“历史”对“统计”
牛顿的平方反比定律展现了自远古之前至遥远未来间月球的运动轨迹。牛顿力学可以描绘出单一物体的运动轨迹，这和历史学家的记叙文体有相似之处，因此麦克斯韦（James Clerk Maxwell）将这些动力学定律称为“历史性定律”。麦克斯韦还宣称，那些自称“原子论者”的人并不会采纳这些过程，“我们必须抛弃严格的历史方法，在处理大量粒子群体时使用统计方法”。[1]在物理学的任何历史分支中，自然规律都可以以动力学定律的形式表达出来。在原子统计学中，仅仅通过“大量的分子集合”才能捕捉到恒久不变的反应。麦克斯韦以及同时期的人们认为，为了了解经验总结分析的历史，最重要的一点就是探寻分子性质的实验必须遵循统计方法，这是由于“实验中最小的一部分物质是由千百万个分子组成的，其中的单个分子永远不会被我们感知到”。[2]他还总结道：
分子科学告诉我们，除了统计数据，我们所进行的实验并不能给予我们其他的结果，由这些数据整理而来的定律不可能具有完全的准确性。但是，当我们从对实验的期待中走出来，将关注点集中到分子本身上，我们将脱离具有变化性和偶然性的世界，进入到一个万事万物都是确定的、不可更改的范围中去。[3]
麦克斯韦自己就曾进行过多次实验探索，因此他对那些微小领域的实验探索具有足够的了解。例如，1866年，他和他的夫人建造了一个机械装置，通过装置中的磁体作用，可以使密封室内的玻璃盘发生振动。两人使圆盘受到已知的力的作用，记录下了其运动状况，进而断定气体的黏滞性是温度函数。通过统计资料，麦克斯韦推论出，若实验结果与撞球模型保持一致，那么以原子为中心，力以距离的5倍递减。[4]他获得的原子力场研究结论和他本人以及许多同时代科学家中盛行的见解——原子论具有可选择性——产生了冲突。无论大家的公开言论为何，在研究工作中他们都用到了原子理论。[5]在离子电导率、化学分析和合成方面，化学家需要原子理论中的化学合成和结构规律来取得研究进步。对于物理学家而言，原子图像是气体分子运动理论的基础，也是光学理论（原子激发并吸收力学以太能波动）的基础。但是对于所有原子假说方面的成就而言，对显微镜下可见的细小实体存在性的捍卫不得不依赖于由宏观到微观的论证改变。这一飞跃是巨大的，也是不可避免的。
阐明分子问题的宏观实验有多种类型，其中的一个例子是：在19世纪60年代，多位实验者发现了一个与过往观察相违背的情况，即特定的物质会使光谱红端的射线转向，但在蓝端转向的射线数量相对较少。[6]这一现象在英格兰导致精密原子模型和以太模型的建立，在德国引发了针对衰减以太振动更加形式化的分析。物理学家还针对光谱这一更加复杂的光学问题寻找着力学解释。从麦克斯韦的观点而言，光谱可以理解为分子的以太振动，同铃声在空气中的传播相比，两者都会产生特有的振动，只不过前者发射的是光而后者发出的是声音。[7]虽然很多业内人士并不同意麦克斯韦的理论，但他们也逐渐开始同意光谱线定量关系式的发现将有助于对原子本质的深刻理解。“光谱研究的重要性就在于它指明了分子结构。”[8]一位资深的德国光谱学家这样认为。
简而言之，1895年以前，物理学家通过光学、热力学和化学实验对中观物质的性质进行分析以论证原子的结构。从这关键性的一年开始，阴极射线、X射线、塞曼效应和放射性实验这四项微观物理学实验为学科带来了迅猛的改变。放射性实验将在下一章中进行探讨，而其余三项惊人的新发现均属于总量效应的范畴。三项重要实验中，时间最早的是阴极射线的发现实验。实验将一个加热过的带负电荷的导体（阴极）和一个带正电荷的导体（阳极）放置于玻璃管中，管内为稀薄气体。在电极上加上电压后，管壁出现磷光。人们将这一磷光现象归因于“射线”的作用，但是物理学家们对其真实本体仍存在着争论。由于该物体未穿透玻璃壁，并且会因磁力转向，英国的研究人员认为它是与气体尺寸相仿的粒子（离子）。鉴于赫兹未能凭借静电使射线转向，而且这种射线和紫外线一样可以在玻璃壁上造成磷光现象，德国科学家将射线归并为某种形式的紫外线。[9]从历史和物理学双重角度，X射线均是由阴极射线发展而来。德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）重复了之前由菲利普·莱纳德进行的实验，而后成就了第二次“伟大发现”：打开阴极射线管后，荧光纸上显示出明亮的辉光，即便荧光纸放置在远离仪器、阴极射线无法到达的地方，仍然会观察到辉光。伦琴连同伴都没有告知，独自秘密地继续研究这一穿透力较强的未知射线，直到1895年末，他发表了活人手部骨骼的显影底片，引起了极大关注。[10]另外一项重大实验是光谱学实验，在19世纪90年代晚期占据了物理研究舞台的中心。彼得·塞曼（Pieter Zeeman）是荷兰莱顿大学一名年轻的物理学实验家，当他对磁场中的钠物质进行加热时，发现火焰发出的黄色光穿透了罗兰光栅，这说明钠的谱线出现了分裂。[11]通过这些宏观物理学现象，全世界的物理学家们能够明确有力地定义微观物理实体的本质：电子、离子、原子及各种放射线。
注释
[1] Maxwell，“Molecules，”in Scientific Papers（1890，reprinted 1965），374.
[2] Maxwell，“Molecules，”in Scientific Papers（1890，reprinted 1965），374.
[3] Maxwell，“Molecules，”in Scientific Papers（1890，reprinted 1965），374.
[4] 关于此实验参见Everitt，Dictionary of Scientific Biography.s.v.“Maxwell”；Harman，Energy（1982），132-133.
[5] 关于19世纪末原子论，参见Heilbron，“Atomic Structure”（1964），esp.chap.1；Harman，Energy（1982），chap.5.关于佩兰和布朗运动，参见Nye，Molecular Reality（1972）.
[6] 麦古肯在《光谱学》（Spectroscopy，1969）一书中对从沃拉斯顿的太阳观测到1897年汤姆森在发现电子的光谱学发展史进行了解读。另可参见Heilbron，“Atomic Structure”（1964），21-22。
[7] Maxwell，“Atom，”in Scientific Papers（1890，reprinted 1965），463ff.；Heilbron，“Atomic Structure”（1964），17；Harman，Energy（1982），137-138.
[8] Heinrich Kayser，cited in Heilbron，“Atomic Structure”（1964），18.
[9] Heilbron，“Atomic Structure”（1964），59-68，77-79.
[10] Röntgen，“Strahlen，”Sitzb.Würzb.Phys.Ges.（1895）：132-141，（1896）：11-19；Glasser，Röntgen（1934）.辐射理论的现代处理记录参见Stuewer，Compton Effect（1975），and Wheaton，Tiger（1983）.
[11] McGucken，Spectroscopy（1969），chap.4.