教育技術裝備內知識系統的建構和發展（續三）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

拉瓦錫的燃燒實驗：測量、技巧、方法? 拉瓦錫重視利用非常精確的實驗技巧來處理實際問題，并常常由此發現其中的理論意義。他是一位不知疲倦的組織者、研究者和使自己的思想、方案實現的促進者。[9]99

1772年夏天，拉瓦錫開始思考有關空氣的問題，這時他已經熟悉杜爾哥關于物質蒸汽態的理論。這時有兩件不起眼的學術問題使拉瓦錫開始注意燃燒問題。拉瓦錫開始實驗時，他也學到更多有關金屬煅燒的知識。那年春季，法國科學院出版了德莫爾沃（1737—1816）的著作《科學院以外的話題》，書中詳細描述了所有金屬在煅燒時所獲得的重量。這是一個頗有爭議的問題，因為這意味著燃素的減少反而增加了重量;并且不是少數特例，而是所有金屬煅燒時均如此。對此，燃素理論不容易做出解釋。[9]100

關于燃燒問題，按照燃素理論：

鉛鉛灰（一氧化鉛）+燃素

鉛灰+木炭（燃素源）鉛

按拉瓦錫的意見：

鉛+普通空氣鉛灰

鉛灰+木炭鉛+固定空氣

現在的解釋：

2Pb+O22PbO

2PbO+C2Pb+CO2[9]101

當拉瓦錫用鉛灰與木炭進行還原反應時，他很高興地收集到大量的“空氣”，但它是固定空氣，因為它是金屬灰在還原反應中放出的空氣?？梢约俣ü潭諝饩褪墙饘俦混褵龝r從大氣中所吸收的空氣，但是煅燒在固定空氣的情形下不能發生，因此鉛吸收的空氣不可能是固定空氣。當拉瓦錫把燃素轉移到空氣中去的時候，他并沒有完全擺脫燃素論。根據拉瓦錫的觀點，實際上是空氣或部分空氣在燃燒，因為火是從空氣中釋放出來的。[9]102-103

拉瓦錫繼續他的實驗，在密閉的干餾器中用加熱的辦法煅燒鉛和錫。他發現密閉的容器在加熱前后重量沒有改變，這說明沒有可稱量的“火物質”穿過干餾器的壁。當打開容器時，可以聽到空氣沖進去的聲音，金屬灰也將重于金屬。空氣與金屬結合產生金屬灰，他對此似乎已經確信不疑，并在1774年11月12日向法國科學院報告了這些實驗。但很遺憾，這一實驗早已有人做過。[9]104

這一實驗是另一位科學家普里斯特利用一塊很大的取火鏡做的，這個透鏡的直徑有12英寸，平時他用它來燃燒在實驗室偶然碰到的而又使他感興趣的任何物體。然而他并沒有什么理論構思，也承認唯一可能的做這個實驗的原因只是自己做過許多這樣的實驗，因而只需很輕微的刺激就會使自己再做一次這種實驗。使他十分驚訝的是，當他用透鏡加熱水銀灰時，它在沒有木炭的情形下變成了水銀。他也收集到相當數量的空氣，一支燃著的蠟燭或一塊燒著的木塊放進這種空氣中以后，燃燒得更加明亮。普里斯特利想，自己收集的也許是“燃素化硝石空氣”（phlogisti-

cated nitrous air，即一氧化二氮，或稱“笑氣”）。這種空氣是他在早些時候發現過的，而且發現它能支持燃燒。他沒有收集和測試這種氣體，一直到1775年的2月和3月才又進行了—系列新的燃燒實驗。[9]104

拉瓦錫也收集了水銀灰還原時產生的空氣，并用石灰水測試后，才發現這種空氣并非像巴揚猜測的那樣是固定空氣。他發現這種空氣支持燃燒，并像普里斯特利一樣，假定它是燃素化硝石空氣，但因為它支持燃燒，所以也有可能是普通空氣。為此，拉瓦錫做了普里斯特利曾經設計測定空氣“精華”的實驗。測試過程是：將兩個體積的待測空氣置于倒置量杯的水面之上，然后加入一個體積的硝石空氣（一氧化氮）。普里斯特利發現如果待測空氣是普通空氣，注入硝石空氣后其體積將減小五分之一（一氧化氮與被測空氣中的氧化合產生二氧化氮，后者高度溶解于水），當被測空氣被燃燒“污染”以后，體積就一點兒也不會減小。[9]106-107

拉瓦錫發現，水銀灰還原過程中產生的空氣，其體積減小五分之一，說明這空氣是普通空氣;如果在待測空氣中加入比測試所需要的更多的硝石空氣，從水銀灰得到的空氣將比普通空氣收縮得更多，但他沒有加入更多的硝石空氣。這一測試證實了他的理論預言，即任何金屬煅燒時吸收的空氣與金屬灰用木炭加熱時放出的空氣并不相同，當他用木炭加熱水銀灰時，得到預期中的固定空氣，這是他的理論的一個勝利。因為它說明這種空氣與金屬化合而產生金屬灰，固定空氣應該是從金屬灰中釋放出來的普通空氣與木炭中的碳的一種化合物。在他的1775年4月16日著名的復活節備忘錄中，他宣稱由水銀灰釋放的空氣完全是“沒有任何改變的空氣自身”。[9]107

拉瓦錫對水的分析，為氧理論最終取得成功作出重要貢獻。他已經證明空氣是一種混合物，現在又證實水是一種化合物，兩個古老的元素在10年之內先后屈從了他的分析。在化學新語言中，易燃空氣改名為“氫”（hydrogen），其意思是“水的生成者”。新的名稱鞏固了新的理論。[9]110

生命能量：關于呼吸的實驗? 1860年以后，生命能量學成為呼吸和新陳代謝研究的基本主題。其經典的工具是呼吸量熱器，活體產生的熱可加以直接或間接測量。直接測量的范例是拉瓦錫和拉普拉斯的方法：量熱器中冰融化的數量可被認為是實驗動物所產生的熱量的直接指數。[5]152

如圖4所示，在冰量熱器中，冰充滿內外兩層固體墻之間以及與最里面的實驗籃之間的內部空間，實驗動物被放在實驗籃中，然后整個儀器被密封，并使它盡可能地與環境達到熱平衡。動物產生的熱將里層的冰融化成水，該水被收集在容器P中。這些融化了的水標示著生物產熱的能力，這使得冰量熱器成為早期研究呼吸之化學、物理學基礎必不可少的工具。[9]81-82

對動物熱產物的間接測量就更復雜了。相互獨立的實驗（如弗蘭克蘭的那些實驗）證明碳水化合物、脂肪和蛋白質完全燃燒時，都產生數量明確的熱能以及數量固定的、各自不同的氣體產物。于是，從產生的氣體就可以計算出食物中在體內降解的營養成分的數量，從而轉換成這些數量所對應的熱能。然而，在生物體中，呼吸的最終產物并不完全是氣態的，也有一些含氮物質（尿素、尿酸、肌酸酐）排出，這些產物并沒有被完全氧化，于是就將食物中營養成分連帶人體內的部分能量轉移走了。因此，間接方法需要對所有的呼吸產物進行非常仔細的檢驗。[5]152

用來對熱產物進行間接測量的基本儀器在1849年問世。如圖5所示，這是一個由管子和小室組成的封閉系統，氧氣由左邊的管子輸送給小室中的狗，狗產生的二氧化碳由右上端的管子轉移出實驗小室。實驗小室中安放了測量溫度和壓力變化的工具，小室中實驗動物所產生的二氧化碳可被吸收并被稱重;需要時，還可加入數量確定的氧氣。這個裝置，加上后來對它的改進，可以長時間地控制及分析具有生理學意義的所有氣體的消耗及產生。[5]153-154

人們不斷改進這種儀器，其中最著名的一種能夠不斷地將嚴密控制的空氣輸送到小室中。由于要按固定的時間間隔對儀器中的氣體進行取樣，因此，每次實驗的操作時間相對較長。利用這個通風或開放的環路，以及其中固態和液態的排泄物，卡爾·沃伊特和馬克斯·馮·佩滕科費爾在他們在慕尼黑的實驗室里，對呼吸的變化展開重要的研究工作。1862年，他們證實了所利用的氧氣量是隨著所消耗營養成分的性質而變化的。因此，控制呼吸率的并不是氧的供應量，而是食物中可被降解的營養成分的可利用性。這對那些過于強調氧在身體中的直接作用的人來說是一個有力的打擊，并使人們更多地注意到身體的生理狀況（健康、饑餓、休息）。[5]153

沃伊特和佩滕科費爾在改進呼吸作用儀器的同時，卻忽視了量熱器分析，動物熱產物直接和間接測量的方法最后是由沃伊特的學生馬克斯·魯布納（1854—1932）結合起來。魯布納指出，幾乎沒有必要再向科學界提出能量守恒也適用于生物學界這一觀點。然而這一適用性不是憑猜測得出來的，僅魯布納在1889—1894年間進行的經典實驗的大致測試，就使這一普遍的看法得到確定。魯布納將一個通風的呼吸儀器放在一個量熱器內，于是形成一個呼吸量熱器。這一儀器使研究者在記錄呼吸氣體變化的同時，直接測量其帶出的熱量;尿中的含氮廢物也必須被收集，并計算它們的熱值。魯布納花了大量的努力去糾正該儀器中的錯誤，以便如他所說能夠控制與該研究有關的“所有的生物學因素”。他實驗的設計和目標在19世紀90年代都不能不認為是創新的，使他獲得成功的原因無疑是來自他的明確目的及行動的徹底性。[5]153

魯布納在呼吸作用儀器中測量了大、小狗的熱產物，這些實驗的目的是要研究“體內燃燒的物質所具有的能量與動物體表所釋放出的熱能在數量上是否一樣”。他改變它們的食物（禁食、純脂肪、肉和脂肪、肉），并記錄接踵而來的呼吸關系的變化。在所有這些眾多的實驗中，魯布納只發現一種情況，即當用直接方法和間接方法測量同一動物的熱產物時，其數值十分接近（見表1）[5]155。

事實上，在歷時45天中的所有實驗的總平均值中， 這一數值微小的變化在實驗儀器的誤差范圍之內。魯布納宣稱：“量熱器（直接）方法測得的值只比從身體內營養物質降解燃燒所計算得到的值大0.47%?！边@些數據非常圓滿地完成了這些實驗的目標。他總結道：“所有這些實驗中沒有一個任意選擇的單獨的數據能夠使我們懷疑，在恒溫動物中，熱量的唯一來源就是營養物質中隱含能量的釋放?！彼J為，這一結論雖并不適用于其他動物，但也是一個絕對不可思議的假說。這樣，魯布納的研究就明確證實了首先由邁耶和亥姆霍茲提出的生物體是一臺熱機器的斷言。[5]155-156

實驗生理學家威廉·貝利斯（1860—1924）在1913年寫道：“有生命機體最振奮人心的特征，就是它們所顯示出來的永恒的變化（或工作）狀態。這種能力是因為擁有某種被稱為能量的東西?！比欢芰渴俏锢砗突瘜W過程的標記，而這些過程則正是實驗生理學家所能研究的。他在自己的著作《普通生理學原理》中寫道：“必須牢記，所有用于研究生命過程的方法都是物理的或化學的，因此，即使存在一種生物所特有的能量形式，我們也不必考慮它，除非它能被轉換成等量的已知形式的化學或物理能量?！笔聦嵣?，它總結了拉瓦錫關于生命是由緩慢燃燒維持的結論。生物并不是單獨的存在，而是物質宇宙相互作用的基本元素。[5]156

（未完待續）