波义耳微粒哲学与道尔顿原子论之比较

邢进 袁振东

引用本文: 邢进, 袁振东. 波义耳微粒哲学与道尔顿原子论之比较[J]. 化学通报, 2020, 83(3): 282-287. shu
Citation:  Xing Jin, Yuan Zhendong. The Comparison between Boyle's Corpuscular Philosophy and Dalton's Atomism[J]. Chemistry, 2020, 83(3): 282-287. shu

波义耳微粒哲学与道尔顿原子论之比较

    通讯作者: 袁振东  男, 博士, 教授, 主要从事化学史研究。E-mail:yuanzhendong64@126.com
摘要: 波义耳微粒哲学与道尔顿原子论是原子论思想发展历程上的两种具有代表性的理论,通过对比二者的思想基础及其时代动因、方法论基础以及对万物本原、物质层次和物质变化原因等的解释,可以发现思想基础在一定程度上决定着科学理论发展的进路,科学进步亦显示时代的发展。

English

  • 原子论起源于古希腊,是哲学家对于物质组成进行哲学思辨的产物,是一种形而上学的微粒观。因支持元素论的亚里士多德的批判导致原子论在中世纪处于停滞状态,直到文艺复兴以后,才重新活跃起来。17世纪,科学家们继承了古代原子论思想,并借助物理学试图对物质的组成、性质、运动进行机械论地描述,其中具有代表性的微粒观就是英国科学家罗伯特·波义耳(Robert Boyel,1627~1691)的微粒哲学。这是一种带有机械论色彩的微粒观,与现在的原子-分子学说相去甚远,但在当时是一种精致的描述物质组成以及性质的理论。直到19世纪英国气象学家、化学家约翰·道尔顿(John Dalton,1766~1844)赋予化学元素的原子以固定的且各不相同的重量以后,原子论对化学才是富有成效的[1]。迄今为止,对波义耳微粒哲学和道尔顿原子论的研究有很多,关于波义耳微粒哲学的研究包括:对波义耳《怀疑的化学家》的评析[2, 3]、波义耳对实验现象的微粒论解释以及对元素要素说的批判[4]等。对道尔顿原子论的研究多是从哲学角度对道尔顿的研究方法与研究过程进行概括性地分析[5]、近代科学原子论产生的历史背景考察以及道尔顿创立原子学说的科学思想和研究方法的分析[6]。迄今为止,尚未有人对波义耳微粒哲学和道尔顿原子论进行系统的对比分析。这两种微粒观是原子论发展历程中极具代表性的思想,对二者进行深入的非共时比较研究具有重要的历史价值和启发意义。为此,本文拟基于翔实的史料从思想基础及其时代动因、方法论基础、对物质本原的解释、关于物质层次性的认识、对物质变化原因的说明等方面进行比较分析。

    波义耳出生于爱尔兰沃特福德郡,利斯莫尔城堡(Lismore Castle,Waterford),是17世纪英国著名的科学家。17世纪的英国,神学思想是主流思想,宗教的精神气质对于自然科学最直接的影响信念认为,研究自然能更充分地欣赏上帝的杰作,并因此引导科学家去赞赏颂扬表现在其创造物中的上帝的威力、智慧和善性[7]。波义耳正是在这种社会背景之下进行科学研究,他本人的态度与当时的神学思想保持高度一致,即探索自然就是颂扬上帝。在波义耳看来,上帝既是宇宙的创造者又是宇宙的主宰,这是他的自然观与古代和现代原子论哲学家的自然观之间的主要区别之一[8]

    道尔顿出生于英格兰北部的一个叫伊格尔斯菲尔德(Eaglesfield)的乡村,是贵格会教徒的后代,他本人也是贵格会教徒[9]。然而,在道尔顿的科学思想中并没有神学思想。道尔顿所在的18、19世纪,科学已逐渐完成世俗化,理性与信仰已然高度分化,科学逐步进入独立发展时期。在这一点上,道尔顿的科学思想中没有波义耳那样强烈的神学思想。

    17世纪的英国,除了上述宗教精神气质之外,文艺复兴之后的科学或者说自然哲学思想正逐渐摆脱经院哲学的束缚,被亚里士多德批判的原子论思想在此时也逐渐复兴,伽桑狄关于古代原子论的著作在此时也逐渐引起了人们的兴趣。在自然哲学思想领域中也盛行着培根和笛卡尔的哲学思想。培根强调实验的重要作用,当时的实验并非是检验科学理论,而是基于假说的基础之上创造理论。除波义耳外,培根对于实际从事实验科学的人没有或很少有什么影响,但是他在提高学术界对于当代科学问题的考虑方面却不无功劳[10]。笛卡尔的物理学通常被认为是机械论的,“机械论的”原意是指除了运用与力有关的概念外,没有采用其他原理解释物理学问题,笛卡尔又给了这个词另一层含义,也就说它是一种可以用机械模型加以模仿的工具[11]。波义耳微粒哲学作为一种机械论哲学源自于伽桑狄复兴的古代原子论和笛卡尔的机械论哲学,但又不同于这两者[12]。波义耳微粒哲学的机械论哲学色彩主要体现在他对物质性质的机械论解释上[13]。波义耳相信“机械哲学”的微粒原理,这是他在化学上强调结构、形状和运动的主要原因,也是他拒绝解释终极微粒的固有特性的原因,波义耳和他同时代的许多人认为宇宙是一个引擎,他们把这种形而上学的概念从宏观世界转移到无机微观世界[14]。然而在道尔顿的原子论思想中并不存在这种机械哲学思想,道尔顿所处的18世纪末19世纪初,此时气体研究正处于高峰期。约瑟夫·布莱克(Joseph Black,1728~1799)、亨利·卡文迪什(Henry Cavendish,1731~1810)、舍勒(Carl Wilhelm Scheele,1742~1786)、约瑟夫·普利斯特利(Joseph Priestley,1733~1804)都进行过大量的气体实验,他们研究气体的基础就是关于空气的组成,其中,布莱克发现了“固定空气”(二氧化碳),舍勒和普利斯特利分别发现了氧气[1]。道尔顿也是由研究空气的组成入手,1801年总结出混合气体的分压定律,通过分压定律表明一种气体的微粒能够均匀地分布在另一种气体的微粒之间,因此他推断物质的微粒结构是存在的[15]

    “元素论”和“原子论”是从古希腊开始就形成的化学学科两大元科学理论。亚里士多德主张元素论,既“四元素”学说,他认为物质世界是连续的,根本不存在所谓的“微粒”结构,从而批判原子论,导致中世纪原子论的发展处于停滞状态[10]。波义耳则是批判一切“元素论”和“要素论”,并提出微粒哲学以解释物质的组成和性质。波义耳著名的著作《怀疑的化学家》(The Sceptical Chymist)就是基于实验事实对医药化学家、炼金术士帕拉塞尔苏斯(P. A. Paracelsus,1493~1541)的混合物中只有“盐、硫、汞”三种组分要素说的批判之作。书中列举了大量的实验事实说明了混合物不是只有“盐、硫、汞”三种要素组成以及简单的火分析法并不能将物质彻底进行分解。波义耳的微粒哲学从思想上来说是对立于“元素论”而提出的,是对古希腊原子论的改进和发展。

    道尔顿的原子论则是基于元素理论提出的,虽然道尔顿的元素理论与波义耳时期的元素论是有一定区别的,但是在道尔顿这里首次将化学学科两大元科学理论统一了起来。18世纪后期,拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743~1794)在《化学纲要》(Traite Elementaire de Chimie)中已经界定了元素的概念。道尔顿在《化学哲学新体系》(A New System of Chemical Philosophy)中根据拉瓦锡对元素概念的描述也进一步阐述了他的元素概念:“我们所说的元素或简单物质,是指那些不曾被分解的,但能与其他物质化合的一些物质。我们不能说,任何一个叫作基本要素的物质是绝对不能分解的;但是在它能够被解析以前,它应该被称为简单物质”[16]。因此,道尔顿对于不同原子的描述即为“各元素原子”,且不同元素原子的最显著区别在于原子量。

    波义耳是17世纪著名的实验哲学家,在1650年左右这一时期,主要从事炼金术和化学实验。波义耳认同“哈特里布圈子”的培根科学理念——通过实验研究获得知识。塞缪尔·哈特里布(Samuel Hartlib,1600~1662),普鲁士人,尊崇培根(Francis Bacon)和考美纽斯(Comenius)的科学和教育理念,大约1630年开始,在他周围联结起一个实验科学和神学的“通信圈”。这个通信圈对17世纪英格兰自然哲学的发展和科学社团产生了重要影响,被科学史家称之为“哈特里布圈子”[17]。波义耳通过进行大量的实验,并将实验与哲学思考进行结合来阐释微粒哲学。他将微粒论引入炼金术实验的理论框架,从而把炼金术改造成为严谨的实验科学,并通过“硝石复原”(Redintegration of Salt-petre)的实验展现微粒论的优势[4]。在《怀疑的化学家》一书中,波义耳通过大量的实验事实来阐述自己的微粒哲学:金可以在王水以及若干种其他溶媒(溶剂)的作用下形成液体;水银可与若干金属形成汞齐,在若干种溶剂的作用下似乎都可以变成溶液;用锑、银熔体可使水银升华成一种晶体,用另一种金属混合物可使之变成一种可延展的物体,等等[18]。波义耳主要的研究方法还是以定性实验或半定量实验为主,以简单的实验现象为基础进行理性思考归纳得出相应的知识或结论。波义耳的“实验哲学”并不排除理智的思考,不排除假说和理论,也并不是以实验为起始点[19]

    道尔顿也是完全以实验为基础得出原子论,但是道尔顿的实验相比于波义耳则更加精致。从拉瓦锡开始,精确的定量实验开始进一步发展,他奠定了近代化学定量分析的基础,拉瓦锡开创了被认为是我们今天所称的化学学科的初始状态。道尔顿运用定量分析的方法测定了各元素原子的原子质量,并以此作为他的原子论的基础。1803年10月,道尔顿着手研究碳的气体化合物以确定它们各组分之间的比例,他利用乙醚和酒精蒸汽的不完全燃烧、加热木柴和湿碳等方法产生碳的气体化合物。仅仅对于乙醚,他做了不少于70次试验,并将详细数据记录在案,籍以解释各种试验结果。同年10月21日,道尔顿在曼彻斯特文学和哲学学会的会议上宣读了一篇重要论文《论气体被水的吸收》(On the Absorption of Gases by Water),并在文中发表了第一个相对原子质量表。在1803~1804年间,道尔顿将全部精力投入到对以往的实验和观测结果的分析和整理,从中总结出了原子论和倍比定律[20]。道尔顿的定量实验确定各元素原子的原子量是空前的行为,从道尔顿开始,对于原子量更加精确地测定工作便逐渐展开。科学史、科学哲学家托马斯·库恩(Thomas S. Kuhn,1922~1996)曾指出“化学家从道尔顿那里得到的并不是新的实验定律,而是一种从事化学研究的新途径”[21]

    波义耳在《形式与性质的起源》(The Origin of Forms and Qualities)一文中阐述了他的微粒哲学观点:世界上存在无数的,不可见的微粒“自然最小质”(Minima Naturalia),这些最小微粒不可分,它们由于运动和碰撞以一定的次序和排列方式会聚集在一起按一定的排列方式结合在一起形成了我们可见的各种物质[22]。有学者将波义耳的微粒哲学的核心内容总结为:(1)构成一般物体乃至于整个世界的“基本粒子”是同一种粒子——“自然最小质”或称为“同质粒子”;(2)这种粒子由上帝所创造,它们是实心的,有确定的大小、形状。它们本身没有运动能力,但上帝在造物时已将它们置于运动之中。真正的运动与活性必定发诸于上帝;(3)上述同质粒子可凝结为“第一凝结物”(第一级微粒),继而可继续凝结为“第二凝结物”,并通过进一步凝结形成更复杂的微粒乃至物质;(4)在一般化学或物理变化过程中,只有较大的微粒或微粒团能够发生结构变化,但微粒团或微粒没有发生彻底分解,因此,较低层次的微粒在发生化学或物理变化过程中其内部结构不会发生变化,从而保持其性质或特征;(5)物体的某些性质,比如:颜色、气味、溶解性乃至于化学反应性能都取决于物质微粒的组成形式或结构。两种物质之所以发生化学反应是因为他们在结构上具有一定的“适配性”[23]

    道尔顿的《化学哲学新体系》(A New System of Chemical Philosophy)是论述原子论的主要著作,他指出:一切具有可感觉到大小的物体,不管是液体还是固体,都是由极大数目的极其微小的原子所构成...在化学作用范围内,物质既不能创造也不能消灭。要创造一个氢原子或消灭一个氢原子,犹如向太阳系引进一颗行星,或从既有行星中消灭掉一颗,一样的不可能[16]。道尔顿在其著作中论述了金属的氧化物、硫化物、磷化物以及合金等性质的规律性,对原子论思想作了进一步阐发。那么,道尔顿的原子论可以总结为:(1)化学元素由非常微小的、不可再分的物质粒子——原子组成,原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质;(2)同一元素的所有的原子,各方面性质,特别是质量,都完全相同,不同元素的原子质量不同。原子的质量是每一个元素的特征性质;(3)有简单数值比的元素的原子相结合时,就发生化合[1]

    波义耳微粒哲学中最基本单位“自然最小质”与道尔顿原子论中“不同元素原子”具有相同的特征,即不可再分以及两种微粒都具有一定的形状、大小。二者的这一思想基础同是源自于公元前5世纪下半叶古希腊德谟克利特(Democritus)的原子论思想。德谟克利特主张,世界是由在无限虚空中运动的无穷多个微小原子构成的,这些原子是小得看不见的坚固微粒[24]

    两者的主要区别包括:(1)波义耳的“自然最小质”属于同质粒子,所有物质的最基本单位都是这样的粒子;而道尔顿的原子则不同,他定义不同元素由不同的原子构成,各元素原子都有自己独特的性质,其中区别不同元素原子最主要的标准就是原子的质量;(2)波义耳微粒哲学中微粒的属性除了形状、大小之外还具有明确的运动属性;然而道尔顿的元素原子没有突出运动,最突出的特征是原子的质量。因此波义耳微粒哲学中物质本原是同质不可分粒子,而道尔顿原子论的物质本原则是异质不可分粒子。

    从微观粒子到宏观物质需要一定的层次结构,现如今的化学学科具有明确的也是最基础的物质层次:“原子-分子-物质”或“原子-物质”。事实上,在波义耳微粒哲学和道尔顿原子论中同样也有这样类似的构造层次。波义耳在《形式与性质的起源》中详细论述了这一过程:“自然最小质”通过运动相互碰撞聚集结合在一起形成“微粒集合体”(Corpuscles)即“第二级微粒”或“第三级微粒”,它们是各种物质及其性质变化的基础,按一定的排列方式结合在一起形成了我们可见的各种物质。由于微粒组合在一起的结构不同,所以我们看到了各种各样的物体,以及各种物体不同的性质,而这种变化的原因也是由于微粒(内部的和外部的)的运动而产生[22]。在波义耳的微粒哲学体系中,他将万物的最基本粒子称为“自然最小质”,由基本粒子进一步凝结形成“微粒集合体”(Corpuscles),这样的微粒集合体可能经过了多次凝结形成“第三级微粒”、“第四级微粒”或者更多,最终构成宏观物质。在道尔顿原子论体系中单元素物质由相应的原子构成,对于化合物的组成道尔顿将其描述为:两种元素组成的化合物往往以两个简单原子结合成复合原子的形式存在,更加复杂的化合物则存在一个复合原子与一个简单原子结合或者两个复合原子结合,而不是多个简单原子在同一瞬间结合[16]

    因此,波义耳微粒哲学的物质层次可以总结为:自然最小质—微粒集合体—宏观物质;道尔顿原子论的物质层次可以总结为:原子—复合原子—宏观物质或原子—宏观物质。可以看到从基础粒子到宏观物质,二者的物质层次中都有一个明确的中间层次即波义耳的“微粒集合体”和道尔顿的“复合原子”,分析其内涵可以看到明显差异。波义耳的“微粒集合体”具有一个非常重要的属性——结构(texture),他指出:当宇宙中的众多微粒(corpuscles)结合在一起时,会形成不同的姿势(posture)(竖直、倾斜或水平)和排列次序。当许多微粒聚集在一起形成一种物质,以达到该物质所特定的姿势和排列次序从而具备应有的性质,我们可以将这种排列和次序统称为结构(texture)[22]。结构被认为是微粒组成宏观物质的排列方式,同时结构这一特殊性质是波义耳微粒的机械属性之一[25]。道尔顿的“复合原子”并没有类似的性质或属性,它是纯粹组成化合物的粒子。道尔顿原子论最突出的特征是原子的质量,要测定原子质量就必须确定化合物中各组分原子的数目,因此,道尔顿便大胆假设了一个确定复合原子中各元素原子个数的最简结合规则:(1)如果两个元素只有一种化合物,就假定它是二元化合物(1原子A+1原子B),除非有证据表明并非如此;(2)如果有两种化合物存在,就假定它们是二元化合物和三元化合物;(3)如果观察到有三种化合物存在,就假定一个是二元化合物,另外两个是三元化合物;(4)如果观察到有四种化合物存在,就假定一个是二元化合物,另外两个是三元化合物,一个是四元化合物;并以此类推[16]

    对于物质变化的原因,在《怀疑的化学家》中,波义耳阐明了自己的嬗变思想,并运用多个实验证明嬗变是可以发生的。他指出:“如果各种物质之间的区别确实是在于结构上的不同,这种结构上的不同又是源自于各种物质的微粒在大小、形状、运动以及排列上的差异,那么,设想一团普遍物质,经过各种不同的改变和组构,时而形成含硫物质,时而形成土状物,时而形成水状物,且予以不同的名称则应该是不无道理的”[18]。他在书中叙述了“南瓜实验”:掘出适量干净的土,烘干称重,装进一个小陶罐中,五月中旬,种下一颗南瓜的种子,用雨水或泉水浇灌,十月中旬将整个南瓜连叶带梗称重,共重3磅欠1/4磅。然后将土再次烘干称重,发现土的重量没有减少也没有增加[18],这个实验说明南瓜是由水嬗变而成的。在书中波义耳还列举了“矿石生长”、“硫石炼出精铜”、“薄荷的水生长实验”等多个实验说明物质嬗变的发生。根据波义耳微粒哲学的核心内容,在波义耳微粒哲学框架内,如果可以打破物质的结构并不断分解成为“自然最小质”,那么在新物质的种子或活性要素的作用下,“自然最小质”按照一定的形式结构进行重新结合就能够生成新的物质,从而可以发生“嬗变”。

    道尔顿对于物质变化的说明接近于现代化学思想,他将物质的变化归结于简单的分解和化合。道尔顿在《化学哲学新体系》的第一部分第三章,“论化学结合”明确指出了“化学分解和化学合成只不过是把质点彼此分开,又把它们联合起来而已。在化学作用范围内,我们所能进行的一切变化无非是把处于凝聚或结合状态的质点分开,和把分开相当距离的质点联合起来”[16]。这类似于今天对化学反应的定义,所谓的“将质点联合起来”就是把相应的元素原子结合起来,那么原子之间是如何结合的?道尔顿在《化学哲学新体系》第一部分第二章《论物体的构造》中指出,一切具有可感觉到大小的物体都是由极大数目的极其微小的原子所构成,它们借助一种吸引力和排斥力结合在一起,这两种巨大的相互对立的吸引和排斥的力量通过相互调节使得三种不同的状态,弹性流体(气体)、液体和固体能够出现[16]

    对于物质变化原因的说明二者有着明显的区别,波义耳的微粒哲学有一定的形而上学思想,道尔顿的原子论更加贴近现代思想。虽然都是把处于凝聚状态的粒子分开进行重新组合构成新的物质,但是二者基本粒子的差别以及思想基础的差异引申出了不同的物质变化观念。

    波义耳微粒哲学和道尔顿原子论同是对古希腊原子论的继承和发展,然而却呈现出两种不同的理论体系,究其原因是二者思想基础和方法论基础的差异。波义耳的信仰与理性思想并没有完全分离,他主要以探索自然的方式“颂扬上帝”。波义耳批判“要素”论,提倡运用微粒哲学来解释物质的组成和性质,又将机械论哲学思想注入微粒哲学中,从而形成了万物基础粒子相同且物质性质的体现归结于微粒组成结构的论断。道尔顿则是在继承自古希腊原子论思想的层面上,在化学学科研究纲领趋于稳定的背景下进行化学研究,将元素论与原子论融合,在不同种元素具有不同原子的论断下通过定量实验与定量分析确定不同元素原子的原子量,进而形成科学原子论。二者思想基础受到当时时代背景的影响而有重大差异,继而思想基础和方法论基础的不同必然导致对万物本原、物质层次、物质变化原因的不同认识。以现在的科学视角反观波义耳微粒哲学和道尔顿原子论,道尔顿原子论更加趋近于现代理论,波义耳微粒哲学又早于道尔顿原子论。不同的时代背景会对科学家的思想产生影响,思想基础在科学理论的发展过程中具有一定的指导作用,那么科学的进步亦代表着时代的发展。


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  • 发布日期:  2020-03-01
  • 收稿日期:  2019-10-21
  • 接受日期:  2019-12-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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