化学传奇之一:开天辟地波义耳
诺贝尔科学奖分为物理学、化学还有生理学及医学奖,至于经济学奖,严格来说不是诺贝尔奖,首先不是诺贝尔奖委员会颁发的,另外奖金也不由诺贝尔的遗产发放。
这是诺贝尔先生的遗愿,也是当时人们对自然科学的看法,不过物理学和医学都是古已有之的学科,亚里士多德就是命名物理学的哲学家,而医学从人类诞生的那一天起就一直伴随着人类,而化学却是个小字辈,一直从属于炼金术和医药学,一直到1661年才出现。
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,也正是因为这本书,波义耳被称为“化学之父”。
说起化学,大家都一定会知道判断物质酸碱性的石蕊试纸,这就是波义耳从紫罗兰花瓣中提取的,波义耳还是照相业的先驱,我们熟知的在硝酸银中加入盐酸会出现白色沉淀,这个反应也是波义耳发现的,这白色沉淀就是氯化银,就是胶片的显影剂。波义耳还发明过墨水,就是在五味子溶液中加入铁离子,这个墨水配方用了100多年。
觉得不怎么高大上,是吗?那就来点高大上的,波义耳还从尿液中提取出来了磷,发现一种化学元素足以名垂青史了,不过要想成为开宗立派成为化学之父还是不够。
波义耳最出名的贡献是波义耳定律。
波义耳定律就是在相同温度下,气体的体积和压力成反比,就是PV=常数,这个定律非同小可,号称是人类历史上发现的第一个定律。
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。
波义耳定律号称人类历史上发现的第一条定律。
可是这个定律为什么号称人类历史上发现的第一条定律呢?它的发现确实比牛顿力学定律早,可是很早以前就有了阿基米德的浮力定律了,就在不久之前还有“天空立法者”开普勒的行星运动三大定律,那凭什么波义耳定律号称第一呢?
首先所谓的浮力定律并不是定律,而应该叫做浮力原理,原理是指:在大量观察、实践基础上,经过归纳总结得出的规律,而定律是描述的是宇宙的本质,不管是在天涯海角还是宇宙尽头都是完全使用的。
原理和定律的区别就是原理是观察到的,这样看来,之前所有的发现都可以归结为原理,那么开普勒行星运动规律呢?这只适用于我们的太阳系,而牛顿的万有引力定律才可以适用于全宇宙,而波义耳的定律只要有气体的地方就是适用的。
波义耳定律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。
按照这样说来,波义耳得享大名确实是名下无虚,可是现在一般认为波义耳定律是一个物理定律,一个化学家靠发现物理定律成为“化学之父”还是有点别扭。
那么就看看波义耳定律背后的秘密吧。
波义耳定律说明了空气具有弹性,那么为什么空气具有弹性呢?
波义耳认为世界上存在无数的,不可见的微粒“自然最小质”(Minima Naturalia),这些最小微粒不可分,它们由于运动和碰撞以一定的次序和排列方式会聚集在一起按一定的排列方式结合在一起形成了我们可见的各种物质。
说明白一些吧。
空气就由很多波义耳所说的“自然最小质”构成的,这些微粒的距离很远,当有压力时,微粒之间的距离缩短,空气就被压缩了,压力撤去,小球之间的距离恢复,空气的体积也就恢复了原来的体积,这就是空气的弹性。
要是把波义耳的“自然最小质”替换成原子呢,这就是原子论。
说起来原子论并不是波义耳的原创,而是古希腊的德谟克利特提出的,不过德谟克利特的原子论只是一种哲学意义上的臆想,而波义耳探讨的是科学的真理。
波义耳的原子说启发了后来的牛顿,牛顿继承和发展了波义耳的化学思想,从力学的角度发展了物质构造和微粒说。连牛顿都能启发,波义耳的“化学之父”有点名正言顺了吧。
但是还不止呀。
要知道德谟克利特和亚里士多德是死对头,德谟克利特提倡原子说,亚里士多德则喜欢四元素说,波义耳既然对原子说感兴趣,自然要反对四元素说。
四元素说就是说世界由地火水风四大元素构成,世界上所有物质都是这四种基本元素组合而来。
波义耳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。
撼动了四元素说,提倡原子说,在加上他众多的科学发现,这足以使得波义耳成为近代化学的开创者,“化学之父”当之无愧。
不过波义耳还不满足,他还开创了化学研究的方法,他的名言就是“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。
他的这种研究方法深刻地影响了一个人,这个人就是罗伯特.胡克。
罗伯特.胡克可谓是牛顿爵爷的一生之敌,两人争名逐利纠缠一生,虽然最终以牛顿的胜利告终,但胡克绝对称得上牛顿一生最大的对手。可让牛顿头疼不已的对手对波义耳却恭敬有加,因为胡克就是波义耳的助手。
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,拥有了可以和牛顿叫板的资本,可以说这些离不开波义耳的影响。
当然不是说胡克为难牛顿是波义耳影响,这方面要是胡克受到波义耳影响的话,那就天下太平了。
波义耳曾经是无形学院的中坚,而英国皇家学会就是在无形学院的基础上建立的,波义耳可以说是英国皇家学会的创始人之一,而在1860年,波义耳被选为皇家学会的会长后,却以身体原因为由坚辞不就,此种风尚足以让胡克和牛顿汗颜。
波义耳完全可以称得上化学上的伽利略,不过他也犯了一个错误,要不是这个错误的话,他就是化学上的牛顿了,他到底犯了什么错误呢?