科學家的巧思|最新文章

facebook twitter plurk line 中列印書籤

科學家的巧思

98/05/07 16686

李秀晟｜竹北高中

楊棠皓｜竹北高中

鍾崇燊｜清華大學化學系

科學方法的步驟

科學家是一群用科學方法解決科學問題的人。所謂的科學方法，包括以下４個步驟。

觀察　觀察是借助一種或多種感官和儀器從環境中獲得資訊的歷程。各種問題都來自觀察，觀察的結果可能是定性的或定量的，定性的觀察不包含數字，定量的觀察則包含數字與單位。

假設與推論　假設是科學家對觀察結果提出的解釋。一個觀察到的現象可能有很多不同的假設，它們可能是正確的，也可能是錯誤的。推論是指以現有的資訊為基礎，運用邏輯思考推導出的結論，他們可能是正確的，也可能是錯誤的。

預測　科學家根據假設與推論，再運用想像力對可能發展的結果做出猜測，稱為預測。預測可能是正確的，也可能是錯誤的。

實驗與驗證　科學家用觀察或進行實驗來蒐集新的訊息，以決定假設是否恰當，預測是否正確。換言之，科學家從觀察或實驗得到的新訊息，來判斷假設與預測的正確性。

宏觀思考

我國古人大都相信「天圓地方」，認為腳下的大地是方形的。西方的古人也以為人類是生活在一個平面的大地上。只有極少數科學家懷疑這個觀念的正確性，出生於公元前 276 年的埃及學者埃律吐新尼斯（Eratosthenes），是這些科學家中第１位用科學方法成功解答這個問題的學者。

觀察　埃律吐新尼斯聽說在夏至，即每年白晝最長的那一天的正午，在錫尼市（Syene）的井中可以看到太陽在井底閃耀。根據這個傳說，他推論夏至當天正午，太陽一定在錫尼市的正上方，這樣它才能從錫尼市的井底閃耀。如果太陽是在正上方，那麼直立的柱子便不會有影子。

然而在夏至當天正午，從他居住的亞力山卓城（Alexandria）的深井中，他卻看不到太陽的倒影在井底閃耀，而且直立的長柱也會出現影子。他非常小心地量出陽光與柱子的夾角是 7.12 度，大約是 360 度的五十分之一。

由於好奇心的驅策，一年之後，埃律吐新尼斯前往距離亞力山卓城 800 公里的錫尼市，查看有關太陽在井底閃耀的傳言是否屬實。在夏至那天正午，他低頭往錫尼市的深井一看，果然看到太陽的倒影在井底閃耀，同時直立的長柱沒有影子。

假設與推論　如果人類居住生息的大地是一個廣大的平面，則在夏至那天的正午，太陽光直射而下時，在大地上的任何城市，直立的柱子都不會有影子。

埃律吐新尼斯在夏至正午，觀察到在錫尼市的直立柱子沒有影子，但在亞力山卓城直立柱子卻有明顯的影子。因此他推論大地不是平的，地面可能是彎曲的，換言之，大地可能是個球體。

預測　埃律吐新尼斯根據觀察的結果，推論大地可能是個球體。如果把亞力山卓城及錫尼市的兩枝直立的柱子想像成兩條直線，把這兩條直線向地下延伸，它們應會在地球的中心相交，且交角與亞力山卓城的柱子和夏至正午時陽光的夾角應該相同，都是 7.12 度。於是埃律吐新尼斯用以下比例式，算出地球的圓周大約是 4 萬公里。

地球的圓周：亞力山卓城至錫尼市的距離＝ 360°：7.12°
地球的圓周＝（亞力山卓城至錫尼市的距離）：（360/7.12 ）＝（800 公里）：（50）＝ 40,000 公里

驗證　埃律吐新尼斯在每年夏至正午都到不同的地點，觀察並測量直立長柱的影子，並用前文所述的方式估算地球的圓周，結果在不同地點算出的值都非常接近，約為 4 萬公里。由於經過錫尼市不同方向的圓周都約為 4 萬公里，因此埃律吐新尼斯確信地球是個圓周 4 萬公里的圓球。

然而古代的人無法驗證埃律吐新尼斯的假設與推測正確與否。直到 1519 年 9 月，葡萄牙貴族麥哲倫率領一支由 5 艘大船、二百多名水手組成的艦隊，從西班牙出發，橫渡大西洋到達美洲，穿過美洲南端的海峽進入太平洋，又穿越印度洋，繞過好望角，在 1522 年 9 月回到西班牙，第１次用實際的行動證實地球是圓的。

到了 20 世紀，科學家更從人造衛星觀察到地球是個球體，並且實際測量得到經過地球兩極的周長是 40,008 公里，與埃律吐新尼斯在公元前 3 世紀以思考方法算出的結果完全一致。

埃律吐新尼斯是個好奇心非常強烈，想像力非常卓越的學者。強烈的好奇心促使他深入觀察日常生活中的各種現象，卓越的想像力促使他把思考的範圍不斷擴大，教育學家把他這種不斷擴大研究範圍的思考方式稱為宏觀思考（big-picture thinking）。

先前提到，他從觀察 800 公里之內的現象，把思考的範圍擴大到整個地球及部分太陽系。他利用宏觀思考能力，不僅推論出地球是圓的，還準確計算出地球的圓周。後來，他繼續用宏觀思考正確畫出尼羅河的流經路線，編製一套包含閏年的曆法，並且利用月食資料估算出地球與月亮，以及地球與太陽之間的距離！

定量思考

古代希臘哲學家認為世上一切物質都是由 4 種元素–土、水、火及空氣，以不同的比例組成的。他們相信，每種元素都是兩個性質的組合，例如水是濕與冷的元素，土是乾與冷的元素。他們認為如果用乾的性質取代水中濕的性質，水就能轉變成土。

直到 18 世紀，歐洲許多科學家仍然相信這個觀念。他們用玻璃器具裝水，在長時間加熱之後，發現水中有泥狀白色沉澱物生成。於是用這個實驗結果，推論古希臘人提出的概念「水能變成土」是正確的。

法國著名化學家拉瓦錫（Antoine Laurent, Lavoisier, 1743－1794）也對這個問題極感興趣。為了尋求答案，他決定設計實驗，仔細觀察水經過長時間加熱生成沉澱的現象，用科學方法尋找問題的正確答案。

觀察　拉瓦錫先把水蒸餾了 8 次，再把這些水和蒸餾瓶分別秤重，接著把蒸餾水放入已稱重的瓶中，加熱驅除其中的空氣後，以玻璃塞密封，再重新進行稱量。然後加熱至攝氏六、七十度，蒸餾水產生的水蒸氣會在蒸餾裝置上端冷凝，又回到蒸餾瓶中，因此在實驗過程中，水蒸氣並不會逸出蒸餾裝置外。

拉瓦錫從 1768 年 10 月 24 日開始實驗，使水溫保持在攝氏 60 度到 70 度之間。一個多月之後，水開始混濁，到了 12 月中，已有白色沉澱物生成，這些沉澱物隨著時間越來越多。直到 1769 年 2 月 1 日，拉瓦錫才把熱源關閉，讓蒸餾瓶裝置、蒸餾水及白色沉澱物自然降溫至室溫，再分別量秤它們的重量。他發現水的重量並未改變，但蒸餾裝置重量減輕了，減輕的重量等於沉澱物的重量。

假設與推論　在 101 天的實驗過程中，水的重量並沒有改變，因此拉瓦錫推論「水不會變成土」。實驗結果又顯示，實驗後蒸餾裝置的重量加上實驗過程中生成沉澱物重量，等於實驗前蒸餾裝置的重量，因此拉瓦錫推論沉澱物來自蒸餾裝置。換言之，實驗過程中產生沉澱物，是蒸餾裝置中一部分玻璃溶解所產生的。

預測　拉瓦錫認為實驗產生的沉澱物來自玻璃，預測這沉澱物的所有元素都應包含在蒸餾裝置的玻璃中。

實驗與驗證　拉瓦錫的朋友、瑞典化學家舍勒，分析了這個沉澱物的成分與玻璃的成分，發現玻璃果然包含沉澱物中所有的元素。這實驗結果證實沉澱物是來自玻璃，而不是水變成的「土」，因此拉瓦錫的推論「水不會變成土」是正確的。

在 18 世紀，受煉金術的影響，化學家只注意定性的事物，也就是什麼物質與什麼物質反應後，會產生什麼，很少有化學家從事定量的觀察與思考。而且多數科學家相信德國化學家貝歇爾（Johann Hoachim Becher, 1635－1682）和施塔爾（Georg Ernst Stahl, 1660－1734）共同提出的燃素學說。

先前提到的實驗使拉瓦錫堅信，精確測定重量是發現真理的基本法則，因此他自行開發高精確度的大型天秤，並使用這個天秤測量肉眼可見的生成物，也測量肉眼看不到的物質。具體的方法就是在完全密閉的裝置中進行實驗，精確地測量反應前、後各種反應物與生成物的重量，並且用定量思考改正過去錯誤的理論與學說。

從 1769 年 2 月至 1777 年 9 月，他用前述的方式不斷地在完全密閉的裝置中從事燃燒反應，在反應前與反應後，準確測量所有反應物與生成物的重量，並用定量思考徹底推翻燃素論，代之以自己創立的氧化學說。此外，他從過去所有定量實驗的結果歸納出「質量守恆定律」：在化學反應中，反應前、後物質的總重量應是相等的。

拉瓦錫的定量思考，使化學這門科學由物質的定性研究進入到定量研究的新階段，拉瓦錫也因此被尊稱為近代「化學之父」。

資料來源

《科學發展》2009年5月，437期，64 ~ 67頁

科發月刊(5210)

科學家的巧思

推薦文章