藍色情懷

硬幣和羽毛的實驗

將一支羽毛和一個硬幣同時放手，哪一個會先到達地面？

當然是硬幣。這和空氣阻力有關係。

如果沒有空氣阻力呢？哪一個會先到達地面？

伽利略認為會同時到達。

怎麼證明呢？

十七世紀，波以耳(Robert Boyle)做了一個實驗。他把管子抽真空，去除了空氣阻力的影響，管子裡面放一支羽毛和一個硬幣，實驗結果是同時落下。

把化學確立為科學的波義耳

化學史家都把1661年作為近代化學的開始年代，因為這一年有一本對化學發展產生重大影響的著作出版問世，這本書就是《懷疑派化學家》，它的作者是英國科 學家羅伯特·波義耳。革命導師恩格斯也同意這一觀點,他譽稱「波義耳把化學確立為科學」。波義耳是怎樣一位科學家？在發展化學科學上作出了哪些突出的貢獻 呢？

巨人輩出時代的乎凡經歷
波義耳生活在英國資產階級革命時期，也是近代科學開始出現的時代，這是一個巨人輩出的時代。波義耳在1627年1月25日生於愛爾蘭的利茲莫城。就在他誕 生的前一年，提出「知識就是力量」著名論斷的近代科學思想家弗蘭西斯·培根剛去世。偉大的物理學家牛頓比波義耳小16歲。近代科學偉人，意大利的伽利略、 德國的刻卜勒、法國的笛卡爾都生活在這一時期。

波 義耳出生在一個貴族家庭，家境優裕為他的學習和日後的科學研究提供了較好的物質條件。童年時，他並不顯得特別聰明，他很安靜，說話還有點口吃。沒有哪樣游 戲能使他入迷，但是比起他的兄長們，他卻是最好學的，酷愛讀書，常常書不離手。8歲時，父親將他送到倫敦郊區的伊頓公學，在這所專為貴族子弟辦的寄宿學校 裡，他學習了3年。隨後他和哥哥法蘭克一起在家庭教師陪同下來到當時歐洲的教育中心之一的日內瓦過了2年。在這裡他學習了法語、實用數學和藝術等課程，更 重要的是，瑞士是宗教改革運動中出現的新教的根據地，反映資產階級思想的新教教義熏陶了他。此後波義耳在實際行動中雖然未參與任何一派，但是他在思想上一 直是傾向於革命的。

1641 年，波義耳兄弟又在家庭教師陪同下，遊歷歐洲，年底到達意大利。旅途中即使騎在馬背上，波義耳仍然是手不釋卷。就在意大利，他閱讀了伽利略的名著《關於兩 大世界體系的對話》。這本書給他留下了深刻的印象，20年後他的名著《懷疑派化學家》就是模仿這本書的格式寫的。他對伽利略本人更是推崇備至。 波義耳的哥哥們和他們的父親一樣，在英國的資產階級革命中都是保皇派。1644年，他父親在一次戰役中死去。家庭情況的突變，經濟來源的中斷，使波義耳回 到戰亂的英國。回國後他隨著同情革命的姐姐萊涅拉夫人一起遷居到倫敦。在倫敦他緒識了科學教育家哈特利怕，哈特利泊鼓勵他學習醫學和農業。

義 耳在家裡是14個兄弟姊妹中最小的一個：在他三歲時，母親不幸去世。也許是缺乏母親照料的緣故，他從小體弱多病。有一次患病時，由於醫生開錯了藥而差點喪 生，幸虧他的胃不吸收將藥吐了出來，才未致命。經過這次遭遇，他怕醫生甚於怕病，有了病也不願找醫生。並且開始自修醫學，到處尋找藥方、偏方為自己治病。 哈特利伯的鼓勵使他下決心研究醫學。當時的醫生都是自己配製藥物，所以研究醫學也必須研製藥物和做實驗，這就便波義耳對化學實驗發生了濃厚的興趣。 在研究醫學的過程中，他翻閱了醫藥化學家的許多著作，他很崇拜比他大50歲的比利時醫藥化學家海爾蒙特。海爾蒙特不論白天黑夜，完全投入化學實驗，自稱為 「火術的哲學家」。這就成為波義耳學習的榜樣。波義耳為自己創造了一個實驗室，整日渾身沾滿了煤灰和煙，完全沉浸於實驗之中。波義耳就是這樣開始了自己獻 身於科學的生活，直到1691年底逝世。

英國皇家學會的元老
一批對科學感興趣的人，其中包括教授、醫生、神學家等，從1644年起定期地在某一處聚會，討論一些自然科學問題。他們自稱它為無形學院。1648年因為 倫敦戰局不穩，更因為資產階級革命派的軍隊攻佔了牛津，革命派首領克倫威爾任命無形學院的成員維爾金斯擔任牛津瓦當學院的院長，無形學院的部分成員也紛紛 遷往牛津，活動的中心從倫敦轉移到牛津。1660年，因政局趨於穩定，活動中心又轉回到倫敦。隨著無形學院的隊伍擴大，在1660年的一次集會上，宣佈正 式成立一個促進物理——數學實驗知識的學院。不久經國王批准，這學院變成以促進自然科學知識為宗旨的皇家學會。皇家學會根據培根的思想，十分強調科學在工 藝和技術上的應用，建立起新的自然哲學，成為著名的學術團體。

波 義耳1646年在倫敦就參加了無形學院的活動。後來由於厭倦首都上層社會生活中的空虛，更重要的是想集中精力做一些科學實驗，於是遷往他父親一所偏遠的莊 園，在那裡讀書、進行科學實驗，一住就是8年。莊園的生活雖然安靜，但是對於波義耳的科學活動畢竟有很多不便之處，特別是他很想念那些無形學院的朋友們。 1654年，他遷往牛津，寄宿在牛津大學附近一個藥劑師家裡。以後他又建立了自己設備齊全的實驗室，並為自己聘用了一些助手，有些助手還是些很有才華的學 者。例如羅伯特·虎克後來也戌為一個著名的科學家，他發現了形變同應力成正比的固體彈性定律，製成了顯微鏡，觀察到植物細胞。這些助手在波義耳領導下進行 觀察和實驗，並幫助波義耳收集整理科學資料和來往信件。這樣就在波義耳的周圍形成了一個科學實驗小組，波義耳的實驗室也一度成為無形學院的集會活動場所。 波義耳的一系列科研成果都是在這裡取得的，那本劃時代的名著《懷疑派化學家》也是在這裡完成的。據統計，在1660一1666年的6年裡，他寫了10本 書，在《皇家學會學報》上發表了20篇論文。在牛津，波義耳一直是無形學院的核心人物，正式成立一個促進實驗科學的學術團體也是波義耳的主張。不過當皇家 學會在倫敦成立時，波義耳身在牛津，所以沒有成為該學會的第一批正式會員，但是大家都公認波義耳是皇家學會的發起人之一，固而被任命為首屬幹事之一。

1668 年，波義耳得知他姐夫去世的消息後，決定從牛津遷往倫敦，和他親愛的姐姐萊涅拉夫人住在一起。到倫敦後，他又在他姐姐家的後院建造了一所實驗室，繼續進行 他的研究工作。對於社交活動，他看得很淡漠，甚至有點厭惡。但是他卻把自己的科學活動與皇家學會密切地聯繫起來，因而在皇家學會贏得很高的聲譽，是科學界 公認的領袖。1670年他園勞累而中鳳，經過很長時間的治療才痊癒。因此1680年波義耳被選為皇家學會會長時，他因為體弱多病又討厭宣誓儀式而拒絕就 任。

傑出的成就，不朽的貢獻
波義耳在科學研究上的興趣是多方面的。他曾研究過氣體物理學、氣象、熱學、光學、電和磁、無機化學、分析化學、化學、工藝、物質結構理論以及哲學、神學。其中成就突出的主要是化學。

當 時的許多科學家一樣，波義耳首先研究的對像是空氣。通過對空氣物理性質的研究，特別是真空實驗，他認識到真空所 產生的吸力乃是空氣的壓力。他做了一系列實驗來考察空氣的壓力和體積的關係，並推導出空氣的壓力和它所佔體積之間的數學關係。在他的著作《關於空氣彈性及 其物理力學的新實驗》中，他明確地提出：「空氣的彈性和它的體積成反比」。法國物理學家馬略特在此後15年也根據實驗獨立地提出這一發現。所以後人把關於 氣體體積隨壓強而改變的這一規律稱作波義耳一馬略特定律。這一定律用當今較精確的科學語言應表達為；一定質量的氣體在溫度不變時，它的壓強和體積成反比。

在 化學實驗中，波義耳讀了不少前人的有關著作，也瞭解到當時的一些科研成果。這不僅開闊了他的眼界，豐富了他的思想，同時也為他整個實驗的安排提供了指導。 當時德國有位工業化學家格勞伯，大半生從事化學實驗，對金屬冶煉、酸鹼鹽的制取有較多的研究，對於振興德國的工業做出了重大貢獻，格勞伯的事蹟以及他的關 於化學實驗的著作《新的哲學熔爐》給了波義耳一個重要的啟示，使他認識到化學在工業生產中所具有的廣泛意義，化學不應只限於製造醫藥，而是對於整個工業和 科學都有著重要作用的科學。為此，他認為有必要重新來認識化學，首先要討論的是什麼是化學。 波義耳根據自己的實踐和對眾多資料的研究，主張化學研究的目的在於認識物體的本性，因而需要進行專門的實驗）收集觀察到的事實。這樣就必須使化學擺脫從屬 於煉金術或醫藥學的地位，發展成為一門專為探索自然界本質的獨立科學。這就是波義耳在《懷疑派化學家》中所闡述的第一個觀點。為了引起人們的重視，他在書 中進一步強調指出：「化學到目前為止，還是認為只在製造醫藥和工業品方面具有價值。但是，我們所學的化學，絕不是醫學或藥學的婢女，也不應甘當工藝和冶金 的奴僕，化學本身作為自然科學中的一個獨立部分，是探索宇宙奧秘的一個方面。化學，必須是為真理而追求真理的化學」 為了確定科學的化學，波義耳考慮到首先要解決化學中一個最基本的概念：元素。最早提出元素這一概念的是古希臘一位著名的唯心主義哲學家柏拉圖，他用元素來 表示當時認為是萬物之源的四種基本要素：火、水、氣、土，柏拉圖的學生亞里士多德則進一步明確提出構成萬物的四元素說。這一學說曾在兩千年裡被許多人視為 真理。後來醫藥化學家們提出的硫、汞、鹽的三要素理論也風靡一時。波義耳通過一系列實驗，對這些傳統的元素觀產生了懷疑。他指出：這些傳統的元素，實際未 必就是真正的元素。固為許多物質，比如黃金就不含這些「元素」，也不能從黃金中分解出硫、汞、鹽等任何一種元素。恰恰相反，這些元素中的鹽卻可被分解。那 麼，什麼是元素? 波義耳認為：只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素。例如黃金，雖然可以同其它金屬一起製成合金，或溶解於王水之中而隱蔽起來，但是仍可設法恢 復其原形，重新得到黃金。水銀也是如此。

至 於自然界元素的數目，波義耳認為：作為萬物之源的元素，將不會是亞里士多德的「四種」也不會是醫藥化學家所說的三種，而一定會有許多種。現在看來，波義耳 的元素概念實質上與單質的概念差不多，元素的定義應是具有相同核電荷數的同一類原子的總稱。現在這種科學認識是波義耳之後，又經3百多年的發展，直到20 世紀初才清楚的。波義耳當時能批判四元素說和三要素說而提出科學的元素概念已很不簡單，是認識上一個了不起的突破，使化學第一次明確了自己的研究對象。在 《懷疑派化學家》一書中，在明確地闡述上述兩個觀點的同時，波義耳還強調了實驗方法和對自然界的觀察是科學思維的基礎，提出了化學發展的科學途徑。波義耳 深刻地領會了培根重視科學實驗的思想，他反覆強調：「化學，為了完成其光榮而又莊嚴的使命，必須拋棄古代傳統的思辨方法，而像物理學那樣，立足於嚴密的實 驗基礎之上。」波義耳正是這樣身體力行的。波義耳把這些新觀點新思想帶進化學，解決了當時化學在理論上所面臨的一系列問題，為化學的健康發展掃平了道路。 如果 把伽利略的《對話》作為經典物理學的開始，那麼波義耳的《懷疑派 化學家》可以作為近代化學的開始。

實驗和觀察是一切的基礎
在波義耳眾多的科研成果中，還有幾項不能磨滅的化學成就。波義耳常說，「要想做好實驗，就要敏於觀察。」這幾項成就都是實驗中敏銳觀察的結果。

在 一次緊張的實驗中，放在實驗室內的紫羅蘭，被濺上了濃鹽酸，愛花的波義耳急忙把冒煙的紫羅蘭用水沖洗了一下，然後插在花瓶中。過了一會波義耳發現深紫色的 紫羅蘭變成了紅色的。這一奇怪的現象促使他進行了許多花木與酸鹼相互作用的實驗。由此他發現了大部分花草受酸或鹼作用都能改變顏色，其中以石蕊地衣中提取 的紫色浸液最明顯，它遇酸變成紅色，遇鹼變變成藍色。利用這一特點，波義耳用石蕊浸液把紙浸透，然後烤乾，這就製成了實驗中常用的酸鹼試紙——石蕊試紙。 也是在這一類實驗中，波義耳發現五信子水浸液和鐵鹽在一起，會生成一種不生沉澱的黑色溶液。這種黑色溶液久不變色，於是他發明了一種制取黑墨水的方法，這 種墨水幾乎用了一個世紀。 在實驗中，波義耳發現，從硝酸銀中沉澱出來的白色物質，「如果暴露在空氣中，就會變成黑色。這一發現，為後來人們把硝酸銀、氯化銀、溴化銀用於照像術上， 做了先導性工作。

晚 年的波義耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果，他根據「磷的重要成分，乃是人身上的某種東西」的觀點，頑強努力地鑽研，終於從動物尿中提取了 磷。經進一步研究後，他指出：磷只在空氣存在時才發光；磷在空氣中燃燒形成白煙，這種自煙很快和水發生作用，形成的溶液呈酸性，這就是磷酸，把磷與強鹼一 起加熱，會得到某種氣體（磷化氫），這種氣體與空氣接觸就燃燒起來，並形成縷縷自煙。這是當時關於磷元素性質的最早介紹。 波義耳所以取得這麼大的成就，正如他所說：「人之所以能效力於世界，莫過於勤在實驗上下功夫。」

波義耳研究化學的科學方法

波義耳

羅 伯特·波義耳（Boyle,R.1672-1691）出身於愛爾蘭的貴族 ，家境富裕。自幼受過良好的教育，8歲入伊頓學校，11歲能操法語和拉丁語，12歲去法國、瑞典、意大利旅遊和學習。４年後回到英國住多爾塞特，博覽了科 學、哲學和神學等方面的書籍。波義耳27歲遷居牛津，同胡克等許多科學家進行每週一次的學術交流，自稱他們的聚會是「無形大學」，後來這個組織發展為世界 第一個學會組織──英國皇家學會。1663年該學會受英王查爾斯第二之特許，設會所於倫敦。
    波義耳崇信弗·培根的唯物主義哲學和實驗方法論。在17世紀初期，弗·培根一方面提倡科學，宣傳功利主 義的科學觀。他的科學思想在英國的傳播對皇家學會的建立起了極其關鍵的作用。另一方面，培根幾乎傾全力研究實驗方法論。為新興的近代科學提供新工具。對歐 洲尤其是英國的近代科學的先驅者牛頓、胡克、波義耳等產生了重大的影響，波義耳在培根思想的影響下，在青年時就建立了自己的實驗室。
    波義耳在化學科學方面的重大貢獻是多方面的，下面僅介紹幾條極其重要的。
    一、正確地指出了研究化學的目的
    17世紀以前的化學知識，一部分是煉金術的內容，目的在於變賤金屬為黃金或白銀；一部分是醫藥學的內 容，目的在於發展醫藥，治病救人；一部分是化工生產的內容，目的在於增加產品的種類和提高產品的質量。化學研究沒有獨立性，主要由於沒有明確的、正確的研 究目的，而是其它部分的附屬物。關於研究化學的目的問題，波義耳提出了與以前的煉金術家、醫藥學家和化工生產者有本質不同的見解。他認為研究化學的目的不 是醉心於煉金術和醫藥，而是在於認識物質的本性。為此就需要進行專門的實驗，收集所觀察到的事實，使化學從煉金術和醫藥學中解放出來，發展成為一門專為探 索自然界本質的科學。他說：「化學，到目前為止，還是認為只在製造醫藥和工業品方面具有價值。但是我們所說的化學，絕不是醫學或藥學的婢女，也不是甘當工 藝和冶金的奴僕。化學本身作為自然科學中的一個獨立部分，是探索宇宙奧秘的一個方面。化學，必須是為真理而追求真理的化學。」波義耳的自然觀促使人們逐漸 認識到，化學是具有自然特性的一門需要積極發展的科學。由於研究化學有了明確的研究目的、範疇和方向，使化學研究徹底地從煉金術、醫藥學、化工生產中解放 出來，大大地推動了化學科學的發展。所以恩格斯高度評價說：「波義耳把化學確立為科學。」直到現在，波義耳所確定的化學研究的目的，對化學的研究和發展仍 然具有指導意義。
    二、第一個科學的元素定義
    自文藝復光以後，歐洲出現了資本主義文化思想的萌芽，人文主義逐漸發展起來，提倡以人為本位的個性解 放，反對以神為本位的宗教思想。同時科學家又提出了許多封建力量相對抗的觀點，衝擊著各種是的自然觀。到了17世紀，由於資產階級的興起，在歐洲資本主義 生產關係逐漸產生，資產階級民主革命先後在英、法、德、美等國取得勝利，推動了生產力的迅速發展，使工業和科學有廣闊的發展前景，大大擴展了人們的思想眼 界，促進了人們對自然認識的飛躍。首先在天文學中，隨後在力學、光學和生理學中提出了一系列的新學說。這些科學的研究對象從可觀察的、可測量的宏觀物體和 現象，進入到微觀領域的研究。在化學中積累了許多知識需要整理，對化學反應過程需要解釋。在這個時期波義耳在構成物質本源的研究提出科學的見解。
    17世紀以前在物質構成的認識問題上，希臘哲學家亞里士多德提出的「土、水、氣、火四元素學說」和醫藥 學家提出的「汞、硫、鹽三元素學說」一直在起作用，影響著化學的發展，甚至笛卡兒也相信不疑。但是年輕的波義耳對這個問題十分惑疑，難道亞里士多德和醫藥 學家的見解真正是正確的嗎？一切物體都僅僅是由這幾種元素構成的嗎？如果是這樣的話，煉金術為什麼不能找到點金石？這個問題應該通過實驗來解決。
    波義耳用實驗證明，黃金不怕火燒，不會被火分解，更不會在火的作用下生成鹽、硫或汞；但它可以跟其它金 屬融在一起變成合金，還可以熔解在王水裡，而且所得到的產物經過適當處理黃金又可以恢復原性重現出來。他實驗得出把砂子和灰鹼兩種東西混合在一起，經過加 熱可以熔化成透明的玻璃；生成的玻璃再也不會分解成土、水等東西。把灰鹼和油脂燒煮會變成肥皂，但將肥皂加熱所得到的產物卻是跟鹼和油脂完全不同的渣塊。 榨壓葡萄得到的果汁，經過發酵可以變成酒精，果汁和酒精也都不會變成鹽或硫。波義耳還指出，不少的化學變化都可以說明，同一物質經過不同處理可以轉變成其 它各種東西。這說明物質的組成和性質是複雜的，即不是亞里士多德所說的四元素，也不是醫藥學家所說的三元素。他還研究了在冶金和金屬加工業中，金屬鍛燒以 後所得的灰渣比金屬還重的現象，決不是金屬分解以後留下的元素，而得到的是比金屬本身更複雜的物質。波義耳通過許多事實的論證後，給元素下了一個比較科學 的定義：「我指的元素應當是某些不同任何其他物質所構成的原始的和簡單的物質或完全純淨的物質」，「是具有一定確定的、實在的、可覺察到的實物，他們應是 同一般化學方法不能再分解為更簡單的某些實物。」這是世界上第一個科學的元素定義。由於波義耳給化學元素提出了科學的定義，為人類研究物質的組成指明了方 向。雖然波義耳提出了科學的元素概念，由於時代的局限性，他並沒有明確指出那些物質是真正的元素，而且仍然把火、水、氣等當作元素。
   三、發展了古代的微粒說
   古希臘唯物主義哲學家德謨克利特認為物質是由微粒構成的。到１７世紀這個觀點重新復活起來，並獲得了發展，牛頓、胡 克、波義耳都是堅持微粒說的代表人物。關於光線通過棱鏡而折射的問題，他們都以微粒作解釋，可以微粒只是一種推想的東西實際上誰也沒有看過。化學家為瞭解 釋化學反應過程，也求助於微粒的運動和變化。雖然波義耳深信微粒說，但把它應用於化學卻出現了問題。化學物質的性質是多種多樣的，反應過程是複雜的，只是 用微粒及其運動是難以解釋的。他說：「我建議的關於特殊本源的微粒說，其重大困難就在於自然物體實際見到這種繁多的特性會起源於這樣少的兩種因素，而且簡 單到只是物質和位移運動，這是不能令人置信的。」他根據鹽能溶於水而不能溶於油或汞，但黃金能溶於汞而不能溶於水和油，硫能溶於油而不能溶於水或汞等現 象，認為應該在微粒說上面添加一些別的東西以補充其內容。他設想物質的基本微粒有各種不同形態和大小，並以不同的方式運動，或者相互固定在各種不同的次序 和排列上，並在它們的細孔裡保持著某些流出物或發散物。如同各個字母一樣，可以有各種不同的方式組合起來，每個組合體代表一個化學物質。這就是他給微粒說 添加的所謂「物體中的變異原理」。波義耳的變異原理，豐富了古希臘以來關於微粒說的內容，發展了哲學家的微粒說。當然波義耳在化學方面的貢獻遠遠不只這一 些，這裡僅論其重要者，如對酸鹼指示劑等化學物質的研究，將在以後有關章節中介紹。
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