關於弗里曼·戴森、鎘估算以及化學的樂趣

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硫化鎘粉末;溶液具有更深、更鮮豔的黃色(圖片來源:維基百科 commons)

弗里曼·戴森是我的英雄,他在漫長而富有成果的一生中做了很多有趣的事情。 如果你看看他驚人地多樣化的著作或演講,很容易把他誤認為是一位科學哲學家。 但正如他兩年前在一次漫長、一對一、充滿智慧的午餐討論中親口對我說的那樣,很多人認為談論宏觀圖景就會自動讓人成為哲學家。 戴森確實寫了很多關於宏觀圖景主題的文章,從生命的起源到太空殖民。 但他也堅持認為,他始終首先是一位問題解決者,一個對細節比對宏大理論更感興趣的人。 他所能編織的任何哲學都建立在解決具體技術問題的基礎上。 他在從核宇宙飛船到核反應堆等高技術工程專案上的工作部分證明了這一點。

這種品質會使戴森在化學家的陪伴中感到非常自在,因為化學就其本質而言更像是一門解決問題的學科,而不是像宇宙學或進化生物學那樣的哲學追求。 我很好奇戴森對化學的看法,因為雖然他對幾乎所有可以想象到的話題都有想法,但我真的找不到他關於化學的任何東西,除了他在《今日物理》上對諾貝爾獎得主羅爾德·霍夫曼的優秀著作《相同與不同》的書評。

然後我想起幾年前我在一個名為故事網路的網站上找到的戴森訪談的優秀合集。 對於科學史愛好者來說,這個網站是必看的。 它收錄了來自不同學科的眾多著名科學家、人文主義者和藝術家的訪談。 這些訪談最棒的地方在於它們是漫長而詳細的,而不是兩分鐘的聲音片段; 每次訪談總共持續幾個小時,涵蓋了受訪者一生中最重大的事件,因此您可以真正感受到傑出思想家的生活和工作。 在戴森的一次訪談中,我很高興找到了這個

“我想談談化學,我最近認識了羅爾德·霍夫曼,他是一位寫詩的化學家,也是一個偉人,他對化學的態度和我一樣。 我的意思是,它是細節之美,而不是任何宏大的理論。 從這個意義上說,它與物理學非常不同,而我對它有一種品味。 我的品味總是更傾向於細節而不是宏觀圖景...

...我從克里斯托弗·朗格-希金斯那裡學習了化學,他已經是一位比埃裡克·詹姆斯(戴森在溫切斯特學院的化學老師)更專業的專家,並且對化學更感興趣。 我記得克里斯托弗帶到溫切斯特一些他製作的四碘化錫晶體,那是種最奇妙的東西。 它是一種鮮豔的猩紅色,可以形成這些美麗的猩紅色晶體,而且它們也非常重。 如果你有一個裝滿它的小瓶子,感覺就像鉛一樣。 所以我發現那種化學很令人愉快,只是實際物質的細節,而不是其背後的理論。

我記得有一次威拉德·利比來普林斯頓訪問,還帶來了一小瓶化學物質,也很重,那是氙酸鋇,也就是氙氧化鋇,這當然是一個絕對的啟示,因為沒有人想到氙作為一種惰性氣體能有化合物。 這些化合物是在 20 世紀 50 年代左右被發現的,而氙酸鋇只是一種非常普通的物質。 它是一種重而白色的晶體,完全穩定,沒有任何奇怪的跡象,它就在那裡。 如果你加熱它們,氙氣當然會冒出來……”

所以,我認為戴森會感覺自己像一個化學家一樣自在。 化學家們沉迷於解決特定的問題。 並不是說他們不關心一般原理。 每隔一段時間,就會出現像萊納斯·鮑林或阿爾弗雷德·維爾納這樣的人物,將不同的線索編織成一個整潔的上層結構。 但絕大多數的化學工作都包括慶祝天然和合成分子中固有的結構和功能的多樣性。 戴森提出的觀點是一個顯而易見且重要的觀點,但它經常在文學和電影中常見的化學家冒著泡沫液體和結晶彩色固體的陳詞濫調的漫畫中丟失。 但正是這些冒著泡沫的液體和彩色固體賦予了化學一種明顯的現實感,而這種現實感在更理論化的科學中常常是缺失的。

一個個人的題外話。 我記得本科化學實驗室的一個插曲,我們應該從溶液中估算兩種未知的金屬離子。 在嘗試了書中的所有測試之後,我們只能檢測到銅。 另一種離子仍然是個謎,我們最終放棄了。 這時,導師揭示了他的訣竅。 事實證明,我們使用的銅估算方法涉及用鹽酸將溶液高度酸化。 導師面帶微笑,將一滴濃酸溶液滴入一個大燒瓶中,然後將燒瓶注滿水,將初始溶液稀釋至少一萬倍。 我們的眼睛緊盯著燒瓶,當他將硫化氫氣體通入溶液時。 然後,從底部開始,一直上升到頂部,燒瓶充滿了我見過的最美麗的黃色; 那是我永遠不會忘記的景象。 發生的事情是,鎘僅在稀酸性溶液中以硫化鎘的形式沉澱出來,而對於銅來說則相反。 我們所有在濃酸中檢測銅的測試都錯過了隱藏的鎘,直到它準備好透過簡單的稀釋來揭開面紗。

每一位化學家都熟悉這種發現未知事物的感受,無論它多麼微不足道或重要,它都真實存在; 如果它具有鮮豔的猩紅色或洪亮的黃色,那就更好了,化學中通常就是這種情況。 戴森說得對,拿著一瓶以前被認為是不可能的東西,會有一種明確的、不容置疑的——真實的——令人安心的感覺。

偉大的有機化學家羅伯特·伯恩斯·伍德沃德談到了化學的這種非常真實的品質,這幫助他在十幾歲時在化學和數學之間做出選擇

“事實是,我一直非常喜歡數學——有一段時間,我甚至考慮過放棄化學而選擇數學。 我非常享受它的概念美和形式美,以及它的關係和轉化的精確性和優雅性。 那麼,我為什麼沒有屈服於它的魅力呢? 我相信有兩個原因

第一,因為總的來說,數學缺乏感官元素,而感官元素在我對化學的吸引力中起著如此重要的作用。 我喜歡晶體,它們形式的美麗——以及它們的形成; 液體,休眠的、蒸餾的、晃動的!; 煙霧; 氣味——好的和壞的; 彩虹般的色彩; 閃閃發光的容器,各種尺寸、形狀和用途。 無論我多麼思考化學,如果沒有這些物理的、視覺的、有形的、感官的東西,它對我來說就不存在。

第二,雖然在數學中,大概一個人的想象力可以不受限制地馳騁,但在化學中,一個人的想法,無論它們本身多麼美麗、合乎邏輯、優雅、富有想象力,如果它們實際上不適用於我們擁有的唯一物理環境,就毫無價值——簡而言之,它們只有在奏效時才好! 我個人非常享受這種物理約束對幻想提出的非常特殊的挑戰”

伍德沃德研究化學的第二個理由觸及了經驗科學的本質,理查德·費曼稱之為“緊身衣中的想象力”。 這是一種驅動所有科學的哲學,包括最稀有的理論思想。 物理學家經常喜歡講述愛因斯坦感到“內心有什麼東西斷裂了”的故事,當時他看到廣義相對論的預測被對水星近日點的觀測證實。 當一個偉大的理論構建被一個可以歸結為一個數字的真實觀測所驗證時,他肯定感受到了那種罕見的、一生一次的滿足感。 我們傾向於將愛因斯坦視為偉大的科學家-哲學家,但他當時對一個技術細節感到欣喜若狂,而這個技術細節是他傑作的關鍵部分。 觀察氙酸鋇或沉澱鎘不如證實相對論那樣重要,但我很容易想象,如果有人向我展示那種化學證據,我會感到脊背發涼。 這種證據似乎違背了不可能,但我仍然可以把它握在手中並放在壁櫥裡。 這就是化學的樂趣。

這是在好奇的波函式上發表的帖子的更新和修訂版本。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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