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关于质量守恒定律的历史

质量守恒定律又称物质不灭定律，是自然界最重要的基础定律，该定律几乎构成了大部分物理科学和化学科学的基础，它对化学教学是极端重要的。本文阐述它的发展和形成的历史。

一、守恒定律的序幕

关于物质不灭一般被公认为是古希腊原子论者的思想。留基帕和德模克利特(两人大约生活在公元前450年)认为一切物质都是由最小的、不可分的微粒──原子组成的。德模克利特写道：“宇宙的要素是原子和虚空，其他一切都只是意见。原子不受任何能使之发生改变的外力的影响，……而虚空则是一些空的地方，使原子不断在其中上下运动”。如此说来，他们已经具备物质不灭的思想了。可惜他们的著作除了一些残篇外均已散失。关于原子是否有重量还有争论。我们只能从亚里士多德的著作转引的残篇断句中知道原子或许有重量，但是对这一点有争论，伊壁鸠鲁(公元前约300年)承认原子学说，并肯定地认为原子有重量。既然原子是不灭的，而原子又是有重量的，至此，我们可以认为他们已经有了质量守恒的思想了。但是这只能是我们的推论，并没有见诸于文字的记载，一直到公元前57年左右，与凯撒和西塞罗同时代的罗马诗人路克莱修在他的伟大著作《物性论》中，记载并赞颂了古希腊原子论者们的哲学。他重申：“无物能由无中生，无物能归于无。”这可看作是最早暗示出一个深刻的普遍科学原理，现在的每一事物必定在过去，现在或将来持续存在，虽则它们的形状、面貌和外表确实可以改变。

然而，从路克莱修的颂辞到现代的质量守恒定律之间有着相当大的一段距离。质量守恒定律昭示我们：无论位置、外形、状态和化学组成等如何变化，在一给定的封闭区域内的物质总量永远保持不变。企图从古希腊人的思想中去寻觅现代物理学和化学的科学原理(也许某些天文学的原理除外)是徒劳之举，例如，路克莱修当时所关心的是哲学而不是科学问题。这在《物性论》的第一页中讲得十分清楚：

“这个教导我们的定律开始于：没有任何事物按神意从无中生。恐惧所以能统治亿万众生，只是因为人们看见大地环宇，有无数他们不懂其原因的事件，因此以为有神灵操纵其间。而当我们一朝知道，无中不能生有，我们就会更清楚地猜到我们所寻求的：万物由之造成的那些元素，以及万物之造成如何未借神助”。

二、逐步完善的一种表述

在质量守恒定律出世并以对现代科学有意义的方式出现以前，发生过三次独立的进展，每次进展都体现了当时最伟大的物理学家或化学家的工作。首先出现的是理想孤立系统的概念。古希腊人和经院哲学家占统治地位的传统，是把宇宙看成是统一的、不可分割的整体。在这样的体系中，某一单一物体的行为决定于它同宇宙其它物体的关系和它在整个事件中所必定要起的作用。所以，孤立地考虑一些事件，例如，在解释单一物体的行为时，只用一条适用于该特定区域的物理定律，认为该物体不受这一区域周围宇宙中同时发生的其他事件的影响，这是没有意义的。

根据英国数学家兼哲学家怀特黑德(1861─1947)的见解，则可以在某种程度上把孤立系统的概念视为伽利略对物体运动研究的一个结果。伽利略对于惯性定律的预见，谈到任何物体在无外力作用的水平面上将作连续均匀的非加速运动；从而使我们在头脑中描绘出一个区域，其中只有处于平衡状态的物体，在区域的边界上，一切与外界现象的因果联系都被割断了。否则无外力作用的情况是不存在的。

然后，假定已有了某一孤立或封闭系统的概念以限定我们注意的领域，其次，就需要在守恒定律得以表述之前有一个测定物质的量的标准。这一标准是牛顿在他的《自然哲学的数学原理》的第一段中提供的，他在谈到“物质的量”一词时写道，“我在以后称之为物体或质量的，就是指这个量而言”。要想定量地得知某一系统中物质的数量，我们仅需知道它的惯性(或它的重量，“因为如我从……实验发现，它是同重量成正比的”)。只要记住这个定义，必然会认识到：任何给定客体具有某种持久恒定的东西，这东西肯定不是它的颜色或表现大小，不是它的位置或运动状态，也不是体积或形状，更不是它的整体性，而是它在各处的质量，因而也是它在某给定地点的重量。

第三个贡献显然是必不可少的，这是指证明了在化学转变过程中某给定系统中的物质的量──从实际上讲，即是置于某密闭容器之内的某种物质的重量──并不改变。科学史家C·辛格认为，牛顿对于物体在同一个地点重量保持恒定的清晰证明揭示了一个简单而有效的检查数量变化的标准，从而“给化学的合理性一种特殊的动力”。

我们要对长期被人怀疑的质量守恒定律得出直接证据，看来颇为简单：把一些空气和一块木头密封在一个瓶子里，然后使太阳光聚焦于瓶中的木块以引起燃烧。在木头发生变化之后，灰烬和残余的气体加在一起的重量与变化前各成分(木头和空气)的重量完全一样。然而，从牛顿的《原理》(1687年)到拉瓦锡(1743─1794)发表关于焙烧实验的回忆录和教科书《化学概要》(1789年)相距恰好约100年。

三、拉瓦锡的实验证明

在牛顿和拉瓦锡之间的这个时期，那些必须克服的障碍现在说来几乎无关紧要。拉瓦锡是最先确证下述事实的化学家之一：物质的燃烧是人们最熟悉的化学变化，通常是氧化作用，亦即物质与周围空气中由他命名为氧的那部分气体化合；因此，在全部计算中必须计入取自大气的气体。在拉瓦锡以前的时代，人们对于气体和燃烧过程本身的性质都不够清楚；所以几乎没有什么根据或条件去测定气体的数量，而且甚至无法在那些与周围化学世界隔绝的密闭容器内进行这些化学反应。映入科学家头脑的，首先并不是所有参与化学反应的物质遵从一个普遍的守恒定律，而是下述明显、顽固而且令人困惑的事实：处于空气中的某些物质如木材在燃烧后将会减少重量(我们现在会说，因为在氧化过程中失散的气体比得到的气体多)；另一些物质如磷却会显著地增加重量(按现代的说法，这是因为固定下来的氧要多于挥发的蒸气)。在逆过程即现在所谓还原即失去氧的反应中，也会发生类似的不同类型的变化。由于科学理论往往具有一种首先从各种现象最显著的方面推演出概念的天然倾向，所以在18世纪形成了一种概念体系，企图研究大量关于燃烧的各种观察结果，其中包括燃烧物的物理结构和化学性质的变化、热和火焰的存在、周围空气性质的变化，乃至各种重量的改变。为了解释这些观察结果，人们设想有一种燃素存在，并可用这些物质或“要素”在参与化学变化的出入来说明所有观察结果。燃素说在拉瓦锡对它发动攻击十年左右便销声匿迹了，这不仅是因为人们企图用燃素概念解释的各种现象过于广泛，以至于达到定量的说明并且自相矛盾，而且因为拉瓦锡证明了这个概念根本不必要，他通过称量得出的不可反驳的证据表明：把注意力转移到参加某一化学反应的物质(包括气体和蒸气)总量上去，就会得出一条严格的物质守恒定律。

译自1789年出版的拉瓦锡的《化学概要》的一段文字可说明他在这方面使用的方法，而且暗示出这个定量论证的相对新颖性：