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【十大美丽化学实验】专文01 关于美丽,也关于错误──浅谈海


2020-06-12


第63届联合国大会将2011年定爲「国际化学年」(International Year of Chemistry),以纪念化学取得的成就以及对人类文明的贡献。为了庆祝这特别的一年,台湾大学科学教育发展中心与国立台湾科学教育馆共同策划了「十大美丽化学实验」专题,介绍由英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)选出的美丽化学实验。

本次的专题横跨三个世纪,且与近代欧洲化学家对世界的想像息息相关。从十七世纪海尔蒙特栽种柳树,到十八世纪卡文迪西利用氢与氧合成水,再到十九世纪巴斯德发现酒石酸的旋光性。儘管海尔蒙特被后人称为「既是英雄也是傻瓜」,卡文迪西也没能真的发现氢气,但他们的实验与巴斯德并列,显示了并非完美无缺才是美。或许我们可以这样说:实验之美在于实践过程,凡曾诚挚追求真理,且能够扮演承先启后角色的,皆足膺美丽化学实验之名。

 


  

【十大美丽化学实验】专文01 关于美丽,也关于错误──浅谈海

海尔蒙特先生与他的柳树(插画:HANa)

科学史上鼎鼎有名的柳树实验发生在十七世纪的欧洲,由比利时科学家海尔蒙特完成。这是生物学和植物学史上第一个定量实验,不仅是在实验手法上有所突破,海尔蒙特的结论并引来各方讨论。一百多年后,经过许多科学家的努力,如同拼图一般终于将植物的生长之谜破解了。

然而,在海尔蒙特留下的着作当中,关于这个实验的叙述却相当简短,寥寥数百字而已。任何一位有接受过现代科学基础教育的读者,就算原先没有听过其人其事,读完首段的引文后也能轻易指出其结论的错误之处:海尔蒙特忽略了空气中的二氧化碳以及日光,这两者和水是植物行光合作用製造养分的必备材料,当然,他也忽略了土壤中的微量矿物质也会被植物所吸收、利用。在海尔蒙特逝世后深受其实验启迪的英国科学家波以耳,儘管他和海尔蒙特一样深深着迷于「植物生长皆只来自于水元素」这个想法,甚至还把柳树实验重现了三次,但他也不得不承认土壤依然有决定性的影响──因为他将柳树种在水里,柳树却无法顺利生长。

植栽水中得?

让我们先放下从教科书里学到的知识,试图重返十七世纪的欧洲去思考这个实验。在当时,水栽植物相当常见,人们也普遍相信水才是植物生长的养分来源,因为园丁必须天天浇水,却不见得那幺常换土。在海尔蒙特的实验出版前,培根就曾经将几种陆生植物养在水里,效果蛮好的,其中有一株玫瑰甚至存活了三个月。但他的结论并不像海尔蒙特这般武断,他说:「从这些水的例子中可以发现,几乎所有的养分都来自于水,而土地所做的不过是让植物挺直,免于过度的寒暑。」可见,不像动物能张口觅食的植物究竟如何生长?土壤和水份哪个发挥的作用较大?一向都是当时科学家和老百姓深深感到困惑与好奇的。

于是,海尔蒙特为了解开这个谜团,我们从引文中可以发现他特地在瓦器上加上盖子,甚至还镀锡以避免生鏽。这个设计非常关键,显示他已经意识到空气中悬浮的灰尘可能会混入实验系统的瓦器土壤中,影响到他最后秤重的数据。但问题正在于,或许是为了浇水方便,他同时也在盖子上打了许多洞,水分能够轻易流入的孔洞,怎幺可能有效阻绝灰尘飘入呢?

以当代的眼光审视柳树实验的有限叙述,我们不免要觉得这个实验疑点重重、充满瑕疵,他的实验设计也无法正确呼应其实验目的。除了上一段提到的盖子,海尔蒙特只秤了土壤前后的重量变化,并没有将五年来每次浇水的份量纪录下来,就草率地推论因为土壤几乎没有变化,所以柳树增加的164磅全来自于水。

然而,土壤的重量真的毫无变化吗?从叙述中,我们知道他确实发现土壤有两盎司的误差,却从未对此做出解释。此外,就实验的技术层面而言,不管是在十七世纪欧洲或是当代,我们都无法彻底分离植物和植物生长的土壤。关于这点,海尔蒙特也没有对他使用的方法多做说明。

泰利斯的信徒

文章前面将关于植物生长的一系列实验比喻成拼图,而海尔蒙特等于是放下第一块拼图的人,儘管结论错得离谱,依然有其重要贡献。但这并不代表,他的想法、实验设计以及推论方法并没有受到习见或是其他人的影响。早在十五世纪,发明溼度计的德国人「屈斯的尼古拉」(Nicolaus de Cusa)在书中就描述了一个差不多的实验构想,但没有证据显示他曾经付诸实行。而海尔蒙特忽略那消失的2盎司土壤并做出如此武断的结论,或许是因为他和波以耳在客观的实验数据外,都深深着迷于古希腊哲人泰利斯(Thales)的理论:「万物皆孕育自水。」(注)

这或许正是海尔蒙特迷人之处。早年求学的过程一波三折,唸过人文、神学,最后以医学学历毕业,一生中却没有一天执业过。他在科学史上的定位是化学家、生理学家,但同时也被认为是炼金术士和哲学家。许多科学史家对于海尔蒙特是否「GAS」(气体)一词的创始者争论不下,但谁都不能否认,他在实验中发现许多有别于空气的气体,并率先将「GAS」用来指涉气体,此后更影响了波以耳等人的学说,被尊为「气体的发现者」、「气体化学之父」。但他同时也信奉「自然产生论」,认为点金石真能点石成金、在製造伤口的武器上涂抹油膏则能促发伤口的自癒。

在他的作品里,我们可以发现一种混杂神秘主义、炼金术、魔法和新科学的倾向。就算是极为推崇他的波以耳也不能理解一个做出这幺多重大科学发现的人,怎幺能同时生产出如此「不科学」的胡言?

英国科学家菲利普.巴尔(Philip Ball)将柳树实验列为史上十大美丽化学实验之一。柳树在西方文学中通常是悲伤和哀悼的象徵,但海尔蒙特柳树实验的美丽或许并非来自于此。而是在那个科学发展的早期阶段,我们在海尔蒙特的身上同时见到两套对于世界的不同解释方法,前此的伪科学以及正在萌芽中的新科学于此汇聚,「既是英雄也是傻瓜」(Allchin, 1993)。

海尔蒙特许多古怪的见解触怒了他的同代人,最终被判处全家监禁,死于一六四二年。毕生唯一一本着作,两年后由儿子出版,影响了无数世代的科学家。

作者注:泰利斯(约西元前624年─564年),古希腊七贤之一,创建米利都学派,他开创了理性思维,试图用观测到的事实而非希腊神话来解释世界。他也是西方思想史上第一个名字流传下来的哲学家。

 

参考资料:
1. David Hershey, Misconceptions about Helmont’s Willow Experiment, The Botanical Society of America:The Society for ALL Plant Biologists FALL 2003 VOLUME 49 NUMBER 3, from http://helmont1.tripod.com/hersheypsb49-3.htm
2. 张文亮。2002。深尝知识的甜蜜─海尔蒙特与生理化学的兴起。行政院国家科学委员会,科学发展月刊,9108:30-35。

 

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文字提供自台湾大学科学教育发展中心本文亦刊登于《科学研习月刊2011年1月号系列文章介绍的实验名单灵感来自英国皇家化学会(Royal Society of Chemistry)2005选出的十大美丽化学实验。


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