你眼中的世界，真的是你眼中的样子吗？还得从物体内部结构说起

古希腊人的观念

分析物体性质的时候，从身边尺寸合适的熟悉的物体入手是个不错的选择，然后逐渐深入探究肉眼看不到的物体的内部结构，正是这些结构决定了材料的相关性质。

所以我们先来研究一下餐桌上的那碗蛤蜊浓汤吧，之所以这样选倒不是因为这碗汤营养美味，而是因为它给我们提供了一个很好的例子，让我们知道什么是“混合物”。即便没有显微镜的帮助，你也知道这碗汤是由很多不同成分混合到一起的：蛤蜊片、洋葱片、番茄块、芹菜、土豆丁、胡椒粒，再加一点肥肉沫，把这些全都混合到一起放上盐和水就好了。

日常生活中我们见到的大多数物质，尤其是有机物，基本都是混合物，虽然往往使用显微镜才能真正确认这一点。比如，即便使用低倍镜也能够看到，牛奶是由白色液体和其中悬浮着的脂肪组成的乳浊液。

使用显微镜观察泥土的话，也会发现泥土是一种细腻的混合物，其中包括石灰石、黏土、石英、铁的氧化物以及其他矿石和无机盐类物质等，还混合着许多动植物的腐殖质。如果我们将一块花岗岩表面打磨光滑，就会发现这块石头是由三种不同成分构成的，包括石英、长石和云母，三者紧密地结合在一起，组成一整块石头。

在我们对物质精细结构的研究之中，对混合物的研究只是第一步，也可以形象地称为“向下阶梯的第一级台阶”，紧接着，我们要对构成混合物的每一项纯净物进行研究。对于真正的纯净物，例如一段铜线、一杯水或充满屋子的空气1（当然了，先不考虑空气中的灰尘），用显微镜进行观察时，会发现没有任何不同的组成部分，物质呈现连续、均匀的分布。

的确，诸如铜线之类的固体（玻璃态类非结晶材料除外）高放大倍率下都能看到所谓“微晶”的结构，但是在不同的纯净物中晶体是不一样的：铜线中是铜晶体、铝锭中是铝晶体，在桌上的食盐中我们会看到氯化钠晶体。使用一种特殊的技术（慢结晶技术），我们可以使这些晶体生长得更大，这样的单晶中每部分都像水和玻璃一样均匀。

通过肉眼以及显微镜进行的这些观察，我们能不能作出这样的假设，即纯净物无论放大多少倍，看起来都是一模一样的？换句话说，若是将铜、盐或水这些纯净物无限细分，能否保证每一小份的性质依然保持不变？

第一个提出这个问题并试图解答的人，是2300年前居住在雅典的古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）。他给出的这个问题的答案是否定的，他认为无论纯净物看起来多么均匀，都是由大量的（具体多大他并不清楚）不可细分的微粒（微粒的尺寸他也不知道）构成的。他将这些“微粒”称为“原子”或“不可分割体”。在他的理论中，不同物质只是不同数量原子的组合，但这种区别只是表象而已。例如他认为火和水都是由相同种类的原子构成的，只是外在表现不同。所有的物质都是由相同的原子构成的。

与德谟克利特同时代的另一位哲学家恩培多克勒（Empedocles） 则持有不同的观点，他认为存在多种不同的原子，分别具有不同的性质。不同的物质则是由多种原子根据不同比例组成的。

基于当时还很初级的化学知识，恩培多克勒提出世间存在四种不同的原子，以对应当时人们认为的四种基本物质：土、水、空气和火。

根据这种观点，举例来说，土壤就是由土原子和水原子按照一定的比例组合而成的，混合得越好土质越好。土里生长的植物则是由土原子、水原子以及来自阳光的火原子组成，以此构成了木材分子。水离开木材后，木材就成为了干木材；而干木头的燃烧过程，则分解或打破了木材分子，释放出火原子，剩下土原子，也就是灰烬了。

如今我们已经知道，虽然这种对植物生长和木材燃烧的解释在科学发展初期倒也还算符合逻辑，但毕竟是错误的。植物生长所需的大部分物质其实并不是来自于土壤（虽然古代人甚至很多现代人都没有意识到这一点），而是来自空气。

土壤本身在植物生长过程中主要提供水分以及起到固定作用，除此之外，还提供植物生长所需的少量无机盐类物质。因此，从提供物质的角度来看，要培育一株大玉米，只需要顶针那么大的土壤就够了。

实际情况其实是这样的，空气是由氮气和氧气组成的混合物（不仅仅是古代人所认为的简单元素），还包含一定量的二氧化碳分子（由碳原子和氧原子构成）。在阳光的作用下，绿叶吸收了大气中的二氧化碳气体，与根系吸收的水分发生反应，生成了构成植物体的各种物质。这个过程中还会产生氧气，返回到大气之中，所以人们才常说“室内花草净化空气”。

当木头燃烧时，木材分子与空气中的氧气分子结合，转化为二氧化碳气体和水蒸气，从火焰中逸出。

至于古代人认为的进入植物材料结构内部的“火原子”，其实并不存在。太阳光只提供能量，用来破坏二氧化碳分子，作为植物生长所需的气体养料。因此“火原子”并不存在，火焰也不是由“火原子”组成的，而是由炽热的气体组成的，燃烧过程中释放出能量，因此火焰是肉眼可见的。

我们再用另一个例子来说明对化学反应过程古代人和现代人不同的看法和观点。你一定知道冶炼金属的鼓风炉，各种不同的金属都可以在高温的鼓风炉中熔炼出来。乍看起来，各种矿石和一般的石头没什么区别，因此，古代人曾认为矿石与其他石头一样，都是由土元素构成的。他们把铁矿石投入烈焰中，却得到了与石头完全不同的物质：一种能够制作刀具和矛头的亮闪闪的坚硬物质。对这种现象最简单的解释是，这种金属是由土和火构成的，换句话说，金属分子是由土原子和火原子构成的。

为了将这种解释应用于所有的金属，他们表示，诸如铁、铜、金等不同金属的不同性质，是由于构成相应金属的土原子和火原子比例不同造成的。毕竟闪亮的黄金显然比黑黢黢的铁含有更多的火，再明显不过了，不是吗？

但如果这是真的的话，为什么不在铁或者铜里多加一些“火”，将它们转化为贵重的黄金呢？中世纪的那些炼金术师们就是基于这一点，穷尽平生都在烟熏火燎中想把贱金属转化为“人造黄金”，白白浪费了无数光阴。

其实从他们的角度来看，做的这些事并不离奇，反而像现代化学家开发一种新型人造橡胶生产方法一样正常。只是他们的理论与实际相去甚远，竟会认为黄金和其他种类的金属是化合物。但话又说回来了，要是不经过尝试，怎么能知道哪些物质是单质、哪些物质是化合物呢？因此，若是没有先驱们那些“化铜为金”的看似无意义的努力，我们可能永远也无法搞清楚金属是基本的化学物质、矿石则是金属原子与氧原子组成的化合物，此类化合物如今我们称之为“金属氧化物”。

铁矿石在鼓风炉的烈焰中转化为金属铁的过程，并不是古代人所认为的不同原子（即土原子和火原子）的结合，恰恰相反，这个过程是不同原子分离的结果，即从铁的氧化物中去除氧原子。铁器在潮湿空气中生成铁锈，也不是铁分解中失去了火原子、剩下土原子，而是铁原子与潮湿空气中的氧原子形成了氧化物分子。

从上述讨论中我们可以看出，其实古代科学家对物质内部的结构和变化过程本质的基本认识还是有些道理的，只是由于没能认清楚哪些物质是基本物质，所以才犯了这些错误。而且回头看看恩培多克勒提出的四种基本物质，竟然没有一种是真正“基本”的。比如空气是由多种气体组成的混合物；水分子是由氢原子和氧原子构成的；土的组成成分更为复杂，其中包含许多不同的成分；而所谓的“火原子”则根本不存在。

从现代的观点来看，实际上自然界中存在的不是四种基本物质，而是92种化学元素，也就是存在92种基本原子。这92种元素中有一些在地球上大量存在，例如氧、碳、铁、硅（大部分岩石的主要成分）等，我们对它们也并不陌生。但是另外有一些就很稀少，你可能从来没听说过，例如镨、镝、镧元素等。

事实上，除了天然元素，现代科学还成功制成了一些新的人工元素，在本书以后的章节中还会进行详细讨论，例如其中有一种叫做“钚”元素，将在原子能释放中起到巨大的作用（无论是用于战争，还是出于和平的目的）。这92种基本元素按照不同比例进行结合，组成了无穷无尽的各种复杂的化合物，例如奶油和黄油，石油和食用油，石头和骨头，草药和炸药，等等，还有很多很多。

还有些化学物质的名字特别特别长，一般人从来没有听说过，但是化学家需要将它们牢记于心。关于化合物的性质、制备、原子间无穷无尽结合情况的化学手册也正在一卷卷不断地问世。

《从一到无穷大》

（知乎重磅推荐，小学生都能读懂的全新译本。科普读物宗师之作，爱因斯坦亲自推荐，清华大学新生入学礼物。融汇数学、物理学、生物学、天文学于一体，理解科学底层逻辑的入门级权威作品！）