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第5章 波义耳

波义耳在1627年的1月25日出生于爱尔兰的一个贵族家庭。波义耳的父亲科克公爵有钱有势,整天就忙于财务账册,对书本上的知识不感兴趣。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,伯爵家的这个小儿子,后来成了杰出的科学家。

(一)波义耳的少年时光

幼年时代的波义耳,就表现出了与众不相同的品质。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。

最后姐姐说他吃了6个的时候,他居然坦然地承认自己吃了二十个,小波义耳的诚实让全家人很是惊喜。

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,读书过累了。

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。

(二)勇敢追求真理

波义耳在青少年时候,就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,都深深的刻在他的心中。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。

波义耳决心要像伽利略一样:不迷信权威,勇于开创科学实验的道路。

波义耳经过几次周折,直到27岁的时候,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。

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

在当时,对于声音的传播还是有争论的。声音真的必须依靠空气传播吗?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嗒声。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,托里拆利做了一个实验,他用一根大约一米长、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。

为什么水银柱就能停在那里不下落呢?这个问题,在当时引起了激烈的争论。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:波义耳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。

虽然事实摆在面前,但是还是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。

李纳斯为什么会有这么一个奇怪的想法呢?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。

波义耳正是在收集答复李纳斯批评的实验论据时,发现了气体的压强和体积之间的比例关系。这就是波义耳定律。

波义耳用一根J形管做实验。管子短的一端是封闭的,长的一端是开口的。他往J形管里灌水银,水银顺着玻璃管流下去,但是不能升到短的一头的顶端。因为里面的空气,给堵在那一头了。

开初,长管和短管中的水银面,在同一水平面上,波义耳知道,这时候,水银柱两端的压强相等。长管开口的一端,水银面上所受的压强就是大气压,它大约是76厘米水银柱高。波义耳仔细测量了短管中被封住的那段空气的体积。因为玻璃管的粗细是均匀的,所以可以用短管中的空气的长度来表示体积。他记下的数据是48个小格。

然后,波义耳不断往长管里加水银,封闭在短管中的空气体积就越来越小。波义耳惊喜地发现:当长管中的水银柱液面,比短管中的水银柱液面高出大约76厘米,也就是压强比原来加大一倍的时候,短管中的空气恰好从48小格缩小到24小格,正好缩小到原来体积的一半。

波义耳继续往长管中灌水银,发现压强为大气压3倍的时候,短管中的体积就缩小到16格,是原来的1/3。

这样,波义耳就把他的实验结果,归纳为一个公式:在温度不变的条件下,一定质量的气体的压强,跟它的体积成反比。这就是著名的波义耳定律。

波义耳通过周密、精细的实验,发现真理,证实真理,批驳了李纳斯的错误观点。他的实验方法,使当时科学界耳目一新。

波义耳始终如一,保持求实精神。他总是老老实实地写出实验中的成功和失败,开诚布公,直言不讳,报告每一件事。即使在小事上,他也注意到不要违反事实。当他的第一部著作《手动机械的新实验》发表后,人们都称他研究真空所用的泵为波义耳泵。等这本著作再版的时候,他实事求是地说明:这个泵主要是胡克搞成的。

波义耳的《手动机械的新实验》出版后,不仅科学家谈论真空和空气的弹性,就连英国国王,也要求波义耳给他作一次私下的表演。朝廷要授予他贵族称号,教会要给他安排一个显赫高位,但是他对这些都不感兴趣,婉言谢绝了。他唯一的爱好是科学实验。

1661年,波义耳发表了他最著名的著作《怀疑派化学家》。

在波义耳那个时候,还没有真正的化学科学,只有一种行业叫做炼金术,从事炼金术的人叫做炼金术士。炼金术士企图变铅铜为金银,变普通金属为贵金属。这种想法是不可能实现的。但是,从11世纪到17世纪,炼金术士还是为人们增添了很多化学技术知识。他们从天然矿石中提取金属,发现药材,制造玻璃,蒸馏酒精,配制药品。他们掌握了不少实验技术,认识了贵金属和其他一些物质的性质,研究出了配制和使用盐酸、硫酸和硝酸的方法。

炼金术以古希腊四元素论为依据,它的指导思想是错误的。四元素论认为:世界上所有的物质,都是由土水气火四元素组成。炼金术士根据四元素论,以为只要改变物质中的这四种元素比例,就能使普通金属变成贵金属。这使他们走上了迷途。

波义耳看到了炼金术士的荒谬之处。他通过多次实验,知道铁是铁,金是金,不可能用火一烧,铁就变成了金。他认为:把一个理论建立在概念上是十分危险的。

波义耳用买验批驳了炼金术士的错误,第一个提出了科学的元素概念,使化学的发展走上了正确的道路。他的第一本化学著作取名为《怀疑派化学家》,就是表示他对传统的四元素论的怀疑。

在这一本书中,波义耳大胆提出了什么是元素,什么不是元素的看法。他说:元素是确定的、实在的、单一的纯净物质,用一般的化学方法,是不能把元素分解成更简单的物质的。假使某种物质能分解成更简单的物质,或者能转化为其他物质,那么,这种物质就不是元素。波义耳抛弃了各种错误见解,给元素下了一个明确的定义。

由于历史的限制,波义耳没有解决怎样得到元素和元素有哪些种这两个问题。但是,他从实验中已经得出结论:元素肯定不是只有三种、四种,而是有许多种。

波义耳提出了正确的元素概念,他被公认为近代化学的奠基人。

在波义耳的基础上,法国科学家拉瓦锡,给元素下了更明确的定义:元素是一种不能再分解的单一物质。

(三)科学探索的勇士

波义耳每天每天过得很充实,他早上很早就去实验室或者图书馆去了,在那里做实验,看书,写字,给皇家学会写报告。晚上,他在蜡烛光下读书,直到深夜。眼睛变坏以后,就请助手念给他听。这个文弱的高个子学者,总是不顾有病的身体,不停地学习和工作。

波义耳兴趣广泛,有孩子式的好奇心和不倦的探索精神,同时他也发现了好多的问题:把铜盐放在火上,火焰就成为绿色;氨和硝酸或者盐酸相遇,就会形成白色的烟雾。

用加银盐溶液的方法,可以测试出氯化物。如果有氯化物存在,加入银盐溶液,就会产生白色的氯化银沉淀。

一张浸泡过石蕊浸液的蓝色纸条,碰到酸就会变成红色,碰到碱又会变成蓝色。他指出,一些植物的液汁,可以用作确定酸性、碱性或者中性的指示剂。

波义耳为化学定性分析,作出了重要的贡献。

大约在1669年,一个名叫勃兰特的德国炼金术士发现了磷。化学家肯格尔听到这个消息,很想知道制造这种能发光的稀奇物质的方法,就到汉堡向这个炼金术士请教。但是,他遭到了拒绝。

后来,化学家克拉夫脱也去找这个炼金术士,想了解制磷的方法,同样遭到拒绝。他们只能自己去探索制取磷的奥妙。

1680年,克拉夫脱带着磷的样品访问英国时,向波义耳透露人体中就有磷。波义耳仔细考虑了克拉夫脱的暗示以后,认定人体中能产生磷的部分,是骨头、尿和头发。于是,他着手研究这个问题。

波义耳花了一年多时间,经过反复摸索、试验,终于从人尿中提取出来了磷。在《关于冰冷的夜光的新实验和新观察》一文中,他谈到了不少有关磷的性能,引起了科学界的注意,被公认为独立发现磷的人。

波义耳不管自己有什么发现,都会原原本本,老老实实的全部公诸于世。他十分厌恶知识保密,认为这种愚蠢幼稚的坏习气,是妨碍科学成长的巨大障碍。他一辈子同它进行斗争。他提倡,各种成果和情报共同使用,分歧观点公开讨论,并且要使用简单明白的语言。

科学要想进步,就不能只靠一个人努力,必须允许在别人的研究基础上前进才行。波义耳言行一致。他有什么新发现,就尽快公开发表,供大家阅读和使用。

1670年,也就是波义耳搬到伦敦他姐姐家两年后,瘫痪病第一次迫使这位科学家,在床上躺了11个月。

波义耳是一个意志坚强的人。在病床上,他用各种药剂和药膏按摩麻痹的腿和脚,服用自制的各种新药。他还自己设计了恢复手臂和腿的功能的体操,坚持锻炼。

就在身体条件这样不好的情况下,波义耳仍然不肯让自己的脑子闲起来。每天,他都和助手一起工作;由助手念书给他听,记下他口授的文章,包括新实验的设想。正因为如此,在得病后的一年里,波义耳还写出了不少有价值的论文和书籍。

波义耳温和、诚实、无私,给所有认识他的人都留下了深刻的印象。在争论的时候,问题不管多大,程度不管多激烈,他绝不嘲笑或者谩骂,总是真诚相待,彬彬有礼。他的头脑清醒而冷静,没有虚荣心和嫉妒心,从来也不关心名望和高位。1680年,波义耳53岁的时候,曾被提名为皇家学会会长。这是一种极受尊敬的职务,但是他谢绝了。

1691年,波义耳和姐姐凯塞琳都病的很厉害。凯塞琳于1691年12月23日去世。波义耳4岁丧母,一辈子没有结过婚,姐姐凯塞琳是一生中对他支持最大的人,也是他最亲近的人。他的去世对波义耳的打击太大了。一个星期后波义耳也离开了人世。

波义耳的一生,的确像他自己说的那样:“我愿人们这样想我,除了自然界以外,我几乎没有看过任何别的书。我永远尊重这位最有益的作者,他不是努力去显示自己的学问,而是努力去增添他的读者的知识!”

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