我们看一位“现代化学之父”,约翰·道尔顿,他是英国化学家、物理学家,于1766年9月6日生于坎伯兰郡伊格斯非尔德一个贫困的贵格会织工家庭。贵格会的信仰强调朴素、务实与坚韧,这种精神深深烙印在道尔顿的一生之中。
1803年,道尔顿在古希腊的原子论和牛顿的微粒说上提出了现代原子论,其主要就两点,第一,物质是由最小单位的粒子构成,这种粒子叫做原子;第二,相同物质的原子、形状、体积、重量是相同的,不同物质的原子则不一定相同。有人可能会疑惑了,这不就是古希腊的原子论吗?都两千多年了,道尔顿何必将前人已经得出来的结论再次说出来呢?
问题来了,道尔顿的原子论和古希腊时期的原子论有什么区别呢?简单来讲,这两者之间有着本质的区别。古希腊哲学家德谟克利特是原子论的先驱,他认为,这个世界上的一切物质都由一个最基本的、不可分割的粒子构成,这个最基本的粒子就是原子,而原子之间是虚空的,万物的差异只源于原子的形状、大小和排列方式的不同。这种观点在两千多年前无疑具有颠覆性,但它终究是一种纯粹的哲学思辨,没有任何实验依据支撑,更像是一种对世界本源的猜想,很粗糙,看上去有点形而上。实际上,古希腊原子论更多的意义在于其哲学上的意义,它打破了“万物由水、火、土、气构成”的传统四元素说,开启了人们从微观角度认识世界的思路,而非科学上的意义,并不解决实质问题。在之后的漫长岁月里,这一理论也仅仅停留在哲学讨论的层面,没有为生产实践和科学研究提供任何实际帮助。
而道尔顿的原子论,就不太一样了。他所说的原子,关键不在于强调“不可分割”这一属性,而在于明确给出了“同一物质的原子相同,不同物质的原子不同”这一核心论断,并且引入了“原子量”的概念——他认为不同原子的重量是可以测量和比较的。从化学的角度来看,这才是具有理论价值和应用价值的原子模型。
在此之前,化学家们已经发现了许多化学反应的规律,比如某些物质相互化合时,重量总是呈现出固定的比例,但他们无法解释这种比例背后的原因。道尔顿的原子论恰好为这些现象提供了合理的解释:化学反应本质上是原子的重新组合,而固定的重量比例,正是源于原子本身固定的重量和组合方式。这一理论的出现,让化学研究从对现象的描述,一跃成为对本质的探索,为化学成为一门真正的科学奠定了基础。
哲学与科学的最大区别在于,哲学可以为了阐述某种思想而提出一个概念,或说一套能够自圆其说的理论,它不要求被实验验证,只需要在逻辑上成立即可,但科学就不一样了,科学要摆脱形而上的思考,其最主要的目的不是为了解释说明,而是为了解决实际问题。道尔顿的原子论从诞生之初,就带着强烈的实践色彩,他试图用这一理论去解释化学反应的规律,去计算不同原子的重量,去预测新的化合物的性质。这种“从实践中来,到实践中去”的思路,正是科学区别于哲学的关键所在。
有些人可能要问了,构成世界最小的微粒不是原子呀,因为原子也是可以分割的,可以分成原子核和电子,原子核还能再分成质子和中子,质子和中子又能进一步分成夸克。但我们必须明确一个前提,科学理论的价值,在于它是否能在特定的研究领域内发挥作用。在化学中,物质只分到原子层面就够了,因为化学反应的最小单位就是原子,原子的种类和组合方式决定了物质的化学性质。至于要分到夸克层面,研究微观粒子的内部结构和相互作用,至少就目前来讲,那是物理学该干的事。原子模型对于化学家的研究来说,已经足够了。就好比你喜欢余襄子,你喜欢的是我的性格、思想、谈吐,是我这个人完整的形象,而不是我体内的每一个细胞、每一个分子对吧,那些细节固然存在,但对于“喜欢”这个行为而言,并没有实际意义。
后来,化学家在道尔顿原子模型的基础上,又建立了元素模型。元素是对原子的一种分类,化学性质一致的原子,被列入了同一元素,它们之间的关系,就好比个人与家族的关系,同一个家族的人有着相似的特征,同一种元素的原子有着相同的化学性质。道尔顿曾试图绘制出世界上第一张原子量表,虽然他当时计算的原子量与现代数值存在较大偏差,比如他将氢原子的重量定为1,以此为基准计算其他原子的相对重量,但这种相对原子量的思路,为元素周期表的诞生埋下了伏笔。不过需要说明的是,这个元素模型只是人们为了更好地研究化学而划分的,因此,元素模型也有人为因素的影响,而且不是唯一的分类方式。比如后来科学家发现,同一种元素的原子,其原子核内的中子数可能不同,这些原子被称为同位素,它们的化学性质几乎一致,但物理性质存在差异——这便是对元素模型的补充和完善。
另外,道尔顿还推导并证明了倍比定律,这是啥呢?简单来讲,当甲、乙两种元素相互化合,能生成几种不同的化合物时,则在这些化合物中,与一定量甲元素相化合的乙元素的质量必互成简单的整数比,这一结论称为倍比定律。举个例子,碳和氧可以生成一氧化碳和二氧化碳两种化合物,在这两种化合物中,与同样重量的碳化合的氧的重量比,恰好是1:2,这个简单的整数比,正是原子论的有力佐证。倍比定律的发现,让道尔顿的原子论不再是空洞的理论,而是有了坚实的实验支撑,也让更多化学家开始接受这一学说。
关于道尔顿,还有一则有意思的故事。有一次,道尔顿给他妈妈买了一双袜子作为圣诞节礼物。收到礼物后,他妈妈觉得不太合适,笑着告诉道尔顿,她年纪大了,不适合这种樱桃红如此鲜艳的颜色了。道尔顿大吃一惊,因为在他的眼里,这双袜子明明是一双灰色的袜子!
敏锐的道尔顿立即明白了事情的不对劲,他没有把这件事当成一件小事一笑而过,而是抱着严谨的科学态度去探究原因。他拿着袜子去问自己的兄弟姐妹,发现了一个奇怪的现象,他的兄弟们都说这个袜子是灰色的,而他的姐妹们说这个袜子是红色的。奇了怪了,颜色这玩意怎么随着性别的改变而改变呢?它难道不是客观存在的吗?
道尔顿意识到,对于袜子颜色的分歧,绝对不是一件小事,很有可能是人类对颜色的感知,确实存在天然的差异。为了弄清楚这个问题,他开始系统地研究这种视觉现象,他对比了不同人群对颜色的分辨能力,查阅了大量的资料,最终在1798年发表了《关于色彩视觉的离奇事实》一文,这是人类历史上第一篇关于色盲的科学论文。也正因如此,色盲症在很长一段时间里都被称为“道尔顿症”。
在道尔顿之后,人们又陆续发现了几种不同的色盲,比如红绿色盲、蓝黄色盲,还有完全无法分辨颜色的全色盲。科学家们沿着道尔顿的思路继续推测:我们是不是可以反过来说,人类世界里能发现几类色盲,就对应了人的眼睛里,有几种不同的色彩感受器呢?这个猜想后来得到了证实,现代生理学研究表明,人类的视网膜上有三种视锥细胞,分别对红光、绿光和蓝光敏感,这三种细胞的协同作用,让我们能够看到五彩斑斓的世界。而色盲患者,正是因为其中一种或多种视锥细胞出现了功能障碍。
道尔顿于1844年7月27日在曼彻斯特逝世,享年78岁。