作者:唐啟軒

過去在上課或者讀一些科學文章的時候,搞懂其中的原理之餘,除了覺得科學家很厲害,有沒有想過一個問題:「為什麼他們想得到?」好像阿基米德泡澡發現發現浮力原理,牛頓看到蘋果發現萬有引力都是理所當然一樣。憑什麼他們都想得到,而我們都想不到,或者是想出來是錯的。難道是因為我們出生得太晚,科學原理都被古人講光光了?當然不是。其實古人的科學理論很多時候都不是一步到位,而是跟我們一樣會搞錯的。而我們接下來要聊的,就是影響了一整個世紀的錯誤理論,以及後來如何走上正確的道路。

十七世紀,一個天才輩出的世紀

十七世紀被人稱為天才的世紀,許多科學界的新星都在此時大放光彩,但這並不代表接下來的十八世紀因此黯淡無光。十八世紀的開場,史塔爾提出了燃素說來解釋燃燒現象,這個理論影響了整個科學界,從此開始的一百年間,整個十八世紀更被稱為是燃素時期。燃素說簡單來說,就是控制燃燒的微粒。有燃素的物質就可以燃燒,反之則否。而燃燒之後燃素就會逸散到空氣中,剩下的灰燼就是少了燃素的物質。這個新穎的理論打破了過去鍊金術的說法,馬上就風靡了全歐洲,成為科學家之間最夯的話題。不過,要是燃素說這麼厲害,為什麼學校也沒教,課本也沒寫呢?這就要提到十八世紀最精彩的燃素說之爭了。


燃素完美解釋金屬燃燒變重的現象

儘管當時的燃素說可以說是潮到不能再潮的理論,但也有許多人提出了燃素說的問題。很快地,科學家們就分成了燃素與反燃素兩派。前者認為燃素說是正確的理論,只需要針對有錯的部分做出修正即可。後者則認為這些錯誤正表示了燃素說是個錯誤的理論,應該要大破大立找出真相。反燃素派質疑,如果木材燃燒後會變輕是因為燃素離開,那為什麼金屬燃燒後重量反而變重了呢?燃素派則解釋,金屬內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿了燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會變空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。反燃素派又再度質疑,如果金屬會有這種狀況,那麼看起來空隙更多的木材,為何不會因為空隙被空氣填滿而變重呢?


脫燃素空氣-發現氧氣的美麗意外

一來一往間,倒也誰都沒辦法證明自己一定是對的,或是對方一定是錯的。不過時間在走,實驗成果要有。大家爭執歸爭執,還是繼續做著自己的實驗。燃素派的普利斯特通過加熱汞的紅色沈澱物,得到了一種特殊的氣體。這種氣體可以使燃燒變得更加劇烈,所以普利斯特認為這是可以加速燃素與物質脫離的「脫燃素氣體」。雖然說兩派人馬意見不同,但私底下還是十分尊重對方的實驗以及想法,有著良好的互動。燃素派的普利斯特某天去反燃素派的拉瓦節家拜訪,茶餘飯後便聊到了這個「脫燃素氣體」,在拉瓦節的盛情邀請之下,普利斯特便在拉瓦節的實驗室重複了這個實驗。

拉瓦節學會了這個實驗後,又嘗試著藉由在空氣中加熱汞來產生氧化汞,卻發現當氧化汞生成時,會消耗掉五分之一的空氣。而這種特殊的氣體不僅能夠讓燃燒更旺盛,更能讓密封玻璃罩裡的鳥活得更久。身為反燃素派的他將這種氣體稱為「適合呼吸的空氣」或是「火空氣」而非「脫燃素氣體」,至於空氣中剩下的五分之四則是「無活力空氣」。同時,碳燃燒後會與火空氣結合,形成「固定空氣」逸散。而金屬燃燒後變重,也是因為與金屬與空氣中的「火空氣」結合並留下。


氧化說的困境-丟入酸中冒泡的金屬

不久之後,拉瓦節將火空氣的理論慢慢建構起一套新的燃燒理論。

第一、非金屬燃燒後融入水中,通常會變成酸性,所以火空氣應該命名為oxygen(酸的生成者)(中文命名為氧氣)。

第二、燃燒時會放出光和熱。

第三、物體只有氧氣存在的時候才能燃燒。

第四、物質燃燒所增加的重量,恰等於空氣所減少的重量。

但雖然這套理論能解釋木柴燃燒變輕、金屬燃燒變重,卻無法解釋為什麼金屬在酸性溶液中會釋出氫氣(燃素)、金屬的氧化物卻不會。這點反而是燃素派得分,因為燃素派說氫氣其實就是燃素。金屬燃燒前充滿了燃素,燃燒過後則否。丟進酸裡自然是前者產生氫氣(燃素)、而後者不會。

正當燃素理論與氧氣理論依然難分難解時,卡文迪西的助手捎來了他的最新實驗結果。燃素派的卡文迪西發現,燃素(氫氣)在脫燃素空氣(氧氣)中燃燒,會產生水。這給了拉瓦節一記當頭棒喝,原來水是由氫氣與氧氣結合;所以金屬在酸性溶液中雖然沒有燃燒的反應,但是金屬卻與水中的氧結合,釋出了水中的氫。至於金屬氧化物本來就帶著氧,當然就不會再與氧結合而產生氫了。

很快地,沒有缺陷的氧化學說推翻了流行百年的燃素說,這也就是為什麼我們現在學的是氧氣,而不是燃素了。這場燃素之爭最精彩之處,除了兩方人馬雖然都是學識淵博的科學家,其實也像一般人一樣會犯錯以外。還有兩方雖然不認同對方的論點,卻尊重且樂於分享自己的實驗成果。儘管通往正確知識的方向錯了,但實驗數據與結果是不會騙人的。只要依循著科學的方法,儘管我們曾花了一百年兜了一個大圈,科學終究領著所有人到正確的道路上。而回頭看兜的這個圈,也被一群不分你我的科學家們照得閃閃發光。