門得列夫之夢—從鍊金術到週期表的誕生

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前言

這張十九世紀晚期的泛黃照片（下頁），拍的是俄國化學家門得列夫（Dmitri Mendeleyev）在聖彼得堡工作的情形。門得列夫矮小的身影坐在雜亂的書桌前，看起來就像是古代西伯利亞的巫師，錯來到巫師後裔在當代的住所││這位天才教授的書房。門得列夫蓄著一把蓬亂的白鬍子，鬍尖分為三撮，顯然是他在埋首苦思時，不自覺用手指理出來的形狀。蓬亂的頭髮垂到肩頭。門得列夫習慣一年只理一次頭髮。暖春來臨時，他會找當地的牧羊人，用羊毛剪理頭髮。正因為這頭著名的亂髮，蘇格蘭化學家拉姆賽爵士（Sir William Ramsay）才會將門得列夫描述為「一位奇特的外地人，頂上頭髮根根特立獨行」。拉姆賽以為門得列夫來自西伯利亞，是「卡爾馬克人（Kalmuch，譯註：住在高加索山和新疆北部的蒙古人），要不就是古怪的異域人士」。 照片中，門得列夫凝神專注在一張紙上，修長的手指捻著蘸水筆埋首疾書。除此之外，不規則的寬敞桌面上盡是一片凌亂││堆疊的文件、放在盤子上的馬克杯、許多用途不明的儀器，還有桌下架子裡隨意堆置的科學論文卷宗。 在門得列夫背後的書櫃上，擺著三排異常整齊的皮裝書，其中有一支貼著標籤的大鑰匙正垂在他頭上，彷彿是一種科學光環或一個驚嘆號。書櫃上方的花紋壁紙上，參差地懸掛著幾幅幽暗的畫，全是史上一些偉大科學家的畫像。伽利略、笛卡兒、牛頓與法拉第，從高處的昏暗之處，俯視著有著一頭蓬亂長髮的身影，埋首在這堆混亂中潦草書寫。 一八六九年，門得列夫為了化學元素的問題而絞盡腦汁。化學元素是構成宇宙語言的字母，當時已經發現六十三種不同的化學元素，包括自史前時代就已為人知的銅和金，以及最近在太陽大氣裡偵測到的銣。當時已知這些元素由不同的原子構成，而每種元素的原子各有其獨特的性質。此外，當時也發現有些元素的性質相仿，可以歸類為同一類族群。 構成不同元素的原子，其原子量也各不相同。最輕的元素是氫，原子量為一。當時已知最重的原子是鉛，並認為它的原子量是二○七。這代表元素可以根據遞增的原子量，以線性格式依序排列，或是根據相近的性質加以分類。當時已有數位科學家推測，這兩種分類法之間具有某種關聯性，其中隱藏著所有元素遵循的架構。 距當時十餘年前，達爾文發現所有生命依演化而發展。在更早的兩個世紀前，牛頓發現宇宙依重力而運行。化學元素是這兩項發現之間的重要關鍵。因此，元素結構的發現對化學的重要意義，就如同牛頓之於物理學，以及達爾文之於生物學的重要性一般。它可揭開宇宙的藍圖。 門得列夫很清楚自己這項研究的重要性。這可能是在未來的世紀中揭露物質終極祕密的第一步，即生命的基本模式，甚至可以解開宇宙的起源。 在牆上畫像中的哲學家與物理學家俯視下，門得列夫坐在書桌前，苦思這看似無解的問題。元素的重量不同，性質各異，可以編號排列或編組分類。但在這兩種模式之間，必然存有某種關聯。 當時，門得列夫是聖彼得堡大學的教授，因對元素的廣博知識而名聞遐邇。門得列夫對元素的了解，就好比校長了解學生一般，不管這些學生是脾氣暴躁、欺凌弱小、容易誘導、因不明原因而未能發揮潛力者，還是必須特別注意的危險份子，他都瞭若指掌。然而，儘管絞盡腦汁，他仍無法在它們多變的性質中找出一個全體適用的規律。這種規律勢必存在，科學宇宙不可能只是個別粒子的隨機集合，若是如此，就太不科學了。 一八六九年二月十七日，門得列夫的同事英諾斯特契夫（A. A. Inostrantzev）前去拜訪他，後來記述了那次會面的經過。他的記述內容兼具想像，也有添油加醋之嫌，但仍能提供一些背景細節。門得列夫對自己當時的工作情形與想法多有描述（不過略有不同）。 當時，門得列夫顯然一連苦思了三天，絞盡腦汁想解開元素的問題。不過他也知道自己的時間不多，因為那天他預定要搭早班火車，從莫斯科到他位於特維爾省（Tver）的鄉間宅第去。這位化學教授與特維爾省的「志願經濟合作社」（Voluntary Economic Cooperative）約好開會，預定要對當地的乳酪製造商代表發表演說，提供有關生產方法的意見，然後再一連考察當地的農場三天。他的木製行李箱早已打包，在大廳候著。從他書房的窗戶往外看，馬車已在街頭等候，馬車夫緊裹著大衣，在雪地裡跺足，可憐的老馬在寒冷中不斷噴著白霧般的鼻息。 不過，僕役可不敢打擾門得列夫，他的壞脾氣早已惡名遠播。據說有時候他在氣極時，真的會「跳腳」。不過，萬一他錯過火車又該如何？ 俄羅斯的科學發現心理學家克德洛夫（B. M. Kedrov），與其他評論門得列夫的人臆測，趕火車的急迫心情對門得列夫的思緒有一定的影響。也許正因如此，他才會產生白日夢般的靈感……從聖彼得堡到特維爾的漫長路程中，門得列夫經常靠玩紙牌來打發時間。他會把木行李箱放在膝間，然後拿出一副撲克牌，牌面朝下放著。就在銀樺、湖泊與長滿森林的山坡在車窗外呼嘯而過時，他開始三張三張地翻開紙牌。每逢碰到么點，他就將它抽出，按照花色依序排到旅行箱上：紅心、黑桃、方塊、梅花。然後他會繼續翻，牌也就一張張出現││紅心老K、紅心皇后、方塊老K、紅心J……慢慢地，這些牌會在箱子上往下排開。十、九、八……花色、遞減的數字。這種排列方式與元素的族群和有順序的原子數目相同！ 當天早上，門得列夫必定曾從書房門口喊來一位僕人，吩咐他打發掉等待的馬車。這位僕人告訴馬車夫，教授要改搭下午的火車。 門得列夫走回書桌前，開始在抽屜間翻找，最後抽出一疊白色紙卡（他在這麼做時，也許還聽到馬車的鈴鐺聲緩緩消逝在遠方落雪繽紛的迷霧間）。他在一張張空白的卡片上，先寫下元素的化學符號，再列出它的原子量，最後是簡短的特性描述。寫完六十三張卡片後，他把它們面朝上地散放在桌面上。 他注視著這些卡片，若有所思地用手指梳理鬍尖。他專注地研究眼前的卡片很長一段時間，思緒在半夢半醒之間漂浮，遺忘了現實世界，但他還是找不出整體適用的模式。 過了一個小時左右，他決定採取另一種方法。他將卡片收拾起來開始分組，又過了一段漫長的時間，他因疲累而不停地眨眼。最後在失望之餘，他決定嘗試最明顯的方法，依照原子量的順序排列卡片。不過，這麼做不可能產生什麼結果。所有人都曾試過這種方法。何況，重量只是一種物理性質，而他要尋找的是將化學性質串連起來的模式。這時，他開始打瞌睡，就在即將入睡、頭往卡片傾倒之際，他又突然止住。他隱約察覺到馬車好像還在窗外等候。它還在那裡嗎？還是走了又回來？這麼快嗎？趕搭下午火車的時間到了嗎？這是最後一班車，他可不能再錯過。 就在再次掃視依遞增的原子量排列的紙片時，門得列夫突然注意到一件讓他心跳加速的事。這些元素似乎會在有規則的數字間隔後，重複出現類似的性質。有眉目了！但究竟是什麼呢？剛開始，這些間隔似乎存有某種規律性，但接下來這種模式似乎又不再存在。雖然如此，門得列夫仍相信他即將有重大的突破。這其間一定隱含著某種模式，只是他還未能充分掌握……門得列夫終於抵擋不住倦意的侵襲，蓬鬆的頭往前傾，埋在手臂之間。他幾乎立即睡著，而且做了一個夢。

前言

這張十九世紀晚期的泛黃照片（下頁），拍的是俄國化學家門得列夫（Dmitri Mendeleyev）在聖彼得堡工作的情形。門得列夫矮小的身影坐在雜亂的書桌前，看起來就像是古代西伯利亞的巫師，錯來到巫師後裔在當代的住所││這位天才教授的書房。門得列夫蓄著一把蓬亂的白鬍子，鬍尖分為三撮，顯然是他在埋首苦思時，不自覺用手指理出來的形狀。蓬亂的頭髮垂到肩頭。門得列夫習慣一年只理一次頭髮。暖春來臨時，他會找當地的牧羊人，用羊毛剪理頭髮。正因為這頭著名的亂髮，蘇格蘭化學家拉姆賽爵士（Sir William Ramsay）才會將門得列夫描...