物理学家的原子
早在17世纪，原子思想就已融入部分物理学家的思想中。伟大的物理学家牛顿是原子学说的拥护者。在《光学》中他阐述了他的原子思想：“在我看来，上帝在最初造物时，可能使用的是固态的、有质量的、坚硬的、不可穿透的和可动的微粒；这些微粒的大小、形状、所拥有的其他性质、在空间中的比例等等，都最适合于他造物的目的；这些固态的初始粒子无比地坚硬于由它们构成的多孔的物体，坚硬到绝不会磨损，不会破碎成小块；任何普通的力量都不可能把上帝在第一次创造时的初始粒子破开。”
18世纪，物理学家罗杰?约瑟夫?博斯科维奇在牛顿力学的框架中，以没有大小、只有力学作用的原子模型来说明已知的物理现象。丹尼尔?伯努利则在1738年首先于现在意义上提出了物质的原子结构的思想，并从分子运动推导出压强公式，由此揭开分子运动论的序幕。不过，直到19世纪，气体分子运动论才获得真正发展。在这一世纪，伟大的物理学家麦克斯韦与玻尔兹曼采用当时的原子模型，把气体看作由原子组成的分子的集合来处理，说明了气体的温度、压力等构成气体的分子的一般表现，并由此创建了“统计力学”的分支。
这样，到19世纪中叶后，由于假设物质由原子和分子组成揭示了物理和化学现象间的许多关系，解释了许多问题，因而日益增多的物理学家和化学家接受了原子假说。然而，原子真的存在吗？
“我不相信原子的存在”
围绕原子是否存在的问题，几位重量级科学家在19世纪末展开了一场激烈的争论。以统计力学研究而在物理学巨人中赢得一席之地的玻尔兹曼（1844－1906年）是原子存在的笃信者，站在他对立面的则是一大批著名的科学人士。
1895年9月17日，在吕贝克科学会议上，双方就原子的实在性问题展开了激烈的正面交锋。著名化学家奥斯特瓦尔德在会议上发表了题为《克服科学的唯物论》的讲演，玻尔兹曼当场对其观点进行了反驳。会后，以玻尔兹曼为一方，以奥斯特瓦尔德为另一方，许多科学家都卷入到这场大论战之中。这场论战持续时间之久（十余年），参与人数之多，争论之激烈在科学史上都是赫赫有名的。
奥斯特瓦尔德早先曾接受原子论，后来却转而致力于能量学研究和发展唯能论。在新的观点中，他认为能量是唯一真实的实在，物质不是能量的负荷者，恰恰相反，它只不过是在同一地点同时找到的能量的复合。他坚持认为，能量学原理与分子运动论相比，能为化学和科学提供一个更为坚实、更为明确的基础。进而他宣称，物质概念是多余的，现象能够用能量及其转化来满意地加以解释。作为唯能论者，他试图仅仅借助于纯粹能量概念去理解所有的物理过程。对此，玻尔兹曼反驳说，用能量概念构造力学，并进而构造自然科学体系的做法孕育着许多困难。在玻尔兹曼看来，原子论才是所有力学现象的完全合适的图像，众多的物理现象都适用于这一框架。而从“运动的能量是第一位的而运动物体则是派生的”这一假设出发，去构造整个力学，是难以想象的，因而把能量学作为物理科学中不可解决的问题的灵药是行不通。
玻尔兹曼
玻尔兹曼面对的另一个对手是在当时科学界具有巨大影响的马赫。马赫最初也接受原子论，但不久后他的观点发生了重大改变。他开始坚持原子（和分子）仅是“思想之物”，是一种智力工具，而不是现象背后的实在。在他看来，把原子论当作一种启发性假设是有价值的，但启发性假设仅仅是一种工具，一种手段，他坚决反对把原子看作本体论意义上的实在。马赫问道，原子是有色的、发热的、发声的、坚硬的？事实是，我们无论如何也没有感觉到原子。
1897年，玻尔兹曼接连发表两篇文章“论原子论在科学中的不可缺少性”和“再论原子论”，驳斥马赫对原子理论的反对，为原子的真实存在而辩护。然而，争论中，马赫只是简洁地说：“我不相信原子的存在。”玻尔兹曼对反原子论的巨浪感到泄气。在他的名著《气体理论讲义》第二编的前言中他沮丧地承认：“我意识到在反对时代潮流中，我是孤军奋战，势单力薄。”
现在我们都清楚地知道，怀疑原子的真实性是错误的。但那时反对原子论并不是没有缘由的，这是由19世纪后期的科学和哲学的状况决定的。
19世纪末，经典热力学已经形成了比较完备的理论体系，能够用于物理学和化学的广阔领域。在热力学中，只要从整体上把握给定系统的参量就可以了，没有必要把它们还原为原子、分子的力学运动。简言之，放弃原子、分子概念，仍然能建立起包括热力学在内的物理学、化学理论体系。然而，如果接受原子概念尽管能取得一些理论成果，但却存在许多困难，比如会导致热现象的不可逆性与单个粒子运动的可逆性的尖锐矛盾。对这一矛盾，玻尔兹曼虽然已经给出了一种解释，但在当时未能当到普遍认同。
另一方面，当时实证主义思潮流行，不少科学家反对把所谓的形而上学的假设引入物理学，于是，原子、分子因被视为多余的假设而成为拒斥的对象。
事实上，19世纪的原子论还属于一种带有强烈哲学色彩的科学理论。它虽然不再是抽象的哲学理论，但也不完全是纯粹的物理学和化学理论。因而，在没有原子或分子存在的确凿证据之前，大多数科学家怀疑原子和分子的物理实在，而仅仅把原子论作为没有实验证据的工作假设和智力技巧是无足为怪的。我们或许还有必要指出，在实验证据出现之前，奥斯特瓦尔德等对原子论的反对是完全正当的，无论对他还是对科学而言都不是一种过失。因为在任何情况下，科学都必须同批判和合理性的要求密切相关。对原子的信仰者而言，彻底解决争论的办法就是找到原子真实存在的实验证据。
看见了原子
一项最终有力证明原子存在的证据意外地与一位苏格兰植物学家联在一起。罗伯特?布朗1827年夏天对各种植物的花粉颗粒浸在水中时的运动做了研究。1828年，他写了一本小册子，描述了自己对此的考察。于是，这种浸泡在水中花粉粒子的奇异的、不规则的运动后来被称为“布朗运动”。
布朗运动
意大利物理学家乔万尼?康托尼于1868年写了一篇文章，宣称布朗运动是“热的力学理论的基本原理的美妙而直接的证明”，即可通过假定物体在水中受到来自各个方向的运动水分子的撞击来说明布朗运动。但这种定性解释受到一些物理学家的反驳，未受到普遍认可。1905年爱因斯坦在其“奇迹年”中完成了一篇关于布朗运动的论文，在这篇论文中爱因斯坦对支配布朗运动的定律做了推导，首先将布朗运动的研究量化。1908年，法国物理学家佩兰做了验证实验。这一出色实验使分子实在性的证据变得明显了。
对布朗运动的说明成为分子运动论的伟大成功，它不但说服了奥斯特瓦耳德，而且使绝大多数科学家都皈依了原子论。
奥斯特瓦尔德在1908年9月的《普通化学概论》第四版的序言中公开承认：“我现在确信，我们最近已经具有物质分立性或颗粒性的实验证据了，这是千百年来原子假设徒劳地寻求的证据。一方面，分离和计数气体离子，J?J?汤姆逊长期而杰出的研究已获成功；另一方面，布朗运动与运动论的要求相一致，已由许多研究者并且最终由佩兰建立起来；这一切使最审慎的科学家现在也理直气壮地谈论物质的原子本性的实验证据了。原子假设于是已被提升到有充分科学根据的理论的地位……”。奥斯特瓦尔德还对自己的对手给予了赞扬：“这个人（玻尔兹曼）在智力上，在他的科学的明晰性上都超过我们大家。”在“斗牛士”（奥斯特瓦尔德）和“公牛”（玻尔兹曼）的搏斗中，“公牛”终于大获全胜。唯一遗憾的是，胜利的一方已经无法享受胜利的喜悦了。1906年，在决定性战役仍在进行时，玻尔兹曼以自杀的方式结束了自己的一生。
另一位伟大科学家彭加勒也由对原子的怀疑转为支持。在1912年4月11日法国物理学会所作的讲演中，他说：“原子的力学假设和原子理论近来已认为具有充分的可靠性，它们不再作为假设出现在我们面前了，原子不再是一种方便的虚构了；似乎可以说，我们能够看到原子，因为我们知道如何去计算原子。……佩兰先生出色地测定了计算出来的原子的数目，使原子论大获全胜。使它变得更为可信的是通过完全不同的方法所得到的结果之间的多方面的一致。……化学家的原子现在是一种实在了；……”
然而，皈依者的名单中却独没有马赫。当人们试图说服他时，他总是回答：“你看到了原子吗？”1916年，他去世后，他儿子说他父亲曾对他讲过，“我不认为牛顿原理是完备的和完美的；可是在我的晚年，我不能接受相对论，正如我不能接受原子的存在和其他这样的教条一样。”直到去世，马赫都否认原子的存在。
IBM的实验室用铁原子拼出的汉字“原子”
在马赫去世后的岁月中，人们获得了“真正存在不连续的微粒”的更多实验证据：用眼睛，人们可以在威尔逊云室和在照相感光乳剂中看到记录下来的单个基本粒子的轨迹；用耳朵，人们可以通过听盖革计数器中的“咔哒”声，对进入仪器的基本粒子计数。更为神奇的是1982年宾宁和罗雷尔在IBM公司苏黎士实验室发明的一项非凡表面成像技术：扫描隧道显微镜（STM）。通过这一技术，人们可以获得漂亮清晰的原子图像，从而第一次看到了原子！在道尔顿之后，经过180年的理论与实验，原子论终于在硅原子表面那些引人入胜的图像中最后宣告胜利了。如果马赫有机会见证这一时刻，他或许会优雅地说：通过我的眼睛，我相信了原子的真实存在。
不过，一个领域要取得进展并不必等到完全了解了它的本质后才能取得，科学的进程往往是在交错中行进的。在真的看到原子之前很久，原子的研究已经大大推进了。
