書坊｜從煉金術(shù)到元素周期表：跨越千年的“尋寶”之旅

文｜悅迪

老師嚴(yán)肅地宣布：新學(xué)期要正式學(xué)習(xí)化學(xué)了，請各位同學(xué)熟悉元素周期表，最好能完整背誦它。這是大多數(shù)人第一次接觸化學(xué)這門學(xué)科的場景。“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖”，這張表格是人類理性與自然規(guī)律結(jié)合的產(chǎn)物，是宇宙秩序的完美化身。

然而，人類究竟是如何發(fā)現(xiàn)元素的？在門捷列夫之前，人類要用什么樣的符號或名字來稱呼元素？化學(xué)究竟是什么？這是個跨越千年的漫長故事。英國作家保羅·斯特拉森所著的《門捷列夫之夢：從煉金術(shù)到元素周期表》，帶我們回溯歷史長河，見證了這張化學(xué)史上的巔峰之作誕生的全過程。

《門捷列夫之夢：從煉金術(shù)到元素周期表》

[英]保羅·斯特拉森 著

王加祥 譯

上海譯文出版社

1

從假說到煉金術(shù)

人們聊到偉大的數(shù)學(xué)家時，常會說起歐拉的美麗公式、高斯尺規(guī)作圖畫正十七邊形、阿基米德的尤里卡時刻。聊到偉大的物理學(xué)家時，也常會為如何給牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋、海森堡等大佬排座次而興奮不已。但聊到偉大的化學(xué)家時，大腦似乎很容易卡殼，除了門捷列夫、居里夫人之外，幾乎空空如也。

顯然，化學(xué)并不是一門知識從天而降的學(xué)科。《門捷列夫之夢》把時間倒回到2500年前。彼時，古希臘哲學(xué)家們憑借觀察和思考，已開始對世界本源“元素”的探尋。

2500年前，古希臘哲學(xué)家泰勒斯在米利都的山坡上散步，看到巖石里的貝殼化石，靈光一閃：世界最初可能全由水組成，他被認(rèn)為是第一個用理性思考世界的哲學(xué)家。泰勒斯最后因為太專注看星星，失足摔下懸崖，成了哲學(xué)家總是“心不在焉”的代名詞。

他的學(xué)生阿那克西美尼則認(rèn)為，通過凝結(jié)就能變成水、土和石頭的氣，才是世界的基礎(chǔ)。赫拉克利特進一步提出：世界處于永恒變化之中，火是宇宙的基本秩序。篤信火焰的赫拉克利特，晚年得了浮腫病，他把自己埋在牛糞堆里，希望借用溫?zé)崤懦鲶w內(nèi)積水，結(jié)果中毒而亡。

影響最深遠的理論，由恩培多克勒提出，他認(rèn)為世界由土、氣、火、水四種元素構(gòu)成。“四元素說”在實用方面有一定價值，因為它大致對應(yīng)了固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)和能量。恩培多克勒對此深信不疑，為了向追隨者證明自己不朽，他縱身跳進了埃特納火山的火山口，再也沒出來。在“四元素說”的指引下，人類也像走進了一條無法回頭的思想死胡同，一走就是兩千年。

如果說哲學(xué)家沉迷于瘋狂的猜想，那煉金術(shù)士則開始大膽地實踐。不過，中世紀(jì)流行的是煉金術(shù)，它更像是玄學(xué)，而非科學(xué)。

煉金術(shù)士們將希臘哲學(xué)與古埃及的神秘技藝結(jié)合起來，他們的目標(biāo)很直接：將賤金屬轉(zhuǎn)化為黃金，并找到能賦予永生、包治百病的“哲人石”或“長生不老藥”。聽起來異想天開，但正是這些想法推動了化學(xué)的進步。

在煉金術(shù)最鼎盛的阿拉伯世界，煉金術(shù)士們致力于將金屬分解，并以“適當(dāng)?shù)谋壤敝亟M成黃金，他們在實驗室的煙霧與蒸氣中摸索，最終發(fā)現(xiàn)了硫酸、濃硝酸等強酸，以及酒精。這些發(fā)現(xiàn)，讓化學(xué)擁有了真正的“試劑”，為后來科學(xué)實驗奠定了基礎(chǔ)。

《門捷列夫之夢》認(rèn)為，在那個時代，人類作為一個整體，恰好處于“青少年時期”，對一切充滿了好奇。煉金術(shù)士們的狂熱，折射出人類內(nèi)心深處無法抑制的求知欲與好奇心。而他們的失敗和意外發(fā)現(xiàn)，又讓人看到科學(xué)的魅力在于不斷試錯。科學(xué)不怕走彎路，每一次錯誤的嘗試，都在為揭開謎底積攢經(jīng)驗。

2

告別玄學(xué)

科學(xué)并不總是光鮮亮麗的勝利。科學(xué)家們也會犯錯，甚至固執(zhí)地堅持錯誤，或者誤入歧途，但正是這些曲折，讓化學(xué)從迷霧中逐漸清晰。化學(xué)史就像一部偵探小說，充滿了意想不到的轉(zhuǎn)折。

隨著科學(xué)啟蒙的到來，化學(xué)終于逐漸擺脫了玄學(xué)的標(biāo)簽，科學(xué)家們開始系統(tǒng)地尋找元素。

羅伯特·波義耳第一次清晰定義了什么是元素：“原始的、簡單的或完全未經(jīng)混合的物質(zhì)……既不是由任何其他物質(zhì)構(gòu)成，也不是由彼此構(gòu)成。”他提出，任何不能被分解成更簡單物質(zhì)的物質(zhì)就是元素。他用紫羅蘭糖漿區(qū)分了酸和堿，讓化學(xué)擁有了分析工具。

亨尼格·布蘭德在蒸餾了五十桶人類尿液之后，意外地分離出了此前從未在地球上以單質(zhì)狀態(tài)存在的磷。卡爾·舍勒這位命運多舛的天才藥劑師，一生中發(fā)現(xiàn)的元素，比歷史上任何一位科學(xué)家都多，包括氯、鋇、鉬等，甚至獨立制備了氧氣，卻因為出版商的失誤而錯失了優(yōu)先權(quán)。拉瓦錫這位“化學(xué)界的牛頓”，堅持用天平進行精確測量，他證明了水不會變成土，并徹底推翻了統(tǒng)治化學(xué)界一個世紀(jì)的“燃素理論”。他證明燃燒是物質(zhì)與他命名為氧氣的物質(zhì)結(jié)合的過程。

這是一個聽起來很“科學(xué)”的理論。拉瓦錫為化學(xué)這門學(xué)科帶來了前所未有的革命，但他本人卻在另一場革命里喪生。1789年7月14日，巴黎人民攻占了巴士底獄，法國大革命爆發(fā)，拉瓦錫被當(dāng)成舊時代的落后分子送上了斷頭臺。法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·拉格朗日得知這一消息時，留下了一句令人心酸的評論：“只要一分鐘就能砍掉的那顆頭，再過一百年可能也長不出一個類似的。”

化學(xué)家們開始用更精確的方法探索元素，試圖找到隱藏在它們背后的規(guī)律，找到一個像牛頓的“萬有引力”、達爾文的“進化論”那樣強有力的理論，把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的５７種元素統(tǒng)一在一起。

德國化學(xué)教授德貝賴納發(fā)現(xiàn)某些三組元素，例如氯、溴、碘，不僅性質(zhì)相似，而且中間元素的原子量，恰好是另外兩種元素的平均值。他據(jù)此提出了“三元組定律”，可惜這個定律只適用于極少數(shù)元素，看起來像是巧合。

法國學(xué)者德尚古爾多阿同時精通地質(zhì)學(xué)與化學(xué)，他將元素按原子量螺旋排列在一個圓柱體上，發(fā)現(xiàn)性質(zhì)相似的元素總是垂直對齊，他把這個現(xiàn)象命名為“地螺旋”。然而，由于他在出版這個理論時，使用了太過晦澀的地質(zhì)學(xué)術(shù)語，而且出版商忘記了把那張最為關(guān)鍵的螺旋圖印在書里，德尚古爾多阿的天才發(fā)現(xiàn)幾乎無人問津。

“地螺旋”提出的幾乎同一時間，英國化學(xué)家紐蘭茲發(fā)現(xiàn)，如果元素按原子量排列，每隔八個元素性質(zhì)就會重復(fù)，就像音樂的八度音階。他向倫敦化學(xué)學(xué)會報告“八音律”，卻遭到無情的嘲笑。

這些勇敢而失敗的嘗試，共同證明了一點：元素間必然存在某種內(nèi)在的秩序。雖然他們的嘗試都以失敗告終，卻為門捷列夫的偉大發(fā)現(xiàn)鋪平了道路。

3

亦幻亦真的夢

1869年的一個清晨，圣彼得堡，一個留著蓬亂白胡須的化學(xué)家正坐在書桌前，手指梳理著胡須末端，盯著桌上散落的卡片，苦思著如何破解宇宙的密碼。這個人就是德米特里·門捷列夫，元素周期表的創(chuàng)造者。門捷列夫的書房桌上堆滿紙張、杯子和不明儀器，這位教授脾氣暴躁，連仆人都不敢打擾他。

門捷列夫出生在西伯利亞，曾是多子女家庭的幼子，經(jīng)歷過父親失明、輾轉(zhuǎn)流浪求學(xué)的困境，甚至被診斷出肺結(jié)核，卻奇跡般地痊愈。《門捷列夫之夢》認(rèn)為，在如此坎坷的命運里存活下來，門捷列夫似乎注定是那個肩負(fù)起化學(xué)“全村的希望”的人。

1869年初，門捷列夫正在撰寫他的巨著《化學(xué)原理》，他必須找到一個基本原則，來系統(tǒng)地排列當(dāng)時已知的６３種元素。在堆滿雜物的書桌前，他已經(jīng)冥思苦想了三天三夜。“這一切已經(jīng)在我的腦子里成形了，”他痛苦地抱怨，“但我就是無法表達出來”。

時間緊迫，他還得趕火車去鄉(xiāng)村開會。受到他常玩的“紙牌接龍”的啟發(fā)，他將每種元素的符號、原子量和關(guān)鍵性質(zhì)寫在卡片上，在桌面上鋪展開。他意識到，元素的排列規(guī)律與紙牌游戲相似：按相似性質(zhì)分組，然后在組內(nèi)按原子量排序。紅桃、黑桃、方塊、梅花，變成了鹵素、氧族、氮族等。

在極度疲憊中，他趴在卡片堆上睡著了，隨后便做了那個著名的夢。“我在夢中看到一張表，所有元素都按要求排列在一起。醒來后，我立即將它記錄在紙上。”門捷列夫很快發(fā)表了這項劃時代的發(fā)現(xiàn)。元素周期表縱向按原子量遞增排列元素，橫向?qū)⑿再|(zhì)相似的元素歸為一組。這張表的偉大之處，不在于它排列了已知的元素，而在于它大膽地給尚未發(fā)現(xiàn)的元素也留下了空位。門捷列夫預(yù)測了尚未發(fā)現(xiàn)的元素，例如“類鋁”，甚至詳細預(yù)測了其原子量和比重。

僅僅幾年后，法國化學(xué)家勒科克·德布瓦博德蘭發(fā)現(xiàn)了鎵，其性質(zhì)與門捷列夫?qū)Α邦愪X”的預(yù)測完全吻合。隨后，德國化學(xué)家克萊門斯·溫克勒發(fā)現(xiàn)了鍺，其性質(zhì)也與門捷列夫?qū)Α邦惞琛钡念A(yù)測精確匹配。至此，再無人懷疑元素周期律的普遍性和正確性。化學(xué)終于找到了它的核心理論基礎(chǔ)。

在此后一個多世紀(jì)里，元素周期表經(jīng)歷了幾次調(diào)整和重新排列，但都無可爭議地保留了門捷列夫創(chuàng)立的基本結(jié)構(gòu)。在門捷列夫推測的地方，核物理學(xué)已經(jīng)通過最精密的實驗證據(jù)，提供了一個整體解釋。

1955年，第101號元素被發(fā)現(xiàn)，并被正式列入元素周期表。為紀(jì)念門捷列夫的偉大成就，該元素被命名為“鍆”。在《門捷列夫之夢》看來，考慮到這種元素本身并不穩(wěn)定，極易自發(fā)裂變，作為紀(jì)念，可謂恰如其分。

今天，門捷列夫夢到元素周期表的傳奇故事為世人津津樂道，它似乎暗示，偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)來自靈光一現(xiàn)。實際上，門捷列夫的成功，建立在人類近2500年的艱難探索、混沌積累與反復(fù)失敗之上。它源于泰勒斯近乎直覺的設(shè)想，煉金術(shù)士對黃金的瘋狂，以及拉瓦錫對精密儀器的執(zhí)著。它也受益于三元組、地螺旋和八音律這些被人嘲笑、被出版商遺忘的“失敗者”。

正如《門捷列夫之夢》結(jié)尾所說，化學(xué)的進步不是摘果實，人們無法通過按部就班的研究接近化學(xué)的本質(zhì)。化學(xué)的進步也不是孤立的智力游戲，而是時代文明的共振。一張元素周期表背后，藏著人類對未知世界的好奇和探索。