第7章 18世纪的物理科学(6)

1794年5月8日，法国有史以来最伟大的科学家之一——拉瓦锡，在断头台上被处死。作为已被废黜的皇室政府税务官员之一，许多人把他看成是人民的公敌，“税农”（FermiersGeneraux）的一员——通过克扣底层穷人向不受欢迎的国王上交税款而获利。更要命的拉瓦锡和“税农”们站在革命法庭前接受审讯。尽管他的同代人承认他是大科学家，拉瓦锡还是被判决推上断头台。是，拉瓦锡曾经反对接纳马拉（Jean-Paul Marat，1743—1793）加入法国科学院，这一举动招来了灭顶之灾，因为马拉决忘不了他投的反对票。当马拉在法国革命政府掌权时，他看到了一条报仇的途径，于是把拉瓦锡逮捕、审讯和定罪。虽然马拉后来也遭到逮捕，竟在拉瓦锡之前上了断头台，但是革命法庭通过了判决，宣布“共和国不需要科学家”，拉瓦锡的处决按计划执行。

这是科学史上恐怖的一天，因为就在几年之前，在其他四位伟大化学家的帮助下，拉瓦锡终于开始澄清自古以来禁锢化学的混乱局面。这四位化学家是舍勒（Karl William Scheele，1742—1786）、普里斯特利、布莱克（Joseph Black，1728—1799）和卡文迪什。5年之前的1789年，拉瓦锡出版了他的《化学基础论》（Elementary Treatise on Chemistry），从而在化学中引起一场科学革命。51岁，正是拉瓦锡能力的巅峰期。就在拉瓦锡受刑后的次日，拉格朗日说过这样的话：“砍下这样一颗头颅只要一瞬间，但要再长出一个这样的脑袋，也许要100年！”

烹饪和神秘主义者

苏格兰化学家布莱克爱对他的听众说：“化学和所有其他科学一样，源于聪明人对于日常生活不同技能中大量事实的反思。”化学，部分就因为它与日常生活密切相关，因而在所有的学科中，最慢摆脱传统的混乱局面。化学的自由发展，受制于这两大阻碍因素。一方面，它混迹于平凡的日常生活之中（希腊哲学家尤为鄙视任何动手的学科，而化学密切地与炊事、贸易和医药联系在一起）。另一方面，在炼金术士的摆弄之下，它还是一门秘传技艺，而这些炼金术士寻求的是如何把其他物质转化或者改变为金子。（有些炼金术士保持沉默，是因为他们天真地相信，他们就快接近成功了；还有人不作声，只是因为他们不愿在行骗时被人抓住。）在所有科学中，只有化学因为受早期实验家的控制而拒绝引入科学方法。物理学有牛顿发现的普遍运动定律，天文学有地球的转动及其围绕太阳而旋转这一发现，生物学有哈维在心血运动方面的工作。但是，化学抗拒任何类似的突破，这可以理解，因为直到20世纪，才有关于化合物组成和发生在分子水平上的复杂化学反应过程的理论。所有这些在18世纪都是完全不知道的，我们所知道的原子理论在当时根本就无法想象。

结果就是，在18世纪初，那些对物质的混合和加热感兴趣的人们，在研究时毫无头绪。除非对空气和水、“气体”的存在以及燃烧过程等基本事实有所掌握，否则，科学家很难取得进展。18世纪科学家面临一系列棘手的难题，他们对此反复思量，燃烧、煅烧和呼吸等过程都被认为是至关重要和相互联系的现象，但又难以捉摸。许多优秀的脑袋为此花费大量时间，从波义耳和胡克的时代起，一直到18世纪末。

燃素说的诞生

不幸的是，为解释燃烧现象而建立一个完整理论的最初努力却把科学引到一条漫长的死胡同里。这个想法最初源于一个名叫贝克尔（Johann Joachim Becher，1635—1682）的人，他是一个近代炼金术士，曾向荷兰某些城市领导人推销炼金术，宣称他可以用银把沙子转变为金子。由于演示不成功，他逃到英国。他关于物质的想法也不太合理。他说，所有物体都由空气、水和三种土构成，他称这三种土为油脂土（terra pinguis）、水银土（terra mercurialis）和石头土（terra lapida）。

17世纪后期，斯塔尔（Georg Ernst Stahl，1660—1734）把贝克尔的油脂泥土改称为燃素（phlogiston），并把它说成是一种强有力的——“火焰、炽热、自热、热的”——流体，当物体燃烧、煅烧或以其他形式氧化（尽管这个术语在当时还未使用）时，就会释放或者消耗这种流体。1697年，斯塔尔提出燃素说，在之后的90多年中，它成了化学的基本要义，成为解释一系列令人困惑的化学现象以及全部化学的框架。

尽管燃素说后来被证明是一条死胡同，但它并不是一无是处，因为它引发了一系列的实验，去研究燃烧、氧化、呼吸和光合作用。

但是这些实验很快就暴露出许多问题。首先，金属在氧化过程中，质量总是增加，而不是减少。如果在这一过程中物质损失了，正常的情况质量应该减少，而不是增加。为了既能解释这一点，又不致丢弃这个理论，许多化学家作出了更复杂的解释：既然人们不能真正看到燃素（看到的只是从燃烧物质中发出的火焰），因而它就不是普通的物质。也许它更像是18世纪化学家假设的“微妙的”或“没有重量的”流体，例如磁性、以太、热、光和电，并且和它们一样，都是没有重量的。也许，它甚至有负重量，所以，当出现在物质中时，实际上（莫名其妙地）使物质的重量减少了。所以，每当燃烧发生时，燃素释放出来，物质的重量反而增加。

然而，尽管重量问题令人困惑，但18世纪大多数化学家还是继续相信燃素说，并不认为有不可抗拒的理由要抛弃它，无论如何，它毕竟对气体的研究作出过划时代的贡献。

化学家开始发现，对于科学地探索化学组成来说，气体至关重要。该领域的突破为发现其他元素和化合物以及最后为19世纪原子论的建立奠定了基础。黑尔斯（Stephen Hales，1677—1761），英国的一位教区牧师和业余科学家，发明了一种收集气体的装置，叫做集气槽，从而使这些发现成为可能。集气槽把发生化学反应的烧瓶与收集气体的容器分开，从而有可能分离得到不同的气体。但是他和当时大多数化学家一样，并没有真正意识到它们是本质上不同的物质，而认为它们只不过是不同类型的空气。

布莱克和“固定气体”

布莱克是格拉斯哥大学和爱丁堡大学的化学教授，他的功绩不仅在于发现了二氧化碳，而且建立了定量分析方法。

布莱克出生在波尔多，是一位葡萄酒商的儿子，1740年返回不列颠群岛接受教育。在格拉斯哥大学和爱丁堡大学完成医科学习后，回到格拉斯哥开业和教学。他很受学生们的尊敬［学生中有瓦特（James Watt，1736—1819）］，有一位学生这样形容他：“具有强烈而又训练有素的想象力、专心致志的注意力和严谨扎实的推理能力，它们完美地合成一体，成为科学研究的良好禀赋。”

在他后来的岁月里，他的学生写道：“他的面容继续焕发出发自内心的满足感……安逸、真挚和优雅。”

年轻的布莱克当时正在攻克的一项课题是，弄清“乔安娜夫人秘方”中的一个重要成分，该秘方用于处理膀胱结石，就在这一过程中他发现了“固定空气”。他在实验中运用了自己发明的定量方法，但他用来描述实验的许多名词今天都已不太熟悉。不过按现代的表述方法，布莱克那时发现，碳酸钙在加热时会转变为氧化钙，同时释放出一种气体，该气体可以和氧化钙重新组合，又形成碳酸钙。由于这种气体可以重新组合，或者固定于它原来所在的固体中，因此他称之为“固定空气”，今天我们更熟悉的名称是二氧化碳。

实际上在此之前别人也对二氧化碳有过研究，但是，布莱克的研究更为全面。他证明了，二氧化碳可以从饮食、从矿物分解、燃烧以及发酵中获得。关于气体，他还有一项突破性工作，这就是证明气体也可以像液体和固体一样，可进行实验操作和测试。布莱克认识到，二氧化碳是空气的自然成分，人体呼出二氧化碳，在二氧化碳里蜡烛无法燃烧。这时他陷入了谜团。置于密闭容器中的蜡烛终将熄灭，这是符合逻辑的，因为燃烧的蜡烛会产生二氧化碳。但是当布莱克用化合物把二氧化碳吸收掉之后，蜡烛在密闭的容器中仍然不会燃烧。他把这个问题交给他的一个学生，让他作为博士论文来研究这个问题，这个学生名叫卢瑟福（Daniel Rutherford，1749—1819）。

卢瑟福仔细地完成了这一受控实验并且发现，不仅蜡烛不能在某种气体中燃烧，而且老鼠也不能在这种气体里生活。就像他的老师，他也是燃素说的信奉者，相信这种气体已经吸足了燃素（燃素无法通过空气进入蜡烛使之燃烧，或者让老鼠呼吸）。他称之为“燃素化的空气”，今天我们称之为氮。卢瑟福因发现这一“有害”气体而获得声誉，尽管其中的细节是几年以后由拉瓦锡澄清的。

布莱克的定量方法传给了他的学生和整个科学界，实践证明，这一方法和他对二氧化碳的发现一样重要。因为在对碳酸钙加热的原始实验中，布莱克仔细测量了损失的重量，他才有可能摸清反应情况，而在此之前的有关气体实验中，化学家对此却是一无所知。

布莱克写道：一旦他发现了固定空气，“在我面前似乎打开了一个新的也许是无比宽广的领域。我们不知道大气中有多少种气体，也不知道它们各自的特性”。在这里，他似乎预见了与他同时代的卡文迪什和普里斯特利即将取得的发现，还有其他人后来的发现，例如瑞利男爵（Baron Rayleigh，1842—1919）和拉姆塞爵士（Nir William Ramsay，1852—1916）在1904年由于对大气成分的研究获得诺贝尔奖。布莱克在物理学领域里的工作同样重要，并且对工业革命有着深远影响。

卡文迪什分解水

卡文迪什无疑是18世纪最古怪的科学家。他出生于英国一个显赫而又富有的家庭，从来不用为钱财担忧。事实上，他曾经这样告诉银行，如果让他费心过问理财这样的俗事，那么，这家银行就会失去他这个价值数百万的客户。不必说，银行方面再也没有打扰过他。正当卡文迪什家族其他成员与国王亲近并参与重大政治策划时，卡文迪什的唯一兴趣却是纯粹的科学研究。

卡文迪什孤独成癖，他不愿意见人，也不愿意与人谈话。有一天，偶尔撞见一位女仆在他的屋子里，以后他就造了一个专门的楼梯，供他独自使用，以免这种事情再发生。有一种说法，这个女仆被解雇了。遗憾的是，卡文迪什只挑选了小部分工作发表，因此他最先做出的若干成就未获承认。

不过，他的某些工作还是被同代人知道了。1766年，他向皇家学会提交一篇关于“人工空气”的论文，证明存在一种先前从未研究过的显然可以燃烧的物质（后来拉瓦锡称之为氢）。他还研究了二氧化碳的特性，和布莱克一样，也称之为“固定空气”。

他最重要的成就最终还是发表了。1784年1月15日，他演示了他的人工空气在燃烧时产生了水。这是一条令人震惊的新闻。亚里士多德曾经卡文迪什是一位性情古怪的人，他发现了氢，探讨了二氧化碳（当时叫做“固定空气”）的特性，并且证明水不是元素，这与亚里士多德的说法相反。认为，水是组成所有物质的四大元素之一。但是如果气体燃烧会产生水，唯一的解释只能是，水源于这两种气体的化合。这就对希腊的元素说敲响了丧钟。

卡文迪什和布莱克一样，在物理学方面也有不少工作，而且他也用空气做实验。1785年，他让电火花通过空气，用今天的术语来解释这一实验，就是他迫使空气里的氮与氧结合，然后分解这种在水里得到的氧化物（在这个过程中他设法产生的是硝酸）。他不断增加氧气，希望最终能够把全部氮气消耗掉，但是总有很小的量——仅仅是一个气泡——残留着。他想了想，认为这种气体一定是某种以前没有遇到过的东西，对化学反应有极强的抗拒力。其实，这就是我们今天所谓的惰性气体。卡文迪什就这样发现了氩，尽管直到一个世纪以后才由拉姆塞进行确证。

舍勒和普里斯特利发现氧

普里斯特利是英国一位论派牧师和政治上的激进分子，最终为他惹来了麻烦。他公开支持美国殖民地居民反叛乔治三世，反对奴隶贸易和宗教偏见，还同情法国革命。他的大部分书涉及宗教和教育，其中有一本在1785年被公开焚烧。此外，他从事的气体研究似乎也有些反常：在他所居住的利兹城的一家酿酒厂开始做实验——发现布莱克的“固定空气”在与水混合时，会产生一种令人愉快的泡沫饮料，这就是碳酸水。实际上普里斯特利发明了苏打水。

普里斯特利对实验充满了好奇和激情，但是他并不按部就班地选择实验类型或步骤或方法。（他迷信机遇的作用。他喜欢说：如果他懂得化学，他就永远做不出任何发现。）但是一旦他做上实验，就会非常仔细地观察。结果，正如19世纪化学家戴维（Humphry Davy，1778—1829）曾经说的那样：“没有人曾经发现过这么多新的和奇怪的物质”。其中包括氨、二氧化硫、一氧化碳、氯化氢、氧化氮和硫化氢。还有就是：氧气。1774年普里斯特用直径12英寸、焦距29英寸的一块透镜，从燃烧的氧化汞中提取到一种气体。这种新“空气”似乎比正常空气更纯，可以使蜡烛燃烧得更旺。他试验呼吸这种新空气的效应——让老鼠试、让植物试，甚至自己亲自试。他发现吸入它感觉“非常轻松”。按照燃素说，他称这种新空气为“缺乏燃素的空气”，它与布莱克发现的不支持生命的奇怪空气性质正好相反，于是得到了这样一个相反的名字。

普里斯特利并不知道，与此同时，瑞典化学家舍勒也发现了同一种气体，但是他的发现还未公布。事实上，他们应该得到同样的荣誉，既然他们各自独立作出这一发现。

普里斯特利是氧的两位发现者之一（另一位是舍勒），当时他们把氧称为“缺乏燃素的空气”。1780年，普里斯特利迁居到伯明翰，在那里他的神学理论招来当地居民的反对，但是他发现当时有一个叫做“月亮学会”的科学家团体却是对他格外支持。该组织，部分是由进化论者达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文组织，他们通过家庭聚餐的形式非正式集会，志趣相投地讨论科学。它就是后来在历史上出现的“智囊团”的前身之一，每个月满月的夜晚大家聚在一起，这样不至于在黑暗的伯明翰乡村里迷失回家的路。