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2021-03-01從原子學說看 近代科學的運作
615 期
Author 作者
蔡蘊明／美國俄亥俄州立大學博士，於麻省理工學院進行博後研究。1985年進入臺大化學系，現為臺大名譽教授。
西方科學起源於2000多年前的古希臘，該時期許多哲學家對大自然的運作極為好奇，企圖建立一些合理的想法來理解萬物根源，也期望能跳脫神明的思維，建立一個理性的社會文明和秩序。在大約西元前478年，就已經有一位留基伯（Leucippus）提出了原子學說，用來解釋物質結構的基礎，只不過他的學說因缺乏紀錄，現今留存的資料大多來自於約西元前420年時期，其學生德謨克利特（Democritus）的闡述。
此時期的原子學說，主張物質是由無法再進一步分割的「原子」（atom）所組成，此詞的希臘字源atomon 就具有不能分割的意思。不同形狀的原子，以各種方式結合而生成不同性質的物質，而原子則是在真空中以紊亂的方式不斷運動。這個想法，驚人的與現代的原子學說非常相近，可惜的是並未成為顯學，主因在於希臘哲學家亞里斯多德（Aristotélēs）無法接受真空的存在。而亞里斯多德提出水（water）、火（fire）、土（earth）和氣（air）四元素為物質組成根本的學說，則成為往後約2000年的主流思想。
實驗科學造成的變革—拉瓦節與質量守恆定律
另一個原子學說未能成為顯學的原因，則在於希臘人著重於思辯而缺乏起而行的實驗精神。但即便理論層次無多進展，化學技術仍因鍊金術士（alchemist）的不斷嘗試而持續進步。17世紀實驗科學興起，英國哲學家培根（Francis Bacon）主張：實驗必須適當規畫，其結果需要仔細記錄以便複製及確認。這樣的科學態度即便放在今日亦為黃金準則，慢慢導致四元素說開始受到強烈挑戰，終被破除。科學的方法和思維逐漸成熟，理論要經由實驗來驗證，成為不變法則。
在18世紀時，燃燒與氣體研究可稱為顯學，法國科學家拉瓦節（Antoine Lavoisier）奠定了現代元素的意義：物質為不同元素所組成，一物質若無法被分解成兩種以上的物質時，即應視為元素。他在1789年出版的《化學基礎論》（Traité Élémentaire de Chimie）一書中，已經列出33種元素，其中包括了氫（hydrogen, H）和氧（oxygen, O）。他以嚴謹的重量分析，展示了化學反應的開始與結束不會有重量改變，建立了化學變化的質量守恆定律。
透過拉瓦節所發展的元素分析，可決定兩個元素結合時相對的質量比例。例如將10克汞（mercury, Hg）金屬完全氧化產生氧化汞（HgO），重量增為10.8克，則代表有0.8克的氧與汞結合，可推論出氧化汞是由氧與汞以0.8：10的質量比例結合而成。從一些物質的元素分析結果，法國科學家普魯斯特（Joseph Proust）在1799年提出了定比定律，指出「物質是由特定元素以固定質量比例組成，而無關於其產處或製造方法」。這個定律在19世紀初被大多數科學家接受。……【更多內容請閱讀科學月刊第615期】