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海尔蒙特的柳技实验及教训

2011-03-05 11:54阅读:
比利时医药化学家海尔蒙特(B. Vanhelmont,1579~1644)是世界化学发展史上一个耐人寻味的典型人物,这不仅因为他那顽固的复古思想,而且还因为他制作了一直被当作反面教材的柳技实验。
  海尔蒙特生活的年代,是化学刚刚从宗教哲学和金丹术的桎梏中得到解放,正在寻找与医药结合、谋求实用发展的时期。当时,瑞士医药化学家帕拉切尔苏斯(P. A. Paracelsus)倡导的“三要素说”(认为世界万物是由盐、硫、汞三要素以不同比例构成)正在蓬勃发展,不断地得到人们的赞扬;而以古希腊哲学家泰勒斯(Thales)为代表的“三源论”(认为世界万物之源可归结为水、空气、火三种最基本的原始物质)则早已随着历史的演进,被许多科学家的大量实验和生产实践给予了无情的批判。
  青年时期,海尔蒙特立志向帕氏学习,决心成为一个好医生,并希望在科学研究领域能做出重大贡献。所以,他长时间旅游于欧洲各国,向各地有成就的医生和科学家请教。通过广泛旅游和学习,他感到当时医药化学太落后了,因为那时人们还只是借助于草木医病,而不是较多地使用化学药剂。因此,他抱定要改变这种局面的雄心壮志,猎取了大量各种医学专著和化学知识,并从理论和实验两方面企图对化学做出进一步的研究。
  在理论上,他无法否定正在发展的三要素说,但却将自己的思想退回到了远古时代,断言物质的最基本原始“元素”是水和空气,认为这两种“元素”既不能相互转变,也不能再还原为更简单的状态。为了证明这种认识的正确性,他曾特意制作了柳技实验。
  “我取一个瓦盒,其中盛上已经在炉中烘干过的200磅土。用雨水浇湿,然后栽上5磅重的一棵柳树干。五年之后,终于长成了树,刨出除净土后约重169磅。在这五年中,我只在必要时往盆中浇雨水或蒸馏水。这个瓦盆是很大的,我把它固定在地上。为了防止飞扬的尘土落进盆中,我用一块有孔洞的镀锡铁皮把它盖起来。我没有计算这四个秋天落叶的重量,最后我把瓦盆中的土再烘干,发现原来的200磅土只差了大约2磅。所以164磅的木头、树皮、树根是由水产生出来的。”
  当然,这个实验结果根本无法证明他原来的思想,充其量只能说明“植物是由水‘元素’构成的”。
  在这里,海尔蒙特犯了以下几方面的错误:
  1、在研究战略上,他没有从三要素说的先
进思想中吸取合理营养进行创新研究,而是企图复活早已被淘汰了的三源论,况且在此之前并未出现过任何实验性突破。当然,化学史上被复活的古认识很多,但无一不是在实验研究取得突破进展之后,才在理论上重新有了新的认识。例如炼金术被批判之后,一直沉默了几千年,在电子被发现和量子化学兴起后,才得到了证实,才被人们承认。因此,海尔蒙特在理论认识上,违背了认识论的规律,造成了战略失利和研究程序上的颠倒。
  2、化学发展史上许多事例表明,证明实验必须设计得十分巧妙,而且其本质规律与被证明的理论在逻辑关系上也必须协调一致。例如汤姆逊(J. J. Thomson)设计的荷质比实验,就完全可以证明阴极射线与物质材料无关,是所有原子共有的特征微粒(电子)。但是,或许是受当时技术条件的限制,在广义性理论认识的基础上,海尔蒙特只能设计出一个柳技实验。然而,该实验反映的内在本质却难以与理论逻辑上和谐起来。换句话说,在物质组成这个大概念下,其证明实验不应该设计为植物的生长,似乎应设计为物质的分解或化合,或想法证明所有物质中都有水和空气这两种“元素”存在。当然,后来海尔蒙特对此也有所认识,并做过一些其他实验,来进一步证明其思想观点。但从理论认识到最初柳技实验设计这段时间内,除技术因素外,他似乎从思想认识上混沌不清,没有抓住所要探索问题的本质进行实验突破,违背了科学研究的一般方法和规律,致使理论与实验脱节,无法构成一个完美的研究系统,导致实验设计失败,造成了千古笑料。
  3、科学研究是一项细心认真的工作,来不得半点马虎。就实验研究来说,除要巧妙设计外,更需要全面仔细地观察。然而,海尔蒙特在实验观察时,却没有遵守这一方法论的基本原则,只注意到了植物的量变和水的作用,根本就没有意识到空气的存在。因为瓦盆的盖子上有孔洞,气体可以自由地出入。因此,他的实验观察是片面的,忽略了周围环境的影响。事实上植物的生长一刻也离不开空气。无独有偶,柳技实验百年之后,英国著名的化学家波义耳(R. Boyle)也犯过同样的错误。他在观察金属燃烧时,将瓶口敞开加热,只注意到了火的作用,仍忽略了空气的影响,结果得出了金属燃烧是“火微粒”作用的错误结论。
  4、从认识论角度来考虑,错误的信息只能产生出错误的结论。因此,海尔蒙特的片面观察也只能得出片面的认识。因为实验设计的本质只是理论认识的一部分。故其结果说到最圆处也只能是一个局部结论,况且在设计和观察两方面还犯有严重错误,因此柳技实验的任何结论都无法证明最初的理论观点。当然,如果仅把其作为植物生长原因的探析,该实验在设计和操作上则是比较成功的。这或许就是海尔蒙特在结论归纳时比较谨慎的原因,只将结果定论在植物生长这个前提下,而未敢说出心目中的那个大概念。 化学研究中,错误信息主要来源于实验观察和资料分析。理论化学家鲍林(L. Pauling)就曾在不正确资料误导下,犯过一个很大的错误,将DNA设想为三螺旋结构,丧失了发现双螺旋模型的机会。但是与此相反,如果能巧妙地设计实验,并进行全面观察,就有可能在科学事业上建立辉煌的业绩。波义耳金属燃烧实验后,法国化学家拉瓦锡(A. L. Lavoisiser)将瓶口封闭起来重复了这个实验,结果得出了燃烧只与空气(O2)有关的正确结论,进而创建了具有划时代意义的氧化理论。
  总之,不论是战略失利、程序颠倒,还是实验设计失败和观察片面,海尔蒙特的经验教训再次表明科学研究方法对学习化学和研究工作的重要性。需要说明的是,换个角度来看待海尔蒙特其人和柳技实验,他还是一个善于独立思考、实事求是并富有创建的科学家。他曾发现了碳酸气(CO2)和氨气(NH3),并使用天平做了许多实验,将无机制备化学发展到了前所未有的水平。而且他那种敢于从“垃圾”中寻找智慧和灵感的科学态度和精神,以及那种不只靠逻辑思维和想象从事科学研究,敢于大胆地创建新实验并力图证明思想认识的科学研究方法,都是我们值得学习的光辉榜样。

[《中学化学教学参考》,1998年第十期]

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