「歷史」對「統計」
牛頓的平方反比定律展現了自遠古之前至遙遠未來間月球的運動軌跡。牛頓力學可以描繪出單一物體的運動軌跡，這和歷史學家的記敘文體有相似之處，因此麥克斯韋（James Clerk Maxwell）將這些動力學定律稱為「歷史性定律」。麥克斯韋還宣稱，那些自稱「原子論者」的人並不會採納這些過程，「我們必須拋棄嚴格的歷史方法，在處理大量粒子群體時使用統計方法」。[1]在物理學的任何歷史分支中，自然規律都可以以動力學定律的形式表達出來。在原子統計學中，僅僅通過「大量的分子集合」才能捕捉到恆久不變的反應。麥克斯韋以及同時期的人們認為，為了瞭解經驗總結分析的歷史，最重要的一點就是探尋分子性質的實驗必須遵循統計方法，這是由於「實驗中最小的一部分物質是由千百萬個分子組成的，其中的單個分子永遠不會被我們感知到」。[2]他還總結道：
分子科學告訴我們，除了統計數據，我們所進行的實驗並不能給予我們其他的結果，由這些數據整理而來的定律不可能具有完全的準確性。但是，當我們從對實驗的期待中走出來，將關注點集中到分子本身上，我們將脫離具有變化性和偶然性的世界，進入到一個萬事萬物都是確定的、不可更改的範圍中去。[3]
麥克斯韋自己就曾進行過多次實驗探索，因此他對那些微小領域的實驗探索具有足夠的瞭解。例如，1866年，他和他的夫人建造了一個機械裝置，通過裝置中的磁體作用，可以使密封室內的玻璃盤發生振動。兩人使圓盤受到已知的力的作用，記錄下了其運動狀況，進而斷定氣體的黏滯性是溫度函數。通過統計資料，麥克斯韋推論出，若實驗結果與撞球模型保持一致，那麼以原子為中心，力以距離的5倍遞減。[4]他獲得的原子力場研究結論和他本人以及許多同時代科學家中盛行的見解——原子論具有可選擇性——產生了衝突。無論大家的公開言論為何，在研究工作中他們都用到了原子理論。[5]在離子電導率、化學分析和合成方面，化學家需要原子理論中的化學合成和結構規律來取得研究進步。對於物理學家而言，原子圖像是氣體分子運動理論的基礎，也是光學理論（原子激發並吸收力學以太能波動）的基礎。但是對於所有原子假說方面的成就而言，對顯微鏡下可見的細小實體存在性的捍衛不得不依賴於由宏觀到微觀的論證改變。這一飛躍是巨大的，也是不可避免的。
闡明分子問題的宏觀實驗有多種類型，其中的一個例子是：在19世紀60年代，多位實驗者發現了一個與過往觀察相違背的情況，即特定的物質會使光譜紅端的射線轉向，但在藍端轉向的射線數量相對較少。[6]這一現象在英格蘭導致精密原子模型和以太模型的建立，在德國引發了針對衰減以太振動更加形式化的分析。物理學家還針對光譜這一更加複雜的光學問題尋找著力學解釋。從麥克斯韋的觀點而言，光譜可以理解為分子的以太振動，同鈴聲在空氣中的傳播相比，兩者都會產生特有的振動，只不過前者發射的是光而後者發出的是聲音。[7]雖然很多業內人士並不同意麥克斯韋的理論，但他們也逐漸開始同意光譜線定量關係式的發現將有助於對原子本質的深刻理解。「光譜研究的重要性就在於它指明了分子結構。」[8]一位資深的德國光譜學家這樣認為。
簡而言之，1895年以前，物理學家通過光學、熱力學和化學實驗對中觀物質的性質進行分析以論證原子的結構。從這關鍵性的一年開始，陰極射線、X射線、塞曼效應和放射性實驗這四項微觀物理學實驗為學科帶來了迅猛的改變。放射性實驗將在下一章中進行探討，而其餘三項驚人的新發現均屬於總量效應的範疇。三項重要實驗中，時間最早的是陰極射線的發現實驗。實驗將一個加熱過的帶負電荷的導體（陰極）和一個帶正電荷的導體（陽極）放置於玻璃管中，管內為稀薄氣體。在電極上加上電壓後，管壁出現磷光。人們將這一磷光現象歸因於「射線」的作用，但是物理學家們對其真實本體仍存在著爭論。由於該物體未穿透玻璃壁，並且會因磁力轉向，英國的研究人員認為它是與氣體尺寸相仿的粒子（離子）。鑒於赫茲未能憑借靜電使射線轉向，而且這種射線和紫外線一樣可以在玻璃壁上造成磷光現象，德國科學家將射線歸並為某種形式的紫外線。[9]從歷史和物理學雙重角度，X射線均是由陰極射線發展而來。德國物理學家威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm Conrad Rontgen）重複了之前由菲利普·萊納德進行的實驗，而後成就了第二次「偉大發現」：打開陰極射線管後，螢光紙上顯示出明亮的輝光，即便螢光紙放置在遠離儀器、陰極射線無法到達的地方，仍然會觀察到輝光。倫琴連同伴都沒有告知，獨自秘密地繼續研究這一穿透力較強的未知射線，直到1895年末，他發表了活人手部骨骼的顯影底片，引起了極大關注。[10]另外一項重大實驗是光譜學實驗，在19世紀90年代晚期佔據了物理研究舞台的中心。彼得·塞曼（Pieter Zeeman）是荷蘭萊頓大學一名年輕的物理學實驗家，當他對磁場中的鈉物質進行加熱時，發現火焰發出的黃色光穿透了羅蘭光柵，這說明鈉的譜線出現了分裂。[11]通過這些宏觀物理學現象，全世界的物理學家們能夠明確有力地定義微觀物理實體的本質：電子、離子、原子及各種放射線。
註釋
[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] 關於此實驗參見Everitt，Dictionary of Scientific Biography.s.v.「Maxwell」；Harman，Energy（1982），132-133.
[5] 關於19世紀末原子論，參見Heilbron，「Atomic Structure」（1964），esp.chap.1；Harman，Energy（1982），chap.5.關於佩蘭和布朗運動，參見Nye，Molecular Reality（1972）.
[6] 麥古肯在《光譜學》（Spectroscopy，1969）一書中對從沃拉斯頓的太陽觀測到1897年湯姆森在發現電子的光譜學發展史進行瞭解讀。另可參見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] Rontgen，「Strahlen，」Sitzb.Wurzb.Phys.Ges.（1895）：132-141，（1896）：11-19；Glasser，Rontgen（1934）.輻射理論的現代處理記錄參見Stuewer，Compton Effect（1975），and Wheaton，Tiger（1983）.
[11] McGucken，Spectroscopy（1969），chap.4.