門得列夫的夢：從四元素、煉金術到週期表，跨越2500年的化學與人類思想演進的故事

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這是我讀過關於週期表這個主題最棒的書籍。它幫助我們理解週期表的組成過程以及為何如此有用。同時，這本書還提供新科學發展過程的有趣觀察。化學的歷史不僅展示科學的進展，同時也是一部人類思想演進史。──比爾．蓋茲（Bill Gates）

第一章　話說從頭(摘錄)

那個讓門得列夫苦思不得其解的問題究竟是什麼呢？要瞭解這個問題，就有必要一探科學思想的源頭。而這個人類進步的源頭，可以很明確地指向一個時間點—兩千五百年前的古希臘。真正科學思想的起源，一般都歸功於泰利斯（Thales），他生活在西元前六世紀，居住於米利都（Miletus）這座位於希臘愛奧尼亞（Ionia）海邊的城市（現屬土耳其西南部）。

在這個時期，這些說著古希臘語的人們住在沿著整座愛琴海（Aegean）多礁岩岸零星分布的島嶼和幾座與外界孤立的平原上。就因為這樣破碎分散的地理形勢，造成古希臘人的世界裡幾座島國和城邦總是爭戰不斷，也讓他們在整個地中海地區建立了一整個由許多貿易聚落所形成的網路。在這段期間，乃至整個古希臘文明最輝煌的時期，古希臘人之間唯一共通的地方只有語言，這一點可以從他們連居住的地方地名都沒有共同的名稱就知道。之所以後來會被通稱為古希臘，那是古羅馬人取的，他們稱古希臘人居住的那個地方為「葛雷西亞」（Graecia），但古希臘人自稱「Hellenes」（音譯為希臘，來自古色薩利〔Thessaly〕一個不為人知部落首長的名字Hellen）。後世學者認為，古希臘人可能不是單一種族，而是由數個同樣講著古希臘語、有著共同文化和宗教信仰的不同種族所組成。

為什麼人類是在這個地區開始用理性的科學方法思考事情呢？這個問題始終難以解答。早在古希臘之前一千多年前的巴比倫人和古埃及人都已經發展出擁有先進思想的優越文明。巴比倫的占星學家會站在金字塔形的神廟高台上觀測夜空，辨視星子的行進模式，畫出其橫越天空的軌跡。尼羅河每年定期氾濫，水退後，古埃及的司書會前往尼羅河谷重新計算退潮後所留下的大片沃土泥地面積，以便法老重新把土地分配給農民，而其所使用的計算單位精準到三百分之一。古巴比倫人和古埃及人這樣先進的觀星和度量手法，屬於其社會階級中祭司的職責，因此這些技術方面的能力以及由此所衍生的理論性推斷能力，都屬於宗教活動中的一環。技術科學和宗教神學密不可分—衍生出相信數字中藏有魔法以及星星在天上的移動與人間命運息息相關這類的想法。這樣的迷信直到現在還存在，才會有「幸運數字」和「星座」這類的說法。

與此相比，古希臘人的信仰則是個笑話，希臘眾神高居奧林帕斯神山上，不乏行為不檢、喝酒喧鬧、偷腥劈腿之流。在麥錫尼文明崩壞後，緊接而來的中世紀黑暗年代，古希臘信仰始終沒有走出這個幼稚階段；這麼一個擁有像是漫畫書一般滑稽信仰的文明，很難想像會產生稍微帶有科學概念的嚴肅思想。

但沒想到這卻是科學思想降生的關鍵時刻。當人類對科學的好奇心最早在古希臘開始蠢蠢欲動時，它沒有受到宗教信仰的半點影響。所以它無需遵奉任何已然根深蒂固的神學思想、也無需為了可以進入某個虛幻極樂世界的目的服務。這個科學的念頭純然無拘無束──唯一綁縛它的只有理性，以及它所面對的世界真實面。

據說，泰利斯喜歡在米利都附近的山丘散步。我們可以想像那情景：從山上遠眺，腳下是沐浴在耀眼陽光中的海港城市米利都，其潔白無瑕的大理石柱和棋盤狀的街道，宛如雕刻在蛋殼上的微型畫，既精緻又脆弱。往北可以看到港灣和海岬延伸至亞洲大陸，平靜無波的藍色愛琴海遼闊無際，遠方的小島在熱氣中朦朧可見。此時， 或許一艘風帆垂萎的商船剛從米利都在尼羅河三角洲、黑海或西西里島的某個海外據點歸來，停泊在無風的海灣中──它甚至最遠曾航行至西班牙的直布羅陀銀礦區。

當泰利斯沿著山邊小徑行走時，他注意到有些岩石裡頭明顯含著海貝的化石，這讓他意識到這些山丘從前一定是在海裡的。他更因此猜想，我們的世界從前可能原本都是水，進而斷言水是生成萬物的基本元素。正因為這樣，米利都的泰利斯被公認為歷史上第一位哲學家。是史冊上第一位具備科學思維的人物。

在古代，科學是屬於哲學的一個範疇──日後因此被稱為「自然哲學」。泰利斯的思想之所以可以稱得上是科學，是因為它為結論提供了證據。而它之所以算是哲學，則是因為這個結論是以推理的方式達成的：過程中沒有求助於神明或是任何神秘的超自然力量。他的論據完全植基在這個真實世界之中，從這裡面他搜集到足以證明或推翻這個結論的證據。

我們對米利都的泰利斯所知甚少。據說他曾預言了一次日蝕，我們現在推算得到這個時間是在西元前五百八十五年，而這也成了我們唯一足以證明他存活年代的證據。另一個傳說則說他因為研究星象而跌落山崖：這成了後代對這位哲學家印象最深的代表意象。但泰利斯並不是像這個描述那般傻呼呼。曾有人問他，如果他真的那麼聰明，那為什麼會那麼窮？他說要變有錢哪有什麼難的，然後就證明給大家看。他算準了這一季的橄欖會豐收，就將當地所有的榨橄欖油機都租來。結果橄欖真的大豐收，而因為他獨佔了所有的榨油機，所有人都要跟他租用機具，讓他得以任意開價，大發利市。

泰利斯這種新型態哲學思維說有多重要就有多重要，整個西方文明就植基在這之上。以現代的眼光來看，這種新型態的思維方式，本身就必須在一些預設的基本前提下進行。這些基本前提決定了所獲得知識的形式和內容，而且在接下來的兩千五百年來裡也都一樣。這些前提是日後所有科學思想的基礎。泰利斯問了這樣的問題： 「為什麼世間萬物會是這個樣子？」而在他回答前，他已經設好了答案的框架，其前提必須是論及組成世界的基礎物質。他的另一個前提是，世界萬物之間存在一個共通性。但所有前提中最重要的一個是，這個問題必然能找到答案，而且這個答案還能夠以可面對檢驗的理論形式提出—理論一詞也出自古希臘文，意謂「檢視、思酌與推測。」

一些未經證實的野史告訴我們，泰利斯是因為看到了在當時海平面上存在著海貝化石而提出他的理論，但讓他產生這樣推論的背後成因肯定不只如此。他一定也看過從安納托利亞（Anatolian）山丘升起的霧氣到高空後形成雲朵、也看過雨水自愛琴海上空的暴雨雲落下。潮濕的空氣由地面升起、然後凝結為水。就在米利都北方兩英里外，有一條大河蜿蜒流過遼闊的平原後流入大海。（這條河在古代就名為米安德〔Meander〕，也就是英文現在「meander」〔蜿蜒〕一詞的由來。）泰利斯肯定也看過米安德河慢慢乾涸淤塞的情形：原本的河水變成爛泥滿地。他肯定也到過附近山上的泉水：地面變出水來。講到這裡，大家就不難想像泰利斯是如何想出萬物皆由水所構成的想法。但第一個把這一切未知想出這番道理來的人，肯定擁有驚人的想像力。

第一章　話說從頭(摘錄)

那個讓門得列夫苦思不得其解的問題究竟是什麼呢？要瞭解這個問題，就有必要一探科學思想的源頭。而這個人類進步的源頭，可以很明確地指向一個時間點—兩千五百年前的古希臘。真正科學思想的起源，一般都歸功於泰利斯（Thales），他生活在西元前六世紀，居住於米利都（Miletus）這座位於希臘愛奧尼亞（Ionia）海邊的城市（現屬土耳其西南部）。

在這個時期，這些說著古希臘語的人們住在沿著整座愛琴海（Aegean）多礁岩岸零星分布的島嶼和幾座與外界孤立的平原上。就因為這樣破碎分散的地理形勢，造成古希臘人...

俄國化學家門得列夫（Dmitri Mendeleyev）有一張攝於十九世紀末的照片，褪色的照片拍於聖彼得堡，呈現他工作時的樣貌。照片中門得列夫有點像是花園裝飾小矮人，有副討喜的模樣，眼前的大桌子相當凌亂。乍看之下，他還真有點像西伯利亞的傳統巫醫，只差身處的環境不是西伯利亞野外，而是這位天才教授的研究室，這裡是這位現代版巫醫的書房。照片中看得出門得列夫一嘴桀驁不馴的大鬍子，鬍尖分成三縷，顯然是他聚精會神思考時習慣用手掐捻鬍子造成的。瞧他一頭乖張的頭髮長及兩肩，他習慣一年只剪一次頭髮。每年春日回暖時，他會找來當地牧羊人用羊毛剪來為他剪頭髮。這頭招牌髮型，被蘇格蘭化學家威廉．拉姆齊爵士（Sir William Ramsay）形容為「作風奇特的外國人，頭上每根毛髮都自成一家。」拉姆齊因此猜測門得列夫是來自西伯利亞，可能是「卡爾梅克（Kalmuch）族，或是類似的化外民族。」

照片中門得列夫正聚精會神端詳著一張紙，用他長長的手指拎著蘸水筆書寫。偌大的桌面一片凌亂，堆放著成疊的紙張、杯子與盤子、一些不知用途的儀器，桌子下方的櫃子裡則堆了成疊的科學文件。

門得列夫背後書架上三排精裝本書籍， 倒是出人意外擺放得整整齊齊。在兩個書櫃中間則有一把上有標籤的大鑰匙，宛如他頭上的一道科學聖人光環，或者一個驚嘆號（我想到了！）。書架上方暗處，舊式花紋壁紙上參差不齊地掛著裱框的肖像，都是過往的偉大科學家。伽利略、笛卡兒、牛頓和法拉第，從上方暗處看著下方在凌亂桌面上奮筆疾書、一頭亂髮的科學界後輩。

一八六九年，門得列夫苦思化學元素的問題但不得其解。化學元素就像是拼寫出我們世界的字母一樣，靠著它們才能寫作出世界上那些優美的化學詩篇。在那時，人類已經發現了六十三個化學元素。其中銅和金在史前時代已經為人類所知，銣（rubidium）則是當時才剛從太陽的大氣層中驗出來的。當時的人已經知道，這六十三個元素各由不同的原子所組成，而每個元素的原子都有其不同的化學性質。但是， 這當中的有些元素之間，卻有稍微相似的性質，可以形成一個類別。

組成不同元素的原子也有著不同重量。最輕的元素是氫，其原子量是一。當時所知最重的元素是鉛，其原子量是二○七。也就是說，可以照各元素的原子量依大小排列。另一個排列法則是將元素依其性質分類。當時有些科學家已經進一步推測，會不會這兩種分類方式之間有某關連性存在—所有的元素，都由一種看不到的結構所連貫而成。

就在這之前不到十年的時間，達爾文才剛發現所有的生命體，都是依演化的方式形成的。再早兩百年前，牛頓則發現了我們的宇宙依萬有引力運作。化學元素正是串連起兩者最重要的那個關鍵。若能發現元素排列的結構，那對於化學的意義，就如同牛頓萬有引力之於物理、達爾文演化論之於生物學一樣。建構宇宙的藍圖將得以揭露。

門得列夫深明這份研究的重要性。

這將會成為未來數百年許多新發現的第一步，包括物質的終極秘密、生命建構的模式、甚至是宇宙的源起。

坐在辦公桌前，背後滿是歷代哲學家和自然科學家的照片，門得列夫不斷思索著這個讓他百思不得其解的問題。各元素有著不同的重量。也有著不同的性質。既可以依重量排列、也可以依性質分類。這兩種不同的模式之間肯定有什麼關連存在。

身為聖彼得堡大學的化學教授，門得列夫素以其對元素的淵博知識聞名。他對每個元素的瞭解，就像小學校校長瞭解他的學生一樣—哪幾個一湊在一起就吵架、哪些會欺負人、哪些很聽話、哪些有潛能有待發掘、哪些又是要時時盯著以免惹禍。但儘管他對各個元素瞭解這麼深入，卻還是無法從它們多變的性質之間找到一個貫通所有元素的通則。但他深深相信這通則肯定在的，只是不知道在哪。宇宙一切都符合科學，不可能是由許多不同粒子任意結合所構成。這完全不符合科學。

一八六九年二月十七日，門得列夫的同事伊諾斯特蘭傑夫（A. A. Inostrantzev） 上門造訪，他記載了這次會面的過程。但因為是事後所寫，所以添加了一些想像和附會的成分，不過還是可以讓我們深入瞭解當時的一些細節。門得列夫自己也留下不少（和上述不太一樣）的紀錄，談及他當時的工作和想法。

很顯然，門得列夫在那段期間有將近三天的時間幾乎不眠不休、為了元素這個問題想破了腦袋。但他也知道時間不多了。同一天他已經排好計畫，得趕一早的火車，從莫斯科火車站出發前往他位於特維爾（Tver）省的鄉間小莊園。這位化學教授要和特維爾省的志願經濟合作社（Voluntary Economic Cooperative）開會。他也會對當地一群起司農代表團演講，針對起司生產方式給予建議，之後則會有三天時間視察當地農場。他的木製行李箱已經打包好，擺在大廳。從他書房的窗戶可以看到來接他的馬拉雪橇也在街上等候著，馬車伕全身裹得緊緊在雪地上跺著腳，口裡碎碎念地抱怨，在冷空氣中變成白煙飄散。

但家裡的傭人不敢打擾門得列夫，他的壞脾氣是出了名的，有時候甚至會氣到跳腳。但要是害他因此搭不上火車那他會不會更氣？

包括俄國心理學家凱卓夫（B. M. Kedrov）在內的門得列夫的評論家們推測， 正是這迫切想要搭上火車的壓力，對門得列夫勾勒週期表產生了影響。很可能就是這個事件，讓他從馳騁的白日夢之中，獲得了靈感……在從聖彼得堡到特維爾這漫長的火車旅途中，門得列夫經常為了打發時間玩起撲克牌接龍（patience）。他會把那只木製行李箱夾在雙腳中間，然後把牌面朝下。隨著窗外銀樺木、湖泊、山丘一一往後飛逝，他將紙牌三張、三張地翻開來。翻到A時，就會將之單獨抽出來，然後放在行李箱面的最上緣，以便形成一組十三張牌：紅心、黑桃、方塊、梅花。然後他繼續翻牌—需要的牌色就會一一出現。紅心K（13）、紅心Q（12）、方塊K、紅心J（11）以此類推……慢慢地，各色牌組就會依序而降排列在行李箱上。10、9、8……成為一組。這就跟元素依原子量跟類型排列一樣！

那天早上，門得列夫肯定吩咐了傭人，將外頭等候的馬拉雪橇取消。因為傭人隨後就告訴駕車的人，教授要改搭下午的火車。

門得列夫交待完後又回到座位上，在抽屜裡翻翻找找，最後拿出一疊白色紙牌。與此同時，他應該依稀聽到馬拉雪橇的叮噹聲消失在白雪靄靄的遠方。門得列夫在這些空白的紙牌上一一標記。他先逐一寫下化學元素的符號，再在每張元素卡上寫下其相對重量，以及該元素的性質。當他把全部六十三個元素寫在六十三張卡片上後，他將牌面向下蓋在桌面上。

他看著牌，一邊捻著自己的大鬍子、一邊沉思，就這麼沉浸在這片紙牌陣中，各種思緒和胡思亂想接連出現，對外在世界渾然不關心，但還是能夠察覺外界動靜。

大約一小時後，他決定改變策略。他把這些牌聚在一起，然後一組一組地排好。他再次陷入與外面隔絕的長考中；這時他的眼睛已經因為疲倦開始不聽使喚地一直闔上了。最後，他在無可奈何下，只好選了最直接的排列方式，依照原子量從重往輕排列。但這樣排一定排不出究竟的啊，因為其他研究者也都排過了。更何況，重量只是物理特性。他想要找的，是化學特性之間的模式。他開始打起瞌睡來，頭一直點個不停，他撐著睡意，卻還是克制不住地一直倒向眼前紙牌。他似乎注意到窗外等候的雪橇。它一直在那嗎？還是之前走了現在又回來呢？這麼快嗎？是不是該去搭下午那班火車了？那是當天最後一班車，他不能再錯過。

當門得列夫的目光再次沿著原子量逐漸增加的那排序列移動時，他突然注意到一個東西，頓時讓他心跳加快了起來。他注意到，看似規律的元素重量排列中，會有某些性質一再重複出現。這裡頭一定有什麼！但是什麼呢？這些數字的排列一開始似乎相當規律，但之後這個規律卻消失了。但越觀察門得列夫就越有把握，自己應該快要有重大的突破。這裡頭似乎有個明確的模式存在，只是他一直摸不透……因為實在太累了，門得列夫趴到桌上，枕著手臂睡了。他很快沉入夢鄉，並作了一個夢。

俄國化學家門得列夫（Dmitri Mendeleyev）有一張攝於十九世紀末的照片，褪色的照片拍於聖彼得堡，呈現他工作時的樣貌。照片中門得列夫有點像是花園裝飾小矮人，有副討喜的模樣，眼前的大桌子相當凌亂。乍看之下，他還真有點像西伯利亞的傳統巫醫，只差身處的環境不是西伯利亞野外，而是這位天才教授的研究室，這裡是這位現代版巫醫的書房。照片中看得出門得列夫一嘴桀驁不馴的大鬍子，鬍尖分成三縷，顯然是他聚精會神思考時習慣用手掐捻鬍子造成的。瞧他一頭乖張的頭髮長及兩肩，他習慣一年只剪一次頭髮。每年春日回暖時，他會找來當地牧羊...

前言
第一章 話說從頭
第二章 煉金之術
第三章 天才與胡言亂語
第四章 帕拉塞爾瑟斯
第五章 嘗試與錯誤
第六章 科學的元素
第七章 浴火重生的科學
第八章 前所未見
第九章 燃素之謎
第十章 破解燃素之謎
第十一章 化學方程式
第十二章 尋找看不到的結構
第十三章 門得列夫
第十四章 週期表
延伸閱讀

前言
第一章 話說從頭
第二章 煉金之術
第三章 天才與胡言亂語
第四章 帕拉塞爾瑟斯
第五章 嘗試與錯誤
第六章 科學的元素
第七章 浴火重生的科學
第八章 前所未見
第九章 燃素之謎
第十章 破解燃素之謎
第十一章 化學方程式
第十二章 尋找看不到的結構
第十三章 門得列夫
第十四章 週期表
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