波义耳实验及元素简史

波义耳知道了德国物理学家居里克的马德堡实验，决定亲自改进一番。他利用空气泵进行了多次实验，其中一次被英国画家约瑟夫·莱特（Joseph Wright）的著名画作《气泵里的鸟实验》记录了下来。

波义耳那些利用空气泵和气压的实验，最终催生了《关于空气弹性及其物理力学的新实验》一书。该书于1660年出版，继而促成了波义耳定律的诞生。波义耳定律的内容为：“在定量、定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。”用公式可写作：

V=k/P

这个公式可推导为：

PV=k

其中P指压强，V代表体积，而k为一个常数。

根据波义耳定律，如果气体被压缩，那么它的压强就会增加，而如果气体能冲破阻碍，扩散到更大的空间里，压强就会降下来。波义耳推测，空气应该是些细小的颗粒，分布在空间中，颗粒间由一些能屈能伸的“弹簧”连接。弹簧受到挤压，定量的空气就会被挤进一个小空间里，而一旦空间放宽，弹簧松弛，颗粒们就能舒展开来了。

波义耳通过截留汞柱之下J形管中的少量空气，做了一个关于空气压力和体积的实验。他向右边的开口端逐渐添加更多的汞，并测量左边被困空气的体积变化

波义耳坚信，他的空气泵确实吸走了玻璃罩中的所有物质。但他的反对者（如英国政治哲学家霍布斯）依然坚称，一定有什么东西留存在里面，比如以太。对这些顽固不化的人而言，“虚空”这个概念是不可想象的，不论你拿出什么证据，都动摇不了他们的信念。不过对其他人来说，真空泵否定了亚里士多德对真空的拒斥。如果容器中的空气能够被抽走，使得容器中真正空无一物，那种连续不断的物质模型就再也站不住脚了。

终于，人类朝元素的真实面貌迈出了关键一步。元素能在真空中存在、运动，并通过各种方式结合。人类一旦认识到这一点，现代化学的核心理论模型也就得以萌芽了。

然而，可千万别认为波义耳就此把化学从炼金术里剥离出来，引向了光明的科学之路。波义耳可是个“怀疑派炼金术士”，而且是个铁杆炼金术士，完全相信自己目睹过的炼金术“奇迹”。当时本有法律禁止炼金术活动，而他却卖力推动废止这些法律。在这方面他是成功的。1689年，将“低级”金属转化为黄金在英国成为“合法”行为。波义耳不仅相信这在理论上可行，而且积极参与其中。一大批炼金术士蒙骗了他，他毫不怀疑自己亲眼见证了“点铁成金”的过程。

但不同于其他炼金术士，波义耳既反对亚里士多德的四元素说，也不接受巴拉赛尔苏斯的三元素说。巴拉赛尔苏斯的信徒认为，可以借助火来分解物质，得到物质的各个成分，而波义耳跟此前那些思想前瞻的科学家一样，认为燃烧实际上改变了材料的性质，而非显露了材料的成分。他论述道：“通过燃烧，你不是将隐藏的东西揪出来，而是制造出了其他物质。”

波义耳的气泵。制造真空的能力对发展物质的原子模型而言至关重要
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波义耳摒弃了亚里士多德和巴拉赛尔苏斯所谓的“元素”，代之以他称为“万有物质”的单一种类的物质。他认为，所有物质都由这种东西构成。我们之前介绍过，好几位古希腊哲学家都提出过这种观点：所有物质本质上都是同一种实体。泰勒斯会说这种实体是水，阿那克西米尼则认为是气。与波义耳同时代的尼德兰化学家范·海尔蒙特（J. B. van Helmont）也倾向于采信泰勒斯之说，猜测水是万物之基。波义耳模型的优势在于更合乎逻辑。

存在一种所有实体所共有的万有物质，即一种延展的、可分割的并且不可穿透的物质。

但是，由于这种物质本身具有唯一性质，所以我们在各种实体中所看到的多样性，必然源于实体构成物之外的其他方面。我们看不出物质为何会有变化，但如果它的所有（实际的或可设计的）部分都永久性地彼此依存，那么结论就是：为了使万有物质构成形态各异的自然实体，它必须在某些或所有可设计的部分之间容许运动。

——波义耳，《物质形态与性质的起源》（1666年）

对于物质的各种不同特性，波义耳解释说，“万有物质”的颗粒具备不同的大小和形态。万物之所以如此多样，要归功于物质颗粒的大小、形态、运动及互动方式的多样。

他也并不觉得自己的物质化学模型与炼金术对物质的转化之间有什么冲突，他这样写道：

各种实体皆由同一物质构成，其间区分全在偶然，而偶然盖由内部运动促成。既如此，设若略微添减物质，依序更改干预，逐步处理欲转变之物质，则假以时日，自可将一物化为其他任一物，私以为顺理成章。

和某些前辈一样，波义耳将颜色之类“第二特性”的形成原因，解释为物质颗粒与我们感官的互动。物质为何会在化学反应中发生变化，并获得新的特性呢？他解释说，那是因为当颗粒聚集时，所形成的复合颗粒自然会具有新的形态和大小，继而与感官和其他物质产生新的反应：

正如各类最小单元，各种主要粒子团也有各异的体量和形状，当它们彼此勾连，由它们的并置和粘连组成的颗粒必定改变尺寸，而且往往也改变形态……如有任何物质加之于或剥离于一个颗粒，则颗粒大小必有变化，其形态也往往变化，从而该颗粒将匹配某些实体的孔洞，而排斥其他实体的孔洞。继而，其作用范围便不同于之前了。

当最简单的颗粒（即我们所说的原子）聚合成为粒子团（即我们所说的分子），就形成了独特的新形态、新特性，不同于那些简单颗粒。而我们也可以通过打破聚合，重新得到最初的简单颗粒，并让它们恢复原本的特性。

波义耳关于物质本质的观点，对于元素概念的最终成形非常重要。另一方面，他对所谓“空气弹性”的研究，也启发了后来者继续探索气体。既然有了现成的“压力”和“颗粒”概念，科学家们的下一步探索就该是发现“空气”不只是单一的一种物质而已了。