第十三讲 流行时尚：启蒙时代的科学

1.启蒙与科学传播

我们已经从几个方面讨论了16、17世纪科学革命的前因后果，下面让我们进入18世纪科学史。

从1688年英国光荣革命，到1789年法国大革命，18世纪在历史上可以说是一个变革的世纪，启蒙运动和工业革命都发生于这一世纪，美国的独立和俄罗斯的崛起也都在这一世纪。

但就科学史而言，18世纪似乎是相对平淡的时期。在此之前的16、17世纪是波澜壮阔的科学革命；而19世纪被称作科学的世纪，各类学科全面开花，电磁学、热力学、原子论、进化论等都在19世纪进入高潮。但18世纪呢，相比起来似乎感觉有些乏善可陈了。

一些科学史家把18世纪科学史看作对科学革命进行“吸收与消化”的过渡时期，这是对的，但这并不是说18世纪在科学史上不重要。因为传统的科学史写法注重“结果”，关注新定律和新理论的提出，从这个层面上看18世纪的确没多少亮点。但如果我们把科学看作一个在社会文化背景下的人类事业，18世纪就不可谓不重要了。因为18世纪恰恰是科学的社会化，科学发展与文化环境紧密互动的关键时期。

在18世纪以前，科学研究始终是一小撮非主流知识分子的特殊活动，而且这些知识分子也并没有一个统一的归属，而在18世纪之后，科学成为一个人类共同的事业或普世的文化。

没有18世纪，就没有19世纪，这似乎是句废话，但我想说的是，这一“吸收和消化”的过渡时期在科学史的追溯中是不应被忽略的。

这一讲中，我们把18世纪科学放到启蒙时代的背景下看，至于工业革命的部分留给下一讲。

所谓启蒙（enlightenment），原意是“照亮”，18世纪的启蒙思想家希望用“理性之光”照亮黑暗，提倡科学、民主、自由，反对愚昧和专制。中文翻译成启蒙是不错的，就是启迪蒙昧、开启民智的意思。

在18世纪末，大哲学家康德在一篇征文中给出了对“启蒙”的经典定义：

“启蒙就是人从他咎由自取的受监护状态走出。受监护状态就是没有他人的指导就不能使用自己的理智的状态。如果这种受监护状态的原因不在于缺乏理智，而在于缺乏无须他人指导而运用自己的理智的决心和勇气，则它就是咎由自取的。因此Sapere aude!（要敢于认识）要有勇气使用你自己的理智！这就是启蒙的格言。”

大哲学家说话总是有点绕，但康德的确说得很好。启蒙运动强调用理性之光照亮蒙昧，但这理性之光并不是来自某一个权威，而是每个人心中都有理性之光，问题的关键不是缺乏理性，而是缺乏勇气，总想依赖别人，顺从于统治者，听从于权威，这就是蒙昧。所以启蒙运动表现为对专制统治和宗教教条的反抗。启蒙思想家重视教育，因为只有通过教育，才能让民众认识到理性的力量，从而获得自由的勇气。启蒙思想家心目中的教育不是教条的灌输，教育的最终目的是为了让受教者能够摆脱施教者。启蒙时代的“勇气”在很大程度上来源于科学革命的成就，去除了炼金术和宗教元素的牛顿形象被塑造为启蒙时代的偶像，启蒙思想家积极地传播以牛顿力学为代表的科学知识，因为这些知识就是理性之光的伟大成就。科学的探索与传播本身就是启蒙的事业。在狄德罗的《百科全书》中，提出了这样的口号：“你知道的，就去传播；你不知道的，就去探索。”图13.1.1这幅版画中，真理女神在画面中央绽放光芒，她身侧的哲学与理性两位女神正在拨开她的面纱。

这就是启蒙时代对科学的态度：科学不再只是一种贵族们自得其乐的活动，更负有让真理之光照亮愚昧的使命，所以18世纪可以说是一个“科学传播”的世纪，科学的社会化和大众化是18世纪的特点。

2.学会、杂志的兴起与大学改革

我们先回到17世纪，讲一下科学的社会建制层面的发展。我们知道欧洲的学术中心在最初无疑是大学，但随着科学革命的展开，大学逐渐变为一个思想相对保守的地方，虽然科学家最初受教育往往还是通过大学，但科学家们开始在大学之外寻找自己的归属。

由宫廷或贵族资助而形成的科学小团体开始出现，其中具代表性的就是伽利略参与过的山猫学院，它在1603年创办。后来伽利略的门徒在1657年创办西芒托学院，也就是实验学院，也很有影响。但这些自发形成的学会都很不稳定，往往在资助者离开或去世后就消亡了。

真正形成稳定的建制的是1662年的英国王家学会和1666年的法国王家科学院（在法国大革命之后没有“王家”了，就叫法国科学院）。这些国家级的学会也是在学者们自发组织的基础上建立的，但一旦冠以王家的头衔，就开始成为一所官方的机构，虽然仍然有资助人，但不再会因为个别资助人的离开而解散了。

英国王家学会和法国科学院代表两种模式，英国的王家学会其实并没有王室的稳定资助，经费主要靠会员自筹，会员以业余爱好者居多，组织比较松散自由。而法国科学院更接近于一家政府机构，院士一般会收到政府发的薪水，有时要承担一些研究任务。

到18世纪，以伦敦或巴黎为模范的国家级和地区级学会纷纷建立起来，例如：

柏林1700，圣彼得堡1724，斯德哥尔摩1739；蒙特利埃1706，波尔多1712，博洛尼亚1714，里昂1724，第戎1725，乌普萨拉1728，哥本哈根1742；哥廷根1752，都灵1757，慕尼黑1759，曼海姆1763，巴塞罗那1764，布鲁塞尔1769，帕多瓦1779，爱丁堡1786，都柏林1785……甚至在遥远的美洲，富兰克林也建立了美洲哲学学会（1768）。

这些学会取代了大学，成为科学家们的交流中心。同时，借助印刷术和日益发达的通讯网络，科学家们的书面交流日益普遍，开始是以某些知名人士为中心，维持一个通信网，学者们通过书信交流最新的想法和实验报告。在通信网的基础上，学术期刊出现了。

1665在巴黎创办的《学者杂志》（图13.2.1）一般被认为是最早的学术期刊，同年，英国王家学会也开始发行自己的会刊，即《哲学汇刊》（图13.2.2）。之后兴起的学会也往往都会建立自己的会刊。

最初学会的会刊一般是年刊或季刊，是有相当的延迟的，例如一篇论文从在法国科学院中宣读到它发表在学会纪要上的时间间隔平均要有3年，最长甚至要等7年。这样的时间延迟在越来越快的科学发展中变得难以忍受，一些更新更快的月刊和学报开始出现，

在18世纪末，一些分学科的期刊开始出现，如《化学学报》（1778），《植物学杂志》（1787），《化学纪事》（1789），《物理学纪事》（1799）等。除了支持学会之外，各国政府还兴建了国家级的天文台、植物园等机构，服务于航海等实用目的，也供养了一些科学家。由政府支持的科学机构虽然在研究上仍是相对自由的，但相比传统的大学，新兴的科学组织更加注重实用研究。英国王家学会就特别鼓励研究“有用的知识”，包括制造业、机械实践、工程和实验发明等。牛顿其实是因为他对望远镜的改进而不是纯理论的研究而被王家学会吸收的。王家学会的每周例会几乎都是实验报告，会员们奉行弗朗西斯·培根的座右铭：“拒绝空谈”。

不过当时的许多实验研究并没有与理论科学的发展相融合，科学的实用性也并未真正显露出来。虽然瓦特等工业革命的关键人物也是王家学会的会员，但他们的技术发明仍然出自摸索着试试改改的工匠传统，而不是理论科学影响下的产物。从18世纪初钮可门的蒸汽机问世以后，蒸汽机倒是一直属于实验演示的常用道具之一，瓦特对蒸汽机的了解和材料的获取应当与实验传统有关。但在实验家那里，蒸汽机始终只是作为表演道具，并没有得到理论化的研究。18世纪的热学理论对于瓦特的影响更是微乎其微。

虽然说在17、18世纪，大学变成相对保守的机构，科学活动的中心转向了“学会”，但大学的地位到19世纪最终还是回来了，而大学的改革在18世纪就开始了。

在法国，18世纪中叶的启蒙思想家就呼吁教学改革，比如达朗贝尔认为大学期间浪费精力去学习僵死的拉丁语是没有必要的，物理学研究应当限定为实验和几何等。

1745年，瑞典的哈特党提出了大学体制的改革，数学和物理学成为独立的专业学科，就好比之前的医学、法学和神学那样，在基本科目之后作为一个专科学院而成立。但这一设想没有落实。波兰在1777年发起的教学改革确实落实了，波兰的大学新增了物理学院，其中包括数学和医学，在预科教学中减少拉丁语，增加科学方面的内容。但1796年波兰被列强瓜分，教育改革也就中止了。此外奥地利也有一些教育改革的尝试，但都没有坚持下来。

在当时德意志地区的大学环境是比较好的，比如哥廷根大学在1737年的条例就规定了教师的自由，只要不讲授反对宗教、道德和国家的内容，教授可以自行选择课本和安排课程。除了教学之外，教授们也致力于发表文章，创办学会和期刊，形成了研究型大学的雏形。

康德是当时属于普鲁士的哥尼斯堡大学的哲学教授，哥尼斯堡现在属于俄罗斯的飞地加里宁格勒。康德在1798年撰写《系科之争》，呼吁政府应当给哲学学院以完全的思想自由和言论自由。康德的影响力是很大的，后来洪堡就是在康德的影响下建立了柏林大学（1810年）。柏林大学的学院设置还是传统的法学、医学、哲学与神学四个学院，但在教学环境上是新的，教师可以自由地教学和研究，学生也可以自由地选课，成为现代研究型大学的典范。

除了传统的大学之外，许多专业院校在18世纪兴起，比如矿业学院、炮兵学院、桥梁公路学校等。在法国“大革命”之后，平民教育得到重视，基础教育开始制度化。拿破仑在1802年颁布“教育基本法”，推进教育改革。拿破仑事实上想要限制教育的自由，试图推行一套由中央所控制的，普遍化和标准化的教育模式，培养有道德、有文化、有纪律的优秀国民。拿破仑建立了“帝国大学”，帝国大学不是具体的一所大学，而是把所有的大学统一在一起，统管所有的老师和课程。

在帝国大学中，自然科学类的学科与人文学科开始被区分开来。专业分科体系与我们现时代更加接近了。

在专业化趋势日益明显的18世纪，学者们仍然试图为人类知识勾勒出一个整体的图景。例如达朗贝尔编写《百科全书》时描绘的知识图谱（图13.2.3），把人类的能力分为记忆、理性和想象三种，分别对应于历史、哲学和诗歌这三大类学科，下面再细分出许多枝杈来。

但这种描绘知识图谱的努力很快就被放弃了，在18世纪末出版的《不列颠百科全书》中就不再附上知识图谱了。在学科建制上也是类似，各门学科不再被认为隶属于某个统一的体系，无论如何没有哪个人能掌握所有的知识。学者们致力于为每一个具体的专业学科制定规范，而不再关心知识的整体系统。科学从此日益专业化，以至于成为名副其实的“分科之学”。

3.牛顿力学的传播和发展

在18世纪初，天主教地区的大学主要还在讲亚里士多德的自然哲学，而在新教地区，笛卡尔的机械论哲学普遍取代了亚里士多德主义，但仍然是一种思辨的、描述性的、追问原因的自然哲学风格，而没有引入数学和实验。直到18世纪末，牛顿的以数学分析为主的经典力学才在大多数地方取代了亚里士多德和笛卡尔的自然哲学。

大众似乎比大学更早接受牛顿。法国启蒙运动的代表人物伏尔泰于1726年流落英国，在1727年见证了牛顿的葬礼，并大为感动，认为英国人正是因为尊重学者、崇尚知识，才能使国家如此欣欣向荣，相对比一看，当时的法国简直是一团糟，显得陈旧腐朽。所以他1729年回国出版《哲学通信》，讲述他在英国的见闻，同时抨击法国的种种现状。后来他在1738年写作《牛顿的哲学原理》一书介绍牛顿思想，作为他抨击法国教会的一部分，而法国人笛卡尔的哲学被认为是与教会传统绑在一起的保守思想。

伏尔泰的情妇，夏特莱侯爵夫人（公元1706年—1749年，图13.3.1）在牛顿思想的传播方面也非常重要，她是一个文武双全、才貌双全的传奇女性，一生风流不羁，特别是和伏尔泰有很多故事。夏特莱夫人除了帮助伏尔泰理解牛顿理论，最后还用法文翻译了牛顿的《自然哲学的数学原理》（在她死后的1756年出版，图13.3.2）。

在18世纪，女性在科学活动中扮演了一定角色。当然像夏特莱夫人这样的女学者毕竟还是非常罕见的，但一般女性至少扮演着科学的听众角色。比如在法国，沙龙是许多学者之间的交流场所，所谓沙龙就是大客厅，社交活动往往由女主人主持，绅士们在女士的主持下高谈阔论。

法国学者丰特涅尔（公元1657年—1757年）写了一本宣传笛卡尔机械论哲学的畅销著作《关于世界多样性的谈话》，在1686年出了第一版，此后一直到1742年一直在修订。这部对话是在他和一位侯爵夫人之间进行的，使用讲究的宫廷语言，把自然界描绘为一出精妙的戏剧。自然知识成为贵族男女之间调侃和消遣的一种方式。

意大利人阿尔加洛蒂（公元1712年—1762年）专门写了一部《写给女士的牛顿学说》（1737年），这本书风靡欧洲，很快被翻译成法语、英语、德语、荷兰语等。英国人也写作了许多类似的小册子，比如1761年出版的《适用于年轻绅士和小姐的牛顿的哲学体系》，直接面向儿童，用日常事物演示牛顿力学，例如用蜡烛和壁球来说明日食月食现象。这本书在18世纪的英国就发行了3.5万册。

可以说在18世纪后半叶，牛顿学说在欧洲上流社会已经是“妇孺皆知”了。在这方面，牛顿的胜出未必是依靠他在数学体系和精确性方面的优势，在很大程度上也许是因为代表英国和新科学的牛顿，比起代表法国传统的笛卡尔而言，更适合做偶像人物。

说起牛顿与笛卡尔之争，不得不提到法国科学院在1735年到1745年之间组织的一次大规模的考察活动。根据万有引力学说，牛顿认为，地球应该不是一个完美的球体，因为自转的关系，赤道地区应该鼓出来一些。而笛卡尔学派根据笛卡尔的涡旋宇宙模型，认为赤道地区应该是被挤进去一些才对。我们知道笛卡尔不承认诸如万有引力这样的超距作用，只承认物质微粒的碰撞，他用以太粒子的涡旋来解释天体的运动和地心引力，认为地心引力其实是以太粒子从外向内挤压而导致的（图13.3.3）。笛卡尔本人似乎没有明确说明地球的形状，但他的追随者认为地球的形状应该是柠檬型的而不是洋葱型的，两极相对鼓出来一些。

牛顿派和笛卡尔派争执不下，法国科学院干脆组织了一次科考活动，派了两支探险队，一支到北极圈附近的卡普兰，一支到南美洲赤道附近的秘鲁。考察的结果是牛顿胜出了。虽然对这一结果并非没有争议，但总之是牛顿理论获得了有力的支持。

当然牛顿的学说也在不断被人改进。首先是宇宙演化思想的出现。在牛顿那里，宇宙依靠上帝的不断维持，是永恒存在的。但哈雷在1718年报告了三颗恒星自古以来发生了位置变化，动摇了宇宙永恒的观念。

到1755年，康德率先提出了星云假说，他认为行星环绕恒星旋转，而众多恒星聚集成银河系，宇宙从一盘散沙逐渐形成秩序，从无序到有序演化。康德的星云假说在18世纪末被拉普拉斯发展。

拉普拉斯写成《天体力学》（1799—1805年出版），全篇用微积分的语言讨论行星的运动，讨论了摄动理论并给出了三体问题的特殊解。

这时候，经过伯努利、达朗贝尔、欧拉等几代数学家的努力，牛顿理论被分析化了，其标志为拉格朗日于1788年出版的《分析力学》。分析力学从更普遍性的原理代替牛顿定律；以能量和功等标量函数代替力和动量等几何矢量；引入广义坐标，化欧氏几何问题为纯代数问题。

4.热衷表演的实验物理学

这些是理论物理学方面的发展，下面我们再重点讲一讲实验物理学方面的事情。我们说到在18世纪，理论科学与实验科学的传统基本上还是分开的，比如我们注意到牛顿力学的分析化这件事情和实验完全没有关系。那么实验家们在做什么呢？他们在“表演”呢。

18世纪，以“体验自然”为名的课程在大学，主要是医学院中开设，包括解剖学、植物学和化学等，课堂气氛接近于“表演”。除了学生之外，往往也有外行参观。物理学实验也被引入课堂，同样是演示性的，向包括妇女在内的公众开放。

在1704年，牛津大学引入实验课程，在1705年开展配有实验演示的系列公众讲座。在1707年，剑桥大学继牛顿之后的卢卡斯数学教授，威廉·韦斯顿（公元1667年—1752年）开设实验物理学讲座。

巴黎大学的皮埃尔·波利尼埃（公元1671年—1734年）用实验演示笛卡尔物理学，举办面向公众的讲座，影响很大，国王路易十五在1722年听了他的讲座。在波利尼埃出版的讲义中，第一版时还把实验说成是说明理论原理的补充方法，但在第三版之后就成了到达真正的物理学的唯一可靠的方法了。

尽管实验家们把实验在科学研究中的地位越捧越高，但当时的实验更多的还是演示性、娱乐性的。

一些城市中的实验演示活动成为不可错过的游览节目，比如德国小说家拉罗赫（公元1731年—1791年）于1786年访问伦敦，她的游记里写道：“我们的夜晚在物理实验中度过，毫无疑问，这些实验构成了礼拜的一部分，向我们揭示出存在的内在本质，并且使一个敏感的灵魂越来越理性地对其造物主报以敬畏。”

一些表演干脆成为舞台剧，例如1786年在一个关于库克船长塔希提之旅的哑剧中，“导演”鲁斯伯格动用了新近发明的热气球，让穿着很少的女演员从空中降落到舞台上，最后展示了库克船长羽化飞升似的壮丽景象。现在让我们去看的话这无非是一个华丽的杂耍表演，但这个表演在当时被《泰晤士报》评论为“值得每一个有理性的人——从儿童到年长的哲学家——沉思的表演。这种表演最能显示出上帝的智慧和设计”。

大量的新颖仪器（图13.4.1、图13.4.2）被用于向公众演示科学，例如太阳系模型、起电器、空气泵、喷泉、热气球、避雷针等。这些仪器也成为当时的畅销品和收藏品，从仪器到表演到图书，带动了一整条产业链。

表演的需求推动了科学仪器的生产和改进，科学家们更容易获取更精密的仪器，为实验科学的推进铺平了道路。

5.时尚的电学

虽然诸如空气泵之类的仪器据说能够演示牛顿力学，但可想而知在演示实验中，娱乐性的元素更占主导。

特别是电学和磁学这些在18世纪还尚未数学化的领域，因为更强的娱乐性而风靡一时（图13.5.2）。比如在当时的时尚聚会中，先生和女士们互相用摩擦生电的小球或小棒逗趣，互相电击，让对方的头发立起来。荷兰的莱顿大学也是实验物理学的重镇，莱顿大学的福尔德（公元1643年—1709年）于1674年访问英格兰，随后就建立了“表演物理学”（Theatrum Physicum，直译是戏剧物理学），开始用抽气机等仪器做课堂演示。随后的威廉·雅各·范·格雷弗桑德（公元1688年—1742年）继续主张运用实验来讲授自然哲学。

著名的莱顿瓶也是因为莱顿大学而得名，马森布罗克（公元1692年—1761年）于1745年发明了这种电容器（图13.5.3），很快就风靡全欧洲，大家争相用莱顿瓶来演示放电现象。最著名的一场表演是由法国电学家诺莱组织的，他在巴黎修道院门前调集了200名修道士，围成一个大圈，用铁丝连接起来，让充满电的莱顿瓶放电，然后观众们就看到几百个平时正儿八经的修道士一起惊声尖叫的恢弘场面。法国国王路易十五亲自出场观摩。

诺莱是一个实验物理学大家，他编写的《物理学课程》一书中提到了大约350种演示仪器。

他也有理论，比如下面是他针对旋转球起电器（参见图13.5.1）的解释，这种起电器在1740年代也风靡一时，它甚至能在冰上打出电火花，特别让人惊叹。诺莱对摩擦起电现象的解释是：

“在被激发的如火的物质流从起电物体流出的同时，有别的这样的流流进去取代离开的东西。物体是受吸引还是受排斥，取决于物体是处在向内的流动比较强还是向外的流动比较强的位置。当这种微妙流动足够集中时，组成它们的粒子就会迎头相撞，冲破包围在粒子周围的硫磺类物质的封套，解放出其中的活性的似火物质。”

诺莱认为他的这一理论是基于直截了当的事实，而不是假说。

当然富兰克林对电的解释就要靠谱许多了，他提出了电流、正电和负电的概念。为电学的理论与实验相整合打下了基础。

富兰克林最初是一个出版商，他与欧洲的朋友保持通信，及时获得欧洲的时尚前沿信息，然后在美国印刷传播。电学实验这个新兴事物自然也是不容错过的信息。1745年，正好是莱顿瓶刚刚发明，迅速流行的时间，英国商人彼得·柯林森（Peter Collinson）向富兰克林的出版公司赠送了一支用于生产静电的玻璃管，并持续给富兰克林报道来自欧洲的电学新闻。富兰克林显然很感兴趣，很快就跟进欧洲的前沿，购置了一整套电学仪器（包括起电机和莱顿瓶），开始了一系列电学研究。在1748富兰克林干脆把自己的出版公司交给别人管理，自己建立了一个实验室埋头研究电学问题。

富兰克林的改进包括理论和实验两个方面。在理论方面，富兰克林接受了当时流行的“电是流体”的观点，但增添了正电和负电的概念，并明确了“电量守恒”的原则。

在实验仪器方面，富兰克林完善了起电机的制造，虽然很难说有什么革命性的创造，但是更加精致有效。用手柄驱动转轮带动玻璃球旋转，摩擦毛皮垫片产生静电，最后导入莱顿瓶中储存。后来富兰克林还发展出所谓“电池”（当然和之后的伏打电堆不同），就是把许多莱顿瓶并联起来，可以同时储存或释放大量静电。

得益于实验条件的提升，能够观察到的电火花现象日益明显，放电的强弱程度更加明显。在大量观察中，富兰克林总结出，越是尖锐的物体越容易吸引和放出电。同时，他也观察到电学仪器打出的电火花与天上的天火（闪电）有许多相似之处（1749年)。

在1750年，富兰克林写给柯林森的信中，就提到了用实验检验天火的设想。他设想通过树立一根30英尺高的金属杆接引闪电到木质房屋内，因为更尖锐的物体更能引电，所以针状的金属杆最为适合）。富兰克林本人并没有做这个实验，但他的信件被柯林森向欧洲科学界公开，引起了很大反响，一个法国人在1752年尝试了这个实验，据说成功了。后来的避雷针当然也是根据这个设计发展而来的。

在1752年，富兰克林提出了风筝实验的构想。但对于这个实验是否由他（甚至包括他的儿子一起）亲自做过，富兰克林从没有明确说过。世人熟知的故事版本出于普利斯特利的转述（当然，普利斯特利与富兰克林交情不错）。在1753年，一位俄罗斯人在尝试风筝实验中可能被接引而来的球状闪电杀死。

富兰克林身处电学的过渡时期，从早期以收集定性规律和表演为主，到逐渐定量化、数理化。他提出的电流、正电、负电与电荷守恒的概念都对这一过渡非常关键，可以说是整个现代电学理论体系的起点。在实验方面，他对仪器的改良和对实验的设计都产生了重要的影响，电学实验的重心从追求表演效果，逐渐转向定量分析。

直到18世纪末，以库仑和伏打的研究为代表，电学这一新兴学科逐渐成熟。伏打发现不同的金属相接触会产生不同的电势差，并设计了静电计来测量电势差的大小。根据这些研究，伏打发明了能持续产生电流的电堆，为之后的动电研究打下了基础。而库仑提出了电荷作用的平方反比律，并用扭秤实验测定了两个带电物体之间的力。但这一时期科学家的实验方法还很粗糙，例如库仑的扭秤实验仅仅提供了三组实验数据，而且其中一组数据并没有很好地符合平方反比律。

6.逐渐成熟的定量研究

热学研究、燃烧问题研究、气体研究等领域在18世纪也都逐渐从定性的观察记录转向定量研究，最终完成了化学革命。

定量研究的成熟有赖于实验仪器的发展，我们刚才说到，部分因为演示实验的需求，实验仪器的发展在18世纪得到了促进，温度计、气压计、气体的收集装置、更精密的天平秤等精密仪器在18世纪后半叶普及开来。

苏格兰学者约瑟夫·布莱克（公元1728年—1799年）借助水银温度计进行热学研究，他发现让冰化成水需要施加固定的热量，但温度计没有变化，从而区分了温度与热量的概念。他进而发现不同物质容纳热量的能力不同，也就是说一定的热量让不同的物质提升的温度不一样，从而提出了“比热”的概念。

那么在物质之间传递的“热量”究竟是什么呢？拉瓦锡和拉普拉斯提出了“热质说”，认为热是一种没有重量的流动物质，热的传导就是热质在物体之间流动。热质说还把蒸发过程解释为被蒸发物与热质的“化合”。

热质说虽然在现在看来是错误的，但它反映了对理论化的定量研究的诉求，因为一种定量研究的科学理论，不仅仅意味着定量地测量一个又一个数据，更要给出某种守恒律来解释数据之间的关系，如果没有守恒律，就难以把诸多定量数据放在一个“等式”之内。而守恒律总要求设定某种恒定的东西的存在。“热质”就是这样一种在变化中保持不变的恒定之物，“燃素”也是一种。

燃素说由德国化学家施塔尔（公元1660年—1734年）于1703年提出，用以解释燃烧现象。施塔尔在化学史上很重要，他明确把化学与物理相区别，认为物理学研究的是均质的物质粒子之间的集合，而化学研究的是异质物质之间的合成和分解。燃素说认为燃烧过程是物体失去燃素的过程，它和后来的氧化学说正好相反，认为燃烧是分解而不是化合。空气是一种助燃剂，燃素从物质中分解出来而进入空气。如果隔绝了空气，比如用罩子盖住了蜡烛，燃烧就会停止，这是因为封闭的空气中的燃素很快就达到饱和，燃素跑不出来，自然就不能再燃烧了。

燃素说在18世纪影响很大，不仅限于化学领域，在生命科学、地球科学等领域也被用来解释许多现象。但燃素理论的定量化并不成功，最终被拉瓦锡的氧化还原理论所取代。

说氧化还原理论之前还要讲一下18世纪的气体研究。我们之前提到炼金术士赫尔蒙特就区分了空气和气体，但他当时没有收集气体的设备，因而无法具体研究各种气体的性质。而收集气体的装置在18世纪出现了，黑尔斯（公元1677年—1761年）在1727年出版的

《植物静力学》一书中描述了收集气体的方法（图13.6.1），用倒扣在水面上的容器收集气体。黑尔斯本人并不研究这些气体，他以为这些气体与空气是一样的，但他提供的方法影响深远。

布莱克在1756年发表《碳酸镁实验》，考查加热碳酸镁产生的空气，他称之为“固定空气”，他发现释放该空气后盐的重量减少了，且丧失了碱性。而这种空气与一般空气不同，它能使石灰水变浑浊，不支持燃烧和呼吸。布莱克正式把气体研究纳入化学领域，他指出气体也是化学物质，会参与化学反应，可以考察其化学性质。英国牧师普里斯特利（公元1733年—1804年）是一个研究气体的达人（图13.6.2），他区分出许多种空气，包括：“固定空气”“易燃空气”“含氮空气”“海酸空气”“碱性空气”“含燃素空气”等，翻译成现代的概念依次是：二氧化碳、氢、氮氧化物、氯化氢、氨、氮。

普里斯特利认为这些空气的区别在于所含燃素的程度。鉴于呼吸过程是把有害的燃素排放到大气里，富含燃素的空气是不适合呼吸的。

普里斯特利通过加热红色汞金属灰（氧化汞）得到了一种能够促进燃烧并且适宜呼吸的空气，他把它命名为“脱燃素空气”。既然燃素说认为燃素饱和的空气会抑制燃烧，那么没有燃素的空气自然就会促进燃烧了。我们现在知道这种脱燃素空气就是氧气。

比普里斯特利稍早一些，瑞典化学家舍勒（公元1742年—1786年）也独立地分离出了氧气，他将之命名为“火空气”，他认为燃烧过程是燃素与这种火空气结合的过程。

7.拉瓦锡和化学的兴起

拉瓦锡在1770年代集中研究金属煅烧现象。和一般木头之类的燃烧过程不同，金属在煅烧过程中重量增加。之前的化学家可能也知道这件事情，不过并未引起重视，但在拉瓦锡看来，这就是否定燃素学说的一个例证。拉瓦锡认为燃烧和煅烧都是空气被固体所固定并以光和热的形式释放其热量的过程，因此火焰不是燃素的标志而是热量的标志。

当然燃素说的支持者还是有可能回应的，他们可以承认金属煅烧过程中从空气中吸收了某些东西，但这并不否定金属同时还是向空气释放了燃素。但无论如何，对于燃素究竟有没有重量，燃烧过程中除了释放燃素还交换了什么物质，这些问题燃素说始终语焉不详。而拉瓦锡通过进一步的定量研究不断佐证了自己的判断。

拉瓦锡认为燃烧或煅烧过程是可逆的，他把金属灰（一氧化铅）与木炭一起加热还原了铅金属。传统上认为木炭是燃素的来源，所以也能解释这一还原。之后拉瓦锡又听说了普里斯特利加热红色汞金属灰的实验并重复了它（图13.7.1）。这一还原反应不需要木炭的参与，那么这一反应中又是谁把燃素还给了汞呢？

普里斯特利至死都一直坚持燃素说，他把这一反应生成的气体称作“脱燃素气体”，而拉瓦锡却把这一反应认作对燃素说的致命一击。接着，拉瓦锡很快发现，这种所谓的“脱燃素气体”也恰好是煅烧或燃烧过程中从空气中吸收的那一部分，因此，燃烧过程正是燃烧物与这种空气的化合，而还原反应则是这种空气从化合物中被分解出来。拉瓦锡错误地认为这种空气存在于一切酸里头，因此把它命名为“酸素”（oxygen），现在的日语里就是这么叫的，而中文取滋养生命之意翻译成了氧气。

氧气的发现究竟应该归功于谁是一桩科学史的公案，从制备出这一气体来说，应该是舍勒最早，但他的研究并没有产生影响；普里斯特利的研究才是直接影响拉瓦锡从而推动科学发展的。但普里斯特利基于燃素说，错误地理解了这一气体的性质；拉瓦锡也在一定程度上误解了氧气的性质，但他以氧化还原学说，更明确地定位了发现氧气的意义。

当然我们在这里不需要费神考虑优先权的问题，无论如何，拉瓦锡的贡献是革命性的，拉瓦锡的意义远不止是发现氧气或者说提出氧化还原学说，更关键的是，他奠定了现代化学定量化、标准化、实验化的研究范式。

拉瓦锡还与拉普拉斯合作进行了许多实验研究，例如用冰块量热计测量燃烧过程中释放的热量，定量研究水的分解与合成并命名了氢气。他还与其他几位化学家一道，提出“化学命名法”，提倡用组成的元素命名化合物，用不同的后缀表示氧化程度，比如硫酸盐、亚硫酸盐等。他还重新确定了化学元素的概念，总结了33种元素，尽管其中有许多其实是化合物，但毕竟确立了化学研究的未来方向。

拉瓦锡曾经投资过一家包税公司，包税公司被认为是路易王朝的腐败产物，剥削人民，人们对之恨之入骨。虽然拉瓦锡本人并没有实际参与运营，但作为包税公司的股东，他被法国大革命的革命党人判处死刑。许多知名人士都为他求情，但可能是由于拉瓦锡当年得罪过马拉，马拉坚持要把他处以死刑，他最后就上了断头台。当时的革命法庭副长官说出了“共和国不需要学者”的名言，而拉格朗日痛心疾首，说“你们砍下他的脑袋只要一瞬间，但他这样的脑袋一百年也长不出一个来。”

法国大革命一方面确实让一些科学家和发明家遭受池鱼之殃，但另一方面，也推动了科学史中度量衡标准化的发展。因为传统的度量衡要么是各地有各自不同的混乱标准，要么只能靠国王等权威者制定统一标准。但革命者推翻权威，倡导人人平等的普世主义，因而不能接受旧度量衡的权威性，也不接受其混乱性。

出于普世主义的文化背景，以及日益广泛的科学交流需要，包括拉瓦锡在内，那个时代的许多科学家都投身于新度量衡的创立之中，他们的思路很简单：度量衡的统一必定要基于权威，但这“权威”不能是国王或某些特定的人，我们可以让“自然”本身扮演最高的权威。“自然标准”是建立一个全新的国际单位制的指导原则，人们希望哪怕在山崩地裂，任何一个中央政权被夷平之后，度量衡系统仍然能够随时恢复运转，并保持一致。

历经波折之后，法国人终于建立了一套全新的度量衡制度，他们把经过巴黎的子午线长度的四千万分之一定义为米，然后用边长1/10米的立方体定义为升，再用1升水在4度时的重量定义为千克。但在实际操作中，当然不可能时时去比照子午线长度，而是以米原器、千克原器等人工制品作为基准。

拉瓦锡统一化学命名法以及法国建立公制度量衡，都标志着科学进入了一个新的时期，科学研究不再是一种小打小闹的贵族娱乐，而成了一项日益规范化、专业化的集体事业。

推荐书目

波特.剑桥科学史（第四卷）：18世纪科学［M］.方在庆主译，郑州：大象出版社，2010.

——包罗全面，视角前沿，适合科技史专业的研究者参考，普通读者也可以选取感兴趣的章节浏览。

杰拉西、霍夫曼.氧：关于追认诺贝尔奖的二幕话剧［M］.钟爱民译，上海：上海科技教育出版社，2003.

——这是一部虚构的剧本，假定诺贝尔基金会要颁发“追认诺贝尔奖”以表彰科学史中的成就，那么应当把发现氧气的荣誉归功于谁呢？

汉金斯.科学与启蒙运动［M］.上海：复旦大学出版社，2000.

——这套剑桥科学史丛书都不错。