著:姚荏富

生為科學

「我的腦子放滿了三角幾何、化學反應,所以沒有時間可以想結婚之類的事」

如果是在網路上看到這句話,我們可能還以為是哪個學霸或是哪個讀書讀到走火入魔的傢伙,不過這卻是大科學家道爾吞毫無虛假的人生寫照。

  1766年,約翰‧道爾吞出生於英國北部肯伯蘭(cumberland)的小村莊裡,不同於其他擁有顯赫身世的科學家,道爾吞出生貧寒,父親是佃農兼紡織工,但這微薄的收入要養活一家六口其實是相當吃緊的。所以道爾吞在11歲時就因家中繳不出學費只好停止學業。雖然道爾吞在學校的成績並不不算頂尖,但他好學多思“解不出問題絕不罷休”的性格,讓老師十分賞識。

老師曾這樣描述道爾吞「教會的孩子裡,思想最成熟的就是約翰」。

  輟學後的道爾吞仍努力自學,於隔年受聘成為鄉村小學的教師,道爾吞在這段時間裡認識了當地相當有學問的教徒魯賓遜。魯賓遜相當欣賞這個安靜、謙遜、勤奮的孩子(當時道爾吞13歲),於是在下課後免費教授道爾吞數學、物理等科學知識,就在此時道爾吞遇到他最有興趣的科目——觀測氣象,這門探索氣壓、溫度、濕度、風力、降水等現象之間微妙關係的學問深深的吸引了他,道爾吞認為

「如果能找出這些現象之間的規律,就可以預測氣象,這對農民與漁民有很大的幫助」

  魯賓遜知道道爾吞是個好孩子,所以離開肯伯蘭前將自製的氣壓計送給了道爾吞,而這,也成了道爾吞走向氣象科學的重要原因。

遇上生命中的啟蒙老師

  1781年,道爾吞為了減輕父母的負擔到外地謀生,最後在英格蘭北部的坎德爾寄宿學校擔任助教,該校擁有豐富的藏書,對於求知若渴的道爾吞來說,自然不會放過這樣的機會。對數學、自然科學、哲學、文學都廣泛涉略的道爾吞,從波以耳的元素論到牛頓對原子論的見解以及當代科學家們物理、化學的理論,都做了仔細的拜讀。道爾吞始終勤奮而努力,而這樣的努力也使道爾吞遇見影響他一生的老師——高夫(gough)

  1781年的某個下午,英國肯達爾地區的某個小屋,突然響起了敲門聲

「請進。」老人並沒有轉向門就回答道

「你好,請問您是約翰.高夫先生嗎?我是約翰道爾吞,我是來和您求教的」

道爾吞十分謙遜的回應這位老先生

道爾吞感覺這位老先生有點特殊,仔細一看才發現是個盲人,老人似乎感覺到了道爾吞的反應,說道

「怎麼,沒看過盲人做實驗阿?比起腦子所能了解的,眼睛能看到的還是太少了」

當道爾吞正驚訝於他眼前這位失明的老人,就是他在找的大學者時。高夫走到實驗台前,一手拿試管,另一手拿起溶劑,手就像長了眼睛似的,不一會兒就做完了一個簡單的實驗,實驗台依然整潔,沒有撒半滴液體,這時道爾吞才發現,自己已經跪著看了。

「惟手熟爾」老人靜靜地說到

好學的道爾吞見識到了高夫的厲害,此後便天天向他求教,而高夫也欣賞道爾吞勤奮的態度,兩人相談甚歡,談天文談物理幾乎可以說是無所不談,時常到半夜道爾吞才依依不捨地離開。

  在高夫的指導之下道爾吞學會了拉丁文、希臘文、法文、數學、哲學,比較特別的是,道爾吞開始了他的第一篇氣象日記,而這就是他最早的科學紀錄。帶著魯賓遜老師給他的壓力計以及其他自製的氣象器材,1787年,道爾吞記錄下自此之後的每一天天氣,長達57年。

出身不好所以只能當科學家

  雖然道爾吞喜愛教育,但當時社會普遍認為要做大事就必須讀法律或醫學(看來醫學和法律系從以前就是第一志願),1790年,為了更多的薪水道爾吞申請了愛丁堡的法律系和醫學系,但最後都以「出身不符系所要求」而被打槍。不過也還好道爾吞沒有成為律師或醫生,他才有機會走入化學探討基本粒子,不然現在這篇主角可能就是別人了。

  1793年,持續進行氣象研究的道爾吞發表了他第一本著作《氣象觀測》,這本書紀錄了他六年來的的觀測結果,介紹了觀測氣象的儀器,還有對雲的形成以及水的蒸發進行了科學分析。例如我們現在說的「飽和蒸汽壓」與「分壓定律」就是在此時被提出,由於當時氣象學還在萌芽階段,這本書的出現受到學術界極大的重視,道爾吞的聲望也因此水漲船高,同年在高夫的推薦下,道爾吞來到曼徹斯特新學院任教,當時的他才27歲。

面臨教育與科學研究的抉擇

  曼徹斯特是英國的文化重鎮之一,擁有藏書極豐富的圖書館、還有許多的學會和學術社團,英國許多著名的科學家和學者也都棲身於此。在這裡道爾吞可以自由自在地發揮他對科學的熱情、與其他學者切磋自己對科學的認識,有什麼是比這樣更棒的呢?不過道爾吞在學院的工作負擔相當重,幾乎壓縮掉他做研究的時間,即便如此他仍天天早起進行氣象觀測,忙完工作後晚上繼續從事科學研究,不過由於研究的時間被壓縮太多,使得道爾吞最終要面臨究竟該選擇工作還是研究的兩難,最後,道爾吞選擇了研究。

  1799年,道爾吞離開曼徹斯特新學院,為了不要餓死,道爾吞自己開起了小型家教班,以下是《曼徹斯特日報》上的一篇廣告:

約翰.道爾吞,文學哲學會秘書,前曼徹斯特新學院教師

你還在為沒有辦法學到算數困擾嗎?

你還在為讀不懂地理與環境而苦惱嗎?

想在數學與自然哲學有更深一層的理解嗎?

想操有一口流利的外語和了解各種優雅的文法嗎?

約翰.道爾吞是你最佳的選擇

現在報名優惠價:一年只要十英鎊!!

心動不如馬上行動,意者請來信至弗克那街35號。

  1800年,來了八名學生,道爾吞就以這種形式過了44年的歲月。

由大氣科學引發的化學想像

  看到這裡你有沒有覺得怪怪的?道爾吞不是對化學有相當大的貢獻嗎?都要兩千字了連個化學影子都沒有。沒錯,在道爾吞三十歲之前都主攻氣象學,那為何道爾吞之後能提出原子說呢?這就要說到前面道爾吞曾發表過的分壓定律,道爾吞發現,當不同的氣體在進行混合,混合後的壓力會等於所有氣體的原本壓力的總和,當道爾吞在1793年提出這項發現時,他並沒有辦法很完整的解釋為何氣體具有這種特性,而道爾吞也因為這個問體困擾了許久

「整體的壓力和個別壓力相加相等,那可見這些氣體混和的相當均勻。」道爾吞推論到

「但為何由多種氣體組成的混合氣體,能夠維持均勻一致的狀態呢?」

  隨著道爾吞對著這個問題的思考,漸漸的這個源自於氣象學的課題逐漸轉變為探討物質本質的問題,

「要能夠均勻的混合,又要彼此之間不會互相影響,我想應該就像大科學家波以爾假設的一樣,氣體是粒子。氣體粒子可以獨立均勻散佈於空間中,若是如此就可以解釋為何氣體粒子就算混合後還是能保有自己的狀態(壓力)」

  雖然過去早就有人提出原子的說法(最遠科追朔到古希臘時期,而希臘文的原子就代表「不可再分割」的意思),不過這些都是推測出來的結論,並沒有被科學實驗所證實,所以也只能當作是一種哲學的觀點,而道爾吞這時除了引用過去原子的概念外還提出的更多原子構成物質的描述,他認為

「構成物質的粒子是一些大小相同、外觀並無太大差異的小球,但不同的元素的粒子就是不同的」

  1803年,道爾吞在曼徹斯特哲學學會上,正式提出了他的原子說,

內容如下:

1.一切物質都是由原子這種不可在分割的粒子所組成

2.這些一顆一顆原子間可以組成複雜原子(也就是分子)

3.不同元素者其原子性質和質量是不同的

4.我們所謂的化學反應就是原子和複雜原子之間變化的過程

引用上述觀點道爾吞藉由原子重量來區分不同元素,甚至用原子量(原子的重量)排出世界最早的週期表,這項學說對當時的科學界產生了巨大的衝擊。過去不管是古人或是牛頓的原子說都認為物質都是由同一種粒子所構成,而道爾吞提出的原子說主張不同元素應為不同原子的概念,大大的增加了物質變化的合理性。

原子說之後

  今天看來這些理論都還有待修正,但這個理論的出現讓人們原本含糊不清的原子解釋,有了明確的定義,對物質基本狀的掌握更是提升到了新的水平,這在科學史上無疑是個重要的里程碑。

  道爾吞在原子說中提出原子量的概念,就像一把鑰匙打開了科學家研究化學定量的大門,其實這個概念最開始是出現於拉瓦節的研究,在拉瓦節解開水的組成後(發現水是氫和氧組成的物質),精於測量的拉瓦節發現氫氣與氧氣在水中的重量比固定是1:8,而這項研究成果在道爾吞的加以研究下,他發現物質內的組成元素若相同,重量比就會呈特定簡單的整數關係,

舉例來說,同樣含只含有氫與氧的物質,

我們可以發現水(H2O)中氫:氧重量比為1:8

若是換成雙氧水(H2O2)則是1:16,

我們固定氫的重量的話,可以發現兩者氧的重量比,後者是前者的兩倍,這種關係就是我們現在說的倍比定律。

  雖然現在我們看分子式就可以知道雙氧水比水多一個氧原子,但對當時還未了解定量性質的情況下(只知道物質含有什麼元素不知道元素間確切的比例),這確實是相當大的突破,道爾吞在發現這些關係後整理了許多元素重量比來進行重量排序,這就是第一版的原子量表,他將氫定為1接著排出其他6種原子以及15種複雜原子(就是現在說的分子),1808年道爾吞又將原子量表增加到20種元素。雖然這兩版的原子量表跟現在的元素週期表相比差甚遠,但受限於當時的測量技術以及原子說先天的瑕疵,能提出這些概念確實相當了不起了。

時間是證明理論的最佳證據

  在道爾吞提出原子說並非一開始就被廣為接受,科學界為了這個突破性的想法有了激烈的爭辯,甚至有人譏笑道爾吞是「幻想家在說夢話」,不過道爾吞並沒有加入爭執,因為他知道只要他繼續研究繼續努力便能夠證明他的原子說是正確的,而時間也證明了這件事,1820年在諸多科學家的實驗支持下,道爾吞的原子說開始被大家接受,而道爾吞的名聲也隨之到達了顛峰。

堅持原則久了便成了招牌

  隨著道爾吞在科學界的聲名遠播,不管歐洲或是美洲的學者們都試著與他建立聯繫,但當他們到他的住處拜訪他時會發現,這位世界著名的科學家在極其簡樸的環境中從事研究。道爾吞畢生都將其精力獻給了科學,即使如此道爾吞也從未富裕過,雖然英國政府多次以重金禮聘道爾吞加入國家考察隊為國家服務,但道爾吞最後都以要進行原子量測定工作而婉拒。

  雖然道爾吞當時已是家喻戶曉的科學家,但他仍舊過著清貧而簡樸的生活,沒有多餘的娛樂,真要說什麼娛樂的話,那就是他對於推廣教育十分熱衷吧。除了繼續研究原子外,道爾吞還成立了「英國科學推廣協會」致力於將科學發現分享給社會大眾,定期舉辦「科學季」讓科學家展示有趣的實驗,讓民眾可以一起了解科學,此外他還提供研究基金支持學生發想出來的研究,鼓勵他們對科學保持熱忱,這樣的活動確實幫助到了許多未來的大科學家,像是提出能量不滅定律的焦耳,正是道爾吞的學生。

  這樣一生清貧、簡樸除了科學真理之外別無所求的科學家,細數他的經歷,我們不難發現“努力不懈”就是他的座右銘,自小生活困苦但為了讀書他不停的努力,到學校當教師、經營學校,也因為他不斷的努力才有機會認識這些在他學習階段提供知識的貴人,牧師魯賓遜、盲人高夫,哪一個不是被他的努力與執著所感動的呢?道爾吞並不算幸運,出身貧寒、先天色盲、沉默寡言、手拙,就這樣看上來他並沒有多好的條件能和貴族出身的科學家們競爭,而他自己也曉得這一點,所以他用高度的自律和不懈的努力來克服先天的劣勢,一位住在道爾吞實驗室對面的婦人曾說

「每當看到道爾吞博士打開窗戶看溫度表時,我就知道是幾點了,每天都是而且分毫不差」

雖然這樣形容有那麼點誇張,但這裡不難看出道爾吞極度自律的性格,道爾吞的氣象日記數十年如一日,持續了57年累積了20多萬筆的資料,1844年7月26日,年邁的道爾吞已經相當虛弱,但他仍舊堅持完成當日的氣象日記,道爾吞在筆記本上記下氣壓計與溫度計的讀數後,最後寫下「微雨」兩字隨著字尾的大滴墨漬結束了最後一次紀錄,7月27日清晨,道爾吞與世長辭。

  道爾吞的逝世震驚了整個曼徹斯特,雖然道爾吞身前有交代希望自己的喪禮盡量簡樸,但在市民們的要求下,市政委員會通過決議,授予道爾吞公葬市民的榮譽(就是開放市民可以瞻仰遺容),8月12日,百輛馬車護送著道爾吞的靈柩,送葬隊伍在肅穆的哀樂中緩慢地向墓地移動,一路上曼徹斯特的居民們聚集在人行道、陽台上和窗戶前,向這位大科學家告別致哀。道爾吞以他堅實的腳步走完了78年的艱辛路程,即使困頓仍繼續為科學的發展與普及盡心盡力,他帶著人們無限的崇敬離開人世,而他這種刻苦自律的精神至今都是我們的典範。

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

《化學哲學新體系》北京大學出版

《回到起初—科學大師發現的起點》 時報出版

《十大改變世界的化學家》 世潮出版

淺談道爾吞的原子學說—台灣化學教育

John dalton —Museum of science industry

John dalton—the robinson library

JOHN DALTON’S 10 MAJOR CONTRIBUTIONS AND ACCOMPLISHMENTS—power of 10