物理科學
歷史爭議：原子是真實的嗎？
觀點：是的，原子是真實存在的，科學已經發展到原子不僅可以被看到，而且可以被單獨操縱的地步。
觀點：不，許多 20 世紀前的科學家缺乏任何原子存在的直接證據，得出的結論是原子不是真實的。
1965 年諾貝爾物理學獎獲得者理察·費曼 (Richard Feynman) 在他的物理學講座開始時問道，如果所有其他知識都在某些不可避免的災難中被摧毀，那麼人類應該努力為子孫後代保留哪些科學知識。他的回答是，最重要的科學事實是所有物質都是由原子組成的，現在看來是完全合理的。那麼，為什麼在不到 100 年前，原子的存在本身會受到激烈的爭論？
儘管原子的概念已經存在了很長時間——超過 2,500 年——但重要的是要注意它在不同的時代和不同的思想家意味著不同的東西。它對古希臘物質理論家來說是一回事，對伊壁鳩魯哲學家來說是另一回事，對早期現代科學思想家來說是另一回事，對 19 世紀化學家來說又是另一回事，而對當代原子物理學家來說又意味著一些不同的東西。
原子假說，即所有物質都由微小的堅不可摧的粒子組成，通常歸因於公元前 5 世紀的希臘哲學家德謨克利特（公元前 460-370 年），儘管這個想法對他來說並不是全新的。一個世紀後，另一位希臘人伊壁鳩魯（公元前 341-270 年）將這一思想納入他的哲學體系，反對上帝或眾神在決定世界事件進程中的積極作用，並否認死後有生命的可能性. 柏拉圖（公元前 428-348 年）接受了原子的存在，並試圖用原子的形狀來解釋四種經典元素——空氣、土、火和水——的特性。他的學生亞里士多德（公元前 384-322 年）駁斥了這個想法，轉而支持形上學，在這種形上學中，物體的形式被強加於潛在的連續實體上。
儘管亞里士多德的思想起初被教會當局懷疑，但最終被認為與基督教信仰一致。十二世紀義大利的聖托馬斯·阿奎那（1225-1274）採用實體和形式的形上學來解釋天主教會的聖禮，神學家引入「變質」一詞來描述實體的轉變，而不是形式或外觀，在彌撒中使用的麵包和酒。主張物質是不變原子的集合體變得異端，因此危險，至少在基督教歐洲。
對原子假說的科學和哲學興趣在文藝復興時期復興。義大利數學家伽利略·伽利萊（1564-1642）、英國物理學家艾薩克·牛頓（1642-1727）、英愛物理學家羅伯特·博伊爾（1627-1691）都主張原子的存在。如果沒有化學元素的現代概念，現代原子概念的真正進步就不可能發生。在1661 年出版的《懷疑化學家》中，波義耳認為存在比古代公認的四種元素多得多的元素，並且元素列表只能通過實驗來確定。兩個世紀後，法國化學家Antoine-Laurent Lavoisier在他的化學基礎論文中(1743-1794) 發表了被認為是第一個現代元素列表——「現代」，因為它包括氧而不是有問題的燃素，但仍然包括光和熱量（熱）作為元素。
隨著 19 世紀的開始，英語學校的教師兼導師約翰·道爾頓( John Dalton，1766-1844 年) 開始考慮化學分析中原子存在的定量後果。根據道爾頓的定比定律，形成任何特定化合物的元素的重量比是固定的，並代表所涉及原子的重量比。第二定律，多重比例定律處理兩種元素形成不止一種化合物的情況。在這種情況下，一個元素的權重與另一個元素的固定權重相結合，將始終是小整數的比率。例如，在化合物 NO 中與 1 克氮結合的氧的重量將是在化合物 NO 中與 1 克氮結合的重量的一半2 .
道爾頓對化合物形成的理解是對大多數現代化學文本開始的物理變化和化學變化之間差異的討論的基礎。化學變化更加劇烈並且涉及更多能量。它們通常還產生具有與原始物質性質不同的性質的化合物。將一塊柔軟、有光澤的鈉金屬暴露在刺激性綠色氯氣的氣氛中，即可獲得為食物增添風味的食鹽。相比之下，將糖溶解在水中會產生一種味道像糖一樣甜而像水一樣透明的溶液。化學變化產生遵守道爾頓定律的新化合物，而物理變化則不然。
但教科書過於簡單化了現實。與一克氯結合的鈉的重量會略有不同，具體取決於製備的確切條件。對於大多數離子固體，與理想或化學計量重量比的偏差範圍很小，但可以由細心的分析化學家測量。我們現在明白，偏離理想原子比例的原因是所有固體結構都在一定程度上容忍缺陷的存在。然而，在化學分析的早期，這些微小的例外足以質疑原子以一定的小數比例結合的假設。另一個複雜的因素是混合物和化合物之間的區別在某些金屬合金中被打破了。一些金屬混合物中原子之間的作用力與純金屬中的作用力一樣強，合金成分不易分離，即使化學成分變化很大。化學計量偏差的存在和熱力學形式主義的發展，在不涉及原子存在的情況下解釋了這些材料的穩定性，這導致了 19 世紀許多最傑出的物理化學家，包括法國化學家 Pierre-Eugéne Marcellin Berthelot （1827-1907）和德國物理化學家弗里德里希Wilhelm Ostwald (1853-1932) 對原子的存在持懷疑態度。
法國化學家 Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) 在 1808 年觀察到，氣體之間的化學反應涉及體積在少量配給中的結合，以及義大利物理學家 Amedeo Avogadro (1776-1856) 在 1811 年提供的解釋相同體積的氣體包含相同數量的分子，明顯加強了對原子的信念的理由。儘管如此，液體和固體狀態在自然界中可能是連續的，原子和分子僅在蒸發時形成的可能性仍然存在。無法直接觀察到原子的事實仍然困擾著奧地利物理學家和哲學家恩斯特·馬赫（1838-1916）和他的門徒，他們告誡不要將現實歸因於從未觀察到的實體。考慮到之前的科學史將現實歸因於諸如燃素、熱量和發光以太等「不真實」概念，馬赫的立場並非不合理。然而，馬赫作為一位備受推崇的物理學家的地位推遲了對原子存在的普遍接受，直到 20 世紀初。
最終，原子被接受並不是因為它們最終被觀察到，而是因為它們對物理和化學現象提供了如此有力和連貫的解釋。與不可分割粒子的原始概念相反，出現了由更多基本粒子組成的原子的詳細圖片。此外，發現放射性元素中發生了一種元素的原子向另一種元素的轉變。在 20 世紀後期，可以在固體表面形成原子圖像的技術的發展僅證實了那些對物質行為有如此多解釋的原子粒子的存在。
——唐納德·R·弗朗西斯凱蒂
觀點：是的，原子是真實存在的，科學已經發展到原子不僅可以被看到，而且可以被單獨操作的地步。
物質不是連續的而是由離散的粒子組成的想法首先由希臘哲學家阿那克薩哥拉斯（Anaxagoras，公元前 500-428 年）提出。他聲稱物質由無限小的粒子組成，他稱之為omiomeres。他相信這些小粒子包含了萬物的品質，並發展了一種從分子異構體創造物質的理論。然而，另一位希臘哲學家 Leucippus（公元前 5 世紀）實際上使用了原子這個詞. 他用這個詞來描述一種不可分割的、緊湊的、沒有部分的、具有均勻成分的粒子。這些原子因它們的性質而不同，例如大小和形狀。Leucippus 還堅持認為，有無數個原子在不斷、隨機地運動。如果發生碰撞，原子可能會分散，或者它們可能會聚結形成聚集體。除了原子的存在之外，留基布還假設存在一個空隙，它允許原子不受限制地隨機運動，並且是原子論的核心，正如 Leucippus 的假設被稱為。Leucippus 的繼任者、另一位名叫德謨克利特的希臘哲學家（公元前 460-370 年）將原子論的概念精煉到了難以將他的思想與 Leucippus 的思想區分開來的程度。伊壁鳩魯（公元前 341-270 年）也是一位希臘人，他增加了重量作為原子的另一個定義特徵。他修改了留基布斯和德謨克利特的假設，說所有原子都以相同的速度運動，而不管它們的重量或體積。根據當時的物理學，這一結論使伊壁鳩魯相信所有原子都在緩慢但明確的向下運動。這種原子運動的觀點使原子之間的碰撞變得難以想像。伊壁鳩魯意識到這一點後，進行了修改，指出原子偶爾會「轉向」，
不幸的是，對留基布斯和德謨克利特的原子論的這種修改給了他們的批評者足夠的彈藥而忽略了它的許多優點。結果，希臘哲學家亞里士多德（公元前 384-322 年）得以傳播他的反原子論。首先，亞里士多德否認虛空的存在，並肯定物質的連續性。他拒絕接受對物質可分性的任何限制，稱物質具有內在品質，例如顏色、氣味和溫暖。他贊同地、風、火、水四種元素的理論，並引入了第五種元素以太，它支配著天體。實際上，亞里士多德的思想導致了地球法則和天體法則的分離。教會接受了他的觀點，綜合效果是亞里士多德的 的影響基本上停止了原子理論的發展，直到文藝復興之後。原子論在同一時期在印度單獨發展，並出現在中世紀時期的中東。
在討論原子時提到宗教似乎很奇怪，但原子理論的發展常常因其開發者無法將宗教和科學分開而受挫。科學史上許多奇怪的想法和錯誤的轉向都是以統一科學和宗教的名義製造的。
原子理論的發展
十七世紀。
義大利數學家和物理學家Evangelista Torricelli（1608-1647）和法國科學家兼哲學家Blaise Pascal（1623-1662）對氣壓進行的實驗工作是原子論更新的推動力。皮埃爾·加森迪（Pierre Gassendi，1592-1655），法國科學家，是反駁亞里士多德理論的帶頭人，依靠托里切利和帕斯卡的工作回歸德謨克利特和伊壁鳩魯的原子概念。Gassendi 是第一個使用「分子」一詞來描述作為一個單元的一組原子的人。他還回到了德謨克利特描述的隨機原子運動的概念，而不是伊壁鳩魯的向下運動。
許多其他科學家和哲學家為原子理論的緩慢重建做出了貢獻，但下一個巨大的飛躍是英國物理學家艾薩克·牛頓（1642-1727）。在他的運動定律中，引力定律具有再次統一地球和天體科學的作用。這一核心發展壓倒了亞里士多德的影響，原子理論開始認真發展。當時有人提出可以用牛頓萬有引力定律來描述原子間的吸引力，但牛頓本人並不相信。他懷疑電磁力在如此小的尺度上很重要，但他不知道他的想法會被證明是多麼真實。
必須記住，雖然物質的微粒性質開始流行，但德謨克利特提出的所有原子理論仍未被接受。例如，盎格魯-愛爾蘭物理學家羅伯特·博伊爾( Robert Boyle，1627-1691) 支持原子論，但不支持原子隨機運動的概念。他相信原子不能無故移動，是上帝決定了原子移動的方式和地點。
十八、十九世紀。
18 和 19 世紀見證了原子理論的巨大進步。這些理論之所以更有說服力，是因為提出它們的科學家並沒有盲目地這樣做。他們之間無休止地爭論自己假設的真實性，並經常試圖反駁自己的發展！
法國化學家Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) 堅定地將元素定義為尚未通過任何方式分解的物質。他還清楚地闡述了物質守恆定律——在化學反應中，物質既不創造也不毀滅。另一位法國化學家約瑟夫·路易斯·普魯斯特 (Joseph-Louis Proust，1754-1826 年) 在 1806 年闡明了比例不變定律——無論其來源如何，一種物質由按質量比例相同的相同元素組成。這兩條定律使英國化學家約翰·道爾頓( John Dalton，1766-1844) 提出了他的原子理論並陳述了多重比例定律。道爾頓的原子理論包含四個陳述：1）所有物質都是由原子組成的, 非常微小、不可分割的元素粒子，不能被創造也不能被破壞。2）一種元素的原子不能轉化為另一種元素的原子。3）一種元素的原子在質量和其他性質上相同，與其他元素的原子不同。4）當不同元素的特定比例化學結合時形成化合物。儘管道爾頓在發展原子理論方面具有洞察力，但他錯誤地假設氫和氧等元素是單原子的。正是兩位化學家，來自法國的 Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) 和來自義大利的 Amedeo Avogadro (1776-1856) 對氣體體積的研究導致了氧氣和氫氣等氣體形成的假設由相同元素的兩個原子結合而成，因此是雙原子的，而不是單原子的。
1869 年，俄羅斯化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫 (Dmitry Ivanovich Mendeleyev，1834-1907 年) 發表了他的元素周期表，其中他根據已知元素的質量和化學性質對它們進行了排序。事實上，他足夠大膽地將某些他認為屬性屬於不同列的元素轉換，歷史證明他的想法是正確的。門捷列夫的偉大之處在於，他用他的表格來預測尚未發現的元素的性質。
隨著化合價概念的引入——元素的屬性決定了該元素的一個原子可以與之結合的其他原子的數量——法國化學家 Joseph-Achille Le Bel (1847-1930) 和荷蘭物理化學家 Jacobus Hendricus van't Hoff (1852-1911) 能夠想像具有三維結構的分子的概念。即使在這個時候，原子論的批評者仍然存在。阿道夫·威廉·赫爾曼·科爾貝（Adolf Wilhelm Hermann Kolbe，1818-1884 年）是一位被描述為當時最偉大的有機化學家之一，他對范特霍夫的三維分子構想發表了嚴厲的評論。
當時存在多種思想流派。有些人熱情地支持原子論。其他人對這個想法表示支持或保持中立，還有一些人支持相互矛盾的想法。在後一類中，被稱為等效論者和能量論者的兩個主要群體尤其有發言權。法國化學家 Pierre-Eugéne Marcellin Berthelot (1827-1907) 是一位等價主義者，他作為政府官員行使了相當大的權力，禁止教授原子理論。事實上，原子被避免提及，並且許多文本僅將原子理論的思想作為附錄，如果有的話。法國物理學家 Pierre-Maurice-Marie Duhem (1861-1916)、奧地利物理學家Ernst Mach (1838-1916) 和德國物理化學家 Friedrich威廉·奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald，1853-1932 年），所有的能量主義者，比起假設原子，更喜歡考慮感知數據。據說奧斯特瓦爾德否認物質的存在！物理學家阿爾伯特·愛因斯坦(1879-1955) 對馬赫的想法極為批評。奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann，1844-1906 年）支持愛因斯坦，他的氣體動力學分子理論的發展廣泛依賴於原子的存在。雖然德國物理學家馬克斯·普朗克(1858-1947) 最初接受了馬赫的想法，但他後來改變了主意並駁斥了他的理論。在 Duhem、Mach 和 Ostwald 中，只有 Ostwald 後來公開接受了原子理論。其他人直到最後都堅決否認。
二十世紀。
英國物理學家約瑟夫·約翰爵士 (JJ) 湯姆森 (1856-1940)、美國物理學家羅伯特·安德魯斯·密立根(1868-1953)、德國物理學家威廉·康拉德·倫琴(1845-1923)、荷蘭物理學家安東尼·范登布魯克 (1870-1870) 的共同努力1926 年）、英國物理學家歐內斯特·盧瑟福勳爵（1871-1937 年）和英國物理學家亨利·莫斯利（1887-1915 年）發現了電子，並認識到它是所有原子的組成部分。此外，人們意識到電子數與原子質量成正比，雖然電子本身比原子小得多。第一個原子模型由英國物理學家 JJ Thomson 和威廉·湯普森勳爵 (Lord William Thompson Kelvin，1824-1907 年) 提出，是一個帶正電的雲，包含帶負電的電子，就像李子布丁中包含葡萄乾一樣。
盧瑟福著名的金箔實驗提供了第一個真實的原子模型。在這個實驗中，盧瑟福發現，直接射向薄金箔片的帶正電粒子有時會偏轉，而不是始終如一地直接穿過。有時，粒子會直接偏轉回源頭。他提出原子包含一個密集的中心部分，他稱之為原子核. 原子核比原子小得多，但包含大部分質量並帶有強正電荷。盧瑟福還設想了電子圍繞原子核運行，就像行星圍繞太陽運行一樣。由於原子是電中性的，電子的數量使得電子的負電荷將平衡原子核的正電荷。這個模型的問題在於，根據經典物理學，繞軌道運行的電子會不斷地發射電磁輻射，失去能量，最終螺旋進入正核。如果真是這樣，一切物質最終都會自毀。此外，該模型沒有解釋已知的光譜觀察。如果模型正確，電子將穿過所有不同的能級，從而在所有頻率上發射譜線並導致觀察到連續譜。相反，每個不同元素都觀察到一組不同的譜線。
馬克斯·普朗克（Max Planck）提出能量不是連續發射的，而是以小包形式發射的，他稱之為量子，從根本上解決了第二個問題。而不是能夠在連續的尺度上假設任何值——比如能夠假設斜坡上的任何位置——能量被限制在某些值上——比如能夠站在一個或另一個台階上，但不能在台階之間站立。這個概念完全不同，普朗克本人幾乎不相信它。
愛因斯坦立即發現了普朗克量子在他對光電效應的解釋中的應用。他認為光是由光子組成的，每個都有一個量子的能量。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr，1885-1962 年）結合了普朗克和愛因斯坦的觀察結果，提出了一種新的原子模型。他表示，電子不能隨機地環繞原子核發射能量，而是只能假設離原子核特定距離的某些離散能量值（即量子化的）。他將量子化的概念應用於電子，有效地解決了電子螺旋進入原子核的問題。此外，玻爾假設譜線是由電子從一個能級移動到另一個能級的結果。這解釋了原子光譜中存在離散譜線而不是連續譜帶的原因。玻爾用他的模型徹底改變了原子理論，事實上它為觀察到的氫光譜提供了正確的值。然而，玻爾的模型在其他元素上並不成功。
當英國物理學家詹姆斯查德威克爵士(1891-1974) 發現中子時，進行了進一步的改進，從而解釋了原子的整個質量並解釋了同位素的存在。法國物理學家路易斯-維克多·德布羅意( Louis-Victor de Broglie，1892-1987) 更進一步，他推翻了愛因斯坦關於光行為像粒子的觀察。他說粒子可以像光一樣表現並表現出波的特性。雖然這對於像足球這樣的大型物體來說是正確的，但由於它們的質量很大，它們的波長是微不足道的。然而，對於像電子這樣的微小粒子，波長不再是微不足道的。這一啟示確立了波粒二象性的概念，即物質可以表現為波，反之亦然。
Erwin Schrödinger (1887-1961) 是一位奧地利理論物理學家，他曾對玻爾的能級間運動或電子「跳躍」理論持批評態度，他開發了今天與我們同在的原子模型。德布羅意的工作使他的原子波力學模型成為可能。它在數學上很複雜，但非常優雅。從本質上講，薛丁格描述了某些數學函數，他稱之為波函數，並在其上放置了連續性、一致性、均勻性和有限性質的正常數學限制。在這些條件下，電子的能量只有特定的能量值是可能的，因此與玻爾的強加量子化不同，為量子化創造了一條自然路徑。波函數，軌道，描述了處於特定能量狀態的電子。確定這些波函數的值稱為量子數。第一個是n，它是決定電子能級的主要量子數。第二個是l，它是確定軌道形狀的方位角量子數。第三個是毫升，決定軌道多重性的磁量子數。所有這些數字都是整數。薛丁格的原子波力學模型得出了幾個有趣的結論。第一個是，原子必須在三個維度上被描述，這一點毋庸置疑。第二個是軌道描述了空間中的一個區域，而不是一條特定的路徑。第三是波函數的平方描述了發現電子的概率最高的區域。再一次，正如德謨克利特所描述的那樣，解釋不再是確定的，而是恢復到隨機性。兩位荷蘭出生的美國物理學家 Samuel Goudsmit (1902-1978) 和 George Uhlenbeck (1900-1988) 的工作又增加了另一個量子數，ms，自旋量子數，四個量子數中唯一一個非整數。這第四個量子數使出生於奧地利的物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958 年）能夠利用他的不相容原理闡明原子的電子結構，指出原子中的兩個電子不能具有相同的四個量子數。這一原理導致了自旋耦合和電子配對的概念，並完整地解釋了原子的價結構。價結構有助於確定元素的周期性，觀察到某些族中的元素具有非常相似的物理和化學性質。
就在人們相信原子的性質已經得到解決時，德國物理學家維爾納·海森堡( Werner Heisenberg，1901-1976) 使用不同的方法宣布，從數學上講，我們可以確定有關原子的信息的程度是固有的。原子。他的測不準原理指出位置不確定性與粒子速度（或動量）不確定性的乘積必須大於或等於常數 h/2 [.pi]。這個常數非常非常小。這通常不會被視為問題，因為可以準確地知道足球飛行的速度以及它的確切位置。然而，足球的質量如此之大，以至於它的動量很大。然而，電子的質量非常小，以至於它的位置和動量的不確定性的乘積非常接近這個常數。本質上，海森堡堅持認為，如果我們知道一個值（例如位置），我們就無法確定另一個值（例如其動量）。此外，這個結果表明，通過觀察原子位置的行為，我們干擾了它的行為。通過這句話，海森堡將原子理論帶回了哲學領域！愛因斯坦從未接受過這個限制。
因此，確定原子是否真實的核心在于澄清「真實」是什麼。如果現實是由知覺決定的，那麼普遍的知覺才是真正真實的。使用波長客觀描述的顏色比用眼睛描述的顏色更真實，因為沒有兩個人看到相同的方式。宇宙是由物質構成的。我們可以觸摸和看到它，主觀上，我們知道它存在。某些類型的物質行為相同的事實已在上面顯示。實驗證據清楚地表明，物質可以分為純物質（元素和化合物）和混合物（元素和/或化合物的物理組合）的不同類別。更遠，上述科學家斷然斷定，化合物是由相對比例可以測量的元素組合而成，元素是由原子組成的。後來的實驗證明原子本身是由許多亞原子粒子組成的，主要的三個是質子、中子和電子。與元素無關，所有這些成分都存在的事實表明它們在客觀上是真實的。
今天，可以使用稱為掃描隧道顯微鏡或 STM 的複雜技術來觀察原子，而不是用我們的眼睛。我們不僅可以將表面解析到可以看到單個原子的程度，還可以操縱表面上的原子，從一個地方提取一個原子，然後將其放置在其他地方。可以使用一個分子連接到一個由一個原子組成的電極來構建電路！也可以設計和構建具有非常特殊的特性和結構的分子。如果原子不是真實的，這一切都不可能發生。
原子是真的嗎？對於我們這些無法使用掃描隧道顯微鏡的人來說，我們只需要看看周圍的一切就說是。
——拉希米·文卡特斯瓦蘭
觀點：不，許多 20 世紀前的科學家缺乏任何原子存在的直接證據，得出的結論是原子不是真實的。
今天，原子的現實被認為是理所當然的。隧道電子顯微鏡拍攝的照片甚至可以「顯示」單個原子。然而，雖然現在原子的現實被認為是司空見慣的，但並非總是如此。直到 20 世紀之交，才進行了提供原子存在的任何直接證據的實驗。在此之前，原子假說是一種「最佳猜測」，受到許多科學家的反對，因為原子無法以任何方式或形式被看到、感覺到或感知到。鑑於當時的證據狀態，對原子的懷疑是完全有道理的，並有助於推動理論和實驗創新，從而證明原子的存在。
哲學原子
我們今天理解的原子是最近的發明，是實驗證據和量子理論的產物. 然而，作為宇宙基石的原子、不可見的小粒子的一般概念是一個非常古老的概念。希臘哲學家德謨克利特（公元前 460-370 年）擴展了早期的思想，提出了物質的原子理論，推理不可能永遠分割一個物體，必須有一個最小的尺寸。其他希臘哲學家將原子理論發展成一個包羅萬象的思想，甚至可以解釋靈魂，靈魂應該是由球狀的火原子組成。然而，原子假說在希臘哲學家亞里士多德（公元前 384-322 年）及其追隨者中有強大的反對者，他們出於自己的哲學原因強烈否認這些實體。亞里士多德的思想將成為占主導地位的學派，並在中世紀根深蒂固 當亞里士多德的教義與聖經聯繫在一起時，原子論就從知識分子的思想中消失了。
原子的概念在 16 和 17 世紀的文藝復興時期被重新發現。像希臘人一樣，17 世紀原子論的支持者更關心想法而不是實驗，物質的不可分割性是原子存在的關鍵哲學論證。十七世紀科學界的兩位大人物，法國數學家勒內·笛卡爾（1596-1650）和英國物理學家艾薩克·牛頓爵士（1642-1727），他們都認可原子論，並且在這個想法背後有這樣的權威，它很快就成為了一個既定的。然而，正如兩位偉人的典型思想一樣，每個人都制定了一個與對方相矛盾的原子論版本。兩個多世紀以來，牛頓和笛卡爾的各種追隨者就原子論和原子碰撞的細節爭論不休，直到最終達成妥協。儘管實驗在這些理論的發展中發揮了作用，但大部分爭論都是基於哲學甚至民族主義的路線，許多法國科學家支持笛卡爾的思想，而大多數英國科學家則盲目地追隨牛頓的思想。兩人的權威被他們的支持者認為大於一些實驗證據，
道爾頓化學原子
是化學領域，而不是物理學領域，發起了最強烈的關於原子存在的科學運動。英國化學家約翰·道爾頓 (John Dalton，1766-1844) 觀察到，在某些化學反應中，當化學物質結合時沒有分數，並得出結論，根據產生的化合物，原子以設定的整數比例鍵合。重要的是，道爾頓的模型允許進行預測，並且他提出了一些化學組合的一般規則。然而，道爾頓沒有給出他的規則有效性的任何理由，而且他的許多結論對大多數早期讀者來說似乎是武斷的。而且，他在比熱上的工作也沒有說服力，似乎與他自己的規則相矛盾。雖然事後證明道爾頓大體上是正確的，但他的論點以及他為數不多的支持者的論點的力量，
反原子論
對原子假說提出強烈反對並不奇怪。關於 19 世紀末的原子循環有許多不同的假設，其中一些是相互矛盾的，而且原子論的支持者似乎常常援引哲學和實驗權威。也許最令人驚訝的是，這種對原子的反對直到 1890 年代才被認真對待。反對的最重要的聲音之一是恩斯特·馬赫（Ernst Mach，1838-1916 年），他是一位奧地利物理學家，他也涉足心理學和生理學，對科學哲學和科學史有著濃厚的興趣。馬赫認為，雖然原子的概念解釋了許多概念，但這並不意味著它們被認為是真實的。馬赫的科學哲學很大程度上歸功於蘇格蘭哲學家的科學哲學大衛·休謨（1711-1776）和德國哲學家伊曼紐爾·康德（1724-1804）。馬赫將觀察置於科學過程的最前沿，並要求對自然的科學斷言僅限於可以體驗的內容。馬赫拒絕支持法律的原因，但他不認為這些法律是正確的；相反，它們只能被視為總結自然的一種經濟方式。這些想法使馬赫與德國物理學家馬克斯·普朗克（1858-1947）展開了激烈的辯論，對他們來說，能量守恆等定律被認為是真實的，而不僅僅是一種方便的虛構。
馬赫的觀點被稱為現象學的科學哲學，因為他強調對實際現象的觀察，並聲稱如果某物不能被感知，則它不能被稱為真實的。馬赫聲稱科學不應該從對象出發，因為它們只是派生的概念。唯一可以直接知道的是經驗，而所有經驗都包含在感覺或感覺印象中。因此，馬赫否認原子的存在僅僅是因為它們無法被感知。然而，他確實允許原子的概念作為解釋某些觀察的有用且經濟的方法。對馬赫來說，原子是一種數學捷徑，很像代數中使用的符號。然而，馬赫認為，聲稱它們是真實的，是空洞的理論，因為沒有辦法體驗它們。
這種實證主義或反唯物主義的觀點在 19 世紀末很流行，許多其他人也認同馬赫的觀點。德國物理化學家弗里德里希·威廉·奧斯特瓦爾德等能量學家(1853-1932) 和法國物理學家 Pierre-Maurice-Marie Duhem (1861-1916)，與馬赫不同，他認為能量是真實存在的，他們也認同馬赫的反原子論，並對支持現實的人發動了強烈、持續和成功的攻擊。原子。能量學家認為，沒有必要將熱力學簡化為理論原子的統計運動，因為一切都可以用能量來解釋。奧斯特瓦爾德寫道，「原子假說已被證明是一種極其有用的幫助……然而，人們絕不能因為圖景與現實之間的這種一致性並將兩者結合而誤入歧途。」
雖然否認原子的存在在今天看來似乎是錯誤的，因為我們「知道」原子存在，但 Mach、Ostwald、Duhem、法國數學家儒勒·亨利·龐加萊 (1854-1912) 和許多其他人的懷疑科學方法在應用時證明是正確的科學中的其他結構，例如絕對空間的概念和以太的概念。在 19 世紀，人們假設光波像其他波一樣穿過一種介質，這被稱為以太。馬赫認為，雖然物質讓光穿過的概念很有用，但這並不意味著以太是真實的，因為它無法以任何方式被檢測到。事實證明，他是完全正確的，正如麥可遜-莫雷實驗要證明的那樣，愛因斯坦的相對論要加以解釋。馬赫 對科學史的興趣使他攻擊了他認為是牛頓和笛卡爾等過去巨人遺留下來的神秘元素。無法體驗諸如遠距離作用之類的牛頓概念，而馬赫表明，如果沒有牛頓的絕對空間假設，力學也可以發展成同樣可靠的科學。
玻爾茲曼和麥克斯韋的統計原子
在馬赫和其他人堅持不能說原子是真實的的同時，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(1844-1906) 和蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(1831-1879) 的工作試圖證明原子具有某些特定的特性並遵守牛頓定律。玻爾茲曼使用統計力學預測物質的可見特性。他的工作根據原子性質的統計分析描述了諸如粘度和熱導率等特性。麥克斯韋以其在電學方面的工作而聞名，他還獨立於玻爾茲曼制定了氣體的統計動力學理論。然而，雖然他們工作中的數學和物理學現在被認為是傑出的，但玻爾茲曼-麥克斯韋原子假說未能說服反對者。他們的作品受到強烈攻擊，並經常被誤解，部分原因是他們既不是一個清晰的作家，也不是一個有成就的自我宣傳者。玻爾茲曼和麥克斯韋的工作也產生了許多問題。例如，玻爾茲曼推導出的熵形式與力學中的牛頓可逆性概念相矛盾。
玻爾茲曼試圖撰寫和教授哲學來反駁馬赫、奧斯特瓦爾德和其他反原子論者的觀點，但未能提出令人信服的哲學解釋。通過信件往來，他捲入了與馬赫的私下辯論，這表明他對 19 世紀晚期物理學的許多發展感到沮喪和困惑。玻爾茲曼還與奧斯特瓦爾德進行了一些非常公開的辯論，許多人認為這些辯論本質上過於惡毒，而且常常掩蓋了兩人的親密友誼。事實上，馬赫非常擔心爭論會失控，以至於他提出了一種妥協理論，試圖讓局勢降溫。然而，玻爾茲曼因未能說服大多數科學家相信原子的真實性而深受折磨，並開始覺得反原子論者正在獲勝。事實上，當大多數人認為原子是一種神秘的概念，希臘人的神秘主義的宿醉時，他成了荒野中孤獨的聲音，最後一位堅定的原子論者。玻爾茲曼飽受抑鬱之苦，最終自殺身亡，可悲的是，距離原子假說最終勝利僅短短几年時間。
玻爾茲曼在他生命的盡頭寫道：「在我看來，如果[原子]氣體理論因為對它的一時敵對態度而被暫時遺忘，例如波動理論，那將是科學的一大悲劇。因為牛頓的權威。」 然而，正是由於牛頓和笛卡爾等人權威的權威，原子假說才被如此接受，而正是由於實驗和理論科學無法展示原子的影響，才導致了如此嚴厲的批評。
原子是勝利的
最終顯示原子存在直接證據的實驗工作在 20 世紀之交開始出現。上工作布朗運動，其中，在恆定的不規則運動的稀溶液「跳舞」小顆粒，表明它是原子碰撞的可觀察到的效果。阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）的理論計算得到了法國物理學家讓·佩蘭（1870-1942）的實驗工作的支持，並導致許多反原子論者承認失敗。放射性領域的新研究也為比原子更小的小粒子提供了強有力的證據，例如英國物理學家約瑟夫·約翰爵士 (JJ) Thomson (1856-1940) 在 1897 年發現了電子（這花了一些時間被完全接受）。
1908 年，奧斯特瓦爾德確信實驗最終證明了物質的離散或顆粒性質。1912 年，龐加萊宣布「[A] 原子不再是有用的虛構……化學家的原子現在已成為現實。」 馬赫似乎從未完全相信——畢竟原子仍然不能被直接體驗——但他不再有任何精力去追求反原子論的情況。
儘管反原子論者被證明是錯誤的，但他們反對原子的立場對於一般科學來說仍然是一個重要的立場。特別是馬赫的思想對物理學產生了持久的影響，他對牛頓概念的攻擊，例如時間和空間的絕對特徵，對相對論的發展非常重要。愛因斯坦在 1916 年承認了他對馬赫的虧欠，他說「我什至相信那些認為自己是馬赫的對手的人幾乎不知道他們有多少馬赫的觀點，可以說，被他們的母乳吸收了，」並指出馬赫的著作早期對他產生了深遠的影響，並且是導致相對論的難題的一部分。馬赫還對邏輯實證主義者維也納圈產生了創始影響，這是一群哲學家、科學家、
反原子論者質疑原子的存在是正確的，必須記住，他們的觀點在 19 世紀末占據主導地位，並且出於良好的科學和哲學原因。至少，反原子論者的懷疑促使其他人去尋找強有力的原子實驗證據，從而為整個物理和化學奠定了更堅實的基礎。
——大衛·塔洛克
原子：
最初被認為是構成物質的最小的不可分割粒子，現在已知它由質子、中子和電子組成。
布朗運動：
蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗(1773-1858) 於 1828 年發現的現象，其中稀溶液中的微小顆粒不斷隨機運動。布朗首先使用花粉，因此認為是生命的火花使粒子移動，但後來的工作表明，無生命的物質也有同樣的效果。二十世紀初，布朗運動被證明是原子碰撞的產物。直到今天，法國物理學家讓·佩蘭 (Jean Perrin) 在 1905 年對布朗運動的研究中使用的載玻片包含移動粒子。
電子：
在由其占據的軌道決定的原子核周圍區域中發現的帶負電荷的亞原子粒子。它的質量大約是質子的千分之一。在中性原子中，電子數等於質子數。
中子：
不帶電的亞原子粒子；原子核的一個組成部分，它的質量大約等於質子的質量。特定元素中中子數量的變化會導致同位素的形成。
核：
原子的緻密核心，幾乎包含原子的全部質量，由質子和中子組成。
麥可遜-莫雷實驗：
嘗試檢測以嘗試檢測兩個不同方向的光速差異：平行於和垂直於地球圍繞太陽的運動。1881 年，物理學家阿爾伯特·A·麥可遜 (Albert A. Michelson，1852-1931) 在柏林首次演出；該測試是由麥可遜和愛德華·莫立（1838年至1923年），在1887年後精製美國。麥可遜和莫利原本希望看到他們的光束因地球在太空中的快速運動而發生變化，但令他們驚訝的是，他們沒有發現任何變化。
實證主義：
哲學，在 19 世紀最流行，它否認思辨或形上學的有效性，並強調科學知識。英國哲學家弗朗西斯·培根（1561-1626）和蘇格蘭哲學家大衛·休謨（1711-1776）是早期的實證主義者，但將實證主義發展為連貫的哲學的是法國哲學家奧古斯都·孔德（1798-1857）。
質子：
帶正電的亞原子粒子；核的一個組成部分。元素中的質子數決定了它的原子序數，每個元素都有唯一的質子數。
量子：
小包能量。它的能量是h [.nu] 的倍數，其中h是普朗克常數，[.nu] 是所描述的輻射頻率。
量子力學：
最新的原子模型。量子力學使用波函數來描述在原子中發現電子的概率最大的區域。
比熱：
將單位質量的溫度升高一個溫度單位（度）所需的熱量。
熱力學：
物理學的一個分支，涉及熱的性質及其向機械能、化學能和電能等其他形式的轉化。
波函數：
Erwin Schrödinger (1887-1961) 提出的波動方程的數學解。波函數在數學上包含最初由丹麥物理學家 Niels Bohr (1885-1962) 提出的限制，用於描述原子中電子的能量狀態。