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1808년 영국의 돌턴은 <화학의 신체계> 라는 책을 통해 처음으로 원자라는 개념을 제안했다. 원자란 물체를 계속해서 쪼개면 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알맹이인 원자가 남는다는 이론이였다. 하지만 발표 당시에는 원자의 실제 존재여부에 대해 확인할 방법이 없어 논란이 생겼다.

수소와 산소가 결합하여 물이 된다는 것은 실험을 통해 확인할 수 있지만, 물을 만들기 위한 수소 원자의 개수와 산소 원자의 개수를 정확히 알 수 없었다. 이에 화학반응을 구성하는 원자들의 갯수를 셀 수 있는 방법이 나오지 않는 이상 분자의 조성식을 알아내는 것은 불가능한 것으로 여겨졌다. 

1811년 아보가드로는 동일한 온도와 압력에서 같은 부피 속에는 원자나 분자의 크기와 무관하게 같은 수의 알갱이가 들어있다는 아보가드로의 가설을 제안했다. 이는 화학반응에 적용되는 원자의 수를 세는 방법에 대한 최초의 제안이였다. 아보가드로의 가설이 진실이라면 부피의 비율이 원자 갯수의 비율이 되어 화학반응에 적용되는 원자 수의 비율을 알 수 있고 이를 기초로 분자 조성의 정확한 내용을 확인할 수 있게 되는 것이였다.

아보가드로 가설의 이해를 위해서는 먼저 기체의 부피는 기체 분자나 원자가 실제로 차지하고 있는 부피가 아니라 그것이 활동하는 영역이라는 개념의 전환이 필요하다. 온도는 기체 분자나 원자가 개별로 가지고 있는 에너지의 크기를 나타낸다. 따라서 같은 온도에서는 모든 원자나 분자가 동일한 에너지를 보유하게 되고, 벽에 부딪혔을 때 벽에 작용하는 평균 힘이 같다고 할 수 있다. 그러므로 같은 온도에서 같은 압력이 작용하기 위해서는 동일한 부피 속에는 같은 수의 알갱이가 들어 있어야 한다. 즉 같은 온도, 같은 압력, 같은 부피 속에는 같은 수의 알갱이가 들어있는 것이다.

이탈리아의 칸니차로는 이러한 아보가드로의 가설을 당시 화학자들에게 이해시켜, 원자와 분자의 존재를 인정하고 이를 바탕으로 화학계를 발전시키는데 중요한 역할을 하였다.

하지만 20세기가 되어서도 원자의 존재를 인정할 수 없다고 거부하는 물리학자들이 많았다. 그들은 원자의 존재를 가정하지 않고서도 많은 물리학적 법칙을 정상적으로 성립시킬 수 있다고 주장했다.

오스트리아 빈 대학의 교수였던 마하 역시 그런 과학자들 중 한 명이였다. 마하는 음향학, 전기학, 유체역학, 역학, 광학 그리고 열역학 등의 분야에서 중요한 공헌을 했으며, 초음파 원리에 대한 기초를 만들기도 했다. 특히 마하는 소리의 속도보다 더 빠른 속도로 달리는 물체는 소닉붐이라는 효과를 낸다는 것을 밝혀낸 사람이기도 하다. 마하는 극단적인 실증주의 지지자였다. 

그는 자연과학에서 인간의 감각기관을 통해 인지할 수 없는 요소들은 모드 배제하려 했고, 경험적으로 입증할 수 없는 개념과 이론들에 대해 적극적으로 반대했다. 마하는 과학은 관측된 현상을 기본으로 일반화하는 귀납적 논리의 바탕에서만 과학이 성립할 수 있다고 생각했다. 이에 마하는 육안으로 볼 수 없는 원자론에 대해 강력하게 반대했다. 

이러한 마하의 원자론 부정에 대해 정면으로 반박한 사람이 바로 볼츠만이다. 볼츠만은 물리학 분야에 확률 개념을 도입한 과학자로 평가받는 인물이다. 볼츠만은 통계적 방법을 통해 확률적으로 해석할 때 고립된 물리계가 시간이 흘러감에 따라 항상 최대의 엔트로피 상태를 향해 변화한다는 열역학 제 2법칙이 성립함을 증명하였다.

마하와 볼츠만은 원자가 물리적 실체인지 아니면 과학자들의 머릿속에서 나온 가상적인 사고의 산물인지를 두고 논쟁을 벌였다. 마하는 적극적으로 원자론에 대해 반발하였지만, 볼츠만은 수세적으로 이에 대응했고 결국 마하와의 수년 동안에 걸친 논쟁으로 볼츠만이 우울증에 걸리게 되었다고도 알려져있다.

결국 1906년 볼츠만은 극단적인 선택으로 생을 마감하게 된다.

1905년 당시 스위스 특허사무소 서기였던 아인슈타인은 학술지 <물리학 연보>에 브라운 운동에 관한 논문을 발표하면서 원자와 분자의 존재를 증명하게 된다.

브라운은동은 액체 위에 떠있는 미세한 입자들의 무작위한 운동을 의미하는데, 아인슈타인은 이를 설명하기 위해 원자와 분자의 존재를 바탕으로 정교한 이론을 전개하였고, 실험을 통해서도 이를 확인하였다.