书城科普读物站在巨人肩上-从波义耳谈化学元素
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第1章 自我介绍(1)

我是波义耳,英国化学家、物理学家。1627年1月25日,我出生在爱尔兰斯莫尔。我是一个因移民爱尔兰而发家的早期英国斯图亚特王朝新贵族科克伯爵第二个儿子。我自幼聪慧过人,具有语言天才,学会法语、拉丁语等多种语言。

1635年我去伊顿读书,1638年在家庭教师的陪同下赴欧洲大陆瑞士、法国、意大利等国周游求学。1644年父亲去世时我返回英国。1652年我开始成为格雷瑟姆学院的成员,也是1663年英国皇家学会的创始人和最早的理事之一,1680年曾任该会会长。1654年我移居牛津,建立了一个实验室,开始致力于科学实验研究。此后我长期从事科研活动,发表了许多论文和著作。1661年我成为东印度公司的董事,1688年迁居伦敦。我对于化学、物理学、生理学等方面都有研究,另外我还是用实验方法研究自然科学的前驱。

有人说我是杰出的化学家,因为我主张化学要建立在大量的实验观察基础上,对物质的化学变化要进行定量研究。我的著名著作是1661年发表的《怀疑派的化学家》。我对“点金术”的唯心主义“元素”观进行了批判,首先提出了“元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或者是完全纯净的物质”的定义,使化学研究开始走上了科学的道路。我最早引入了“分析化学”的名称,将当时习惯应用的定量试验归纳为一个系统,开始了分析化学的研究。

物理学研究方面,1657年到1662年间,我在助手胡克的帮助下,制成了真空泵,并发现了气体的压强与体积之间关系的定律,即波义耳—马略特定律。此后我又进一步提出了这一定律可以用微粒说加以解释。后来牛顿和伯努利对该项定律的证明都采用了微粒说。除此以外,我还发现了声音传播需要媒质,对于水结冰时的膨胀力、物质的比重进行了测量;研究了光媒质的折射现象和折射率以及晶体的性质;还研究了电现象、流体静力学、热力学等。我还做过大量把力转化为热的实验。

生理学方面,我研究了空气对于生物的作用,发现了肺内血液颜色和摄取空气有关。我还发现动物离开空气会很快死亡,以及动物和燃烧的蜡烛都需要空气,并消耗其中一部分空气。1663年我找出了毛细血管。

1627年1月25日,波义耳出生在爱尔兰的一个贵族家庭里。父亲是位公爵,有钱有势,整天忙于财务账册,对书本知识不感兴趣。母亲性格温顺,在他4岁时就去世了。他的哥哥,是热衷于金钱、骏马和社交的公子哥儿。谁会想到,伯爵家族的这个小儿子,后来成了杰出的科学家。

幼年时代的波义耳,就表现出与众不相同的品质。有一次,姐姐凯塞琳带波义耳到花园去玩耍,叮嘱他说:这棵李子树上的果子,答应给嫂嫂了,我们不要吃。后来,小波义耳忍不住,还是吃了李子。

姐姐责备道:“不是跟你说过,不要吃这棵树上的李子吗?”

“你是说过的。”小波义耳低下了头。

“可是我看见你在吃,你一共吃了六个。”

“不是,姐姐……”

“什么,你是说你只是在那儿站着,可没有吃李子,是吗?”

“不是,姐姐。我是说我不是吃了六个,我记得是吃了二十个。”小波义耳的头更低了。

波义耳的诚实,使全家人十分惊喜。

父亲特别喜爱波义耳,专门为他请来了最好的家庭教师。8岁的时候,又送他和哥哥法兰西斯到伊顿公学学习。

在伊顿,波义耳热爱学习,成天读书,连老师都为他担心,怕年龄太小,读书过度劳累。

波义耳沉浸在各种各样的书本中。他特别爱看的是古典的、传奇的、历史的故事和诗歌。在这些书的影响下,他思想活跃,想象丰富,爱提问题,有很好的记忆能力。他很快成为伊顿的优秀学生。他哥哥不是这样,经常出去玩,爱骑马,对知识只是尝尝味道而已。

诚实和勤奋,是波义耳成为科学家的起点。

青少年时期的波义耳,十分钦佩意大利著名科学家伽利略。伽利略叙述的哥白尼体系、新力学、研究自然的新途径和科学实验,都深深印刻在他的心中。1641年,他到了意大利,在那里学习伽利略的著作。可惜他到意大利不久,伽利略就逝世了。

波义耳决心像伽利略那样:不迷信权威,勇于开创科学实验的道路。

波义耳几经周折,直到27岁,他才安下心来,全力从事科学研究。这一年,他在离伦敦不远的工业和科学文化城市牛津,租了几间房子,建立了自己的实验室。一年以后,青年罗伯特·胡克来到实验室当助手。胡克比波义耳小8岁,他后来提出了胡克定律,也成为著名的物理学家、天文学家。

波义耳和胡克一起,首先研究和改进了德国人盖立克新发明的空气泵。改进后的空气泵,很像现在自行车上用的打气筒,不过它有一个相反的阀,不是打进空气,而是把空气抽出来。这种手动装置,今天看来十分简单,那时却是一个了不起的发明。

利用空气泵,波义耳研究了许多问题。他发现:物质在真空中难以燃烧,磁铁却能通过真空起作用。

那时候,人们对声音的传播是有争论的。声音必须靠空气传播吗?如果在真空中产生一个声音,它能在真空中传播吗?波义耳通过实验做了回答:他用绳子把钟吊在密闭容器的中间,这时候,在容器旁边能听到钟的滴答声。这说明容器里有空气,声音就能传到外面。然后,他从容器中抽出空气。当空气一点点往外抽时,钟的滴嗒声越来越小,很快就听不到了,再把空气逐渐放进容器时,声音又由无到有,由小到大,响了起来。这说明声音靠空气传播,真空不能传播声音。

随后,波义耳又研究了意大利物理学家托里拆利的真空实验。

1643年,托里拆利在一根大约1米长、一端封闭的玻璃管里装满水银,然后用拇指堵住管口,把管子倒立在水银槽里。当他松开拇指以后,管子里的水银开始下降,最后停留在高出槽里水银面约76厘米的地方,不再下降。

水银柱为什么能停在那里不落下来呢?这个问题,当时争论激烈。托里拆利认为,这是因为大气压力对槽中水银面的作用的结果,所以这套装置,实际上就是一个气压计。波义耳同意托里拆利的看法,并且用实验来加以证实:他把托里拆利实验中的水银槽放到密闭的容器中,把容器中的空气不断地抽出,管中的水银柱就不断下降。等到再把空气一点一点送进去,管中的水银柱又逐渐升高起来。这说明水银柱不掉下来,是因为外面有空气的压力。

在事实面前,也有人不同意这种看法。比利时物理教授李纳斯就对波义耳的说法提出了异议。他认为:托里拆利实验中的水银柱所以不掉下去,并不是因为有大气压力,而因为管子上面的真空部分有一种拉力,好像一根看不见的绳索,把水银柱拉了上来,最多能拉到约76厘米的地方。

李纳斯为什么有这样奇怪的想法呢?原来,他也设计了一个实验:在一根两端开口的玻璃管里灌满了水银,用两个拇指分别按住上下两端,然后,把下端放入水银槽里,拿开按住下端的拇指,这时候,水银柱就往下降,一直降到约76厘米的地方才停住,这时候,按在上端的手指,就会感到有一个很大的拉力。他以为手指感到的拉力,就是真空部分产生的拉力。既然真空对手指有拉力,那么,它对水银也会有拉力,这就把水银柱拉到大约76厘米的地方了。

其实,李纳斯手指感到的拉力,不是真空对手指的拉力,恰好是大气压力。因为手指按住了水银管的上端,手指底下是真空,没有压力,手指上面是大气,有压力,所以手指自然会感到被管子吸拉住了。

对李纳斯的这种错误看法,波义耳觉得,最好的回答还是实验,而不是在科学杂志上发表长篇大论的文章。