德謨克利特的原子

撰文/盧昌海

古希臘科學及哲學史上最富戲劇性的事情，莫過於荒誕色彩最強的巴門尼德在很大程度上造就了分屬數學和物理的兩大最有遠見卓識的古代學說：前者是芝諾的悖論，後者是古希臘的原子論—以德謨克利特（Democritus）為代表人物。

在「芝諾的悖論」(見《科學世界》2018年第9期）一文中，我們介紹過巴門尼德主張真空不存在，整個世界是一個均勻、永恆、不可分割、形狀為球形的「一」，並由此得出了運動不存在的荒誕推論。古希臘的原子論跟巴門尼德的這些主張有著密切關係，從這點上講與芝諾的悖論相似。所不同的是，芝諾的悖論意在支持巴門尼德的學說，古希臘的原子論則在很大程度上反其道而行之，首先否定了運動不存在這一荒誕推論，既而推翻了世界是一個實體的「一」這一前提，並肯定了真空的存在。

古希臘的原子論者主張：世界不是「一」而是「多」，組成「多」的每個「一」則是所謂的原子。不過，他們對巴門尼德的學說也不無繼承之處，比如將後者主張的均勻、永恆、不可分割三項特性用於原子身上（順便說一下，「原子」一詞在希臘語中的含義就是不可分割），只放棄了形狀為球形這一項。因為他們足夠明智地認為原子可以有很多種，「沒有理由只能有一種形狀而不能有另一種形狀」。

均勻、永恆、不可分割，用於整個世界是荒誕的，而作為原子的特性則不僅不荒誕，甚至稱得上是相當高明的假設。古希臘的原子論也因此遠比當時的任何其他學說更接近現代科學對自然的描述。

古希臘原子論的集大成者是德謨克利特，淵源則往往被回溯到一位生卒年份不詳，甚至是否確有其人都有爭議的人物：留基伯（Leucippus）。在德謨克利特之後，古希臘原子論在表述上亦不無變化。比如羅馬時期的詩人兼哲學家盧克萊修（Lucretius）提出了原子帶有掛鉤之類可相互「勾結」的結構等。

由於原子比像水那樣的「原始質料」抽象得多（起碼非肉眼可見），因而古希臘的原子論是將「原始質料」學說往抽象方向推進了一步。這種抽象甚至在兩千多年後仍遭到一些知名學者的反對，比如19世紀奧地利的物理學家與哲學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）就曾長期反對原子論，這也反襯出古希臘原子論的超前性。

古希臘原子論的魅力，在於其巨大的定性解釋能力。比如不同形狀的原子有不同的接合方式，對應於物質質地的差異；比如原子排列有不同的緊密程度，對應於物質密度的差異；除接合與排列外，原子間還可以有碰撞和反彈，激烈時甚至可衝散接合與排列，使原子自由運動，對應於液體或氣體的流動性。物質守恆的觀念也因原子本身的永恆而有了明確的詮釋。可以毫不誇張地說，沒有一種日常所見的現象是原子論無法定性解釋或必須以牽強方式解釋的，這在當時的學說中是無與倫比的。

美國物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）在《費曼物理學講義》的開篇語中曾對原子論的這種強大的定性解釋能力作了令人印象深刻的概括：

假如，在某種大災難中，所有科學知識都將被毀，只能有一句話傳於後世，什麼話能用最少的辭彙包含最多的信息？我相信是原子假設（或原子事實，或隨你怎麼叫），即萬物皆由原子—一些永恆運動著的、稍稍分離時相互吸引、彼此擠壓時相互排斥的微小粒子—組成。你們將會看到，在那樣一句話里，只要用上一點點想像和思考，就有著關於世界的巨量信息。

只要將古希臘的原子論與費曼這段話作一個比較，就不難發現，費曼提到的「萬物皆由原子組成」、原子「永恆運動著」「彼此擠壓時相互排斥」以及「微小粒子」等性質都已在很大程度上被古希臘的原子論涵蓋了—當然，需要「用上一點點想像和思考」，比如「彼此擠壓時相互排斥」可視為原子永恆、不可分割等特性的推論。唯一缺失的是「稍稍分離時相互吸引」這一性質（盧克萊修表述中的掛鉤之類庶幾近之）。當然，費曼的上述表述本身也只是對現代物理學中原子性質的高度簡化，但古希臘的原子論能與之接近到這種程度，依然是相當高明的。

從科學源流上講，芝諾是最早對「無窮」這一概念進行深入思考的古希臘先賢，古希臘的原子論則是機械觀和機械決定論的發端，兩者皆影響深遠。在古希臘的原子論中，世上的一切變化都由原子的運動與組合決定，不存在偶然性—前者是機械觀，後者是機械決定論。其典型描述就像傳說中的留基伯所宣稱的那樣：沒什麼事情是偶然發生的，一切源自必然，必然就是命運。

既然世上的一切變化都由原子的運動與組合決定，古希臘的原子論也就自動涵蓋了一切領域，連感覺、倫理、心理等也不能例外。事實也確是如此：比如靈魂被德謨克利特視為是由球形原子組成的，因球形最具滲透性，且最能通過自己的運動讓其他東西運動（作用類似於現代的滾珠）；比如眼睛看見物體，被認為是受物體發出的原子流衝擊所致（這在一定程度上是光的微粒說的源頭）；最令人驚異的則是，顏色、味道、冷熱等被歸於因原子而產生的次級感覺，而非原子本身的性質。在如此久遠的過去，居然能意識到顏色、味道、冷熱等不是原子本身的性質，實在是了不起的。要知道，哪怕在今天的物理課上，老師仍需苦口婆心地叮囑學生：單個原子是沒有溫度的！

這些思考很自然地將古希臘的原子論者引向了對物質世界與感覺世界的區分上。他們主張：對物質世界的了解，需通過理性對感覺世界裡的東西進行分析和詮釋後才能獲得。這對後世認識論的發展產生了深遠影響。

由於古希臘的原子論遠比其他古代學說更接近現代科學對自然的描述，其衍生的機械觀和機械決定論也在科學上影響深遠。因此，在結束本文前，不妨對它們在科學領域的後續發展略作介紹。

作為一種相對抽象的「原始質料」學說，拜其抽象性所賜，古希臘的原子論沒有像其他「原始質料」學說那樣快速完結，而是在兩千多年的時間裡屹立不倒。不僅如此，隨著牛頓定律等的問世，古希臘的原子論及衍生出的機械觀和機械決定論甚至得到了強大的「技術支持」。

首先是科學巨匠艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在《光學》一書中以極明確的方式重申了幾乎完全等同於古希臘原子論的觀點：

在我看來很可能的是，上帝最初將物質造就為實心、有質量、堅硬、不可穿透、可運動的粒子……

並且，牛頓還進一步表示，支配這些粒子運動的原理儘管尚未被完全發現，但那些原理應不具有超自然的品性，而是普適的自然律。

牛頓的表述極大地凸顯了原子論和機械觀的地位。在牛頓之後，法國科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）則對機械決定論作了明確闡述：

我們也許可以將宇宙的當前狀態視為過去的結果以及將來的原因。假如某種智慧能知道某一時刻促使自然運動的所有的力，以及組成自然的所有物體的所有位置，假如這種智慧還強大到能對這些數據進行分析，則它將能把宇宙中從最大的物體到最小的粒子的運動全都涵蓋在一個公式里。對於這種智慧來說，不存在任何不確定，未來就像過去一樣呈現在它眼前。

不過，這些「技術支持」雖帶來一時風光，卻無法改變機械觀和機械決定論一併倒在量子理論腳下的最終命運。原子的概念雖得以續存，或改換成基本粒子的面目維持了某種意義上的不可分割性，細節則經歷了脫胎換骨的變動。

好在科學史不是成王敗寇的歷史，即便對量子力學的先驅們來說，古希臘的原子論也依然是可敬的，比如量子力學的創始人之一維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）曾反覆強調古希臘原子論的先導地位。另一位量子力學先驅沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）則稱古希臘的原子論為「理性思維模式的勝利」。

據說年輕時的德謨克利特曾經造訪雅典，試圖拜謁當時的名士，結果卻受到冷遇，留下了「我來到雅典，卻沒人知道我」的感慨。但在如今的雅典，在距市中心約10千米的地方，卻建有一座以他名字命名的旨在研究核物理和粒子物理的研究所——德謨克利特科學研究中心。

兩千多年的時光沒有抹去德謨克利特的原子，也沒有抹去德謨克利特的大名。

本文發表於《科學世界》2018年10期