化学传奇之一:发现人类第一个定律的“化学之父”
化学早就已经是人类认识世界改造世界的好助手,也是现代科学的基本学科,不过化学作为一门独立学科产生的要比物理学数学都晚许多。长久以来,化学只是炼金术和医学的附庸,直到一本书的出版才彻底改变了这一切,使得化学成为了一门独立学科。
1661年,《怀疑派化学家》一书出版,就是在这本书中首次提出了化学的定义,这本书认为化学研究的目的在于认识物体的本性,这是第一次提出了化学研究的目的,也是化学的定义,从这个定义可以看出,之前的学科分类中并不包含这门学科。
既然化学是新的一门科学,那么当然就不能再从属于炼金术或医药学的地位,这就是《怀疑派化学家》中阐述的第一个观点。
书中写道:“化学到目前为止,还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是,我们所学的化学,绝不是医学或药学的婢女,也不应甘当工艺和冶金的奴仆,化学本身作为自然科学中的一部分,是探索宇宙奥秘的一个方面。化学,必须是为真理而追求真理的化学”。
由于《怀疑派化学家》的出版,1661年也被人们认为是近代化学的开端。
这本书的作者就是罗伯特.波义耳。
一、 笨小孩
1627年1月25日,一个婴儿在爱尔兰呱呱坠地,这个婴儿就是罗伯特.波义尔。波义耳出生的时代是这是人类从蒙昧走向科学的的年代,是一个伟大的时代,是一个大师辈出的年代,伟大的培根在他出生前一年去世,和波义耳同时代的不但有伽利略开普勒还有笛卡尔,和这些大师们相比,波义耳看起来并不像开创一门科学的天才,他更像一个笨小孩。
小波义耳性格内向,不爱说话,不喜欢任何游戏,唯一的爱好就是坐在角落里安安静静地看书,要是生到现在中国,这绝对是家长们争抢的“别人家孩子”,可是波义耳家族却有点失望,波义耳家族是世袭贵族,后代们都是要出人头地的,这样的孩子确实有点不合时宜,而且小波义耳体弱多病还有点口吃,。
波义耳家族当然不在乎给孩子看病这点小钱,可是对于小波义耳难免有点照顾不周,看病时医生都开错了要,差点要了他的小命,不过好在他是最小的孩子也就这么将就了吧。
虽然小波义耳看起来不太聪明,但还是上了伊顿公学,这可是只有贵族才可以上的高级私立学校呀,在学校里待了三年后,小罗伯特就休学了,真不是成绩不好啊,而是要游历欧洲,这是这次游历改变了他的一生。
在欧洲游历期间,波义耳也是手不释卷,他读到了伽利略的《两种新科学的对话》,大师的著作让波义耳醍醐灌顶,从此后,他视伽利略为偶像。后来他的《怀疑派化学家》基本按照伽利略的《两种新科学的对话》的样子编写,
二、 无形学院
要是一直这么游历下去的话,他可能会成为伽利略的弟子,可是一件突发的事情改变了这一切。
他的父亲在英国资产阶级革命中去世了,没有了家族的支持,波义耳只好结束了游历,回到了英国。
由于偶像伽利略的影响,波义耳打算以科学为业,不过当时科学中心并不再英国,伽利略是意大利人,笛卡尔是法国人,开普勒则是德国人士,伟大的牛顿倒是英国人,不过当时他才出生不久,由于家道中落,波义耳自然不能到其他国家拜师学艺,但是英国人也有自己学习的场所,这就是无形学院。
无形学院是一批英国教授医生和神学家创立的,因为没有固定的地点,就称为无形学院,他们定期探讨科学问题,这个无形学院就是后来的英国皇家学会。1946年,年仅19岁的波义耳就加入了无形学院。
在无形学院期间,波义耳受益匪浅,而且很快称为其中的的佼佼者,无形学院的基础上,1660年,英国成立英国皇家学会,这是世界上第一个科学组织,波义耳就是创始人之一,1680年,波义耳被推选为皇家学会会长,对于波义耳来说,名利都是虚妄的,他以身体不适为理由拒绝就任。
相对于无形学院的探讨,波义耳更加喜欢做实验去发现科学真理,1654年,波义耳建立了自己的实验室。
他发现紫罗兰的花瓣遇到酸性物质会变色,这就是后来的石蕊试纸。他还发现五味子溶液和铁离子溶液混合制造了墨水,对于我们中学常做的一个化学方程,硝酸银和盐酸混合就会产生白色沉淀,这就是氯化银,这就是后来的照相术的先驱。
虽然这些发现现在已经成为了我们的常识,但在当时都是突破性的发现,不过对于波义耳来说也不过都是一些零星发现,还是来看看他的重要发现吧。
三、 人类历史上的第一个定律
当时科学家们都在研究空气,波义耳自然也在这方面造诣颇深。
在排气泵容器中气压计水银柱下降,在真空中虹吸作用失效,空气压力降低时沸点降低,在抽成真空的容器中动物不能维持生命,钟表不能传出嘀嗒声等等。这些都被波义耳的实验证实,这些在今天看来是非常普遍的常识,但在波义耳的时代却很新鲜。
但是这些发现都是一些现象,波义耳要研究的是空气的本性。
法国科学家制造了一个黄铜气缸,中间安装了一个活塞,大力按下活塞后发现活塞并没有弹回来,于是法国科学家得出结论,认为气体不具有弹性。
波义耳觉得这个结论是错误的,他认为是活塞太紧导致了活塞不能弹回来,可是要是活塞松的话就漏气了,这个实验也就没有什么意义了。
既然这样,那就造一个松紧程度合适的活塞吧。可这个说起来容易做起来难呀,可是难不住波义耳。
两个星期后,波义耳拿出了一个“U”形的玻璃管,玻璃管一端封闭一端开口,当着大家的面,波义耳把水银倒进了玻璃管中,这样在玻璃管中就封住了一段空气,这就相当于黄铜气缸了,可是活塞在哪里呢?波义耳解释说这段水银就是活塞,不但不紧而且不会泄露空气,波义耳巧妙地解决了活塞问题,可是还有新的问题。
黄铜活塞可以用手按下去,总不能用手去按水银吧。这还是难不倒波义耳,不就是施加力嘛,是用手按下去是力,重力也是力呀,虽然当时还不清楚力的本质,这得等到牛顿出世之后才知道,不过这并不影响人们懂得这个道理。
波义耳先记下了玻璃管中水银的高度,然后向玻璃管中滴入水银直到滴满玻璃管,这时候在玻璃管中的空气就被压缩了回去,这还证明不了什么,这和黄铜气缸做的实验是一样的,波义耳打开了玻璃管底部的阀门,水银从玻璃管中流了出来,等水银减少到原来刻度时关掉阀门,这个时候玻璃管中的空气就恢复到了原来的长度,这就说明空气是有弹性的。
不过波义耳并没有满足,他增减了滴入水银的数量,他发现空气体积的变化和受到的压力成正比,这就是波义耳定律,15年后马略特又发现了一次,所以又被称为波义耳—马略特定律。
这并不是一个简单的定律,首先这个定律号称人类历史上发现的第一条定律。这也是研究气体的躲不开的定律,从这条定律出发才有了后来等压定律和等体积定律,以及后来的克拉伯龙方程,从这条定律也可以推导出卡诺定理,而卡诺定理就是后来热力学第二定律的雏形。
可以说波义耳定律开创了一门新的科学。
作为化学家,却发现了一个物理定律,听起来很传奇,却还是有点别扭,还是来看看波义耳在化学方面的贡献吧。
四、 反对四元素说
波义耳研究空气可不是为了发现物理定律,他是想揭开空气的秘密,在当时,统治科学界是来自古希腊的四元素说,四元素说认为世界由地火水风四大基本元素组成,所有物质都是四元素的各种组合,这其实和我们中国的五行学说大同小异,看来各大文明之初大家的想法都相差无几,对于文明来说根本就没有高下之分。
波义耳非常不喜欢四元素这种说法。他认为这些所谓的基本元素,未必是真正的元素。因为很多物质并不包含在这些基本元素中,而且也不能用基本元素组合出来,比如黄金,其实所有的金属也都不能由基本元素组合而来,多亏波义耳没有生在中国,要是按照中国古老的五行学说解释的话,金属还真包含在了五行之中,从这方面看,五行学说反倒比四元素说高了一大截。
那么到底是什么是元素呢?波义耳认为:只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。从波义耳的定义来看,他认为的元素就是今天的单质,这虽然和我们今天认为的元素还有些差别,但是已经非常接近了,而且在宏观上的话,元素和单质也并没有什么区别。
波义耳的定义可谓是以子之矛攻子之盾,元素一词本来就含有基本的意思,不过这还不能撼动四元素说的根本,要想证明四元素说不正确还得说四元素不是基本元素。
五、 他的助手叫胡克
少年牛顿初出茅庐就感到了英国皇家学会实验室主任胡克的压力,两人争名逐利纠缠一生,直到胡克去世才最终以牛顿的胜利告终,可以说胡克是牛顿一生遇到的最大的对手。可让牛顿头疼不已的对手面对波义耳确实恭敬有加,因为胡克就是波义耳的助手。
胡克称得上是惊才绝艳,要不也不可能和牛顿做对手,可是他的一切都是在波义耳手下训练出来的。波义耳的名言是“人之所以能效力于世界,莫过于勤在实验上下功夫”,这是他一生遵循的信条,也是化学研究的不二法门。
正是在他的熏陶下,胡克后来才取得了巨大的成就,早在波义耳门下之时,胡克就崭露头角,在波义耳的指导下,胡克改进了抽气机,使之成为当时最先进的抽气机,当时全世界也不过四台。
后来胡克发现胡克定律以及开创显微学,可以说离不开波义耳的影响。
波义耳在化学界的地位就相当于伽利略在物理学上的地位一样,他虽然创建了化学这一学科,但是作为开创者还有很多没有问题没有解决,这就有待于后人了