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微观世界的审美创造及其我见

卢璐璎


我们这个斑斓的世界由物质构建而成,不管有无生命活力的物质都是由原子聚集而成,而这个宇宙之所以绚烂,是因为组成物质的原子和分子所具有的多样性。可以说,我们之所以拥有生命,之所以能够思考,都是因为那许许多多的微小颗粒。当我们走进微观世界,会惊叹于其中的奥妙,沉醉在微观世界的美中。

一、原子结构的美

从科学史上来说,有关原子结构理论的发展经历了一段漫长的探索,科学家们前赴后继,从只有懵懂的认知,到作出不完善甚至错误的猜测,最终发现了真理,发现了原子世界的存在法则,发现了微观宇宙与我们眼中的世界之间的关联。1808年,原子是道尔顿眼中的实心球,圆滚滚的没有瑕疵,如图1(a)所示;1897年,对原子的认识发展成了汤姆森钟情的“葡萄干蛋糕”,“葡萄干”均匀的分布在“蛋糕”之中,使人舒适,如图1(b)所示;1911年,卢瑟福认为原子结构应该像太阳系那样,原子核就像太阳,电子在属于它们的轨道上守护太阳,如图1(c)所示;1923年,波尔提出了“行星式原子模型”,电子在特定的轨道上做着圆周运动,一种平滑规整的美感轰击我们的大脑,如图1(d)所示:

          



                            ( c ) 卢瑟福模型                                                   ( d )    波尔模型


图1     原子结构模型的发展


1926年,薛定谔用数学方程描述出了核外电子的运动,工整的方程式将电子复杂多样的运动状态表达出来,数学美和原子结构的美得到了结合,简单的符号蕴藏了巨大的美感,这就是著名的薛定谔方程:

                                                                                                                           

波函数ψ就是薛定谔方程的解,也就是原子轨道,图2为几种原子轨道的角度分布图。

 


图2          s、p、d原子轨道的角度分布图


1927年,戴维斯、革末和汤姆森先后将电子的衍射图象呈现到人们眼前,如图3所示,我们对原子结构的美有了实际图像上的感触,这一个个圆环像知晓人们的审美取向似的,让人赏心悦目。[1]

  


图3      铝箔X射线和电子的衍射图


二、元素周期表的美

除开原子本身具有的美感,浪漫的科学家们以原子的结构和性质等特征创造出了元素周期表,如图4所示:


 

图4    元素周期表


在我看来,元素周期表给予了我们既简单又复杂、既明了又微妙的无穷美感。在元素周期表中,横向来看,是原子各个性质的周期性,是具有相同电子层数但是最外层电子逐渐递增的规律美;纵向来看,是具有相似特性的统一之美。运用创造过程的四阶段模式对元素周期表的产生和发展进行分析。[2]

1.准备阶段

关于元素的说法由来已久,在我国,《尚书》中说道:“五行:一曰水,二曰或,三曰木,四曰金,五曰土”,“水曰润下,火曰炎上,木曰曲直,金曰从革,土爱稼穑”,对元素进行区分以及描述了它们的典型性质。无独有偶,公元前7世纪至公元前6世纪,古印度学者卡皮拉提出由“地、水、火、风、空气”五种物质组成元素。我国古代的五行学说与古印度的“五大说”是化学元素产生的基础和前提。此后,拉瓦锡在研究的基础上对元素进行定义,在其《化学基础论说》中将33种元素划分成4种类型。[3]

2.孕育阶段

第一个发现化学周期性的是法国地质学家Emile Beguyer de Chancourtois,,他构造了一个非常吸引人的三维周期系统,称为地球螺旋。它由一条线组成,上面写着当时已知元素的符号,这些元素以螺旋的方式包裹在金属圆筒周围。沿着垂直方向向下移动,可以看到现在熟悉的锂、钠和钾等元素。另一位早期不为人知的发现者是Gustav Hinrichs,他的元素周期系统就像一个带有辐条的自行车轮,辐射出各种元素。大约在同一时间,在伦敦工作的两位化学家独立地出版了元素周期表,其中显示了大多数我们所熟悉的元素。他们没有严格的根据当时流行的根据原子重量的增加对元素进行排序,正确的排布了碲和碘元素的位置。最后,德国化学家Julius Lothar Meyer用几年制作了一些元素周期表,在许多方面比1869年的门捷列夫著名周期表更准确。[4]

3.豁朗阶段

最原始的周期表为门捷列夫周期表,也称为短氏周期表。门捷列夫不是第一个在一个表中列出已知元素的人,但是他在前人的基础上进行美的发散,超越了前人。门捷列夫严格地运用了周期性趋势的知识,将大约60个元素形成一张图表。在此基础上,成功地预测了三种元素,之后被命名为镓、锗和钪。[5]在二十世纪初,由于科学技术的发展,对原子的认识更加透彻,瑞士化学家维尔纳对门捷列夫周期表提出挑战,提出了维尔纳长氏周期表,也是目前通用的元素周期表。

4.验证阶段

虽然被广泛认可的元素周期表被制定出来,但是人的思想不会停止,科学家们的探索时刻更新,多年来随着科学家们的工作,不断修正元素周期表,使其得到进一步的发展。不可否认的是,元素周期表是整个科学中标志性图标之一,并继续为学化学的学生和专业化学家提供最重要的统一原则。考虑到元素周期表在爱因斯坦的相对论和量子力学等重大科学革命中幸存下来,由此可见,其正确性经受住了考验。

周期表自大约150年前首次推出以来,取得了很大进展。它克服了一些挑战,同时也适应了科学的发展。它继续挑战理论家,并演变成日益全面的形式。最重要的是,它成功地将所有化学元素及其周期关系统一成了一个在整个科学中不平凡的标志性信息图。

三、结束语

从认识到原子结构的巧妙美到制作出元素周期表,我们可以看到自然本身的存在形态于人的审美高度契合,这不禁让人发出疑问:是自然影响了我们的审美还是只是巧合而已?我更相信人的审美直觉是由无数次的实践和认识积淀而成的,是自然让我们认识到什么是美:我们从原子结构中看到了对称美、比例美和简洁美,因此我们会对规整清晰的图像感到愉悦;我们发现原来肉眼不可辩的微观粒子的远动状态可以用数学公式简介明了的表达,我们无法控制赞叹其中的统一美、巧妙美和奇妙美。因为自然是那样的存在,所以在潜移默化中,我们认为美应该就是那样的存在。是自然的存在形态让我们形成美的直觉,在无形中向美靠近。不管是原子世界奇妙变幻的作用法则,还是浩瀚宇宙令人叹为观止的运行机制,美在于心而不在于形,我们现在之所以崇尚对称美、统一美和规律美等,是自然之手对我们的引导。科学之美归根结底是自然之美,科学由自然孵化而生。我们敬畏自然,崇尚科学,追求美。


参考文献:

[1]章伟光.无机化学.北京:科学出版社,2017

[2]刘仲林.科学臻美方法.北京:科学出版社,2002

[3]王杰.化学元素周期表的形成和发展[J].化工设计通讯,2019,45(04):264-265.

[4] Dr. Eric R. Scerri. Happy 150th Birthday to the Periodic Table. 2019, 25(31):7410-7415.

[5]Stephen A. Matlin, Goverdhan Mehta, Henning Hopf, et al. The Periodic Table of the Chemical Elements and Sustainable Development. 2019, 2019(39-40):4170-4173.


(作者:卢璐璎  中国科学技术大学工程科学学院)



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