书坊｜从炼金术到元素周期表：跨越千年的“寻宝”之旅

文｜悦迪

老师严肃地宣布：新学期要正式学习化学了，请各位同学熟悉元素周期表，最好能完整背诵它。这是大多数人第一次接触化学这门学科的场景。“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖”，这张表格是人类理性与自然规律结合的产物，是宇宙秩序的完美化身。

然而，人类究竟是如何发现元素的？在门捷列夫之前，人类要用什么样的符号或名字来称呼元素？化学究竟是什么？这是个跨越千年的漫长故事。英国作家保罗·斯特拉森所著的《门捷列夫之梦：从炼金术到元素周期表》，带我们回溯历史长河，见证了这张化学史上的巅峰之作诞生的全过程。

《门捷列夫之梦：从炼金术到元素周期表》

[英]保罗·斯特拉森 著

王加祥 译

上海译文出版社

1

从假说到炼金术

人们聊到伟大的数学家时，常会说起欧拉的美丽公式、高斯尺规作图画正十七边形、阿基米德的尤里卡时刻。聊到伟大的物理学家时，也常会为如何给牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、海森堡等大佬排座次而兴奋不已。但聊到伟大的化学家时，大脑似乎很容易卡壳，除了门捷列夫、居里夫人之外，几乎空空如也。

显然，化学并不是一门知识从天而降的学科。《门捷列夫之梦》把时间倒回到2500年前。彼时，古希腊哲学家们凭借观察和思考，已开始对世界本源“元素”的探寻。

2500年前，古希腊哲学家泰勒斯在米利都的山坡上散步，看到岩石里的贝壳化石，灵光一闪：世界最初可能全由水组成，他被认为是第一个用理性思考世界的哲学家。泰勒斯最后因为太专注看星星，失足摔下悬崖，成了哲学家总是“心不在焉”的代名词。

他的学生阿那克西美尼则认为，通过凝结就能变成水、土和石头的气，才是世界的基础。赫拉克利特进一步提出：世界处于永恒变化之中，火是宇宙的基本秩序。笃信火焰的赫拉克利特，晚年得了浮肿病，他把自己埋在牛粪堆里，希望借用温热排出体内积水，结果中毒而亡。

影响最深远的理论，由恩培多克勒提出，他认为世界由土、气、火、水四种元素构成。“四元素说”在实用方面有一定价值，因为它大致对应了固态、气态、液态和能量。恩培多克勒对此深信不疑，为了向追随者证明自己不朽，他纵身跳进了埃特纳火山的火山口，再也没出来。在“四元素说”的指引下，人类也像走进了一条无法回头的思想死胡同，一走就是两千年。

如果说哲学家沉迷于疯狂的猜想，那炼金术士则开始大胆地实践。不过，中世纪流行的是炼金术，它更像是玄学，而非科学。

炼金术士们将希腊哲学与古埃及的神秘技艺结合起来，他们的目标很直接：将贱金属转化为黄金，并找到能赋予永生、包治百病的“哲人石”或“长生不老药”。听起来异想天开，但正是这些想法推动了化学的进步。

在炼金术最鼎盛的阿拉伯世界，炼金术士们致力于将金属分解，并以“适当的比例”重组成黄金，他们在实验室的烟雾与蒸气中摸索，最终发现了硫酸、浓硝酸等强酸，以及酒精。这些发现，让化学拥有了真正的“试剂”，为后来科学实验奠定了基础。

《门捷列夫之梦》认为，在那个时代，人类作为一个整体，恰好处于“青少年时期”，对一切充满了好奇。炼金术士们的狂热，折射出人类内心深处无法抑制的求知欲与好奇心。而他们的失败和意外发现，又让人看到科学的魅力在于不断试错。科学不怕走弯路，每一次错误的尝试，都在为揭开谜底积攒经验。

2

告别玄学

科学并不总是光鲜亮丽的胜利。科学家们也会犯错，甚至固执地坚持错误，或者误入歧途，但正是这些曲折，让化学从迷雾中逐渐清晰。化学史就像一部侦探小说，充满了意想不到的转折。

随着科学启蒙的到来，化学终于逐渐摆脱了玄学的标签，科学家们开始系统地寻找元素。

罗伯特·波义耳第一次清晰定义了什么是元素：“原始的、简单的或完全未经混合的物质……既不是由任何其他物质构成，也不是由彼此构成。”他提出，任何不能被分解成更简单物质的物质就是元素。他用紫罗兰糖浆区分了酸和碱，让化学拥有了分析工具。

亨尼格·布兰德在蒸馏了五十桶人类尿液之后，意外地分离出了此前从未在地球上以单质状态存在的磷。卡尔·舍勒这位命运多舛的天才药剂师，一生中发现的元素，比历史上任何一位科学家都多，包括氯、钡、钼等，甚至独立制备了氧气，却因为出版商的失误而错失了优先权。拉瓦锡这位“化学界的牛顿”，坚持用天平进行精确测量，他证明了水不会变成土，并彻底推翻了统治化学界一个世纪的“燃素理论”。他证明燃烧是物质与他命名为氧气的物质结合的过程。

这是一个听起来很“科学”的理论。拉瓦锡为化学这门学科带来了前所未有的革命，但他本人却在另一场革命里丧生。1789年7月14日，巴黎人民攻占了巴士底狱，法国大革命爆发，拉瓦锡被当成旧时代的落后分子送上了断头台。法国数学家约瑟夫·拉格朗日得知这一消息时，留下了一句令人心酸的评论：“只要一分钟就能砍掉的那颗头，再过一百年可能也长不出一个类似的。”

化学家们开始用更精确的方法探索元素，试图找到隐藏在它们背后的规律，找到一个像牛顿的“万有引力”、达尔文的“进化论”那样强有力的理论，把已经发现的５７种元素统一在一起。

德国化学教授德贝赖纳发现某些三组元素，例如氯、溴、碘，不仅性质相似，而且中间元素的原子量，恰好是另外两种元素的平均值。他据此提出了“三元组定律”，可惜这个定律只适用于极少数元素，看起来像是巧合。

法国学者德尚古尔多阿同时精通地质学与化学，他将元素按原子量螺旋排列在一个圆柱体上，发现性质相似的元素总是垂直对齐，他把这个现象命名为“地螺旋”。然而，由于他在出版这个理论时，使用了太过晦涩的地质学术语，而且出版商忘记了把那张最为关键的螺旋图印在书里，德尚古尔多阿的天才发现几乎无人问津。

“地螺旋”提出的几乎同一时间，英国化学家纽兰兹发现，如果元素按原子量排列，每隔八个元素性质就会重复，就像音乐的八度音阶。他向伦敦化学学会报告“八音律”，却遭到无情的嘲笑。

这些勇敢而失败的尝试，共同证明了一点：元素间必然存在某种内在的秩序。虽然他们的尝试都以失败告终，却为门捷列夫的伟大发现铺平了道路。

3

亦幻亦真的梦

1869年的一个清晨，圣彼得堡，一个留着蓬乱白胡须的化学家正坐在书桌前，手指梳理着胡须末端，盯着桌上散落的卡片，苦思着如何破解宇宙的密码。这个人就是德米特里·门捷列夫，元素周期表的创造者。门捷列夫的书房桌上堆满纸张、杯子和不明仪器，这位教授脾气暴躁，连仆人都不敢打扰他。

门捷列夫出生在西伯利亚，曾是多子女家庭的幼子，经历过父亲失明、辗转流浪求学的困境，甚至被诊断出肺结核，却奇迹般地痊愈。《门捷列夫之梦》认为，在如此坎坷的命运里存活下来，门捷列夫似乎注定是那个肩负起化学“全村的希望”的人。

1869年初，门捷列夫正在撰写他的巨著《化学原理》，他必须找到一个基本原则，来系统地排列当时已知的６３种元素。在堆满杂物的书桌前，他已经冥思苦想了三天三夜。“这一切已经在我的脑子里成形了，”他痛苦地抱怨，“但我就是无法表达出来”。

时间紧迫，他还得赶火车去乡村开会。受到他常玩的“纸牌接龙”的启发，他将每种元素的符号、原子量和关键性质写在卡片上，在桌面上铺展开。他意识到，元素的排列规律与纸牌游戏相似：按相似性质分组，然后在组内按原子量排序。红桃、黑桃、方块、梅花，变成了卤素、氧族、氮族等。

在极度疲惫中，他趴在卡片堆上睡着了，随后便做了那个著名的梦。“我在梦中看到一张表，所有元素都按要求排列在一起。醒来后，我立即将它记录在纸上。”门捷列夫很快发表了这项划时代的发现。元素周期表纵向按原子量递增排列元素，横向将性质相似的元素归为一组。这张表的伟大之处，不在于它排列了已知的元素，而在于它大胆地给尚未发现的元素也留下了空位。门捷列夫预测了尚未发现的元素，例如“类铝”，甚至详细预测了其原子量和比重。

仅仅几年后，法国化学家勒科克·德布瓦博德兰发现了镓，其性质与门捷列夫对“类铝”的预测完全吻合。随后，德国化学家克莱门斯·温克勒发现了锗，其性质也与门捷列夫对“类硅”的预测精确匹配。至此，再无人怀疑元素周期律的普遍性和正确性。化学终于找到了它的核心理论基础。

在此后一个多世纪里，元素周期表经历了几次调整和重新排列，但都无可争议地保留了门捷列夫创立的基本结构。在门捷列夫推测的地方，核物理学已经通过最精密的实验证据，提供了一个整体解释。

1955年，第101号元素被发现，并被正式列入元素周期表。为纪念门捷列夫的伟大成就，该元素被命名为“钔”。在《门捷列夫之梦》看来，考虑到这种元素本身并不稳定，极易自发裂变，作为纪念，可谓恰如其分。

今天，门捷列夫梦到元素周期表的传奇故事为世人津津乐道，它似乎暗示，伟大的科学发现来自灵光一现。实际上，门捷列夫的成功，建立在人类近2500年的艰难探索、混沌积累与反复失败之上。它源于泰勒斯近乎直觉的设想，炼金术士对黄金的疯狂，以及拉瓦锡对精密仪器的执着。它也受益于三元组、地螺旋和八音律这些被人嘲笑、被出版商遗忘的“失败者”。

正如《门捷列夫之梦》结尾所说，化学的进步不是摘果实，人们无法通过按部就班的研究接近化学的本质。化学的进步也不是孤立的智力游戏，而是时代文明的共振。一张元素周期表背后，藏着人类对未知世界的好奇和探索。