化学之外的“门神”:跨界跨了半个俄国

2019-02-09 16:36:02 来源: 澎湃新闻 举报
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(原标题:元素周期表150岁|化学之外的“门神”:跨界跨了半个俄国)

若要问历史上最伟大的物理学家有哪些,足以引发一场华山论剑。化学界的口水战可能不至于那么激烈。光凭一张元素周期表,门捷列夫就可坐拥“门神”地位。

2019月2月迎来了化学元素周期表的150岁生日,也是俄国化学家的185岁诞辰。

联合国将2019年定为“国际化学元素周期表年”,并评价道:“元素周期表是科学史上最卓著的发现之一,刻画出的不仅是化学的本质,也是物理学和生物学的本质。”

门捷列夫于1897年

元素周期表给世间留下了许多令人津津乐道的传奇,比如门捷列夫将当时所知的63种元素写在卡片上,日夜“玩牌”悟道;比如门捷列夫寤寐思服,终于梦见所有元素一一落在相应的位置,组成一张表格;比如法国化学家德布瓦博德兰在1875年发现了门捷列夫在周期表中预言的镓元素,只是密度并不符合。门捷列夫去信要求他重新提纯,而后测量果如原先的预言。

门捷列夫的第一版元素周期表

不过,“门神”之所以成为“门神”,仅仅玩转化学是不够的。门捷列夫在72年的人生中(1834年-1907年),撰写了500多篇著作,涵盖化学、物理、地球物理、工业技术、社会经济等多个领域,跨界程度堪比其祖国的疆土。

如果要归纳门捷列夫的成功法门,最恰当的可能是一句中文俗语:“自己动手,丰衣足食”。

在德国留学时,门捷列夫不满足于导师实验室的仪器精度,一介穷学生自掏腰包在家中搭建器材,并设计出了门捷列夫比重瓶等新装备;

从德国“海归”后,门捷列夫穷困潦倒,身兼多份私教,同时在4个月内写成了俄国历史上第一部《有机化学》手册,畅销一时;

甚至,门捷列夫之所以归纳出元素周期表,也是因为需要教授并不熟悉的无机化学课程,他决定自己编写一本新的系统性教材,亦即后来的传世名著《化学原理》。

无怪乎“门神”能跨界大杀四方。无论是早年际遇还是国家命运,他一生颇多坎坷,但可谓鞠躬尽瘁,遇山开山,逢水搭桥,行至脑力穷处,坐看大千世界。

能源

在门捷列夫的时代,石油的主要用途仍是照明和民用燃料,尚未上升到“工业血液”的地位。他以富有前瞻性的眼光,参与了俄罗斯近代石油工业的发展。

1861年,28岁的门捷列夫兼职校对德文版《技术百科全书》的翻译工作,由此萌生出对工业的兴趣。他在次年帮助俄国富翁科科雷夫改进了高加索一家炼油厂的工艺,大大提高产量。

1876年,包括石油行业在内的俄国经济出现危机。门捷列夫被政府聘为顾问,两度考察巴库的炼油厂,提出了利用重油的新方法。他留下了名言:“石油不是燃料。直接烧石油,就像在厨房炉灶里烧支票一样。”

在门捷列夫的帮助下,俄国建立了第一座从重质油大规模炼制润滑油的工厂,不久,石油润滑油开始全方位取代动植物油脂。

去完高加索,他前往美国宾夕法尼亚州考察,详尽调研了最新工艺和油税制度,总结成《论北美宾夕法尼亚与高加索的石油工业》一文。

俄国政府采纳了门捷列夫的建议,取消煤油和石油消费税的建议,建设输油管道,停止从美国进口煤油。国内石油行业渐渐复苏。

1888年,门捷列夫三度前往顿涅茨克考察煤矿和工厂,提议出台新的信贷和租赁政策、优惠的运输税、为工厂免税10年。

门捷列夫也在理论上做出了贡献,猜测石油是由铁碳化合物和水在地下深处高压中相互作用形成的,突破了有机物和无机物的界限。

酒精

1861年,由于编写了百科全书中的《酒精度量学》一章,门捷列夫还被财政部聘为酒精技术委员会的专家,征求精确测量乙醇溶液浓度的新方法和新装置,以改革酒税。他用几次立方蒸馏得到了极纯的乙醇,详尽研究了溶液体积和密度随温度和水乙醇比的变化,提炼出精准而复杂的公式作为工业标准。

除了薪水,门捷列夫还有意外的收获。他一直以来都对液体和溶液的基本物化性质很感兴趣。在研究酒精的过程中,他可以从精准绘制的图像中读出清晰的化合物组分,即乙醇与水分子的摩尔比。

这后来成了他的博士论文题目:《论酒精和水的化合物》。再加上门捷列夫在死前担任的职位是俄国计量所所长,许多人便附会出了一个广为流传的说法:门捷列夫规定伏特加的“黄金比例”是38度,后来为计税方便而改成40度。

其实,门捷列夫在博士论文中讨论的酒精浓度超过70%,未有一句提及伏特加。他担任计量所所长期间的主要贡献是统一度量衡,引入了国际公制。

贸易

每逢危急存亡之秋,门捷列夫的身影总是十分活跃。俄土战争(1877-1878年)后,俄国经济濒临破产。1882年,一场专门的工业和贸易大会在莫斯科举行,号召商界献计献策。

门捷列夫在会上一人做了7场演讲,涵盖铸铁、石油、燃料、盐、煤、皮革、亚麻、棉花、纸张、羊毛、丝绸、机械化等国民经济核心议题。

1889年,门捷列夫成为贸易和制造业委员会的成员。他一开始只参与制定硫磺等化学品的关税,但他很快意识到,关税是一个整体性问题。门捷列夫试图在一种框架内安排所有可能的关税,写成了700页巨著《用关税解释俄国工业的发展》,提倡贸易保护主义,大受业内好评。这个框架被称为“门捷列夫关税体系”,直接导致了1893年至1894年俄国与欧洲的贸易战,强有力地刺激了俄国国内的工业化进程。

农业、教育、艺术

当然,门捷列夫不仅是敏锐的观察者和高产的写手,他对 “副业”往往倾注了诸多实践和心血。

门捷列夫关注农业。刚在圣彼得堡大学获得稳定教职,他便在附近的乡村购置新屋,自建实验室和试验田。他欣赏李比希的现代农业化学理念,鼓励使用磷肥和其他矿物肥料。在其后两年间,试验田的土壤质量和农作物产量确实提高了。

事实上,1869年元素周期表正式在俄罗斯化学学会上首发时,门捷列夫本人是缺席的。当时他正在考察奶酪发酵业,委托他人在发布会上代为演讲。

门捷列夫关注教育。1871年,他参与开设了第一批接收女生的课程,并亲自讲课。此外,他发表了关于高中改革的文章,以期将其纳入终身教育轨制。

门捷列夫关注艺术。1871年至1873年,他为一批著名画家开设了有关颜料和颜色的化学讲座,并加入摄影师俱乐部,助力俄罗斯艺术的传播。

门捷列夫第二任妻子波波娃

1877年,门捷列夫对19岁的美术生波波娃一见钟情,顶着教会的压力离婚再娶。

门捷列夫甚至有制作行李箱的爱好,其中的独家秘方是一种特制胶水。传说他一次在圣彼得堡当地的市场采购材料,旁边一位顾客询问店主这位先生是谁,店主答道:“你不知道吗?他是个很有名的做行李箱的师傅,门捷列夫。”

以太

当然,勇往直前的“门神”也不是没走进过死胡同,那就是“以太”。这是一条历史悠久的死胡同,许多伟大的西方科学家都曾到此一游。古希腊的亚里士多德认为除了“水、火、气、土”四行之外,天空的最上层还有一种最基本的元素以太。17世纪的笛卡尔则认为物体之间的力是通过以太传递的。

门捷列夫版的元素周期表依据原子的质量而排列,随着质量增加呈现出周期性的变化。门捷列夫由此相信这一规律的根基是一种质量极小但不为零的元素,很可能和传递万有引力的以太是同一个东西。

门捷列夫(最左)1895年9月于埃菲尔铁塔

为此,他向军事部申请大量经费,购置最好的气泵,以研究极端高压下的气体弹性。在实验过程中,他再次发挥自己动手的精神,发明了门捷列夫差示气压计等新装备,以实现超高精密度的测量。这一研究检验了理想气体状态方程,并推广为现行的版本pV = nRT。

在同一时期,许多人把以太附会为灵媒,坊间流传着许多“神迹”,即人可以通过精神力量隔空移物,包括巴甫洛夫在内的许多科学家都曾把灵媒当作严肃的课题研究。1875年,门捷列夫通过在桌面下安置灵敏的压力计来检验神迹,最终证明都只是一些诡计。

1876年,门捷列夫终于承认以太这条路走不通,叫停了项目,招致赞助商的不满。

飞行

不过,追寻以太的过程并非全无收获,除了理想气体状态方程,门捷列夫点燃了对气象学和航空的热情,后来扩展到流体力学甚至船舶制造学。

他认为这些不同的领域背后有着同一个核心问题:阻力。1882年,他在《论液体和空气飞行阻力》中总结了相关的研究成果。

1887年,53岁的门捷列夫坐着自己参与设计建造的气球,一个人上升到3000米高空。在那里他没有找到以太,但见证了一次日全食。

门捷列夫的空中之旅

也正是在这一年,门捷列夫发表了《水溶液密度的研究》,通过分析233种化合物的溶液在不同温度下的密度与浓度,他在连续的曲线上找到极端点,来证明水合物的形成。在前言里,门捷列夫用这本书来纪念自己的母亲:

“这项研究是她最小的儿子献上的思念。她以身作则,以爱纠错,并用生命中最后一点力气把他带离西伯利亚,献给科学。

她临终时说道:不要耽于幻想,不要纸上谈兵,要耐心地追求神圣和科学的真理。她懂得言辞何其诡辩,所知何其浅薄,要用科学而非暴力,爱心辅以信心,消除一切迷信、不实和谬误,代之以尚待发现的真相、未来发展的自由、普世的福利,以及内在的幸福。德米特里·门捷列夫谨遵她的遗言。”

门捷列夫母亲玛利亚的画像

退休后的门捷列夫在海军部的委托下开始研制无烟火药。1892年,他通过改良硝化纤维成功发明“焦珂罗酊”,建议以此全面替代俄国现有的火药。然而,由于成本问题和一些利益纠葛,该方案被军方弃之不用。

不过,门捷列夫参与的另一个海军项目——世界上第一艘极地破冰船Yermak号,倒是在1898年成功下海。

世界上第一艘极地破冰船Yermak号

1906年,门捷列夫获得诺贝尔化学奖提名。由于一部分评委认为“难以评价元素周期表在理论上由谁发现”,门捷列夫以一票之差输给了制备出单质氟的法国化学家莫瓦桑。

此时,门捷列夫与刚输掉日俄战争的帝国一样垂垂老矣。

次年,门捷列夫病逝于圣彼得堡,享年72岁。第101号元素“钔”,把俄国化学家的名字永远刻在了元素周期表上。

乔俊婧 本文来源:澎湃新闻 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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