第六章 下降的階梯
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一、希臘觀念
我們在分析物體的性質時，不妨先從某個&ldquo正常大小&rdquo的熟悉物體開始，然後再一步步進入其内部結構，以尋求目力所不及的所有物質性質的最終來源。
讓我們先從一碗端上餐桌的蛤肉雜燴湯開始讨論。
我們之所以選擇蛤肉雜燴湯，與其說是因為它味道鮮美、營養豐富，不如說是因為它是所謂混合物的一個很好的例子。
不借助顯微鏡就可以看出，它是由許多不同成分混合而成的：蛤蜊片、洋蔥絲、番茄塊、芹菜段、土豆丁、胡椒粒、肥肉末，所有這一切都混在鹽水裡。
我們在日常生活中遇到的物質（尤其是有機物）大都是混合物，不過在許多情況下，我們需要借助顯微鏡才能認識這一點。
例如，用低倍放大鏡就能看到，牛奶是小滴奶油懸浮在一種均勻的白色液體中而形成的乳狀液。
普通的土壤是一種精細的混合物，其中含有石灰石、高嶺土、石英、鐵的氧化物、其他礦物質、鹽類以及由腐爛的動植物所形成的有機物質。
如果把一塊普通的花崗岩表面磨光，我們便立即可以看出，這塊石頭是由三種不同的物質（石英、長石和雲母）的小結晶體牢固結合而成的一個堅實的東西。
在我們對物質内部結構的研究中，混合物的構成隻是這座下降階梯的第一級，接下來我們可以對組成混合物的每一種純淨成分進行直接研究。
對于像一根銅絲、一杯水或室内空氣（當然，懸浮的灰塵不予考慮）這樣真正純淨的物質，用顯微鏡是顯示不出有什麼不同成分的，這些材料自始至終都顯得是連續的。
誠然，銅絲乃至幾乎任何固體（除了由不結晶的玻璃材料所組成的那些固體）經過高倍放大都會顯示出一種所謂的粗晶結構，但是在純淨物中，我們看到的晶體卻都是同樣本性的&mdash&mdash銅絲中是銅晶體，鋁鍋中是鋁晶體，等等，就像在食鹽中隻能找到氯化鈉晶體一樣。
通過使用慢結晶這種專門技術，我們可以把食鹽、銅、鋁或任何其他純淨物的晶體增加到任何尺寸，每一小塊這樣的&ldquo單晶&rdquo物質都會完全同質，就像水或玻璃一樣。
根據用肉眼和最精密的顯微鏡所作的這些觀察結果，我們能否正當地假設這些所謂的純淨物無論放大到何種程度都不變樣呢？換句話說，我們能否認為，一塊銅、一粒鹽、一滴水無論多麼小，它們的性質都和大塊兒完全一樣，而且總能進一步分割成更小的部分呢？ 第一個提出并試圖回答這個問題的人是希臘哲學家德谟克利特（Democritus），他生活在大約2300年前的雅典。
他對這個問題的回答是否定的。
他更傾向于相信，某種物質無論看起來多麼同質，都必定是由大量（他并不知道量有多大）很小（他也不知道有多小）的粒子構成的。
他把這些粒子稱為&ldquo原子&rdquo，意思是&ldquo不可分者&rdquo。
不同物質中原子的數目雖然有所不同，但物質性質的差異僅僅是表面的，而不是實在的。
火原子和水原子其實是一樣的，隻是表面上有所不同而已。
事實上，所有物質都是由同樣的永恒原子所構成的。
與德谟克利特同時代的恩培多克勒（Empedocles）對此的看法有所不同。
他認為有幾種不同的原子，這些原子以不同的比例混合起來，形成了各種各樣的物質。
基于當時已知的一些初步的化學事實，恩培多克勒認為有四種原子對應于土、水、氣、火這四種據稱基本的物質。
根據這種觀點，例如土壤是由土原子與水原子緊密混合而成的；混合得越好，土壤就越好。
從土壤中長出的植物将土原子、水原子與來自太陽光的火原子結合起來，形成複合的木頭分子。
水元素逸出之後，木頭就成了幹柴。
幹柴的燃燒被認為是把木頭分子分解或打碎成原來的火原子和土原子；火原子從火焰中逸出，土原子則作為灰燼留下來。
這種對植物生長和木頭燃燒的解釋其實是錯誤的。
不過在科學的這個嬰兒階段，它倒顯得非常合理。
我們現在知道，植物生長所需的大部分物質并不像古人或許多現代人所以為的那樣來自土壤，而是來自空氣。
除了為植物的生長提供支撐，并且充當一個蓄水器來保存植物所需的水分，土壤本身隻提供植物生長所需的一小部分鹽類。
隻要有頂針所包圍的那一點兒土壤，即可種出一株大玉米。
實際上，大氣是氮氣與氧氣的混合物，而不像古人以為的是一種簡單元素，它還包含着一定數量的由氧原子和碳原子所構成的二氧化碳分子。
在陽光的作用下，植物的綠葉吸收了大氣中的二氧化碳，二氧化碳又與植物根部提供的水分發生反應，形成植物中的各種有機物質。
其中一部分氧氣會回到大氣中，這個過程便是&ldquo室内植物使空氣清新&rdquo的原因。
木柴燃燒時，木頭分子再次與空氣中的氧結合，重新變成二氧化碳和水蒸氣從灼熱的火焰中逸出。
至于&ldquo火原子&rdquo，古人曾認為進入了植物的物質結構，但實際上并不存在。
陽光隻提供了打破二氧化碳分子、從而形成可被植物消化的大氣養料所需的能量；而且既然火原子并不存在，也就顯然不能用火原子的&ldquo逃逸&rdquo來解釋火焰；事實上，火焰是聚集起來的受熱氣流，因燃燒過程中釋放的能量而變得可見。
我們再用一個例子來說明對化學變化看法的古今之别。
大家知道，讓礦石在高爐中經受高溫，可以冶煉出不同的金屬。
初看起來，大多數礦石都和普通的石頭差不多，難怪古代科學家們認為礦石和其他石頭是由同一種土原子構成的。
然而若把一塊鐵礦石丢入烈火，他們發現從中得出的東西與普通石頭完全不同&mdash&mdash一種閃閃發光的堅硬物質，可以用來制作優良的刀和矛頭。
對此現象最簡單的解釋是說，金屬由土與火結合而成，或者換句話說，金屬分子中結合了土原子和火原子。
在對金屬作了這樣的一般解釋之後，他們又解釋了鐵、銅、金等不同金屬的不同性質，說不同比例的土原子和火原子參與了它們的構成。
閃閃發光的黃金不是顯然比黑沉沉的鐵包含着更多的火嗎？ 但如果是這樣，為什麼不往鐵裡加些火，或者幹脆往銅裡加些火，把它們變成貴重的黃金呢？中世紀那些講求實際的煉金術士們正是作了這樣的推理，才日夜守在煙熏火燎的爐旁，試圖用賤金屬合成出黃金。
從他們的觀點來看，他們的工作就和現代化學家提出一種生産合成橡膠的方法一樣合理。
其理論和實踐的謬誤在于，他們認為黃金和其他金屬是合成的而不是基本的。
但如果不嘗試，誰又能知道哪種物質是基本的，哪種物質是合成的呢？倘若沒有這些早期的化學家們将鐵銅變成金銀的徒勞嘗試，我們也許永遠不會知道金屬是基本的化學物質，而含金屬的礦石則是由金屬原子和氧原子結合而成的複合物（現代化學家所說的金屬氧化物）。
鐵礦石在高爐灼熱的烈火中變成了金屬鐵，這并不像古代煉金術士們以為的那樣是由于原子（土原子和火原子）的結合，而是由于原子的分離，即氧原子離開了複合的鐵氧化物分子。
暴露在潮濕中的鐵的表面會生鏽，這并不是鐵在分解過程中火原子逃逸後剩下了土原子，而是鐵原子與空氣或水中的氧原子結合成了複合的鐵氧化物分子。
34 從以上讨論可以清楚地看出，古代科學家們對物質和内部結構和化學變化本質的構想基本上是正确的，他們的錯誤在于沒有正确理解什麼是基本物質。
事實上，恩培多克勒所列出的四種基本物質其實都不基本：氣是幾種不同氣體的混合物，水分子是由氫原子和氧原子構成的，土的組成非常複雜，包含許多不同成分，而火原子則根本不存在。
實際上，自然之中存在着92種而不是4種不同的化學元素，即存在着92種不同的原子。
其中像氧、碳、鐵、矽（大多數岩石的主要成分）等化學元素在地球上相當豐富，大家也都很熟知；另一些則非常稀少，像镨、镝、镧之類的元素你也許從未聽說過。
除了這些天然元素，現代科學還用人工方法成功地制造出幾種全新的化學元素，本書稍後還會讨論它們。
其中的钚元素注定要在原子能的釋
讓我們先從一碗端上餐桌的蛤肉雜燴湯開始讨論。
我們之所以選擇蛤肉雜燴湯，與其說是因為它味道鮮美、營養豐富，不如說是因為它是所謂混合物的一個很好的例子。
不借助顯微鏡就可以看出，它是由許多不同成分混合而成的：蛤蜊片、洋蔥絲、番茄塊、芹菜段、土豆丁、胡椒粒、肥肉末，所有這一切都混在鹽水裡。
我們在日常生活中遇到的物質（尤其是有機物）大都是混合物，不過在許多情況下，我們需要借助顯微鏡才能認識這一點。
例如，用低倍放大鏡就能看到，牛奶是小滴奶油懸浮在一種均勻的白色液體中而形成的乳狀液。
普通的土壤是一種精細的混合物，其中含有石灰石、高嶺土、石英、鐵的氧化物、其他礦物質、鹽類以及由腐爛的動植物所形成的有機物質。
如果把一塊普通的花崗岩表面磨光，我們便立即可以看出，這塊石頭是由三種不同的物質（石英、長石和雲母）的小結晶體牢固結合而成的一個堅實的東西。
在我們對物質内部結構的研究中，混合物的構成隻是這座下降階梯的第一級，接下來我們可以對組成混合物的每一種純淨成分進行直接研究。
對于像一根銅絲、一杯水或室内空氣（當然，懸浮的灰塵不予考慮）這樣真正純淨的物質，用顯微鏡是顯示不出有什麼不同成分的，這些材料自始至終都顯得是連續的。
誠然，銅絲乃至幾乎任何固體（除了由不結晶的玻璃材料所組成的那些固體）經過高倍放大都會顯示出一種所謂的粗晶結構，但是在純淨物中，我們看到的晶體卻都是同樣本性的&mdash&mdash銅絲中是銅晶體，鋁鍋中是鋁晶體，等等，就像在食鹽中隻能找到氯化鈉晶體一樣。
通過使用慢結晶這種專門技術，我們可以把食鹽、銅、鋁或任何其他純淨物的晶體增加到任何尺寸，每一小塊這樣的&ldquo單晶&rdquo物質都會完全同質，就像水或玻璃一樣。
根據用肉眼和最精密的顯微鏡所作的這些觀察結果，我們能否正當地假設這些所謂的純淨物無論放大到何種程度都不變樣呢？換句話說，我們能否認為，一塊銅、一粒鹽、一滴水無論多麼小，它們的性質都和大塊兒完全一樣，而且總能進一步分割成更小的部分呢？ 第一個提出并試圖回答這個問題的人是希臘哲學家德谟克利特（Democritus），他生活在大約2300年前的雅典。
他對這個問題的回答是否定的。
他更傾向于相信，某種物質無論看起來多麼同質，都必定是由大量（他并不知道量有多大）很小（他也不知道有多小）的粒子構成的。
他把這些粒子稱為&ldquo原子&rdquo，意思是&ldquo不可分者&rdquo。
不同物質中原子的數目雖然有所不同，但物質性質的差異僅僅是表面的，而不是實在的。
火原子和水原子其實是一樣的，隻是表面上有所不同而已。
事實上，所有物質都是由同樣的永恒原子所構成的。
與德谟克利特同時代的恩培多克勒（Empedocles）對此的看法有所不同。
他認為有幾種不同的原子，這些原子以不同的比例混合起來，形成了各種各樣的物質。
基于當時已知的一些初步的化學事實，恩培多克勒認為有四種原子對應于土、水、氣、火這四種據稱基本的物質。
根據這種觀點，例如土壤是由土原子與水原子緊密混合而成的；混合得越好，土壤就越好。
從土壤中長出的植物将土原子、水原子與來自太陽光的火原子結合起來，形成複合的木頭分子。
水元素逸出之後，木頭就成了幹柴。
幹柴的燃燒被認為是把木頭分子分解或打碎成原來的火原子和土原子；火原子從火焰中逸出，土原子則作為灰燼留下來。
這種對植物生長和木頭燃燒的解釋其實是錯誤的。
不過在科學的這個嬰兒階段，它倒顯得非常合理。
我們現在知道，植物生長所需的大部分物質并不像古人或許多現代人所以為的那樣來自土壤，而是來自空氣。
除了為植物的生長提供支撐，并且充當一個蓄水器來保存植物所需的水分，土壤本身隻提供植物生長所需的一小部分鹽類。
隻要有頂針所包圍的那一點兒土壤，即可種出一株大玉米。
實際上，大氣是氮氣與氧氣的混合物，而不像古人以為的是一種簡單元素，它還包含着一定數量的由氧原子和碳原子所構成的二氧化碳分子。
在陽光的作用下，植物的綠葉吸收了大氣中的二氧化碳，二氧化碳又與植物根部提供的水分發生反應，形成植物中的各種有機物質。
其中一部分氧氣會回到大氣中，這個過程便是&ldquo室内植物使空氣清新&rdquo的原因。
木柴燃燒時，木頭分子再次與空氣中的氧結合，重新變成二氧化碳和水蒸氣從灼熱的火焰中逸出。
至于&ldquo火原子&rdquo，古人曾認為進入了植物的物質結構，但實際上并不存在。
陽光隻提供了打破二氧化碳分子、從而形成可被植物消化的大氣養料所需的能量；而且既然火原子并不存在，也就顯然不能用火原子的&ldquo逃逸&rdquo來解釋火焰；事實上，火焰是聚集起來的受熱氣流，因燃燒過程中釋放的能量而變得可見。
我們再用一個例子來說明對化學變化看法的古今之别。
大家知道，讓礦石在高爐中經受高溫，可以冶煉出不同的金屬。
初看起來，大多數礦石都和普通的石頭差不多，難怪古代科學家們認為礦石和其他石頭是由同一種土原子構成的。
然而若把一塊鐵礦石丢入烈火，他們發現從中得出的東西與普通石頭完全不同&mdash&mdash一種閃閃發光的堅硬物質，可以用來制作優良的刀和矛頭。
對此現象最簡單的解釋是說，金屬由土與火結合而成，或者換句話說，金屬分子中結合了土原子和火原子。
在對金屬作了這樣的一般解釋之後，他們又解釋了鐵、銅、金等不同金屬的不同性質，說不同比例的土原子和火原子參與了它們的構成。
閃閃發光的黃金不是顯然比黑沉沉的鐵包含着更多的火嗎？ 但如果是這樣，為什麼不往鐵裡加些火，或者幹脆往銅裡加些火，把它們變成貴重的黃金呢？中世紀那些講求實際的煉金術士們正是作了這樣的推理，才日夜守在煙熏火燎的爐旁，試圖用賤金屬合成出黃金。
從他們的觀點來看，他們的工作就和現代化學家提出一種生産合成橡膠的方法一樣合理。
其理論和實踐的謬誤在于，他們認為黃金和其他金屬是合成的而不是基本的。
但如果不嘗試，誰又能知道哪種物質是基本的，哪種物質是合成的呢？倘若沒有這些早期的化學家們将鐵銅變成金銀的徒勞嘗試，我們也許永遠不會知道金屬是基本的化學物質，而含金屬的礦石則是由金屬原子和氧原子結合而成的複合物（現代化學家所說的金屬氧化物）。
鐵礦石在高爐灼熱的烈火中變成了金屬鐵，這并不像古代煉金術士們以為的那樣是由于原子（土原子和火原子）的結合，而是由于原子的分離，即氧原子離開了複合的鐵氧化物分子。
暴露在潮濕中的鐵的表面會生鏽，這并不是鐵在分解過程中火原子逃逸後剩下了土原子，而是鐵原子與空氣或水中的氧原子結合成了複合的鐵氧化物分子。
34 從以上讨論可以清楚地看出，古代科學家們對物質和内部結構和化學變化本質的構想基本上是正确的，他們的錯誤在于沒有正确理解什麼是基本物質。
事實上，恩培多克勒所列出的四種基本物質其實都不基本：氣是幾種不同氣體的混合物，水分子是由氫原子和氧原子構成的，土的組成非常複雜，包含許多不同成分，而火原子則根本不存在。
實際上，自然之中存在着92種而不是4種不同的化學元素，即存在着92種不同的原子。
其中像氧、碳、鐵、矽（大多數岩石的主要成分）等化學元素在地球上相當豐富，大家也都很熟知；另一些則非常稀少，像镨、镝、镧之類的元素你也許從未聽說過。
除了這些天然元素，現代科學還用人工方法成功地制造出幾種全新的化學元素，本書稍後還會讨論它們。
其中的钚元素注定要在原子能的釋