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【科學講堂】「典範」未必完美 理論可「用住先」

2017-09-13

「燃燒素」雖謬誤多 可引導討論啟發新理論

上次跟大家分享了有關燃燒的故事:在十七八世紀的歐洲,氧氣還未被發現,人們反而設想了另一種與燃燒有關的元素:「燃燒素(phlogiston)」。在這個理論中,物料燃燒就是在釋放本身含有的「燃燒素」,因此含有較多「燃燒素」的材料就會很容易被燒起來,而原來的物質也因為其離去而在燃燒後變成另一個模樣。這個理論在當時十分成功,成為理解燃燒現象的主流思想。

那麼這個理論的致命傷又是什麼?各位讀者可能會發現,這個理論跟現代的「氧氣」理論其實有點相似,不過剛好相反了:古人以為燃燒時「燃燒素」會被釋放,而在現代科學的認知裡,燃燒會促使空氣中的氧氣跟物料結合。

因此,兩套理論都能解釋為什麼燃燒前後,物料會變得不一樣,以及為什麼沒有空氣時,燃燒就無法進行。

「燃燒素」理論難解釋燒完重量增

那麼我們又是如何判定「氧氣」理論比較優勝?

氧氣的重量,為此提供了看來出奇的簡單的解答:由於氧氣並不是毫無重量,因此燃燒後所得的氧化物會比原來的物料重;相反,如果燃燒時會放出「燃燒素」,那麼燃燒後的物質不是應該比之前輕嗎?

不少人曾經嘗試解釋這個弱點,比如說:也許正在燃燒的物料在釋放「燃燒素」後,會再和其他更重的物質結合,因而就變得更重了。

很不幸地,這些嘗試都令人覺得很難信服(例如假定空氣中含有更重的物質),無法令這個理論變得更加完善。

阻礙對氫氧等氣體理解

「燃燒素」理論的流行,其實也阻礙了我們對各種氣體的理解。現在我們認識到氫、氧等各種不同氣體的存在,也知道它們各自不同的特性。十七八世紀歐洲的科學家雖然已接觸過它們,卻認為它們是含有不同分量「燃燒素」的空氣。

比如說氧氣幫助燃燒,因此好像能夠從其他物料吸收更多的「燃燒素」,所以被認定是缺乏「燃燒素」的空氣(dephlogisticated air);氫氣極度易燃,因此被看成是充滿了「燃燒素」的空氣(phlogisticated air)。

雖然這種思路看來很有道理,可惜無法一一解釋各種氣體元素和它們化合物的各種特徵,反而令理論變得更為混亂。

小 結

要注意的是,今天的分享並不是在嘲諷當時歐洲的科學水平如何低落,而是想為大家介紹學者孔恩(Thomas Kuhn)所提倡的典範(paradigm)這個概念。科學家也是人,因此在探索未知領域的時候,需要依賴現有的思想模式去引導進一步的討論。畢竟,世界還有很多我們未能完全知曉的地方,因此大家都能接受現有的思想模式(也就是典範)並不完美。

反過來說,如果每次一遇見現有理論不能解釋的地方就將它全盤否定,漠視它能解釋的其他千萬種現象,反而會顯得吹毛求疵、不切實際。這就是為什麼,縱使很久以前人們已知道燃燒後的物料會變重,「燃燒素」理論還是流行了一段不短的時間。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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