「這個校長…長…長,他…我…我不行…..」有點口吃的波以耳和老爸哭訴道。

勞勃.波以耳,出生於愛爾蘭,知名著作《懷疑的科學家》被認為是化學史上的重要著作。

圖 / CC BY 4.0,wikimedia commons

身為一個八歲就會拉丁希臘雙語的天才型田僑仔,進入英國伊頓公學就讀後,熱愛學習而且成績優異是一件合情合理的事。不過在換新校長後,他卻成了一個被體罰的天才。天生體弱多病、還有點口吃的他,受不了各種體罰(因為大家通常都一起受到體罰,應該是連坐法吧我猜),波以耳在 11 歲離開了學校,在哥哥以及一名家教老師的陪伴下,開始了他歐洲大腳行的旅程,直到 1644 年才回到祖國英國。

17 世紀,科學快速發展的時代,提出「知識就是力量」的培根,主張「日心說」的哥白尼,提出「慣性概念」的伽利略,以及「天體觀察家」克普勒一同揭開科學革命的序幕。現代科學思維逐漸開始萌芽,繼承著文藝復興後的思想啟發,其後的許多著作都有不同於過去的觀點。在這些大科學家的影響下,波以耳在歐洲遊學的六年裡面,除了學習各國語言以及宗教,也開始學習數學與科學。四處旅行不受學院限制的波以耳,其知識取得的管道就是廣泛閱讀,他在旅行途中閱讀大量當時科學前端的著作,正因為缺乏正規教育的薰陶,他更能吸收笛卡爾的機械論、以及伽利略的實驗基礎理論。

四處旅行不受學院限制的波以耳,其知識取得的管道就是廣泛閱讀,正因為缺乏正規教育的薰陶,更能吸收笛卡爾的機械論、以及伽利略的實驗基礎理論。圖 / Transferred from lb.wikipedia, 公有領域, wikimedia commons

在這裡簡單說明一下機械論是什麼意思,機械論認為運動是因為某個原因才會被驅動,而不是因為要做什麼而自己發生。簡單來說就是自然現象就像是一部機器,我給你通電你才會動(但過去思維認為物體運動是為了某些目的才會發生,這也是過去哲學常常探討存在的意義的時候總是會說物質存在是為了什麼原因)。而這些突破性的思維正是波以耳將來撼動科學界的兩張王牌。

1644 年,波以耳回到祖國,他收到一個好消息和一個壞消息。因為大家都習慣先聽壞消息(咦)所以我先說壞消息。壞消息就是此時正值英國內戰,人民為了取得更多民主力量而和貴族產生許多衝突,而身為貴族的波以耳他爸就在這場戰爭中喪命了;好消息是身為田僑仔第 14 順位的波以耳,自然也繼承了不少遺產。不過基於壞消息跟他貴族身分有關,所以波以耳也沒時間慶祝遺產入手就趕快行李包一包到鄉下避難去,在這些避鋒頭的日子裡波以耳還是博覽科學、哲學以及神學的書籍。

較特別的是波以耳在這開始了他人生中第一次正式的化學實驗,此時他加入了貴族所成立的「無形大學」,這些貴族多半是自然哲學家或是實驗主義者等科學人,會不定期聚會討論科學的發展。不過 1652 年憤怒的農民殺到波以耳所住的城市,而那些怕死的科學家也是跑很快。

以下是波以耳的好朋友寫給他的信:「親愛的波以耳,我們的無形大學已經轉移到牛津大學囉,此處聚集了大量英國科學家,就缺你了唷~^.<」

熱衷科學研究的波以耳被好朋友這樣一揪自然也心動了,所以在 1654 年波以耳搬到牛津當作他的新據點,並在牛津建立了一間設備齊全的化學實驗室。此時他還聘請了一位牛津大學的學生,他就是將來牛頓的仇家—虎克(牛頓的仇家很多他只是其中一個)。在這個智慧與波以耳相當的少年協助下,波以耳在牛津的這段時間裡從事了相當多元的實驗。除了我們所知道的波以耳氣體實驗外、還有真空性質的實驗、聲音實驗、動物呼吸實驗以及大量的化學實驗。

由於成果相當豐碩,在 1660 — 1666 年間我們波哥寫了 10 本書發了 20 篇 PAPER,夠厲害了吧!隨著波以耳逐漸成為無形大學的核心人物,其實驗室一度成為無形大學的集會場所。此外後來成立的英國皇家學會也是他的主張,雖然他並非第一批成立的成員,但原因就只是他在成立當天人沒辦法到倫敦而已……事後他還是被任命為幹事之一,可見他在科學界已經到達 A 咖的地位。在他眾多著作中,《懷疑的化學家》是他最暢銷的著作,原因就是這本書有相當新穎的見解與十分具有可信度的實驗內容,總之就是波以耳拿出許多證據打了鍊金術以及過去諸多先賢重重的一巴掌。

日後成為牛頓死敵(之一)的羅伯特.虎克。圖 / By Rita Greer, FAL, wikimedia commons

在談《懷疑的化學家》這本書之前,我們簡單來談談波以耳為什麼會研究化學好了。除了他是個興趣使然的化學家之外,還有一個說法是波以耳本身體弱多病,年輕時曾因為大夫開錯藥,差點就見到他年幼時就去世的母親。自此之後波以耳自修醫學,從此與化學結下不解之緣。這時的醫學包括醫藥化學(製藥),為了研製藥物他必須作相當多實驗,而波以耳就是此時開始對實驗產生濃厚的興趣。在研究醫學的過程中,他大量的閱讀醫藥化學家(鍊金術)的著作,而醫藥煉金大家霍恩海姆及火術哲學家海爾蒙特的著作就是他這時的老師。不過這些老師的理論最後也都被他的《懷疑的化學家》打臉就是了。

波以耳的著作《懷疑的科學家》。圖/Chemical Heritage Foundation,Wikimedia Commons

《懷疑的化學家》的出現就像是在科學界裡投下了一顆照明彈,將原本充滿神秘色彩的部分抽離科學,並且將科學實驗赤裸裸的攤在眾人面前。這本書參考了伽利略的《兩大世界體系的對話》以對話的手法來進行寫作,不過這回波以耳使用四個角色來進行對談。

書中的卡尼阿德斯,是波以耳的代言人(以下簡稱波派),波以耳藉他提出自己的疑問,表達自己的觀點;彌修斯是亞里斯多德學說的信徒(以下簡稱亞派);菲洛波努斯是三要素說的代言人(以下簡稱三派);埃留提利烏斯則是是一位中立者(中派?)。

至於內容就像你看漫畫一樣,每一個章節都是類似的套路,身為懷疑的化學家的卡尼阿德斯對現實或是過去的理論提出疑問,其他學者提出看法,接著卡尼阿德斯在拿出他的實驗觀察結果打其他人臉,接著再提出自己的看法。簡單來說就是主角先提出問題然後引誘其他人回答,等他們上鉤以後就說「哈哈!!你們錯了,你看我做的實驗結果根本不是這樣!所以你們給我乖乖聽我說」大概就是這麼嘲諷的一本書。

亞里斯多德。圖 / By After Lysippos – Jastrow, 公有領域, wikimedia commons

不過嘲諷歸嘲諷,波以耳也算是相當理性在討論各個問題,他維持了身為科學家的嚴謹風格,為了避免大家各說各的最後變成嘴砲大戰,在一開始波以耳就提出元素的定義(不過這個定義並不是在波以耳這時才出現的):

「我們說的『元素』就是指某些原始的、簡單的物體,或者說完全沒有混雜的物體,它們既不能由其他任何物體混成,也不能由它們自身相互混成,所以它們只能是結合物的成分,是它們直接組成成結合物,而結合物最終也將分解成它們。」

以上是書中文言的定義,簡單來說我們所說的元素,就是最原始的原料,物質由這些原料組成,而物質被分解到最後也是變回這些元素。如果聽不懂我舉個例子好了,雞蛋加麵粉可以做成蛋糕,所以說雞蛋和麵粉是蛋糕的原料,而蛋糕就是由雞蛋和麵粉所組成的結合物,那雞蛋裡有哪些原料?裡面有…..蛋白 + 蛋黃 + 蛋殼……,那蛋白裡面又有哪些原料?蛋白有可以分成蛋白質 + 水,那水再分下去有……,當我們分類到不能再分的原料,就叫元素。

在前頭把定義講完之後,波以耳開始對過去的科學家發動攻擊,第一題:請問水、火、土、氣或是汞、硫、鹽他們算是元素嗎?懷疑的化學家不愧是懷疑的科學家,立馬就懷疑了歷史悠久的四元素說以及當時科學主流的三元素說。

這時彌修斯(亞派)和菲洛波努斯(三派)就開始闡述他們認為自己學說正確的地方在哪裡,接著主角卡尼阿德斯(波派)嘴角一斜,拿出了實驗小本本,嚴肅地說道:「你們誰可以告訴我,如果物質都是由你們所說的元素組成的,那誰可以從金屬中提煉出硫或是鹽呢?那金屬能提出水土火氣嗎?就這個論點,我還認為黃金才是一種元素,我們可以取出雜質,但是黃金始終是黃金,怎麼也提鍊不出三元素說裡的鹽類,任何的反應都只會讓它的質量增加,這代表黃金本身就是最純的狀態存在。而且就這個例子我還拿了雲母做實驗,結果還是沒辦法像你們所說的那樣分離出你們所謂的元素,另外四元素裡你的實驗中燃燒出的煙霧在密閉的瓶子中會凝結成水,所以你所說的氣本質上就是水,敢問你們的元素觀的例子究竟是特例還是通則呢?」從這麽長的一段敘述中,我們不只能夠看出波以耳對這些理論的懷疑,裡面還有對這些學說的實驗依據感到荒謬。

此話一出,其他兩人頓時嘴歪,想反駁卻被波派一一駁回,於是這時就是身為中立派的埃留提利烏斯出來假裝打圓場的時候了:「好了好了,就我看來大家都有可取之處,波派講得十分有道理,但也沒說三派和亞派都錯呀,你說是不?只是大家有質疑的部分我們可以再多做討論就是了。既然這樣我們來聊聊別的吧?」

果然這種時候需要一個代表中立的人來控制一下場內情緒,主持人在這種場合還是很重要的。接下來這本書裡面波派大概問了十題來打三派和亞派的臉,不過裡面有些問題本身就和現今的化學觀有所衝突(像是物質本身都存有燃素嗎?可是燃素在過去被視為元素現在卻只是能量釋放的一種方式之類的),我們在此就只提幾個概念新穎又和現今化學觀相似的題目來談談。

波派在一開始得到了巨大的成功,在氣勢上佔了上風,於是他接著問:「那請問什麼東西才是元素呢?」亞派和三派又開始講他們的理論,而波派慢慢等他們說完,這回不拿實驗本本,冷靜地說道:「你們說的元素雖然我們定義一樣,但你們的元素不是物質,而是物質特性」。「對呀!那又怎樣!」三派和亞派異口同聲地說。

「你們依據一些微不足道的性質來定義元素,不覺得很可笑嗎?你說你用火分解出某種物質他不溶於水,你稱它叫硫;若是溶於水又有味道,你就稱他為鹽;照這個邏輯推下來,我敢說,接下來你不問這個物質的組成,只要他有揮發性,你就會叫他是汞,對吧?」「唔……對……」三派好像聽出來哪裡出問題了。

「這哪有什麼問題!!」亞派一個暴走,看來他還沒發現他的理論比三元素說更有瑕疵,「唉……無知不值得炫耀呀,哥哥。當我們在探討物質組成的時候,我們就是在討論物質而非性質,雖然有物質就會有性質,但是你們用性質直接做分類,根本上就太過於粗糙了吧?」「喔~~,唔!?」亞派閉嘴了,因為他知道他再講話又要被嫌無知了。

波派眼看現場有點混亂,他便接著說:「前面我們定義了元素,他是物質最原始的原料,最純,又最無法再分類下去的物質,就我看來,元素應該有相當多種絕對不只有三種會四種,像前面的黃金我就認為可能就是元素,至於其他還有哪些元素我沒辦法給你所有的答案,但是可以確定的是,造物者在一開始就準備好了所有元素,接著將世界構築出來。」在這段談話中我們也能了解到波以耳對於宗教與科學在他的思考中是不牴觸的,而當時多數科學家也是如此。

這回合全場都被波派 HOLD 住了,接下來的幾回合也是這個狀態,誰叫寫這本書的人是波以耳呢?選手兼裁判要輸也很難。

《懷疑的化學家》整本書問了快十個問題,當中對元素吵了近半的篇幅,因為這是自古以來大家都嚴重錯誤的觀念,至於個別擊倒的部分,波以耳還藉波派的嘴說了:「火絕對不是萬用的分析工具,因為經過火的反應並不是都減少質量,有些甚至燃燒之後質量增加了。分離物質的方法百百種,像是黃金溶王水就是分離合金中黃金成分的好方法。」(過去煉金術認為火可以分解所有物質)

火絕對不是萬用的分析工具。圖 /static.pixels.com

以及物質發生混合的時候,亞里斯多德所說的「同化」(液體加入大量水中會被水同化成水,而金屬加入大量黃金的話原本的金屬就會被同化成黃金)是十分荒謬的,我認為物質在混合的時候他們有兩種狀況:第一種情況只是元素們互相混合,但是他們其實還保有自己的性質,只是沒有顯露出來罷了;第二種情況就是元素粒子(原子)的微結構發現改變,參與融合的粒子因為融合而失去原有性質但得到新性質。」這裡就可以看出來物理變化跟化學變化的模糊概念已經在這時候出現了。

《懷疑的化學家》這本由十分冗長的對話寫而成的著作裡,也直接或間接的將波以耳所重視的觀念傳達給閱讀這本書的讀者。首先,波以耳認為科學應該建立於實驗的基礎上,藉著觀察後發展出理論,而非先建立理論然後再進行實驗去證明理論。因為波以耳認為大自然的規則應該是放諸四海皆準的,在有限定的條件下,我們便能看見這些規則,而不是一個規則只能適用特例或是少數狀況。藉由實驗我們可以減少很多不確定的因素,建立在實驗之下的觀察才更具參考價值,而這些實驗也必須讓大家一目了然,否則最後只會變成巫師蠱惑大眾般的行為。

第二,波以耳認為物質是由機械論來進行運作,物質的微小粒子都遵守這項規則。雖然當時還無法解釋化學反應物質本質上為何產生變化,但是這種微粒觀的機械論卻可以解釋他的波以耳定律。說的更清楚的話,就是波以耳的粒子觀若是不討論性質只討論物質運動所產生的現象時相當有效,這裡以更清楚的方式來解釋現象的發生,而非使用曖昧不明的話語來形容現象的轉變。以上兩點讓科學逐漸朝向更為純粹的求知,也避免了更多謬誤繼續流傳下去,而煉金術就在這樣條件下,間接地被判了死刑,因為鍊金術的神秘色彩正是科學最大的忌諱,所以後人都稱《懷疑的化學家》就是煉金術的死刑執行令。

《懷疑的化學家》在上市後逐漸發酵。原本科學界並沒有特別注意這本書,可是隨著人們的討論,這些思想開始蔓延開來,科學家該相信的究竟是先人所流傳下來的古老智慧,還是眼前實驗所展示出的結果呢?這種想法確實衝擊了當代人的信仰,它無關宗教,反而是一種對於科學這種信仰的反思,我們究竟是依據什麼相信它呢?

就現今來說也是如此,我們靠著古老的智慧一樣可以活得好好的,這沒什麼不好。只是進步這回事除了繼承前人的智慧之外,我們還有要判斷真知的能力,否則若是古老智慧的方向背離了現實,而我們也照單全收的結果,就是出現現實的矛盾或是難有突破。若是要真的要更接近知識,我們就必須了解自己的無知,這裡的無知不是什麼都不懂,而是了解到自己不懂的事情還很多,當我們保有這種態度時,我們就不會把一切都視為理所當然。因為這些理所當然多半是「我認為我懂了」,實際上你只是用一句話來包裝你的一無所知罷了。

回過頭來看,科學進步的動力,不就是對過去的智慧提出疑問嗎?當我發現過去的智慧用朦朧的字眼解釋一切時,我們真的能了解現實究竟發生了什麼事嗎?這不管是過去還是現在,懂得懷疑,我們就可能更接近現實。

說完《懷疑的化學家》我們回頭來說說波以耳吧,一個富二代、單身、有口吃、還體弱多病的英國人;沒有超高的智商,沒有跨時代的發明(不過他有發明石蕊試紙和空氣泵),沒有乖僻的性格也沒有發現蘋果掉落就靈光乍現的靈感。這樣的人為何能夠將化學從充滿煙霧的煉金密室拉出,轉為攤在世人眼光下的科學實驗室呢?人們稱波以耳為「化學之父」,他曾說過「我們所說的化學,絕不是醫學或是藥學的婢女,也不甘做工藝和冶金的奴僕,他是探索宇宙的一面,是為追求真理而追求真理的化學。」當時的煉金術分為冶金、製藥、礦物三個方向,化學只是製藥裡面的一小部分。波以耳以實驗的角度、機械論的觀點,發現了真正的知識就藏在煉金術這團大學問中,並將其從中提煉出來,成為追求知識的新學問。或許,化學也算是煉金術裡面等待著人們去煉成的黃金吧。

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

《懷疑的化學家》北京大學出版

波以耳—前人的足跡

波以耳與近代化學的誕生/洪振方—台灣化學教育

Robert Boyle—chemcal heritage foundation