罗伯特·玻意耳

中学课本里，玻意耳只占一行：温度不变时，一定质量气体的压强与体积成反比。可这一行字背后，是物理学里一件比定律本身更大的事——罗伯特·玻意耳和他的助手们，第一次把「做实验」变成了一套有仪器、有见证人、有详细记录、别人照着就能重做的公共程序。

他是爱尔兰首富的儿子，终身未婚，一辈子没有担任过教职，却在自家实验室里把空气抽空、把水银灌进玻璃管，然后把每一次失败、每一个在场者都写进书里。

伯爵家的第七个儿子

1627 年 1 月 25 日，玻意耳生于爱尔兰沃特福德郡的利斯莫尔城堡。父亲理查德·玻意耳是科克伯爵，靠在爱尔兰购置地产发家；伯爵在家谱里写的是「我的第七个儿子罗伯特，生于 1626 年 1 月 25 日」——那时英格兰还按旧历以 3 月 25 日为新年，换成今天的算法是 1627 年。他在家中排第十四。

伯爵认为大户人家的孩子养在家里只会养出骄气，八岁上下就把他送进伊顿公学。1639 年，他随法国家庭教师马孔布出国，主要住在日内瓦。1641 年冬到次年春他在佛罗伦萨，读意大利文的近代史，也读「伟大的观星者伽利略」那些被罗马禁掉的新奇论点。晚年的自传里他记下：他住在佛罗伦萨期间，伽利略就在离城一里格的地方去世了。

从斯托尔布里奇到牛津

1644 年他回到英格兰时，内战正酣，父亲已于前一年去世，爱尔兰的家产陷入战乱。他退居父亲在多塞特郡斯托尔布里奇买下的庄园，起初写的是伦理和宗教的小文章，渐渐迷上了化学实验。1640 年代后期的几封信里，他兴奋地提到自己加入的「无形学院」——一群按「只重视有用的知识」这条原则讨论自然哲学的人。

1650 年代中期，他移居牛津（伯奇的旧传记作 1654 年，现代学者多定在 1655—1656 年）。他不住学院，而是租住在一位药剂师家里，因为那里有地方做实验。当时牛津聚着沃利斯、沃德、雷恩、威尔金斯这些人，后来皇家学会的班底有一半在这里。医生威利斯把自己的助手推荐给玻意耳——一个穷牧师的儿子，叫罗伯特·胡克。

胡克造的抽气机

玻意耳读到耶稣会士肖特的书，知道德国马德堡的格里克造了一台抽气机。但他在 1660 年的书里挑出了这台「德国机器」的两个毛病：抽空一次要两个壮汉连续干好几个小时，而且容器是一整个密封的玻璃球，什么东西也放不进去做实验。

他先让一位格雷托里克斯先生和胡克去想办法。前者的方案太粗糙；试过一两个别人的设计后，玻意耳写道，「最后提到的那一位给我配成了一台泵」。胡克的机器用齿条与齿轮拉动活塞，玻璃容器顶上开一个大口，大到能伸进一只穿着袖子的手臂，用塞子和黄铜盖封住。1658 或 1659 年，它造成了。

1660 年，玻意耳在牛津出版《关于空气弹性及其效应的物理-力学新实验》，以书信形式写给侄子邓加文子爵，报告了四十三个实验。这台机器从此被叫作「玻意耳机器」。

真空里的表声、烛火与小鸟

书里的实验一个比一个直观。

把托里拆利那根装满水银的玻璃管整根放进容器里抽气，管中水银柱随之一段段下降，放回空气又升上去——这是第十七号实验，最直接地说明了托起水银柱的是外面空气的压力。几天后他当着沃利斯、沃德和雷恩三位数学教授又做了一遍，书里特意写明：点出他们的名字，是因为有了「如此明断而杰出的见证人」。

把一只打开表壳的怀表吊在容器里，随着抽气，滴答声越来越弱，抽到平常的程度时，贴着玻璃也听不见了，却看得见秒针照走、摆轮照摆；放回空气，声音又回来了。声音要靠空气传播，这是第一次这么干净地演示出来。

烛火在抽空的容器里很快熄灭；小鸟和老鼠在里面挣扎、抽搐，常常救不回来。这些实验太离奇，他写道，只好反复做了好几次，于是有了「不同身份、职业和性别的人——不止贵妇和勋爵，还有医生和数学家——来见证」。

一根 J 形管

书一出版就招来反驳。在列日任教的英格兰耶稣会士弗朗西斯库斯·利努斯（本名弗朗西斯·莱恩）不承认空气有那么大的弹力，他说托起水银柱的是管顶一根看不见的细丝，他叫它「小绳」，把水银往上拽。

1662 年，《新实验》出了第二版，随书附上两篇答辩，其中一篇就是《为空气弹性与重量学说辩护：答弗朗西斯库斯·利努斯》。为了说明空气的弹力大到足以托起水银柱，而且大小可以精确测量，他在第二部分第五章里做了一个新实验。

一根弯成 J 形的长玻璃管，短腿顶端熔封，两条腿上各贴一条刻好英寸和分度的纸。先灌进少量水银，让两腿水银面持平，短腿里就封住了一段处在大气压下的空气。然后从长腿开口处一点点往里倒水银，短腿里的空气被越压越短。管子太长，屋里立不下，他们只好在一段光线充足的楼梯间里做，把管子用绳子吊着，下端放进一只木盒，以防玻璃碎了水银洒一地。

当空气被压到原来一半长度时，他们「不无欣喜与满足地」看到，长腿里的水银比短腿里高出 29 英寸——恰好约等于一个大气压的水银柱。也就是说，空气被压缩到两倍密度，弹力也变成两倍。

他没有停在这一个点上。书里印着一张「空气压缩表」：空气柱从 48 格压到 12 格，一共二十五组读数，每组列出两腿水银面高差、当时的大气压（$29\tfrac{2}{16}$ 英寸）、两者相加的实测压强，以及「按压强与膨胀成反比的假说」应该得到的数值。压到 24 格，实测 $58\tfrac{13}{16}$ 英寸，预测 $58\tfrac{2}{8}$；压到 12 格，实测 $117\tfrac{9}{16}$，预测 $116\tfrac{4}{8}$。同一章还有一张「空气稀薄化表」，把空气反过来拉长到原来的 32 倍，得到的也是反比关系。写成今天的样子就是

$$pV = \text{常量}$$

这条定律该叫谁的名字

玻意耳自己并没有说这是他的定律。他在同一章里写得很坦白：他做了不少测量，却一直没有把它们归成「任何确定的假说」，是兰开夏郡的绅士理查德·汤利读过《新实验》之后，自己推出了空气膨胀时弹力按什么比例减小，并告诉了他。表格最后一列的标题就叫「那条假说」，正文里一再称之为「汤利先生的假说」。

汤利和他的同乡、医生亨利·鲍尔早在 1661 年就一起在兰开夏的山上做过托里拆利实验，玻意耳的《辩护》里也引用了汤利山顶的观测。玻意耳还提到另外两个人：一位此前在书中提到过、写过稀薄化论文的助手，说他前一年就做过与汤利理论相符的观测；另一位是数学家布龙克尔勋爵。玻意耳的贡献，是把这个比例关系变成了一组公开发表、谁都能拿来核对的精密数据。

十几年后，法国的埃德姆·马略特独立得出了同样的结论，并明确写成一条自然规律。所以在法国和欧洲大陆的许多地方它叫「马略特定律」，也常并称「玻意耳-马略特定律」。另有一点常被略过：玻意耳的表格没有专门控制温度，「温度不变」这个前提，是后来人们搞清楚气体的热膨胀之后才补进定律里的。

怀疑派化学家

1661 年，玻意耳在伦敦出版《怀疑派化学家》，副标题是「化学-物理的疑问与悖论」。书用对话体写成，矛头指向两种当时最流行的物质观：亚里士多德的土、水、气、火四元素，与帕拉塞尔苏斯派的盐、硫、汞三要素。化学家们声称，把物体用火一烧，就分解成了这几种「元素」；玻意耳一条条举出实验，指出火烧出来的东西既不总是那几样，也不见得是更简单的成分。

书里有一句常被当作「近代元素定义」引用的话：

我现在所说的元素……是某些原初的、简单的、完全不混杂的物体；它们不由任何别的物体构成，也不由彼此构成，是一切所谓完全混合物体直接的组成成分，也是这些物体最终分解成的东西。

但紧接着的下一句是：「至于是否真有任何一种这样的物体，能在所有被称为由元素构成的物体中找到，正是我现在要质疑的。」他提出这个定义，是为了追问符合它的东西究竟存不存在。他真正相信的，是物质由大小、形状、运动各异的微小「微粒」组成，物体的性质来自这些微粒的排列与运动——1666 年的《形式与性质的起源》把这套微粒哲学写得更完整。

与霍布斯的争论

1661 年，哲学家托马斯·霍布斯出版《物理学对话，或论空气的本性》，矛头直指玻意耳的抽气机和刚刚成立的实验团体。霍布斯不承认有真空，认为抽气机漏气，容器里始终充满某种稀薄的物质；他更不认为一群人围着一台机器看出来的东西能算作知识——真正的哲学应当像几何一样，从确定的原理推出结论。

玻意耳在 1662 年第二版里附上《对霍布斯先生〈物理学对话〉的考察》，逐条回应。他承认机器会漏气，但坚持实验事实本身站得住，至于容器里究竟是不是绝对的真空，他特意不作断言。这场争论后来被科学史家夏平与谢弗写成《利维坦与空气泵》，当作「实验知识如何获得权威」的经典案例。

见证与写法

玻意耳的书以啰嗦著称，他在《新实验》的序言里专门解释了为什么：有些实验是全新的，需要「交代种种细节，免得读者不信」；有些是为了让收信人「不出差错、尽量省事地重做这些不寻常的实验」；更要紧的是，造这样一台机器、雇一个人专门操作，花费太大，多数人大概不会去重做，那就只好把过程写得足够详细，让读者读起来如同亲眼所见。

于是他的实验报告有了一套后来被广泛沿用的写法：写明仪器的样子并配上图版，写明每一步怎么做，写失败和意外，写当时在场的人是谁。夏平把这种写法称为「虚拟见证」——读者虽然不在场，却被文字带进了实验室，成了见证人群中的一员。今天论文里的「方法」一节，走的仍是这条路。

皇家学会里的绅士

1660 年 11 月 28 日，雷恩在格雷欣学院讲完课后，十二个人聚在一起，决定成立一个促进「物理-数学实验学问」的学会，玻意耳名列其中。两年后学会得到查理二世的特许状，玻意耳是首届理事会成员。胡克也在 1662 年被聘为学会的实验主管——人们常说，玻意耳的实验室就是早期皇家学会的样板。

1680 年 11 月 30 日，学会在年度选举中推举他为会长。他在给胡克的信里辞谢：几位律师都认为就任须宣读法律规定的誓词，而他「在誓言一事上有一种或许是特殊的顾虑」，只好请学会另选贤能。

晚年

1668 年起，玻意耳与姐姐拉内拉夫人同住在伦敦蓓尔美尔街，在那里工作了二十多年，研究颜色、冷、磷光、比重、血液，也写了大量神学著作。他出钱资助把《圣经》译成爱尔兰语等语言，自己却多病、视力很差，晚年减少了会客。

1691 年 12 月 23 日，拉内拉夫人去世。玻意耳和她一起生活了大半辈子，只多活了一个星期，在 12 月 30 日深夜去世，葬在威斯敏斯特的圣马丁教堂，紧挨着姐姐。他在遗嘱里留下一笔钱，请人每年做八次讲道，论证基督教、驳斥无神论者——这就是延续至今的「玻意耳讲座」。第一任讲者本特利在讲道里大量引用了牛顿的《原理》。