原子为何如此之小？

展开说明“素朴物理学家关于有机体的观念”的一个好办法是从下面这个奇怪的、几乎有些荒唐的问题开始： 原子为何如此之小？首先，它们的确非常小。日常生活中随便一小块物质都包含着无数的原子。有许多例子可以用来帮助人们理解这个事实，但最令人印象深刻的莫过于开尔文勋爵的这个例子：假设你可以标记一杯水中所有的分子；然后将这杯水倒入海里，彻底搅拌使之均匀地分布在七大洋中；如果你在这些海洋的任何一处再舀出一杯水，你将发现里面大概会含有100个你之前标记过的分子。[3]

原子的实际大小[4]大概处在黄光波长的1/5000到1/2000之间。这一比较意义重大，因为波长大体上代表了在显微镜下能够辨认的最小颗粒的尺寸。即便是小小的一粒谷子也有数十亿个原子。

那么，原子为什么如此之小？

显然，这个问题只是托词。因为它真正要问的并不是原子的尺寸。它关心的是生物的大小，尤其是我们人类自己的身体的大小。以我们日常使用的长度单位，比方说码或米来度量，原子的确很小。在原子物理学中，我们习惯用所谓的埃（简写为 Å）为单位，它相当于1米的百亿分之一，用小数表示是0.0000000001米。原子直径的范围在1到2埃之间。日常生活中的长度单位（与之相比，原子是如此之小）与我们身体的尺寸密切相关。有一个故事是这么说的，码这个单位可以追溯到一位英国国王的轶事。大臣们请示国王应该采用何种单位时，他伸出一只手臂说道： “取我胸部中间到手指尖的距离就行了。”不管是真是假，这个故事对我们来说都很有意义。国王自然而然地就以自己的身体为长度参照物，他知道其他任何东西都不如这个方便。尽管物理学家对埃这个单位习以为常，但他们还是会更乐意被告知自己的新西装将需要6码半，而不是650亿埃的花呢布。

由此可以确定，我们的问题实际上在于两种长度——我们身体的长度和原子的长度——之比；考虑到原子的独立存在无可争辩地先于身体的存在，该问题实际上应该反过来问： 与原子相比，我们的身体为何一定要如此之大？

我可以想象，许多物理学或化学的忠实追随者会对如下事实感到遗憾。可以说我们的每一个感觉器官都是身体的重要部分，其自身（依照之前提到的比例）也是由无数个原子构成，但它们却如此地粗糙，无法感受到单个原子的冲击。单个的原子是看不见、摸不着，也听不到的。我们关于原子的设想与用粗陋的感觉器官所获得的直接感受大相径庭，不能通过直接观察得到检验。

是否一定如此呢？有没有内在的原因？为了确定和理解我们的感官为何和相关的自然定律不相容，可否将这种情况追溯到某种第一原则呢？

这一次，物理学家终于能够完完全全地把问题说清楚了。上述问题的答案，都是肯定的。