Flogiston-teoria – Ihmeellisen väärässä, mutta fantastisen hedelmällinen

On olemassa eräänlainen gnu-ateismin ja/tai skientismin kannattajatyyppi, joka suhtautuu hyvin mustavalkoisesti tieteen määritelmään ja myös tieteen historiaan. Näille ihmisille, ja heitä on yllättävän paljon, teoriat ovat joko oikeita ja siten tieteellisiä ja edistävät tieteen kehitystä tai vääriä ja siten epätieteellisiä ja estävät tätä kehitystä. Historiantutkijan näkökulmasta tähän asenteeseen tai näkökantaan voi tietysti suhtautua vain epäuskoisesti, sillä tieteellisyyden gnu-ateistinen kannattajamme hylkää geosentrismin, flogististeorian ja lamarckilaisuuden valheellisina ja näin ollen historian roskakoriin heitettävinä teorioina, kun taas Kopernikusta, Lavoisier’ta ja Darwinia ylistetään tieteen jumalina, jotka johdattivat meidät tietämättömyydentunnosta rationaalisen ajattelun auringonpaisteeseen.

Olen käsitellyt tätä tilannetta aiemminkin useampaan otteeseen, mutta tieteenhistorioitsijana olen sitä mieltä, että se on oppitunti, joka on toistettava säännöllisin väliajoin. Koska nyt on American Chemical Societyn ”National Chemistry Week 2015”, aion tarkastella uudelleen flogistoniteoriaa, jonka luoja Georg Ernst Stahl syntyi 22. lokakuuta 1659 Ansbachissa, joka sijaitsee Keski-Ranskassa aivan asuinpaikkani lähellä.

Stahlin ura oli melko tavanomainen: hän opiskeli lääketiedettä Jenan yliopistossa vuosina 1679-1684. Vuonna 1687 hänestä tuli Sachen-Weimarin herttuan hovilääkäri, ja vuonna 1694 hänet nimitettiin lääketieteen professoriksi vastaperustettuun Hallen yliopistoon, jossa hän toimi vuoteen 1715 asti, jolloin hänestä tuli Preussin kuninkaan Friedrich Wilhelm I:n henkilökohtainen lääkäri. Stahl, kuten useimmat varhaismodernin ajan kemistit, oli ammatiltaan lääkäri, ja kemia oli olemassa vain akateemisessa kontekstissa lääketieteen osa-alueena.

Flogistoniteorian ymmärtämiseksi meidän on palattava taaksepäin ja tarkasteltava lyhyesti aineteorian kehitystä antiikin kreikkalaisista lähtien. Empedokles esitteli viidennellä vuosisadalla eaa. kuuluisan neljän alkuaineen teorian, maa, vesi, ilma ja tuli, ja tämä säilyi Euroopassa perustavana teoriana varhaismodernille kaudelle saakka. Yhdeksännellä vuosisadalla jKr. Abu Mūsā Jābir ibn Hayyān lisäsi rikkiä ja elohopeaa neljään alkuaineeseen pikemminkin periaatteina kuin aineina selittääkseen seitsemän metallin ominaisuudet. Kuudennellatoista vuosisadalla jKr. Paracelsus otti haltuunsa al-Jābirin rikin ja elohopean ja lisäsi suolan tria primaksi selittääkseen kaiken aineen ominaisuudet. Seitsemännellätoista vuosisadalla, jolloin Paracelsuksen vaikutus oli suurimmillaan, monet alkemistit/kemistit ottivat käyttöön viiden alkuaineen teorian – Maa, Vesi, Rikki, Elohopea ja Suola – pudottaen pois ilman ja tulen. Robert Boyle hylkäsi teoksessaan The Sceptical Chymist (1661) sekä kreikkalaisen neljän alkuaineen teorian että Paracelsuksen tria prima -teorian ja pyrki kohti nykyaikaisempaa alkuaineen käsitettä. Nyt saavumme flogistoniteorian alkulähteille.

Saksalainen Johann Joachim Becher (1635-1682), lääkäri ja alkemisti, oli Boylen ja hänen teorioidensa suuri ihailija ja jopa matkusti Lontooseen oppimaan mestarin jalkojen juuressa.

Boylen tavoin hän hylkäsi sekä kreikkalaisen neljän alkuaineen teorian että Paracelsuksen tria prima -teorian ja korvasi ne teoksessaan Physica Subterranea (1667) kahden alkuaineen teorialla Maa ja Vesi, jossa ilma on läsnä vain näiden kahden sekoittajana. Periaatteessa hän kuitenkin otti uudelleen käyttöön Paracelsuksen tria prima -teorian kolmen erilaisen maan muodossa.

• terra fluida eli elohopeainen maa, joka antaa materiaalille ominaisuudet, juoksevuus, hienous, fugasiteetti, metallinen ulkonäkö
• terra pinguis eli rasvainen maa, joka antaa materiaalille ominaisuudet öljyinen, rikkipitoinen ja syttyvä
• terra lapidea lasimainen maa, joka antaa aineelle ominaispiirteet sulavuus

Stahl otti Becherin alkuainejärjestelmäänsä keskittyen terra pinguikseen, teki siitä keskeisen aineensa ja nimesi sen uudelleen flogistoniksi. Hänen teoriansa mukaan kaikki aineet, jotka ovat syttyviä, sisältävät flogistonia, joka luovutaan niiden palaessa, palaminen loppuu, kun flogistoni loppuu. Klassinen osoitus tästä oli elohopean palaminen, joka Stahlin terminologian mukaan muuttuu tuhkaksi (meidän terminologiassamme elohopeaoksidiksi). Jos tätä tuhkaa lämmitetään uudelleen puuhiilellä, flogistoni palautuu (Stahlin mukaan) ja sen mukana elohopea. (Meidän näkemyksemme mukaan hiili poistaa hapen ja palauttaa elohopean). Monimutkaisessa koesarjassa Stahl muutti rikkihapon rikiksi ja takaisin ja selitti muutokset jälleen kerran flogistonin poistumisella ja palautumisella. Laajentamisen avulla Stahl, joka oli erinomainen kokeellinen kemisti, pystyi selittämään kokeisiin ja empiirisiin havaintoihin perustuvalla flogistoniteoriallaan sen, minkä nykyään tunnemme redox-reaktioina ja happo-emäsreaktioina. Stahlin flogistoniteoria oli siten ensimmäinen empiirisesti perusteltu ”tieteellinen” selitys suurelle osalle kemian perusteita. Se on klassinen esimerkki siitä, mitä Thomas Kuhn kutsui paradigmaksi ja Imre Lakatos tieteelliseksi tutkimusohjelmaksi.

Jälkikäteen tarkasteltuna flogistoniteoria on loistavasti, ihmeellisesti ja absoluuttisesti väärässä kaikilla osa-alueillaan, mikä johtaa siihen halveksuntaan, jolla gnoun ateistiset skientismin kannattajamme sitä tarkastelevat, mutta he ovat kuitenkin väärässä näin tehdessään. Pidän Lakatosin tieteellistä tutkimusohjelmaa parempana kuin Kuhnin paradigmaa juuri siksi, että se kuvaa paljon paremmin flogististeorian menestystä. Lakatosille on yhdentekevää, onko teoria oikea vai väärä, tärkeintä ovat sen heuristiikat. Tieteellisellä tutkimusohjelmalla, joka tuottaa uusia tosiasioita ja ilmiöitä, jotka sopivat ohjelman kuvauksen piiriin, on positiivinen heuristiikka. Tutkimusohjelmalla, joka tuottaa uusia tosiasioita ja ilmiöitä, jotka eivät sovi ohjelmaan, on negatiivinen heuristiikka. Tieteellisillä tutkimusohjelmilla on samanaikaisesti sekä positiivisia että negatiivisia heuristiikkoja koko olemassaolonsa ajan, ja niin kauan kuin positiivinen heuristiikka on suurempi kuin negatiivinen, ohjelma hyväksytään edelleen. Juuri näin kävi flogistoniteorian kohdalla.

Useimmat eurooppalaiset 1700-luvun kemistit hyväksyivät flogistoniteorian ja työskentelivät sen puitteissa ja tuottivat paljon uutta tärkeää kemiallista tietoa. Merkittävimpiä tässä mielessä ovat, enimmäkseen englantilaiset, niin sanotut pneumaattiset kemistit. Edinburghin lääketieteen professori Joseph Black (1728-1799) eristi ja tunnisti hiilidioksidin ja hänen tohtoriopiskelijansa Daniel Rutherford (1749-1819) eristi ja tunnisti typen. Ruotsalainen Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) tuotti, tunnisti ja tutki happea, josta hän ei saa kunniaa, sillä vaikka hän oli ensimmäinen, hän viivytteli tulostensa julkaisemisessa, ja Joseph Priestley (1733-1804), joka oli itsenäisesti myös löytänyt hapen ja leimasi sen virheellisesti deflogistiikkaan perustuvaksi ilmaksi, päihitti hänet. Priestley, ylivoimaisesti suurin ilmakemisti, eristi ja tunnisti ainakin kahdeksan muuta kaasua sekä loi perustan fotosynteesin löytämiselle, joka on ehkä hänen suurin saavutuksensa.

Henry Cavendish (1731-1810) eristi ja tunnisti vedyn, jonka hän ajatteli jonkin aikaa, että se saattoi itse asiassa olla flogistonia, ennen kuin hän teki tärkeimmän flogistoni-teorian piiriin kuuluvan löydön, veden rakenteen. Huolellisten kokeiden avulla Cavendish pystyi osoittamaan, että vesi ei ollut alkuaine vaan yhdiste, joka koostui kahdesta määrästä flogistonia (vetyä) ja yhdestä määrästä deflogistista ilmaa (happea). Samalla tarkkuudella hän osoitti myös, että normaali ilma koostuu neljästä osasta typpeä ja yhdestä osasta happea tai paremmin sanottuna ei aivan. Hän löysi jatkuvasti jotain, jota hän ei pystynyt tunnistamaan, joka oli läsnä yhdessä sadasosassa ja kahdeskymmenesosassa typen tilavuudesta. Yhdeksännellätoista vuosisadalla tämä tunnistettaisiin lopulta argon-kaasuksi.

Kaikki nämä löydöt on luettava flogistoniteorian positiiviseen heuristiikkaan. Negatiiviselle puolelle painoi se, että mittaustarkkuuden lisääntyessä 1700-luvulla havaittiin, että poltettaessa jäljelle jäävä tuhka, esimerkiksi elohopean tuhka, oli painavampaa kuin alkuperäinen poltettava aine. Tämä oli huolestuttavaa, koska palamisen oletettiin olevan flogistonin vapautumista. Jotkut teorian kannattajat ehdottivat jopa negatiivista flogistonia selittämään tämän poikkeaman. Tätä ehdotusta, joka ei koskaan päässyt läpi, pilkataan nykyään erityisen paljon, mikä on minusta jokseenkin outoa aikana, jolloin on jouduttu hyväksymään antiaine, ja nyt pyydetään hyväksymään pimeä aine ja pimeä energia selittämään nykyisten teorioiden tunnettuja poikkeavuuksia.

Ironisesti juuri happea ja veden koostumusta koskevat löydöt antoivat Lavoisierille tarvittavat rakennuspalikat, joiden avulla hän pystyi purkamaan flogistoniteorian ja rakentamaan oman kilpailevan teoriansa, joka lopulta osoittautui menestyksekkääksi ja jätti flogistoniteorian kemian historian romukoppaan. Ei pidä kuitenkaan koskaan unohtaa, että juuri tämä teoria antoi hänelle siihen tarvittavat välineet. Kuten alaotsikossani kirjoitin, jopa teoria, joka on ihmeellisen väärässä, voi olla fantastisen hedelmällinen, ja siihen tulisi suhtautua kunnioittavasti, kun sitä tarkastellaan jälkikäteen.