化學中的牛頓

拉瓦錫是化學發展史上的巨人,被后世譽為“化學中的牛頓”。美國科學史家巴特菲爾德,稱他是在科學革命中享有最高地位的少數巨人之一。

哈佛大學科學史家科恩認為,化學革命在科學革命中占據首要位置,因為它是最早被普遍認識的一場科學革命。

可見,拉瓦錫和他的《化學基礎論》,在科學史上的地位是多么重要。為了讓讀者更好地理解這部偉大著作,我們先來認識一下拉瓦錫這個人吧。

拉瓦錫全名為安托萬 洛朗·拉瓦錫,1743年8月26日生于法國巴黎,是一位著名律師的兒子,家住在巴黎近郊的鄉村,那里綠樹環抱,風景宜人。拉瓦錫的先祖是地位比較低等的農民。祖父當過郵局的職員。1741年,拉瓦錫的父親與一位富裕的巴黎法院法官的女兒結婚。拉瓦錫是他們的第三個兒子。

就在拉瓦錫5歲那年,他的母親不幸去世了。出于無奈,拉瓦錫的父親就將兩個兒子送到拉瓦錫外婆家去了。拉瓦錫則受到他未婚姨媽的悉心照料,在那里度過了他的童年生涯,也在那里上學,一直到拉瓦錫結婚。

拉瓦錫在他11歲那年,也即1754年秋天,過完生日不久,就進了當時法國著名的馬扎林學院。這所學院里有許多著名人物在執教,如物理學家和數學家達朗貝爾、天文學家巴伊、畫家大衛等,正所謂英才濟濟,學風醇厚,思想活躍,確是一所造就人才的學府。雖然這是一所中等學府,但就讀的學生不僅有巴黎的,還有來自法國各地有名望人士的子女,除了教物理、化學、數學外,還教拉丁文和希臘文。

拉瓦錫如魚得水,駕馭自己的智力之舟,在這個學術的海洋中漫游。這座知識的熔爐,鑄就了拉瓦錫未來閃爍金光的才華。拉瓦錫在這所學校里,還受到經典文學方面的堅實訓練,后來他多次獲得文學獎金。

在學完修辭學和語言文學之后,拉瓦錫還學了兩年哲學,隨后就在著名天文學家拉卡伊指導下,攻讀數學和自然科學。拉卡伊曾因遠征好望角的探險而聞名。他觀測過許多星星,曾于1758年首次發表由行星引起攝動的、經過修正的太陽表。拉瓦錫在拉卡伊指導下學習天文觀察。

拉瓦錫并不滿足于學習天文知識,還請當時著名的大化學家、實驗化學學派的創始人——魯埃爾給他教授化學。魯埃爾的教學,給年輕的拉瓦錫留下了很深的印象,并使拉瓦錫對化學產生了濃厚的興趣, 使拉瓦錫終身受益。

在拉瓦錫所受的教育中,對他影響最大的,要數法國著名地質學家蓋塔爾。在蓋塔爾的指引下,年輕的拉瓦錫醉心于地質學和礦物學。因為這兩門科學都與化學有密切的關系,所以,蓋塔爾又讓拉瓦錫學習化學。

不過,拉瓦錫在大學里的真正專業,既不是地質學和礦物學,也不是化學,而是法律。這是因為,拉瓦錫不得不遵循他的家族傳統,繼承父業。1761年,拉瓦錫取得文學學士之后,轉到法學院學習,1763年獲得法學學士,第二年又獲得法學碩士學位。不過拉瓦錫并沒有從事法學工作,而是熱衷于科學研究工作。

拉瓦錫從法學院畢業之后的第一項研究工作,是解決巴黎城市街道的照明問題。他研究了各種類型的燈和蠟燭,以及各種反射器和燈柱,設計各種類型的燈罩,并研究它們的最佳照明效果,等等。這些研究使他增加了有關燃燒的知識,以及對燃燒問題研究的興趣。

1763年秋,拉瓦錫在研究礦物時,發表了第一篇專題報告 《關于石膏的分析》,1765年2月,拉瓦錫在法國科學院宣讀了這篇論文。拉瓦錫關于石膏分析的方法,與傳統的分析方法不同,傳統的分析方法是“干法”,而拉瓦錫所用的分析方法是“濕法”,他創造了這種新的分析方法。

1767年,拉瓦錫陪同他的地質學老師蓋塔爾,前往法國東北部的孚日山脈考察。他們兩人由拉瓦錫的仆人陪同,騎馬足足考察了四個月。考察期間,在蓋塔爾的指導下,拉瓦錫做了各種定量測定、定量分析和定量計算,這不但磨煉了他的意志和毅力,而且使拉瓦錫養成了進行嚴格定量研究的習慣,這為他后來的科學發現奠定了基礎。地質考察結束后,拉瓦錫又連續發表了兩篇關于比重計的論文,加上他以前發表的兩篇論石膏的論文,拉瓦錫入選了巴黎科學院。此后,他的研究范圍更加廣泛,取得了大量成果。

1768年,拉瓦錫在成為法國科學院院士的同時,又擔任了法國兵工廠廠長。他接受巴黎科學院的建議,研究巴黎城市供水問題,讓巴黎居民能夠飲用到更清潔的水。1770年,拉瓦錫分析了塞納河水的含鹽量;1771年,他向巴黎科學院提交了解決巴黎城市供水的總綱,其中包括建立一部由蒸汽機帶動的水泵和一系列吸水管,這些設施還能確保巴黎城市防火所必需的水源。他不但提出方案,而且對財政需要和實際工程建設,包括建立蒸汽供水水泵所需要的費用等長期投資,都做了詳細的估算。拉瓦錫既從事自然科學研究,又探討經濟和商業理論,更重視解決城市供水等關注民生的重大社會問題。

拉瓦錫對物理學的重大貢獻,是第一次科學地表述了質量守恒定律,它是物理學中第一個被發現的守恒定律。實際上,拉瓦錫在1763年的石膏實驗以后,就指出了質量守恒定律的初步形式,到1774年,他通過一系列實驗后,正式表述了這個定律。

拉瓦錫開始集中研究燃燒問題,是從18世紀70年代開始的。1772年,拉瓦錫開始懷疑先前用來解釋燃燒現象的燃素學說。他通過磷、硫的燃燒實驗,來驗證他認為空氣在燃燒中所起的作用,以及空氣在金屬煅燒中所起的作用,從而形成一個與燃素學說相對立的新理論——氧理論。人們稱這一年是拉瓦錫的“關鍵年”,因為拉瓦錫用氧化學說,取代了燃素學說。

1774年,拉瓦錫又做了許多實驗,尤其是用天平做定量研究,以證明他的理論的正確性;1775年,法國火藥硝石管理局聘請拉瓦錫擔任經理;1783年,物理學家、數學家拉普拉斯第一個接受拉瓦錫的氧化學說,并且與拉瓦錫合作,用實驗進行驗證。最后,氧化學說被科學共同體所接受。

1789年,系統闡述拉瓦錫氧化學說的著作《化學基礎論》正式出版,這部以法文寫成的革命性著作剛一面世,就引起轟動,第二年就譯成英文出版,第三年譯成意大利文出版,第四年譯成德文出版,又過了幾年,先后被譯成西班牙文和荷蘭文出版。

就在《化學基礎論》出版的1789年,法國大革命爆發。1793年11月24日,拉瓦錫因擔任過包稅官而被捕入獄。他被誣陷與法國的敵人有來往,犯有叛國罪。1794年5月8日,拉瓦錫被當時的法國革命政府處以絞刑,年僅51歲。就在拉瓦錫被處死的第二天,法國數學家、物理學家拉格朗日悲痛地說: “砍掉他的腦袋只需一瞬間,可是,要再長出一顆這樣的頭顱,也許要等一百年。”

最后,必須要提一下拉瓦錫夫人。拉瓦錫夫人名叫瑪麗,是一位包稅商的女兒,父親和拉瓦錫是同事。1771年,不滿14歲的瑪麗嫁給了28歲的拉瓦錫。

婚后,瑪麗成了拉瓦錫的科研助手。拉瓦錫做實驗時,瑪麗就在旁邊做實驗記錄。瑪麗多才多藝,通曉多種語言,比如英國化學家普里斯特利的一系列氣體實驗文獻,都是由她從英文翻譯成法文;由于拉瓦錫不懂英文,瑪麗的專業翻譯,使拉瓦錫能及時了解到氣體研究的最新進展;在一位叫作大衛的畫家指導下,瑪麗掌握了精湛的工藝繪圖技術,她將實驗場景忠實地描繪出來,給拉瓦錫的實驗報告和書籍繪制了精美的實驗插圖。例如,《化學基礎論》中所有的化學儀器插圖,都是由拉瓦錫夫人一手繪制的。此外,瑪麗還經常在家里舉辦沙龍,接待拉瓦錫的朋友,給拉瓦錫提供信息交流的場所,使拉瓦錫能及時了解學術前沿。

拉瓦錫被處死后不久就得到平反,被沒收的財產也全部歸還給拉瓦錫夫人。此后,瑪麗對拉瓦錫的遺著進行了系統整理,為后世保留了珍貴的檔案。1836年,拉瓦錫夫人去世,享年78歲。