炼金术,木乃伊,且看化学如何从玄幻走向严谨的科学体系

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狄更斯说:这是个最好的时代,这是个最坏的时代。幸运的是,在当今时代,这句话的前半句已然成立。前段时间我染上神经性皮肤炎,脖子上红肿一片,原来光滑的皮肤因为长了各种疙瘩而变得粗糙褶皱,时常发痒,当我用手去抓时,它会流出粘液,试想一下都让人不寒而栗。我想倘若是在古代,在现代科学没有充分发展的时期,人们怎么面对这样的疾病,“唯物”点的会认为我虚火上升,于是郎中会看出一些“降火”或“阴凉”配方让我熬药吞服,“迷信”点的,看着那些丑陋的疙瘩,可能会觉得我被邪魔附身,很可能会把我关禁闭,严重的可能会把我烧掉。幸好我生在这个科学昌明的时代,我咨询了大夫,到药店花二十块买了根药膏,涂抹几天就痊愈了。

我是不折不扣的中医黑。我并不反对中医本身,只要市场需要,无论是中医,乃至跳大神,开坛做法,念咒驱魔等治疗方式都应当不受任何阻挠的存在,由市场需求去决定他们的去留,我最反对的是中医的思维方式。中医发展到现在有几千年历史,但现在那个中医大夫敢声称他的水准能超过两千多年前的华佗或扁鹊,他对中草药的认知能超过几百年前的李时珍?现代中医水平再强,也强不过古代皇帝的御医吧,当年康熙感染了天花,所有御医用尽一切草药,针灸,推拿,不知道有没有拔火罐,反正是秦驴技穷后,只能对皇帝的病情束手无措,要不是康熙真是‘天命所归’,身子板结实,硬是靠自身抵抗力熬过了天花,要是他英年早逝,那么中国的历史将会大大不同。如果有老军医大言不惭的说,我就是赛华佗,超扁鹊,碾压李时珍,那他该如何证明呢?且不说那些人死无对证,就算这些神医还活着,要比对技能强弱的话,你就得找一帮具有相同病情的人,分成三等分,让华佗,扁鹊,和老军医分别医治,看谁治好的人多,谁的医术就高超,但这么做就落入了数理统计的现代科学范畴,由此可见中医或者是前科学时代的思维特点是模模糊糊,不清不楚。

现代医学的发展,有赖于化学成为严谨的科学体系。化学的科学化的确是从医学开始的。人们对化学的认识最早起源于炼金术,在中国则是炼丹,出于人性的贪婪,人们希望把廉价的铁铜转换昂贵的黄金,或者是希望找到长生不老的药石,于是把各种矿物质混合在一起,加水后用大火高温烹煮,在这过程中观察到物质的特性和形态发生了神奇的改变,人们不知道个中原因,但了解到物质在特定的条件下是可以发生改变的。化学从本能的直觉观察到科学化开端,要归功于古埃及一个叫恰塔霍裕克的人。由于古埃及人认为人死后如果保持尸体不腐化,那么人的灵魂就能升往永恒幸福的天国,因此社会对防腐剂的需求异常强烈,而恰塔霍裕克掌握了一种系统化制作防腐剂的工艺技术。以恰塔霍裕克为代表的古埃及防腐师通过不断的实验和试错,最终学会了利用钠盐,树脂,没药,以及其他物质组合在一起后能有效阻止尸体腐烂的技术,此时人们已经懂得通过实验的方法来寻求问题的解决之道。

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化学从巫术式的炼金术步入体系化思维的科学殿堂起源于医学。1943年在瑞士的一个小村庄出生了一个性格怪异的人名叫泰奥弗拉斯托斯.帮慕巴斯特.凡.霍恩海姆,他21岁时被父亲送去学习冶金和炼金术,但他居然诡异的声称获得了医学学位,而且他也选择了那个职业。接下来他把名字改成“帕拉塞尔苏斯”,“帕拉”在拉丁语中是超越的意思,塞尔苏斯是公元1世纪的古罗马名医,是西方的华佗。当时西方医学界广为流传的是盖伦的著作,其相当于我们的《黄帝内经》。帕拉塞尔苏斯对盖伦著作非常不满,因为书里认为,疾病是由一种称为休谟斯的神秘体液失衡造成的,这与我们的“气”如出一辙,这种观念后来被实验证明是错误的,帕拉塞尔苏斯高明之处在于,他认为疾病是由体外因素引发的,可以通过是由适当的药物来治疗。他从早年学习炼金术的知识中获得启发,尝试以严谨精确的方式,通过实验的方法配制治疗疾病的化学物品,他为此还创造了"iatrochemia"这个单词来表示“化学治疗”,这个词后来被简化成"chemia",最后演化成我们现在熟知的"chemistry"。

效果好才是真的好。促使帕拉塞尔苏斯功成名就的是因为他配制的化学物品对治疗疾病非常有效。例如他发现阿片剂相比于溶于水更溶于酒精,于是它发明了一种基于阿片的溶液,他称为阿片酊,这种溶剂对缓解疼痛特别有效。由于帕拉塞尔苏斯发明的药剂效果好,而且经济实惠,在强烈的市场需求下,更多的人继承了帕拉塞尔苏斯发明的"chemia",成为药剂师,并将他的方法论加以发展和弘扬,化学开始快速步入科学体系化。

另一个接过帕拉塞尔苏斯大棒,将化学进一步科学化的是波义尔。推动西方科学发展的一个重要群体,等价于我们当今非常厌恶的“富二代”,正因为拥有丰厚的家产或遗产,这些人衣食无忧后才能全心全意投入到科学研究中,以便满足自己强烈的好奇心和好胜心。波义尔的老爸可是当时大英帝国的“马云”,是当时英国最富有的人,波义尔含着金钥匙出生,来到人世时就已经实现了我们当代人孜孜以求的“财富自由”,由此他才有条件毫无后顾之忧的投入到自己的兴趣爱好中,幸运的是,他最喜欢的是科学。波义尔不差钱,所以他有充足的财力去建筑及其昂贵而又复杂的实验室,在当时的人对这种癖好的看法,与我们现在看富二代挥金如土,肆意购买布加迪威龙等豪车的看法如出一辙。

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波义尔在他的实验室里做各种实验,最多的就是化学。波义尔一大贡献在于,通过科学实验,推翻了亚里士多德的基本元素论,亚里士多德认为“气”是组成物质的基本元素,这个观点统治西方人思想多达千年。波义尔通过燃烧一根圆木,然后收集渗出来的烟,这些烟经过蒸馏后得到的是油脂和盐分,由此推翻了亚里士多德关于火能将木头转换为气的说法。波义尔还通过实验设计试图揭开人体呼入的空气如何与肺相互作用,他把老鼠和鸟等动物放入一个密闭容器,发现它们呼吸变得吃力,直到死去。由此波义尔得出结论:动物呼吸时从空气里吸收某些成分,这些成分如果用光就会导致死亡,要么排出某种气体,这些气体如果浓度过高那将会产生致命危险,或者两种情况都存在,波义尔认为是前一种情况,但无论如何,实验揭示了看不见摸不着的空气是由多种气体组成的。波义尔还在真空泵里研究空气对燃烧的影响,他观察到,一旦把真空泵里的空气全部抽走,燃烧就会停止,于是波义尔推论空气里包含了支持燃烧和呼吸所必须的未知物质。波义尔用严谨的实验和观察取代了过去依靠单纯思辨而得出的传统智慧,帮助新生的化学从亚里士多德的思想牢笼里解放出来。

最终揭示波义尔发现空气中“神秘物质”的,是伟大的化学家拉瓦锡。西方科学的发展非常依赖于一样东西:医学。不是因为医学发达,而是因为医学落后才推动了科学在西方的发展。由于医学落后,很多富裕的贵族患病后得不到有效医治而撒手人寰,于是巨额财产落到具有科学精神的远方亲戚身上,这些人衣食无忧之后才能全心全意投入科学研究进而实现科学的巨大进展,拉瓦锡正是如此。在他二十岁时他收到一笔丰厚的遗产,其价值相当于现在的一千万美金,他用这笔钱做了非常精明的投资,购买了一家名为普通农民公司的金融机构股份,这家公司并不从事农业,而是帮国王征税,这笔投资收益丰厚,但拉瓦锡也因此遭遇没顶之灾。

拉瓦锡在化学理论和实验两方面都是大师级人物。拉瓦锡的创新之处在于将精确测量引入实验,他使用水银及其氧化物烧渣进行实验,他发现水银燃烧后转变成烧渣,其过程会与一种气体结合,他通过精确的测量发现烧渣相对于水银的重量增加了,而增加的正好等于与水银在燃烧中结合的气体的质量。当对烧渣进行加热时,烧渣转换成水银同时释放出一种气体,水银相比于烧渣的质量会有所减少,而减少的数量正好等于所释放气体的质量,由此拉瓦锡把这种气体命名为“氧气”,紧接着拉瓦锡把他的观察转向科学领域最著名的定律之一:质量守恒定律,也就是化学反应中产生的物质总量一定与当初参与反应的物质总量相同。这是炼金术发展为现代化学征途中最伟大的里程碑,人们认识到化学反应其实是元素的组合和再组合过程。不久后法国爆发大革命,拉瓦锡由于帮国王收税而被判死刑,他请求延迟他的行刑日期以便完成他正在进行的研究,结果法官以“共和国不需要科学家”为由拒绝,在执行死刑时,拉瓦锡将33种物质认定为元素,除了10种,其他的都是正确的。拉瓦锡还发明了根据元素来命名化合物的标准体系,例如我们熟悉的“氯化钠”这种命名方式正是拉瓦锡的发明。

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最终让化学形成严谨科学体系的,是化学界的“牛顿”--门捷列夫。我对门捷列夫印象并不好,虽然他搞了个鼎鼎大名的化学元素周期表,这让我在高中时的化学考试增添了不少麻烦,我得花费很多精力去背各种元素的排序,而且不少元素对应的汉字还特别难写。门捷列夫性格怪异,脾气暴躁,非常傲慢,为人特别难相处。成功往往需要集齐天时,地利,与人和,门捷列夫虽然是个怪咖,但他幸运的出生在一个化学理论发展得非常充分,就差一个“真命天子”来踢出“临门一脚”的关键时刻,而上天选择让门捷列夫来完成这个光荣的使命。在当时的化学界,元素按族划分的观点在19世纪60年代传遍欧洲,人们已经意识到,氯,氟,溴似乎属于一类,他们都具有高腐蚀性,与钠结合时会变得温和,形成无害的盐状晶体,瑞典化学家贝采里乌斯将他们统一划分为卤族;同时钠,锂,钾,都是有光泽,柔软和性质非常活泼的三种碱性金属元素。

受到生物分类学的影响,化学家也希望发明一种将基本元素进行分类的方法。这项工作由门捷列夫发明的“元素周期表”而圆满完成,有意思的是门捷列夫完成这一壮举源于一次偶然的事件。1866年32岁的门捷列夫被任命为神彼得堡大学化学系教授,他发现俄国没有一本适合于教学的化学教科书,于是打算自己编写一本。在写作中他面临一个问题是如何组织书的内容,先写什么,后写什么,内容如何安排难住了门捷列夫。如果按照元素的族来划分,那么写完卤族元素和金属元素后,接下来该怎么写呢,此时一个问题闪如门捷列夫的头脑,是否存在一个支配元素的组织原则?在不断的思索中,门捷列夫突然神来一笔,在一个信封的背面以原子重量上升的顺序写下氧,氢以及卤族元素的名字,总共有12种元素,突然他意识到一个醒目的模式:如果以氮,氧,氟开始---每组中最年轻的成员---紧接着是每组中第二年轻的成员,依次排列下去就形成一种重复的,或者是“周期性”的规律,在12种元素中,只有两种不适用这个模式,门捷列夫感觉自己像哥伦布一样发现了新大陆。

门捷列夫要找到排列规律还非常困难。首先他并不清楚那些元素属于哪个组,人们对很多元素的性质还没有充分理解,同时对某些元素的原子重量还存有争议,特别是还有很多元素尚未发现,要在这么多缺陷的条件下挖掘出元素排列规律,无异于盲人摸象。门捷列夫极为倔强的个性在这个时刻帮助了他,当一种元素没有按照他希望的那样依序落位时,他拒绝接受他的方案是错误的,而是认为探测该元素原子量的人出错了,他勇敢的忽略了当时公认的元素原子量,并填写上元素符合要求的数值。当他发现某个位置要求的性质没有哪种已知元素具备时,他坚持认为自己的排序方法没有错,而是那些元素尚未被发现,他还根据他发明的元素排列法,预测新元素的性质,它们的重量,物理特征,会与哪些元素发生化合反应,以及能产生何种化合物。

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你无法得知门捷列夫迷之自信从何而来。在门捷列夫排列法中,铝元素的旁边有一个空缺,他称之为“类铝元素”,并预测它将会是一种带有金属光泽的金属,有良好的导热性,熔点很低,每立方厘米重量正好是5.9克。几年后法国化学家布瓦博德兰在矿石样品里发现符合这些条件的元素,不过他发现元素每立方厘米的重量是4.7克,门捷列夫立马给他写信,告诉他样品一定不纯净,布瓦博德兰用一份确保纯净的样品重新分析,这次元素的重量果然像门捷列夫预测的那样,每立方厘米5.9克,该元素被命名为镓。后来周期表上空缺的元素一一得到发现,有些元素在门捷列夫去世30年后才在粒子加速器里被合成。

至此从防腐师和炼金术开始的2000年后,化学终于成长为完整的科学体系。1995年伯克利科学家再次利用粒子回旋加速器制造一种新元素向门捷列夫致敬,该元素被命名钔,由此门捷列夫在自己发明的周期表上找到了属于自己的位置。在化学领域,至今有800人获得诺贝尔奖,仅仅有16位科学家的名字被用来命名新元素,从1901年开始首次颁发诺贝尔化学奖,此时距门捷列夫去世已经有6年,这是一个巨大的遗憾。门捷列夫命名的元素钔是101号,距离用爱因斯坦命名的元素锿和用哥白尼命名的元素鎶 仅有一步之遥。

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