化学罗曼史:德米特里·门捷列夫的爱情,第一部分

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映的是作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


这位将宇宙中所有已知元素系统化的科学家,即将为了爱情放弃一切。1881年4月,德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫因其创造的元素周期表而享誉国际,该周期表揭示了所有物质背后简单而优雅的结构,但他准备自杀,除非他爱的女人同意嫁给他。

安娜·伊万诺夫娜·彼得罗娃,一位来自俄罗斯南部乌留平斯卡娅小哥萨克村的二十岁艺术学生,在过去的三年里已经拒绝了他两次。现在,这位著名的科学家追随她来到罗马,安娜的父亲送她到那里学习(也为了让她远离门捷列夫的追求,毕竟,门捷列夫已经四十七岁,并且有配偶和两个十几岁的孩子)。但是,这位对科学充满热情,驱使他驾驭原子价奥秘的男人,最终被他无法控制的人类化学元素所压倒。

当然,德米特里·门捷列夫本不应该活到可以自杀的地步。将近三十年前,1855年6月7日,浓密的黑云像“厚厚的哀悼帷幔”一样充满了圣彼得堡的天空。涅瓦河对岸,圣艾萨克大教堂的钟声在其金色的圆顶下响起,宣布皇室游艇及其随行的葬礼队伍的到来。从他在圣彼得堡国立大学的病房里,门捷列夫本可以看到沙皇尼古拉一世的棺材被运送到尚未完工的东正教教堂中,两侧是戴着紫色天鹅绒主教冠的主教们。沙皇因克里米亚战争期间感染的疾病而突然去世,这给了门捷列夫充分的机会思考自己即将到来的死亡。


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由于经常出现肺结核和“咯血”的并发症,医生告诉这位年轻的化学学生,他只有很短的时间可以活了。他只是在等待那个夏天晚些时候前往更干燥的气候,以及他可能幸存下来的渺茫机会。值得注意的是,门捷列夫避开了夺走他母亲和姐姐生命的相同命运,完成了他关于化学同构的论文。他因这项新生研究获得了金奖,并开始了一段科学轨迹,很少有人能想象其攀升可能会下降。

在完全晋升为圣彼得堡国立大学普通化学教授之后,并因当时没有关于该主题的俄罗斯教科书而感到沮丧,门捷列夫决定自己写一本。他的《化学原理》共四卷,耗时三年完成,采用了一种个人化的、对话式的风格,直接与读者对话,以便他能够正确地传达在实验室工作中必要的证据,更重要的是,科学过程的哲学基础。

他写道:“实验和实践数据占有一席之地,但哲学原理构成了这项工作的主要主题。” 对于门捷列夫来说,科学不仅仅是一种实用的工具,它还是一种激情和创造力的旅程,他在他所有的科学交流中都强调了这一点。

我一直努力在读者中激发一种探究精神,这种精神不满足于单纯的推理性推理,应该将每一个想法都付诸实验,鼓励坚持不懈的工作习惯,并激发寻找新的证据链,以完成通往无底洞未知领域的桥梁。

这正是他在课堂上与学生分享的批判性探究精神,他的演讲之后会得到他专注的听众的“雷鸣般的掌声”

他的学生V.E. Grum-Grzhimailo 写道:“在整个讲座中,[门捷列夫]教我们如何观察日常生活中的现象,以及如何理解它们... 他将自己观察和思考的技巧传授给他的学生,这是任何书籍都无法给予的。”

但是,门捷列夫用化学成分来解释物质现实的整体方法并不总是受到他的大学同事的欢迎。有些人认为“他有太多的想法,[而]在涉及狭窄的特定问题时,他缺乏耐心。” 当时普遍的方法是通过记忆既定的真理来教授科学,就像门捷列夫小时候因背诵拉丁动词不正确而受到惩罚一样。

英国诺贝尔奖得主化学家欧内斯特·卢瑟福勋爵后来评论说:“[他]那个时代的化学家更多地是忙于增加化学事实,而不是推测它们之间的关系。” 但正是门捷列夫将实证方法与推测性本质独特结合,才促使他构想出对化学证据的新颖解释。

1869年,化学家面临的核心问题是,当时已知有63种元素(今天有118种,但只有94种是天然存在的),但对于可以观察到的元素组之间的清晰模式,没有解释。这63种元素(如铅、氮或碳)是无法分解成更简单物质的物质。例如,在古代,人们认为水是一种元素,但通过将电力通过水蒸气,每个分子会分解成两个氢原子和一个氧原子(H2O),而这两个原子都无法进一步还原。这些元素中的许多都显示出周期性,或围绕某些特征(如沸点和原子量)聚集,这表明存在潜在的结构。识别这种结构成为门捷列夫的痴迷。

门捷列夫认为需要解释的一个奇怪的模式是,当一个元素的原子量增加时,与之结合的氧原子数量也会增加。但这并不像质量增加那样简单地增加价键的数量。例如,钠的原子量为23,价数为1,与原子量为39的钾相同。但似乎存在一个以8个为一组的模式。增加原子量,价数也会随之增加,直到达到第八个元素,价数模式才会重新开始。门捷列夫根据对原子量的仔细测量和对这些价键(以及其他周期性模式)的实验,试图排列这些元素,以便所有已知的相似性都聚集在一起。在1869年2月的连续三天里,他几乎不停地工作,构建了一个复杂的拼图游戏,其中三分之一的碎片缺失,许多其他碎片严重变形。

然而,这个他称之为周期律的关键之处在于,它做出了具体的预测。门捷列夫确信存在尚未被发现的元素,他故意在他的表中留下了空白。他预测应该有原子量约为44、70和72的额外未识别元素,以填补他模型中的空白。在接下来的几年里,所有三种假设元素都按照他的预测被精确地发现(后来被命名为钪、镓和锗)。通过结合精确的测量和创造性的洞察力,门捷列夫在现实的结构中感知到了秩序。

当安娜·彼得罗娃第一次见到这个最终将与她的人生碰撞的男人时,他正处于国际声望的顶峰。她不可能知道,就在门捷列夫的科学遗产被确立的时候,他的个人生活已经开始瓦解。

. . . 待续。

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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