关于弗里曼·戴森、镉估算以及化学的乐趣

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硫化镉粉末;溶液具有更深、更鲜艳的黄色(图片来源:维基百科 commons)

弗里曼·戴森是我的英雄,他在漫长而富有成果的一生中做了很多有趣的事情。 如果你看看他惊人地多样化的著作或演讲,很容易把他误认为是一位科学哲学家。 但正如他两年前在一次漫长、一对一、充满智慧的午餐讨论中亲口对我说的那样,很多人认为谈论宏观图景就会自动让人成为哲学家。 戴森确实写了很多关于宏观图景主题的文章,从生命的起源到太空殖民。 但他也坚持认为,他始终首先是一位问题解决者,一个对细节比对宏大理论更感兴趣的人。 他所能编织的任何哲学都建立在解决具体技术问题的基础上。 他在从核宇宙飞船到核反应堆等高技术工程项目上的工作部分证明了这一点。

这种品质会使戴森在化学家的陪伴中感到非常自在,因为化学就其本质而言更像是一门解决问题的学科,而不是像宇宙学或进化生物学那样的哲学追求。 我很好奇戴森对化学的看法,因为虽然他对几乎所有可以想象到的话题都有想法,但我真的找不到他关于化学的任何东西,除了他在《今日物理》上对诺贝尔奖得主罗尔德·霍夫曼的优秀著作《相同与不同》的书评。

然后我想起几年前我在一个名为故事网络的网站上找到的戴森访谈的优秀合集。 对于科学史爱好者来说,这个网站是必看的。 它收录了来自不同学科的众多著名科学家、人文主义者和艺术家的访谈。 这些访谈最棒的地方在于它们是漫长而详细的,而不是两分钟的声音片段; 每次访谈总共持续几个小时,涵盖了受访者一生中最重大的事件,因此您可以真正感受到杰出思想家的生活和工作。 在戴森的一次访谈中,我很高兴找到了这个

“我想谈谈化学,我最近认识了罗尔德·霍夫曼,他是一位写诗的化学家,也是一个伟人,他对化学的态度和我一样。 我的意思是,它是细节之美,而不是任何宏大的理论。 从这个意义上说,它与物理学非常不同,而我对它有一种品味。 我的品味总是更倾向于细节而不是宏观图景...

...我从克里斯托弗·朗格-希金斯那里学习了化学,他已经是一位比埃里克·詹姆斯(戴森在温切斯特学院的化学老师)更专业的专家,并且对化学更感兴趣。 我记得克里斯托弗带到温切斯特一些他制作的四碘化锡晶体,那是种最奇妙的东西。 它是一种鲜艳的猩红色,可以形成这些美丽的猩红色晶体,而且它们也非常重。 如果你有一个装满它的小瓶子,感觉就像铅一样。 所以我发现那种化学很令人愉快,只是实际物质的细节,而不是其背后的理论。

我记得有一次威拉德·利比来普林斯顿访问,还带来了一小瓶化学物质,也很重,那是氙酸钡,也就是氙氧化钡,这当然是一个绝对的启示,因为没有人想到氙作为一种惰性气体能有化合物。 这些化合物是在 20 世纪 50 年代左右被发现的,而氙酸钡只是一种非常普通的物质。 它是一种重而白色的晶体,完全稳定,没有任何奇怪的迹象,它就在那里。 如果你加热它们,氙气当然会冒出来……”

所以,我认为戴森会感觉自己像一个化学家一样自在。 化学家们沉迷于解决特定的问题。 并不是说他们不关心一般原理。 每隔一段时间,就会出现像莱纳斯·鲍林或阿尔弗雷德·维尔纳这样的人物,将不同的线索编织成一个整洁的上层结构。 但绝大多数的化学工作都包括庆祝天然和合成分子中固有的结构和功能的多样性。 戴森提出的观点是一个显而易见且重要的观点,但它经常在文学和电影中常见的化学家冒着泡沫液体和结晶彩色固体的陈词滥调的漫画中丢失。 但正是这些冒着泡沫的液体和彩色固体赋予了化学一种明显的现实感,而这种现实感在更理论化的科学中常常是缺失的。

一个个人的题外话。 我记得本科化学实验室的一个插曲,我们应该从溶液中估算两种未知的金属离子。 在尝试了书中的所有测试之后,我们只能检测到铜。 另一种离子仍然是个谜,我们最终放弃了。 这时,导师揭示了他的诀窍。 事实证明,我们使用的铜估算方法涉及用盐酸将溶液高度酸化。 导师面带微笑,将一滴浓酸溶液滴入一个大烧瓶中,然后将烧瓶注满水,将初始溶液稀释至少一万倍。 我们的眼睛紧盯着烧瓶,当他将硫化氢气体通入溶液时。 然后,从底部开始,一直上升到顶部,烧瓶充满了我见过的最美丽的黄色; 那是我永远不会忘记的景象。 发生的事情是,镉仅在稀酸性溶液中以硫化镉的形式沉淀出来,而对于铜来说则相反。 我们所有在浓酸中检测铜的测试都错过了隐藏的镉,直到它准备好通过简单的稀释来揭开面纱。

每一位化学家都熟悉这种发现未知事物的感受,无论它多么微不足道或重要,它都真实存在; 如果它具有鲜艳的猩红色或洪亮的黄色,那就更好了,化学中通常就是这种情况。 戴森说得对,拿着一瓶以前被认为是不可能的东西,会有一种明确的、不容置疑的——真实的——令人安心的感觉。

伟大的有机化学家罗伯特·伯恩斯·伍德沃德谈到了化学的这种非常真实的品质,这帮助他在十几岁时在化学和数学之间做出选择

“事实是,我一直非常喜欢数学——有一段时间,我甚至考虑过放弃化学而选择数学。 我非常享受它的概念美和形式美,以及它的关系和转化的精确性和优雅性。 那么,我为什么没有屈服于它的魅力呢? 我相信有两个原因

第一,因为总的来说,数学缺乏感官元素,而感官元素在我对化学的吸引力中起着如此重要的作用。 我喜欢晶体,它们形式的美丽——以及它们的形成; 液体,休眠的、蒸馏的、晃动的!; 烟雾; 气味——好的和坏的; 彩虹般的色彩; 闪闪发光的容器,各种尺寸、形状和用途。 无论我多么思考化学,如果没有这些物理的、视觉的、有形的、感官的东西,它对我来说就不存在。

第二,虽然在数学中,大概一个人的想象力可以不受限制地驰骋,但在化学中,一个人的想法,无论它们本身多么美丽、合乎逻辑、优雅、富有想象力,如果它们实际上不适用于我们拥有的唯一物理环境,就毫无价值——简而言之,它们只有在奏效时才好! 我个人非常享受这种物理约束对幻想提出的非常特殊的挑战”

伍德沃德研究化学的第二个理由触及了经验科学的本质,理查德·费曼称之为“紧身衣中的想象力”。 这是一种驱动所有科学的哲学,包括最稀有的理论思想。 物理学家经常喜欢讲述爱因斯坦感到“内心有什么东西断裂了”的故事,当时他看到广义相对论的预测被对水星近日点的观测证实。 当一个伟大的理论构建被一个可以归结为一个数字的真实观测所验证时,他肯定感受到了那种罕见的、一生一次的满足感。 我们倾向于将爱因斯坦视为伟大的科学家-哲学家,但他当时对一个技术细节感到欣喜若狂,而这个技术细节是他杰作的关键部分。 观察氙酸钡或沉淀镉不如证实相对论那样重要,但我很容易想象,如果有人向我展示那种化学证据,我会感到脊背发凉。 这种证据似乎违背了不可能,但我仍然可以把它握在手中并放在壁橱里。 这就是化学的乐趣。

这是在好奇的波函数上发表的帖子的更新和修订版本。

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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