個分子能離開水面是由於它偶然比通常情況稍微多積累了一些能量，這樣才能使它擺脫鄰近分子的吸引。結果，由於離開水面的分子帶走的能量比平均能量大，留在水中的分子的運動平均起來就比先前減弱。因此液體蒸發時會逐漸冷卻。當然，當一個水蒸氣分子從空氣中跑向水面時，它一靠近水面就要突然受到一個很強的吸引。這就使它進入水中時具有更大的速度，結果就產生熱量。所以當水分子離開水面時，它們帶走了熱量；而當它們回到水面時則產生了熱量。當然，如果不存在水的蒸發現象的話，什麼結果也不會發生——水的溫度並不改變。如果我們向水面一直吹風，使蒸發的分子數一直佔優勢，水就會冷卻。因此，要使湯冷卻就得不停地吹。當然，你們應當了解，剛才所說的那個過程實際上要比我們所指出的更為複雜。不僅水分子進入空氣，不時還有氧分子或氮分子跑到水裡，「消失」在一大堆水分子中，這樣空氣就溶解在水中了；氧和氮的分子進入水中，水裡就含有空氣。如果我們突然從容器中抽走空氣，那麼空氣分子出來要比進去來得快，這樣就形成了氣泡。你們可能知道這對潛水員是很不利的。
圖1-6
圖1-7 食鹽的結構現在我們來考慮另一種過程。在圖1-6中，我們從原子的觀點來看固體在水中溶解。如果我們把結晶鹽粒放入水中，會出現什麼情況呢？食鹽是一種固體，也是一種晶體，並且是「食鹽原子」的有規則的排列。圖1-7是普通食鹽——氯化鈉的三維結構圖。嚴格地說，這種晶體不是用原子而是用我們所謂的離子構成的。離子就是帶有額外電子的原子，或失去一些電子的原子。在食鹽晶體中我們發現了氯離子（帶有一個額外電子的氯原子）和鈉離子（失去一個電子的鈉原子）。在固態食鹽中，所有的離子都由於電的作用而吸引在一起。但是當我們把食鹽投到水裡後，就會發現，由於帶負電的氧和帶正電的氫對離子的引力，有一些離子離散了。在圖1-6中有一個氯離子鬆開來了，其他的原子則以離子的形式在水中浮動，這張圖畫得相當仔細。例如，注意水分子中的氫原子一端大多靠近氯離子，而在鈉離子周圍所見到的大多是氧原子的那一端，因為鈉是正的，而水的氧原子一端是負的，它們之間有電的吸引。我們能不能從這幅圖畫中看出鹽究竟是溶解於水中，還是從水中結晶出來？當然我們看不出來，因為當某些原子離開晶體時，另一些原子又更新聚集到晶體上。整個過程是一個動態過程，猶如蒸發的情況，它取決於水中的鹽的含量是超過還是少於形成平衡所需要的數量。所謂平衡我們指的是這種情況，即原子離開晶體的速率正好與回到晶體的速率相同。假如在水中幾乎沒有什麼鹽，離開的原子就比回去的原子多，食鹽就溶解。但另一方面，如果水裡的「食鹽原子」太多，那麼回去的就多於離開的，食鹽就結晶。我們順便說一下，物質的分子這個概念只是近似的，而且只是對某些種類的物質才有意義。很清楚，在水的情況下，三個原子彼此確實粘在一起。但是在固體的氯化鈉情況下就不那麼明確了。在氯化鈉中鈉離子和氯離子只是以立方體的形式排列。這裡沒有一種把它們自然分成「食鹽分子」的方式。現在回到我們的溶解與澱積的討論上。如果增加食鹽溶液的溫度，那麼原子離開的速率就會地加，而原子回來的速率也會增加。結果是一般很難預言會朝哪一個方向發展，固體溶解得多一些還是少一些。當溫度提高時，大多數物質更易溶解，但是某些物質則更不易溶解。
1-4 化學反應到現在為止，在我們所描述的一切過程中，原子和離子的夥伴並沒有變更，但是當然也有這種情況，原子的組合的確改變了，形成新的分子，圖1-8就是說明這一情況的。在一個過程中如果原子的夥伴重新排列，我們就稱之為化學反應。其他前面所描述的過程稱為物理過程，但是二者之間並沒有明顯的界限（大自然並不關心我們究竟如何去稱呼，她只知道不斷地進行工作）。圖1-8表示碳在氧氣中的燃燒。在氧氣中，兩個氧原子緊緊地吸引在一起（為什麼不是三個甚至四個吸引在一起？這是此類原子過程的一個很典型的特徵。原子是非常特別的：它們喜歡一定的夥伴，一定的方向，等等。物理學的任務就是要分析每一個原子為什麼想要它所希望要的東西。無論如何，兩個氧原子形成了一個飽和的、適宜的分子。）
圖1-8這些碳原子應該處於固態晶體之中（可以是石墨，也可以是金剛石）（註：金剛石在空氣中也可以燃燒）。現在，比如說有一個氧分子跑到碳這邊來，每個氧原子可以抓住一個碳原子而以一種新的組合——「碳-氧」——一起飛走，這就是所謂的一氧化碳氣體分子，它的化學名稱是CO。這種氣體分子很簡單：字母「CO」實際上就是這個分子的一個畫象。但是碳吸引氧的能力比氧吸引氧或者碳吸引碳的能力更大。因此在這個過程中氧原子可能在到達時只帶有一點點能量，但是氧和碳的結合卻是非常徹底而劇烈的，所有靠近它們的原子都吸收能量。於是就產生了大量的分子運動的能量——動能。當然，這就是燃燒。我們從氧和碳的結合得到了熱量。這種熱量通常是以熱氣體的分子運動的形式存在的，但是在某些情況下，由於熱量非常大而發出了光。這就是怎樣產生火焰的過程。此外，一氧化碳分子並不感到滿足。它可能再縛住另一個氧原子，因此可能出現遠為複雜的反應：氧與碳會結合起來，同時偶爾又與一氧化碳分子碰撞。於是一個氧原子可能結合到一個CO分子上，最終形成另一個分子，它包含一個碳原子和兩個氧原子，稱為二氧化碳，並以CO2表示。假如我們以很快的速度在很少的氧氣中燃燒碳的話（例如，在汽車引擎中，爆炸是如此迅速，以致沒有時間形成二氧化碳），就形成了大量的一氧化碳。在許多這種重新排列的過程中，大量的能量被釋放出來，依反應條件的不同而形成爆炸、火焰等等。化學家研究了這些原子的排列情況，發現每一種物質都是某種類型的原子的排列。為了說明這個概念，我們來考慮另一個例子。如果我們走到一個紫羅蘭花圃里去，我們知道那是一種什麼香氣。這是某種分子或者說原子排列鑽進了我們的鼻子。首先，這種分子是怎樣鑽進來的呢？這很容易。假如香氣是飄浮在空氣中的某種分子，它們就會到處晃動，四面八方地撞來撞去，很可能偶爾鑽進了我們的鼻子。肯定分子並不想特別進入我們的嗅覺器官。在擠成一堆的分子中，大家都無目的地到處徘徊，而碰巧有一些分子卻發現自己原來已到達人的鼻子中了。
圖1-9現在化學家可以取一些象紫羅蘭香氣這樣特殊的分子進行分析，然後告訴我們原子在空間的精確排列。我們知道二氧化碳分子的結構是簡單而對稱的：O—C—O（這也很容易用物理方法來確定）。然而即使對化學中那些非常複雜的原子排列，人們也可以通過長期的、卓越的探索工作來查明其排列方式。圖1-9是空氣中紫羅蘭香氣圖。我們再一次發現有氮、氧以及水蒸氣（為什麼這兒有水蒸氣，因為紫羅蘭是濕的。所有的植物都會蒸發水氣）。然而，我們還看到一個由碳原子、氧原子及氫原子組成的怪物，形式比二氧化碳的排列遠為複雜，事實上，它是一種極為複雜的排列。遺憾的是，我們無法畫出所有那些在化學上已確實知道的情況，因為所有的原子的精確排列都是三維的，而我們的畫面只是二維的。六個碳原子組成了一個環，但它不是扁平的，而是一種「皺褶」的環。環的所有角度和間距都已知道。所以一個化學式只是這樣的分子的一個畫象。當一位化學家把它寫在黑板上時，粗略地說，他是在二維空間里「畫」圖。比如，我們見到六個碳原子組成的一個「環」，在一個端點還懸掛著一條碳「鏈」，鏈的第二個端點的碳上有一個氧原子，還有三個氫原子連在那個碳原子上，兩個氫原子和三個碳原子豎在這兒，等等。化學家是怎樣發現這種排列的呢？他把幾瓶東西混合起來，如果變紅了，就說明，在某處有兩個碳原子與一個氧原子聯結在一起，如果變藍了，就說明根本不是那麼一回事。這是所做過的最奇妙的探索工作之一——有機化學。為了發現極其複雜的陣列中的原子排列，化學家觀察兩種不同的物質混合後究竟會發生什麼事？當化學家描述原子的排列時，物理學家從來不怎麼相信化學家了解他在談論的是什麼。大約在20年前就能在某些情況下用物理方法來研究這些分子的排列（不完全象我們這個分子那樣複雜，只包括了它的一部分），而且能通過測量而不是觀察顏色來確定每個原子的位置，嗨！你瞧，化學家幾乎總是正確的。結果，實際上紫羅蘭的香氣里有三種略為不同的分子，其差別僅在於氫原子的排列不同。化學的一個任務是給物質命名，從而使我們知道它是什麼。給這種形狀起個名字看看。這個名稱不僅要表明形狀，而且還要說出這裡是一個氧原子，那裡是一個氫原子——確切地說出每個原子的名稱和位置。所以我們可以設想，為了全面起見，化學名稱一定是十分複雜的。你們看，這個東西的比較完整的名稱是4-（2,2,3,6-四甲基-5-環己烯基）-3-丁烯-2-酮，它告訴你這樣東西的結構，還告訴你這就是它的排列方式。我們可以意識到化學家所遇到的困難，也懂得這樣長的命名的理由。化學家們並不想把名稱搞的這樣晦澀難解，但在試圖用詞回來描寫分子時，他們卻遇到了非常棘手的問題！圖1-10是α鳶尾酮香料的分子結構圖。
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圖1-10我們怎麼知道存在著原子呢？可以用上面提到過的一種技巧：我們假設存在著原子，而一個又一個的結果與我們的預言相符合，如果事物真是由原子組成的話，它們就應當如此。此外，也多少有點更為直接的證據，下面就是一個很好的例子。由於原子是如此之小，你用光學顯微鏡觀察不到它，事實上，即使用電子顯微鏡也不行。（用光學顯微鏡，你們只能看到大得多的的東西。）要是原子一直在運動，比如水中的原子，那麼如果我們把某種較大的球放到水中去，這個比原子大得多的球就會晃來晃去——就像玩球時，一個很大的球被許多人打來打去一樣。人們向各個方向推球，結果球在場地上作不規則運動。同樣，「大球」也將運動，因為它在各個方面受到的碰撞不等，在各個時刻受到的碰撞也不等。因此，如果我們用很好的顯微鏡觀察水中很小的粒子（膠粒），就能看到微粒在不停地跳動，這是原子碰撞的結果。這種運動稱為布朗運動。我們在晶體結構上也可看到進一步的證據。在許多情況下，由X射線分析推斷出的結構在空間「形狀」上與自然界中的晶體實際上顯示出來的形狀相符合。實際晶體的各個「面」之間的夾角，與從晶體是由多「層」原子構成的假設推斷出來的角度之差在秒以下。一切都由原子構成。這就是關鍵性的假設。例如，在整個生物學中最重要的假設是：動物所作的每件事都是原子做的。換句話說：沒有一件生物做的事情不能從這些生物是用服從物理定律的運動原子組成的這個觀點來加以理解。這在開始並沒有認識到：提出這種假設需要做一些實驗與推理，但現在它已被接受了，它是在生物學領域內產生新觀念的最有用的理論。如果一塊由一個挨一個的原子組成的鋼或鹽可以具有這種有趣的性質：如果水——它只不過是些小滴，地球上到處都有——可以形成波浪和泡沫，那這些波浪沖向水泥堤岸時會產生衝擊聲和奇妙的浪花；如果一流溪水永遠只能是一堆原子，那麼還會有什麼呢？假設我們不是把原子排成確定的形式，再三重複，不斷反覆，或者甚至形成向紫羅蘭香氣那樣複雜的東西，那麼事情會變得更加不可思議嗎？——那個在你面前走來走去與你攀談的東西可能是一大群排列的非常複雜的原子嗎？這個東西的徹底複雜性可能動搖你對它產生一些什麼想像嗎？當我們說，我們是一堆原子，這並不意味著我們只是一堆原子，當你站在鏡子前，你就能在鏡子里看到，一堆並非簡單地一個一個重複排列的原子所組成的東西將會具有如何豐富和生動的內容！
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