NO.684 化学诞生于炼金术?


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这周我们很荣幸首发一本新书,吴军老师的《全球科技通史》。

我们这代人处在一个技术爆炸的时代。科学技术,对各行各业,对我们每个人来说,都是未来最大的变量。那么,怎么才能把握科学技术的演变规律呢?推荐你读一读吴军老师的这本著作,回到科学技术诞生的现场,拆解这些伟大发明背后的逻辑。

今天的罗胖精选,就让我们来看科技史上一个耐人寻味的片段:为什么西方的炼金术发展出了现代化学,而中国的炼丹术却停留在了神秘主义?

欢迎来到我的《科技史纲60讲》。

我们都知道炼金术是不可能实现的,但是各个文明都曾经发展过自己的炼金术。

在东方和西方(包括阿拉伯),炼金术的定位并不相同。在中国,炼金术是以制造万灵药和长生不老药为目的,因此它也被称为炼丹术。而在西方,炼金术的目的是将廉价的金属变成贵重的黄金。

无论是为了长生不老,还是为了钱财,炼金术背后都有巨大的利益驱动,因此虽然从来没有成功过,术士们仍为此一代代前仆后继,乐此不疲。比如,你可能听说过,牛顿一辈子大量的时间都花在了不靠谱的炼金术上,甚至还留下了650万字的炼金术著作。

虽然炼金术劳民伤财而且从来没有成功过,但它也并非一无是处。在中国,它催生了火药的发明;而在西方,通过炼金术,人们找到了各种各样的矿物质,提炼出一些元素,并且在这个过程中积累了化学实验的经验和方法,发明了许多实验设备。

今天的化学就源于炼金术,这个脱胎换骨的进化过程非常值得大家了解,那么早期非科学的炼金术是如何演化成现代化学的?它的背后其实是有一整套做事方法的,今天我们就来讲讲这套方法。

在西方,人们是怎么炼金的呢?举个例子,他们会选择铅,因为觉得铅和金都挺重的,也都咬得动,感觉两者的属性应该差不多,明显的差异就是在颜色上,那这个问题的关键就是让灰色的铅变黄,怎么办呢?

炼金师们觉得可燃物都是黄色的,可以通过火把黄色属性加入到铅中。就是在这样一次次的实验中,人们不仅无意中发现了很多其他物质,而且得到了一条很重要的科学研究方法,这是从炼金术到化学的一个重要转折点。

最早从炼金术士转变为化学家的,要算德国商人波兰特了。1669年,他试图从人体的尿液中提取出黄金,这可能因为它们都是黄色的缘故,于是抱着发财的目的,用尿液做了大量实验,结果意外地发现了白磷。其他的炼金术士们听到这个消息后百般打探消息,但是波兰特的保密工作做得很好,在接下来的好几年里大家对提炼磷的细节过程毫无知晓。要知道,当时很多炼金师们为了保护自己的配方,甚至会用密码来书写。

后来德国科学家孔克尔多方打听,探知这种发磷光的物质是从尿液中提取出来的,于是他也开始做类似的实验,并且在1678年成功地提取出白磷。几乎同时,英国的科学家波义耳也用相近的方法制作出了磷。

这个提取磷的方法就传播开来了,后来,波义耳的学生通过制作白磷发了财。磷的发现,标志着从炼金术到化学的第一个转折,因为不同的人用类似的方法得到了同样的结果,从此让一个新物质的发明过程变得可以验证,这一点很重要。

在从炼金术到化学过渡的这个过程中,起了最大作用的是著名科学家安托万·拉瓦锡,他在化学界的地位堪比牛顿在物理学的地位。拉瓦锡是法国末代王朝的贵族,从来不缺钱,他做化学实验只是为了探索自然的奥秘,而不是为了赚钱。拉瓦锡一生的贡献很多,最大的贡献是以下四个:

  1. 确认氧是一种化学元素(oxygen一词就是拉瓦锡创造的),并且提出了氧气助燃的学说;
  2. 证实并确立了质量守恒定律;
  3. 联合其他科学家制定了今天使用的化学物质的命名法;
  4. 制定今天广泛使用的公制度量衡。

这里面任何一项都足以让人名垂青史,相比结果,他取得每一项成就的过程,对科学的发展都更为重要。

我们先从他的第一项贡献“确认氧气的作用”说起。在拉瓦锡之前,学术界普遍认为一些物质能够燃烧,是因为其中具有所谓的“燃素”,燃烧的过程就是物质释放燃素的过程。但是人们还发现,给炉子鼓风火就能烧得更旺,把油灯的罩子盖严灯就会灭,当时的人们感觉没空气不行,但并不知道是空气中的氧气在助燃。

最早发现氧气能够助燃的其实是英国科学家普利斯特里。1774年,他在加热氧化汞时,得到一种气体,这种气体不仅能使火焰燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。遗憾的是,燃素学说在普利斯特里脑子里根深蒂固,因此他没有得出有用的结论。后来普利斯特里到了法国,向拉瓦锡介绍了自己的实验,拉瓦锡重复了他的实验,得到了相同的结果。

但是拉瓦锡不相信燃素说的解释,因为他通过定量分析和逻辑推理发现了燃素说的逻辑破绽:如果燃烧是因为物质中的燃素造成的,那么燃烧之后,灰烬的质量应该减少,而事实上,燃烧的生成物的质量是增加的,这说明一定有新的东西加入到了燃烧的产物中。

拉瓦锡在实验中有一个信条:“必须用天平进行精确测定来确定真理。”正是依靠严格测量反应物前后的质量,他才确认了在燃烧的过程中,空气中的一种气体加入了进来,而不是所谓燃素分解掉了。此外这件事再次说明,逻辑推理对于科研很重要。

在研究燃烧等一系列的化学反应过程中,拉瓦锡通过定量实验证实了极其重要的质量守恒定律。质量守恒定律奠定了化学发展的基础。这是他的第二个巨大贡献。

这个定律并不是他的独创,在拉瓦锡之前很多自然哲学家与化学家都有过类似观点,但是由于对实验前后质量测定的不准确,这一观点无法让人信服,因此只是一种假说。拉瓦锡通过精确的定量实验,证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态,但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。

由于有了量化度量的基础,拉瓦锡可以用准确的化学语言阐明这个原理。讲到这里,你能否回想起毕达哥拉斯定律?虽然早期许多文明都找到了很多勾股数,但是不明白其中的道理,而毕达哥拉斯证明了那是一个普遍规律,于是以后所有的人都可以大胆地应用了。这便是工匠结论和科学理论的区别,而区别的一个主要原因在于得到结论的方法。

正如牛顿建立了经典物理学的体系一样,拉瓦锡建立起化学的体系,有了拉瓦锡,化学这个学科才有了规则,这是拉瓦锡的第三个贡献。一个科学体系的建立,首先要将各种概念定义清楚,今天化学上的很多概念就是拉瓦锡定义的,更重要的是化学物质的命名方法是他确定的。

拉瓦锡等人指出每种物质必须有一个固定名称,而且它的名称要尽可能地反映出其组成成分和特性。比如我们今天说食盐的化学名称是氯化钠,这种命名法则,就是拉瓦锡确定的。

从炼金术过渡到化学,从根本上讲是对各种化学反应由感性上升到理性,从感觉到量化的过程。要量化,做理性分析,就需要准确收集信息,当然就需要有统一的度量衡单位。为此,拉瓦锡领导了法国的一个委员会,确定了今天全世界通用的公制,比如米制系统,质量标准里的千克等,这是他的最后一项重大贡献。

拉瓦锡最后的结局非常悲惨。他被卷入了大革命的斗争,最终被判处了极刑。欧洲各国学会纷纷向国会请求赦免拉瓦锡,以便他可以继续开展科学实验,但法官声称:“共和国不需要科学家或化学家,审判不能推迟。”

1794年5月8日,拉瓦锡被送上了断头台。他泰然受刑而死,据说在行刑前他和刽子手约定自己被砍头后尽可能多眨眼,以此来确定头砍下后是否还有感觉,这是他最后一次进行的科学研究。不过这个说法正史上没有记载。

对于拉瓦锡之死,著名的数学家拉格朗日痛心地说:“他们可以一眨眼就把他的头砍下来,但他那样的头脑一百年再也长不出一个来了。”

拉瓦锡不仅在化学发展史上建立了不朽功绩,而且确立了实验在自然科学研究中的重要性。拉瓦锡讲,“不靠猜想,而要根据事实”,“没有充分的实验根据,从不推导严格的定律”。拉瓦锡所倡导的研究方法一直沿用至今。无论是在学术上的成就,还是在方法论上的贡献,拉瓦锡都无愧于“化学界的牛顿”和“现代化学之父”的赞誉。

要点总结:

1. 可验证性、可重复性是判定科学和非科学的标志之一。

2. 拉瓦锡实践了笛卡尔的方法论,他具体的做法是:理性批判,化繁为简,先易后难,归纳综合。他最大的贡献在于搭建化学这个知识体系,而不仅仅是发现一些知识点。

3. 构建一个知识体系,首先要定义概念,确定度量,我们今天在做事情的时候,常常先要把考核衡量标准制定好,就是这个道理。

4. 在科学上,定量实验和定量分析非常关键,今天我们在工作中,没有数据和信息,就不能随意下结论。

最后我们用拉瓦锡的一句名言结束今天的课程:“必须用天平进行精确测定来确定真理。”

内容听完了,我是罗胖。

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好,罗胖精选,明天见。