پدر شیمی مدرن جهان کیست؟

اقتصاد۲۴- مریم آیتی: «رابرت بویل» (Robert Boyle) یک دانشمند ایرلندی در قرن ۱۷ میلادی است که بیشتر به عنوان فیلسوف علوم طبیعی، شیمی‌دان و فیزیک‌دان شناخته می‌شود.

شیمی تا پیش از فعالیت‌های علمی و تحقیقاتی رابرت بویل، بیشتر مرتبط با کیمیاگری و مفاهیم عرفانی و حتی خرافات بود. در واقع درآن زمان مجامع علمی هنوز شیمی را به‌عنوان یک دانش و علم پایه نپذیرفته بودند. 

رابرت بویل مفاهیمی مانند عنصر، ترکیب و مخلوط را در علم شیمی تعریف کرد. همچنین قانون بویل یکی از مهمترین یادگار‌های این دانشمند ایرلندی است که رابطه بین فشار مطلق گاز و حجم آن را تفسیر می‌کند. بویل عبور نیرو‌های الکتریسیته از خلأ را مطرح و اثبات کرد و تاثیر گرما بر حرکت ذرات را مورد مطالعه قرار داد.

تولد و تحصیل رابرت بویل

رابرت بویل در ۲۵ ژانویه سال ۱۶۲۷ در خانواده‌ای اشرافی متولد شد. خانواده بویل در آن زمان در قلعه‌ی لیسمور شهر لیسمور ایرلند ساکن بودند. پدرش ریچارد بویل نام داشت و در سال ۱۵۸۸ با سرمایه‌ای متوسط از انگلستان به ایرلند رفته و به‌مرور کسب‌وکار خود را در آن منطقه گسترش داده بود. در زمان تولد بویل، پدرش یکی از بزرگ‌ترین ثروتمندان منطقه محسوب می‌شد. مادر رابرت، کترین فنتون نام داشت که از خانواده‌ای ثروتمند در ایرلند بود.

رابرت فرزند چهاردهم خانواده بود. پدرش او را در سال‌های کودکی برای زندگی نزد یک خانواده‌ی فقیر فرستاده بود. او اعتقاد داشت فرزندان با این شیوه، دشواری‌های زندگی را به‌صورت تجربی می‌آموزند. 

به‌هرحال رابرت در آن سال‌ها کمی لکنت زبان هم پیدا کرد و شاید چنان روش تربیتی، برایش مناسب نبود. رابرت مادرش را در دو سالگی از دست داد و چند سال بعد برای تحصیلات بهتر نزد خانواده بازگشت و از دوران کودکی خود شروع به یادگیری زبان‌های فرانسه و لاتین کرد. 

کالج اتون (Eton College) در انگلستان یکی از برترین مدارس خصوصی قرن ۱۷ بود. رابرت در هشت سالگی برای ادامه‌ی تحصیل به آنجا رفت. او سه سال در کالج اتون به تحصیل پرداخت و در ۱۲ سالگی به یکی از مهم‌ترین سفر‌های زندگی‌اش رفت.

رابرت بویل به‌همراه برادر بزرگ‌ترش فرانسیس به تور علمی بزرگی به سرتاسر اروپا رفت. سفر مذکور که به‌نام Grand Tour شناخته می‌شد، بخشی از روند مرسوم تحصیلی دانش‌آموزان ثروتمند در آن سال‌ها بود. این سفر عموما شامل بازدید از بزرگ‌ترین مناطق تاریخی ایتالیا و یونان می‌شد که در کشف شهودی تاریخ به کودکان و نوجوانان کمک می‌کرد. رابرت در سفر اروپا بخش عمده‌ای از زمان خود را در ژنو سوئیس گذراند.

سفر دور اروپای رابرت در ۱۴ سالگی او را به ایتالیا و یافته‌های گالیلئو گالیله رساند. رابرت در آنجا روش تحقیقاتی گالیله را برای درک و تشریح ریاضیاتی مفهوم حرکت آموخت. شایان ذکر است، در آن سال‌ها مطالعه‌ی کتاب و مقاله‌های گالیله در ایتالیا ممنوع بوده و بویل احتمالا به‌صورت قاچاقی مقاله‌ها را از سوئیس به ایتالیا برده بود.

زمانی که رابرت بویل به شهر تاریخی و بزرگ فلورانس در ایتالیا رفت، گالیله سال‌های پایانی عمر را می‌گذراند. در آن سال‌ها دانشمند بزرگ ایتالیایی در حبس خانگی به سر می‌برد و در زمان اقامت بویل در فلورانس، در خانه‌ای نزدیک همان شهر از دنیا رفت. رابرت بویل از طرفداران نظریه‌ی گالیله و نیکولاس کوپرنیک بود و زمین و سیاره‌های دیگر را به‌صورت دوار به دور خورشید تفسیر می‌کرد.

پدر رابرت در دوران تور اروپایی او از دنیا رفت و ثروت قابل توجهی را به‌همراه زمین‌های متعدد برایش به ارث گذاشت. در میان آن‌ها خانه‌ای در حومه شهر استالبریج انگلستان هم وجود داشت که رابرت در ۱۷ سالگی و پس از بازگشت از سفر دور اروپا در آن ساکن شد. 

در آن سال‌ها انگلستان درگیر جنگ داخلی میان مجلس و پادشاه بود و بویل هم به‌عنوان عضوی از یک خانواده‌ی اشرافی، وضعیت خطرناکی را می‌گذراند. به‌هرحال رابرت وارد نبرد‌های سیاسی نشد و هیچ‌یک از دو طرف درگیر هم او را به چشم دشمن نمی‌دیدند. شایان ذکر است، رابرت فردی مذهبی بود و دخالت در جنگ و فعالیت‌های نظامی را موجب تخریب روح می‌دانست.

در سال‌هایی که انگلستان در آتش جنگ داخلی می‌سوخت، رابرت بویل (که به فلسفه روی آورده بود) مشغول نوشتن اولین کتاب خود شد. او کتاب اولش را به‌نام Aretology نوشت که متمرکز بر موضوعات اخلاقی بود. رابرت پس از نگارش کتاب اول، به مطالعه و آزمایش و درک مباحث علمی علاقه‌مند شد.

بویل در ۲۰ سالگی به لندن رفت و عضو یک گروه دانشمندان تجربی شد. بویل اعتقاد راسخ داشت که آینده علم بر روش تجربی استوار است. شعار او که هیچ چیز به صرف گفته دیگران قابل قبول نیست، این فکر که تمام پاسخ‌ها در کتاب‌های قدیمی وجود دارد را نفی می‌کرد. 

رابرت بویل در سال ۱۶۴۶ و در آستانه‌ی جوانی، بیش از همیشه به آزمایش‌های علمی علاقه‌مند شده بود. او آزمایشگاهی را در همان سال تهیه کرد و برای مطالعات عمیق‌تر، با گروه‌های علمی وارد رابطه شد. گروه علمی که او عضو آن بود جلسه بحث‌های غیر رسمی را در خانه هر یک از اعضا برگزار می‌کرد و یکی از گروه‌ها به‌نام Philosophical College یا Invisible College در لندن فعالیت می‌کرد که بویل به آن نام کالج نامرئی داده بود.

آن‌ها جلسه‌هایی دوره‌ای برگزار می‌کردند و مباحث علمی تجربی و تبادل ایده‌ها به‌عنوان زمینه‌ی اصلی فعالیت‌شان شناخته می‌شد. بسیاری از دانشمندان در میانه‌ی قرن ۱۷، مطالعات خود را روی مباحثی به‌نام کیمیاگری (Alchemy) متمرکز می‌کردند. رابرت بویل هم با جریان مذکور همراه شد و آزمایش‌های متعددی برای درک هرچه بهتر این دانش انجام داد. به‌هرحال او هم مانند دیگران موفق به کشف سنگ جادو نشد و تلاش‌هایش در آن حوزه را با عبارتی ترکیبی به‌نام Chemistry شرح داد.

دوران جوانی و اولین فعالیت‌های علمی رابرت بویل سرشار از خرافات و ایده‌های غیر علمی در میان مردم بود. هنوز سال‌ها با دوران شکوفایی علمی اروپا در قرن ۱۸ فاصله بود؛ دورانی که درنهایت علم و منطق را بر باور‌ها و خرافات پیروز کرد. 

در آن سال‌ها مردم با عقیده به مفاهیمی همچون جادوگری زندگی می‌کردند و افرادی به‌نام شکارچی جادوگر، شغل‌های پردرآمدی داشتند. به‌عنوان نمادی از وضعیت آن سال‌ها جالب است بدانید در خلال سال‌های ۱۶۴۴ تا ۱۶۴۷، فردی به‌نام متیو هاپیکینز (که خود را ژنرال شکارچیان جادوگر می‌نامید) ۳۰۰ زن را در شرق انگلستان به جرم جادوگری به مرگ محکوم کرد.

رابرت بویل پس از چند سال زندگی در انگلستان و درک شرایط دشوار و خرافاتی آن منطقه، در ۲۵ سالگی به ایرلند بازگشت. او پس از دو سال زندگی در ایرلند، متوجه مشکلات و موانع پیشرفت علمی در آنجا شد و همچنین بیماری سختی را هم تجربه کرد. بیماری مذکور تأثیری شدید روی بینایی رابرت داشت؛ به‌حدی که او تا پایان عمر توانایی خواندن سریع را از دست داد و برای نوشتن نیز دستیار استخدام می‌کرد.

تاثیرات رابرت بویل بر پیشرفت علم

رابرت بویل در سال ۱۶۵۴ به شهر دانشگاهی آکسفورد در انگلستان رفت. هدف او تحصیل در دانشگاه نبود و تنها از محیط علمی منطقه لذت می‌برد. رابرت بدون نیاز به دریافت حقوق یا سرمایه‌گذاری از دانشگاه، آزمایشگاه شخصی خود را تأسیس کرد تا مطالعات را هرچه بیشتر به‌صورت تجربی پیش ببرد. 

یک سال بعد، ملاقاتی تأثیرگذار در زندگی رابرت رخ داد. او با رابرت هوک دیدار کرد و پس از شناخت توانایی‌های بی‌شمارش در کار با تجهیزات آزمایشگاهی، او را به‌عنوان دستیار استخدام کرد.

پمپ خلأ از اختراعات مهم علمی بود که در سال ۱۶۵۴ و توسط اوتو فون گوریک معرفی شد. رابرت در سال ۱۶۵۷ درباره‌ی این اختراع مهم شنید و مجذوب آن شد. اولین مذاکره‌ها با هوک صورت گرفت و او با کمک رابرت هوک باهوش، یک تلمبه بادی پیشرفته را ساخت.

این دو نفر ثابت کردند که صدا در خلا منتشر نمی‌شود آن‌ها استدلال گالیله را که معتقد بود در صورت نبودن مقاومت هوا یک پر سبک و یک تکه سرب سنگین با سرعت برابر سقوط می‌کنند تایید کردند.

در نهایت آن‌ها طراحی‌های اولیه‌ی گوریک را بهبود دادند. تجهیز آزمایشگاهی جدید به بویل و هوک امکان داد تا مطالعه‌ی عمیقی روی ساختار هوا و خلأ داشته باشند.

بویل به سبب آنکه نمی‌خواست حیوانات را بیازارد قادر نبود که مطالعاتش را روی تنفس در خلا کاملا پیگیری کند و او یافته‌های خود را در کتاب تاثیر کشسانی هوا در سال ۱۶۶۰ منتشر کرد. این کتاب شامل قانون بویل است. بنابر قانون بویل حجم یک گاز با فشار موثر بر آن نسبت وارون دارد.

آزمایش‌های متعدد بویل و هوک روی ساختار و مشخصات هوا، به اولین دستاورد مهم بویل انجامید که امروز به‌نام قانون بویل می‌شناسیم. او و دستیارش با استفاده از یک لوله شیشه‌ای موفق به درک رابطه بین فشار و حجم هوا شدند. مقداری جیوه برای محاسبه فشار در لوله ریخته شد و بویل با آزمایش‌های متعدد، موفق به کشف رابطه بین واحد‌های مذکور شد. 

او به این نتیجه رسید که ضرب حجم در فشار هوا، عددی ثابت است. به بیان دیگر وقتی فشار روی یک گاز افزایش پیدا می‌کند، حجم آن در روندی قابل پیش‌بینی کاهش می‌یابد. دستاورد مذکور را می‌توان اولین قانون گاز‌ها در تاریخ علم دانست. قانون دوم حدود ۱۰۰ سال بعد و موسوم به قانون چارلز، کشف شد.

یافته‌های برجسته و کتاب رابرت بویل

بویل در میان یادداشت‌های خود فهرست معروفی داشت که شامل ۲۴ اختراع و نوآوری می‌شد که آن‌ها را ممکن می‌دانست. جالب است بدانید که به جز چند مورد آن‌ها، همه موارد ذکر شده در آن فهرست اختراع شده است. 

این اختراعات شامل پمپ خلا، افزایش طول عمر، هنر پرواز، نورپردازی دائم، کشتی مقاوم در برابر غرق شدن، ابزار‌ها و روش‌هایی برای محاسبه طول جغرافیایی و دارو‌های مؤثر بر عملکرد ذهن و مغز می‌شود. 

رابرت بویل در سال ۱۶۶۱ کتابی به نام «شیمی دان شکاک» منتشر کرد که نقطه حساسی در تاریخ علم به شمار می‌رفت. او در کتاب خود شیمی را از مفاهیم پر رمز و راز کیمیاگری جدا کرده است. او شیمی را از کیمیاگری به علمی مستقل با ساختار‌های منطقی و مبتنی بر دانش تبدیل کرد. مفاهیمی که بویل در کتاب خود به کار برده بود برگرفته از اصول گالیله بود. 

او با انتشار یافته‌ها به‌نوعی مهر تأییدی بر ایده‌های قهرمانش یعنی گالیله زد. گالیله اعتقاد داشت که جهان هستی را می‌توان با مفاهیم ریاضی توضیح داد. فیثاغورث نیز قرن‌ها قبل چنان نظری داشت و بویل با فرمول‌سازی فشار و حجم هوا، به‌نوعی توجیه ریاضی عملکرد هوا را منتشر کرده بود.

تاثیر گالیله بر دستاورد‌های علمی بویل هیچ‌گاه قابل حذف نیست. همان‌طور که دانشمند ایتالیایی زمانی نظریه حرکت ارسطو را نقض کرده بود، دانشمند بریتانیایی نظریه‌ای دیگر از او را نقض می‌کرد. 

ارسطو زمانی خاک، آب، هوا و آتش را به‌عنوان عناصر بنیادی جهان هستی مطرح کرده بود. بویل با نقض این قضیه، سعی در ارائه‌ی تعریفی جدید برای عناصر داشت. او نظریه‌ی پاراسلسوس را نیز نقض می‌کرد که نمک، گوگرد و جیوه را به‌عنوان عناصر حیاتی مطرح کرده بود.

پس از ارائه تعریفی جامع برای عناصر و ترکیب‌ها، نوبت به کشف و اثبات آن‌ها از سوی بویل رسید. او تنها ادعا کرد که هیچ عنصر خالصی تا آن زمان کشف نشده است و ابزاری هم برای اثبات ترکیب یا عنصر بودن مواد نداشت. به همین دلیل بویل موادی همچون طلا و نقره را در آن زمان ترکیب نامید. یک قرن بعد، آنتونی لاوازیه روش‌هایی برای اثبات عنصر بودن مواد معرفی کرد و در زمان او اولین عناصر شیمیایی معرفی شدند.

مطالعه علوم به‌صورت تجربی و به‌طور کلی مفهومی به‌نام علم تجربی، توسط رابرت بویل به دنیای علم معرفی شد. فرانسیس بیکن از دانشمندانی بود که برای اولین‌بار نگارش نتیجه مطالعات و آزمایش‌های علمی را مطرح کرد. او اعتقاد داشت به محض دریافت نتیجه‌ای قابل‌توجه از یک آزمایش، باید مفاهیم آن را به‌صورت تصویر یا متن به نمایش گذاشت. بویل در جریان آزمایش‌های خود به کاربرد چنین روشی پی برده بود. او براساس همین موارد مفاهیمی را در علوم تجربی مطرح کرد که انقلابی در روش مطالعه ایجاد کردند.

رابرت بویل از همان ابتدای فعالیت علمی مرز مشخصی را بین خود و کیمیاگر‌ها کشیده بود. کیمیاگر‌ها دستاورد‌های خود را مخفیانه نگه‌داری می‌کردند. بویل برخلاف آن‌ها تصمیم گرفت تا دستاورد‌های علمی را منتشر کند که اولین حرکت برخلاف جریان کیمیاگری بود.

دانشمند ایرلندی بنیان‌گذار شیمی مدرن، روش‌های تحقیق و آزمایش خود را در اختیار دیگر دانشمندان می‌گذاشت. به‌عنوان مثال او می‌گفت که در جریان آزمایش‌هایی شیمیایی نباید مواد غیرخالص وارد شوند. به‌علاوه استفاده‌ی ناصحیح از تجهیزات نیز از سوی بویل به‌عنوان عامل خطا در آزمایش‌های شیمیایی مطرح شد. 

بویل مستندسازی روند‌های آزمایش را روشی کاربردی برای جلوگیری از خطا و اختلاف میان دانشمندان می‌دانست. او اعتقاد داشت که افراد متفاوت، احتمالا نتایج متفاوتی را از یک آزمایش دریافت می‌کنند. به‌همین دلیل روند آزمایش باید مستند شود تا چگونگی رسیدن به نتیجه‌ی مذکور، روشن باشد.

اهمیت تکرار آزمایش‌ها مورد دیگری بود که توسط رابرت بویل به دنیای علوم تجربی وارد شد. او اعتقاد داشت که تکرار موجب بهینه‌سازی روش‌های تجربی می‌شود. درواقع اگر با تکرار یک آزمایش نتایج متفاوتی برداشت شود، دلیل تفاوت در آن‌ها باید مورد بررسی قرار گیرد.

بویل در ادامه مطالعات خود روی خواص و رفتار مواد، بررسی تأثیر گرما را در دستور کار قرار داد. او با پیروی از یافته‌ها و نظریه‌های گالیله و دکارت اعتقاد داشت که گرما به حرکت ذرات مرتبط می‌شود. 

دانشمند ایرلندی در سال ۱۶۷۵ تعریف مناسبی را برای ارتباط بین گرما و حرکت ذرات مطرح کرد. او گرم شدن و جوشیدن آن را برای تعریف اثر گرما بر حرکت ذرات مطرح کرد و اعتقاد داشت جنب‌وجوش ذرات با افزایش دما افزایش می‌یابد تا درنهایت به‌صورت بخار در سطح آب خارج می‌شوند.

بویل اولین دانشمندی بود که مفهوم عنصر را به علم شیمی اضافه کرد. هدف بویل از انتشار کتابش این بود که شیمی را به علمی کمی تبدیل کند و تعریفی جدید برای عناصر بیان کند. او عنصر را ماده ساده‌ای تعریف کرد که امکان تجزیه به مواد دیگر را ندارد. در تعریف بویل، با ترکیب کردن عناصر گوناگون، ماده جدید به وجود می‌آید که ترکیب شیمیایی یا Compound نام دارد.

مفهوم اتم قرن‌ها پیش از رابرت بویل در یونان باستان مطرح شده بود. دموکریت اولین دانشمندی بود که اتم و فضای خالی را به‌عنوان عناصر تشکیل‌دهنده‌ی مواد مطرح کرد. گالیله و رنه دکارت از دانشمندانی بودند که نظریه‌ی دموکریت را تأیید می‌کردند. البته دکارت اعتقاد داشت که فضای خالی در تعریف مذکور، صحیح نیست. بویل در نتیجه آزمایش‌ها به این نتیجه رسید که احتمال وجود فضای خالی یا خلأ، دور از ذهن نیست.

رابرت بویل شیمی را علم مطالعه رفتار مواد می‌دانست. او اعتقاد داشت که با مطالعه حرکت اتم‌ها می‌توان تعریف و درک عمیقی از شیمی داشت. برای درک حرکت اتم‌ها نیز علم مکانیک از سوی دانشمند ایرلندی مطرح می‌شد که باز هم در پی تعاریف و نظریه‌های گالیله مبنی بر مطالعه جهان با ریاضیات بود.

امروز می‌توان ادعا کرد که بویل نظریه‌ای صحیح پیرامون درک جهان داشته است. ما امروز به کمک مکانیک کوانتوم، علم شیمی را به‌صورت ریاضیاتی درک می‌کنیم. با وجود ارائه تعریف علم شیمی و مخالفت با مفاهیم غیر علمی، رابرت بویل باز هم به آزمایش‌هایش در حوزه کیمیاگری ادامه می‌داد. او اعتقاد داشت می‌توان یک عنصر را به عنصری دیگر تبدیل کرد. دانشمند ایرلندی به درستی می‌گفت که با تغییر وضعیت و ساختار ذره‌های اساسی تشکیل‌دهنده‌ی عنصر، می‌توان آن را تغییر داد. چنین رویکردی برای اولین‌بار در سال ۱۹۱۹ توسط ارنست رادرفورد انجام شد که نیتروژن را به اکسیژن تبدیل کرد.

رابرت بویل در سال ۱۶۶۸ آکسفورد را به مقصد لندن ترک کرد تا در پال مال و خانه‌ی خواهر بزرگ‌ترش کاترین جونز ساکن شود. او در آزمایشگاه خواهرش به ادامه‌ی تحقیقات می‌پرداخت و در جلسه‌های علمی تشکیل شده در سالن اصلی قصر نیز شرکت می‌کرد. این خواهر و برادر سال‌های زیادی در کنار یکدیگر به تحقیقات و آزمایش‌های علمی پرداختند همکاری در انجام آزمایش‌ها، به اشتراک‌گذاری یافته‌های علمی و پزشکی، معرفی دستاورد‌های یکدیگر به جوامع علمی و ویرایش یادداشت‌ها و مقاله‌ها، از فعالیت‌هایی بودند که بویل و خواهرش در همکاری با یکدیگر انجام می‌دادند.

جوایز و افتخارات رابرت بویل

رابرت بویل جوایز و افتخاراتی که در زمان حیات به او اهدا شدند، می‌توان به عضویت در انجمن سلطنتی علوم در سال ۱۶۶۳ اشاره کرد که خودش یکی از بنیان‌گذاران آن بود. افتخارات بعدی عموما سال‌ها و قرن‌ها پس از مرگ بویل به‌نام او ثبت شدند. از میان آن‌ها می‌توان به جایزه‌ی رابرت بویل در حوزه علوم تحلیلی اشاره کرد. به‌علاوه مدال بویل در ایرلند در سال ۱۸۹۹ معرفی شد.

سال‌های پایانی و مرگ رابرت بویل

بیماری که از زمان جوانی بویل را تحت فشار گذاشته بود، در سال ۱۶۶۹ به وضعیت نگران‌کننده‌ای رسید. وضعیت سلامتی او به‌شدت رو به وخامت رفت و دانشمند بزرگ را از حضور در مجامع عمومی محروم کرد. در نتیجه ارتباط او با انجمن سلطنتی علوم هم قطع شد. این شرایط تا چند دهه با رابرت همراه بود و او تنها در شرایط خاص با میهمانان خاص دیدار می‌کرد.

رابرت بویل سرانجام در ۳۱ دسامبر سال ۱۶۹۱ از دنیا رفت. خواهرش کاترین نیز یک هفته قبل فوت کرده بود. پیکر رابرت بویل در گورستان کلیسای سنت مارتین به خاک سپرده شد. او در وصیت‌نامه‌اش تعدادی از یادداشت‌ها و یافته‌های علمی را بر جای گذاشته بود که بعدا به‌نام Boyle Lectures مشهور شدند.