著:姚荏富

  

暴風中的法國

  幾名囚犯從洶湧的暴徒人潮中朝著巴黎市中心的協和廣場駛去,其中包括當時法國最傑出的科學家—拉瓦節,在他身旁一同等候審判的是他的岳父,(因在革命爆發前經營著民營稅務機構——徵稅的暴力討債公司,他們就此成為革命風潮中首當其衝的犧牲者),無論拉瓦節多次的辯白,最後卻仍遭法官喝斥道“革命事業不需要科學家”,就這樣法國瘋狂的革命風潮終結了這位歐洲大陸上難能可貴的天才科學家。

法律專業的兼職化學家

  1743年,拉瓦節出身於巴黎的法律世家,看來這又是一個有錢人家小孩變大科學家的故事了,不過並不是有錢人家的小孩都能當科學家就是了,拉瓦節超凡的腦袋從小到他50歲被砍頭前都表露無遺,除了小時候考試都考一百分之外他還在中學畢業前就學完天文、化學、數學、植物學、礦物學……可見他真的非常神啊(好喇他家請得起這麼多家教也是很厲害),1763年拉瓦節順他老爸的意拿到法律學位,接下來就準備繼承家業,等著發財就好了,可是拉瓦節卻只做了一陣子,竟決定轉職成一名化學家。

看來,又是一個興趣使然的科學家DESU!

  如果我是他老爸當然不會讓自己兒子拿了法律系的學歷還跑去玩化學喇,於是乎他老爸斷了他的後路,"你就自生自滅吧”(好喇這段是我自己編的),總之拉瓦節就是得想辦法經濟獨立就是了,畢竟從事化學研究多半是貴族得活動,因為當時儀器藥品等等都相當昂貴,為此拉瓦節應用他的法律知識進入了薪水較高的稅務公司,俗話說男怕入錯行,女怕嫁錯郎,當時法國稅務是交由民間企業來執行徵稅的,而要討債最快的方法當然是逼你付錢喇,所以這種合法的暴力討債集團,自然是最賺錢的頭路之一,可這回拉瓦節得到了這個高薪的工作,卻怎麼也沒想到這會成為他將來被送上斷頭台的原因。不過也不能說在徵稅公司的一切都對拉瓦節沒有幫助,除了高薪可以讓拉瓦節購置儀器之外,拉瓦節還與公司老闆的女兒結婚,這名女子相當優秀不只能夠記錄下拉瓦節所做的各式實驗,還能夠畫出實驗儀器和實驗內容的精美圖片,妻子兼助手也算是有賺到喇!

法國科學初試啼聲

  在歐洲科學萌芽的這個時期,英國出了牛頓、波以耳等等的大科學家,隔著一片英吉利海峽的法國卻是沒有太多的進展,而拉瓦節的出現,似乎讓沉寂已久的法蘭西民族,有了可以說嘴的人物。1768年,25歲的拉瓦節,進入法國科學院,這也是他進入暴力討債公司的那一年,拉瓦節憑著高精準度且一絲不苟的科學態度,讓科學界給予了他相當高的評價。接下來的25年,拉瓦節讓整個科學界有了巨大的震盪,同時也帶來了更多的秩序。後世稱他為“近代化學之父”,將原本波以耳從煉金術提煉出來的化學,制定規則、藉精準的量測結果來讓化學成為更堅不可摧的一門學問。

  拉瓦節清晰的思路在進入法國科學院後開始對陳舊的觀念表示懷疑,其中最有名的就是水生土實驗。過去在實驗中,水在玻璃瓶中經過長時間加熱後會產生白色沉澱,人們將這個現象以四元素解釋

“這種沉澱就是水能轉換成土的證明”

但拉瓦節為了求證,設計了一組實驗。將蒸餾瓶以及蒸餾水進行分別秤重,接著加熱至沸騰,就這樣過了三個月,結果確實產生了白色沉澱,但他到底是不是「土」呢?拉瓦節注意到,瓶內的蒸餾水重量並沒有減少,反倒是蒸餾瓶的重量減輕了,再仔細的測量後發現,白色沉澱的重量洽和蒸餾瓶減輕的重量一樣,所以他推論

“白色沉澱是玻璃而不是他們說的土”

而在此之後也有人做實驗證明那些白色沉澱確實就是玻璃。這可是繼波以耳的《懷疑的化學家》之後推翻古老理論的強力實驗。

腦洞大開的實驗

  不過這還不是拉瓦節最大的成就,他最讓人驚豔的是,推翻了科學革命時期最被大家看好的新理論“燃素說”。燃素說認為有一種元素叫做燃素,存在於所有物質之中,經過燃燒後釋放這種元素,所以多數物質在燃燒後質量都會減輕。這似乎聽起來合理,但他卻無法解釋金屬燃燒後變重的這個現象,為此還有人為燃素提出“燃素具有負質量”的詭辯,而且大部分的科學家還真的信了(怎麼樣,科學家也沒有比較聰明吧),不過拉瓦節當然不吃這一套,為了推翻這詭異的理論,拉瓦節開始了一連串的實驗。

  最初的實驗是這樣的,一天拉瓦節和朋友在談論波以耳曾做的一個實驗,

A說:「欸!你知道鑽石在高溫加熱下會消失嗎?」

B說:「真假!對於這件事你怎麼看呢?拉瓦節?」

拉說:「這很值得探討,我想應該跟他的組成有關吧?」

A說:「有道理,那你們知道包了黏土的鑽石燃燒後就不會消失嗎?」

B說:「挖糙,該不會是黏土有什麼神奇的功能吧?」

拉說:「可是黏土燃燒後並不會有變化,我覺得會不會跟空氣有關啊?」

  在這個談論的隔天,拉瓦傑與他的朋友立刻準備鑽石來實驗(難怪人家說科學實驗很花錢……),在凸透鏡的加熱下鑽石真的消失了!(他們的太太也哭了),接著再用黑色黏稠物包住鑽石,再加熱一次,燒到火紅後等到冷卻再把他打開,鑽石竟然完好無缺(太太們鬆了一口氣)。

  就這樣他們得到「燃燒與空氣有一定程度的關聯性」的結論,而這個實驗燒到後面還發現,等重的木炭和等重的鑽石燃燒後,可得到等重且相同體積的同種氣體,所以又得到「鑽石的組成和木炭應該是相同的」的結論。(太太們也得到科學家腦袋有問題的結論)

  在一個偶然之下的討論,得到許多有趣的發現後,拉瓦節回家接續著做!分別燃燒磷和硫,測量其燃燒後的產物以及空氣重量的變化,發現燃燒物增加的重量和空氣減少的重量竟然一樣,這回拉瓦節又得出另一個新結論「空氣與他們結合了!」。拉瓦節再接再厲,開始測量這些空氣的體積變化,又發現怎麼燒都只會減少1/5的體積,他再次得到另一個的推論「空氣中不只一種氣體,其中一種就是會參與燃燒東西」。

  

  他又接續對燃素說無法解釋的金屬進行實驗,雖然這些實驗其他科學家也做過,但他們對測量的精準度以及氣體的考慮沒有拉瓦節仔細,所以也沒得到比較科學的結論,但拉瓦節在這一連串實驗後得到一個結論「有種氣體在燃燒的過程參與了反應,有些物質或與其化合物則會被其分解,而這個氣體我稱他為純粹氣(就是氧氣喇)」。

  這個強力的實驗組合所推導出的「氧化說」正式宣告了燃素說的死刑,不過當時還是有相當多的科學家不願意接受這個事實,仍努力地試圖去證明燃素說。其中最有名的就是普利斯特利和卡文迪西,他們分別是製造出氧氣與氫氣的科學家,但他們卻認為這些氣體是燃素與空氣之間變化的結果。所以當他們將這些發現公布後,自然被拉瓦節收割了。拉瓦節將可以幫助燃燒的且存在於空氣1/5的氣體命名為現在的氧oxygen(oxy:酸的+gen:製造者),另外將點燃後得到水的可燃氣體命名為氫hydrogen(hydro:水的+gen製造者),如果真的要說拉瓦節都在收割的話也不太公平,誰叫當時普利斯特利和卡文迪西當時站錯邊了呢?燃素說的死胡同沒辦法幫他們導出正確的答案。

興趣使然的科學家

  身為一個偉大的科學家,才33歲的拉瓦節當然沒有因為推翻燃素說就停下腳步,他開始更大規模的化學革命,在波以耳終結了煉金術時代後,煉金術時代所流傳下來的影響並沒有完全消除,原本用來代表物質的符號和物質本身的組成還有性質一點關係都沒有,甚至一個物質有百百種名字,好喇我說的是有一點誇張,但同一種物質光是不同語言就有好多種了,要是再加上別名,那可能要完全認識就不這麼容易了。為了讓化學界可以有共通的語言以及更有效的表達方式,拉瓦節組成「巴黎科學院命名委員會」,開始研究命名的規則,1787年,拉瓦節與他的夥伴們出了《化學命名法》這本書,本書主打,命名好簡單,命名好重要,命名規則如下:

每種物質必須有一個固定的名稱,不可隨便命名(俗名out)

元素的名稱要盡可能符合他的特徵(oxygen和hydrogen就是)

化合物必須反應其組成之元素(氫氧化鈉就可以清楚知道他內含物有什麼)

酸、鹼、鹽的判定規則(不過現在來看有錯誤所以在此不提)

  此書一上市,立馬得到巨大的成功,化學界無不稱讚並被翻成多國語言熱銷世界各地,此書為化學帶來前所未有的條理性及系統性,無疑地,化學在拉瓦節的影響下進入了下一個階段,直到現今我們都還在用這套規則來為我們的化合物進行命名,所以現今我們將其命為「現代科學之父」是有他的道理在的。

革命的鐮刀找上門

  1789年,拉瓦節出版《化學要論》,隨即成為風行歐洲的化學教科書,不料此時爆發了法國大革命,這年他46歲,拉瓦節仍繼續埋頭於科學研究,但法國當時革命情緒高漲,這火很快地就燒到了曾在討債公司工作的拉瓦節身上(傳說拉瓦節很喜歡賺錢,也很喜歡做研究)。當暴徒衝進拉瓦節的住所時,他還沉浸在科學研究上。可惜的是,當他進入監牢後,法國科學院院方竟因害怕成為革命風潮的犧牲品,完全不為拉瓦節平反,最後,拉瓦節走上斷頭台,十分坦然的面對這一切。有個段子是這樣描述拉瓦節的,他在死前和劊子手這樣說,

「麻煩您幫我個忙,我想知道身首異處的腦袋還能活多久,所以我等等會一直眨眼睛你幫我數這樣我能眨多長的時間好嗎,謝謝。」

最後他總共眨了15次,而這也是他最後的實驗,雖然這並沒有被收錄在正史中,但我們依然可以看見拉瓦節對實驗和知識的偏執。在拉瓦節死後他的好朋友數學家拉格朗日曾說「僅僅一瞬間我們就砍下了他的頭,但如此聰明的腦袋卻是一世紀都未必會出現一個的呀」。可惜,歷史不容許假設,但若拉瓦節活了下來,化學界可能又是另一番景色了吧。

  在法國革命時期的極端分子馬哈這樣形容拉瓦節:

「仰賴他人的發現,卻宣稱自己是所有發現的真正發現者」

  雖然馬哈和拉瓦節曾經有過節(拉瓦傑不讓他論文過關,因為真的寫得太爛了),但這句話也不是沒根據的,拉瓦節的氧化實驗是來自波以耳所留下特殊現象的描述,分離出氧氣是在聽到普利斯特利的加熱氧化汞實驗後進行的;分離氫氣則是聽到卡文迪西氣體燃燒生成水的實驗後所開始的,他確實都不是這些發現的首發學者,但他的貢獻也在這裡表露無遺。當這些發現者正在為這些「發現」感開心的同時,燃素說卻將這些「發現」帶進了的死胡同裡,而拉瓦節不受限於燃素說的框架,並給這些「發現」更精確且完整的陳述,甚至是將這些「發現」放進他的假設中完整的表達了氧化過程究竟發生了什麼事,把重要的「發現」引導到正確的道路上,才是拉瓦節最最重要的貢獻。

  你會說那只是拉瓦節運氣好站對邊才會有這麼大的成就,但事實上拉瓦節在推翻燃素說之外仍有相當多的貢獻,雖然他沒有太突出的實驗成果,但他精確的測量所有的實驗數據,最後得出現在十分重要的「質量守恆定律」,除此之外拉瓦節還點出當時化學界用詞混亂的狀況,並進行統整,解決了如此重要的問題,真的是運氣好嗎?如果真要說運氣好那就是他遇見了普利斯特利及卡文迪西的實驗,具有慧眼的拉瓦節十分努力在實驗上,卻都沒有突出的表現,但他超人的智慧在其他人還不了解自己究竟發現了什麼時,他立馬就看出這些「發現」真正的價值,並將其統整後發揚出去,或許我們能理解人有私心這件事,但比起拉瓦節的私心,他對科學的貢獻確實遠遠大於前者。

參考資料

《化學通史》凡異出版

《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《不朽的科學家》洪建全出版

《化學基礎論》北京大學出版

《化學的故事》倚天出版

《從故事看科學》世潮初版

《科學世界的毒舌頭與夢想家》遠流出版

氫元素的發現—高瞻自然科學教學資源平台

十大美麗化學實驗--卜利士力發現氧氣—高瞻自然科學教學資源平台

拉瓦錫〈近代化學之父〉—五夢網

拉瓦節的化學革命—台灣化學教育網

幸运的化学,不幸的拉瓦锡—蝌蚪五線譜

Antoine Laurent Lavoisier—Encyclopedia.com

When did Antoine Lavoisier discover oxygen?—general chemistry online

Antoine-Laurent Lavoisier Biography—about education