“二战”前,妈妈带我去自然科学博物馆,那是我第一次听到汉弗莱·戴维的名字。那个博物馆的顶楼有一个煤矿模型,微弱的灯光照在脏兮兮的走廊里。在这个博物馆里,妈妈向我讲解了戴维发明的安全灯(有好多这样的模型),还向我解释了它们是怎么工作以及如何挽救无数条生命的。接着妈妈向我介绍了戴维安全灯旁边的一种灯:兰道灯。这种灯是我外公在19世纪70年代发明的,基本上是戴维安全灯的改进版。从此,戴维几乎如我们家祖先一般,他的名字深深地印在了我的脑海里。
戴维出生于1778年,拉瓦锡化学革命风起云涌之时。那时化学正处于一个大发现的时代,伟大的理论开始形成。戴维是一个工匠的儿子,他曾在彭赞斯的外科医生手下做过学徒,但是不久,他就非常希望学更多的东西,尤其是化学深深地吸引了他。他阅读并掌握了拉瓦锡的《化学元素》,这对一个只有18岁并且没有接受过多少正规教育的人来说,实在是难能可贵。他的脑海里开始形成一种伟大的构想(也许可以说是崇高的):他可以成为像拉瓦锡或者牛顿那样的伟人吗?他那时的一本笔记本上就写着“牛顿和戴维”,可见他的雄心壮志。
从把热量作为元素这一概念中可以看出,拉瓦锡仍保留了燃素说的本质。在戴维的第一个重大实验中,他通过摩擦融化了冰,由此证明了热也是一种运动,是一种能量,而不是拉瓦锡所认为的是一种元素。戴维曾高兴地说:“已经证明了热不是有形体的物质。”在其著作《论热与光》中,戴维论述了他的实验结果。这篇文章既是对拉瓦锡的批判,同时也表明戴维想要建立一种新的化学前景:最终清除所有冶金术和形而上学的余烬。
当化学家托马斯·贝多斯听说了戴维的才华及其对物质和能量的具有革命性的新观点时,他不但帮戴维出版论文,还邀请戴维到他位于布里斯托的气体实验室。在这个实验室里,戴维分析了氮的氧化物(氮的氧化物是普利斯特列最先发现的)一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)以及有毒的棕色过氧化物(NO2),他对它们的属性进行了详细的比较,并对吸入一氧化二氮后产生的反应给出了一个很妙的说明:一氧化二氮就是笑气。戴维凭借其超常的洞察力对吸入一氧化二氮的描述与100年之后心理学家威廉·詹姆斯写下的亲身经历有异曲同工之妙。但戴伟的这篇很可能是西方文献中第一次对迷幻实验的描述。
突然感觉从胸部到四肢开始了令人难以置信的膨胀……眩晕,视线模糊,并且很明显这种感觉越来越强烈。我能够非常清晰地听清房间里的每一种声音……随着令人愉悦的感觉加强,我顿时失去了与外界所有事物的联系。生动可见的意象显现在我的脑海里,这些意象还配有话语,就好像是在看小说。我来到一个充满新思想的世界。我创立了理论,我想象着我有了很多新的发现。
戴维发现一氧化二氮也是一种麻药,并且建议在外科手术中使用(但他没有继续这方面的研究,全身麻醉直到19世纪40年代才开始采用,那时他已经去世)。
1800年,戴维阅读了意大利的亚历山德罗·沃尔塔描述世上第一个电池的文章--像做三明治一样,在两种金属之间夹入用碱水浸泡过的硬纸板,就可以产生稳定的电流。尽管人们在之前的一个世纪就已经研究过静电,比如闪电或火花放电,但是一直没得到电流。还没有人想出如何源源不断产生电流,伏特是得到突破的第一人。戴维后来写道,沃尔塔的文章让欧洲的化学家们振聋发聩,但这却让他确定了自己一生要为其奋斗的事业。
几个月后,他说服贝多斯建造一个巨大的电池,以实施他的第一个实验:把长宽各约270厘米的铜板和锌板捆在一起,这电池大得占据了整个房间。他很快就发现电流是在金属的化学变化中产生的。他还想知道相反的推论是否也成立--通电的时候是否会引起化学反应。
水是由氢和氧混合而成(就像卡文迪许演示的一样),那么能否利用电流这一新生力量把水变回氢和氧?在他的第一次电化学实验中,把电流通到水里。(为了能使其继续导电,他又加进去一些酸。)戴维认为水可以分解成组成自己的元素:在电池的一端或者是电极上产生了氢,在另一端或者是另一极产生了氧气,他仅仅在几年之后就证明了氢和氧是按照固定的比例生成的。
戴维发现他的电池不仅可以用于电解水,而且还能加热金属线,比如铂线可以加热至白热;而如果把两根互相接触的碳棒通电,再稍稍分开,碳棒之间就会产生一条耀眼的电弧。他写道:“这条弧是那么亮,甚至阳光与之相比,也显得暗淡。”因此,几乎是非常偶然地,戴维想到了电照明的两种主要方式:白热和电弧照明。但他没有开发
这一产品,又开始研究其他的东西。
拉瓦锡在1789年将已知元素分类,其中包括碱土族的镁、石灰和钡土,他猜测这些物质都含有新元素。在此基础上,戴维又加上了苏打(碳酸钠)和苛性钾(氢氧化钾),他认为这些物质也含有新元素,但是还没有好的化学方法将它们分离出来。戴维想到,一般的化学方法失败的时候,电能成功吗?他先用碱做实验。在1807年初,他就进行了一次著名的实验,该实验成功地用电流将钾与钠分离开来。戴维的助理记载说,成功的那一刻,戴维欣喜若狂,绕着实验室跑来跑去,高兴地手舞足蹈。
最让我欣喜的一件事就是,我在自己的实验室里重做了戴维当初的实验。我对他的实验非常熟悉,在做实验的时候我几乎感觉是自己发现了这些元素。我在书上看到了他是如何发现钾的,并且知道了钾和水如何反应。我切了一小块钾。切的时候感觉就像是在切黄油,钾的切割面闪耀着明亮的银白色,但是一会儿就暗淡下去了。我将其轻轻地放到一个盛满水的水槽中,并且向后退了退。几乎在一瞬间,钾就着火熔化了,它就像被激怒了,在整个水槽中乱跑,还拖着熊熊的火焰。燃烧过程中,钾像是喷出白热的碎片,声音很响,火星溅到四面八方。几秒钟后,小球体烧光了,水槽中的水又恢复了宁静。但是现在的水是热的,而且还滑滑的。这是因为此刻的水变成了苛性钾溶液,含有碱性,所以可使石蕊试纸变成蓝色。
钠比较便宜,而且也不像钾那么活跃,所以我决定在户外看一下钠的反应。我得到了一块比较大的钠,大约有3斤重。我和两个好朋友埃里克和乔纳森一起去了汉普特斯西斯公园的海格特湖。到达那里之后,我们爬到了一座小桥上面。我用钳子将钠从有石油做保存液的瓶中夹出来,然后将其扔到水里。钠立即着火了,并且像一个疯狂的陨石一样在水面快速地旋转,拖着浓浓的黄烟。我们都很兴奋,这就是化学的惊人之处。
碱金属族里还有比钠和钾更活跃的元素,比如铷和铯,还有最轻和活性较小的金属锂。将这五种金属切成小小的颗粒放到水里,然后比较它们的反应,会让人非常愉悦。作这种比较的时候,一定要非常小心地使用钳子,你以及你的同伴都要戴上护目镜。锂会非常平静地在水面上动来动去,并会与水反应产生氢气,直到所有的锂都完??消失;钠在水面上走动的时候会发出一种愤怒的嗡嗡声,但是如果用一小块钠,在接触水面的那一刹那是不会着火的;与之相反,钾一碰到水就会立即着火,燃烧时发出淡紫色火焰,并向四面八方喷射小小的火球;铷很活跃,燃烧很剧烈并产生紫红色的火焰;铯一接触到水就爆炸,玻璃容器因而摇晃不已。相信看过这样的实验之后,没有人会忘记碱金属家族的特性。
在汉弗莱·戴维发现钠和钾之前,人们都认为金属很坚硬、密实,而且都难以熔化。但是这些金属却和黄油一样柔软,比水轻,并且很容易熔化。它们的活性很强,易与其他物质结合,这是以前从未见过的。戴维对钠和钾的可燃性以及它们可以在水上漂浮的能力感到非常吃惊。他想知道火山爆发是否是地壳中的沉淀物中含有钠或钾,遇水爆炸的结果。碱金属也可以被认为是真正的金属吗?仅仅在两个月之后,戴维再次提出了这个问题:
很多科学家也提出了此问题并对此作出了肯定的答复。它们与其他金属的不透光性、光泽、延展性、传导能力(对热和电)等方面的属性都是一致的,而且化合作用的属性也没有区别。
当其第一次成功地分离出碱金属后,戴维转向研究碱土并加以电解,在几周之内,他又分离出了4种金属元素:钙、镁、锶和钡。这4种金属都像碱金属,特别活跃,并且都能燃烧,燃烧时都能发出明亮的有色光泽。很明显这是另外一个金属族。
自然界中根本不存在纯碱金属,也没有纯碱土金属元素,它们都太容易起化学反应了,立即就能与其他的物质结合到一起。因此人们找到的只是这些元素的单盐或复盐。然而,结晶状态的盐是不导电的,但如果溶解在水里,就有很好的导电性。事实上,利用电流电解盐类,电极的一端会出现金属元素(比如钠),电极另一端则分离出一种非金属(比如氯)。戴维由此想到,盐类中的元素应是带电粒子,不然怎么会被电极吸引过去?为什么钠总是出现在一端而氯却总是跑到另一端呢?他的一名叫做法拉第的学生后来把这些带电的元素粒子叫做离子,又进一步将其分为阳离子和阴离子。钠在带电状态下是一种强的阳离子,而氯在带电状态下则是最强的阴离子。
戴维认为,能够电解说明物质不是惰性的,不是像牛顿想的那样由“重力”结合到一起之后就安定不变了,而是带电的,是由电能的作用而结合。他推测,化学亲和性和电荷作用其实是一体两面。在牛顿和波义耳的观念里,人们只知道一种力--万有引力。万有引力存在,组成日月星辰的原子才能连结到一起。现在,戴维发现,宇宙间有第二种力量,这种力和万有引力一样强大,但是它存在于几乎不可想象的看不见摸不着的化学原子世界里。他感觉重力是质量之所在,而电却是物质之所在。
戴维不仅喜欢在公共场合做实验,而且他的讲座或者演示都精彩。他的口才特别好,每次讲座都能引起巨大轰动。他会讲到他实验的最详细环节,也会讲到他对万物对生活的思索。他演讲时的风格以及其语言的丰富无人能够与之媲美。他很快就成为英国最著名、最具影响力的演讲家。他每次演讲的时候,总会出现万人空巷的局面,甚至影响到交通。甚至同时代最厉害的健谈者大诗人科尔里奇每次去听戴维演讲的时候,不仅会将笔记本写得满满的,而且还会说:“要充实一下我的修辞手法。”
19世纪早期,文学和科学仍有水乳交融的时候,戴维在布里斯托的那一段时间开始了与科尔里奇等浪漫主义诗人的亲密友情。那时戴维就可以写出很多的诗歌(其中的一些出版了)。他的笔记本中既有化学实验、诗歌,也有哲学沉思,他认为这些东西都是密切相关的。
早在工业革命初期,科学特别是化学已经取得了飞速发展,它好像是一种新兴的强有力的方法,不仅可以用来理解世界,还可以推动世界向着更好的方向发展。戴维本人好像将这种乐观精神具体化了,并且进一步发展了科学和技术的力量。有人说这种力量可能会改变世界。刚开始的时候,他发现了五六种元素并提出了照明的新形式。在农业方面他也做出了重要的革新。他还发展电的化学理论、研究物质电解作用甚至推及宇宙本身--所有这一切都发生在戴维30岁之前。