羅伯特·波義耳

波義耳生活在英國資產階級革命時期，也是近代科學開始出現的時代，這是一個巨人輩出的時代。波義耳1627年1月25日出生於愛爾蘭的利斯莫爾。 ^[6]  就在他誕生的前一年，提出“知識就是力量”著名論斷的近代科學思想家弗朗西斯·培根去世。偉大的物理學家牛頓比波義耳小16歲。近代科學偉人、意大利的伽利略、德國的開普勒、法國的笛卡爾都生活在這一時期。

波義耳出生在一個貴族家庭，家境優裕為他的學習和日後的科學研究提供了較好的物質條件。童年時，他並不顯得特別聰明，他很安靜，説話還有點口吃。沒有哪樣遊戲能使他入迷，但是比起他的兄長們，他卻是最好學的，酷愛讀書，常常書不離手。8歲時，父親將他送到倫敦郊區的伊頓公學，在這所專為貴族子弟辦的寄宿學校裏，他學習了3年。隨後他和哥哥弗蘭克一起在家庭教師陪同下來到當時歐洲的教育中心之一的瑞士日內瓦度過了2年。在這裏他學習了法語、實用數學和藝術等課程，更重要的是，瑞士是宗教改革運動中出現的新教的根據地，反映資產階級思想的新教教義薰陶了他。此後波義耳在實際行動中雖然未參與任何一派，但是他在思想上一直是傾向於革命的。 ^[1] 

1641年，波義耳兄弟又在家庭教師陪同下，遊歷歐洲，年底到達意大利。旅途中即使騎在馬背上，波義耳仍然是手不釋卷。在意大利，他閲讀了伽利略的名著《關於兩大世界體系的對話》。這本書給他留下了深刻的印象，20年後他的名著《懷疑派化學家》（The Sceptical Chemist）就是模仿這本書的格式寫的。他對伽利略本人更是推崇備至。

波義耳的哥哥們和他們的父親一樣，在英國的資產階級革命中都是保皇派。1644年，他父親在一次戰役中死去。家庭情況的突變，經濟來源的中斷，迫使波義耳回到戰亂的英國。回國後他隨同情革命的姐姐萊涅拉夫人一起遷居到倫敦。在倫敦他結識了科學教育家哈特·利泊，哈特·利泊鼓勵他學習醫學和農業。

波義耳在家裏是14個兄弟姐妹中最小的一個：在他三歲時，母親不幸去世。也許是缺乏母親照料的緣故，他從小體弱多病。有一次患病時，由於醫生開錯了藥而差點喪生，幸虧他的胃不吸收將藥吐了出來，才未致命。經過這次遭遇，他怕醫生甚於怕病，有了病也不願找醫生。並且開始自修醫學，到處尋找藥方、偏方為自己治病。哈特·利伯的鼓勵使他下決心研究醫學。當時的醫生都是自己配製藥物，所以研究醫學也必須研製藥物和做實驗，這就使波義耳對化學實驗產生了濃厚的興趣。

在研究醫學的過程中，他翻閲了醫藥化學家的許多著作，他很崇拜比他大50歲的比利時醫藥化學家海爾蒙特。海爾蒙特不論白天黑夜，完全投入化學實驗，自稱為“火術的哲學家”。這就成為波義耳學習的榜樣。波義耳為自己創造了一個實驗室，整日渾身沾滿了煤灰和煙，完全沉浸於實驗之中。波義耳就是這樣開始了獻身科學的生活，直到1691年底逝世。

1644年，一批對科學感興趣的人，其中包括教授、醫生、神學家等，定期地在某一處聚會，討論一些自然科學問題。他們自稱它為“無形學院”。1648年因為倫敦戰局不穩，更因為資產階級革命派的軍隊攻佔了牛津，革命派首領克倫威爾任命無形學院的成員維爾金斯擔任牛津大學瓦當學院的院長，無形學院的部分成員也紛紛遷往牛津，活動的中心從倫敦轉移到牛津。1660年，因政局趨於穩定，活動中心又遷回到倫敦。隨着無形學院隊伍的擴大，在1660年的一次集會上，宣佈正式成立一個促進物理—數學實驗知識的學院。不久經國王查理二世批准，這學院變成以促進自然科學知識為宗旨的英國皇家學會。英國皇家學會根據培根的思想，十分強調科學在工藝和技術上的應用，建立起新的自然哲學，成為著名的學術團體。

1646年，波義耳在倫敦就參加了無形學院的活動。後來由於厭倦首都上層社會生活中的空虛，更重要的是想集中精力做一些科學實驗，於是遷往他父親一所偏遠的莊園，在那裏讀書、進行科學實驗，一住就是8年。莊園的生活雖然安靜，但是對於波義耳的科學活動畢竟有很多不便之處，特別是他很想念那些無形學院的朋友們。

1654年，他遷往牛津，寄宿在牛津大學附近一個藥劑師家裏。以後他又建立了自己設備齊全的實驗室，併為自己聘用了一些助手，有些助手還是很有才華的學者。例如羅伯特·胡克後來也成為一個著名的科學家，他發現了形變同應力成正比的固體彈性定律，製成了顯微鏡，觀察到植物細胞。這些助手在波義耳領導下進行觀察和實驗，並幫助波義耳收集整理科學資料和來往信件。這樣就在波義耳的周圍形成了一個科學實驗小組，波義耳的實驗室也一度成為無形學院的集會活動場所。波義耳的一系列科研成果都是在這裏取得的，那本劃時代的名著《懷疑派化學家》也是在這裏完成的。據統計，在1660—1666年的6年時間裏，他寫了10本書，在《皇家學會學報》上發表了20篇論文。在牛津，波義耳一直是無形學院的核心人物，正式成立一個促進實驗科學的學術團體也是波義耳的主張。不過當英國皇家學會在倫敦成立時，波義耳身在牛津，所以沒有成為該學會的第一批正式會員，但是大家都公認波義耳是英國皇家學會的發起人之一，故而被任命為首屬幹事之一。

1668年，波義耳得知他姐夫去世的消息後，決定從牛津遷往倫敦，和他親愛的姐姐萊涅拉夫人住在一起。到倫敦後，他又在他姐姐家的後院建造了一所實驗室，繼續進行他的研究工作。對於社交活動，他看得很淡漠，甚至有點厭惡。但是他卻把自己的科學活動與英國皇家學會密切地聯繫起來，因而在英國皇家學會贏得很高的聲譽，是科學界公認的領袖。1671年他因勞累而中風，經過很長時間的治療才痊癒。因此1680年波義耳被選為英國皇家學會會長時，他因為體弱多病又討厭宣誓儀式而拒絕就任。 ^[2] 

17世紀以前的化學知識，一部分是鍊金術的內容，目的在於變金屬為黃金或白銀；一部分是醫藥學的內容，目的在於發展醫藥，治病救人；一部分是化工生產的內容，目的在於增加產品的種類和提高產品的質量。化學研究沒有獨立性，主要由於沒有明確的、正確的研究目的，而是其它部分的附屬物。關於研究化學的目的問題，波義耳提出了與以前的鍊金術家、醫藥學家和化工生產者有本質不同的見解。他認為研究化學的目的不是醉心於鍊金術和醫藥，而是在於認識物質的本性。為此就需要進行專門的實驗，收集所觀察到的事實，使化學從鍊金術和醫藥學中解放出來，發展成為一門專為探索自然界本質的科學。他説：“化學，到目前為止，還是認為只在製造醫藥和工業品方面具有價值。但是我們所説的化學，絕不是醫學或藥學的婢女，也不是甘當工藝和冶金的奴僕。化學本身作為自然科學中的一個獨立部分，是探索宇宙奧秘的一個方面。化學，必須是為真理而追求真理的化學。”波義耳的自然觀促使人們逐漸認識到，化學是具有自然特性的一門需要積極發展的科學。由於研究化學有了明確的研究目的、範疇和方向，使化學研究徹底地從鍊金術、醫藥學、化工生產中解放出來，大大地推動了化學科學的發展。所以恩格斯高度評價説：“波義耳把化學確立為科學。”直到現在，波義耳所確定的化學研究的目的，對化學的研究和發展仍然具有指導意義。 ^[5] 

波義耳用實驗證明，黃金不怕火燒，不會被火分解，更不會在火的作用下生成鹽、硫或汞；但它可以跟其它金屬融在一起變成合金，還可以溶解在王水裏，而且所得到的產物經過適當處理黃金又可以恢復原性重現出來。他實驗得出把砂子和灰鹼兩種東西混合在一起，經過加熱可以熔化成透明的玻璃；生成的玻璃再也不會分解成土、水等東西。把灰鹼和油脂燒煮會變成肥皂，但將肥皂加熱所得到的產物卻是跟鹼和油脂完全不同的渣塊。榨壓葡萄得到的果汁，經過發酵可以變成酒精，果汁和酒精也都不會變成鹽或硫。波義耳還指出，不少的化學變化都可以説明，同一物質經過不同處理可以轉變成其它各種東西。這説明物質的組成和性質是複雜的，即不是亞里士多德所説的四元素，也不是醫藥學家所説的三元素。他還研究了在冶金和金屬加工業中，金屬鍛燒以後所得的灰渣比金屬還重的現象，決不是金屬分解以後留下的元素，而得到的是比金屬本身更復雜的物質。波義耳通過許多事實的論證後，給元素下了一個比較科學的定義：“我指的元素應當是某些不同任何其他物質所構成的原始的和簡單的物質或完全純淨的物質”，“是具有一定確定的、實在的、可覺察到的實物，他們應是同一般化學方法不能再分解為更簡單的某些實物。”這是世界上第一個科學的元素定義。由於波義耳給化學元素提出了科學的定義，為人類研究物質的組成指明瞭方向。雖然波義耳提出了科學的元素概念，由於時代的侷限性，他並沒有明確指出那些物質是真正的元素，而且仍然把火、水、氣等當作元素。 ^[5] 

古希臘唯物主義哲學家德謨克利特認為物質是由微粒構成的。到17世紀這個觀點重新復活起來，並獲得了發展，牛頓、胡克、波義耳都是堅持微粒説的代表人物。關於光線通過稜鏡而折射的問題，他們都以微粒作解釋，可是微粒只是一種推想的東西，實際上誰也沒有看過。化學家為了解釋化學反應過程，也求助於微粒的運動和變化。雖然波義耳深信微粒説，但把它應用於化學卻出現了問題。化學物質的性質是多種多樣的，反應過程是複雜的，只是用微粒及其運動是難以解釋的。他説：“我建議的關於特殊本源的微粒説，其重大困難就在於自然物體實際見到這種繁多的特性會起源於這樣少的兩種因素，而且簡單到只是物質和位移運動，這是不能令人置信的。”他根據鹽能溶於水而不能溶於油或汞，但黃金能溶於汞而不能溶於水和油，硫能溶於油而不能溶於水或汞等現象，認為應該在微粒説上面添加一些別的東西以補充其內容。他設想物質的基本微粒有各種不同形態和大小，並以不同的方式運動，或者相互固定在各種不同的次序和排列上，並在它們的細孔裏保持着某些流出物或發散物。如同各個字母一樣，可以有各種不同的方式組合起來，每個組合體代表一個化學物質。這就是他給微粒説添加的所謂“物體中的變異原理”。波義耳的變異原理，豐富了古希臘以來關於微粒説的內容，發展了哲學家的微粒説。 ^[5] 

波義耳在科學研究上的興趣是多方面的。他曾研究過氣體物理學、氣象學、熱學、光學、電磁學、無機化學、分析化學、化學、工藝、物質結構理論以及哲學、神學。其中成就突出的主要是化學。

和當時的許多科學家一樣，波義耳首先研究的對象是空氣。通過對空氣物理性質的研究，特別是真空實驗，他認識到真空所產生的吸力乃是空氣的壓力。他做了一系列實驗來考察空氣的壓力和體積的關係，並推導出空氣的壓力和它所佔體積之間的數學關係。在他的著作《關於空氣彈性及其物理力學的新實驗》中，他明確地提出：“空氣的壓強和它的體積成反比”。法國物理學家馬略特在此後15年也根據實驗獨立地提出這一發現。所以後人把關於氣體體積隨壓強而改變的這一規律稱作波義耳-馬略特定律。

法國科學家制造了一個黃銅氣缸，中間裝有活塞，安裝得很緊。幾個人用力按下活塞，壓縮缸裏的空氣。然後，他們鬆開活塞，活塞彈回來，但是沒有全部彈回來。不論他們隔多長時間做一次實驗，活塞總是不能全部彈回來。通過這項實驗，法國科學家聲稱空氣根本不存在彈性，經過壓縮，空氣會保持輕微的壓縮狀態。

波義耳宣稱法國科學家的實驗不能説明任何問題。他指出，活塞之所以不能全部彈回來，是因為他們使用的活塞太緊。有人反駁道，如果活塞稍松，四周就會漏氣，影響實驗。波義耳許諾要製造一個鬆緊適中的絕好活塞，證明上述實驗是錯誤的。兩週後，羅伯特·波義耳手持“U”形大玻璃管站在眾會員面前。這個“U”形玻璃管是不勻稱的，一支又細又長，高出3英尺多，另一支又短又粗，短的這支頂端密封，長的那隻頂端開口。波義耳把水銀倒進玻璃管中，水銀蓋住了“U”形玻璃管的底部，兩邊稍有上升。在封閉的短管中，水銀堵住一小股空氣。波義耳解釋，活塞就是任何壓縮空氣的裝置，水銀也可以看作“活塞”。像法國實驗所期望的那樣，波義耳的做法不會因為摩擦而影響實驗結果。波義耳記錄下水銀重量，在水銀和空氣交界處刻了一條線。他向長玻璃管中滴水銀，一直把它滴滿。這時，水銀在短玻璃管中上升到一半的高度。在水銀的擠壓下，堵住空氣的體積變成不到原來的一半。在短玻璃管上，波義耳刻下了第二條線，標示出裏面水銀的新高度和堵住空氣的壓縮體積。然後，通過“U”形玻璃管底部的閥門，他把水銀排出，直到玻璃活塞和水銀的重量與實驗開始時的重量完全相等。水銀柱又回到它實驗開始的高度，堵住的空氣又回到它當初的位置。空氣果真有彈性，法國科學家的實驗是錯誤的，波義耳是正確的。

波義耳用“U”形玻璃管繼續實驗，發現了很多值得注意的事情。當他向堵住的空氣施加雙倍的壓力時，空氣的體積就會減半；施加3倍的壓力時，體積就會變成原來的1/3。當受到擠壓時，空氣體積的變化與壓強的變化總是成比例。他創建了一個簡單的數學等式來表示這一比例關係，如今我們稱之為“波義耳定律”。就認識大氣、利用大氣為人類服務而言，這一定律是極為重要的。

波義耳定律（Boyle's law，或稱Mariotte's Law）即在定量定温下，理想氣體的體積與氣體的壓力成反比。是由英國化學家波義耳在1662年根據實驗結果提出：“在密閉容器中的定量氣體，在恆温下，氣體的壓強和體積成反比關係。”稱之為波義耳定律。這是人類歷史上第一個被發現的“定律”。

公式：V=k/P

V是指氣體的體積，P指壓強，k為一常數量

這個公式又可以繼續推導，理想氣體的體積與圧強的乘積成為一定的常數，即：

如果在温度相同的狀態下，A、B兩種狀態下的氣體關係式可表示成：

PAVA=PBVB

習慣上，這個公式會寫成：

p2=p1V1/V2

波義耳創建的理論——波義耳定律，是第一個描述氣體運動的數量公式，為氣體的量化研究和化學分析奠定了基礎。該定律是學習化學的基礎，學生在學習化學之初都要學習它。

在化學實驗中，波義耳讀了不少前人的著作，也瞭解到當時的一些科研成果。這不僅開闊了他的眼界，豐富了他的思想，同時也為他整個實驗的安排提供了指導。當時德國的工業化學家格勞伯大半生從事化學實驗，對金屬冶煉、酸鹼鹽的製取有較多的研究，為振興德國的工業做出了重大貢獻，格勞伯的事蹟以及他關於化學實驗的著作《新的哲學熔爐》給了波義耳一個重要的啓示，使他認識到化學在工業生產中所具有的廣泛意義，化學不應只限於製造醫藥，而是對於整個工業和科學都有着重要作用的科學。為此，他認為有必要重新來認識化學，首先要討論的是什麼是化學？

波義耳根據自己的實踐和對眾多資料的研究，主張化學研究的目的在於認識物體的本性，因而需要進行專門的實驗，收集觀察到的事實。這樣就必須使化學擺脱從屬於鍊金術或醫藥學的地位，發展成為一門專為探索自然界本質的獨立科學。這就是波義耳在《懷疑派化學家》中所闡述的第一個觀點。為了引起人們的重視，他在書中進一步強調指出：“化學到目前為止，還是認為只在製造醫藥和工業品方面具有價值。但是，我們所學的化學，絕不是醫學或藥學的婢女，也不應甘當工藝和冶金的奴僕，化學本身作為自然科學中的一部分，是探索宇宙奧秘的一個方面。化學，必須是為真理而追求真理的化學”。

為了確定科學的化學，波義耳考慮到首先要解決化學中一個最基本的概念：元素。最早提出元素這一概念的是古希臘一位著名的唯心主義哲學家柏拉圖，他用元素來表示當時認為是萬物之源的四種基本要素：火、水、氣、土。這一學説曾在兩千年裏被視為真理。後來醫藥化學家們提出的硫、汞、鹽的三要素理論也風靡一時。波義耳通過一系列實驗，對這些傳統的元素觀產生了懷疑。他指出：這些傳統的元素，實際未必就是真正的元素。固為許多物質，比如黃金就不含這些“元素”，也不能從黃金中分解出硫、汞、鹽等任何一種元素。恰恰相反，這些元素中的鹽卻可被分解。那麼，什麼是元素？波義耳認為：只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素。例如黃金，雖然可以同其它金屬一起製成合金，或溶解於王水之中而隱蔽起來，但是仍可設法恢復其原形，重新得到黃金。水銀也是如此。

至於自然界元素的數目，波義耳認為：作為萬物之源的元素，將不會是亞里士多德的“四種”，也不會是醫藥化學家所説的三種，而一定會有許多種。波義耳的元素概念實質上與單質的概念差不多，元素的定義應是“具有相同核電荷數的同一類原子的總稱”。如今這種科學認識是波義耳之後，又經三百多年的發展，直到20世紀初才弄清楚的。波義耳當時能批判四元素説和三要素説而提出科學的元素概念已經很不簡單，是認識上一個了不起的突破，使化學第一次明確了自己的研究對象。在《懷疑派化學家》一書中，在明確地闡述上述兩個觀點的同時，波義耳還強調了實驗方法和對自然界的觀察是科學思維的基礎，提出了化學發展的科學途徑。波義耳深刻地領會了培根重視科學實驗的思想，他反覆強調：“化學，為了完成其光榮而又莊嚴的使命，必須拋棄古代傳統的思辨方法，而像物理學那樣，立足於嚴密的實驗基礎之上。”波義耳正是這樣身體力行的。波義耳把這些新觀點、新思想帶進化學，解決了當時化學在理論上所面臨的一系列問題，為化學的健康發展掃平了道路。如果把伽利略的《關於兩大世界體系的對話》作為經典物理學的開始，那麼波義耳的《懷疑派化學家》可以作為近代化學的開始。 ^[3] 

在波義耳眾多的科研成果中，還有幾項不能磨滅的化學成就。波義耳常説，“要想做好實驗，就要敏於觀察。”這幾項成就都是實驗中敏鋭觀察的結果。

波義耳女友去世後，他一直把女友最愛的紫羅蘭花帶在身邊。在一次緊張的實驗中，放在實驗室內的紫羅蘭，被濺上了濃鹽酸，愛花的波義耳急忙把冒煙的紫羅蘭用水沖洗了一下，然後插在花瓶中。過了一會，波義耳發現深紫色的紫羅蘭變成了紅色的。這一奇怪的現象促使他進行了許多花木與酸鹼相互作用的實驗。由此他發現了大部分花草受酸或鹼作用都能改變顏色，其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明顯，它遇酸變成紅色，遇鹼變成藍色。利用這一特點，波義耳用石蕊浸液把紙浸透，然後烤乾，這就製成了實驗中常用的酸鹼試紙——石蕊試紙。

也是在這一類實驗中，波義耳發現五倍子水浸液和鐵鹽在一起，會生成一種不產生沉澱的黑色溶液。這種黑色溶液久不變色，於是他發明了一種製取黑墨水的方法，這種墨水幾乎用了一個世紀。

在實驗中，波義耳發現從硝酸銀中沉澱出來的白色物質，如果暴露在空氣中，就會變成黑色。這一發現，為後來人們把硝酸銀、氯化銀、溴化銀用於照相術上，做了先導性工作。

1663年，波義耳將金屬汞放在密閉的容器裏煅燒，冷卻後稱量時打開了蓋，導致空氣進入，最後的結論是物質的總質量增加了，與質量守恆定律失之交臂。

晚年的波義耳在製取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果，他根據“磷的重要成分，乃是人身上的某種東西”的觀點，頑強努力地鑽研，終於從動物尿中提取了磷。經進一步研究後，他指出：磷只在空氣存在時才發光；磷在空氣中燃燒形成白煙，這種白煙很快和水發生作用，形成的溶液呈酸性，這就是磷酸，把磷與強鹼一起加熱，會得到某種氣體（磷化氫），這種氣體與空氣接觸就燃燒起來，並形成縷縷白煙。這是當時關於磷元素性質的最早介紹。

波義耳所以取得這麼大的成就，正如他所説過的一句箴言：“人之所以能效力於世界，莫過於勤在實驗上下功夫。”

波義耳在物理學的其他方面也有許多貢獻。他最先對固體的彈性進行了研究，在對鐘擺長度變化所開展的固體膨脹研究中。發現了水在結冰時會膨脹。他主張熱是分子的運動。他擁護原子論假説，認為一切物體都是由較小的、完全相同的粒子組成的。他於1663年首先提出色光是白光的變種，表述了白光的複雜性的思想，指出物體的顏色並不是物體本身的內在屬性，而是由光線在被照射面上發生的變異引起的。1663年他還第一次記載了在肥皂泡和玻璃球中產生的彩色薄膜條紋。他觀察到靜電感應現象，指出化學發光現象是冷光等。他在實驗過程中研製成氣壓計，並於1662～1663年引人“barometer”（氣壓計）這個名稱。玻意耳特別重視和強調實驗的重要意義。他自己從事實驗的面非常廣，在熱學、聲學、電學、光學、流體靜力學、化學、醫學、生物學、生理學多方面從事過許多實驗，對以後實驗物理學的發展有積極影響。 ^[6] 

在生理學方面，波義耳研究了空氣對生物的作用，發現了肺內血液顏色和攝取空氣有關，1663年他還找出了毛細血管等。 ^[6] 

《懷疑派化學家》（1661年）《化學家的故事》《礦泉的博物學考察》《關於空氣彈性及其物理力學的新實驗》《關於火焰與空氣關係的新實驗》《形式與性質的起源》（1666年，總結了原子論哲學的要點）