自从人类有了思维，就对自然界的高山流水、乔木茵草、飞禽走兽、岩石土壤等自然物质充满好奇、尽力探求、极尽猜想；对种子发芽、生命诞生、日出日落、风雨雷电等自然现象饱含敬畏，作出种种遐想。在这样的思考中不乏丰富的想象和深刻的哲理，人类一代又一代地跋涉在这迷茫而又艰辛的探索之路。
对物质材料的思索，是人类最原始的探索之一。中国古代的先哲们对林林总总的世上万物进行了归纳分类，认为组成万物的本源是金、木、水、火、土这五种基本元素。2800年前，周幽王时，史伯说到：“先王以土与金木水火杂成万物。”春秋时代宋国大夫子罕就说到：“天生五才，民并用之。”这样对自然万物的提炼、分类、归纳，饱含着深刻的哲学思想。这是对杂乱混沌的物质世界的初步梳理，这不能不说是对物质认识的一个伟大进步。
并且，中国古代哲人对物质的生成与变化，提出了阴阳五行相生相克的思想。即金木水火土相生相克，互相制约、互相促进、互相转化，初步建立了运动变化的朴素辩证学说。至今，这相生相克的辨证施治仍是中医学的理论基础之一。 （见图1-1A）
Ａ Ｂ
图1-1
人们都知道中国古代有伟大的四大发明，这四大发明中有三大发明是涉及物质及其相互作用的发明。
造纸：先用化学的方法——用碱（草木灰）蒸煮，把植物中的纤维物质提出，才能制成纸浆。
火药：中国古代的黑色火药一般用的是一硝、二磺、三木炭，这是很典型的物质组合。
指南针：利用磁性物质与地磁的相互作用。
就是印刷术也与制版的材料物质（木、泥、铅）密切相关。如果没有这些物质材料上的发明创造，人类可能还处在蛮荒时代，这些伟大的发明把世界引向文明进步。
与此同时，世界各地的人类亦有相似的经历。古希腊学者亚里士多德（前384——前322年）提出世界是由水、火、气、土这四种元素组合而成的观点，水火气土以不同的比例组合构成了世上万物。(见图1-1B)
此外，古罗马、古印度也对物质世界的组成作出了独立的见解。世界各地的人们都不约而同地对万物的本源发生兴趣，致力探索。
读到这里，可能有朋友会说，科学发展到今天，这些问题不是都已经解决了吗？物质世界是由原子结合成分子组成，现在已经研究出了一百多种原子，依照核外电子数的递增，各种元素在周期表中排列得清清楚楚，常用的二十几种元素我都能背下来……
是的，我们现在所知所学的，是历代学者用毕生精力艰苦探索的结果，历经曲折、挫败。然而在现行的教科书中，经常把科学的结论干净利落地摆在学子们的面前，使他们以为探索科学是很顺利、很轻松、很荣耀，科学的观点是一言堂。而狡黠地回避了那些尚未得出满意解释的常见现象，抹杀了许多不同的学说、不同的观点，让学子们一眼看去，什么问题都有了惟一的解答、都有了共识、都解决了。我们本可以思辨创新的头脑已无新可创了，只需做一些记记背背的工作，只需按既定的套路做题考试。
现代的许多教科书，乃至科普读物，往往忽略或是绕开了一些最普通、最常见的基本问题，没有向读者讲明今天科学进展中的困惑，有意无意遮掩着一个个有待开发的空间。尽管现代科技已经把人类送上了月球，把千里之外导弹的落点误差控制在一米之内，把计算机运算速度提高到每秒百亿次之巨，却解释不了小草上的露珠是如何凝结的？火柴的火光怎么由橙黄转红？树叶为什么是绿色的？钢熔化成了钢水，其坚强不屈的结构是如何瓦解的？
为此，这本小册子从人类对物质的初始认识谈起，接下去要谈科技史上几个重大突破创新的故事，让大家大致了解科学进步的历程，体会其间科学思辨的方法，以建立正确的科学发展观。然后用拓新的思维与大家一起讨论物质的运动和构成，当然也要回答上述的露珠、火光等一些基本问题。
哥白尼
近代自然科学的起点是从哥白尼的日心说开始的。
地球上的人类每天看见日出日落，月亮星辰在夜空中也东升西沉。引力把房屋、树木都固定在地面，人们没有感觉到地球的运动，而是认为所有的天体都围绕着地球旋转，地球是宇宙的中心，这就是地心说。千百年来这一学说被奉为经典，一代一代地传播，一代一代地“完善”，计算行星、恒星运动的公式越来越复杂，直到400多年前。
哥白尼（1473-1543），在年轻时代接受的也是地心说的教育。按当时的地心理论加上天文观察，除太阳月亮外，还有水金火木土等行星和一些明亮的恒星，共八十多个天体围着地球绕来绕去，有回转、有摆动、有偏移，时快时慢，不时地要加以修正，其公式极其复杂深奥，既不和谐又无逻辑。
哥白尼在学习地心说时心存疑虑——大自然崇尚的是简单和谐，不会把事情弄得如此复杂麻烦。于是，他假想了一个“哥白尼宇宙”：地球自转着，并绕着太阳公转，其他行星也都绕着太阳公转，速率均衡，没有摆动，也不用修正，潇洒、和谐、简单。
哥白尼不断地在长期的实践中仔细地检验着自己的理论，历经岁月的验证，他以超人的智慧，第一次向人类阐述了地球在天体中的部位以及地球运动的正确路线。揭示了地球及附近天体运行的客观事实，叩开了以客观事实为基础的现代科学的大门。
拉瓦锡
火的运用，把人类从蒙昧逐步带进了文明。人们很早就在探索燃烧的本质，像地心说一样，燃素说在欧洲流传了一百多年，在当时是有着统治地位的学说。燃素说认为可燃物都含有燃素，燃烧是由于燃素的作用，可燃物在燃烧时，燃素释放，所用公式如下：
燃烧物- 燃素＝ 灰烬
这个公式适用于草木等物质，燃烧以后重量变轻。而金属物质则不然，燃烧以后的金属氧化物重量反而增加，于是燃素说又有了以下公式：
金属＋火的微粒（燃素）＝煅灰
显然，这两个公式是相互矛盾的，因此造成了燃素学说的悖论。为了自圆其说，当时有些学者又提出了燃素有负重量的说法。
燃素学说虽然牵强，但能解释当时所知的大部分化学现象，并且在流行的一百多年中，积累了大量的化学知识，使化学借燃素说从炼金术中解放了出来，开始成为一门科学。然而燃素说背离了客观实在，为了解释自相矛盾的重量问题，只能把理论搞得越来越复杂，越来越玄，这是伪科学的显著特征之一。
伪科学常用一些新名词来进行包装，振振有词、以势欺人，如“素”、“力”等。物质为什么会燃烧？答曰：因为有燃素。树叶为什么是绿色的？答曰：因为有叶绿素。生命为什么活着？答曰：因为有生命力。物质之间为什么能化合？答曰：因为有化学亲合力。如此这般，看来把所有的问题都回答了，其实只是编造了几个愚民惑众的新名词，实际上什么也没有回答。
拉瓦锡（1734—1794），对燃素说的自相矛盾的理论深存疑虑，认为燃素的增减是忽略了气体的重量，是实验不严谨、不精确造成的。
1771年，拉瓦锡经多次实验证明：化学反应前后，物质的总质量不变——这就是著名的质量守恒定律。
拉瓦锡的实验极为严谨，他使用了密封技术和天平，严格定量、一丝不漏。经研究，木炭、铝、汞及其他金属，在密封的玻璃容器中燃烧后，不论其灰烬的质量是增加还是减少，但连同其气体的总质量不变。
拉瓦锡的实验证明，空气不是单一的物质，而是多种气体的混合物。空气是由能维持燃烧的和不能维持燃烧的两部分组成。他把可维持燃烧的部分成为“活的部分”，也叫“好的气体”，后来改称氧气。由此他认为，燃烧只是物质与氧气进行化学反应的现象，根本不存在“燃素”，所谓“燃素”只是人们对燃烧现象不了解而臆造出的东西。
拉瓦锡经过对氧化过程的详细研究，提出了氧化燃烧理论，推翻了统治人们头脑一百多年的燃素说，给化学带来了一场深刻的革命。
然而，他的理论起初得不到学界的认可，还有人指责他剽窃了别人的研究成果。14年后，拉瓦锡的燃烧理论得到了著名科学家拉普拉斯的支持，终于得到了承认。
拉普拉斯是著名的物理学家和天文学家，他学识渊博，独具慧眼，敏锐地觉察到拉瓦锡的研究意义重大，在科学界坚决地支持拉瓦锡的正确观点。一个物理学家和天文学家，由于有睿智的哲学头脑和科学的洞察力，对化学的进步同样作出了巨大的贡献。
道尔顿
现代的物质理论是在古代朦胧的臆想中，在惶然的炼金术中逐渐开拓发展而成的。尽管拉瓦锡发现了氧、发现了质量守恒定律。但是对物质是由什么构成的这一基本问题仍然是众说纷纭。在当时，经过不少学者的努力，做了大量的实验，许许多多的化学现象罗列堆放，记录在案，原理何在？众说纷纭。正确的猜想与混沌的巫术仍然鱼龙混杂。
此时，学者道尔顿脱颖而出，重新提出了原子论，从而把对物质的研究引入了正确的轨道。
道尔顿（1766—1844），是英国贫苦织布工的儿子。自幼聪明好学，十几岁就成了一名中学教师。他酷爱哲学，是文学哲学学会的会员，后来主持该学会工作。对于化学，他没有受到系统的灌输教育，没有框框，没有约束，让哲学原则驾驭着思想在物质空间自由地翱翔。在教学之余，他起先是对气象学有兴趣，进而研究气体，并因此而研究化学，最后研究原子理论。
在众多扑朔迷离的学说中，道尔顿独具慧眼，认为古代的原子论可能道出了物质成分的真谛，进而深入研究，终于在1803年10月发表了著名的原子论。
道尔顿的原子论，成功地解释了化学中的当量定律、定比定律、倍比定律（在道尔顿以前这些定律没有理论依据，只能算是经验公式）。原子论很快地得到了化学界的承认。道尔顿没有满足已有的成功，凭着扎实的哲学功底，1808年道尔顿又出版了专著《化学哲学新体系》，书中开始用不同的符号表示原子，并算出了二十多种元素的原子量。
门捷列夫
原子论建立之后，化学上的又一个突出成就就是化学元素的大发现和元素周期表的建立。1869年，人类终于揭开了化学元素之谜，最后建成这座里程碑的，当归功于伟大的俄国化学家门捷列夫。
门捷列夫（1834—1907），从小学习勤奋，办事非常仔细认真。除了努力学习外他还酷爱收藏，他一生收藏有16000册图书和杂志，朋友们写给他的信件都分门别类地装订整齐，他还把作客的请柬和菜单夹在许多册子里粘贴好，留作休息时翻看。他的这些业余爱好反映了他积极的生活态度，也培养了他善于分门别类的能力。他的这些能力对于他今后的工作乃至成功起了关键的作用。
起先门捷列夫是研究植物学的，他的分类能力在植物学中得到了很好的运用。后来他转而研究化学，他运用科学的联想，把早年从植物分类中的启示运用到化学元素的分门别类之中。
在门捷列夫之前，也有不少的化学家从事元素分类的研究，但他们总是墨守成规，习惯于按已知原子的原子量的大小顺序进行排列，而且不敢预测未知，因而进展不大。
然而，一切成功者都不是因循守旧者，而是开拓创新的人：当年，倘若不是哥白尼从盛行的“地心说”中拨云见日，怎么能有光辉的“日心说”？假如拉瓦锡当时也像普里斯特利那样，明明是发现了新现象却仍然坚持旧观点，一定也会与真理擦肩而过。
门捷列夫以前的化学家，在整理排列化学元素的过程中，都认为原子量比元素的化学性质更重要，遇到元素的性质与原子量的位置发生矛盾时，他们习惯于把原子量放在首位。
门捷列夫则不然，他认为元素的性质比原子量更重要，当遇到上述矛盾时，他没有因循守旧，而是另辟蹊径地把元素性质相近的排在一列，当有些位置没有合适的元素时，他就果敢地留出空位！并大胆地预言，这是人类尚未发现的元素，而且还预测了这些元素的原子量和重要性质。这在当时是要有超人的智慧和非凡的魄力的。门捷列夫在元素周期表中留出空位的三种化学元素，全部在他还活着的年代被发现了。
于是，这张元素排列的表格第一次向人们展现了这样的一个真理：所有的化学元素，随着原子量的增加，它们的性质就会发生周期性的变化。这就是今天举世公认的化学元素周期表。
门捷列夫的元素周期表，是人类探索物质世界的一座重要的里程碑，是人类认识自然的一个新的起点。然而自然界的物质是极其丰富多彩的，这些元素是如何结合成物质；物质间是如何反应、变化；物质自身是如何相变的，至今仍然是自然之谜。
