梦中破解了万物密码的天才化学家-门捷列夫

朝宗惊鸣 2024-04-14 14:19:17

19世纪中期的化学界是一幅百花齐放、欣欣向荣的景象,人们刚刚冲破了炼金术所信奉的古典元素。土水风火的表象限制,发现了我们所在的这个神奇的自然界中,似乎蕴藏着数不尽的越来越多不同种类的化学元素。而这些元素本身的特性又能给当时的人们带来一些未曾领略过的魔法般的神秘感。这种感觉就好像是造物主为人类留下了一些揭开宇宙终极谜题的线索。当你发现的越多,就会距离答案更近。而一旦你掌握了全部,也就意味着人类可以揭开那个神秘的终极谜题的最终答案。

但是,就在人们梗着脖子激动的宣布一个又一个新元素被发现,我们距离真相越来越近的同时,科学家们却又一再陷入了新的迷思。因为这些杂乱不堪的元素,虽然个个堪称神奇,但是他们之间似乎毫无章法和次序而言。也就是说,虽然我们手里掌握的线索越来越,但是他们之间并没有形成一些应有的相互关联、相互印证的线索链条。更多的是看起来毫无关联的、越来越复杂的令人困惑的线索。

所以在当时的化学界,人们迫切地需要把这些看似杂乱无章的元素变得井然有序。但是数量不断上升的元素总量并没有让事情变得简单。甚至,让科学家们开始怀疑,我们所处的自然界究竟有多少种元素,数量会不会一直没完没了地增长下去,造物主那张若隐若现的神秘面纱似乎一时间变得更加深不可测。

不过就在大家一筹莫展的时候,1869年,竟然有一位年轻的化学教授,据说通过一种神奇的方式,也就是在梦境中梦到了一张表格。所有当时的已知化学元素都在这张表格中被井然有序地排列在一起,于是醒来后的他马上就把梦中的这张表格腾抄了下来,也就是我们现在在使用的化学元素周期表的雏形。这位似乎是受到了神谕的年轻化学教授,也就是我们今天故事的主角俄国化学家德米特里门捷列夫。

1834年2月门捷列夫出生在西伯利亚托伯尔斯克的一个东政教家庭。这是俄罗斯民族在乌拉尔山脉以东建立的第二座城市,也是西伯利亚的首府。但是在门捷列夫所在的时代,托伯尔斯克已经开始日渐衰落而且最终会因为错过了西伯利亚大铁路而彻底归于沉寂。门捷列夫的父亲是当地一所中学的校长,在他出生的那一年,父亲因白内障手术失败造成了双目失明,继而失业。

养育14个子女的整个家庭重担就在一夜之间,突然落在了母亲玛利亚一个人的身上。不过还好母亲玛利亚的娘家一直经营着一家玻璃厂和印刷厂,背靠祖业加上母亲的勤劳,一家人还是可以勉强度日,并且让子女们接受教育。所以这样的家庭变故并没有耽误门捷列夫的学业。在校学习期间,他也和很多天才一样,会有严重的数理偏科问题,不过这在他的母亲看来,却不是一个什么大问题,反倒是展现出了这部分超出一般人的能力。

时间很快来到了门捷列夫13岁那年,本就勉强支撑的家庭再一次陷入了巨大困境。母亲的玻璃厂因为一场大火变为灰烬,父亲也在这场大火不久之后去世。不过坚强的母亲依然强忍着悲痛,继续支撑着这个摇摇欲坠的家庭。并在两年后的1849年,带着14个子女中唯一还未成年的门捷列夫,乘雪橇车风尘普普的赶了2000多公里路,只为找到一所能够接纳门捷列夫的大学。他们在莫斯科因为学区问题被莫斯科大学拒绝,之后又被圣彼得堡大学再次拒绝。最终,在母亲的不懈坚持和哀求下,门捷列夫终于幸运地进入了父亲的母校,圣彼得堡师范学院就读物理数学系。但可能是由于一路的舟车劳顿,这位几乎是依靠一己之力抚养了14个子女的伟大母亲,在门捷列夫学不久后就黯然离世了。

我们可以看出她费尽心力将门捷列夫带出西伯利亚,不惜花光所有的积蓄,最后甚至搭上自己的性命,只是希望儿子能够受到最好的教育。我们无法知道门捷列夫与母亲在最后的时刻里都谈了些什么,但是她却用伟大的母爱,告诉了自己的儿子知识的重要性。于是门捷列夫决心发奋读书,成绩也从入学时在28个学生中排名25位,到毕业时已然名列前。正当1855年以优异成绩毕业的门捷列夫准备继续攻读硕士学位的时候,命运似乎再一次跟他开起了玩笑。

由于不断的咳血门捷列夫被诊断出患有肺结核,这在当时的医学条件来说,基本上跟被判死刑没有什么区别。但是门捷列夫却依靠着母亲留给自己的坚强信念,不但没有被病魔打垮,而且还奇迹般地在克里米亚半岛休养期间读完了整个研究生课程。1856年10月,他在圣彼得堡大学用一篇《论硅化合物的结构》完成了自己的硕士答辩,此时的门捷列夫刚满22岁。之后的1857年,他被圣彼得堡大学破格任命为化学讲师。又在1859年至1861年间被选拔去德国和法国留学。

1860年9月3日,这一天是一个事后看起来非常关键的节点。在当时的化学界,人们对于发现的化学元素的原子重量方面分歧特别巨大。大多数化学家都认为每种化学元素都有自己独特的原子重量,但是大家又没有一个统一的计量标准。所以,在德国卡尔斯鲁厄举办的首届国际化学大会上,这个话题自然就成为了大家讨论的焦点。很快,来自意大利的坎尼扎罗号召大家用阿伏伽德罗发明的标准,统一解决大家纷争已久的分歧。26岁的门捷列夫作为学生也旁听了这次演讲。他敏锐地嗅到了一个关于化学的新时代,即将来临。

就在那次会议之后,在整个化学界,一些不可思议的事情正在慢慢开始发生。人们纷纷以统一的测量标准为基础,尝试了多种编排元素的方式。因为当时的法国地质学家把已知的元素沿着圆柱外围以螺旋形式排列,结果发现,具有相同特性的元素往往会为同一纵列。而另外一位英国化学家则按照原子重量将元素以每行七个进行排列,结果发现,元素的特性就像八度音阶一样,每隔八度,特性就会重复一次。

到了19世纪60年代,欧洲又有多位科学家都发现了元素之间隐藏着的某种次序。但是却没有人能够再进一步。彻底揭开这个神奇的上帝密码。1867年,由于圣彼得堡大学空缺出了一个化学教授的位置,门捷列夫在继承教职的同时,也继承了前辈的教学任务。但是由于当时的俄国并没有适合大学生使用的俄文新版教科书,所以门捷列夫的首要工作便是亲自撰写一本更加适用的新版化学原理教科书。当然,如果能够顺利完成的话,门捷列夫也可以从出版社拿到一笔不小的酬劳。这本书分为上、下两册。1868年他完成了上册,紧接着,1869年2月,他又把下册的前两章交给了出版社。

不过他很快就收到了出版社想要他在两周之内完成其余章节的要求。当时已知化学元素有多达63种,而门捷列夫在这本书的上册仅仅介绍了八种元素。所以如果想要在两周内完成其余的部分,也就是说,门捷列夫需要尽快找到一种元素间的组织原则,把剩余的55种元素全部加进去。于是他开始尝试构建一个化学元素的分类系统。门捷列夫知道想要建立这个系统不可能单纯依靠猜测和运气,他必须找到这些已知元素之间的某种深层次的逻辑关系和原则。

在无数次的尝试之后,他觉得元素族是一个不错的切入点,因为化学家们,在很早之前,就已经知道某些元素之间彼此相似,因为他们常常会和同样的物质发生同样的反应。但接下来摆在门捷列夫面前的问题就是:如何找到除已知两种元素族之外的其他元素族。他想到的方法是着手研究已知的这两种元素族中元素之间的某种关联。于是门捷列夫很快发现了这些同族元素中一个奇特的现象。

他首先分析了钠和锂的原子重量,又比较了这两种元素的不同之处,然后又对氯元素和氟元素采取了同样的对比方式。他发现这两组元素之间的差异竟然惊人地相似。找到了线索的门捷列夫异常兴奋,他把最轻的元素及对应的原子重量一一列出,列好七个元素后,就跳到第二行继续罗列,结果他发现,按照这种模式下来,无论是横列还是纵列的元素之间原子间的重量都是按规律变化的。我们无法体会当时门捷列夫窥见了自然界这种神秘规律后的那种感觉,不过在外人看来,或许这就是这个科学家感觉自己距离造物主最近的一次了。此时的门捷列夫开始完全沉浸其中,构建这个伟大的化学元素分类系统,并继续搞清楚其中的难点和不太合理的地方。这个天才就像是在破解造物主留下的令人着迷的智力拼图一样,一步步努力地接近最终的真相。

由于当时已知的元素只有63个,所以在门捷列夫构建这个神奇系统的过程中,还是会给他的工作带来比较大的麻烦。比如,按照系统规则推演下来的元素之间很可能会出现一个到几个没有被发现元素所留下的空缺。不过这些问题对已经开了挂的门捷列夫来说并不是什么大问题。他竟然真的就在遇到这些问题的时候,选择留下空格,然后继续进行其他元素的排列。在这里我们也可以发现门捷列夫对自己的系统有多么大的信心,他竟然可以依托自己的系统规则判断空格中缺失的元素日后一定会被找到,并且会被安放在自己本该存在的位置。

经过几天的日夜奋战之后,门捷列夫终于躺在沙发上,在半梦半醒中意识到了最后一个难点的解决方案,并且最终完成了自己理想的化学元素排列表。兴奋的门捷列夫将这个表格印制了200份,之后分别寄送给了当时欧洲的所有顶尖化学家。这便是最初版的化学元素周期表诞生的故事。虽然尚未完成,但是却准确无误。

在之后门捷列夫出版的化学元素周期表中,他不仅为尚未发现的元素留下了空格,而且他还为日后将要被发现的这些元素估算了原子的重量值。这也就意味着,门捷列夫在化学元素这一领域正式取代了造物主的地位,成为了这一领域神一般的预言家。因为他发现的并不仅仅是这些元素的编排方式,而是洞见了神秘的自然法则。他就好像将一张由造物主亲手撕的粉碎散落在整个宇宙中的寻宝图,通过63个碎片竟然神奇地拼凑出了整个框架,并且明确告诉世人其余碎片的存在和其准确的特性。

随后的几年,法国化学家发现了一种极其柔软的金属,也就是镓元素,它很符合铝元素下方空白元素的特性。但是,这位法国化学家提供给门捷列夫镓的原子重量却和门捷列夫所预测的结果不一致。门捷列夫坚定地给这位化学家写信,让其再确定一遍数据。你可以想象一下一个手握这种化学元素的人,竟然会接受一个连这种元素看都没看过的人的质疑。而且最终的结果也显示门捷列夫果然是正确的。他不仅预测了这种元素的存在,而且他甚至比这个元素的发现者更加了解这种元素的特性。

而同样的事情在接下来的十年内,又发生了两次。也就是说,门捷列夫所预言的未被发现的化学元素,在他有生之年,就被印证了三次。而就是这个在化学界堪比神一般存在的人,按理说早就应该获得诺贝尔奖。可是门捷列夫却在被提名的1906年遭遇到了一个强大的对手,也就是那个以制造出单质氟而闻名的法国化学家。

不过如果莫瓦桑是以单质氟的发现赢过了门捷列夫,那也算是势均力敌。可是真正让莫瓦桑获得诺贝尔化学奖,并不是单纯的单质氟的发现,而是人性的丑恶。因为诺贝尔化学奖委员会在1906年决定了获奖人,本来已经确定就是发明化学元素周期表的门捷列夫。但是这个决定却遭到了瑞典皇家科学院的化学家阿伦尼乌斯的强烈反对。原因也非常简单,因为门捷列夫曾经公开批评过阿伦尼乌斯斯的研究论文,因此得罪了他。也正是因为这一点,最终导致门捷列夫失去了一生中唯一获得诺贝尔奖的机会。因为就在半年后的1907年2月,门捷列夫在家中突发心肌梗塞与世长辞了。

虽然阿伦尼乌斯通过这种卑劣的手段阻挠了门捷列夫被诺贝尔奖认可的机会,但是门捷列夫对于人类科技进步及化学领域的贡献却是实实在在,根本无法被历史淹没的。他对人类作出的伟大贡献不是阿伦尼乌斯之流可以比拟的,因为他就是那个在化学史上唯一一个神一般的存在,一个在所有人心目中毋庸置疑的无冕之王。

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朝宗惊鸣

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