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8.物质的构成——拉瓦锡在化学理论

2018年9月30日  来源:思维简史 作者:伦纳德·蒙洛迪诺 提供人:oo898ice99......

一个以炼金术开始的领域可以上升到牛顿物理学精确的数学严谨的高度,这看上去或许像一个不切实际的梦想,但许多18世纪的化学家相信它可以。甚至有人推测说构成物质的原子间的吸引力本质上就是重力,并且可以用来解释化学性质。(今天我们知道他们是对的,只不过这种作用力是电磁力。)这种观点来自牛顿,他断言:“自然界存在的介质能够通过强烈的吸引力使物体粒子(例如原子)粘连在一起。把它们找出来是实验哲学的工作。”这是化学在发展过程中所要面对的难题之一:牛顿观点的字面意思在多大程度上可以从物理学上转移到其他的科学上。

拉瓦锡是受到牛顿革命巨大影响的化学家之一。他把人们在当时从事的化学视为一个“建立在极少数事实之上的……由完全不一致的观点和未经证明的假定构成的……未曾被科学逻辑触及的”主题。尽管如此,他依然试图让化学效仿严谨的实验物理学的量化方法,而不是理论物理学纯粹的数学体系。考虑到他那个时代的知识和技术能力,这是一个明智的选择。最终,理论物理学将可以通过它的公式来解释化学,但这得等到量子理论以及更胜一筹的高速数字计算机的出现。

拉瓦锡对于化学的选择反映出他同样热爱化学和物理学这样一个事实。实际上他或许更偏爱后者,但作为巴黎一个富裕的律师的儿子,他的家庭对于地位和特权有强烈的保护倾向,所以他最初认为化学太危险且容易引发争议。尽管拉瓦锡的家人支持他的志向,但他们期待他成为一个既人情练达又勤奋努力的人,他们看重谨慎和克制——但这些品质并不是他的天性。

拉瓦锡的真爱是科学,这在认识他的人看来肯定再明显不过了。他有疯狂的点子以及宏大的计划去实践它们。当他还是少年时,他试图研究节食对于健康的影响,于是在相当长的一段时间内他除了牛奶什么也不吃,他还曾提议说把他关在一个黑暗的屋子里6个星期来提高他判断光照强度细微差别的能力。(很明显他被一个朋友劝住了。)和许多其他科学先驱一样,那种对于科学探索同样的热情将会反映在他整个一生对于长时间的、乏味的追求认知工作的投入中。

拉瓦锡很幸运,因为钱对他来说从来都不是一个问题:在他二十来岁的时候,他就提前得到了他的遗产,按今天的货币换算价值超过了1000万美元。他用这笔钱来做投资,购买了一家名为普通农民公司的金融机构的股份,获得了丰厚的收益。普通农民并不种植芦笋;他们征收某些税种,国王决定把这些税的征收工作交给他们去做。

拉瓦锡的投资很实际——它带来的是监督烟草管理执行情况的职责。作为对他努力的回报,公司付给拉瓦锡平均每年等同于250万美元的股息分红。他用这些钱建造了世界上最好的私人实验室,据说这个实验室储藏了如此多的玻璃器皿,以至于人们会猜想拉瓦锡喜欢看他的烧杯藏品的程度就和他喜欢使用它们的程度一样高。他也把他的钱用在了很多人道主义事业上。

拉瓦锡在1774年秋天从普里斯特利本人那里听说了他的实验,当时他正以一种科学导游的身份陪着谢尔本大人在欧洲旅游,刚好来到巴黎。他们三个和巴黎科学界的部分要人在一起用餐,之后在一起聊天。

当普里斯特利告诉拉瓦锡他目前正在做的工作时,拉瓦锡马上意识到普里斯特利关于燃烧的实验跟他进行的关于生锈的实验有某些共同之处;这让他又吃惊又高兴。但他也感到普里斯特利对于化学理论原理知之甚少,或许甚至连他自己实验的含义都不清楚。他的工作,拉瓦锡写道,是“一件由实验编织的纺织品,很难被任何推理打断”。 在一门科学的理论和实验方面都出色当然是一个过高的要求,我所认识的顶级科学家就没有几个敢说那样的话。从个人角度说,我早先也被认为是一个崭露头角的理论家,于是在学校我被要求只需要加入一个物理实验室。在这个实验室里,我要从零开始设计和制造一台收音机,这项工程耗费了我整整一个学期的时间。最终,我的这台收音机只有在被倒着拿起来并不断摇晃时才能工作,即使那样它也只能收听到一个电台,那是波士顿一家播放刺耳的先锋派音乐的广播电台。因此我非常感激物理学领域里的劳动分工,就和我的大部分朋友一样,不管他们是理论家还是实验家。

拉瓦锡在化学理论和实验方面都是大师级的人物。拉瓦锡并不认为普里斯特利是一名优秀的知识分子,他也为探索生锈与燃烧过程的相似之处的可能性而感到兴奋,在第二天早上,他使用水银及其氧化物烧渣重复了普里斯特利的工作。他改进了普里斯特利的实验,在测量和称重每一样物品时都一丝不苟。接下来,他为普里斯特利的发现提供了一个解释,这个解释是普里斯特利自己从来没有设想过的:水银燃烧时(形成烧渣)与一种气体结合,这种气体是自然界的一种基本元素,并且——他的测量显示——它增加的重量等于它结合的气体的重量。

拉瓦锡仔细的测量工作也展示了别的东西:当发生相反过程时——即烧渣被加热变成水银——它的重量会变轻,据推测应该是释放出了它吸收的相同气体,它损失的那部分重量和水银变成烧渣时增加的重量完全相等。尽管普里斯特利因为发现在这些实验的过程中被吸收和释放的气体而获得了赞誉,但只有拉瓦锡才解释了它的重要意义——并最终将它命名为氧气。拉瓦锡后来把他的观察转向了科学领域最著名的定律之一,质量守恒定律:化学反应中产生的物质的总质量一定与最初的反应物的质量相同。这或许是炼金术发展成为现代化学的征途中最伟大的里程碑:将化学变化视为元素的组合和再组合的过程。

拉瓦锡与税收农场的关系为他重要的科学工作提供了资金。但这也将被证明毁灭了他,因为这让他吸引了推翻法国王室的革命者的注意。

在任何时间任何地点,税吏受欢迎的程度就和一个患有肺结核和重感冒的人受欢迎的程度一样。但这些税吏尤其遭人鄙夷,因为他们负责征收的许多税目都被视为不合理和不公平的,特别是它们对穷人造成的影响。

据说,拉瓦锡在履行职责时很公平,也很诚实,并对那些他要征税的人抱有一定的同情,但法国大革命并不以它明辨是非的判断而闻名。

拉瓦锡给了革命者充足的理由去仇视他。

他最严重的罪行是让政府围绕巴黎市修建的巨大的厚重石墙,按今天的货币来换算造价有几亿美元。所有人只能通过城墙的关卡进出,这些关卡有全副武装的卫兵巡逻,他们会评估所有进出巴黎的物资并登记在册以便征税。因此——造成了公众的苦恼——拉瓦锡把他对精确测量的嗜好带出了实验室,带进了他作为税收代理的工作中。

当法国大革命于1789年爆发时,拉瓦锡的城墙是第一个遭到攻击的建筑物。在恐怖统治之下,他于1793年被逮捕——和其他税吏一起——被判处死刑。他请求延迟他的行刑日期,以便可以完成他正在进行的研究。据说,法官告诉他,“共和国不需要科学家”。或许不需要吧,但化学却需要呀,幸运的是,在他50年的人生中,拉瓦锡已经改造了这个领域。

被执行死刑的时候,拉瓦锡已经将33种已知物质认定为元素。除了10种,其他的都对。他还发明了一种根据元素构成来命名化合物的标准体系,取代了在他之前一直存在的那种令人昏乱和缺乏启发性的化学语言。我一直强调数学作为物理学语言的重要性,但一种切实可行的语言对于化学也同样重要。比如在拉瓦锡之前,hydrargyrum(汞)的烧渣和quicksilver(汞)的烧渣是同一种化合物的两种叫法。在拉瓦锡的术语中,那种化合物变成了“汞的氧化物”。

拉瓦锡并没能发明出现代化学方程式,比如“2Hg + O2 →2HgO”,这个方程式描述了水银氧化物的产生过程,但他确实为它的出现打下了基础。他的发现在化学领域引发了一场革命,并唤起人们对于工业的热情,而工业又反过来为未来的化学家提供了可供研究的新物质,以及需要解答的新问题。

在1789年,拉瓦锡曾出版一本名为《化学纲要》的书来整合他的观点。今天这本书被视为化学领域的第一本教科书,它澄清了元素是一种不可分解的物质的概念,否定了四元素理论和燃素的存在,维护了质量守恒定律,展示了他合理的新命名方法。这本书经短短一代人的时间就变成了经典,教导和启发了无数后来的开拓者。在那时,拉瓦锡已经被杀害,尸体被丢弃在一个巨大的集体墓穴中。

拉瓦锡一生都在为科学服务,但他也迫切地渴望名声,并为自己没能亲自分离出一种新元素而懊恼(尽管他试图分享发现氧气的荣誉)。

最终,在法国否认需要科学家之后的一个世纪,他的祖国于1900年为他在巴黎树立起一尊铜像。在揭幕仪式上,各方要人评论称他“值得人类尊重”,以及他是一位“人类伟大的恩人”,因为他曾“创立了指导化学变化的基本定律”。一位发言者认为这尊雕像刻画出了拉瓦锡“力量和智慧的所有荣光”。

这听起来很像拉瓦锡曾经渴望获得的认可,但我很怀疑他是否享受这样的典礼。因为雕像的面孔后来被证明并不是拉瓦锡的,而是哲学家和数学家马奎斯·德·孔多塞的,在拉瓦锡最后的岁月中孔多塞是科学院的秘书。雕塑家路易斯–欧内斯特·巴里亚斯(1841—1905)从另一位艺术家制作的雕像上复制了它的头部,但并没有正确地认出它的主题。在这件事情被披露之后,法国人似乎并没有感到不安,他们依然留下了那尊错误的铜像——一个纪念被他们送上断头台的人的雕像,却带着另外一个人的脑袋。最终,这尊雕像存活的时间和拉瓦锡一样长。跟他一样,它最后成为战争政治的牺牲品——在纳粹占领期间它被拆毁用来制造子弹。至少拉瓦锡的观点被证明是经得住时间考验的。它们重塑了化学领域。

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