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用科學打臉的先驅:波以耳與《懷疑的化學家》(下)

LIS_96
・2016/12/07 ・2231字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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前情提要:


《懷疑的化學家》整本書問了快十個問題,當中對元素吵了近半的篇幅,因為這是自古以來大家都嚴重錯誤的觀念,至於個別擊倒的部分,波以耳還藉波派的嘴說了:「火絕對不是萬用的分析工具,因為經過火的反應並不是都減少質量,有些甚至燃燒之後質量增加了。分離物質的方法百百種,像是黃金溶王水就是分離合金中黃金成分的好方法。」(過去煉金術認為火可以分解所有物質)

火絕對不是萬用的分析工具。圖 /static.pixels.com

以及物質發生混合的時候,亞里斯多德所說的「同化」(液體加入大量水中會被水同化成水,而金屬加入大量黃金的話原本的金屬就會被同化成黃金)是十分荒謬的,我認為物質在混合的時候他們有兩種狀況:第一種情況只是元素們互相混合,但是他們其實還保有自己的性質,只是沒有顯露出來罷了;第二種情況就是元素粒子(原子)的微結構發現改變,參與融合的粒子因為融合而失去原有性質但得到新性質。」這裡就可以看出來物理變化跟化學變化的模糊概念已經在這時候出現了

《懷疑的化學家》這本由十分冗長的對話寫而成的著作裡,也直接或間接的將波以耳所重視的觀念傳達給閱讀這本書的讀者。首先,波以耳認為科學應該建立於實驗的基礎上,藉著觀察後發展出理論,而非先建立理論然後再進行實驗去證明理論。因為波以耳認為大自然的規則應該是放諸四海皆準的,在有限定的條件下,我們便能看見這些規則,而不是一個規則只能適用特例或是少數狀況。藉由實驗我們可以減少很多不確定的因素,建立在實驗之下的觀察才更具參考價值,而這些實驗也必須讓大家一目了然,否則最後只會變成巫師蠱惑大眾般的行為。

第二,波以耳認為物質是由機械論來進行運作,物質的微小粒子都遵守這項規則。雖然當時還無法解釋化學反應物質本質上為何產生變化,但是這種微粒觀的機械論卻可以解釋他的波以耳定律。說的更清楚的話,就是波以耳的粒子觀若是不討論性質只討論物質運動所產生的現象時相當有效,這裡以更清楚的方式來解釋現象的發生,而非使用曖昧不明的話語來形容現象的轉變。以上兩點讓科學逐漸朝向更為純粹的求知,也避免了更多謬誤繼續流傳下去,而煉金術就在這樣條件下,間接地被判了死刑,因為鍊金術的神秘色彩正是科學最大的忌諱,所以後人都稱《懷疑的化學家》就是煉金術的死刑執行令。

未命名
波以耳認為物質是由機械論來進行運作,物質的微小粒子都遵守這項規則。圖 / LIS 線上教學平台提供

《懷疑的化學家》在上市後逐漸發酵。原本科學界並沒有特別注意這本書,可是隨著人們的討論,這些思想開始蔓延開來,科學家該相信的究竟是先人所流傳下來的古老智慧,還是眼前實驗所展示出的結果呢?這種想法確實衝擊了當代人的信仰,它無關宗教,反而是一種對於科學這種信仰的反思,我們究竟是依據什麼相信它呢?

就現今來說也是如此,我們靠著古老的智慧一樣可以活得好好的,這沒什麼不好。只是進步這回事除了繼承前人的智慧之外,我們還有要判斷真知的能力,否則若是古老智慧的方向背離了現實,而我們也照單全收的結果,就是出現現實的矛盾或是難有突破。若是要真的要更接近知識,我們就必須了解自己的無知,這裡的無知不是什麼都不懂,而是了解到自己不懂的事情還很多,當我們保有這種態度時,我們就不會把一切都視為理所當然。因為這些理所當然多半是「我認為我懂了」,實際上你只是用一句話來包裝你的一無所知罷了。

回過頭來看,科學進步的動力,不就是對過去的智慧提出疑問嗎?當我發現過去的智慧用朦朧的字眼解釋一切時,我們真的能了解現實究竟發生了什麼事嗎?這不管是過去還是現在,懂得懷疑,我們就可能更接近現實。

《懷疑的化學家》除了帶給世界新的化學觀念,更重要的是提醒世人永遠保持懷疑的精神。圖/static.pixels.com

說完《懷疑的化學家》我們回頭來說說波以耳吧,一個富二代、單身、有口吃、還體弱多病的英國人;沒有超高的智商,沒有跨時代的發明(不過他有發明石蕊試紙和空氣泵),沒有乖僻的性格也沒有發現蘋果掉落就靈光乍現的靈感。這樣的人為何能夠將化學從充滿煙霧的煉金密室拉出,轉為攤在世人眼光下的科學實驗室呢?人們稱波以耳為「化學之父」,他曾說過「我們所說的化學,絕不是醫學或是藥學的婢女,也不甘做工藝和冶金的奴僕,他是探索宇宙的一面,是為追求真理而追求真理的化學。」當時的煉金術分為冶金、製藥、礦物三個方向,化學只是製藥裡面的一小部分。波以耳以實驗的角度、機械論的觀點,發現了真正的知識就藏在煉金術這團大學問中,並將其從中提煉出來,成為追求知識的新學問。或許,化學也算是煉金術裡面等待著人們去煉成的黃金吧。

參考資料

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LIS_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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爲什麽你該認識馬丁.魯維克——《地球深歷史》導讀
左岸文化_96
・2021/04/22 ・6867字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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  • 導讀 / 洪廣冀(國立臺灣大學地理環境資源學系)
  • 書籍作者 / 馬丁・魯維克 (Martin J.S. Rudwick);譯者 / 馮奕達

導論一、“You should”

我已經記不得確實的時間了,但那應該是二○○七年左右。當時的我為哈佛大學科學史系的博士班研究生,一心一意想處理與臺灣或東亞科學史相關的題目。某天下午,系上舉辦演講,講者便是各位手中這本書的作者:馬丁.魯維克。在介紹講者時,主持人強調,魯維克教授曾是著名的地質學者,後來轉行當地質學史家,同樣做得有有聲有色;此跨領域且悠遊在自然科學與人文學的經驗,值得各位參考與倣傚云云。演講後,系上老師與同學聚在一起討論;我的指導老師、生物學史家珍妮特.布朗(Janet Browne)叫住我,問我是否熟悉魯維克教授的研究。我說我不太清楚;老師的臉色有些凝重,說道:“You should.”

從著名地質學者轉行當地質學史家的馬丁.魯維克教授。圖/sciencebookaday.com

這句 “You should” 一直迴盪在我心裡。作為學生,我從善如流,盡可能熟悉這位魯維克教授的著作,其中便包括《地球深歷史》。從科學史的角度,魯維克教授的貢獻至少有三:首先,由於其在地質學上的造詣,當科學史界開始宣稱要打開科學的黑箱、釐清社會條件與科學知識生產的因果關係時,魯維克教授是少數能觸及此理想狀態的研究者。再者,在論及近代生物學史時,研究者自然而然地將達爾文帶出的演化論風潮視為分水嶺;然而,就魯維克教授而言,至少在地質學史中,主要突破卻發生在一八○○年左右;在那個時期,人們終於體會到,就如同地球不是宇宙中不變的中心一般,歷史不再為人類所獨佔;人類史不過是地球歷史中極短暫的一段,甚至是微不足道的一段。第三,當科學史家不再把一八○○年代的地質學視為達爾文革命的先聲,也不再把當時的思想與爭論當成恭迎達爾文出場的墊腳石,魯維克教授認為,科學史家就可多少擺脫不時為祟在科學史寫作中「勝者為王」的「輝格史觀」。

然而,即便現在的我可以琅琅上口魯維克教授在科學史上的貢獻,我必須說,除了「指導老師交代」外,當時的我看不出什麼「你應該閱讀魯維克」的理由。我不是地質學出身,也不打算研究地質學史;事實上,我必須承認,在唸高中時,地球科學一直是讓我感到棘手的科目。相較於我感興趣的生物學,地球科學涉及的時空尺度過於龐大,超乎我可以想像的地步。再者,如黃相輔博士在另篇導論中指出的,魯維克教授為虔誠的基督徒,而他一系列地質學史著作的基調便是要化解宗教與科學的對立。但問題是,我非基督徒,且在我的成長經驗中,我從未體會到該對立,自然也無透過魯維克的著作來化解該衝突的必要。所以,除了幫助我一窺科學史的堂奧、進而取得該學科的入場券外,為何我需要知道魯維克教授的著作?

我的問題應該也是各位讀者的問題。在這個注意力只能維持三十秒的年代,為何你需要閱讀一本時間尺度達四十五億年的書?這需要一些理由。作為一名科學史研究者,我可以做的,就是盡可能地帶領讀者,回到魯維克這個人,以及他所處的時代。

與魯維克喝咖啡

時間來到二○一四年的劍橋大學。當時的我是該校李約瑟研究所(Needham Research Institute)的博士後研究員,不時會晃到位於自由學院巷(Free School Lane)的科學史與哲學系(Department of History and Philosophy of Science)聽演講。十月二十四日當天,我報名參加了該系主辦的「與科學家喝咖啡」活動,講者又是魯維克。身為該系元老的他,顯然非常重視這回演講。在演講前,他寄給與會者一篇題為 “Fossils and History: Recollections across Two Cultures” 的自傳;在文章開頭,他加了個段落,表示該文是為英國國家學術院(British Academy;魯維克於二○○八年獲選為該院院士)歸檔用,不是為了出版(Not for Publication)。演講當天,當時八十二歲的魯維克教授,開誠佈公、毫不藏私地回答了他反覆被問到的問題:「你是如何、何時以及為何把自己從自然科學家轉為人文學者?」

科學與人文的「兩種文化」常被化約,視爲相互對立的關係。圖/Pexels

時間倒推到一九五九年五月七日。魯維克與其他劍橋大學的學生,簇擁在劍橋的評議會大樓(Senate House),聆聽物理學家、小說家與科技官僚查爾斯.史諾(C. P. Snow, 1905-1980)的里德講座(Rede Lecture)。史諾的講題是〈兩種文化與科學革命〉(The Two Cultures and the Scientific Revolution)。在該演講中,史諾認為,在當時的英國,科學與人文的鴻溝已加深擴大,至雙方難以溝通、相互鄙視的程度。就史諾而言,根本原因是,科學與人文係屬「兩種文化」;這是現行英國教育制度的結果,但對於英國未來的發展,並無好處。年輕的魯維克並未對史諾的演講留下深刻印象。日後,當史諾將其演講出版為專書、引發大論戰時,他難以理解,為何如此化約、視科學與人文除了敵對關係外別無其他的見解,竟會有那麼多人買單。為何年輕的魯維克會冷眼看待史諾的語重心長?又為何在將近半世紀後,他會撿起史諾演講的標題,當成是學術生涯的註腳?

魯維克從他的家庭教育談起。生於一九三二年的魯維克,父親為西敏公學(Westminster School)的物理老師,而教父則為中世紀壁畫的權威克萊夫.勞斯(Clive Rouse)。在魯維克小時候,他父親期許他能走上物理研究這條路;然而,一日,魯維克在花園中找到海膽的化石,大感興趣;更讓他感到驚喜的,他鑽研中世紀壁畫的教父勞斯,竟然送給他一盒菊石化石,鼓勵他走上地質學研究的道路。一九四五年,當十三歲的魯維克進入哈羅公學(Harrow School)就讀。他發現,不同於家中多元且開放的學習氛圍,校方竟要求他得在古典(Classical)與現代(Modern)中抉擇。所謂「古典」是以歷史學為主的人文學,而「現代」則為自然科學。魯維克選擇了「現代」,這讓校方頗為失望。因為,按當時英國中學教育的標準,如魯維克這樣傑出的學生,應以「古典」為職志,「現代」是留給那些「次等的心靈」(second-class mind)。即便如此,在求學階段,魯維克遇到一位擁有博士學位的生物學老師道格拉斯.里德(Douglas Reid)。里德除了帶著魯維克閱讀生物學的經典外,還指導他進行端足類(Amphipods)的分類。魯維克花了相當時間,對著圖鑑,兩眼盯著顯微鏡,探究自英國周遭海域採回來的活體標本。魯維克頗為滿意此自主學習的成果,將之寫成論文,發表在《自然史雜誌》(Magazine of Natural History)上—該文也成為魯維克多產之學術生涯中的首篇論文。在高中生涯接近尾聲時,他參加了劍橋大學的入學甄試。他報考了生物、化學與地質學,於地質學的表現最為傑出。一九五○年起,他開始於劍橋大學地質學系就讀。

魯維克不畏跨領域挑戰的進取,或與劍橋大學三一學院的氛圍有關。圖/wikimedia

在劍橋大學,魯維克受益於該校的 Tripos 制度,即在選定專業科目前,可廣泛涉獵相關學科。一趟前往懷特島(Isle of Wight)檢視第三紀之地層構造(the Tertiary strata)的田野經驗讓魯維克對古生態學(palaeo-ecology)感興趣。依他所見,這在當時仍屬新穎的學科,既可結合他對分類學的興趣,也可讓其興趣不至於被傳統分類學限制住,而可進一步探索古生物及其環境的關係。一九五三年,魯維克以第一名畢業,且獲得地質系、三一學院等機構的獎學金,以及政府的研究獎勵,讓他可以三年為期,於劍橋繼續鑽研古生態學。一九五五年,年僅二十三歲的魯維克被聘為劍橋大學地質學系的 “demonstrator”(相當於美國的助理教授),翌年更被選為三一學院的學生院士(junior research fellow)。

接二連三的榮譽與肯定並未讓魯維克就此停留在他已相對熟悉的古生態學領域。他亟思挑戰困難的博論題目,讓他可在地質學中站穩腳跟。魯維克的進取或與三一學院的氛圍有關。身為該院的學生院士,他可自在地向「古典」與「現代」領域中卓然有成的資深院士請益。這時的魯維克還未接觸到史諾的「兩種文化」;難怪,當他接觸到後,他無法接受當中「做人文者」與「做科學者」往往無法溝通,因為這並不是他在三一學院接受到的刺激。

接著,魯維克開始對「功能形態學」(functional morphology)感興趣,且把對象設定在雖有大量化石證據、然只有少量物種留存至今日、導致活體實驗與野外觀察幾近不可能的腕族類動物(brachiopods)。當他在標本館中檢視該動物的化石標本,欣賞其結構的對稱、揣摩其可能的功能時,他想起在哈羅公學時曾涉獵的生物學經典:愛德華・羅素(E. S. Russell)的《形式與功能》(Form and Function, 1916),特別是當中論及法國博物學者居維葉(Georges Cuvier, 1769–1832)的段落。

居維葉認為,透過緊密地將結構與功能整合在一起,每類生物得適應(adapt)其特定的生活模式(mode of life)。以此概念為出發點,居維葉大膽地重建他認為已然滅絕的長毛象(mammoth)與乳齒象(mastodon)的化石標本。魯維克認為,居維葉重組這些已滅絕之動物的概念與手法,有助於他對腕足動物之功能形態學的研究。於是,他到圖書館,閱讀居維葉的原典與相關手稿。

魯維克教授前期專注在以化石與現存腕族動物的功能形態學研究上。圖/Pixabay

他精準掌握了居維葉至當代的功能形態學系譜,再加上三一學院對其研究的支援,魯維克於一九五八年以〈化石腕族類的功能形態學研究〉(Studies in the Functional Morphology of Fossil Brachiopods)一文取得博士學位。翌年,他在深具影響力的《地質學雜誌》(Geological Magazine)上一口氣發表兩篇論文,宣告一名年輕地質學者的誕生,以及一個少為地質學者所知之取向的成熟。在後續七年間,魯維克持續探索化石與現存腕族動物的功能形態學,於一九六五年獲聘為劍橋地質系的講師(University Lecturer)。按當時劍橋的規定,這意味著魯維克已通過終身聘任制(tenure)的考驗,可在其喜愛的領域鑽研,直到退休。

如果說已被地質學者視為「歷史」的居維葉為魯維克的地質學帶來突破,那麼,他則以其地質學研究經驗為地質學史帶來新意。原來,在細讀居維葉的原典後,魯維克感到好奇,為何如此傑出的博物學者竟會拒絕接受當時已略具雛形的「物種會變化」的演化思想,並設法撲滅之?他開始閱讀生物學史的著作,且把握各種與科學史家交流的機會。讓他失望的,其在地質學的同儕就罷了,多數他遇見的科學史研究者,多不把居維葉當一回事,甚至認為居維葉的存在阻撓了演化論於法國的生成與傳播。

魯維克不免好奇,為何科學史研究者總以後見之明來評價居維葉,而不是回到居維葉所處的時代,設身處地理解居維葉的科學及其貢獻?為何科學史家會對居維葉深具突破性的功能形態學視而不見?同時,他也感到訝異,為何不管在研究材料的選擇上,科學史研究者會如此執著於文本,彷彿其研究對象不會以圖像溝通似的?魯維克認為,如此「重文本而輕圖像」的作法,恐怕會讓科學史研究者錯估科學知識生成與溝通的方式;因為,至少在地質學界,相較於文字,研究者更傾向以圖像來思考與溝通。

魯維克認爲科學史界「重文本而輕圖像」的作法,恐怕會讓科學史研究者錯估科學知識生成與溝通的方式。圖/Pixabay

最後,他也發現,相較於地質學者,科學史研究者似乎不做「田野」,也不把其研究對象的田野工作當一回事。同樣從地質學觀點,魯維克認為,不把田野及田野工作視為科學知識之生產地與實作,科學史家恐難以真正窺見科學研究者的心靈,遑論探究新理論生成的時空脈絡。於是,在一九六○年代,也就是魯維克逐步確立其在地質學的地位時,他也開始在科學史相關的期刊上發表論文,拋出前述疑問,並從地質學的觀點提出解答。對此,一位「柯廷翰女士」(Mrs Cottingham)居功厥偉。

原來,柯廷翰繼承了倫敦地質學會(Geological Society)之創建者與首位會長喬治.格林努格(George Greenough)的手稿。該手稿未經整理,也未有研究者使用過;柯廷翰希望魯維克能幫她整理,並據此撰寫格林努格的傳記。魯維克欣然答應。在整理並閱讀格林努格的手稿與通信的過程中,魯維克發現一落信件,以紅帶繫著,上頭有格林努格的筆跡,寫著「泥盆紀大爭議」(Great Devonian controversy)。在謄寫這批信件的過程中,魯維克得以重訪此當代地質學者已少有人知的爭議,理解科學爭議係如何生成、延燒與閉合。日後(一九八五),運用這批材料,魯維克完成其成名作;書名就叫做《泥盆紀大爭議:紳士專業者中科學知識的形塑》(The Great Devonian Controversy: The Shaping of Scientific Knowledge among Gentlemanly Specialists)。

一九六七年,當周遭的人都認為,這位三十五歲的年輕地質學者,會在自己的專業領域中持續耕耘,同時以歷史為副業或「娛樂」,直至退休,魯維克做了讓人驚駭的決定:他離開了地質系,轉至甫成立的科學史與哲學系任教。按魯維克日後的說法,當時的他,遭逢了中年危機;只是,有中年危機的不是他,而是他在地質學系的同儕。魯維克認為,相較於正在蓬勃發展的美國地質學,劍橋的地質學者似乎都在自己的舒適圈中做研究;當美國地質學界已培育出如古爾德(Stephen Jay Gould, 1941—2002)這樣優秀的新生代時,劍橋地質系顯得格外死氣沉沉。當這個他自一九五○年起便生活其中的系所不能再給予他智識上的刺激,魯維克決定出走。此舉激怒了他在系上的同儕,認為這是難以原諒的的背叛。魯維克不以為意,因為他已在自由學院巷的科學史與哲學系,找到他的新天地。

一九七四年,魯維克再度出走,至荷蘭自由大學(Free University)擔任「自然科學之歷史與社會面向」的教授。他的夢想是在該校建立科技與社會的研究群。他注意到,在愛丁堡大學,有群年輕的歷史學者、社會學者與哲學者,組成科學研究部(Science Studies Unit),以全新的視野,至少不是他曾大為感冒的輝格史觀,探索科學知識與其社會條件間的因果關係。他希望能在自由大學有個類似的部門,與日後被稱為「愛丁堡學派」的學者們,共同打造「科學研究」或說「科技與社會」此新興領域。

薩頓獎章是爲了紀念科學史學科的奠基人——比利時科學史學者喬治·薩頓而設立。圖/wikimedia

一九八○年,自由大學遭逢政治危機;魯維克的同儕、摯友與學術夥伴遭左翼學生攻擊,而校方並未捍衛校園中根本的學術自由,這讓魯維克憤而辭職。過來五年,魯維克帶著家人,過著顛沛流離的生活,以訪問學者的身分,在倫敦、劍橋、普林斯頓與耶路撒冷間遊走。一九八五年,普林斯頓大學聘魯維克為歷史系教授;魯維克希望能在該校打造科學研究的分支,未獲高層支持。一九八八年,魯維克轉至加州大學聖地牙哥分校任教;這回,他終於得到支持,於人文部門中建立以科學為對象的研究分支。在這段顛沛流離的日子裡,魯維克共出版了四本書;於一九九八年退休至今,他又出版了五本書,最新的一本即為各位手中的《地球深歷史》。二○○七年,幾乎就在哈羅公學校方要年輕的魯維克在古典與現代中做選擇的一甲子後,他獲頒美國科學史學會的最高榮譽薩頓獎章(George Sarton Medal),翌年被選做英國科學院院士。

兩種文化?

回到二○一四年十月二十四日當天,年邁但仍精力充沛的魯維克是如何看待史諾的「兩種文化」?首先,他不認為該說是錯誤的;因為,在其漫長的職業生涯中,他不時面臨要「選邊站」的壓力。再者,他也不認為兩種文化是通盤正確;因為,在同時浸淫在地質學與地質學史後,他認為,兩者的相似性遠大於對立,共同體現了人們對於知識的追求。第三,即便自然科學與人文學有其相似性,他也不認為,研究者就該追求某種大一統的知識體系,反而是在同中求異。顯然的,如果他沒有在尋找博論題材時,潛心閱讀居維葉的功能型態學,他恐怕不會在高度競爭的地質學中一支獨秀;同樣的,若沒有他在地質學中習得的基本功,他恐怕難以帶入圖像及田野工作的分析視野,在科學史界自成一家之言。

離指導老師對我的提醒,已經十四年了;即便我的學術成就遠遠夠不上魯維克教授及我的老師,身處在既有文組生又有理組生的臺大地理系,我還是不時板起臉來,提醒學生應該做這做那。每回做此建議,我還是不時會落入我當時的疑問,為何臺灣學生得閱讀一些從不同的社會與智識氛圍中長出來的作品,除了這些作品「很有名」以外?當然,我希望學生能自己尋找 “you should” 的答案,就如同本文呈現的「魯維克是誰、我為何要在意他」的探問旅程。

欣見《地球深歷史》中文版的出版,以及編輯林巧玲的邀請,讓我可以有機會把這趟追尋之旅化為一篇導讀。這不是一本科普書,更不是一本教科書;這是一個生長在獨特時空脈絡的人們、不論其在今日學術分工中的地位為何、不停追問自己是誰、又該往那裡去的故事,同時也是個不安於室、為尋求最多的知識刺激、不惜顛沛流離之學者的生命故事。作為臺灣人,我們非常熟悉「自己是誰、該往那裡去」與「文理組之爭」等情節;就我而言,這便構成 “you should” 的理由。

希望你能同意。

——本文摘自泛科學 2021 年 4 月選書《地球深歷史:一段被忽略的地質學革命,一部地球萬物的歷史》,2021 年 3 月,左岸文化

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?
姚荏富_96
・2021/03/08 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」,在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同,在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係,舉例來說甲烷和乙烯,兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係,但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1 但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算,像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3),又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又在用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5,以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。不過原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789年 愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802年 李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799年 法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800年 戴維在《化學和哲學研究》分析了N2O、NO、NO2的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801年 貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803年 道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804年 道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808年 道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

  1. 化學通史 – 凡異出版
  2. 化學史傳 – 商務印書館

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姚荏富_96
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成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。