千年梦想石头变金何曾见一朝点破原子本性各不同

第二回　千年梦想石头变金何曾见一朝点破原子本性各不同——原子论的创立

各位读者，前面我们讲了一个化学家戴维的故事。可是这戴维身为化学家，手中却操的是物理学的武器，就像那林冲反倒借了李逵的斧子。戴维借了刚刚出现不久的电学这把利斧，在还是一片荒芜的化学世界里，噼噼啪啪地一阵乱砍，终于拓出一条条小路，找见了钾，找见了钠，找见了钡、镁、钙、锶等元素。就在这挥斧拓荒的途中，他还收了一个徒弟法拉第。谁知这徒弟并不注意师傅每天砍什么树，却十分注意那把砍树的大斧。就这样他对电一路研究下去，居然又拓疆扩地闯入一个电磁王国，而且他也扯起帅旗招来了麦克斯韦、赫兹、马可尼几员大将，浩浩荡荡拉起一支电磁学大军。这支大军一路冲杀下来，横穿19世纪，直勒马在20世纪的大门，好不威风。

兵分几路各表一支。我们暂先按下电学那路人马，回过头来还从化学说起。再说那戴维自从借得电学大斧后，许多复合物在电斧下都被分解出来，他一路砍得性起，后来连硫、磷、碳、氮这些毫无问题的元素也要砍上几斧，希望再砍出几个新元素来，其结果当然是失败了。这便又生出一个问题，什么物质还能分解开来？什么物质不易再分？若要一直分下去，又会分成什么样子？而这又回到古代哲人提的那个“世界是什么”的老问题上来了。

世界是什么？凡人睁开眼看到天地万物便不觉想寻根究底。三千年前中国古代学者认为世界大概是金、木、水、火、土这五种“元素”组成的。它们相互搭配，所以世界就出现千差万别。古希腊学者泰勒斯（前624—前547）曾推断水为万物之源，只有湿润才能生万物，物质由水而来，又化水而去。稍后的希腊学者赫拉克利特（前535—前475）又提出火是万物的基础，世界不过是一团燃烧着的永恒的火。毕达哥拉斯（前582—前500）则认为数是万物之源，不过这已有点儿神秘了。这些古希腊学者中最有学问的要算德谟克里特（前460—前370）了。他认为事物的本源是原子的排列。它们所以有形态、颜色、味道等许多的不同，那是因为组成它们的原子大小、形状及排列方式不同。这个猜想真还想到了最要紧之处。它的出发点是唯物的，就是要沿着事物本身去寻根究底。与此同时，我国战国时期也出现类似的思想，墨翟就提出物质微粒说，他称之为“端”，而在《墨子》中已论述到物质无限可分的思想了：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”即你拿一根短棍，今天取一半，明天取一半，后天再切一半，这样一直切下去，那是永远切不完的。

可是正当德谟克里特刚提出原子说要接触到世界的本质时，希腊又出现了一个学者叫亚里士多德（前384—前322），他认为世界是由火、空气、水、土四种“元素”组成的，而每种“元素”又都表现为热、冷、湿、干，一种元素通过热、冷、湿、干的变化就可以过渡而成另一种元素。亚里士多德当时是学术界的最高权威，神圣不可侵犯，他的思想竟统治世界一千来年。这种元素能互变的思想，比起原子论当然是一种退步，而且无论在中国、外国，它又引出一种炼金术来。许多炼丹术士，梦想能炼出长生不老的金丹。就是那雄才大略的秦始皇、汉武帝也都受骗上当，在这方面花费了许多钱财。他们也总梦想点石成金，经过一烧一炼，将普通的铜铁炼成贵重的黄金。从公元前二三世纪开始希腊就有人干这些蠢事，竟一直延续到18世纪，许多君王都想通过这来解决他们的财政问题。一直到1782年，英国科学已很发达，出现了牛顿、戴维，出现了皇家学会，也还有人在做这个梦。有一天英皇乔治三世在宫里闷坐，正为日渐拮据的财政发愁，忽有人来访，说他能点铁成金，而且还带来了黄金样品。英皇一听，连忙召见，来人捧上样品，真个沉甸甸，黄灿灿，耀人眼目。英皇忙问，怎么个炼法。来人称：“臣自幼学习化学，现是皇家学会会员。现在所用炼金之法，并不像古术士那样火烧顽石，而是用最新化学方法使几种元素参加化学反应生成黄金。”英皇一听，又是皇家学会会员，又是最新方法，面前又摆着这一堆真金，喜得君颜大开，忙命收下样品，并通知牛津大学授他一个博士学位。谁知这事惹起牛津大学和皇家学会的教授学者们的激烈争议，有人说也许真能点铁成金，有人说根本是异想天开，争论的结果还是请这位18世纪的术士当众一试。那人也慨然应允，约好日期，他去准备。到那天，观众到齐，人们到实验室请他出台，谁知一推房门，他已伏在桌子上服毒身死。他本是自欺欺人，现在当然过不了这一关。只好一死了之。

却说化学就是这样在浑浑噩噩中摸索。有时柳暗花明，有时山重水复。直到英国出了个波义耳，才推翻了亚里士多德的“四元素”说，确立了元素的科学概念。法国出了个拉瓦锡又推翻了“燃素说”，确立了氧化的科学思想，而且排出了最初的元素表。看来物质确实是可以越分越细的。就像力学在伽利略之后要有牛顿、电学在法拉第之后要有麦克斯韦，这化学也着实需要一个人出来在理论上概括一下了。

正是：

众人摸索千百年，窗纸只待一人点。

历史宠爱幸运者，勿将机遇来轻看。

各位读者，你道这个赶上机遇的幸运者是谁？他是英国一个教会中学的普通教员道尔顿（1766—1844）。

这道尔顿出生于一个贫寒的农民家庭，只读过几年小学就在家种地，但他顽强自学，1780年时终受聘到肯达尔城的一所教会中学任教。你想这个道尔顿在乡间耕锄之余还要寻书觅字，现在进了城更是如鱼入海，终日访贤问能，汲取知识。一日他听说城东住着一个叫约翰·戈夫的老人极是博学，便去造访。他轻轻叩门，里面一个苍老的声音应声道：“请进！”他推开门，只见迎窗背门坐着一位老者满头白发，听见有人进来也不转身，问道：“你是谁？”

“先生，我是约翰·道尔顿，刚来的中学教员。”

“找我有什么事吗？”老人回过头来。

道尔顿这才看清，他已经双目失明，忙回答：“向您请教一点儿数学、化学方面的学问。”

“我能感觉到你很激动。大概是没想到我是个瞎老头吧。”

这老头虽是双目失明，感觉却十分敏锐。他转过椅子和道尔顿攀谈起来，不一会儿两人就成了好朋友。他们谈天说地，从数学说到物理，说到天文，说到化学，谈到高兴处，老人站起来走到一张大桌旁要给道尔顿亲自做几个实验。只见他伸手抽出一只试管，又从架上拿下一只瓶子倒出一点儿药粉，装入管内，又嚓地一声，划火柴点着酒精灯，将试管移向灯头加热，准备水缸，收集蒸汽，又测比重，又测压力。那双手熟练得他用什么物件，恰如那物件就正等在那里。那双眼倒不像是失明了，而是一个明眼人干这种事干得太熟了，懒得睁眼去看。道尔顿在一旁看得屏气凝神，真没想到此时会有这么一个奇人。实验做完他连忙请教老人何以有这样高超的技艺。老人答：“一是靠熟练，二是靠细心，要干的事没有不成。”自此道尔顿就常来请教，约翰·戈夫老年无后也就以子相待，倾其胸中才学，教他希腊文、拉丁文、法文和物理、化学、数学。道尔顿在这个小城市教中学12年，倒跟这位盲老人补习了大学的全部课程。各位读者，也不要只说是道尔顿赶上了历史的机遇，你想与他同时的人何止千万，而像他这等见缝插针、自学自强的人却着实不多，原来机遇却又是专奖给那些经过苦苦追求的人。

道尔顿经约翰·戈夫指点，积十二年之功，已经是学富五车，才思敏捷，更可喜的是养成了一个勤观察爱思考的好习惯。他有一次为孝敬老母买了一条长筒袜子送回家里，不想老母一见立即不悦道：“孩子，就算你有孝心吧，也不能让我这样的年纪穿这樱桃红的艳色袜子去教堂做礼拜吧。”这一句话把道尔顿说得丈二和尚摸不着头脑。他说：“这明明是正合你老人家穿的深蓝色嘛，怎么会是樱桃红呢？”在场的人见状都哈哈大笑。后来道尔顿又拿各种颜色纸让他的学生去认，终于他成了第一个发现和研究色盲的人。于是他专门就此写了论文，并且留下遗嘱，死后请将自己的眼球拿去解剖，好探清色盲的原因。

道尔顿除研究色盲外，最长期的大量的工作就是观察天气，他一生记了20万条观察记录，直到临死前的15分钟还记了一条：今日微雨。他的生活极有规律，每天8点起床，先生好实验室的火炉，然后吃早饭，整个上午做实验，下午1点吃饭，然后再在实验室工作到5点，喝茶，再干到晚上9点，吃饭，休息。他在观察天气时对空气发生了兴趣。空气是那么自由均匀地流动，而盛在容器里，又给容器壁均匀的压强。他工作累了，在炉边喝茶时，那茶香又均匀地飘散到整个房间。看来气体是些极小的微粒，要不它怎能这样自由地、匀称地溶融呢？他想起德谟克里特的关于原子的设想，看来有一点儿道理。不过那毕竟还是一种哲学的推测，要变成化学的原子论，自然还得经过化学实验的验证。但是在无数次实验中，道尔顿早就发现这种元素的结合总是按一定的比例，比如把氢气和氧气放在一起化合，总是两份氢气和一份氧气结合成水。要是氢气用完了，氧气还有剩余，它永远也只能是氧气而不可能硬挤到水里去。这样，一个伟大的思想产生了，他在1808年终于写成《化学哲学的新体系》一书。指出：“化学的分解和化合所能做到的，充其量只是使原子彼此分离和再结合起来。物质的新的创造和毁灭，却不是化学作用所可能做到的。其所以不可能，正如我们不可能在太阳系中放进一颗新的行星或消灭一颗现存的行星那样，或者正如我们不可能创造出或消灭掉一个氢原子一样。”就是说物质各由各自的原子组成，想把铁原子变成金原子是办不到的，千百年来那些梦想炼铁成金的人，不知个中底细，就这样一代一代地炼啊，炼啊，你想怎能不是一场空梦？

既然元素的原子各自不同，那么它的重量一定不同。但你想那原子何等的小，后来人们才知道，它的直径只有一亿分之一到一亿分之四厘米。拿五十万个原子摆在一根细头发丝的直径上也能放下，而一个原子的质量也只有一百万亿亿分之一克（10-23克）。道尔顿当时自然不能拿杆秤去称它一下，但是聪明的道尔顿却想出一个妙法，根据各种元素在化合反应时的比例，选择最轻的氢，定它的原子量为l，以它为基准，其他元素是氢的几倍就是它的原子量。各位读者可能还记得，开普勒寻找行星间的运动规律，当然也不能用尺去量它们之间的距离。这真是任你小到再小，大到再大，秤不能称，尺不能量，可是人的思维却无孔不入，无远不至，轻而易举地解决了问题。这道尔顿在1803年9月6日就用他的这种办法，很快列出了化学史上第一张有6种简单原子和15种化合物原子的原子量表。为了区分这些各不相同的原子，道尔顿制定了一套元素的符号表。道尔顿一下子成了名人。他并不注重名誉，但是戴维不和他商量就把他吸收为皇家学会会员。英国政府授予他金质奖章，柏林科学院授予他名誉院士，法国科学院授予他名誉院士。

正是：

无意逐利利上门，不想求名名自来。

现在道尔顿开始走出那间拥挤的实验室，到欧洲各国去游历。但他不像当年戴维那样，马车里有一个漂亮的妇人陪伴。他还是孤身一人，并且终身未娶。别人问他为什么不结婚，他用手指指脑袋说：“这里面让化学反应装满了，也就再装不下一个妻子。”

1822年，道尔顿出游来到法国。这法国当时也有一位名气极大的化学家叫盖吕萨克（1778—1850）。他盛情接待道尔顿，请他参观实验室，出席讲座，参加宴会。就在访问结束的那天，盖吕萨克又把道尔顿请到实验室里，说是请求指导一下实验。这实验说来极普通，就是氢氧化合成水。他取了两升的氢和一升的氧混在烧瓶内，密封燃烧，生成了水蒸气，一量，得到的水蒸气是两升。这时盖吕萨克说：“道尔顿先生，我们都认为同体积气体的原子数相同，那么你看刚才的反应是两个氢原子加一个氧原子生成了两个‘水原子’，这样一来岂不是每个‘水原子’里只能含有一份氢原子、半份氧原子了吗？按照你的原子论，原子是化学反应中最小的不可分的单位，这‘半个’又怎样解释呢？”

道尔顿的原子论问世以来已成功地解释了不少化学现象，比如反应物都成整数比，成整倍数等，今天盖吕萨克突然提出“半个原子”的问题，叫他一下摸不着头脑。连日来只是听着恭维、祝贺、夸奖之词，现在突然被人将了一军，一时无法下台。他拍拍脑门，又看看烧瓶，只觉汗从额头出，话却无处寻。究竟道尔顿如何收场，且听下回分解。