第七章 基本物質(zhì)
人們常說，化學(xué)作為一門嚴(yán)肅而受人尊敬的科學(xué)始于1661年。當(dāng)時(shí)，牛津大學(xué)的羅伯特·玻義耳發(fā)表了"懷疑的化學(xué)家"——這是第一篇區(qū)分化學(xué)家和煉金術(shù)士的論文——但這一轉(zhuǎn)變是緩慢的，常常是不確定的。進(jìn)入18世紀(jì)以后，兩大陣營的學(xué)者們都覺得適得其所——比如，德國人約翰·貝歇爾寫出了一篇關(guān)于礦物學(xué)的嚴(yán)肅而又不同凡響的作品，題目叫做《地下物理學(xué)》，但他也很有把握，只要有合適的材料，他可以把自己變成隱身人。
早年，最能體現(xiàn)化學(xué)那奇特而往往又很偶然的性質(zhì)的，要算是德國人亨內(nèi)?！げ继m德在1675年的一次發(fā)現(xiàn)。布蘭德確信，人尿可以以某種方法蒸餾出黃金。（類似的顏色似乎是他得出這個(gè)結(jié)論的一個(gè)因素。）他收集了50桶人尿，在地窖里存放了幾個(gè)月。通過各種奧妙的過程，他先把尿變成了一種有毒的糊狀物，然后再把糊狀物變成一種半透明的蠟狀物。當(dāng)然，他沒有得到黃金，但一件奇怪而有趣的事情發(fā)生了。過了一段時(shí)間，那東西開始發(fā)光。而且，當(dāng)暴露在空氣里的時(shí)候，它常常突然自燃起來。
它很快被稱之為磷，這個(gè)名字源自希臘文和拉丁文，意思是"會(huì)發(fā)光的"。有眼光的實(shí)業(yè)界人士看到了這種物質(zhì)的潛在商業(yè)價(jià)值，但生產(chǎn)的難度很大，成本太高，不好開發(fā)。一盎司(約28.35克)磷的零售價(jià)高達(dá)6幾尼——很可能相當(dāng)于今天的300英鎊——換句話說，比黃金還要貴。
起先，人們號(hào)召士兵們提供原料，但這樣的做法對(duì)工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)幾乎無濟(jì)于事。18世紀(jì)50年代，一位名叫卡爾·金勒的瑞典化學(xué)家發(fā)明了一種方法，不用又臟又臭的尿就能大量生產(chǎn)磷。很大程度上就是因?yàn)檎莆樟诉@種生產(chǎn)磷的方法，瑞典才成為——而且現(xiàn)在還是——火柴的一個(gè)主要生產(chǎn)國。
金勒既是個(gè)非同尋常的，又是個(gè)極其倒霉的人。他是個(gè)地位低下的藥劑師，幾乎在沒有先進(jìn)儀器的情況下發(fā)現(xiàn)了8種元素——氯、氟、錳、鋇、鉬、鎢、氮和氧——但什么功勞也沒有得到。每一次，他的發(fā)現(xiàn)要么不受人注意，要么在別人獨(dú)立做出同樣的發(fā)現(xiàn)以后才加以發(fā)表。他還發(fā)現(xiàn)了許多有用的化合物，其中有氨、甘油和單寧酸；他還認(rèn)為氯可以用做漂白劑——具有潛在商業(yè)價(jià)值的第一人——這些重大的成就都使別人發(fā)了大財(cái)。
金勒有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，他對(duì)做試驗(yàn)用的什么東西都感到好奇，堅(jiān)持要嘗一點(diǎn)兒，包括一些又難聞?dòng)钟卸镜奈镔|(zhì)，比如汞、氫氰酸（這也是他的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)）和甲腈。甲腈是一種有名的有毒化合物，150年以后，歐文·薛定諤在一次著名的思維實(shí)驗(yàn)中選它作為最佳毒素。金勒魯莽的工作方法最后斷送了他的性命。1786年，才43歲的他被發(fā)現(xiàn)死在工作臺(tái)旁，身邊堆滿了有毒的化學(xué)品，其中任何一種都可以造成他臉上那目瞪口呆的最后一個(gè)表情。
要是這世界是公正的話，要是大家都會(huì)說瑞典語的話，金勒本來會(huì)在全世界享有盛譽(yù)。
實(shí)際上，贊揚(yáng)聲往往都給了更有名的化學(xué)家，其中大多數(shù)是英語國家的化學(xué)家。金勒在1772年發(fā)現(xiàn)了氧，但由于種種辛酸而復(fù)雜的原因，無法及時(shí)發(fā)表他的論文。功勞最終歸給了約瑟夫·普里斯特利，他獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了同一個(gè)元素，但時(shí)間要晚，是在1774年的夏天。更令人矚目的是，金勒沒有得到發(fā)現(xiàn)氯的功勞。幾乎所有的教科書現(xiàn)在仍把氯的發(fā)現(xiàn)歸功于漢弗萊·戴維。他確實(shí)發(fā)現(xiàn)了，但要比金勒晚36年。
從牛頓和玻義耳，到金勒、普里斯特利和亨利·卡文迪許，中間隔著一個(gè)世紀(jì)。在這個(gè)世紀(jì)里，化學(xué)得到了長足的發(fā)展，但還有很長的路要走。直到18世紀(jì)的最后幾年（就普里斯特利而言，還要晚一點(diǎn)），各地的科學(xué)家們還在尋找——有時(shí)候認(rèn)為真的已經(jīng)發(fā)現(xiàn)——完全不存在的東西：變質(zhì)的氣體、沒有燃素的海洋酸、福祿考、氧化鈣石灰、水陸氣味，尤其是燃素。當(dāng)時(shí)，燃素被認(rèn)為是燃燒的原動(dòng)力。他們認(rèn)為，在這一切的中間，還存在一種神秘的生命力，即能賦予無生命物體生命的力。誰也不知道這種難以捉摸的東西在哪里，但有兩點(diǎn)是可信的：其一，你可以用電把它激活（瑪麗·謝利在她的小說《弗蘭肯斯泰因》里充分利用了這種認(rèn)識(shí)）；其二，它存在于某種物質(zhì)，而不存在于別的物質(zhì)。這就是化學(xué)最后分成兩大部分的原因：有機(jī)的（指被認(rèn)為有那種東西的物質(zhì)）和無機(jī)的（指被認(rèn)為沒有那種東西的物質(zhì)）。
這時(shí)候，需要有個(gè)目光敏銳的人來把化學(xué)推進(jìn)到現(xiàn)代。法國出了這么個(gè)人。他的名字叫安托萬－洛朗·拉瓦錫。拉瓦錫生于1743年，是一個(gè)小貴族家族的成員（他的父親為這個(gè)家族出錢買了一個(gè)頭銜）。1768年，他在一家深受人們討厭的機(jī)構(gòu)里買了個(gè)開業(yè)股。那個(gè)機(jī)構(gòu)叫做"稅務(wù)總公司"，代表政府負(fù)責(zé)收取稅金和費(fèi)用。根據(jù)各種說法，拉瓦錫本人又溫 和，又公正，但他工作的那家公司兩方面都不具備。一方面，它只向窮人征稅，不向富人征稅；另一方面，它往往很武斷。對(duì)拉瓦錫來說，那家機(jī)構(gòu)之所以很有吸引力，是因?yàn)樗鼮樗峁┝舜罅康腻X來從事他的主要工作，那就是科學(xué)。最多的時(shí)候，他每年掙的錢多達(dá)15萬里弗赫——差不多相當(dāng)于今天的1
200萬英鎊。
走上這條賺錢很多的職業(yè)道路3年之后，他娶了他的老板的一個(gè)14歲的女兒。這是一樁心和腦都很匹配的婚事。拉瓦錫太太有著機(jī)靈的頭腦和出眾的才華，很快在她的丈夫身邊作出了許多成績。盡管工作有壓力，社交 生活很繁忙，在大多數(shù)日子里他們都要用5個(gè)小時(shí)——清晨2個(gè)小時(shí)，晚上3個(gè)小時(shí)——以及整個(gè)星期天（他們稱其為"快活的日子"）來從事科學(xué)工作。不知怎的，拉瓦錫還擠得出時(shí)間來擔(dān)任火藥專員，監(jiān)督修建巴黎的一段城墻來防范走私分子，協(xié)助建立米制，還和別人合著了一本名叫《化學(xué)命名法》的手冊。這本書成了統(tǒng)一元素名字的"圣經(jīng)"。
作為英國皇家科學(xué)院的一名主要成員，無論時(shí)下有什么值得關(guān)注的事，他還都得知道，積極參與——催眠術(shù)研究呀，監(jiān)獄改革呀，昆蟲的呼吸呀，巴黎的水供應(yīng)呀，等等。1870年，一位很有前途的年輕科學(xué)家向科學(xué)院提交 一篇論文，闡述一種新的燃燒理論；就是在那個(gè)崗位上，拉瓦錫說了幾句輕蔑的話。這種理論的確是錯(cuò)的，但那位科學(xué)家再也沒有原諒他。
他的名字叫讓－保羅·馬拉。
只有一件事拉瓦錫從來沒有做過，那就是發(fā)現(xiàn)一種元素。在一個(gè)仿佛任何手拿燒杯、火焰和什么有意思的粉末的人都能發(fā)現(xiàn)新東西的時(shí)代——還要特別說一句，是一個(gè)大約有三分之二的元素還沒有被發(fā)現(xiàn)的時(shí)代里——拉瓦錫沒有發(fā)現(xiàn)一種元素。原因當(dāng)然不是由于缺少燒杯。他有著天底下最好的私人實(shí)驗(yàn)室，好到了差不多荒謬的程度，里面竟有13000只燒杯。
恰恰相反，他把別人的發(fā)現(xiàn)拿過來，說明這些發(fā)現(xiàn)的意義。他擯棄了燃素和有害氣體。
他確定了氧和氫到底是什么，并且給二者起了現(xiàn)今的名字。簡而言之，他為化學(xué)的嚴(yán)格化、明晰化和條理化出了力。
他的想像力實(shí)際上是得來全不費(fèi)工夫的。多年來，他和拉瓦錫太太一直在忙于艱苦的研究工作，那些研究要求最精密的計(jì)算。比如，他們確定，生銹的物體不會(huì)像大家長期以來認(rèn)為的那樣變輕，而會(huì)變重——這是一項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn)。物體在生銹的過程中以某種方式從空氣中吸引基本粒子。認(rèn)識(shí)到物質(zhì)只會(huì)變形，不會(huì)消失，這還是第一次。假如你現(xiàn)在把這本書燒了，它的物質(zhì)會(huì)變成灰和煙，但物質(zhì)在宇宙中的總量不會(huì)改變。后來，這被稱之為物質(zhì)不滅，是一個(gè)革命性的理念。不幸的是，它恰好與另一場革命——法國大革命——同時(shí)發(fā)生，而在這場革命中，拉瓦錫完全站錯(cuò)了隊(duì)。
他不但是稅務(wù)總公司的一名成員，而且勁頭十足地修建過巴黎的城墻——起義的市民們對(duì)該建筑物厭惡之極，首先攻打的就是這東西。1791年，這時(shí)候已經(jīng)是國民議會(huì)中一位重要人物的馬拉利用了這一點(diǎn)，對(duì)拉瓦錫進(jìn)行譴責(zé)，認(rèn)為他早該被絞死。過不多久，馬拉在洗澡時(shí)被一名受迫害的年輕女子殺害，她的名字叫夏洛特·科黛，但這對(duì)拉瓦錫來說已經(jīng)為時(shí)太晚。
1793年，已經(jīng)很緊張的"恐怖統(tǒng)治"達(dá)到了一個(gè)新的高度。10月，瑪麗·安托瓦妮特被送上斷頭臺(tái)。11月，正當(dāng)拉瓦錫和他的妻子在拖拖拉拉地制訂計(jì)劃準(zhǔn)備逃往蘇格蘭的時(shí)候，他被捕了。次年5月，他和31名稅務(wù)總公司的同事一起被送上了革命法庭（在一個(gè)放著馬拉半身像的審判室里）。其中8人被無罪釋放，但拉瓦錫和其他幾人被直接帶到革命廣場（現(xiàn)在的協(xié)和廣場），也就是設(shè)置法國那個(gè)最忙碌的斷頭臺(tái)的地方。拉瓦錫望著他的岳父腦袋落地，然后走上前去接受同樣的命運(yùn)。不到3個(gè)月，7月27日，羅伯斯庇爾被以同樣的方式、在同一地點(diǎn)送上了西天?？植澜y(tǒng)治很快結(jié)束了。
他去世100年以后，一座拉瓦錫的雕像在巴黎落成，受到很多人的瞻仰，直到有人指出它看上去根本不像他。在盤問之下，雕刻師承認(rèn)，他用了數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家孔多塞的頭像——他顯然備了一個(gè)——希望誰也不會(huì)注意到，或者即使注意到也不會(huì)在乎。他的后一種想法是正確的。拉瓦錫兼孔多塞的雕像被準(zhǔn)許留在原地，又留了半個(gè)世紀(jì)，直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。一天早晨，有人把它取走，當(dāng)做廢鐵熔化了。
19世紀(jì)初，英國開始風(fēng)行吸入一氧化二氮，或稱笑氣，因?yàn)橛腥税l(fā)現(xiàn)，使用這種氣體會(huì)"給人一種高度的快感和刺激"。在隨后的半個(gè)世紀(jì)里，它成了年輕人使用的一種高檔毒品 。有個(gè)名叫阿斯克協(xié)會(huì)的學(xué)術(shù)團(tuán) 體一度不再致力于別的事情，專場舉辦"笑氣晚會(huì)"，志愿者可以在那里狠狠吸上一口，提提精神，然后以搖搖擺擺的滑稽姿態(tài)逗樂觀眾。
直到1846年，才有人有時(shí)間為一氧化二氮找到了一條實(shí)用途徑：用做麻醉藥。事情是明擺著的，過去怎么誰也沒有想到，害得天知道有多少萬人在外科醫(yī)生的刀下吃了不必要的苦頭。
我提這一點(diǎn)是為了說明，在18世紀(jì)得到如此發(fā)展的化學(xué)，在19世紀(jì)的頭幾十年里有點(diǎn)兒失去方向，就像地質(zhì)學(xué)在20世紀(jì)頭幾十年里的情況一樣。部分原因跟儀器的局限性有關(guān)系——比如，直到那個(gè)世紀(jì)末葉才有了離心機(jī)，極大地限制了許多種類的實(shí)驗(yàn)工作。還有部分原因是社會(huì)?？偟膩碚f，化學(xué)是商人的科學(xué)，是與煤炭、鉀堿和染料打交 道的人的科學(xué)，不是紳士的科學(xué)。紳士階層往往對(duì)地質(zhì)學(xué)、自然史和物理學(xué)感興趣。（與英國相比，歐洲大陸 的情況有點(diǎn)兒不一樣，但僅僅是有點(diǎn)兒。）有一件事興許能說明問題。那個(gè)世紀(jì)最重要的一次觀察，即確定分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的布朗運(yùn)動(dòng)，不是化學(xué)家做的，而是蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗做的。（布朗在1827年注意到，懸在水里的花粉微粒永遠(yuǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無論時(shí)間持續(xù)多久。這樣不停運(yùn)動(dòng)的原因——即看不見的分子的作用——在很長時(shí)間里是個(gè)謎。）要不是出了個(gè)名叫倫福德伯爵的杰出人物，情況或許還要糟糕。盡管有個(gè)高貴的頭銜，他本是普普通通的本杰明·湯普森，1753年生于美國馬薩諸塞州的沃本。湯普森英俊漂亮，精力充沛，雄心勃勃，偶爾還非常勇敢，聰明過人，而又毫無顧忌。19歲那年，他娶了一位比他大14歲的有錢寡婦 。但是，當(dāng)殖民地爆發(fā)革命的時(shí)候，他愚蠢地站在保皇派一邊，一度還為他們做間諜工作。在災(zāi)難性的1776年，他面臨以"對(duì)自由 事業(yè)不夠熱心"的罪名而被捕的危險(xiǎn)，搶在一伙手提幾桶熱柏油和幾袋雞毛，打算用那兩樣?xùn)|西把他打扮一下的反?；逝煞肿忧懊?，他拋棄了老婆孩子倉皇出逃。
他先逃到英國，然后來到德國，在那里擔(dān)任巴伐利亞政府的軍事顧問。他深深打動(dòng)了當(dāng)局，1791年被授予"神圣羅馬帝國倫福德伯爵"的稱號(hào)。在慕尼黑期間，他還設(shè)計(jì)和籌建了那個(gè)名叫英國花園的著名公園。
在此期間，他擠出時(shí)間搞了大量純科學(xué)工作。他成為世界上最著名的熱力學(xué)權(quán)威，成為闡述液體對(duì)流和洋流循環(huán)原理的第一人。他還發(fā)明了幾樣有用的東西，包括滴濾咖啡壺、保暖內(nèi)衣 和一種現(xiàn)在仍叫做倫福德火爐的爐灶。1805年在法國逗留期間，他向安托萬－洛朗·拉瓦錫的遺孀拉瓦錫太太求愛，娶她當(dāng)了夫人。這樁婚事并不成功，他們很快就分道揚(yáng)鑣。
倫福德繼續(xù)留在法國，直到1814年去世。他受到法國人的普遍尊敬，除了他的幾位前妻。
我們之所以在這里提到他，是因?yàn)?799年他在倫敦的短暫停留期間創(chuàng)建了皇家科學(xué)研究所。18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，英國各地涌現(xiàn)了許多學(xué)術(shù)團(tuán) 體，它成了其中的又一名成員。在一段時(shí)間里，它幾乎是惟一的一所旨在積極發(fā)展化學(xué)這門新興科學(xué)的有名望的機(jī)構(gòu)，而這幾乎完全要?dú)w功于一位名叫漢弗萊·戴維的杰出的年輕人。這個(gè)機(jī)構(gòu)成立之后不久，戴維被任命為該研究所的化學(xué)教授，很快就名噪一時(shí)，成為一位卓越的授課者和多產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)師。
上任不久，戴維開始宣布發(fā)現(xiàn)一種又一種新的元素：鉀、鈉、錳、鈣、鍶和鋁。他發(fā)現(xiàn)那么多種元素，與其說是因?yàn)樗闱辶嗽氐呐帕?，不如說是因?yàn)樗l(fā)明了一項(xiàng)巧妙的技術(shù)：把電流通過一種熔融狀態(tài)的物質(zhì)——就是現(xiàn)在所謂的電解。他總共發(fā)現(xiàn)了12種元素，占他那個(gè)時(shí)代已知總數(shù)的五分之一。戴維本來會(huì)作出更大的成績，但不幸的是，他是個(gè)年輕人，漸漸沉迷于一氧化二氮所帶來的那種心曠神怡的樂趣。他簡直離不開那種氣體，一天要吸入三四次．最后，在1829年，據(jù)認(rèn)為就是這種氣體斷送了他的性命。
幸虧別處還有別的嚴(yán)肅的人在從事這項(xiàng)工作。1808年，一位名叫約翰·道爾頓的年輕而頑強(qiáng)的貴格會(huì)教徒，成為宣布原子性質(zhì)的第一人（過一會(huì)兒我們將更加充分地討論這個(gè)進(jìn)展）；1811年，一個(gè)有著歌劇似的漂亮名字——洛倫佐·羅馬諾·阿馬德奧·卡洛·阿伏伽德羅——的意大利人取得了一項(xiàng)從長遠(yuǎn)來看將證明是具有重大意義的發(fā)現(xiàn)——即體積相等的任何兩種氣體，在壓力相等和溫 度相等的情況下，擁有的原子數(shù)量相等。
它后來被稱做阿伏伽德羅定律。這個(gè)簡單而有趣的定律在兩個(gè)方面值得注意。第一，它為更精確地測定原子的大小和重量奠定了基礎(chǔ)?；瘜W(xué)家們利用阿伏伽德羅數(shù)最終測出，比如，一個(gè)典型的原子的直徑是0.00000008厘米。這個(gè)數(shù)字確實(shí)很小。第二，差不多有50年時(shí)間，幾乎誰也不知道這件事。
一方面，是因?yàn)榘⒎さ铝_是個(gè)離群索居的人——他一個(gè)人搞研究，從來不參加會(huì)議；另一方面，也是因?yàn)闆]有會(huì)議可以參加，很少有幾家化學(xué)雜志可以發(fā)表文章。這是一件很怪的事。工業(yè)革命的動(dòng)力在很大程度上來自化學(xué)的發(fā)展，而在幾十年的時(shí)間里化學(xué)卻幾乎沒有作為一門系統(tǒng)的科學(xué)獨(dú)立存在。
直到1841年，才成立了倫敦化學(xué)學(xué)會(huì)；直到1848年，那個(gè)學(xué)會(huì)才定期出版一份雜志。而到那個(gè)時(shí)候，英國的大多數(shù)學(xué)術(shù)團(tuán) 體——地質(zhì)學(xué)會(huì)、地理學(xué)會(huì)、動(dòng)物學(xué)學(xué)會(huì)、園藝學(xué)學(xué)會(huì)和（由博物學(xué)家和植物學(xué)家組成的）林奈學(xué)會(huì)——至少已經(jīng)存在20年，有的還要長得多。它的競爭對(duì)手化學(xué)研究所直到1877年才問世，那是在美國化學(xué)學(xué)會(huì)成立一年之后。由于化學(xué)界的組織工作如此緩慢，有關(guān)阿伏伽德羅1811年的重大發(fā)現(xiàn)的消息，直到1860年在卡爾斯魯厄召開第一次國際化學(xué)代表大會(huì)才開始傳開。
由于化學(xué)家們長期在隔絕的環(huán)境里工作，形成統(tǒng)一用語的速度很慢。直到19世紀(jì)末葉，h2o對(duì)一個(gè)化學(xué)家來說意為水，對(duì)另一個(gè)化學(xué)家來說意為過氧化氫。c2h2可以指乙烯，也可以指沼氣。幾乎沒有哪種分子符號(hào)在各地是統(tǒng)一的。
化學(xué)家們還使用各種令人困惑的符號(hào)和縮寫，常常是自己發(fā)明的。瑞典的j.j.伯采留斯發(fā)明了一種非常急需的排列方法，規(guī)定元素應(yīng)當(dāng)依照其希臘文或拉丁文名字加以縮寫。這就是為什么鐵的縮寫是fe（源自拉丁文ferrum），銀的縮寫是ag（源自拉丁文argentum）。
許多別的縮寫與英文名字一致（氮是n，氧是o，氫是h等等），這反映了英語的拉丁語支性質(zhì)，并不是因?yàn)樗牡匚桓?。為了表示分子里的原子?shù)量，伯采留斯使用了一種上標(biāo)方法，如h2o。后來，也沒有特別的理由，大家流行把數(shù)字改為下標(biāo)，如h2o。
盡管偶爾有人整理一番，直到19世紀(jì)末葉，化學(xué)在一定程度上仍處于混亂狀態(tài)。因此，當(dāng)俄羅斯圣彼得堡大學(xué)的一位模樣古怪而又不修邊幅的教授躋身于顯赫地位的時(shí)候，人人都感到很高興。那位教授的名字叫德米特里·伊凡諾維奇·門捷列夫。
1834年，在遙遠(yuǎn)的俄羅斯西伯利亞西部的托博爾斯克，門捷列夫生于一個(gè)受過良好教育的、比較富裕的大家庭。這個(gè)家庭如此之大，史書上已經(jīng)搞不清究竟有多少個(gè)姓門捷列夫的人：有的資料說是有14個(gè)孩子，有的說是17個(gè)。不過，反正大家都認(rèn)為德米特里是其中最小的一個(gè)。門捷列夫一家并不總是福星高照。德米特里很小的時(shí)候，他的父親——當(dāng)?shù)匾凰W(xué)的校長——就雙目失明，母親不得不出門工作。她無疑是一位杰出的女性，最后成為一家很成功的玻璃廠的經(jīng)理。一切都很順利，直到1848年一場大火把工廠燒為灰燼，一家人陷于貧困。堅(jiān)強(qiáng)的門捷列夫太太決心要讓自己的小兒子接受教育，帶著小德米特里搭便車跋涉6000多公里(相當(dāng)于倫敦到赤道幾內(nèi)亞的距離)來到圣彼得堡把他送進(jìn)教育學(xué)院。她筋疲力盡，過不多久就死了。
門捷列夫兢兢業(yè)業(yè)地完成了學(xué)業(yè)，最后任職于當(dāng)?shù)氐囊凰髮W(xué)。他在那里是個(gè)稱職的而又不很突出的化學(xué)家，更以他亂蓬蓬的頭發(fā)和胡 子而不是以他在實(shí)驗(yàn)室里的才華知名。他的頭發(fā)和胡 子每年只修剪一次。
然而，1869年，在他35歲的那一年，他開始琢磨元素的排列方法。當(dāng)時(shí)，元素通常以兩種方法排列——要么按照原子量（使用阿伏伽德羅定律），要么按照普通的性質(zhì)（比如，是金屬還是氣體）。門捷列夫的創(chuàng)新在于，他發(fā)現(xiàn)二者可以合在一張表上。
實(shí)際上，門捷列夫的方法，3年以前一位名叫約翰·紐蘭茲的英格蘭業(yè)余化學(xué)家已經(jīng)提出過，這是科學(xué)上常有的事。紐蘭茲認(rèn)為，如果元素按照原子量來進(jìn)行排列，它們似乎依次每隔8個(gè)位置重復(fù)某些特點(diǎn)——從某種意義上說，和諧一致。有點(diǎn)不大聰明的是——因?yàn)檫@么做時(shí)間還不成熟——紐蘭茲將其命名為"八度定律"，把這種安排比做鋼琴鍵盤上的八度音階。紐蘭茲的說法也許有點(diǎn)道理，但這種做法被認(rèn)為是完全荒謬的，受到了眾人的嘲笑。
在集會(huì)上，有的愛開玩笑的聽眾有時(shí)候會(huì)問他，他能不能用他的元素來彈個(gè)小曲子。紐蘭茲灰心喪氣，沒有再研究下去，不久就銷聲匿跡了。
門捷列夫采用了一種稍稍不同的方法，把每七個(gè)元素分成一組，但使用了完全相同的前提。突然之間，這方法似乎很出色，視角很清晰。由于那些特點(diǎn)周期性地重復(fù)出現(xiàn)，所以這項(xiàng)發(fā)明就被叫做"周期表"。
據(jù)說，門捷列夫是從北美洲的單人牌戲獲得了靈感，從別處獲得了耐心。在那種牌戲里，紙牌按花色排成橫列，按點(diǎn)數(shù)排成縱行。他利用一種十分相似的概念，把橫列叫做周期，縱行叫做族。上下看，馬上可以看出一組關(guān)系；左右看，看出另一組關(guān)系。具體來說，縱列把性質(zhì)類似的元素放在一起。因此，銅的位置在銀的上面，銀的位置在金的上面，因?yàn)樗鼈兌季哂薪饘俚幕瘜W(xué)親和性；而氦、氖和氬處于同一縱行，因?yàn)樗鼈兌际菤怏w。（決定排列順序的，實(shí)際上是它們的電子價(jià)。若要搞懂電子價(jià)，你非得去報(bào)名上夜校。）與此同時(shí)，元素按照它們核里的質(zhì)子數(shù)——叫做原子序數(shù)——從少到多地排成橫列。
有關(guān)原子的結(jié)構(gòu)和質(zhì)子的意義，我們將在下一章加以敘述。眼下，我們只來認(rèn)識(shí)一下那個(gè)排列原則：氫只有一個(gè)質(zhì)子，因此它的原子序數(shù)是1，排在表上第一位；鈾有92個(gè)質(zhì)子，因此快要排到末尾，它的原子序數(shù)是92。在這個(gè)意義上，正如菲利普·鮑爾指出的，化學(xué)實(shí)際上只是個(gè)數(shù)數(shù)的問題。（順便說一句，不要把原子序數(shù)和原子量混在一起。原子量是某個(gè)元素的質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)之和。）
還有大量的東西人們不知道或不懂得。宇宙中最常見的元素是氫；然而，在后來的30年里，對(duì)它的認(rèn)識(shí)到此為止。氦是第二多的元素，是在此之前一年才發(fā)現(xiàn)的——以前誰也沒有想到它的存在——而即使發(fā)現(xiàn)，也不是在地球上，而是在太陽里。它是在一次日食時(shí)用分光鏡發(fā)現(xiàn)的，因此以希臘太陽神赫利奧斯命名。直到1895年，氦才被分離出來。即使那樣，還是多虧了門捷列夫的發(fā)明，化學(xué)現(xiàn)在才站穩(wěn)了腳跟。
對(duì)我們大多數(shù)人來說，周期表是一件美麗而抽象的東西，而對(duì)化學(xué)家來說，它頓時(shí)使化學(xué)變得有條有理，明明白白，怎么說也不會(huì)過分。"毫無疑問，化學(xué)元素周期表是人類發(fā)明出來的最優(yōu)美、最系統(tǒng)的圖表。"羅伯特·e.克雷布斯在《我們地球上的化學(xué)元素：歷史與應(yīng)用》一書中寫道——實(shí)際上，你在每一部化學(xué)史里都可以看到類似的評(píng)價(jià)。
今天，已知的元素有"120種左右"——92種是天然存在的，還有20多種是實(shí)驗(yàn)室里制造出來的。實(shí)際的數(shù)目稍有爭議，那些合成的重元素只能存在百萬分之幾秒，是不是真的測到了，化學(xué)家們有時(shí)候意見不一。在門捷列夫時(shí)代，已知的元素只有63種。之所以說他聰明，在一定程度上是因?yàn)樗庾R(shí)到當(dāng)時(shí)已知的還不是全部元素，許多元素還沒有發(fā)現(xiàn)。他的周期表準(zhǔn)確地預(yù)言，新的元素一旦發(fā)現(xiàn)就可以各就各位。
順便說一句，沒有人知道元素的數(shù)目最多會(huì)達(dá)到多少，雖然原子量超過168的任何東西都被認(rèn)為是"純粹的推測"；但是，可以肯定，凡是找到的元素都可以利索地納入門捷列夫那張偉大的圖表。
19世紀(jì)給了化學(xué)家們最后一個(gè)重要的驚喜。這件事始于1896年。亨利·貝克勒爾在巴黎不慎把一包鈾鹽忘在抽屜里包著的感光板上。過一些時(shí)候以后，當(dāng)他取出感光板的時(shí)候，他吃驚地發(fā)現(xiàn)鈾鹽在上面燒了個(gè)印子，猶如感光板曝過了光。鈾鹽在釋放某種射線。
考慮到這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性，貝克勒爾干了一件很古怪的事：他把這事兒交 給一名研究生來調(diào)查。說來運(yùn)氣，這位學(xué)生恰好是一位新來的波蘭移民，名叫瑪麗·居里。居里和她的新丈夫皮埃爾合作，發(fā)現(xiàn)有的巖石源源不斷地釋放出大量能量，而體積又沒有變小，也沒有發(fā)生可以測到的變化。她和她的丈夫不可能知道的是——下個(gè)世紀(jì)愛因斯坦作出解釋之前誰也不可能知道的是——巖石在極其有效地把質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量。瑪麗·居里把它稱之為"放射作用"。在合作過程中，居里夫婦還發(fā)現(xiàn)兩種新的元素——釙和鈾。釙以她的祖國波蘭命名。
1903年，居里夫婦和貝克勒爾一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（1911年，瑪麗·居里又獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；她是既獲化學(xué)獎(jiǎng)又獲物理學(xué)獎(jiǎng)的惟一一人。）
在蒙特利爾的麥克吉爾大學(xué)，新西蘭出生的年輕人歐內(nèi)斯特·盧瑟福對(duì)新的放射性材料產(chǎn)生了興趣。他與一位名叫弗雷德里克·索迪的同事一起，發(fā)現(xiàn)很少量的物質(zhì)里就儲(chǔ)備著巨大的能量，地球的大部分熱量都來自這種儲(chǔ)備的放射衰變。他們還發(fā)現(xiàn)放射性元素衰變成別的元素——比如，今天你手里有一個(gè)鈾原子，明天它就成了一個(gè)鉛原子。這的確是非同尋常的。這是地地道道的煉金術(shù)；過去誰也沒有想到這樣的事兒會(huì)自然而自發(fā)地發(fā)生。
盧瑟福向來是個(gè)實(shí)用主義者，第一個(gè)從中看到了寶貴的實(shí)用價(jià)值。他注意到，無論哪種放射物質(zhì)，其一半衰變成其他元素的時(shí)間總是一樣的——著名的半衰期——這種穩(wěn)定而可靠的衰變速度可以用做一種時(shí)鐘。只要計(jì)算出一種物質(zhì)現(xiàn)在有多少放射量，在以多快的速度衰變，你就可以推算出它的年齡。他測試了一塊瀝青鈾礦石——鈾的主要礦石——發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)有7億年——比大多數(shù)人認(rèn)為的地球的年齡還要古老。
1904年春，盧瑟福來到倫敦給英國皇家科學(xué)研究所開了一個(gè)講座——該研究所是倫福德伯爵創(chuàng)建的，只有150年歷史，雖然在那些卷起袖子準(zhǔn)備大干一場的維多利亞時(shí)代末期的人看來，那個(gè)搽白粉、戴假發(fā)的時(shí)代已經(jīng)顯得那么遙遠(yuǎn)。盧瑟福準(zhǔn)備講的是關(guān)于他新發(fā)現(xiàn)的放射現(xiàn)象的蛻變理論；作為講課內(nèi)容的一部分，他拿出了那塊瀝青鈾礦石。盧瑟福很機(jī)靈地指出——因?yàn)槟赀~的開爾文在場，雖然不總是全醒著——開爾文本人曾經(jīng)說過，要是發(fā)現(xiàn)某種別的熱源，他的計(jì)算結(jié)果會(huì)被推翻。盧瑟福已經(jīng)發(fā)現(xiàn)那種別的熱源。多虧了放射現(xiàn)象，可以算出地球很可能——不言而喻就是——要比開爾文最終計(jì)算出的結(jié)果2
400萬年古老得多。
聽到盧瑟福懷著敬意的陳述，開爾文面露喜色，但實(shí)際上無動(dòng)于衷。他拒不接受那個(gè)修改的數(shù)字，直到臨終那天還認(rèn)為自己算出的地球年齡是對(duì)科學(xué)最有眼光、最重要的貢獻(xiàn)——要比他在熱力學(xué)方面的成果重要得多。
與大多數(shù)科學(xué)革命一樣，盧瑟福的新發(fā)現(xiàn)沒有受到普遍歡迎。都柏林的約翰·喬利到20世紀(jì)30年代還竭力認(rèn)為地球的年齡不超過8900萬年，堅(jiān)持到死也沒有改變。別的人開始擔(dān)心，盧瑟?，F(xiàn)在說的時(shí)間是不是太長了點(diǎn)。但是，即使利用放射性測定年代法，即后來所謂的衰變計(jì)算法，也要等幾十年以后我們才得出地球的真正年齡大約是在10億年以內(nèi)?？茖W(xué)已經(jīng)走上正軌，但仍然任重而道遠(yuǎn)。
開爾文死于1907年。德米特里·門捷列夫也在那年去世。和開爾文一樣，他的累累成果將流芳百世，但他的晚年生活顯然不大平靜。隨著人越來越老，門捷列夫變得越來越古怪——他拒不承認(rèn)放射現(xiàn)象、電子以及許多別的新鮮東西的存在——也越來越難以相處。在最后的幾十年里，無論在歐洲什么地方，他大多怒氣沖沖地退出實(shí)驗(yàn)室和課堂。1955年，第101號(hào)元素被命名為鍆，作為對(duì)他的紀(jì)念。"非常恰當(dāng)，"保羅·斯特拉森認(rèn)為，"它是一種不穩(wěn)定的元素。"
當(dāng)然，放射現(xiàn)象實(shí)際上在不停地發(fā)生，以誰也估計(jì)不到的方式發(fā)生。20世紀(jì)初，皮埃爾·居里開始出現(xiàn)放射病的明顯癥狀——骨頭里隱隱作痛，經(jīng)常有不舒服的感覺——那些癥狀本來肯定會(huì)不斷加劇。但是，我們永遠(yuǎn)也無法確切知道，因?yàn)樗?906年在巴黎過馬路時(shí)被馬車撞死了。
瑪麗·居里在余生干得很出色，1914年幫助建立了著名的巴黎大學(xué)鈾研究所。盡管她兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但她從來沒有當(dāng)選過科學(xué)院院士。在很大程度上，這是因?yàn)槠ぐ査懒艘院?，她跟一位有妻室的物理學(xué)家發(fā)生了曖昧 關(guān)系。她的行為如此不檢點(diǎn)，連法國人都覺得很丟臉——至少掌管科學(xué)院的老頭兒們覺得很丟臉。當(dāng)然，這件事也許跟本書不相干了。
在很長時(shí)間里，人們認(rèn)為，任何像放射性這樣擁有很大能量的現(xiàn)象肯定是可以派上用場的。有好幾年時(shí)間，牙膏和通便劑的制造商在自己的產(chǎn)品里放入了有放射作用的釷；至少到20世紀(jì)20年代，紐約州芬格湖地區(qū)的格倫泉賓館（肯定還有別的賓館）還驕傲地以其"放射性礦泉"的療效作為自己的特色。直到1938年，才禁止在消費(fèi)品里放入放射性物質(zhì)。到這個(gè)時(shí)候，對(duì)居里夫人來說已經(jīng)為時(shí)太晚。她1934年死于白血病。事實(shí)上，放射性危害性極大，持續(xù)的時(shí)間極長，即使到了現(xiàn)在，動(dòng)她的文獻(xiàn)——甚至她的烹飪書——還是很危險(xiǎn)的。她實(shí)驗(yàn)室的圖書保存在鉛皮襯里的箱子里，誰想看這些書都得穿上保護(hù)服。
多虧第一代原子科學(xué)家的獻(xiàn)身精神和不懼高度危險(xiǎn)的工作，20世紀(jì)初的人們越來越清楚，地球毫無疑問是很古老的，雖然科學(xué)界還要付出半個(gè)世紀(jì)的努力才能很有把握地說它有多么古老。與此同時(shí)，科學(xué)很快要進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代——原子時(shí)代。
