科学史奇迹：直觉的贡献超越理解

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），撰文：John D. Barrow，翻译：唐静、李盼

人们在研究化学时，都会用到元素周期表。毫无疑问，假如哪天人类和地球之外的生命取得了联系，两种智慧文明的共同点中肯定包含一个排列有序、为人熟知的元素表。

—— 约翰・埃姆斯利（John Emsley）^[1]

在亚里士多德的引领下，古希腊哲学家相信，以各种形式存在、组成我们周遭世界的物质都可以由四种基本物质概括，即土、火、气、水。在 17 世纪之前，这种质朴的观念一直都被尊崇为事实，直到由炼金术衍生的化学让人们发现了其他元素的存在。“土”并不是单一物质，而“气”也不仅由一种气体构成。在 18 世纪，元素谱系经历了戏剧性增长。当时，人们发现了很多新金属，如钴、镍、锰、钨、铬、镁、铀，以及新气体，如氢气、氮气、氧气、氯气，这些气体第一次被分离了出来。

化学中的“元素”概念最早是由罗伯特・玻意耳提出的：不能再用物理过程继续分解的物质就是元素。此后，法国化学家安托万－洛朗・德・拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）[2] 在 1789 年正式为元素命名 [3]。拉瓦锡挑选了 33 种物质，给它们定义了元素状态，并将其分成四组：金属、非金属、土及气体。后来，人们发现其中一些元素其实是化合物，另一些元素，如热和光，甚至不是化学物质。以下就是拉瓦锡的元素表，只有标注为红色的元素在今天仍被视为化学元素。

气：热、光、氢、氮、氧。

土：氧化铝、重晶石、石灰、氧化镁、硅石。

金属：锑、砷、铋、钴、铜、金、铁、铅、锰、汞、钼、镍、铂、银、锡、钨、锌。

非金属：硫、磷、碳、氯化物、氟化物、硼酸盐。

这里的“土”组其实都是氧化物，比如石灰就是氧化钙，而硅石就是二氧化硅，但是，以当时的条件，拉瓦锡无法把氧原子从化合物中提炼出来，独立认知相关元素。另一些假元素都在“非金属”组里，同样，拉瓦锡以当时的技术也无法把这些元素分离成氯、氟和硼等单个元素。在法国大革命期间，拉瓦锡成了让－保罗・马拉的敌人，最终因卷入国家税收丑闻，在 1794 年的“恐怖统治”期间被送上了断头台。法官宣布：“共和国不需要天才。”但就在 18 个月之后，革命政府就改口说，拉瓦锡其实被冤枉了。

之后，一位来自英国曼彻斯特的科学教师在此研究的基础上更进了一步。1805 年，约翰・道尔顿（John Dalton）向曼彻斯特文学和哲学学会递交了一份论文，解释了元素互相结合的各种方式，以及基本成分如何形成了不同重量。当时，大多数化学家认为原子太小了，没办法研究。但是道尔顿更具冒险精神，他提出了一个含有 20 种元素及其重量的表格，并标注了能表现它们如何组合的符号。物质由一幅幅图画来表现，还展现了其基本组成元素的图案。从这张元素表中，可以衍生出更多化合物：化合物 21 是水，被描述成 HO；化合物 22 是氨，被描述成 NH。这些表现形式就是如今尽人皆知的化学方程式的萌芽状态。

但是，道尔顿的符号过于复杂，无法使用。我们今天使用的化学符号来自瑞士化学家永斯・贝采利乌斯（Jöns Berzelius）[4]，他也是道尔顿的一位仰慕者 [5]。贝采利乌斯用元素名称（有时是拉丁文，有时甚至是阿拉伯文，比如钾）的首字母来简单标记元素，或者在容易出现歧义的情况下用两个字母来表示，比如 C 代表碳（carbon），而 Co 代表钴（cobalt）。将这些符号捆绑在一起，就可以表示化合物了，比如 H₂O。在 1835 年之后，这种表示法被大规模采用，最终还被用在表示化学反应的方程式中，比如 [6]：

CuSO₄ + 2HCl → H₂SO₄ + CuCl₂

道尔顿被化学语言产生的这种全新复杂性震惊了。在看了这个新方案之后，他说：“一个年轻的化学系学生恐怕必须学习希伯来语了。”新元素不断被发现，汉弗里・戴维（Humphry Davy）用电解法将拉瓦锡最初提出的“土组元素”分解成真实的元素。1863 年已经有超过 60 种元素。元素“大爆炸”是否有一个极限呢？

在当时，这确实是个吸引人的问题。如果有极限的话，元素数量有多少？什么因素才能真正决定这个极限？

在 19 世纪，很多人勇敢地尝试从元素重量、属性等角度对其进行分类。当时所有最优秀的化学家 [7] 都会建立一个类似的体系 [8]。但是，他们无一例外都被一位来自西伯利亚的俄国化学教授击败了。

迪米特里・伊万诺维奇・门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）于 1822 年出生在西伯利亚的托波尔斯克当地一所小学校长家中，他有 13 个兄弟姐妹。门捷列夫的母亲坚信这个儿子具有特殊的才能，应该接受所有可能的优质教育，所以，她把儿子送到了圣彼得堡上学。她是对的。在大学期间，门捷列夫的学习成绩一直名列前茅。之后，他去了法国工作，然后又去了德国海德堡，担任当时如日中天的德国化学家罗伯特・本生（Robert Bunsen）的助手。最终在 1867 年，门捷列夫回到了圣彼得堡，在大学担任化学教授 [9]。

1867 年春季的一天，门捷列夫因天气不佳待在家中，只好借机继续撰写一本名为《化学原理》的新教科书。他不知该如何展示和排列数量激增的元素及其属性。于是，他把每个元素的名字都写在一张卡片上，旁边还标注了相应元素的一些属性，以及氧化物和氢化物。然后，他开始用各种各样的方式排列卡片，试图找到一种模式：横排摆放具有相同化合价的元素，竖排按原子量降序排列元素。忽然，他发现了一种非常有特色的排列方式。他在一个旧信封的背面记下了结果，人们今天仍然可以在圣彼得堡见到这个信封 [10]。

接下来，门捷列夫发明了一个更简洁的版本。他把从锂到氟这头 7 个元素按照原子量递增的顺序横向排列 [11]，然后，从钠到氯这 7 个元素也按同样方式排列。于是，周期性出现了：在纵列里，两个化学性质相近的元素挨在一起，在 7 列条目中，第一列元素的主化合价是 1，下一列元素的主化合价是 2，然后分别是 3、4、3、1。接下来，门捷列夫很快发现，如果翻转表格，交换行与列，表格就会更清晰。我们现在也可以辨认出这一结果，尽管今天的表格里已经填充了很多新元素。

元素表一共有 8 列，或叫作 8 个周期。在 1870 年一次较大的完善工作中，门捷列夫把已知的 63 种元素分配到 12 行中，从氢开始，以铀结束，每个元素都被放置在化学性质相似的列中，并按原子量升序排列。

门捷列夫的表格所展示的成果有一个直觉上的重大贡献，即预测新元素的存在。他并没有像其他人那样，把所有已知元素都放在一个完整的元素周期表中。如果是亚里士多德，他肯定会这么干的。门捷列夫认为，如果周期表拥有一个合乎逻辑的结构，就意味着表里可能会存在空白。他推测，新元素会填充这些空白，利用表格的周期性可以预测原子量和原子的密度。在硼、铝、硅之下，他推测出 3 个“未发现”元素，将其命名为“类硼”“类铝”和“类硅”[12]。这 3 个元素之后被接连发现，而且其原子量和密度都与门捷列夫的预测一致：“类铝”在 1875 年于法国巴黎被发现，称为镓（gallium，拉丁语中的法国）；“类硼”于 1879 年在瑞典乌普萨拉被发现，称为钪（scandium，拉丁语中的斯堪的纳维亚）；“类硅”于 1886 年在德国弗莱贝格被发现，被称为锗（germanium，拉丁语中的德国）。

门捷列夫还预测出第四组中的新成员（钛），其原子量是 180 左右。这个元素最终于 1923 年在丹麦哥本哈根大学被发现，原子量为 178.5，命名为铪（hafnium，拉丁语中的哥本哈根）。

1893 年，门捷列夫成为俄国度量局的主管，并做出了令人钦佩的贡献。他正式定义了伏特加酒的成分：一分子的酒加两分子的水。分子量显示伏特加酒的组成是 38% 的酒精和 62% 的水。1894 年，俄国度量局发布的合法标准把这一数字略微调整到 40% 的酒精和 60% 的水。这是 80% 的美标酒度（proof，即 1 酒度等于酒精体积的 2 倍）。

对于门捷列夫的成就及其对同时期科学家产生的巨大影响，杰拉尔德・霍尔顿（Gerald Holton）曾有过这样的妙比：“这就像一位图书管理员把所有书放成一堆，挨个给它们称重，并按重量的升序将这些书排放在不同架子上。然后，他突然发现每个架子上的第一本都是关于艺术的，第二本是关于哲学的，第三本是关于科学的，第四本是关于经济的，以此类推。我们这位图书管理员可能并不明白这些规则的内在原理，但是，一旦发现其中一个架子上的书的顺序是‘艺术－科学－经济’，他就会在艺术书和科学书中间留一个空白，并开始寻找那本丢失的重量合适的哲学书。”[13]

我们从元素的一个属性中就能看出元素表的周期性，比如用原子体积除以原子量。这是由尤利乌斯・迈耶尔（Julius Meyer）在 1870 年最早发现的 [14]。碱金属出现在图表的最上端。

门捷列夫从没有声称自己理解这个表的结构和周期性的含义。这是一次直觉上的伟大飞跃。他相信，这些元素拥有一种内在的对称结构，但未曾想自己的表格还是一种方便的检索工具，最后使他做出极具戏剧性的发现和预测。虽然门捷列夫没能发现眼前这些元素的规律，但他知道这张表会帮助其他人来完成这件事。

这张周期表的现代版本 [15] 共分为 7 行（周期），每行分别放置了 2、8、8、18、18、32、32 个元素。在人们发现了原子的量子理论之后，这个模式就可以理解了。电子的量子波向本质意味着，只有整数倍波长才能让电子“装载”在周遭轨道上。周期表每行元素数量的增加，反映出每个原子的原子核周围轨道中的电子数量在增加。量子力学允许最内层轨道（称为壳层）含有两个电子，接着是 6 个，然后是 10 个和 14 个。

在由此得来的周期表中，每行中的元素数字就是在轨道上排满电子情况下的电子数，所以有 8 = 2 + 6，18 = 2 + 6 + 10，32 = 2 + 6 + 10 + 14。每行中的元素根据原子序数升序排列，而在每列中，元素根据相同最外层电子数排列，这样就得到了元素周期表的现代形式。在每一行，我们在轨道上规律地加入电子，直到满员，最终得到的就是位于元素周期表最右边的惰性（也就是不活泼）气体。然后，我们开启下一行，装填下一级的轨道。值得一提的是，门捷列夫在电子和质子被发现前就已经找到了这种模式。他研究了原子量（由元素原子核中的质子数决定）和化合价（由轨道上电子的完整度决定），并用这种简单方法找到了这两个化学性质的本质。

如今，门捷列夫的元素周期表出现在全世界每个化学实验室的墙壁上 [16]。看来，他母亲当年的决定是对的。

注释

• [1] EMSLEY J. Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford UP, 2003: 527.

• [2] LAVOISIER A. Traité élémentaire de chimie. 1789. 这是新化学的推广教材，多年里在化学教育中起着重要的作用。

• [3] 这让人联想起基本粒子的现代定义。当然，拉瓦锡并不知道原子的内部结构：由夸克组成的质子和中子组成了原子核，后者被电子包围。

• [4] BERZELIUS J J. “Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them”. Annals of Philosophy. 181(32): 443-454. Annals of Philosophy. 18(143): 51-52, 93-106, 244-255, 353-364. reproduced in D. M. Knight (ed.). Classical Scientific Papers. New York: American Elsevier, 1968.

• [5] 在 1804 年的伦敦，贝采利乌斯聆听了道尔顿在英国皇家科学院的一次演讲，并与之进行了讨论，由此了解了道尔顿的研究工作。

• [6] 方程式展现了硫酸铜（CuSO₄）与盐酸（HCl）结合制得硫酸（H₂SO₄）和氯化铜（CuCl₂）。

• [7] 其中，尤利乌斯・迈耶尔的研究也许最值得注意。在 1868 年，他绘制了 49 个元素的原子体积和原子量图，并发现了周期性变化。他准备了一篇论文供朋友评注，但遗憾的是，这位朋友回应迟钝，迟迟未能完成。结果，门捷列夫在迈耶尔之前发表了更全面的版本。

• [8] 1815 年，英国化学家威廉・普劳特（William Prout）设计了一个详细列表，其中所有元素都由氢制成，在 19 世纪，人们称之为“普劳特假说”。

• [9] POSIN D Q. Mendeleyev: The Story of a Great Scientist. New York: McGraw-Hill, 1948.

• [10] 在圣彼得堡国立大学门捷列夫博物馆和档案馆可以看到。

• [11] 氢气因其独特的性质而被排除，而稀有气体（如氦气）还尚未被发现。

• [12] 在希腊语中，前缀 eka 的意思是“跟随”。

• [13] HOLTON G. Introduction to Concepts and Theories in Physical Science. 2nd rev. ed with S. Brush. Princeton: Princeton UP, 1985: 337.

• [14] 固态和液态物质的原子体积等于原子量除以密度。

• [15] 别忘了，仍可能存在未发现的超重元素，这些元素是不稳定的，只存在短暂的时间。

• [16] 普里莫・莱维的名著《元素周期表》（LEVI P. The Periodic Table. London: Michael Joseph, 1985）讲述了作者自己非凡人生中的众多独特经历，他既是工业化学家，也是纳粹集中营的幸存者。不同章节描述了不同的事件和人物，而每个章节都以一个元素命名。比如，一位著名的意大利天体物理学家，即已故的尼科尔・达拉波尔塔（Nicolò Dallaporta）作为一名年轻助教出现在名为《钾》的章节里，这一章讲述了 1941 年的“的里雅斯特事件”。20 世纪 80 年代，我在的里雅斯特见到了达拉波尔塔。他与我的导师德尼・夏默（Dennis Sciama）都是意大利国际高等研究院（SISSA）的联席主管。因此，我有幸亲自确认了达拉波尔塔和 40 年前莱维认识的那位年轻人一样迷人、友好。我甚至发现，达拉波尔塔被一些意大利人昵称为“钾”，正是因为他在莱维的这本名著中扮演了重要角色。莱维曾说，在战争期间遭受监禁和酷刑时，认真研究元素周期表是他的一个重要心理慰藉。他知道，当施暴者颠倒黑白、企图篡改人类伦理标准时，他们却无法改变元素周期表里的事实 —— 这里有一块绝对真理的基石，没有人能够撼动。

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