在色诺芬尼之后，伊奥尼亚地区的爱菲斯城邦有一位出身王族的很有名的哲学家，名叫赫拉克利特（Heraclitus），他提出火是万物的本原，“这个有秩序的宇宙对万物都是相同的，它既不是神也不是人所创造的，它过去、现在和将来永远是一团永恒的活火，按一定尺度燃烧，一定尺度熄灭。”赫拉克利特还有一句大家都熟悉的名言：“人不能两次走进同一条河流。”前一句话体现了赫拉克利特的唯物论思想，后面这句话则是典型的辩证法思想。可以说，赫拉克利特是集辩证法和唯物主义于一身。你是不是感觉好惊诧：辩证唯物主义那个时候就已经有了？当然，他是“朴素”的，跟现在的“豪华”版不可同日而语。中国古代的老子，比赫拉克利特还要早几十年，也是集辩证法和唯物主义于一身，他更是辩证唯物主义的先驱，只是多了一层神秘面纱。赫拉克利特的年龄大约比孔子小几岁。

公元前5世纪，在大希腊的阿克拉噶斯，就是现在意大利西西里岛南部的一个城邦，有一位富有神话色彩的自然哲学家叫恩培多克勒（Empedocles，约公元前495-前435年），他觉得前辈们说的都有道理，于是他提出，大家都别争了，你们都对，世界是由水、气、土、火四种原始要素组成的，其中每一种都是永恒的，都是由不变的细小微粒组成。这就是哲学史上有名的“四根说”。看到“四根说”,很容易让人想起中国古代的“金、木、水、火、土” 五行学说，这两种学说有三种元素完全一样，看上去高度雷同，但是谁也没抄谁的。两种学说提出的年代差不多，距离却相隔了几万里，他们都对对方一无所知。不过，中国的“五行”描述的是事物的五种基本性质或者基本形态，古希腊的“四根说”讲的是事物的四种原始要素，所以两者有本质的区别。恩培多克勒的四种“不变的最小微粒”可以说是原子论的最早来源。另外，“四根说”中的“土、水、气、火”跟现代科学所提出的常见物质四态——固态、液态、气态、等离子态，也是基本上对应。
“四根说”的观点后来为亚里士多德所继承。恩培多克勒的许多思想在100多年后亚里士多德的学术研究中留下深深的烙印，包括我前面提到的对自然现象用情感活动进行解释，以及本书后面将会讲到的进化论思想。恩培多克勒是对亚里士多德影响最大的人，或者之一（另一个是柏拉图）；也是亚里士多德最认同和敬佩的人，没有之一。恩培多克勒年轻时曾领导家乡的人民推翻了暴君，感激他的公民愿把暴君的王位留给他作为报答，但是他拒绝了。晚年的恩培多克勒为证明自己的神性，爬上西西里岛东岸3000多米高的埃特纳火山，纵身跳入岩浆翻滚的火山口。

我前面提到的那个猜想“月光是日光的反射”的阿那克萨哥拉（Anaxagoras）跟恩培多克勒是同时代人。他出生于伊奥尼亚的克拉佐美尼城邦，是米利都学派的传人。阿那克萨哥拉学成之后去希腊本土的著名城邦雅典居住了30年，他把哲学传播给了雅典人。在这之前，雅典已经发展成政治先进、经济繁荣、军事强大、制造业发达的一流城邦，在整个希腊地区既是一线城市，又是超级大国，但是雅典人却不知道研究哲学。阿那克萨哥拉的到来为雅典补上了这一短板，几十年后雅典便成为全世界哲学的高地，陆续出现了苏格拉底、柏拉图、亚里士多德三位学术大咖，被后人誉为“古希腊三杰”，他们的名字至今还是如雷贯耳。可是阿那克萨哥拉却在雅典被控渎神罪，差点抢了苏格拉底（Socrates）的风头成为雅典的第一位哲学先烈，缘由是他否认天体是神圣的。幸亏他的朋友和学生、雅典伟大的政治家和最高统帅伯里克利（Pericles）出面调解，阿那克萨哥拉才得以活命。阿那克萨哥拉虽然也相信世界万物是有本原的，但是他认为前面这些人说的都不对，他大概是觉得直接把水、气、土、火这些直观的东西认作是世界本原的想法也太low了吧。阿那克萨哥拉也吸收了恩培多克勒的“微粒”思想，他提出了“种子说”：世界万物都是由同类的部分组成的，这些同类的部分都是种子。不过这样一来，“种子”也就有了无限多种。“种子说”也是原子论的来源之一。

原子论还有一个来源就是巴门尼德的“存在是一”的观点。巴门尼德提出“存在”具有“不生不灭”、“独一无二”、“完整不可分”的特性。对于他的这套理论，我们普罗大众听起来都是懵头懵脑，它不像“水、气、土、火”那样直白易懂。巴门尼德出生并活动在大希腊地区的爱利亚城邦，他在年轻时曾受教于年迈的色诺芬尼，他大概就像青年柏拉图追随街头哲学家苏格拉底那样追随那位游吟诗人。后来巴门尼德创立了自己的哲学学派（柏拉图也是这样），人称爱利亚学派，在哲学史上影响深远。巴门尼德有个高徒名叫芝诺（Zeno of Elea），也是爱利亚人，因他提出的四个悖论把人类翻来覆去地折磨了两千多年，而使人们对他久久无法释怀，这就是令人百思不得其解的“芝诺悖论”。这几个悖论看似简单，却让一代又一代的哲学家们前仆后继。芝诺提出这些莫名其妙的悖论倒也不是为了故意为难大伙，人家是为了支持他的老师巴门尼德“存在是一，存在不动”的观点。对于“存在”问题，我专门写了一本书《存在之问》进行了探讨。而对于芝诺悖论，我则在《信息之巅》中给出了分析。
好了，万事都已具备，只等原子论出场。

留基伯（Leukippos）是米利都人，也有说是阿布德拉人（阿布德拉是德谟克利特的出生地），他跟恩培多克勒和阿那克萨哥拉的年纪差不多。因受到巴门尼德的“存在是一，存在不动”思想的影响，又从恩培多克勒的“四元素微粒说”和阿那克萨哥拉的“种子说”得到启发，留基伯提出了“原子说”，这一思想影响了人类两千多年，至今不衰，并且在近现代科学史上每过一段时间就会以新的面目出现，这才是真正的历久弥新！但是关于留基伯的生平和著述，历史上却没有留下什么记载，好在他有个特别争气的学生，名叫德谟克利特（Demokritos，约公元前460年-前370年）。德谟克利特因继承和发展了原子论而成为哲学史上最著名的哲学家之一。德谟克利特比较深入地探讨了物质结构的问题，建立了较为系统的原子论的理论。
中国古代的《墨子》一书也提出了原子论的思想：“非在弗，则不动，说在端。”意思是，不能分成两半的东西，就不要再分了，这个东西就是端。书中还指出：“端，是无间也。”即，端是无法间断的。这个端就相当于留基伯的原子。这些话可能是墨子本人讲的，也可能是墨家后人讲的。墨子的年龄正好介于留基伯和德谟克利特之间。可惜的是，这一伟大思想在中国历史上没能得到进一步发展。

德谟克利特的原子论主张世界是统一的，自然现象可以得到统一的解释，但统一不是在宏观的层次上进行，不是将所有的自然物都解释为某一种自然物（如水、火、土之类），而是将宏观的东西归结为微观的东西，这种微观的东西就是原子。德谟克利特认为万物的本原是原子和虚空，原子是一种最后的不可分割的物质微粒，它的基本属性是“充实性”，每个原子都是毫无空隙的。虚空是原子活动的场所，它给原子提供了运动的条件。世界上纷繁多样的事物都是由不同形状、不同大小、不同数量的原子组成的。这样，德谟克利特就把宏观事物的质上的区别还原成了微观的原子的量上的区别和组建结构上的区别。
原子论者的宇宙论完全是机械的；万物都是预先决定的──“过去、现在和未来的一切事物都必然是预先注定的”。他们并不用人类目的、爱和斗争或者报复原则等比喻来解释世界的活动。显然，原子论比较符合我前面提到的那条通向科学认识的原则，即“用简单概念解释复杂概念”。

原子论在古希腊时代还只是思辨的产物，是一种哲学理论。在当时的条件下，科学的手段还没有建立起来，它也不可能成为科学的理论。但是原子论后来成为了近代科学的一个重要的思想源泉和强劲的发展动力。


德谟克利特

德谟克利特出生在希腊东北部的工业城市（当然，那时候的工业只能是手工业）阿布德拉的一个富商之家，他比雅典的著名哲学家苏格拉底小9岁，他们跟中国的墨子活跃在同一个时代。德谟克利特从小就见多识广，长大以后他曾到雅典学习哲学。后来又到埃及、巴比伦、印度等地游历，前后长达十几年。然而，当德谟克利特回到阿布德拉之后，却遭到了一场审判，他被控“挥霍财产罪”。原因是德谟克利特长期外出旅行，有些人企图占有他继承的财产，便控告他浪费祖产，对族中的事不加理会，把好好的园子变成了杂草丛生的荒地。根据该城的法律，犯了这种罪的人，要被剥夺一切权利并被驱逐出城外。
不过，这场突如其来的人祸没有难倒德谟克利特，他那善辩的才能得到了淋漓尽致的发挥。在法庭上，德谟克利特为自己做了辩护，他说：“在我同辈的人当中，我漫游了地球的绝大部分（这话说得有点大），我探索了最遥远的东西；在我同辈的人当中，我看见了最多的土地和国家，我听见了最多的有学问的人的讲演；在我同辈的人当中，勾画几何图形并加以证明，没有人能超得过我，就是为埃及所丈量土地的人也未必能超得过我……”他还在庭上当众阅读了他的名著——《宇宙大系统》。他的学识和他的雄辩取得了完全的胜利，彻底征服了阿布德拉。结果法庭不但判他无罪，还决定以5倍于他“挥霍”掉财产的数字——500塔仑特的报酬，奖赏他的这一部著作。古希腊1塔仑特的货币相当于大约30公斤白银，我不知道这么多的钱，阿布德拉从哪里出？

德谟克利特是一个杰出的几何学家，他不像柏拉图只是一个热心者。锥体的体积等于底面积和高的乘积的1/3，这个定理就是德谟克利特的贡献。要知道，得出这个定理需要用到类似微积分那样的无穷分割和极限逼近方法。
德谟克利特著述宏丰，他大概是人类历史上第一个写出学术上的鸿篇巨制的人，遗憾的是，他的著作仅留下了少量的残篇。据称，德谟克利特曾经写过化学的书。最早的炼金术著作（约公元100年）就是伪托德谟克利特的名字写的。德谟克利特可以算作化学的祖师爷了。

希腊币上的德谟克利特

在德谟克利特死后，两位影响力最大的思想家──柏拉图和亚里士多德都反对原子论。特别是柏拉图，他曾誓言把德谟克利特的著作全部烧光。他到底有没有烧光德谟克利特的著作，我们不知道，反正是德谟克利特的著作几乎都没有流传下来。这锅，找不到别人去背，看来就得由柏拉图来背了。
不过后来有两位思想家对原子论情有独钟并大加宣扬，这二位就是公元前3世纪的希腊哲学家伊壁鸠鲁（Epicurus）和公元前1世纪罗马的诗人哲学家卢克莱修（Lucretius），在他们的努力下，原子论又流行了好几百年。可是柏拉图的思想和亚里士多德的思想先后主导西方学术界长达一千七百多年，中世纪的时候原子论几乎被人们都忘记了。好在到了文艺复兴时期随着古希腊的各派思想被欧洲人重新发掘，原子论也开始复活了。

2. 千年后的复活：伽桑狄与波义耳的近代原子论

德谟克利特和伊壁鸠鲁的原子论天生就带上了反宗教的特征，因而被各种宗教拒斥。在中世纪的基督教世界，原子论只能以地下的形式存在。到了17世纪上半叶，原子论的命运有幸迎来一次转折。一位在哲学和科学上有很高造诣的天主教神父迷上了原子论，他开始以一种神学上可以接受的形式把原子论引入基督教世界，就像360年前托马斯•阿奎那把亚里士多德的学说引入基督教那样。这位可爱的神父就是法国的皮埃尔•伽桑狄（Pierre Gassendi）。
伽桑狄展开了对德谟克利特学说的研究，重提物体是由小到不可分割的颗粒组成的原子理论。伽桑狄是法国著名哲学家笛卡尔（René Descartes，公元1596-1650年）的朋友，他就像笛卡尔的机械旋涡论那样把上帝边缘化，主张宇宙是由无所不能的造物主用德谟克利特的原子组合而成的。伽桑狄的说法被人戏称为“基督化的原子论”，他的学说仍然是停留在哲学猜想这一层次上的。

同一时期的意大利科学家伽利略（Galileo Galilei）在研究流体静力学时提出，流体是由孤立的粒子组成的，这些粒子是极易活动的，哪怕最轻微的压力也会使它们运动，这样，每个压力都会传遍整个流体。这明显也是原子论的观点。
在17世纪后期，原子论在哲学上的一个重要发展是德国哲学家莱布尼兹（Gottfried Wilhelm Leibniz，公元1646-1716年）提出的单子论。他认为世界是由自足的实体所构成。所谓的自足，是不依赖他物而存在和不依赖他物而被认知。莱布尼兹把这种自足的实体称为单子。他所谓的单子有四个特征：不可分割性、封闭性、统有性和道德性。

最早在科学的方向上对原子论加以发展的是17世纪的英国科学家罗伯特•波义耳（Robert Boyle，公元1627-1691年）。波义耳赞同伽桑狄的观点，但他更相信事实分析，关心的是现象如何发生，而不是想象它为什么发生。波义耳做了许多实验，倒不是为了证明伽桑狄的观点，而是为了跟亚里士多德主义者对着干，当时的亚里士多德的信徒们还在坚持两千年前亚里士多德主张的“土、气、水、火”四元素说。不过波义耳对亚里士多德本人有着极高的评价。波义耳还证明金能够与别的金属做成合金，然后还可以恢复到原来的状态，这说明存在着一种不会改变的黄金微粒。
绝大多数人对波义耳的了解仅仅限于在中学物理课上学过的波义耳定律，其实他更多的贡献是在化学方面。波义耳是近代化学最重要的奠基人，他的著作《怀疑派化学家》出版的那一年即1661年被后世公认为近代化学的起始年。这部书是根据当时的化学认识水平以及他本人的实践经验而提出的化学思想，它介于哲学与化学之间，可以算作一部化学的方法论著作。波义耳在书中提出化学“绝不是医学或药学的婢女，也不应甘当工艺和冶金的奴仆，化学本身作为自然科学中的一部分，是探索宇宙奥秘的一个方面。化学，必须是为真理而追求真理的化学”。这部著作否定了亚里士多德主义者“四元素说”的陈旧观点，证明了火不是一种基本元素，提出元素一定会有许多种，这是他对古代原子论思想的重要发展。他的原子论思想以及他的“实验与观察是科学思维的基础”的鲜明观点为化学的发展指出了科学的途径。

波义耳出身于英国贵族家庭，他没有像当今的贵族的子女那样去从政或者经商，而是一心一意地研究科学问题。这在过去欧洲的贵族子女当中是很常见的。波义耳为自己创造了一个实验室，那时的实验室跟现在的可不一样，里面都是炼金用的火炉和燃煤，天天烟熏火燎、灰头灰脸的，而波义耳却完全沉浸于实验之中。
波义耳深受笛卡尔的机械论哲学的影响，而且他也把自己归入机械论哲学家。笛卡尔提出机械论哲学，却摒弃了原子论的观点，因为他不相信存在着真空，他认为物质是连续的。但是波义耳认为用抽气筒是可以产生真空的。原子论在17世纪经伽桑狄之手逐渐跟机械论哲学结合在一起。波义耳感到融合了原子论的机械论哲学很容易用在他的物理学研究方面。他发现：一定量的气体在一定的温度下，其压力与其体积成反比，这就是著名的波义耳定律。波义耳定律是近代人发现的第一个“两体作用定律”。“两体作用定律”是科学中最重要的两大定律族之一，本书的第三部分将会详细叙说这个问题。波义耳运用原子论和机械论对他的定律进行了解释，他认为气体由细小的做无规则运动的小球状微粒或者微小的静止的弹簧（就像羊毛团）组成的。

波义耳指出用纯净和均一的物质进行研究的重要性，特别是他提出了关于化学元素的现代定义，他说：“我指的元素是某些不由其他物体所构成的原始和简单的物质，或完全没有混杂的物质……一切称之为真正的混合物都是由这些物质直接合成，并且最后分解为这些物质。”当然，波义耳那个时候还搞不清楚什么是简单的、完全没有混杂的物质。

牛顿（Isaac Newton，公元1642-1727年）也是近代科学史上一位特别重要的原子论者，除了提出著名的光的微粒说之外，他还试图把世界上所有的现象都归结到原子或微粒的层面上进行解释，从而形成了关于宇宙的新的科学图景。牛顿曾经假定气体原子一般地是静止的，并以一种与距离成反比的力相互排斥，他以此来解释波义耳的气体体积与压力成反比的定律。瑞士数学家丹尼尔•伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年假定气体原子做不规则运动，气体的压力只不过是气体原子对容器壁的冲击。伯努利为波义耳定律提供了现代解释。

3. 从思辨到科学：道尔顿的现代原子论

近代原子论的特点是用微粒或者说原子对物质组成做出定性解释，现代原子论则是在物质组成的定性解释基础上发现化学反应中各种物质质量的定量关系，即定量规律，以及各种原子的质量的定量关系。
1797年，德国化学家里希特（Richter）发现了当量定律，认识到酸碱盐之间的化学反应存在着确定的定量比例关系，这种定量比例关系被后人称作当量。两年后法国化学家普鲁斯特（Proust）发现定比定律：即每一种化合物，不论它是用什么方法制备的，它的组成元素的质量都有一定的比例关系，或者说，每一种化合物都有一定的组成，所以定比定律又称定组成定律。

19世纪初，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton，公元1766-1844年）通过大量实验证明，化合物中的各种成分是以恒定的比例的质量进行结合的，不论实验样品的用量是多少。这就是道尔顿的当量系统。为了揭开当量的秘密，道尔顿进一步寻求任何一种元素能够保持其全部性质的最小单元。那个时候关于这种基本单元的概念在西方科学界已经十分流行，道尔顿就是出于这样的考虑而提出原子论的。


位于英国曼彻斯特的道尔顿塑像

1803年，道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。他提出了下述假设：1. 化学元素是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成的；2. 原子是不可改变的；3. 化合物由分子组成，而分子由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子；4. 同一元素的原子均相同，不同元素的原子不同，主要表现为重量的不同；5. 只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合；6. 在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。道尔顿的这种新的原子论很好地解释了当量定律。1808年，道尔顿出版了《化学哲学新体系》，系统地阐述了他的化学原子论。
道尔顿不仅用术语“原子”来表示具有给定化学性质的化学元素的最小粒子，在化学化合时只以整数数目与另一种基本粒子结合，而且还用原子来表示刚性而不可分的终极粒子。道尔顿得到的结论是：化学元素和初始的物理学原子并没有区别。由此，原子论的发展在进入19世纪以后掀开了新的一页，它从哲学的猜想变为科学的推理与实证，从定性的模糊描述进入到定量的精确测量与推算。