03 科學的特質:以原子說為例

Wayne Tsai
Apr 6, 2018 · 6 min read

這篇實在卡關卡太久了……要用我有限的知識,完整表達科學的特質是很難的,不過現階段先就我理解的部分先寫出來,不然大概就卡關到明年了吧XD 如果有什麼不完整的地方還請指教


回想從小學到高中學習的自然科內容,到底什麼是科學呢?科學的定義可以很廣泛,也許不是三言兩語可以帶過的,但是在這裡我們可以試著給出幾個基本的特性。就如同哲學是「以人類的理性觀察、認識宇宙和人生的根本真相」,如果我們把範圍侷限在認識這個物質世界,其實就是科學所探討的範圍了。從事科學研究的時候,有一些基本的特質:我們會先提出科學問題,然後針對研究結果設定一個假說 (hypothesis),然後用肉眼或儀器來觀察,或是透過已知的現象或是定律,經過有邏輯性的推理,尋找假說中的變因和觀察到的現象的關係,得到科學結論。若得到的結論背後可以被許多例子支持,而且反覆被實驗也能得到相同的結果,我們就把這樣的結論當作科學的定律 (Theory)典範 (Scientific Model)。

然而,我們得到的理論或典範就可以當作是真理嗎?知名的科學哲學家孔恩 (Thomas S. Kuhn,1922–1996) 認為,科學發展是「典範→危機→科學革命」的歷程,也就是在每個不同的時代,都有一些主流的科學理論能夠支持某些科學現象,同時也有些問題無法被解釋、困境無法突破,這個時候舊的理論就可能需要被放棄或修改,直到新的理論能夠詮釋原來解釋不了的現象。在科學發展的歷史中,其實有很多在當時被當作鐵則一般的定律被修正或推翻的紀錄了,以下舉幾個實例:

舉例一:原子說的進程

在蘇格拉底問世之前,有一群希臘的哲學家正在努力用他們的理性來了解這個世界,而不是訴諸於神話、天啓、權威或傳統。第一位以理性討論「是什麼構成了這個世界」的哲學家叫做泰勒斯 (Thelas, 624~546 B.C.),他發現水凝固後會變成冰或岩石、水蒸發會變成空氣、下雨之後會長出植物,所以得出一個結論 — — 宇宙是由單一元素「水」構成的。他的想法現代已經知道完整週期表的人而言,或許覺得這個結論很可笑,但是在閱讀這些過去的歷史時,我們應該把自己拉回兩千五百多年前的古希臘,去體會一下在沒有顯微鏡、望遠鏡的狀況下,純粹靠自己的觀察和思維,把兩件事情以簡單的因果現象找出世界運作的規律、得出結論,是一件多不容易的事情!況且,有些人認為,雖然世界雖然不可能由水組成,但根據質能互換的概念,其實質量最後都可以約化成能量,也是宇宙由「單一形式構成」的展現。

一個世紀過後,另一位希臘哲學家恩培多克利斯 (Empedocles, 490~430 B.C.) 根據亞里斯多德對陶器製作的觀察,提出了四元素說。亞里斯多德說,陶器在製作的時候,濕的黏土被火加熱,會變成乾的、硬的陶器,此時黏土的濕性就被乾性取代。另外,他也認為冰塊遇到暖空氣的時候,會融化成水,這也是把冰的乾性轉化成水的濕性。恩培多克里斯就從這個當作基礎,當「土」被「火」加熱的時候,土的乾性會被火的熱性取代,變成空氣;「氣」在上空凝結成「水」時,形成雨水,空氣的熱性就被水的濕性取代;「水」降到地表會凝固成「土」,水的濕性就被土的冷性取代 (雖然這個結論不太正確)。因此,四元素「土、氣、水、火」就是組成這個世界的四種物質。亞里斯多德更進一步認為,萬物都是由這四種物質組成,只是組成的比例多寡不同而已。由於生活中有許多現象符合這個說法,所以這套理論在文藝復興時期以前,受到了高度重視。

希臘時代也有幾位哲學家以原子論著稱,那就是路西帕斯 (Leucippus, 大約5 B.C.)德謨克利特斯 (Democritus, 460~370 B.C.)。他們認為,世界上的所有東西,都是由不可分割的單位組成的,稱為原子 (atom)。例如鐵鎚是由鐵的原子構成,而且形狀應該像彈簧一樣,有堅硬、可塑造的本質;火原子則應該是黃色、很輕但是尖尖的。所有空間和物體都是由原子組成的,只是有不同的排列組合。雖然原子說才是現今化學的主流,但由於亞里斯多德在當時太過有名,所以原子論並沒有受到重視。

然而,古希臘的哲學家都只靠經驗和推理,來思考出世界的真相,但是這實際上對事實的發現並沒有太大幫助,因為有些論證即使邏輯是正確的,只要前提錯了,推演出來的結論也有可能是錯誤的,因此關於物質的理論在接下來很長一段時間都沒有什麼進展。直到十八世紀,法國化學家拉瓦節 (Antoine Lavoisier, 1743–1794),嘗試把錫放在玻璃罐中並在太陽下曝曬,意外發現經過一段時間後玻璃罐中出現白色的氧化錫(IV)粉末。他進一步測量反應前錫放在玻璃罐中的總重量,以及發生反應後的物質總重量,發現化學反應前後物質質量是不變的,於是推演出了化學作用的質量守恆定律 (Law of mass conservation)。古希臘人因為都只有透過觀察自然現象和邏輯推理,當然很難得到質量守恆的結論,因為在反應過程中可能有肉眼看不見的氣體參與化學反應,所以必須精確實驗設計才能得到正確的結論!

1803年,道爾吞 (John Dalton, 1766–1844) 研究溶於水中的氣體時,經過一連串實驗得出了原子說,他認為:每一個元素都包含許多稱為原子的不可分割小單元;元素裡的原子都是相同的,且不同元素的原子,質量不同;在形成化合物的過程中,是以整個原子進行作用的,不能憑空創造或毀壞。這個理論是古典化學的重要基礎。

然而,原子說提出後,就解決了所有人類對原子的想像了嗎?其實並沒有。1910年,湯木生 (Sr. J. J. Thomson,1856–1940) 透過陰極射線管實驗發現了電子,並提出了電子鑲嵌在原子中的「葡萄乾布丁模型」;隨後,拉塞福 (Ernest Rutherford, 1871–1937) 透過電子散射金箔的實驗,發現絕大部分的電子可以穿越金箔,但是有一部分則會往反方向散射,甚至完全反彈,進而提出「電子在原子核周圍以行星軌道繞行」的模型。這些實驗都說明了,原子並不像道耳吞所說的不可分割,現代科學家更致力於尋找更小的組成原子的物質,例如夸克、微中子等,因為這些物質都有助於我們對宇宙起源的認識。但是,到底原子可以被切割到什麼樣的程度呢?也許,有限的科學知識並不能讓我們了解原子是否能夠無限制切割下去,最後這個問題就可以回到形上學的領域來討論了。

Wayne Tsai

Written by

師大地球科學系畢業,目前就讀台灣大學大氣科學研究所碩士班。研究領域為氣候變異與預測,興趣是科學教育、科學哲學、數位音樂製作。

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