著:姚荏富

1860年,卡爾斯魯厄會議,是歷史上第一次國際級別的化學會議,與會國家高達15國,近150位科學家齊聚於德國卡爾斯魯厄,對科學領域出現的問題與意見進行整合。在這次會議上,科學家們希望將原子、原子量、化學命名法以及化學符號等等的基礎問題,可以達成一致的看法。可惜直到會議的最後一天,原子與分子的概念仍然無法達成共識,正當在場的科學家們為了主張自己相信的理論而吵得不可開交時,義大利科學家坎尼札羅開始在會議上散布他所寫的《化學哲學教程提要》。這本邏輯嚴謹、表達清晰的小冊子清楚地描述了原子與分子的概念,馬上就吸引了科學家們的目光,當天在場的科學家邁爾,事後是這樣形容這本書的,

「雖然只是一本小冊子,但他將大家眼前的茫然撥開,許多疑團便煙消雲散」

而這自五十年前原子說提出後就有的混亂,就在這本小冊子的突然出現下被終結了。諷刺的是,其中讓科學家們感到豁然開朗的分子說,竟然在50年前就已經被義大利科學家亞佛加厥所提出,當時科學界並不以為意的學說,竟成了現今解開所有人疑惑的鑰匙。

1803年,道爾吞提出撼動科學界的原子說,道爾吞藉由這個學說解釋了許多科學家們先前所實驗出來的定律,而這種原子的說法也因此成為了當時科學上主流的學說。隨著更多實驗證明的出現,原子說越加完備,尤其在化學變化以及質量關係的解釋上顯得游刃有餘,幾乎到達了真理一般的存在。但是,當原子說碰上氣體時,矛盾就會開始出現,而且原子說無法得出物質真實的組成比例,所以這樣的原子觀還有待關鍵性的理論出現,來解釋原子說目前所無法解釋的部分。

給呂薩克是一名法國研究氣體的科學家,歸納出許多氣體反應變化的結果,他發現,氣體在反應結合時,以原子與複雜原子之間會呈簡單整數比是很合理之事,而氣體體積之間似乎也有著類似的關聯。由於給呂薩克是原子論的支持者,於是他將原子論融入自己的實驗發現,提出一個假說

「同溫同壓下,同體積的氣體中所含的原子數相同」

(也就是亞佛加厥假說的前身)

但這個假說推出後,受到道爾吞嚴厲的批評,因為若給呂薩克的假設成立,原子說就會出現有半個原子存在的狀況,給呂薩克發現

一體積的氫和一體積的氯反應會生成兩體積的氯化氫

若給呂薩克的假設正確,就會變成半顆氫與半顆氯反應成一顆氯化氫,這樣才會有兩體積氯化氫的結論,但這很明顯就違背道爾吞原子說裡面的原子不可分割的特性。這其實是原子說中某項假設的小問題,而這樣的小問題卻成了原子說在解釋氣體時的致命傷,不過當時道爾吞當然不認為自己的理論有錯誤。為此道爾吞甚至以「實驗數據不可靠」來進行反駁。雖然就當時而言氣體的量測精準度還不夠高,但直接質疑實驗本身就是迴避理論交鋒的最好證明。

給呂薩克除了上述實驗外還發現,

兩體積的氫和一體積的氧產生的水不是三體積而是兩體積

以及

一體積的氮加三體積的氫可以得到兩體積的氨而不是四體積的氨

都會發現一個現象,不管我怎麼反應,氣體的體積都會變小,所以可以確定氣體原子間確實發生結合了,但結合後的體積和原本的體積都會呈現簡單整比,而且以原子說的假設再加上給呂薩克自己的假設來推論的話,就可以解釋為何是簡單整數比的關係了(不過前面道爾吞不認同的矛盾就出現了),

舉例來說,同樣一個反應氫加氧變成水

氫  + 氧 → 水

        重量比: 1 : 8 : 9

        體積比: 2 : 1 : 2

雖然原子說可以解釋重量上的因果關係,卻無法解釋體積與粒子數的關係,給呂薩克提出前面的假設,將原子個數與體積做了直接的連結,卻遭到道爾吞的反駁,一時之間科學家們也不曉得誰對誰錯,而這場學術爭論引起了一個人的注意,他就是遠在義大利的物理學教授,亞佛加厥。

亞佛加厥,生於義大利北部的法律世家,當時的義大利早已不是輝煌神聖羅馬帝國,更不是文藝復興時的鼎盛時代,半島內紛爭不斷,國家分裂自然學術發展相較於同時的歐洲各國更顯得緩慢。雖然亞佛加厥是法律世家出身但他最喜歡的科目卻是物理學,而且在大學期間遇到了義大利遇到了當時國內相當優秀的物理學家顏迪教授,更是讓亞佛加厥一頭栽進了物理學的世界。

1808年,給呂薩克發表了前面對氣體方面的研究,開始了與道爾吞的爭論。此時遠在義大利的亞佛加厥注意到了這場爭論,而且還看出兩人爭吵的癥結點,由於亞佛加厥在當時只是個沒什麼名氣的老師,所以講話並不容易被科學界關注,但也正因為如此亞佛加厥才可以毫無顧慮的說出當時科學家們沒有看到的盲點,1811年亞佛加厥在《物理雜誌》上說道,

「我在此提供一個相當簡單的假設。這個假設可以簡單的解釋給呂薩克先生的實驗以及串聯道爾吞先生的原子說。我的假設是,在同溫、同壓下,同體積的氣體擁有相同的“分子”數量。以分子的觀點來看,雖然體積減少了,但每一單位體積中的分子數量並沒有改變。」

而這也就是我們現在所說的亞佛加厥定律。

在這邊你可能會很疑惑,這不是和給呂薩克說的幾乎一樣嗎?同溫同壓同體積的氣體有一樣的粒子數,看似沒有什麼差別的句子,其實提出了一個相當核心的觀念「分子」。當時原子說認為所有的氣體都是一顆一顆的原子,所以一體積的氫加一體積的氯得到兩體積氯化氫帶入給呂薩克的假設,才會出現半顆原子加半顆原子的矛盾。而亞佛加厥認為

「一顆不夠,那就變多顆一點呀」

他所提出的分子就是複數個原子的組合,舉例來說,兩體積的氫氣加一體積的氧氣可以生成兩體積的水,如果氫氣是兩顆氫原子的組合,我們將其稱為氫分子,而氧氣也是兩顆氧氣的組合,稱其為氧分子。這時我可就完全可以解釋為何得到的水分子是兩體積了,而且還可以藉此得知水是由兩個氫原子加一個氧原子的組合呀!這無疑是將原子說和氣體之間進行了完美的結合,甚至是把原子說的矛盾完全消除了。

但亞佛加厥的分子說和原子說的錯誤假設發生了衝突,也就是氣體存在到底是一顆一顆的原子還是複數原子組合的分子呢?由原子說來推論道爾吞認為水是由一個氫原子與一個氧原子的結合物,但實驗發現水是由兩體積的氫和一體積的氧氣所組成,這樣體積關係就無法由原子說來解釋,但分子說的出現將原子說理論與給呂薩克的氣體實驗做了恰到好處的連結。可惜當時科學界受到二元論的影響,認為物質都是由帶正電的原子和帶負電的原子互相結合,所以當亞佛加厥提出的複數原子組合並不被科學界接受。

「氫氣怎麼可能是兩個氫原子的組合呢?兩種同樣電性的原子之間會排斥,所以不可能有兩個同樣原子的組合會出現」

當亞佛加厥將分子說發表給道爾吞時,道爾吞這樣反駁到

本身沒什麼名氣又被當時的科學泰斗道爾吞打槍,再加上科學界幾乎沒有人在研讀義大利文的文獻(前面有說到義大利科學發展並不好),以至於亞佛加厥提出這項關鍵理論後並不為科學界所看見或者接受,而科學界也因此受到原子說的矛盾糾纏導致氣體、原子、分子等領域進入了近乎停擺的階段(其他領域還是發展的不錯),直至50年後科學家們開始發現原子說其中假設可能有誤時,這個靜默了50年的分子說,才又得以重見天日,這部分還要感謝同為義大利科學家的肯尼札羅看見分子說的價值,並在卡爾斯魯厄會議這樣關鍵的場合上,將其揭於世人面前,才把擋在科學前面50多年的原子說巨石開出一條全新的隧道。而就在亞佛加厥發表分子說的一百年後,科學家也證明了相同元素的原子是可以以雙原子分子甚至多元子分子的方式存在的。

有人說「裝睡的人叫不醒」,就過去來說人們並不是他們不想醒,而是當我們對大自然所知甚少時,我們更傾向選擇相信可以解釋大部分現象的說法,這也是為什麼時代越久遠的理論就越籠統而模糊的道理了。就當時否決分子說的二元論來說,當時他確實可以解釋相當多物質結合的傾向,但就現在的角度來說二元論是只有特定領域才可行。但當人們相信二元論可以解釋整個大自然的同時,對於衝擊二元論的其他學說就會產生排斥,除非出現推翻性的學說,否則二元論的腳色在當時是不被質疑的。直到科學家們發現卡關了,才會仔細去找這些大理論的問題在哪裡。

人類因為有這種傾向,所以科學界到現在都有所謂的「大一統理論」,相信有一個巨大的理論可以串聯所有的學問甚至可以解答所有的問題,雖然這聽起來可能有點怪力亂神。但也因為相信這樣的關係,科學家發現物理與化學之間擁有橋樑,而化學與生物學亦有其關聯在等等的學問與學問之間的關聯性,隨著研究更加深入,這些關係也變得更加清晰。但千萬記得,相信一個理論的同時,更要重視實驗,這才是科學這種信仰的價值所在

,既要將真實世界描繪成可以理解的模型,而這些模型必須建立在真實的世界(正確的實驗)上,雖然這樣可能會阻礙到科學的發展(驗證需要很長的時間),但時間終將會證明會給出最公正的答案(愛因斯坦即是一例),而這種希望以一套解釋全部的觀念並沒有好或是不好,只要相信的同時保持懷疑,不斷的去驗證,最後真正的答案終將會出現的。