化學羅曼史:德米特里·門捷列夫的愛情,第一部分

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這位將宇宙中所有已知元素系統化的科學家,即將為了愛情放棄一切。1881年4月,德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫因其創造的元素週期表而享譽國際,該週期表揭示了所有物質背後簡單而優雅的結構,但他準備自殺,除非他愛的女人同意嫁給他。

安娜·伊萬諾夫娜·彼得羅娃,一位來自俄羅斯南部烏留平斯卡婭小哥薩克村的二十歲藝術學生,在過去的三年裡已經拒絕了他兩次。現在,這位著名的科學家追隨她來到羅馬,安娜的父親送她到那裡學習(也為了讓她遠離門捷列夫的追求,畢竟,門捷列夫已經四十七歲,並且有配偶和兩個十幾歲的孩子)。但是,這位對科學充滿熱情,驅使他駕馭原子價奧秘的男人,最終被他無法控制的人類化學元素所壓倒。

當然,德米特里·門捷列夫本不應該活到可以自殺的地步。將近三十年前,1855年6月7日,濃密的黑雲像“厚厚的哀悼帷幔”一樣充滿了聖彼得堡的天空。涅瓦河對岸,聖艾薩克大教堂的鐘聲在其金色的圓頂下響起,宣佈皇室遊艇及其隨行的葬禮隊伍的到來。從他在聖彼得堡國立大學的病房裡,門捷列夫本可以看到沙皇尼古拉一世的棺材被運送到尚未完工的東正教教堂中,兩側是戴著紫色天鵝絨主教冠的主教們。沙皇因克里米亞戰爭期間感染的疾病而突然去世,這給了門捷列夫充分的機會思考自己即將到來的死亡。


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由於經常出現肺結核和“咯血”的併發症,醫生告訴這位年輕的化學學生,他只有很短的時間可以活了。他只是在等待那個夏天晚些時候前往更乾燥的氣候,以及他可能倖存下來的渺茫機會。值得注意的是,門捷列夫避開了奪走他母親和姐姐生命的相同命運,完成了他關於化學同構的論文。他因這項新生研究獲得了金獎,並開始了一段科學軌跡,很少有人能想象其攀升可能會下降。

在完全晉升為聖彼得堡國立大學普通化學教授之後,並因當時沒有關於該主題的俄羅斯教科書而感到沮喪,門捷列夫決定自己寫一本。他的《化學原理》共四卷,耗時三年完成,採用了一種個人化的、對話式的風格,直接與讀者對話,以便他能夠正確地傳達在實驗室工作中必要的證據,更重要的是,科學過程的哲學基礎。

他寫道:“實驗和實踐資料佔有一席之地,但哲學原理構成了這項工作的主要主題。” 對於門捷列夫來說,科學不僅僅是一種實用的工具,它還是一種激情和創造力的旅程,他在他所有的科學交流中都強調了這一點。

我一直努力在讀者中激發一種探究精神,這種精神不滿足於單純的推理性推理,應該將每一個想法都付諸實驗,鼓勵堅持不懈的工作習慣,並激發尋找新的證據鏈,以完成通往無底洞未知領域的橋樑。

這正是他在課堂上與學生分享的批判性探究精神,他的演講之後會得到他專注的聽眾的“雷鳴般的掌聲”

他的學生V.E. Grum-Grzhimailo 寫道:“在整個講座中,[門捷列夫]教我們如何觀察日常生活中的現象,以及如何理解它們... 他將自己觀察和思考的技巧傳授給他的學生,這是任何書籍都無法給予的。”

但是,門捷列夫用化學成分來解釋物質現實的整體方法並不總是受到他的大學同事的歡迎。有些人認為“他有太多的想法,[而]在涉及狹窄的特定問題時,他缺乏耐心。” 當時普遍的方法是透過記憶既定的真理來教授科學,就像門捷列夫小時候因背誦拉丁動詞不正確而受到懲罰一樣。

英國諾貝爾獎得主化學家歐內斯特·盧瑟福勳爵後來評論說:“[他]那個時代的化學家更多地是忙於增加化學事實,而不是推測它們之間的關係。” 但正是門捷列夫將實證方法與推測性本質獨特結合,才促使他構想出對化學證據的新穎解釋。

1869年,化學家面臨的核心問題是,當時已知有63種元素(今天有118種,但只有94種是天然存在的),但對於可以觀察到的元素組之間的清晰模式,沒有解釋。這63種元素(如鉛、氮或碳)是無法分解成更簡單物質的物質。例如,在古代,人們認為水是一種元素,但透過將電力透過水蒸氣,每個分子會分解成兩個氫原子和一個氧原子(H2O),而這兩個原子都無法進一步還原。這些元素中的許多都顯示出週期性,或圍繞某些特徵(如沸點和原子量)聚集,這表明存在潛在的結構。識別這種結構成為門捷列夫的痴迷。

門捷列夫認為需要解釋的一個奇怪的模式是,當一個元素的原子量增加時,與之結合的氧原子數量也會增加。但這並不像質量增加那樣簡單地增加價鍵的數量。例如,鈉的原子量為23,價數為1,與原子量為39的鉀相同。但似乎存在一個以8個為一組的模式。增加原子量,價數也會隨之增加,直到達到第八個元素,價數模式才會重新開始。門捷列夫根據對原子量的仔細測量和對這些價鍵(以及其他週期性模式)的實驗,試圖排列這些元素,以便所有已知的相似性都聚集在一起。在1869年2月的連續三天裡,他幾乎不停地工作,構建了一個複雜的拼圖遊戲,其中三分之一的碎片缺失,許多其他碎片嚴重變形。

然而,這個他稱之為週期律的關鍵之處在於,它做出了具體的預測。門捷列夫確信存在尚未被發現的元素,他故意在他的表中留下了空白。他預測應該有原子量約為44、70和72的額外未識別元素,以填補他模型中的空白。在接下來的幾年裡,所有三種假設元素都按照他的預測被精確地發現(後來被命名為鈧、鎵和鍺)。透過結合精確的測量和創造性的洞察力,門捷列夫在現實的結構中感知到了秩序。

當安娜·彼得羅娃第一次見到這個最終將與她的人生碰撞的男人時,他正處於國際聲望的頂峰。她不可能知道,就在門捷列夫的科學遺產被確立的時候,他的個人生活已經開始瓦解。

. . . 待續。

About Eric Michael Johnson

I grew up in an old house in Forest Ranch, California as the eldest of four boys. I would take all day hikes with my cat in the canyon just below our property, and the neighbor kids taught me to shoot a bow and arrow. I always loved reading and wrote short stories, poems, and screenplays that I would force my brothers to star in. A chance encounter with a filmmaker from Cameroon sent me to Paris as his assistant and I stayed on to hitchhike across Europe. Nearly a year later, I found myself outside a Greek Orthodox Church with thirty Albanian and Macedonian migrants as we looked for work picking potatoes.

After my next year of college I moved to Los Angeles to study screenwriting and film production. My love of international cinema deepened into larger questions about the origins of human societies and cultures. I entered graduate school with a background in anthropology and biology, joining the world-renowned department of Evolutionary Anthropology at Duke University to pursue a PhD in great ape behavioral ecology. But larger questions concerning the history and sociology of scientific ideas cut my empirical research short. I am now completing a dissertation at University of British Columbia on the intersection between evolutionary biology and politics in England, Europe, and Russia in the nineteenth century. In 2011 I met the economist and Nobel Laureate Amartya Sen whose work inspired my award-winning research.

My writing has always been a labor of love and a journey unto itself. I have written about the hilarity that ensues once electrodes are stuck into your medial ventral prefrontal cortex for Discover, the joy of penis-fencing with the endangered bonobo for Wildlife Conservation, and the "killer-ape" myth of human origins from Shakespeare's The Tempest to Kubrick's 2001: A Space Odyssey for Times Higher Education. My work has appeared online for Wired, PLoS Blogs, Psychology Today, Huffington Post, SEED, ScienceBlogs, Nature Network and a host of independent science related websites. I have appeared four times in The Open Laboratory collection of the year's best online science writing and was selected the same number as a finalist for the Quark Science Prize, though better writers have always prevailed. I am currently working on my first book.

If I am not engaged in a writing or research project I spend time with my young son, Sagan. Whenever I get the chance I go on backpacking trips in the mountains of British Columbia or catch the latest film from Zhang Yimou, the Coen Brothers, or Deepa Mehta. To this day one of my favorite passages ever written is from Henry David Thoreau's Walden where he describes an epic battle between ants in Concord, an injured soldier limping forward as the still living heads of his enemies cling to his legs and thorax "like ghastly trophies at his saddle-bow." Thoreau helped fugitive slaves to escape while he mused on the wonder and strange beauty of the natural world. Not a bad way to spend an afternoon.

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