15 化學的新時代
如果你有一套化學用品，那麼你便應該知道石蕊試紙。這種小紙條可以測定溶液的酸鹼性。如果你倒些醋在水裡（讓它變酸），然後拿這張藍色的紙蘸一下，它就變紅了。如果你用漂白劑試（它是鹼性的），紅紙則會變藍。下回你用石蕊試紙的時候，一定要想想羅伯特．波以耳（Robert Boyle，一六二七－一六九一），是他在三百多年前設計了這個測試。
波以耳的貴族家族在愛爾蘭聲勢顯赫，他是家裡最小的兒子，衣食無憂。和很多富人不一樣，他樂善好施，慷慨捐助慈善事業。他出資請人把《聖經》翻譯成美洲印第安語言。宗教和科學在他的一生中如影隨形，平分秋色。
他在英國貴族學校伊頓公學學習了幾年就開始周遊歐洲，在歐洲他有一長隊的私人教師。在英國內戰硝煙四起的時候他回到那裡，他的家人有支持國王查理一世的，也有支持議會派推翻國王建立共和的。他的姊姊說服他加入了議會派，並介紹他認識了塞繆爾．哈特利布（Samuel Hartlib），一個滿腔熱忱的社會、政治和科學的改革者。哈特利布和法蘭西斯．培根一樣，相信科學是改善人類生活的動力，他勸說年輕的波以耳學習農業和醫學以實現這個目標。波以耳首先選擇了醫學，在翻閱各種疾病療法的過程中走上了化學之路，從此痴迷一生。
有些宗教人士對新思想敬而遠之，也唯恐自己的孩子有所接觸，因為他們擔心新思想會毀掉他們的信仰。波以耳的宗教信仰根深柢固，但正因為如此，他才能毫無顧忌地博覽群書，以滿足自己無邊的科學興趣。波以耳年輕的時候正是笛卡兒和伽利略飽受爭議的時代，但他仍然詳讀兩人的作品，並讓他們的遠見在自己的工作中發揮應用。一六四二年，伽利略在佛羅倫斯去世。就在那一年，同樣在佛羅倫斯，波以耳讀到了伽利略的《星際信使》。波以耳對古代原子學說充滿興趣（參閱第三章），但是他並不完全接受宇宙是「原子和虛空」的說法。他知道宇宙間有一些基本物質，並稱它們為「微粒」，他順著這個思路進行研究，但沒有受到古代希臘原子論是不信神（無神論）的影響。
科學家必須有能力向別人證明深奧的祕密波以耳透過實驗否定了亞里斯多德的四元素學說——氣、土、火和水。他點燃了一根溼木棍，證明冒出的煙不是空氣；燃盡的木棍滲出的液體也不是普通的水；火焰因燃燒物的不同而變化，表明這也不是真正的火；剩下的灰燼更不是土。波以耳不厭其煩地分析這個簡單的實驗，說明像木頭這樣普普通通的東西不是由氣、土、火、水組成的。他還列舉了其他的材料，比如黃金不能再被分解。黃金受熱會熔化、流動，但是它不會像燒過的木頭那樣面目全非，冷卻後它還會恢復本來面目。波以耳承認我們的日常用品，比如木頭桌椅、羊毛衣帽是由各式各樣的成分組成的，不過它們既不能被分解成古希臘的四大元素，也不能被還原成帕拉塞爾蘇斯的三元素。他對元素的定義——「不能用任何東西製造，也不能相互製造」，已經接近現在的定義，所以有些人認為波以耳是現代化學元素的奠基者。可惜他沒有繼續深入，也沒有在自己的化學實驗中實踐。
不過，波以耳的實驗如願以償地驗證了他把「微粒」作為物質單位的設想。他是一個孜孜不倦的實驗者，分秒必爭地在私人實驗室裡研究，不是和朋友一起就是獨自一人，鉅細靡遺地記錄實驗過程。波以耳在科學史上的特殊地位，部分原因在於他對細節的關注。他和他的朋友希望科學是公開的、無私的，他們願意與人分享成果。沒過多久，他們就仿效帕拉塞爾蘇斯，理直氣壯地宣布發現了更大的自然祕密。身為一名科學家，必須有能力向別人證明深奧的祕密，要麼身體力行，要麼將其形諸筆墨。
波以耳活動的科學圈子一直秉持這種開放的原則。一六五〇年代，他住在牛津，在那裡成立了第一個以開放為理念的非正式社團；後來大部分成員遷往倫敦，與其他人合併發展，為一六六二年成立的英國皇家學會的前身，現在仍是全球頂級科學社團之一。他們知道自己做的正是法蘭西斯．培根五十多年前所倡導的。波以耳是俱樂部裡提升眾人才智的統帥。從一開始，「研究員們」——皇家學會會員的稱謂——就力求將新知識和討論議題在會議中進行交流。
羅伯特．虎克（Robert Hooke，一六三五－一七〇二）是波以耳欣賞的合作者之一。他比波以耳年輕幾歲，聰明幾分，來自和波以耳天差地別的窮困家庭，一直都必須靠智慧養家餬口。虎克受僱於皇家學會，負責每場會議上的實驗演示。他逐漸成為使用和研製各種科學設備的行家。他設計了很多實驗，有測量聲速的，也有觀測狗和狗之間輸血反應的。有些實驗用狗在輸入新血後看起來更加活潑好動，激發了研究員對人體實驗的渴望。於是，他們嘗試給人體輸入羊血，但沒有成功；在巴黎，一名受血者的死亡終止了這項實驗。虎克在皇家學會每週例會上的任務就是準備兩、三個穩妥的實驗，以滿足研究員們的興趣，激發他們的靈感。
虎克屬於最早一批把顯微鏡的作用發揮得出神入化的「飽學之士」。（「飽學之士」的字面意義是「博學的人」，就是我們現在說的科學家。）他用顯微鏡描繪了一個肉眼看不到的嶄新世界，揭示了植物、動物和其他一些事物不為人知的結構。例會上，研究員們聚精會神地透過顯微鏡觀察。除了虎克的示範，他們也從另一位著名的顯微鏡學家那裡獲益匪淺，他就是荷蘭人安東尼．范．雷文霍克（Antonie van Leeuwenhoek，一六三二－一七二三）。他是布商，在閒暇時間打磨出一種非常小、能把物體放大兩百多倍的鏡片，每觀察一次就要打造一片新鏡片。每次實驗都需要他在金屬架裡安裝不同的鏡片，然後把要研究的小物體放在鏡片下觀察。他很長壽，因此他做的鏡片也很多，大概有幾百個。他在池水裡發現了微生物，在牙垢中發現了細菌，他的顯微鏡下奇妙的東西不勝枚舉。虎克也認為自己的顯微鏡可以帶每一位使用者接近自然，於是在一六六五年（倫敦瘟疫年）出版了《顯微圖譜》（Micrographia），引起轟動。書中很多插圖讓我們目瞪口呆：他把蒼蠅和蝨子一類的昆蟲放大到誇張的程度，這些圖片很快風靡一時。書中還記錄了他利用顯微鏡對物體結構、功能的觀察和推測。文中插入了一張可以做紅酒瓶塞的一小片軟木橡樹皮圖，他稱這個小東西的盒形結構為「細胞」。但這並不是我們今天所說的細胞，只是用了這個詞而已。
蒸汽機的理論溯源無論是波以耳還是虎克，他們都熱衷於一種機械：氣泵。他們的氣泵和我們給自行車或者足球打氣的原理一樣。氣泵有一個巨大的中空區，頂部有一個關上後緊緊密合的塞子，底部有另外一個開口，氣體經由閥可以吸入或送出。看起來沒什麼新鮮的，但它解決了當時的一大科學謎題：創造真空，即一個沒有空氣、完全空蕩的空間是否可行。笛卡兒曾經斷言這根本不可能。（「自然界厭惡真空」是對這種觀點最直白的表述。）但是，正如波以耳的質疑之聲，如果物質終歸是由彼此獨立的微粒組成，各具形態，微粒間就一定有空隙。他說，水受熱蒸發變成氣體，依舊是原來的微粒，但是氣體比液體占據了更大的空間。經過無數次把液體加熱轉化成氣體的實驗後，他確信所有氣體進入氣泵後的表現一模一樣。波以耳和虎克得出一個結論，它就是我們所知的「波以耳定律」：恆溫下，氣體體積與所受壓力有特定的數學關係。氣體周圍的壓力直接影響它的體積，所以若加大壓力，氣體被擠在有限的空間裡將縮小其所占空間。（如果提高溫度，氣體膨脹，形成一股新的壓力，仍然會遵循同樣的基本原理。）不久以後，波以耳定律促成了蒸汽機的發展。你要記住他的名字，後面我們會講到蒸汽機。
波以耳和虎克利用他們的氣泵檢視了很多氣體的特性，包括我們呼吸的「空氣」。還記得嗎，「氣」是一種古老的元素，但是直到十七世紀，很多人才真正明白包圍著我們、養育著我們的空氣非同小可。眾所周知，這事關呼吸，每吸一口氣，就有空氣進入我們的肺。除此之外呢？波以耳和虎克同時對木頭和煤在燃燒時的變化充滿好奇。他們也想知道為什麼血在流進肺之前是暗紅色，流出之後卻變成鮮紅色。虎克把這兩個問題合二為一，他推測肺就像一個特殊的燃燒爐，呼吸、燃燒都與「空氣」有關。虎克拋磚引玉，科學家們在他和波以耳之後的一個多世紀裡，對「空氣」的構成和本質，以及呼吸和燃燒的問題，樂此不疲地重複和改進他們的實驗。
虎克幾乎涉獵了所有科學領域。他發明了一種由一組發條驅動的錶（大幅提高了計時的準確性）；他研究化石的起源；同時他也鑽研光學。即使是有關我們前面曾經提到過的問題，他也有可圈可點的表現。欲知詳情，請你轉到下一章，看看運動和力學。
虎克和艾薩克．牛頓在同一時間研究著同樣的主題。你很快就會明白為什麼大家對牛頓耳熟能詳，而對虎克先生卻知之甚少。牛頓自己便是原因之一。