炼金术何时变成了科学

奶酪制造商们也许没有意识到，但全世界其他人都应当永远心存感激。

那是1869年2月17日，俄国化学家门捷列夫本来预定要去圣彼得堡一家奶酪厂做些咨询工作，但他取消了行程，在家里兴奋地写着什么。到了晚上，他已经勾勒出了历史上最成功的科学理论之一“元素周期表”的框架。

门捷列夫的灵光一现是数个世纪以来试图理解和控制物质变化过程的努力的顶点。蜡烛燃烧时发生了什么？为什么一撮盐放入水中搅拌之后会消失？铅可以变成黄金吗？我们现在认为这些问题属于化学领域，化学通常被看作一门相当乏味和严肃的科学。但它的前身并非如此。

最早的几步是古希腊哲学家迈出的。亚里士多德断言，万物都由四种元素组成：土、火、气和水。物质的特性取决于其所含元素的比例。比如，金属由水和土组成，但如果对其加热，其中一些土会转化为火。

金属和染料

亚里士多德于公元前322年逝世，十年之前，亚历山大大帝征服了埃及，建立了新的首都亚历山大里亚。沉浸在亚里士多德哲学中的工匠们开始涉足冶金和染料制作。他们称自己的技艺为khymeia，意为“铸在一起”。这个传统后来传到了伊斯兰学者那里，他们称之为al-khimya。这些知识最终传到了中世纪的欧洲，当时修习魔法的人用神秘主义思想将其包裹起来，称其为炼金术（alchemy）或化学（chymie）。

炼金术士的主要目标是哲人石，这种物质可以将贱金属转变为金和银，还能包治百病，使人长生不老。炼金术士们同时也是工匠，擅长操纵和转化物质，生产药物、玻璃和炸药。

但炼金术并不是一门科学。转折点出现在1661年。当时，哲学家罗伯特·波义耳出版了一部开创性的著作——《怀疑的化学家》，将新的科学方法应用于化学。波义耳认为，不能仅仅断言物质由四种元素组成，而要用可重复的实验来证明这一点。

驯化元素

法国贵族安托万·拉瓦锡完成了这项任务。他接受了波义耳的挑战，开始寻找元素，并将其定义为任何不可再分的东西。1789年，拉瓦锡发表了一份包含33种“元素”的清单，其中许多正是我们现在所理解的元素。没过多久，又有许多元素被发现。每种元素都有自己独一无二的原子，元素相互结合形成化合物，这样的观点渐渐流行起来。

到了门捷列夫的时代，已经有63种元素为人所知。门捷列夫的突破在于按照原子量对这些元素进行分组，从而揭示出元素性质的一些样式。例如，第一主族都是遇水会发生剧烈反应的软金属。第七主族包括氟、氯和溴等气体，都是由两个原子组成的分子。这并不是唯一的样式。在每一主族内部，随着原子量的增加，元素的活性也会发生变化。在第一主族中，活性随着原子量的增加而升高。第七主族的情况则相反。

元素周期表是化学的统一理论。它不仅可以解释观察结果，还可以做出预测。如果尚未发现具有恰当性质的元素，门捷列夫就大胆留出空位，并声称会发现新的元素来填充它。他是正确的。例如，硅后面有一处空白，门捷列夫称之为“准硅”。15年后，德国化学家克莱门斯·温克勒发现了它，将其命名为“锗”。

牛顿的魔法

欧洲中世纪的炼金术士队伍中不仅有神秘主义者，还有受人尊敬的学者。其中最受尊敬的便是艾萨克·牛顿。17世纪80年代，牛顿写了一本名为《化学索引》的炼金术术语词典。

我们心目中的伟大科学家竟然会受胡言乱语的蛊惑，这似乎很奇怪。但在当时，科学与魔法之间并无明确区分。不过，到1727年牛顿去世时，炼金术已经成为一种黑魔法。牛顿留下了大量尚未发表的笔记和文稿，其中许多都是关于炼金术的。皇家学会会员托马斯·佩雷特整理牛顿的遗著时，决定隐瞒这些东西，将其标注为“不宜发表”。

现代炼金术

人们很快就发现，电子是这些样式背后的原因。电子于1896年被发现，10年之后，汉斯·盖革和恩斯特·马斯登做了那个判决性的实验。他们朝一片金箔发射了一束氦原子核。出人意料的是，很多原子核直接穿透了金箔，由此可以推论，金原子基本上是空的。他们解释说，电子围绕原子核旋转，两者之间是大片的空无。这个解释后来被证明本质上是正确的。

电子轨道解释了元素的化学和物理性质。例如，原子活性取决于原子获得或失去电子的难易程度。

但电子是一把双刃剑。它引入的规律性，或者说化学家用来理解其效应的权宜之计，只是一种近似的东西。事实上，电子是性质古怪的量子对象：它们可以同时处在两个位置，或者“隧”穿空间。

随着量子革命的进一步发展，科学家们开始探究原子核的内部细节。他们的一项关键发现是，元素可以通过核反应相互“转化”，这似乎有悖于化学定律。没人提到炼金术，不过，1951年，化学家格伦·西博格将一块贱金属铋变成了金。