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2021-03-01從原子學說看 近代科學的運作 615 期

Author 作者 蔡蘊明/美國俄亥俄州立大學博士,於麻省理工學院進行博後研究。1985年進入臺大化學系,現為臺大名譽教授。
西方科學起源於2000多年前的古希臘,該時期許多哲學家對大自然的運作極為好奇,企圖建立一些合理的想法來理解萬物根源,也期望能跳脫神明的思維,建立一個理性的社會文明和秩序。在大約西元前478年,就已經有一位留基伯(Leucippus)提出了原子學說,用來解釋物質結構的基礎,只不過他的學說因缺乏紀錄,現今留存的資料大多來自於約西元前420年時期,其學生德謨克利特(Democritus)的闡述。

此時期的原子學說,主張物質是由無法再進一步分割的「原子」(atom)所組成,此詞的希臘字源atomon 就具有不能分割的意思。不同形狀的原子,以各種方式結合而生成不同性質的物質,而原子則是在真空中以紊亂的方式不斷運動。這個想法,驚人的與現代的原子學說非常相近,可惜的是並未成為顯學,主因在於希臘哲學家亞里斯多德(Aristotélēs)無法接受真空的存在。而亞里斯多德提出水(water)、火(fire)、土(earth)和氣(air)四元素為物質組成根本的學說,則成為往後約2000年的主流思想。

實驗科學造成的變革—拉瓦節與質量守恆定律

另一個原子學說未能成為顯學的原因,則在於希臘人著重於思辯而缺乏起而行的實驗精神。但即便理論層次無多進展,化學技術仍因鍊金術士(alchemist)的不斷嘗試而持續進步。17世紀實驗科學興起,英國哲學家培根(Francis Bacon)主張:實驗必須適當規畫,其結果需要仔細記錄以便複製及確認。這樣的科學態度即便放在今日亦為黃金準則,慢慢導致四元素說開始受到強烈挑戰,終被破除。科學的方法和思維逐漸成熟,理論要經由實驗來驗證,成為不變法則。

在18世紀時,燃燒與氣體研究可稱為顯學,法國科學家拉瓦節(Antoine Lavoisier)奠定了現代元素的意義:物質為不同元素所組成,一物質若無法被分解成兩種以
上的物質時,即應視為元素。他在1789年出版的《化學基礎論》(Traité Élémentaire de Chimie)一書中,已經列出33種元素,其中包括了氫(hydrogen, H)和氧(oxygen, O)。他以嚴謹的重量分析,展示了化學反應的開始與結束不會有重量改變,建立了化學變化的質量守恆定律。

透過拉瓦節所發展的元素分析,可決定兩個元素結合時相對的質量比例。例如將10克汞(mercury, Hg)金屬完全氧化產生氧化汞(HgO),重量增為10.8克,則代表有0.8克的氧與汞結合,可推論出氧化汞是由氧與汞以0.8:10的質量比例結合而成。從一些物質的元素分析結果,法國科學家普魯斯特(Joseph Proust)在1799年提出了定比定律,指出「物質是由特定元素以固定質量比例組成,而無關於其產處或製造方法」。這個定律在19世紀初被大多數科學家接受。……【更多內容請閱讀科學月刊第615期】