2017年2月22日

物質不滅定律

作者/曾耀寰(任職於中研院天文所,科學月刊社理事長。)

圖一:基本的天平儀器。(shutterstock)
今年初行政院發言人召開記者會,針對一例一休政策造成物價上漲,用了前所未有的方式澄清。工商團體批評一例一休的政策造成勞工、雇主和民眾的三輸局面,也就是說勞工薪資減少(勞工少領錢),雇主成本增加(雇主少賺錢),而物價上漲(民眾多花錢)。發言人為一例一休政策辯護,特別借用「物質不滅定律」來解釋勞工薪資、雇主成本以及市場物價之間的關係,顯示其論點的客觀性。所謂物理上的物質不滅定律表示不管整個過程怎樣變化,物質不會平白無故的變不見,或者是憑空跑出東西出來。而發言人運用這個概念表示:勞動工資、工時及企業獲利,相加後會得到一個共同的數字,這個數字是不會增減,因此一例一休造成工時減少,相對應的企業成本增加,使得企業獲利減少,但共同的數字不變,自然而然勞動工資就會增加。



定律起源
「物質不滅定律」應該是一個很古老的觀念,所謂物質,我們可以想像成某種東西,例如石頭,我們敲打石頭,雖然可以破壞石頭的外型,可能敲出一些碎片,但這些碎片仍然是石頭。物質真的能不改變嗎?早在數千年前,歐洲、埃及和亞洲就出現煉金術,這是一種將普通金屬改變成黃金的密技,中國古代就有所謂的黃白術,當時的煉丹術士認為物質是可以相互改變,漢武帝時期的方士李少君和欒大自稱能將丹砂變成黃金,若真能點石成金,可真令人興奮。多少代方士、煉丹師都沉迷於這種物質相互轉變的方法,成為現代化學的前身。化學不就是將A物質加上B物質,經過作用反應成C物質和D物質,物質是可以改變,不過就是找不到從一般金屬變成貴重金屬(金和銀)的煉金術。

到了18世紀末,法國化學家拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier)發現在化學變化過程當中,質量是不會改變的。什麼是質量?這不容易回答,但我們可以透過動手操作的方式定義質量,最簡單的方式是用天平。天平是測量物質質量的工具(如圖一),在天平的一端放置待測物質,另一端則是放一個個已知的單位質量(砝碼),例如放置4個1克的砝碼,天平兩端達到水平平衡位置,這時我們就知道待測物質的質量是4克。拉瓦錫根據化學反應前後的質量不會增加或減少,因而提出了質量守恆定律,我們知道在化學反應中,除了固體物質的變化,還會有氣體、液體產生或損失,拉瓦錫小心地做著實驗,將氣體和液體的質量都準確地算進去,發現物質在化學反應中雖有變化,但反應前後的質量是不變的。

什麼是物質?
我們前頭說質量是透過測量來定義的,質量到底是怎樣的量?是真實存在嗎?不過在瞭解質量之前,我們得先談質量的本體,也就是物質。什麼是物質?我們說石頭是個物質,黃金是個物質,石頭和黃金同為物質,又有何差別?古希臘哲學家就對零零總總的物質多做深思,想要知道大自然存在的千千萬萬物質是否可以歸納成幾個簡單的本原。作為哲學史第一人的泰利斯(Thales)表示:「水」是太初,而阿那克西曼尼(Anaximenes)則表示「氣」才是根本物質,「氣」凝聚後,下沉為大地,稀疏了,就成了各種火球升空,形成星星。這說法有點像南宋文天祥的正氣歌:「天地有正氣,雜然賦流形,下則為河岳,上則為日星。」
除了水和氣,還有其他根本物質的說法,有些是抽象的概念,例如愛和數字,甚至還出現多元根本,亞里斯多德(Aristotle)將萬物歸納成土、水、火、氣以及構成天球天體的以太,整個宇宙是由這五種元素所構成。以上各種根本物質都是能夠透過感官體驗,即便是抽象的愛和數字,都還是能夠理解,但在古希臘哲學家中還有一門派提出在經驗上無法感受的原子,德謨克利特(Democritus)是原子學派的代表。德謨克利特的原子是具有不能再被切割的特性,所有的物質都是由許許多多的原子所構成,但原子有種類、形狀和大小的不同,可以在虛無的空間中移動。這些說法都和現在科學的原子論相類似。

圖二:透過組裝各種積木,就能建構出複雜的世界。(shutterstock)


之前提到拉瓦錫的質量不滅定律正是原子論的寫照。如果將所有的物質都當成原子所組成,我們可以將原子想像成樂高積木,積木有數種基本款,將任意數量的積木組裝,可以建造出各種不同的結構(如圖二)。物質也是一樣,有些是由同一種原子堆積而成,有些則是由各種不同的原子契合而成,例如純金是由許許多多金原子組成,而俗稱愚人金的黃鐵礦,主要成分是二硫化亞鐵,是由硫原子和鐵原子相互組成。這時來談物質的質量,就可以簡化成原子質量的總和,以純金為例,則是當中金原子的數量乘上金原子的質量;複雜一點的愚人金,則是硫原子數量乘上硫原子質量,加上鐵原子數量乘上鐵原子質量。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第567期】

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