质量的守恒意味着合成物以及分解物的质量恒久不变。因此,拉瓦锡将元素定义为一种不能被既有方法分解的物质,并且他和德莫尔沃等人起草了一个真正的元素明细表,以33种独特的且不能被分解的基本物质来代替前人的“四元素说”。拉瓦锡还起草了一份“平衡表”,精确地说明了参与反应的每一种元素及其化学反应。
拉瓦锡感觉化学的语言必须随着新理论的出现而变化,也就是说,他还肩负着术语革命的责任,他要用精确的、有逻辑的以及清楚明白的术语替换那些古老的、独特的但是不知所云的术语,如锑酪、欢喜石、蓝矾、铅糖和锌花。如果一种元素与氮、磷或者是硫结合的话,它就会变成氮化物、磷化物、硫化物。如果这些物质与氧气发生反应而形成了酸,人们就可以叫它们硝酸、磷酸、硫酸。如果它们形成盐类就叫做硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐。如果氧的成分较少,就形成亚硝酸盐或亚磷酸盐。每一种物质、元素或者是化合物都有它们自己真实的名字,这些名字都能显示出它们的组成成分和化学特性,并且这种类型的名字可以立即表明它们之间的关系以及它们在不同环境下的表现。虽然我对新名字的好处很感兴趣,但是我也很怀念许多过去的名字,因为它们有一种诗意、古雅的感觉,而新的、系统化的化学名单里已经找不到这些感觉了。
拉瓦锡并没有为元素提供符号,也没有使用化学方程式,但是他为这些打下了坚实的基础。而且关于化学反应,他已有平衡和代数的概念。想到这点,我就很兴奋,就好像第一次看见语言或音乐被人用文字写出来。拥有这种代数般的语言,人们可能不需要成天待在实验室了--可以非常高效地在黑板上做化学题,可以用大脑去思考化学反应。
拉瓦锡涉及的领域--代数语言、命名法、质量守恒、元素的定义、燃烧理论的形成--都是相互联系的,并形成了一个奇特的架构,在化学上具有革命性的意义,这是1773年他曾经热烈向往的化学革命。尽管在《化学元素》一书中,他已经很明确地知道这条路该怎么走,但革命的道路并不是一帆风顺的。他用了15年的时间在这条路上与假设的迷宫作斗争,与其他人斗争,与未知搏斗。
在拉瓦锡慢慢积蓄自己力量的同时,科学世界也存在着激烈的争议和矛盾。1789年,法国大革命的前3个月,《化学元素》一书问世,立刻在科学界引起了一场大风暴。这是一种全新思想的建构,只有它可以与牛顿的《原理》媲美。当然还有一些抵抗--代表人物是卡文迪许和普利斯特列。但到了1791年,拉瓦锡已经可以这样说:“所有年轻的化学家都认可了这一理论,因此我可以得出这样的结论:化学界的革命已经成功了。”
3年之后,拉瓦锡在其事业的全盛期,他被送上了断头台。伟大的数学家拉格朗日在悼念这位同行同时也是好朋友时说:“砍下他的头或许只要一分钟,但是要想再长出一个这样的头来,可能一百年的时间都不够。”
我读过拉瓦锡和其他化学家的作品后,更想亲手加热金属、制造氧。我想通过加热氧化汞来产生氧气,这种方法早在1774年就被普利斯特列采用过,但是我很害怕汞蒸气的毒害,于是等安装了通风道后才开始做实验。当然,通过加热富含氧的物质,诸如过氧化氢或者高锰酸钾,可以轻易地得到它。我记得往充满氧气的试管里放进一块火热的木片时,它发出了多么明亮的光。
我还制造了其他气体。我用电电解了水,然后又使用氢气和氧在电光火石之下化合为水。用酸或碱制造氢有很多方法--可以用锌和硫酸或者铝瓶盖以及腐蚀性的苛性钠来产生氢气。因为形成气泡会浪费掉产生的氢气,所以为了塞住烧瓶,我用了一些中间带有孔的密封用的橡胶塞子和软木塞来封住烧瓶口。我从戴维舅舅的实验室中学会如何用火焰软化玻璃管,并且轻轻地将其折成一个角度(让我更激动的是还可以吹玻璃,可以轻轻地将软化的玻璃吹成超薄的球体以及各种各样的形状)。如果使用玻璃管,当氢从烧瓶中出来的时候,我可以将其点燃。它的火焰是无色的,而且不呛人,燃烧起来不像煤气灯或者厨房里的火一样黄黄的。我也可以用优美的弯曲的玻璃管将氢气输送到肥皂水中,这样就可以让肥皂泡泡都充满氢气。肥皂泡比空气还轻,它飞到天花板上,然后就爆破了。
有时我会先拿一个槽倒放在水面上,以收集氢气。手握着倒置的槽,我把鼻子凑上去闻:氢没有任何气味,我没有任何感觉,但是几秒之内,我的声音突然很尖,就好像是米老鼠的怪腔调,我根本认不出来自己的声音了。
我在粉笔上浇上了盐酸(其实像醋那么温和的酸都能做到),于是产生了一种不同于氢气的、更重的气体--二氧化碳。我用一个大烧杯收集这种较重的无色气体,让小气球飘浮在它上面。我们家的灭火器里就是二氧化碳,有时为了取得二氧化碳,我会动它的脑筋。
当气球里充满二氧化碳的时候,这只气球就像皮球一样重重地落到了地板上并且一直待在那里。这时我就想,如果在气球中充入真正的稠密气体氙(其浓度是空气的5倍),结果会怎样呢?当我将此想法告诉钨舅舅的时候,他告诉我,钨化合物中有一种六氟化钨。六氟化钨的密度几乎是空气的12倍。舅舅告诉我:“这是我们所知道的最重的气体。”于是,我幻想着人们可能会发现或者是制造一种和水一样重的气体,那样的话,人们就可以飘浮在这种气体之上,就像浮在水面上一样。还有一些关于飘浮的说法--飘浮与下沉--一直在不断地激励我。
我清楚地记得战争时期伦敦上空漂浮的巨大的防空气球,看起来就像一条浮在空中的巨型太阳鱼,体内充满了氢气。它们是由铝化纤维制作的,所以当被阳光照到的时候,就会闪闪发光。它们通过一根长长的缆绳与地面相连,大家认为这样可以扰乱敌军的飞机,使它们不能飞得更低。所以说这些气球还是我们的保护神。
其中有一个这样的气球拴在了我们家附近的利明顿路的板球场上。它引起了我极大的关注。当球场无人看管的时候,我可以偷偷地溜进去,轻轻地摸一下那个膨胀的、闪闪发光的东西。在地面上时,气球没有完全膨胀,但是如果它们在空中达到一定的高度后,里面的氢气就会膨胀,使气球充分涨大。我喜欢拿着大气球的那种感觉,那让我痴迷,尽管那时我还没有意识到这一点。我经常在晚上梦到防空气球,经常把气球那柔软的身躯想象成我幼时的摇篮,想象自己在这个混乱的世界上空自由地飘荡,可以永久享受天堂之乐。我认为每个人都很喜欢气球,因为气球代表着乐观,气球飞行的时候可以让人们的心跳加快。但是利明顿路上的气球对我来说却具有特别的意义:我认为那个气球知道我在抚摸并且会回应我,就像我一样,高兴的时候还会发抖。它不是人类,不是动物,但是却有意识,充满生机。这是我喜欢上的第一件东西,当时我只有10岁。
虎克本身在化学界就是一个奇迹,他以其机械设计天赋和数学才能而著称。他珍藏着很多实验日志和日记,这些实验日志和日记不仅展示出他活跃的思维,而且对17世纪整体的知识氛围作出了阐释。在其作品《微物图志》中,虎克描绘了他的复式显微镜,而且还有很多以前从未被发现的昆虫和其他动物的结构图(最有名的是附在发丝上的巨虱,而发丝粗如船楫)。通过苍蝇发出的音高,他能判断出苍蝇拍打翅膀的频率。他还史无前例地解释了化石,他的解释基于对灭绝动物的纪念或者观感。他还自己设计风力计量器、温度计、湿度计和气压计。凭借他对燃烧的理解,他甚至表现得比波义耳还要大胆,他说:“燃烧是物质与空气混合的结果。”他认为燃烧跟“我们肺吸入的空气有关”。这种气体在空气中只以有限的数量存在,它们是燃烧和呼吸时所需要的。从这一种说法来看,显然这是一种性质活泼的气体。这一说法比波义耳的微粒说更高明。虎克的很多观点差不多都被彻底忽略和遗忘了,所以一位学者在1803年感慨道:“在科学史上,没有比虎克的理论被忘得更彻底的了。虎克的理论写得非常明了,应该可以吸引人们的注意。”造成这种遗忘的原因之一就是牛顿与虎克之间不可调和的积怨。牛顿怨恨虎克是因为:虎克在世的时候,拒绝对牛顿担任皇家科学院院长一职表示赞同,所以牛顿不择手段攻击虎克。但是虎克在科学界的地位是不容忽视的,可能他的想法正如史坦特所说“过早”。虎克的很多想法(特别是那些关于燃烧的观点)都太激进了,很少有人呼应。有些观点在虎克生活的那个年代里,很难被人理解。
在拉瓦锡的传记里,道格拉斯·麦凯整理了一份包含拉瓦锡所有科学活动的详单。这份详单生动描述了拉瓦锡时代的生活画卷,这些并不比拉瓦锡自己的出色想法少。麦凯写道:“拉瓦锡参与的工作如下:巴黎水供给、狱政、催眠术、苏打的污染、公共屠宰场场地的选择、最新发明的热气球、漂白水、有特殊重力的桌子、热量表、颜色理论、灯、陨石、无烟炉床、挂毯制造、盾徽蚀刻、纸、化石、躺椅、水驱动的吹风箱、硫黄泉、甘蓝菜的栽种、油菜籽、油的提炼、煤矿、白色肥皂、氮硝酸的分解、淀粉的生产……船上的净水储存、固定气体、泉水中的油脂、去除丝和羊毛里的油脂、利用蒸溜法制造乙醚、反射炉、新的墨水和只需加水的墨水瓶……矿泉水中的碱性、巴黎兵工厂的火药库、比利牛斯山的矿石、小麦和面粉、化粪池及其产生的气体、植物灰烬中的金、砷酸、金和银的分离、泻盐、丝的卷法、染色时锡溶液的使用、火山、腐化物、灭火的液体、合金、铁锈、在公共烟火演示中使用易燃气体的建议(这是警察局的要求)、量煤器、去燃素之海酸空气、灯芯、科西嘉岛的自然史、巴黎的臭鼬、硝酸里的金、苏打的湿度、比利牛斯山的铁和盐、含银的铅矿、一种新枪管、平板玻璃、燃料的生产、泥炭转化为煤炭、谷仓的建设、糖的生产、雷击的特殊作用、沤麻、法国的矿物储量、厨房用品镀金属、水的合成、造币、气压计、昆虫的呼吸、蔬菜的营养、化合物的成分比例、植物研究……就算用简单的描述,这里也写不下。”
100多年前,波义耳就曾经用金属的燃烧做过实验,并且他还清楚地意识到,金属燃烧的时候,重量会增加,形成烧渣或者灰。但是他认为重量增加是机械式的,而非化学性质的改变:他认为原因是火粒子的加入。与此类似,他认为空气不是化学术语,而是一种奇怪的弹性流体,因力学的作用,得以进入肺部清除其中的杂质。之后人们的发现与波义耳的理论并不一致,很大一部分原因是当时使用的点火镜威力太强,使一些金属氧化物蒸发或升华,因此让它们重量减少而不是增加。这一时期的化学大多还是质化研究,还没有精密测量。
在同一个月,拉瓦锡收到了一份来自卡尔·威尔海姆·舍勒的信,信中???述了被舍勒称为火气体(氧气)与固定气体(二氧化碳)的混合的情形。通过加热碳酸盐和氧化汞的混合物,舍勒得到了纯氧。这一发现甚至比普利斯特列还要早。但是拉瓦锡声称是自己发现了氧气,他几乎没有公开承认前人的发现,他认为前人并没有意识到他们观察到的是什么东西。所有的这些以及关于什么是“发现”的问题,霍夫曼和卡尔·杰拉西在其话剧《氧气》中探究过了。
用氧化作用代替燃素概念立即产生了实用性效果。比如,要完全燃烧需要尽可能多的空气。弗朗索瓦·皮埃尔·阿尔冈,拉瓦锡的同时代人,很快就进入探索燃烧的新理论这一领域。他设计了一款具有扁平带状芯的灯,这样与空气的接触面就很大,并且具有向上排气的烟管。这款诞生于1783年的灯让人们感觉从来没有这么好用和明亮。
拉瓦锡的元素表包括他命名的3种气体(氧、氮和氢)、3种非金属(硫、磷和碳)以及17种金属。它还包括盐酸素、氟酸素、硼酸素,以及5种土:石灰、镁土、钡土、铝土和硅土。他认为这些酸和土都是含有新元素的化合物,并且他认为人类很快就能分离出这些新元素(事实上,除了氟之外,他1825年获得了所有这些新元素。又过了60年化学家才将氟从其他元素中分离出来)。他的最后两种“元素”是光和热,好像他还没有从燃素的折磨中完全解放出来。
50多年之后(也就是我65岁生日的时候),我儿时的梦想得以实现:除了拥有几个氦气球之外,我还有几个填充气体密度惊人的氙气球,它们基本上是气球填充物里密度最高的(尽管六氟化钨的密度稍微大点,但是用起来的时候却很危险,它被潮湿的空气水解的话,会产生氢氟酸)。如果人们转动这些氙气球,然后停下来,这种重气体会由于自身的惯性,继续转动一会儿,那时就感觉它好像是水球。