罗伯特·波义耳

1644年起一批对科学感兴趣的人，其中包括教授、医生、神学家等，定期地在某一处聚会，讨论一些自然科学问题。他们自称它为“无形学院”。1648年因为伦敦战局不稳，更因为资产阶级革命派的军队攻占了牛津，革命派首领克伦威尔任命无形学院的成员维尔金斯担任牛津大学瓦当学院的院长，无形学院的部分成员也纷纷迁往牛津，活动的中心从伦敦转移到牛津。1660年，因政局趋于稳定，活动中心又转回到伦敦。随着无形学院的队伍扩大，在1660年的一次集会上，宣布正式成立一个促进物理—数学实验知识的学院。不久经国王查理二世批准，这学院变成以促进自然科学知识为宗旨的英国皇家学会。皇家学会根据培根的思想，十分强调科学在工艺和技术上的应用，建立起新的自然哲学，成为著名的学术团体。

1646年，波义耳在伦敦就参加了无形学院的活动。后来由于厌倦首都上层社会生活中的空虚，更重要的是想集中精力做一些科学实验，于是迁往他父亲一所偏远的庄园，在那里读书、进行科学实验，一住就是8年。庄园的生活虽然安静，但是对于波义耳的科学活动毕竟有很多不便之处，特别是他很想念那些无形学院的朋友们。1654年，他迁往牛津，寄宿在牛津大学附近一个药剂师家里。以后他又建立了自己设备齐全的实验室，并为自己聘用了一些助手，有些助手还是些很有才华的学者。例如罗伯特·胡克后来也成为一个著名的科学家，他发现了形变同应力成正比的固体弹性定律，制成了显微镜，观察到植物细胞。这些助手在波义耳领导下进行观察和实验，并帮助波义耳收集整理科学资料和来往信件。这样就在波义耳的周围形成了一个科学实验小组，波义耳的实验室也一度成为无形学院的集会活动场所。波义耳的一系列科研成果都是在这里取得的，那本划时代的名著《怀疑派化学家》也是在这里完成的。据统计，在1660—1666年的6年里，他写了10本书，在《皇家学会学报》上发表了20篇论文。在牛津，波义耳一直是无形学院的核心人物，正式成立一个促进实验科学的学术团体也是波义耳的主张。不过当皇家学会在伦敦成立时，波义耳身在牛津，所以没有成为该学会的第一批正式会员，但是大家都公认波义耳是皇家学会的发起人之一，故而被任命为首属干事之一。

1668年，波义耳得知他姐夫去世的消息后，决定从牛津迁往伦敦，和他亲爱的姐姐莱涅拉夫人住在一起。到伦敦后，他又在他姐姐家的后院建造了一所实验室，继续进行他的研究工作。对于社交活动，他看得很淡漠，甚至有点厌恶。但是他却把自己的科学活动与皇家学会密切地联系起来，因而在皇家学会赢得很高的声誉，是科学界公认的领袖。1671年他因劳累而中风，经过很长时间的治疗才痊愈。因此1680年波义耳被选为皇家学会会长时，他因为体弱多病又讨厌宣誓仪式而拒绝就任。 

正确地指出了研究化学的目的

17世纪以前的化学知识，一部分是炼金术的内容，目的在于变*金属为黄金或白银；一部分是医药学的内容，目的在于发展医药，治病救人；一部分是化工生产的内容，目的在于增加产品的种类和提高产品的质量。化学研究没有独立性，主要由于没有明确的、正确的研究目的，而是其它部分的附属物。关于研究化学的目的问题，波义耳提出了与以前的炼金术家、医药学家和化工生产者有本质不同的见解。他认为研究化学的目的不是醉心于炼金术和医药，而是在于认识物质的本性。为此就需要进行专门的实验，收集所观察到的事实，使化学从炼金术和医药学中解放出来，发展成为一门专为探索自然界本质的科学。他说：“化学，到目前为止，还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是我们所说的化学，绝不是医学或药学的婢女，也不是甘当工艺和冶金的奴仆。化学本身作为自然科学中的一个独立部分，是探索宇宙奥秘的一个方面。化学，必须是为真理而追求真理的化学。”波义耳的自然观促使人们逐渐认识到，化学是具有自然特性的一门需要积极发展的科学。由于研究化学有了明确的研究目的、范畴和方向，使化学研究彻底地从炼金术、医药学、化工生产中解放出来，大大地推动了化学科学的发展。所以恩格斯高度评价说：“波义耳把化学确立为科学。”直到现在，波义耳所确定的化学研究的目的，对化学的研究和发展仍然具有指导意义。 

第一个科学的元素定义

波义耳用实验证明，黄金不怕火烧，不会被火分解，更不会在火的作用下生成盐、硫或汞；但它可以跟其它金属融在一起变成合金，还可以熔解在王水里，而且所得到的产物经过适当处理黄金又可以恢复原性重现出来。他实验得出把砂子和灰碱两种东西混合在一起，经过加热可以熔化成透明的玻璃；生成的玻璃再也不会分解成土、水等东西。把灰碱和油脂烧煮会变成肥皂，但将肥皂加热所得到的产物却是跟碱和油脂完全不同的渣块。榨压葡萄得到的果汁，经过发酵可以变成酒精，果汁和酒精也都不会变成盐或硫。波义耳还指出，不少的化学变化都可以说明，同一物质经过不同处理可以转变成其它各种东西。这说明物质的组成和性质是复杂的，即不是亚里士多德所说的四元素，也不是医药学家所说的三元素。他还研究了在冶金和金属加工业中，金属锻烧以后所得的灰渣比金属还重的现象，决不是金属分解以后留下的元素，而得到的是比金属本身更复杂的物质。波义耳通过许多事实的论证后，给元素下了一个比较科学的定义：“我指的元素应当是某些不同任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或完全纯净的物质”，“是具有一定确定的、实在的、可觉察到的实物，他们应是同一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物。”这是世界上第一个科学的元素定义。由于波义耳给化学元素提出了科学的定义，为人类研究物质的组成指明了方向。虽然波义耳提出了科学的元素概念，由于时代的局限性，他并没有明确指出那些物质是真正的元素，而且仍然把火、水、气等当作元素。 

发展了古代的微粒说

古希腊唯物主义哲学家德谟克利特认为物质是由微粒构成的。到17世纪这个观点重新复活起来，并获得了发展，牛顿、胡克、波义耳都是坚持微粒说的代表人物。关于光线通过棱镜而折射的问题，他们都以微粒作解释，可以微粒只是一种推想的东西实际上谁也没有看过。化学家为了解释化学反应过程，也求助于微粒的运动和变化。虽然波义耳深信微粒说，但把它应用于化学却出现了问题。化学物质的性质是多种多样的，反应过程是复杂的，只是用微粒及其运动是难以解释的。他说：“我建议的关于特殊本源的微粒说，其重大困难就在于自然物体实际见到这种繁多的特性会起源于这样少的两种因素，而且简单到只是物质和位移运动，这是不能令人置信的。”他根据盐能溶于水而不能溶于油或汞，但黄金能溶于汞而不能溶于水和油，硫能溶于油而不能溶于水或汞等现象，认为应该在微粒说上面添加一些别的东西以补充其内容。他设想物质的基本微粒有各种不同形态和大小，并以不同的方式运动，或者相互固定在各种不同的次序和排列上，并在它们的细孔里保持着某些流出物或发散物。如同各个字母一样，可以有各种不同的方式组合起来，每个组合体代表一个化学物质。这就是他给微粒说添加的所谓“物体中的变异原理”。波义耳的变异原理，丰富了古希腊以来关于微粒说的内容，发展了哲学家的微粒说。 

波义耳定律

波义耳在科学研究上的兴趣是多方面的。他曾研究过气体物理学、气象学、热学、光学、电磁学、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学。其中成就突出的主要是化学。

和当时的许多科学家一样，波义耳首先研究的对象是空气。通过对空气物理性质的研究，特别是真空实验，他认识到真空所产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系，并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中，他明确地提出：“空气的压强和它的体积成反比”。法国物理学家马略特在此后15年也根据实验独立地提出这一发现。所以后人把关于气体体积随压强而改变的这一规律称作波义耳-马略特定律。

法国科学家制造了一个黄铜气缸，中间装有活塞，安装得很紧。几个人用力按下活塞，压缩缸里的空气。然后，他们松开活塞，活塞弹回来，但是没有全部弹回来。不论他们隔多长时间做一次实验，活塞总是不能全部弹回来。通过这项实验，法国科学家声称空气根本不存在弹性，经过压缩，空气会保持轻微的压缩状态。

波义耳宣称法国科学家的实验不能说明任何问题。他指出，活塞之所以不能全部弹回来，是因为他们使用的活塞太紧。有人反驳道，如果活塞稍松，四周就会漏气，影响实验。波义耳许诺要制造一个松紧适中的绝好活塞，证明上述实验是错误的。两周后，罗伯特·波义耳手持“U”形大玻璃管站在众会员面前。这个“U”形玻璃管是不匀称的，一支又细又长，高出3英尺多，另一支又短又粗，短的这支顶端密封，长的那只顶端开口。波义耳把水银倒进玻璃管中，水银盖住了“U”形玻璃管的底部，两边稍有上升。在封闭的短管中，水银堵住一小股空气。波义耳解释，活塞就是任何压缩空气的装置，水银也可以看作“活塞”。像法国实验所期望的那样，波义耳的做法不会因为摩擦而影响实验结果。波义耳记录下水银重量，在水银和空气交界处刻了一条线。他向长玻璃管中滴水银，一直把它滴满。这时，水银在短玻璃管中上升到一半的高度。在水银的挤压下，堵住空气的体积变成不到原来的一半。在短玻璃管上，波义耳刻下了第二条线，标示出里面水银的新高度和堵住空气的压缩体积。然后，通过“U”形玻璃管底部的阀门，他把水银排出，直到玻璃活塞和水银的重量与实验开始时的重量完全相等。水银柱又回到它实验开始的高度，堵住的空气又回到它当初的位置。空气果真有弹性，法国科学家的实验是错误的，波义耳是正确的。

罗伯特·波义耳用玻璃活塞继续实验，发现了很多值得注意的事情。当他向堵住的空气施加双倍的压力时，空气的体积就会减半；施加3倍的压力时，体积就会变成原来的1/3。当受到挤压时，空气体积的变化与压强的变化总是成比例。他创建了一个简单的数学等式来表示这一比例关系，如今我们称之为“波义耳定律”。就认识大气、利用大气为人类服务而言，这一定律是极为重要的。

波义耳定律（Boyle'slaw，或称Mariotte'sLaw）即在定量定温下，理想气体的体积与气体的压力成反比。是由英国化学家波义耳在1662年根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。

公式：V=k/P

V是指气体的体积P指压强k为一常数量

这个公式又可以继续推导，理想气体的体积与圧强的乘积成为一定的常数，即：

PV=k

如果在温度相同的状态下，A、B两种状态下的气体关系式可表示成：

PAVA=PBVB

习惯上，这个公式会写成：

p2=p1V1/V2

波义耳创建的理论——波义耳定律，是第一个描述气体运动的数量公式，为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。该定律是学习化学的基础，学生在学习化学之初都要学习它。

确立化学为科学

在化学实验中，波义耳读了不少前人的有关著作，也了解到当时的一些科研成果。这不仅开阔了他的眼界，丰富了他的思想，同时也为他整个实验的安排提供了指导。当时德国的工业化学家格劳伯，大半生从事化学实验，对金属冶炼、酸碱盐的制取有较多的研究，对于振兴德国的工业做出了重大贡献，格劳伯的事迹以及他的关于化学实验的著作《新的哲学熔炉》给了波义耳一个重要的启示，使他认识到化学在工业生产中所具有的广泛意义，化学不应只限于制造医药，而是对于整个工业和科学都有着重要作用的科学。为此，他认为有必要重新来认识化学，首先要讨论的是什么是化学。

罗伯特·波义耳

为了确定科学的化学，波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念：元素。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图，他用元素来表示当时认为是万物之源的四种基本要素：火、水、气、土。这一学说曾在两千年里被许多人视为真理。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验，对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出：这些传统的元素，实际未必就是真正的元素。固为许多物质，比如黄金就不含这些“元素”，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反，这些元素中的盐却可被分解。那么，什么是元素？波义耳认为：只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金，虽然可以同其它金属一起制成合金，或溶解于王水之中而隐蔽起来，但是仍可设法恢复其原形，重新得到黄金。水银也是如此。

至于自然界元素的数目，波义耳认为：作为万物之源的元素，将不会是亚里士多德的“四种”也不会是医药化学家所说的三种，而一定会有许多种。波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多，元素的定义应是“具有相同核电荷数的同一类原子的总称”。如今这种科学认识是波义耳之后，又经三百多年的发展，直到20世纪初才清楚的。波义耳当时能批判四元素说和三要素说而提出科学的元素概念已很不简单，是认识上一个了不起的突破，使化学第一次明确了自己的研究对象。在《怀疑派化学家》一书中，在明确地阐述上述两个观点的同时，波义耳还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础，提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻地领会了培根重视科学实验的思想，他反复强调：“化学，为了完成其光荣而又庄严的使命，必须抛弃古代传统的思辨方法，而像物理学那样，立足于严密的实验基础之上。”波义耳正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点新思想带进化学，解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题，为化学的健康发展扫平了道路。如果把伽利略的《对话》作为经典物理学的开始，那么波义耳的《怀疑派化学家》可以作为近代化学的开始。 

波义耳的空气泵

酸碱指示剂

波义耳女友去世后，他一直把女友最爱的紫罗兰花带在身边。在一次紧张的实验中，放在实验室内的紫罗兰，被溅上了浓盐酸，爱花的波义耳急忙把冒烟的紫罗兰用水冲洗了一下，然后插在花瓶中。过了一会波义耳发现深紫色的紫罗兰变成了红色的。这一奇怪的现象促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。由此他发现了大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色，其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明显，它遇酸变成红色，遇碱变成蓝色。利用这一特点，波义耳用石蕊浸液把纸浸透，然后烤干，这就制成了实验中常用的酸碱试纸——石蕊试纸。

也是在这一类实验中，波义耳发现五倍子水浸液和铁盐在一起，会生成一种不生沉淀的黑色溶液。这种黑色溶液久不变色，于是他发明了一种制取黑墨水的方法，这种墨水几乎用了一个世纪。

错失质量守恒定律

在实验中，波义耳发现，从硝酸银中沉淀出来的白色物质，如果暴露在空气中，就会变成黑色。这一发现，为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银用于照相术上，做了先导性工作。

1663年，波义耳将金属汞放在密闭的容器里煅烧，冷却后称量时打开了盖，导致空气进入，最后的结论是物质的总质量增加了，与质量守恒定律失之交臂。

磷的研究

晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果，他根据“磷的重要成分，乃是人身上的某种东西”的观点，顽强努力地钻研，终于从动物尿中提取了磷。经进一步研究后，他指出：磷只在空气存在时才发光；磷在空气中燃烧形成白烟，这种白烟很快和水发生作用，形成的溶液呈酸性，这就是磷酸，把磷与强碱一起加热，会得到某种气体（磷化氢），这种气体与空气接触就燃烧起来，并形成缕缕白烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

波义耳所以取得这么大的成就，正如他所说过的一句箴言：“人之所以能效力于世界，莫过于勤在实验上下功夫。”

《怀疑派化学家》（166）1，《化学家的故事》，《矿泉的博物学考察》，《关于空气弹性及其物理力学的新实验》，《关于火焰与空气关系的新实验》，《形式与性质的起源》（1666年，总结了原子论哲学的要点）

生理学方面

玻意耳研究了空气对生物的作用，发现了肺内血液颜色和摄取空气有关，1663年他还找出了毛细血管等。