划时代的科学发现：他们创造了科学-2

在开普勒1596年的著作《 宇宙的奥秘 》（Mysterium Cosmographicum）中，呈现出某些关于行星的原创思考，这是自古以来仅见的。这本书里有个想法使他遭错觉误导多年，那就是将五个正多面体层层套叠，可以说明六个行星的数量与距离。这个构想极为美妙诱人，但却是错的，后来他自己也发现了。这本书的伟大之处，在于开普勒所提出的问题，以及他回答问题所采用的物理性直观，而非形而上观点。他想了解行星为什么取其特有的距离和速度运行。一开始，他的答案以神秘术语陈述，但认为太阳必定发射有某种力量，促使行星移动；同时这种力量会随着距离而消减，就像太阳光一样。他的年少天赋驱策他不止于描述天体的运行，更进一步探索该现象的物理原因。自古到当时，还没有任何人曾经做过这样的尝试。第21节：开普勒破解行星之谜(2)《 宇宙的奥秘 》这本书使他受到了丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe）的注意，当时第谷正努力对恒星与行星进行有史以来最精确的肉眼观测。开普勒成了第谷的助理。当第谷在1601年10月24日去世后，他顺理成章接任第谷的职位，成为鲁道夫二世宫廷中的皇室数学家；更重要的是，他得以取得第谷珍贵的宝藏——多年来观测行星的结果，特别是火星。“我必须承认，”开普勒写道，“当第谷过世时，我很快就利用他的子孙有失谨慎的弱点，将他的观测成果接收过来，或者说，占为己有。”开普勒之所以把精力集中在研究火星上，是因为根据当时的理论，火星的运行轨道最难解释。开普勒知道，第谷观测的精确度达两分（或者说六十分之二度），然而以圆形轨道为基础的运算，却无可避免地产生达八分的误差。到了1604年年底，经过众多错误转折后，开普勒终于了解到，火星不可能循圆形轨道运行，而是依照某种椭圆形轨道运行。由于他对第谷观测结果的信心，使他推翻了2000年来催眠了全人类的天堂观点。“因为这八分实在令人无法忽视，”开普勒写道，“光是它们就引发了天文学的全面革命。”开普勒在1609年出版的《 新天文学 》中，发表了他头两条关于行星运行的定律。在他1618年的作品《 哥白尼天文学概要 》（Epitome of Copernican Astronomy）中，成果更大幅增加，当时他已经发现了他的第三定律。这些深刻的洞见如今被称为“开普勒定律”，或简称为“行星运行定律”：1.行星依椭圆轨道运行，太阳则位于椭圆形的两焦点之一。2.从太阳到行星间画一条直线，在相同的时间间隔里，将扫出相同的面积。3.行星绕太阳一周所需时间的平方，与行星到太阳的平均距离的三次方成正比。第一定律将行星置回真实轨道。就像亚历山大大帝一剑斩断了高地安绳结（编者按：据说无人能解开的一个绳结），开普勒凭着优雅的一击，斩断了纠结人们2000年的理论与观测之思想绳结。开普勒对第二定律感到相当满意。它以极美妙的方式，不期然地改变了自古以来认为行星运行速度始终一致的信念。开普勒发现，事实并非如此。行星离太阳越远，运行速度就越慢；当它越靠近太阳，速度就越快；行星的加速或变缓跟它和太阳的距离呈完美的比例。至于重要性毫不逊色的第三定律的发现，则花了他20年时间。这条定律使天文学家有史以来首度能够精准地算出行星运行轨道的相对大小。对于这项新发现的天体规律性，开普勒感到相当震惊。关于这点他写道：“上帝本人可不是也等待了将近6000年，才有人开始尝试理解他的作品吗？”开普勒的成就是如此深刻渊博，成就的过程是这么样独特与个性化，因而学者将他列为少数无人能取代的科学家之一。“就像其他少数伟大的科学家一样，开普勒也堪享此名，”天文学史家斯蒂芬森（Bruce Stephenson）写道，“也就是说，如果他没有达成这些成就，那么很可能也没有人能达成了。”吉利斯派（Charles Gillispie）也同样感到敬畏：“他拥有人类心智的伟大成就，其新意唯有相对论能相提并论，因为两者同样改变了科学于大自然所发现的基本形态。”开普勒赤手空拳地发明了物理天文学（Physical Astronomy），他是第一位将天文学置于物理学基础上的科学家。更特别的是，开普勒的伟大发现却是立足于错误本质的物理学理论。“该物理学本质上是谬误的，因为他缺乏现代的惯性概念。”斯蒂芬森说。开普勒确实曾尝试探索改良对重力的理解，他所达到的程度，是将重力视为同类物体之间的吸引力；他甚至了解月球重力与潮汐之间的关联。然而他并未瞥见重力在行星运动中的重要作用 —— 这点就要靠半世纪后的牛顿了。由于开普勒智性上的诚实以及对第谷观测成果的尊敬，使他得以暂时搁置自己原本对太阳系结构所持的神秘概念，并超越原来对于促使行星运行力量的谬误想法，最终达到了真理。“那些物理原则本身……几乎在所有细项上都是错的，”斯蒂芬森写道，“但天文学的部分却好得令人吃惊，前所未有的好。”有趣的是，开普勒从未放弃他那极度神秘的世界观。1619年，他出版了《 宇宙和谐论 》（Harmonice Mundi），在书中他再度唤醒毕达哥拉斯之魂，企图将几何学、音乐、天文学与占星术联结到基础几何比例之中——也就是世界的和谐。尽管开普勒对于占星术的许多说法持质疑的态度，但他却终生奉行，而且还相当在行。毫无疑问地，开普勒的定律引导牛顿发现了正确的重力与惯性概念，但同样无疑的是，在牛顿物理学打造出来的机械宇宙中，开普勒也不会自在的。至于开普勒的私人生活，则毫无和谐可言。他处于宗教剧变的年代，经常因为宗教因素而搬家。路德教派一度拒绝他领受圣餐，后来天主教会则没收了他的图书馆，强迫他的孩子去望弥撒。他第一任妻子和六个孩子相继去世。1615年到1621年期间，他投入许多时间和资源协助他母亲反击有关她施行巫术的指控。他成功地帮她洗清了罪名，但她却在几个月后过世了。开普勒自己也在1630年追随他母亲离开人世，享年58岁，后来他的坟墓也在30年战争的兵荒马乱中消失了。开普勒多才多艺，他聪明过人，自我鞭策，坚毅能忍，具有强烈的自觉性。在其独特天分的激发下，他终其一生都在黑暗与混沌中开疆辟土，向我们揭示行星随之起舞的优雅和谐。我们对他亏欠甚深。第22节：列文虎克探索小宇宙(1)列文虎克探索小宇宙列文虎克（1632—1723）和伽利略一样，都是探索新世界的先锋。只不过这次不是透过望远镜所见的庞大宇宙，而是肉眼所看不到的奇异世界。列文虎克的发现极为众多：他是第一位看见并描述单细胞动植物、细菌、血液细胞及精虫的人；他深受神秘的繁殖现象所吸引，因而追踪许多他所发现的微生物的生命周期，并研究植物的种子，以及像青蛙、狗和跳蚤等常见动物的生殖结构；列文虎克是第一位在显微世界里进行测量的人，他能精确估算出栖居在水滴里的生物的大小、体积以及数量；他同时也是第一个目睹血液随着心跳节奏在微血管中脉动的人。他在近50年的研究过程中，通过自己亲手制作的数百个显微镜不断观察，开启了全新的研究领域，而细胞、血液及动植物组织，只是其中一二。对任何科学家而言，列文虎克的发现都可能促成可观的惊人成就。更令人惊讶的是，他仅是个业余人士，自学成才。他受的教育平平，只足以应付他在家乡荷兰台夫特贩售丝绸、纽扣、缎带的生意。但他后来又自学数学，使他得以兼差担任测量员及乡镇葡萄酒测量师。列文虎克的见识不算广，他似乎到过安特卫普，有一次还远行至英国。除了荷兰语之外，他从未学过其他语言，因此他根本不可能取得当时的任何科学文献，换作别人，早就失落了。不过基于列文虎克迫切想要了解自然的欲望、他制造的器具的品质、他锐利的眼光与观察，以及他对真理的追求，都在使他维持初衷。微生物学家都贝尔（Clifford Dobell）写道：“我对列文虎克怀有无限敬仰，他所听闻、所阐释的事情，如果我像他一样没有任何协助，我是绝不可能发现并找出问题的……无论对他或我，这些问题永远也不可能得到最终的解答。”在列文虎克的早期生活中，并没有任何征兆透露他后来的成就。他来自于繁忙而整洁的台夫特，出身零售业家庭，排行第五。列文虎克五岁时父亲去世，三年后他母亲改嫁，并把他送去和他的舅舅（一位定居在附近城镇的警长）同住。16岁时，列文虎克被送到阿姆斯特丹，他在那里很快就精通了布料的生意。1654年，列文虎克回到台夫特，当时他21岁。他在当地做起生意，娶了芭芭拉?狄梅（Barbara de Mey），买了房子。芭芭拉在去世前的十几年间生了五个孩子，但其中只有玛莉亚一个逃过夭折的命运。就像伽利略的爱女玛莉亚?谢利斯特（Maria Celeste）一样，列文虎克的玛莉亚在父亲生前也同样对他全心奉献。他在1671年再婚，他的第二任妻子康妮丽死于1695年。要了解列文虎克所处的世界，可以从他同辈画家维梅尔（Jan Vermeer）的作品中略知一二。幸而在当时的荷兰，社会阶级并非成功的绊脚石。第23节：列文虎克探索小宇宙(2)当列文虎克造出第一个显微镜时，他已经将近40岁了。身为一个脚踏实地的人，他在获得稳固的经济基础之前，一直很克制自己对自然的热爱之情。显微镜并不是他发明的——早在他出生前就有这种仪器问世了。不过，当时的产品使用起来相当麻烦，解析度极低，影像又高度扭曲。凭着自学与独立的精神，列文虎克并不理会当时人们所用的双镜片复合式显微镜。他的仪器既简单又准确，就像他的人一样。他为每一具显微镜磨出一片焦距极短的小镜片，然后夹在两片中央穿孔的金属薄板中间；接着他将要研究的物体置于针尖上，然后再用螺丝把它调整到焦距内。列文虎克对镜片的制作与选择精心入微，在他生前乃至死后多年，通过他的仪器观察的人，几无例外地一致赞美其物像之明亮清晰。在他仅存的少数仪器当中，倍率最大的能够放大270倍，能解析出大小仅1.4微米的物体特征。列文虎克从未对任何人展示过他最好的显微镜，但曾暗示说他有个秘密方法，使他制造出能够解析出微小物体的仪器。都贝尔怀疑列文虎克可能发现了如今通用的一种强大技术：暗视野照明（dark field illumination），这种技术能使物体在黑色背景中发亮。就像所有新领域的探险家一样，列文虎克也随着好奇心的指引前行。他研究过蜜蜂的嘴部、他自己牙齿上的牙斑、他自己的胡子、跳蚤身上的毛、红细胞和植物细胞、盐巴和胡椒、精子与卵子、毛细血管和神经纤维、眼球的晶体、牙齿的结构，以及最著名的微生物。在他眼前旋转舞动冲撞的这些“微生动物”，自古以来一向不为人所见，也罕有人料到其存在。列文虎克是第一个看到这些生物的人，他同时对它们进行了描述、描绘、测量和清点，并且告知全世界。本来，列文虎克可能就此默默且快乐地进行研究，顶多和镇上几名好奇的居民分享他的发现，但后来台夫特有位葛拉夫（Reinier de Graaf）医生把他的成果转告伦敦皇家学会（Royal Society of London）。当时的伦敦皇家学会只有12年历史，对于其科学通讯员（correspondent）并没有学历限制，正如他们的宪章所言：“拥有清明的感官与真理，便是充分的资格。”在随后50年间，列文虎克对显微世界的探索与观察，便以书信形式出现在他们的《 会报 》（Transactions）上，由列文虎克以荷兰文书写，数个不知名的合作研究者绘制插图，并由学会加以翻译。列文虎克的书信读起来不像精练的科学报告，而更像是某位探险家的日志，处处回响着他所感受的喜悦。比方说，在他的第六封信中，他这样描述他的新发现，也就是如今所知的原生动物或单细胞动物：“此外，这当中有很多小型微生物，有的圆圆的，其他的，大一点，里面有卵。最后我还看到头部附近有两条小腿，在身体最后面还有两个小鳍……这些微生物在水里的动作大都很快速，动作很多样，往上，往下，绕圈圈，看起来真是美妙。”如果逐篇分开读的话，列文虎克的信看起来可能只是一串生动但杂乱无章的叙述，一堆毫不相干的观察。然而在他漫长的科学生涯中，他将同样的主题一次又一次改写，每次都将器具再度改良，使观测更精确，并测试他的想法。整体而言，他这些书信成了探索显微世界的最佳指引，且数十年间仍维持着同样的地位。列文虎克并不尊崇当代的其他理论，他发现那些都无法跟他亲眼所见的相提并论。他的观测之精准，与其技术之精湛相辅相成。比方说，他解剖并研究了跳蚤的睾丸，这些“小动物”的形式与功能之完美使他深感敬畏，因而对自亚里士多德以来便广为人接受的理论嗤之以鼻。该理论认为，所谓的低等有机体能够由无生命物质自动形成——比方说，大麦加上破布可以生出一窝老鼠。“不论是跳蚤或虱子，都不可能从一小撮土里冒出来，就像堆肥坑里生不出马儿一样的道理。”他写道。然而，直到数十年后，某些情况下甚至要到数百年后，科学界才开始接纳并体现列文虎克的发现。列文虎克曾在某个老人的烂牙的“脏东西”里，看到“数量惊人的活微生物”；在某次腹泻后，他在自己的粪便中发现了螺旋原虫；然而一直到一个半世纪后，巴斯德和科赫才发现细菌在疾病中的角色。列文虎克早就发现，醋能杀死他所发现的大部分微生动物；然而医生却一直到19世纪才开始通过消毒法来救人。列文虎克曾经观察过30种动物的精子，也知道精子必须穿透卵子才能受精；然而直到1814年，还有位顶尖科学家辩称，精虫是一种寄生虫，与繁殖毫无干系。第24节：列文虎克探索小宇宙(3)虽然有些伟大科学家谦虚的自贬之词实在令人难以尽信，但列文虎克的一生实则彰显了他对自己成就的描述：我的目标唯有真理，我所有的仅是指出某些事物的谬误……如果（有人）能够指出我发现中的错误，我将敬之为功德，因为那将鼓励我迈向更好的精确性。牛顿：引力与光爱因斯坦所言并不夸大——牛顿确实孤独屹立。伊萨克?牛顿（1642—1727）一人创始了四项革命性的科学发展——数学微积分、对光与颜色的光学研究、三大运动定律以及万有引力。他不仅为人类创造了无与伦比的智慧工具，更向所有人证明，宇宙所受制的普遍性法则，是能够为人类理性发现并利用的。当今最顶尖的天文物理学家芮斯（Martin Rees）曾这样简单说道：“牛顿是上个千年的科学俊杰。”从牛顿的背景中，完全无法解释或看出他会成长为一位徜徉于宇宙原理的学者。据形容，他父亲是个“狂野、奢侈、软弱的人”，他在牛顿出生前就去世了。牛顿是个早产儿，童年时很早就和母亲分离。他母亲在他将满两岁时改嫁，后来把他交给她的父母抚养。虽然她住的地方只有几英里远，但她对这位“冷静、沉默、深思的男孩”却一直避而远之，直到她第二任丈夫在九年后去世为止。有些传记作者认为，这段分离经验导致牛顿终生的情感问题——童年时的易怒脾气、对他母亲与继父的愤恨、对评论几近偏执的过度反应，以及两次全面性的精神崩溃。他那因愤嫉所致的狠毒绝情性格，使得雨果笔下冷面无情的贾维探长（《 悲惨世界 》里紧追主角不放的探长）都成了菩萨心肠。幸而，有人在这阴郁的年轻人身上看到了别的东西——这些人包括他学校的老师史托克（John Stokes）和他的舅舅艾斯克夫（William Ayscough）。他们说服他母亲放弃使他成为农夫的努力，让他回学校就读。艾斯克夫毕业于剑桥的三一学院，他也设法使牛顿进了他的母校。这时牛顿18岁，比班上同学整整大了两岁，也比别人严肃得多。表面上，牛顿吸收了当时学校所教的许多古典著作与思想观念，有着长足的进步。虽然哥白尼、开普勒、伽利略和笛卡尔在此之前的150年间都曾有开创性的发现，但三一学院却仍在教授亚里士多德的定性物理和欧几里得的几何学。他的数学教授巴罗（Isaac Barrow）一开始只把他当作一名冷漠的学生，甚至还注意到他尚未彻底精通欧几里得几何学。但巴罗和其他人都不知道的是，牛顿早已精通最新的科学发展，并开始超越他们，向未经探索的知性领域推进了。但是年轻的牛顿却将自己的发现紧锁在笔记本里秘而不宣，且终生如此。他写在第一本笔记本上的座右铭似乎再恰当不过：“真理是我最好的朋友。”1664年，瘟疫蔓延到了英国；1665年秋天，剑桥关门大吉。接下来两年间，牛顿都留在家乡乌尔索普的小村庄中。在这短暂的隐居期间，牛顿获得了极深刻的发现，学者因而称之为“神奇的年代”。在早期，他发展出二项式定理，一种以无限项级数总和来计算代数算式的方法。几个月后，他发现了自己的“正切方式”，这是迈向微积分的关键步骤。在当时，微积分是一种新数学，它使数学家首度能够处理持续改变的量。六个月后，牛顿发展出“处理流数（fluxion）的直接方式”，如今我们称之为微分学。牛顿对于光与颜色也很感兴趣。在一连串精彩的棱镜实验中，他首度证明白光是由许多不同颜色的光束混合而成的。接着便是引力。牛顿后来写道：“同年，我开始思考延伸到月球轨道的引力……并且比较使月球维持轨道的力量，以及地表的引力。”尽管其聪慧毋庸置疑，但这些想法并不是从天外掉进他脑袋里的。牛顿后来“解释”他是如何获得这些洞见的：“我一直不断地进入思考，总是把这些主题摆在我面前，然后静静等待，直到第一线曙光出现，然后一点一点地转为明亮的白日。”他曾告诉早期一位传记作家，其中有一丝曙光发生在他见到一个苹果落地时。这个故事的真假很难断定，但很显然，唯有牛顿的眼光，才能看出苹果的掉落和月球的运转是由同一原理主宰；也唯有他的心智，才能将这点洞察放大成为万有引力定律。第25节：列文虎克探索小宇宙(4)牛顿花了20年时间，才将所有元素罗织成他的终生杰作：《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy）。在他的朋友——天文学家哈雷（Edmond Halley）的坚定敦促下，本书终于在1687年问世。在本书中，牛顿集结了自古希腊以来诸多分散而矛盾的观测及理论，一起放进他的理智之炉中精炼细磨，最后铸成一道完美无瑕的智识炉水。他将炉渣精确地剔除，例如易混淆的磁力和引力、圆周惯性（circular inertia）、伽利略关于潮汐的理论、开普勒关于力的循环理论，以及笛卡尔的漩涡。最后，只留下纯金。在《 自然哲学的数学原理 》一书中，牛顿系统地阐述了他的三条运动定律及万有引力定律，解释了伽利略关于落体的所有发现、开普勒对行星运动的知识，以及月球、行星和彗星的轨道及在其中运动的液体和个体、春分秋分的岁差及潮汐。这本书一出版，立刻被认可为是旷世巨著，至今也仍被公认为历史上最重要的科学著作。在《 自然哲学的数学原理 》中，万有引力是全书的焦点。牛顿在24岁时第一次瞥见引力法则（law of gravity）；20年后，他证明了引力遍及全宇宙。他声称，每个物质粒子都吸引着另一个粒子。他同时也是第一个能够测量那股力量的人：只要将粒子的质量相乘，再除以两者距离的平方即可。牛顿只手导出了引力、力、质量、动量及加速度的精辟定义，为世界提供了处理物体运动与变化（motion and change）的数学工具。牛顿简直就是写下了宇宙的规则书。牛顿将他隐然若现的机械宇宙建立在他所认为最稳固的基础上——绝对空间与绝对时间，对应的也是绝对运动。“绝对、真实且数学性的时间，乃根据本身律则一致地流动，与任何外物毫无关联。”他写道，“绝对空间，依照其本质且与任何外物毫无关联，乃永远相同，且永不移动。”这项巍然立论屹立了218年之久，直到1905年爱因斯坦发表狭义相对论，才融解了它的晶透基石，成为对自然更细腻的了解。牛顿不但是历史上最重要的理论家和数学家之一，同时也是位杰出的实验家。他1704年所出版的著作《 光学 》（Opticks）之所以杰出，不仅是因为他的重要发现，更因为他不费吹灰之力便使实验自动导向下一步。牛顿证明了白光其实是各种色光的混合体，还证明了光线从一个界面射向另一个界面的折射角度，乃受制于光的颜色；另外，被分成不同颜色的光，只要将所有色光重新组合，依旧能产生白光。对此连爱因斯坦都备觉印象深刻，他写道：“他用来使经验物质回归秩序的概念，似乎是由经验本身从他如游戏般使之归列成序的美丽实验中，自发而生的。”牛顿终其一生，除了致力于如今世人所推崇的科学研究外，更将大量理性精力投入到炼金术与神学思考中。虽然他在这些领域所投注的锐利心智、原创思考及不懈努力，与投注于运动、引力及光线的研究并无二致，但却似乎一无所获。不过，有些学者辩称，他的万有引力模型，可能正是起源于他对神秘炼金术传统深刻的涉入。虽然他的炼金术实验从未将贱金属转为黄金，但他可能将神秘学说的吸引力概念转成了万有引力。他有关发现的著名评论中，必定也包括这些奇特的研究：“我不知道这世界怎样看我，但对我来说，我只是个在海滩玩耍的小男孩，因为不时找到光滑的卵石或漂亮的贝壳而雀跃不已，然而横亘在我面前的，却是一片浩瀚的真理之海，从未被人发现。”牛顿在他生命最后的数十年间，为了确保自己能够独得他所有发现的功劳，投入了几乎同等的精力与脑力。他和虎克（Robert Hooke）之间的长期恶斗，在1703年因虎克去世而终告落幕。这件事的起因是虎克居然胆敢质疑牛顿并非引力平方反比律的发现者。不过，真正招惹牛顿大发雷霆的是莱布尼兹（Gottfried Wilhelm Leibniz）——后者独立发展出微积分，而且立即出版了，不像牛顿那样神秘兮兮。这是两大巨擘的战争，胜利者的奖赏是有史以来最伟大的数学发展之发明者的荣耀。如今大部分学者都相信，牛顿在莱布尼兹之前就发展出了“流数”——牛顿版的微积分，但莱布尼兹却全凭一己之力打造出自己的系统。最后得分的倒是莱布尼兹，因为他所采用的符号对使用者而言比较友善，现今的学子们就是采用莱布尼兹的版本。30年间，这两人争夺优先地位的烈焰蔓延了全欧洲，科学家、外交家，甚至皇室全都卷入战火。牛顿只要一有机会，就公开毁谤莱布尼兹。我们现在知道，牛顿曾经针对两人发现的先后问题，暗中替皇家学会写了一篇原本应由第三者撰写的客观报告；另外他还写了多篇评论，怂恿年轻科学家以他们的名义发表。1716年，莱布尼兹去世时身无分文，但即便如此，仍旧无法阻止牛顿对他的持续鞭挞。如果心智能够丈量，那么要量测的可能就是它从混乱中创造秩序的能力——在丛林纷乱的光影中，看出隐藏其中的老虎。无论牛顿有何心理怪癖或性格缺失，他的心智绝对名列人类前茅。在历史上，从未有人破解过这么多的宇宙真理。他以数学形式表达的想法，使人类得以发射卫星，登陆月球，探索行星、恒星和银河。牛顿的心智就如他所发现的万有引力，远及宇宙边际，并为其所触及的万物带来了秩序。第26节：呼吸一口新鲜空气(1)普里斯特利：呼吸一口新鲜空气要探询普里斯特利（1733—1804） 一生的独立思维并非难事。他诞生于一个信仰喀尔文教派、反英国国教的家庭，但就连在自己家里，普里斯特利似乎也注定特立独行。他是家中六个孩子里的老大，本来和祖父母同住，母亲去世后则搬去和一位膝下无子的姨妈同住。从童年起，普里斯特利就全心投入研究和功课。他是个上进的学生，在学校课业之外，还会自行做系统性的研读作为辅助。为了来日能够成为牧师，他自学希伯来文、迦勒底语和古叙利亚语。后来当他似乎要成为生意人时，他又学了法文、德文和意大利文。他的兴趣极为广泛，在语言、历史、神学、教育及自然哲学的某些领域，都曾进行研究、写作，并作出重要的贡献。普里斯特利踏入化学领域时已经近40岁了，他最初感兴趣的是空气。当时人们基于古希腊人的假设，仍认为空气是一种不可变的简单物质，是四大基本元素之一。普里斯特利以他一贯的精力开始研究这个主题。他审读了当时已知的知识，重做重要实验，然后就开始自行设计实验与研究方式。他的研究就像一个世纪前列文虎克的探索，有种百无禁忌的特质。普里斯特利经常因自己的发现而大感惊喜，而且他就和列文虎克一样，在发表研究成果时，不论成功或失败，都持同样乐观的态度。刚开始时，他拿太太厨房里的洗衣盆和玻璃器皿来当工具，但他一向擅长设计所需的仪器，再加上像陶瓷专家威基伍（Josiah Wedgwood）这样的朋友的帮忙，他终于建立了当时世界上拥有数一数二设备的化学实验室。在普里斯特利庞大的化学研究成果中，有两项发现格外突出——氧气及光合作用。首先，当他系统性地研究“空气”时，曾将各种物质加热而产生了氧气；接着他又把水面或水银上产生的气体收集起来，再用简单的测试进行分析：它是什么样子？会不会燃烧？能不能让老鼠活命？活多久？能不能被水吸收？1774年8月1日，普里斯特利用刚拿到的12寸放大镜，将一些红汞灰（如今被称为氧化汞）加热。他发现，在这种新空气中，蜡烛燃烧得格外明亮，闷烧的木屑会突然迸出火花。隔年三月，他意外地发现，关在这种新气体里的老鼠寿命，是在一般空气中的老鼠的两倍。他自己也吸了一些这种气体，注意到它会令人产生轻快自在的感觉。经过这次及多次实验后，普里斯特利深信他已经发现了大气中促成氧化与生命的成分。凭着他的非凡远见，他猜测这种气体最后可能被应用在药品上，甚至成为奢侈品。现在我们知道，在当时，氧气的发现已经“四处弥漫”了。在瑞典，一位穷药剂师舍勒（Carl Wilhelm Scheele）也在进行关于“空气与火”的实验。虽然他的成果直到1777年才发表，但舍勒的确在普里斯特利之前便制造并研究了氧气的特性。然而，普里斯特利的多重发现及其实验战果数量之庞大，使他取代了舍勒而进入科学界主流。普里斯特利将他这种活泼的新物质称为“去燃素气”（dephlogisticated air）。“燃素”（phlogiston）这个名词自17世纪初期就被采用了。施塔尔（Georg Ernst Stahl）在他1723年的教科书中，对燃素的定义并不是火，而是“火的物质与本源”。任何物质燃烧时，都会释出燃素。在油和炭等可燃物当中有许多燃素，煤灰则几乎是纯燃素。金属燃烧时也会释出燃素。燃素还能还原到反应所得的产物里，比方说，假使将锌白与木炭一起加热，将会得到原来的金属。燃素还有些古怪的特性，最特别的就是，如果把它加入某种物质里，会使该物质离奇地变轻。第27节：呼吸一口新鲜空气(2)我们现在已经知道，燃素理论其实就是“反向”的氧化作用。获得燃素表示失去氧，这也就说明了重量减轻的原因。失去燃素则表示加入氧。锌在空气中燃烧时，会产生氧化锌（锌白）；将锌置于煤炭上加热并不会增加燃素，而是释放氧。但就如托勒密的周期与本轮理论成功地解释并预测了行星的运行，燃素也解释了许多化学反应，至少在定性反应上。燃素同时也导出了许多成果丰硕的实验，包括普里斯特利自己的许多研究。直到1777年，当拉瓦锡（Antoine Lavoister）仔细测量出类似反应中所减轻与增加的重量后，他才把氧列为氧化与呼吸作用中的关键要素。但即便如此，燃素理论仍旧存而未亡，被用来解释化学反应中释出的光与热。直到19世纪中叶，人们对能量有了更清楚的了解后，燃素理论才真正被推下了科学舞台。氧的发现催化了化学革命，使人们了解了何谓元素、化合物，以及化学反应中的物质不灭原理，而这些概念又带来了今日的染料、塑胶、肥料以及“设计师药”（译者注：一种为逃避法规而改变化学成分、但效果与禁药相同的药物）。普里斯特利在他生前就见证了这个革命的诞生。由于拉瓦谢（他很快就死于断头台上）的远见，才得以用他的新元素——氧的反应，来解释普里斯特利的主要发现。具有讽刺意味的是，普里斯特利对宗教与政治抱着革命性的信仰，且几乎使他送命，然而他对燃素理论却到死都还紧抱不放。他最后的狂诞之作乃是《 确立燃素论并反驳水的组成 》（The Doctrine of Phlogiston established and that of the Composition of Water refuted）。同样具有讽刺意味的是，普里斯特利和拉瓦谢两人都诉诸简朴的科学美学来支持自己的论述。对普里斯特利而言，拉瓦谢不过是在把玩装了新元素的潘多拉盒子；对拉瓦谢来说，普里斯特利则只是守着一个累赘而没有实质意义的物质不放。如今我们知道，历史是站在拉瓦谢这边的。普里斯特利也发现了光合作用，虽然他并没有对其完全理解。当时的常识认为，人和动物如果被封闭太久，没有接触新鲜空气的话，就会死掉。普里斯特利和其他人一样，认为植物也适用这个道理，只不过他相信假设必须经过实验的检验。1771年，他在水上的一个密闭容器里种了一株薄荷，却意外发现它生长得很茂盛。他测试了容器里的空气，发现它能使蜡烛燃烧，老鼠也能存活。普里斯特利备感好奇，于是拿蜡烛在里面燃烧，制造出“受损空气”（vitiated air），然后再等着看植物能否使空气再度变“好”。他甚至还用多种不同的植物来实验，看哪一种能够让空气最快恢复为可呼吸的气体。1777年和1778年，他在重新检视这些实验时观察到：植物的茎部、绿藻及海藻的气囊中，会冒出某种“纯净气体”的泡泡——那就是氧气。普里斯特利逐渐了解到，植物与藻类需要阳光才能制造出绿色物质，而这种物质又能制造出纯净气体，或去燃素气。了不起的是，他的实验也使他了解到，绿色植物从大气中吸取二氧化碳（他所知的“固定气体”），并释放出氧气。然而，对于光线在绿色植物制造氧气时的关键作用，他却迟迟未能领略。他后来才发现，英恩浩斯（Jan Ingenhousz）早他一步想出了这项关联，而他也极有风度地认输了。普里斯特利和伽利略一样，也曾遭到迫害。但使他和教会及政府不合，甚至使他几乎丧命的，并不是他的科学发现，而是他的政治信仰。普里斯特利对于思想与言论自由向来热情拥护且直言不讳，后来他也因而成为全英国台面上最支持美国与法国革命的人士之一。尽管遭到权贵与平民齐声愤怒地谴责，但每当有人心意不坚而退缩时，他照样紧迫盯人。1791年7月14日，他协助筹办一次公共餐会，以纪念已有两年历史的法国革命。这正好给他的敌人抓到了攻击的把柄。当天晚上，一群酒醉的“教会与国王”暴民（编者按：当时的一些保守派民众，崇敬教会与国王），受到奸言谗语的煽动，同时获得当地政府默许得以自由行动，于是他们洗劫焚毁了普里斯特利在伯明翰的新聚会（New Meeting）教堂，接着又移师去烧毁他的房子、图书馆和实验室。普里斯特利及其家人在暴民抵达前一步及时逃走了，但也只是一步之差而已——他亲眼见到了燃烧的火焰，听见他的家遭捣毁的声音。普里斯特利再也未能回到伯明翰。暴民攻击事件过后几天，他写了一封信给他过去的邻居，信中呈现了一位受伤甚深但又律己甚严的人内敛的热情。你们摧毁了本国乃至任何国家、任何人所曾拥有过的最宝贵、最有用的哲学设备……为了科学的进步，为了我国及人类的福祉……但更甚的是，你们摧毁了多年辛勤研究成果的手稿，我如今再也不可能重新写过了。这一切，都是针对一个从未伤害过你们，甚至连想都没想过要这么做的人……在这事件里，我们是绵羊，你们是野狼，我们将保守我们的本性，但希望你们会改变你们的野性。无论如何，对此怨恨我们仍愿还以祝福。随着法国革命日益血腥，普里斯特利在英国的地位也日渐危殆。法国革命分子眼中对他的敬意，以及英国保守分子的怒火，造成了对普里斯特利的冲击。1792年8月26日，法国立法院决定赠与法国公民权给某些伟大的自由斗士，普里斯特利位居该名单首位，后面才是潘恩（Thomas Paine）、边沁（Jeremy Benthan）、威尔伯福斯（William Wilberforce）及华盛顿（George Washington）。1793年1月21日，法国国王遭斩首处决，英国旋即于2月对法宣战。这时，普里斯特利的同侪亲友一个个被扣上叛乱罪名被送往澳大利亚，普里斯特利也没有选择余地了。1794年4月8日，普里斯特利以61岁高龄，离开了英国前往美国，而且终生未返。在美国，普里斯特利虽然身体日益衰弱，但仍然持续研究与写作。伊拉斯莫?达尔文（Erasmus Darwin）与英恩浩斯认为，普里斯特利所研究的绿藻等组织似乎能够自发产生。为了反驳此等说法，他进行了一系列的实验。他以实验说明，藻类若要出现，势必要在某种程度上暴露于大气。一如70年前的列文虎克，普里斯特利也强烈质疑生物有机体是否能由相似的有机体产生。他同时完成了最后四册的《 基督教会历史通论 》（General History of the Christian Church）的写作，后来还有《 圣经索引 》（Index to the Bible）。在他死前一小时，他甚至还在口述进行修改。普里斯特利早期曾这样写道：“人类的快乐幸福主要仰赖于有所追求，以及将全部官能投入追求之热忱。”果真如此的话，那么普里斯特利便死得很快乐了。第28节：电脑梦想者(1)电脑梦想者这是个奇怪的故事，不过却是真实的。19世纪中叶，当时最优秀的英国数学家把数学放在一旁，然后耗费终生的时间与大笔金钱，试图以轮轴与齿轮打造一台计算机。由于忙于改良而无法充分地描述这台机器，他发现最佳的诠释人是声名狼藉的诗人拜伦（Lord Byron）的美丽睿智但命运多舛的女儿。巴贝奇（1792—1871）终究未能打造出他的计算机，而艾达?拜伦（Ada Byron Lovelace，1815—1852）很早就在悲惨的情况下过世。不过，他们一起创造出非凡的成就：在蒸汽引擎还是尖端科技的时代，他设计了分析器，一台功能类似于现代电脑的机器，并且由艾达?拜伦写下第一条程序。巴贝奇的双亲非常富裕，因此他从来不必为生活而工作。他是位聪明而充满好奇心的小孩，似乎总是知道得比老师多。巴贝奇于1810年进入剑桥大学就读，俨然是位聪明但也独立自信和爱好交际的学生。他会旷课跑去航海、整晚玩牌，但成绩仍然名列前茅。他与几位同学创立分析社（Analytic Society），目标是把停滞不前的英国数学水准提升至欧洲标准。他们最终成功了，因为巴贝奇在数年后获得卢卡斯数学教授（Lucasian Chair of Mathematics）的头衔，牛顿也曾获此头衔（现在的史蒂芬?霍金也获此殊荣）。自剑桥大学毕业后，巴贝奇就结婚并搬到了伦敦。他从事关于函数理论的原创研究，并且继续努力改革英国的数学还有科学。他成为皇家学会坦率直言且有效的批评家，并且协助创立新科学团体，包括天文学会与英国科学促进协会。不过他很快就产生（也可以说是着迷于）一种革命性的想法，将机械力量用来分担数学家的负荷——计算。当巴贝奇还在剑桥大学学习时，就已经有了这个想法。他跟后来成为天文学家的朋友赫瑟尔（John Herschel）比较一张数学用表的计算，结果发现许多错误。巴贝奇不禁想到，是不是有可能利用某种计算机器来进行这类令人麻痹的计算？当时他只是相信这种概念能成功。不过到了1821年，他将大部分其他的兴趣都转移到了设计计算器上，并建造了一台能运作的计算机器，他称之为“差分机”（Difference Engine）。他设想差分机是一台能精准地计算任何数学函数至许多小数位数的机器。第29节：电脑梦想者(2)计算表格不足或不正确，是许多科学与应用领域的严重问题，其中包括攸关英国繁荣与否的航海。巴贝奇利用他的身份与关系获得政府赞助他的计划，这在当时可说是前所未见的事。英国政府从开始时的1500英镑，最终投资了17 000英镑在差分机上。很不幸地，巴贝奇是完美主义者。在开始建造差分机前，他坚持必须设计制造精准的工具与机器来制造差分机的零件。他不停地变更改良他的计划，而且还经常坦言批评具有影响力的科学家，让事情变得更加复杂。英国政府开始视巴贝奇为问题人物，而他的差分机则是个无底钱坑。结果他必须花上十几年时间，向政府游说、查问与申诉，只为了要知道这计划是否已被终止。1842年，皇家天文学家爱里（George Airy）正式宣判巴贝奇的机器“一无是处”。巴贝奇唯一具体的成果是一台能运作的差分机。他保留这台机器数年，以娱乐造访工作室的宾客，包括艾达在内。这台机器目前存放于伦敦科学博物馆，据说还能正常运作。尽管憎恨政府，巴贝奇还是愿意放弃制作差分机。他早就超越它，转而设想一种更灵活、更强大的机器，亦即分析器（Analytical Engine）。巴贝奇发现可以用单一机制控制许多台差分机。他所设计的机制采用打孔卡，就像用来控制雅卡尔提花织机的卡片。巴贝奇的打孔卡不是设计来指定哪根线要升或降以织出图案，而是提供循序的指令，执行任何复杂程度的计算。他着手设计机器来实现这个想法，最终绘制出数百页精致的机械图，搭配以他自己发明的符号语言绘制的功能图。专家表示，分析器堪称由单人独立设计的最复杂的系统。1837年底，亦即在计算机器第一次挫败后的16年，巴贝奇终于将全编程序计算机的重要元件组合完成。1.输入。他计划使用打孔卡将数字及更重要的指令输入机器。2.存储器，他称之为“仓库”（store）。部分存储器位于机器内部，他规划能储存高达1000个50位数的数字。信息也可以输出至打孔卡，以备日后取回应用。3.中央处理器或“作坊”（mill）。它能登录数字与指令，将它们转译成适当的内部设定，并且按时钟的指定、同步与顺序，对它们进行作业。4.输出。可以是印刷的表格、图形或打孔卡等形式。巴贝奇也发明了以机械方式，实现另外两种重要的计算机功能——重复回圈（副程序）以及分支（条件选择）。他所发现的基本功能，形成今天所有电脑作业的基本概念。巴贝奇第一次遇到艾达时，已40岁，而艾达则17岁。艾达倾心于巴贝奇的智慧及他所打造的美丽机器。艾达是诗人拜伦唯一的婚生子女。当时的人将拜伦形容为“疯狂、暴躁又危险的人”。艾达的母亲米儿班克（Anne Milbanke）在经历一段吵闹而暴力的婚姻后，在艾达出生后一个月就离开拜伦。自出生后，艾达就生活在母亲的严格管教下，她决意要去除女儿身上任何类似拜伦的地方。拜伦夫人的各种管教技巧，在今天看来都是恶意虐待。例如她强迫艾达躺着不动达数小时，只要动一根手指，就会被关到柜子里。艾达年纪稍长后，拜伦夫人强迫她研读数学，因为她认为数学是最可靠的方法，能规范她可爱但不为人爱的女儿不羁的心灵。20岁时，艾达嫁给彬彬有礼的拉夫雷斯爵士（Lord Lovelace），很快就生了3个子女。艾达的母亲同意这门婚事，因为她发现温和的拉夫雷斯很容易控制。不过到了20多岁时，艾达以行动反抗母亲的控制。数学并未浇熄艾达的热情，她反而把数学变为一股热情。在巴贝奇的激励下，数学成了艾达的宗教，而她则成为神圣的追随者。她将成为数学的“女先知”，数学之神的“发声器官”。她在写给母亲的信中表示：“我只是让神采取行动与贯彻意志的工具。”她的用词肯定让拜伦夫人再度诅咒艾达的父亲。拉夫雷斯的财富与社会地位，让艾达能把大多数的时间奉献在她的研究上。第30节：电脑梦想者(3)在科学家惠斯通（Charles Wheatstone）的建议下，艾达将一位意大利数学家梅芮布利（Louis Menebrea）所写的分析器简介翻译成英文。此时巴贝奇与艾达已经建立一种复杂而耐人寻味的友谊。艾达从他身上学到很多关于分析器的知识，而会把握所有机会来宣扬分析器的巴贝奇，则建议艾达以她自己的笔记补充梅芮布利的描述。艾达全心投入此计划，并在此过程中对分析器的潜力产生了独特的见解。艾达在她的“笔记”中，首度描述分析器的能耐。她指出数学为科学的语言，也是分析自然关系与程序的唯一方法。她写道，为了加速计算，分析器会是极为强大的科学工具。她也认为可编程的机器不只是可以用于计算而已，还可以处理各种符号。她发现分析器可以解方程式，甚至能够作曲。为了展示机器如何运作，她写下了全球第一条电脑程序：计算贝努利（Bernouli）所发现的数列的演算法。艾达的注解出现在1843年的《 泰勒的科学论文集 》（Taylor’s Scientific Memoirs）中，并且仅以缩写署名。它们给予人非常好的印象，为艾达赢得了她迫切需要的声誉。一个多世纪之后，艾达的笔记为她赢得了一种独特的不朽地位：为了纪念这位全球第一位程序师，美国国防部使用的高级电脑语言ADA就是以她的名字命名的。巴贝奇终究未能建造出分析器，不过他的儿子稍后组合出较小版本的“作坊”。但是巴贝奇的创见为将近一个世纪后的第一台电脑提供了概念基础。巴贝奇终究超越了他的批评者，也超越了他的时代。他享年78岁，他一生是一个性情乖戾且饱受伤害的人。艾达的晚年更加悲惨。由于父亲让她背负恶名的原罪，她的灵魂成为母亲报复父亲的战利品，她绝望地想证明自己存在的价值。她在写给巴贝奇的信中表示：“我很难抛弃野心与名声的影响……我可能是最沉迷其中的人。”很悲哀地，除了她的分析器论文之外，她终究未能实现伟大的梦想。她以分析器来赌能否扬名，后来又开始赌马。她在经济与感情上与一位肆无忌惮的人克鲁西（John Crosse）纠缠不清。他试图勒索她，迫使艾达向其丈夫承认金钱的损失与出轨。艾达的“堕落”使她更加无法抵抗母亲。艾达生病了，这使得拜伦夫人又重新控制了她。艾达会向她乞讨鸦片，以减轻子宫癌的痛苦。但她的母亲不给，理由是痛苦可以帮助她悔改。艾达要求见她的老朋友巴贝奇，但她的母亲也不准，因为他曾协助艾达赢得短暂的独立。拜伦夫人写信给一位朋友说，当艾达终于在痛苦中宣称，她想活下来的唯一理由是为了将自己奉献给母亲时，她感到深切的满足感。相反地，巴贝奇似乎从未曾对自己或自己的看法产生动摇。他预测说：“只要分析器一问世，就必然会引导科学未来的方向。”他的预测终于在今日实现。电脑的能力已成长到足以让科学家建立极复杂现象的模型，例如地球的气候，恒星、行星与星系的演化，植物、动物与人类的基因组以及构成人体的蛋白质分子的螺旋状构造。若是没有电脑，今日的科学或技术能存在的不多。不过，如同艾达可能会指出的，它们甚至还没有开始处理人心错综复杂的关系。第31节：达尔文的伟大真理(1)达尔文的伟大真理达尔文（1809—1882）属于那种大人看不出他未来天赋何在的科学家之一。什鲁斯伯里学院的校长责备他浪费他的时间，而他成功的医生父亲则在失望之余，预测他会成为自己与家人的耻辱。达尔文稍后写道：“对我而言，学校完全没有发挥教育功能。”然而，自然令他神往，他着迷地收集岩石、植物与昆虫，热爱观察鸟的习性，不过在20多岁之前，他更喜欢把鸟当猎物。达尔文16岁时，他父亲送他去爱丁堡大学研读医学。他向来对痛苦特别敏感，有一次他看到两位病人，其中一位是小孩，在没有麻醉的情况下进行手术，这让小孩吓坏了。他稍后写道：“这两个病例，多年来一直让我忘不了。”他说服父亲让他在两年后休学。后来在一位老师的协助下，他进入剑桥大学。原本应该是要研读神学的，但达尔文就像个初露头角的博物学家，终日搜集甲虫，而冒险家的精神则让他整晚和兴致高昂的朋友喝酒打牌。尽管他作为神学家的一面从未出现过，不过他还是在1831年顺利毕业。达尔文自己估计，他并未在剑桥大学学到什么，不过他的确与其中一位教授建立起深厚的友谊，那就是博物学家亨斯洛（John Stevens Henslow）。达尔文花了许多时间和这位思想开放、热心亲切而且是第一位察觉他潜力的科学家相处。让达尔文对自然历史产生兴趣的，正是亨斯洛。他让达尔文发现生命的价值，不仅止于搜集甲虫和猎鸟而已。亨斯洛也靠关系帮达尔文获得改变他一生的船上铺位，以不领酬的博物学家身份，登上小猎犬号（HMS Beagle），陪伴费兹罗伊（FitzRoy）船长。达尔文在小猎犬号上的五年改变了他的一生。他随身带着一本莱伊尔（Charls Lyell）刚出版的《 地质学原理 》（Principles of Geology），并且很快就将莱伊尔对于地质作用的动态知识，应用于小猎犬号停泊地点的化石与地层考察。达尔文率先解释了珊瑚礁与环礁是如何形成的，他还发现了大树懒与犰狳的化石，并且观察到了1835年摧毁康塞普森镇的智利地震是如何将附近的陆地抬高数尺的，这些都为莱伊尔的理论提供了确切的实证。单单这些观察就能使他获得科学声誉，然而在整个漫长的发现之旅中，他都是在编制所有找得到的动植物的目录，并研究它们。后来他不再只是收集新奇的标本，他开始提出深奥的问题并寻找答案：这些物种如何来到现在的地点？它们如何发展？它们在大自然中的位置这么契合的特征是什么？物种究竟是如何产生的？小猎犬号漫长的旅程也改变了达尔文的个人生活。他在年轻的时候，一直乐于做地质之旅、打猎、旅行，或跟朋友共度夜晚。可是在这次旅程返回英国后，他罹患了一种神秘的疾病，终其一生身体非常不适，而且长期残疾。他所看的医生都未能找出造成他消化不良、畏寒与不适的原因。1990年，一位终生致力于研究早期分离与失去的精神病医生鲍毕（John Bowlby），怀疑达尔文罹患严重的焦虑症，病因是他的丧母经历。达尔文的母亲体弱多病，在达尔文年仅8岁时去世。最近有位以色列寄生虫学家阿德勒（Saul Adler）则指出，达尔文的症状符合南美锥虫病（Chagas）的症状，是他在阿根廷接触寄生虫所造成的。无论来源是什么，达尔文都因为病痛，跟妻子搬到了安静的乡间，过着近似隐居的生活并养育小孩。达尔文甚至避免与科学家见面，因为兴奋会使他不时地颤抖与呕吐。他因为生病多年而哀伤，但隐居生活似乎也让他有时间建构伟大的理论。达尔文并非第一位思索进化的人。他的祖父伊拉斯谟?达尔文（Erasmus Darwin）在《 动物生物学 》（Zoonomia）一书中就写过关于进化的事。老达尔文与法国博物学家拉马克（Lamarck）一样，相信生物能将一生所获取的特质传给子代，一生都想跑得比掠食者快的羚羊，将产生动作更敏捷的后代。不过在达尔文的时代，主流观点非常反对进化论。大多数的人，包括大多数的科学家在内，都相信现有物种是在数千年前一个个创造出来的，一如《 圣经 》的教诲。进化理论并非一开始就在达尔文的心中完整成形。多年来，他一直对于在小猎犬号之旅期间所研究的动植物，为何会有当时的分布情况感到困惑。在加拉帕戈斯群岛（Galapagos）停留9个月后，他才首度怀疑在这些相邻的岛上，明显有亲缘关系但又有些微小差异的鸟类可能是源自最近的演化，因此有可能“破坏演化的稳定性”。达尔文在返回英国后一年，鸟类学家古德（John Gould）将他的标本分类，证实达尔文在这些相邻岛屿所发现的嘲鸫是独特的物种。达尔文因此相信，当种群因地理位置而彼此分离时，可能会产生新物种，以及类似的物种可能源自相同的祖先。不过达尔文仍然对于造成演化的原因不解。他思考过数十种想法，但又一一排除。一直到再过一年半后，“天择”这个演化的引擎才在他的脑海中逐渐成形。激发达尔文将这些线索拼凑起来的灵感，是马尔萨斯（Thomas Malthus）关于我们现在所谓人口压力的严酷论文。马尔萨斯写的是关于人口，但达尔文了解所有物种都会制造比存活数还多的子代。他也率先看出，大自然并非以随机方式削减物种，只有稍微比较适合环境的个别动植物，比较可能生存繁衍，而较不适合的个体则从繁殖种群中被淘汰掉。如同农夫会通过刻意的筛选与繁殖，来改变家畜与农作物，大自然也选择那些最适合目前状况的生物繁衍下一代，借以改变现有物种，甚至最终形成新物种。天择就是用来选择的筛，而种群压力则是把每个世代挤压过筛的力量。第32节：达尔文的伟大真理(2)经过多年的准备后，达尔文一旦形成这种视野，就立刻了解到所有物种，无论是现存或已灭绝的，都是从早期的形式长期演化而来，而生物错综复杂的适应性则是在天择的客观力量下，于漫长的期间缓慢形成的，先前这种适应性一直被视为是上帝的杰作。达尔文最重要的见解“天择”，是全新的创见。天择与许多伟大的科学概念不同，古希腊人未能窥见它的存在，哲学家也不曾为它辩论，也没有任何更早期的科学家曾提出过。达尔文最具辩才的支持者赫胥黎写道：“新物种可能是外部环境根据存在个体的特定类型，就其突变进行选择后所产生的……这对科学概念史学家以及1858年前的生物专家来说，都是全新的概念。但是此看法是《 物种起源 》（Origin of Species）的核心概念，亦为达尔文学说的精华所在。”达尔文在1838年即产生这种看法，但他一直到1858年才出版《物种起源》。没有人知道他为什么要等20年，才向全世界提出他的发现。但是我们知道他曾把自己的想法透露给几位科学家朋友，他们一直恳求他发表这个理论。后来一直到博物学家华莱士（Alfred Russel Wallace）寄给达尔文一篇刚写的论文，里面同样提出天择产生演化的重要观点时，达尔文才被迫着手发表自己的看法。如同哥白尼一样，达尔文深切了解他的创见将威胁现有的世界观。他也跟哥白尼一样，多年来一直收集能支持他这个新系统的事实与论据。若不是华莱士碰巧闯入达尔文发现的领域，达尔文很可能会跟哥白尼一样，等到临死前才发表他的研究。在《 物种起源 》的结尾，达尔文暗示他的理论将为人类的进化提供新的线索。达尔文在1871年的《 人类的由来 》一书中，勇敢面对自己掀起的风暴。在这本书中，他提出支持人与猿之间关系密切的证据。他详述人与猿在身体构造上的许多类似之处，指出人和猿从胚胎到繁殖成熟期的发展过程中有许多一致的地方，他甚至发现人类情感与猿类行为模式之间有类似之处。他指出自共同祖先分化而出的现代猿类和人类，是如何在天择下演化出所有这些特征的。在达尔文的所有观念中，这个观念遭到的抗拒最为强烈。除了达尔文最亲密的支持者之外，几乎没有人会喜欢人与猿是源自相同祖先的说法。神学家对这种说法更是感到震惊。达尔文的理论等于打了《 圣经 》一巴掌，《 圣经 》主张上帝是按照自己的形象创造了人。对神学家而言，人类是独特的，是唯一有灵魂的动物，地位只比天使稍低。任何不同的看法显然都会威胁到人类的定义和道德的基础，简单地说，就是他们的世界观。达尔文以机械论来解释适应性，也夺走了信奉上帝者所认为神存在的强大证据——设计论。如同今日的创造论者，达尔文时代的神学家认为，眼睛这类复杂的器官就足以证明有一个伟大的设计者存在，更不用提所有特性都适合环境的生物。佩利（William Paley）牧师在1802年写道，就如同表暗示着钟表匠的存在，大自然错综复杂的作品也暗示着有位无所不能的设计者存在。客观的自然法则可能主导行星的路径，但只有上帝能塑造完美分化与适应力强的生命。达尔文的理论使得钟表匠理论显得多余：老鹰的双眼、羚羊的双腿和老虎的爪是在天择而非上帝的旨意下，经过亘古的时间筛选塑造而成的。有时有些人会说，达尔文的进化论是以循环论证为基础的。若适应性（fitness）是以生存与成功繁殖来衡量，那么“适者生存”就没有意义了。达尔文也知道天择完全不能使植物或动物更好，它只是让物种能在特定的环境与生活方式中茁壮成长。达尔文扬弃一般所接受的创造阶梯论，即“众生序列”（Great Chain of Being）所代表的人类沙文主义，这种论点将所有生物从最简单的，一直往上排到最高位——人类。达尔文率先了解到，每一个活物种都能回溯至单一来源——我们都是枝杈茂密的生命树上的小树枝。对他而言，物种并没有高低之分，它们只是适应不同的环境与生活方式而已。第33节：达尔文的伟大真理(3)达尔文也是在《 人类的由来 》中，首度集中探讨在演化引擎中极重要的成分——性择。他率先了解到，由于演化的关键在于成功的繁殖，比较可能促使交配成功的特色将会演化得特别快、特别惊人。达尔文了解性择解释了许多大自然最惊人的展示，例如雄鹿巨大的角、孔雀优美的尾巴、雄性竞争激烈的战斗，还有我们自己的第二性征，像胡须与乳房。今天我们已知性择的基础不仅是雄性的竞争而已，还有雌性的选择，以及性择会塑造繁殖的所有细节，从生殖器官的形状、大小与色彩到交配行为的错综复杂都包含在内。一个理论最严格的测试，也许就在于它成功预测的能力。达尔文的理论使他相信开花植物与协助它们授粉的昆虫，是一起进化的。他研究过许多种只能由特定种类的黄蜂、蜜蜂或蛾进行授粉的植物。因此当他知道马达加斯加岛的某种兰花，是将花蜜储存于30厘米长的管底时，他就预测会有一种蛾的吸管在伸展后也会达到相同的长度。专家嘲笑这种说法，然而在大约40年后，真的有人发现一种蛾拥有这种不可思议的器官。现代的进化理论利用先进的数学来计算种群中基因的变化频率，如今它已能推论出更具体的预测，例如群居昆虫明显的利他行为，是以高度亲缘关系为基础的。从一开始，达尔文的理论就掀起普遍的敌意、抗拒与嘲弄。不过它也面临严峻的科学挑战。最重要的威胁来源令人意外，那就是当时的物理学家。克尔文爵士（Lord Kelvin）与其他顶尖的物理学家，拿着热力学定律作为武器，严厉批评达尔文演化论的必要背景 —— 时间。克尔文计算太阳必然在不久前还非常热，之后才快速冷却。他指出地球的历史不会超过3000万年，因为它从熔化状态到冷却需要这么久的时间。这段时间比《 圣经 》所承认的6000年还多，但比天择所需的时间少得多。大多数的地质学者都支持克尔文看似无法反驳的数字。达尔文与他的信奉者奋力将我们现在所知的超过30亿年的演化，塞进克尔文设下的限制内，可惜并未成功。1871年，达尔文在写给华莱士的信中说：“我还未能消化太阳与地球年龄变短的基本概念。”到了1873年，克尔文轻蔑地描述达尔文理论为彻底失败。最后证明正确的是头脑不清晰的生物学家，而非思路清晰的物理学家。很不幸的是，达尔文在贝克勒（Becquerel）发现放射能之前15年就已去世。到了下一世纪，居里夫妇及其后的卢瑟福证明了放射性元素是克尔文梦想不到的强大能量来源。它们使他的计算显得无关紧要，也让天择有时间完成它的工作。目前仍在辩论中的一个争议，是达尔文赋予渐变（gradual change）的核心角色。他知道化石记录似乎经常诉说不同的故事，那就是长期的稳定被剧变所打断。达尔文详细正确地指出化石记录的不完整性。他预测我们终究会发现过渡物种，可以填满缓慢持续的变化史，他的一些预测是正确的。不过今天大多数的生物学家倾向于采纳由艾尔德诺基（Niles Eldredge）与古尔德（Stephen Jay Gould）于1977年所提出的疾变平衡论（Punctuated Equilibrium）。他们的论点是演化通常如巨浪般移动：长期的相对稳定性被自然与物种混合的剧变打断。我们现在知道有些最大的间断（大多数的现存物种消失，最终被新物种所取代）是大灾难造成的，例如巨大的小行星撞击地球。如同今天的基因改造农作物，达尔文的竞争与天择概念也不限于它们原本的领域。神学家最先跳出来反对这些概念侵入他们的领域，展开了一场至今创世论者仍奋战不休的战役。尽管有神学家的反对，它也不是达尔文的本意，可他所论述的“竞争无所不在”与“适者生存”的观点，仍迅速渗入几乎人类思想的所有领域，包括人类学、经济与政治等，不胜枚举。在许多情况下，它们被用来佐证歧视、种族主义与残酷资本主义的正当性。痛恨奴隶制度与任何一种残忍行为的达尔文，肯定会对这样的结果感到惊骇。然而，他可能也会对他这些创见普遍化后的一些结果感兴趣，例如，今天，天择被用来解释在由彼此竞争且自我复制的分子所构成的原始世界中，生命究竟是如何开始的。有些宇宙学家主张，我们这个稳定且适合居住的宇宙是从无数宇宙中选出来的，那些宇宙在诞生时大多运气不佳，所含的粒子与作用力较不适宜。达尔文热爱大自然丰富的形态与特征。他在研究后发现，这当中有一个简单的过程在运作，此过程不仅普遍、持久且力量强大，并足以解释所有生物的生存与特性，包括我们人类在内。对于达尔文的观念所造成的冲击，基因学家多布赞斯基（Theodosias Dobzhansky）所做的评估可能是最贴切的，他只简单地说：“若无进化论，生物学的一切均毫无意义。”然而，最能总结达尔文这些远见的，莫过于他本人：此生命观有其伟大之处，有数种力量最初已被注入一些或一个生命形式当中；正当地球这个行星根据不变的重力定律循环运行时，生命就从如此简单的形式开始，持续演化出无限种瑰丽美妙的生命形式。第34节：花园里的天才——孟德尔(1)花园里的天才——孟德尔如同他研究的小豌豆，孟德尔（1822—1884）谦逊的外表下隐藏着许多非凡的特质。今天，没有人会怀疑他的才华，然而他在某些方面却保守得令人惊讶。教会送他去上大学，接受当老师的训练，而他也在当地的高中教了多年书。但孟德尔一直无法通过教学资格证明的考试，考官说孟德尔缺乏洞见，头脑不清晰。然而，他却在空闲时独力工作，进行了一系列切中核心的实验，解开了遗传的秘密，而世人一直到30年后才了解他的发现。孟德尔从大自然五花八门的色彩、形态与质地中，发现遗传的基本单位，以及支配它们的简洁法则。孟德尔是一个性格含蓄，身材矮胖，眼睛闪亮的神职人员，深受学生与同事爱戴。他以耐心、勤奋和幽默感承担了许多责任。但是他在追求知识时却秉持大胆进取的精神。他在小豌豆园里，发现了一些大自然最深奥的秘密。有时孟德尔被形容成业余学者，只是偶然有了那些发现，但这绝不是事实。尽管他出身贫困家庭，父亲是奥地利乡下的农夫，但他受过相当扎实的科学教育。他的父母运用了他们所有的资源，送他到离家数里远的地方上大学预科学校，也就是文科高中。他姐姐为了让他能继续念书，牺牲了部分的嫁妆。有几个老师看出他的潜力，在关键时提供帮助。1843年，奥玛兹哲学学院的物理学教授向布利尼摩拉维亚（今捷克布尔诺）圣托马斯奥古斯丁修道院的院长推荐了孟德尔。这家修道院是摩拉维亚的智识生活中心。它的院长西瑞尔?奈普（Cyril Napp）向来鼓励他的僧侣在执行修道院的职责之外，要多追求科学或艺术兴趣。孟德尔研究神学，并在1848年接受任命，成为神职人员。他发现照顾病人会令他很不安，于是被派到附近瑟耐恩（Znaim）的高中教书。为了成为正式教员，他参加了教师资格的鉴定考试，结果失败。具有讽刺意味的是，他在物理学和数学上获得满分，但生物学反而没有。不过他还是非常好的老师，因此修道院的院长送他到维也纳大学念书，他在那里接受了两年一流的科学训练。他在研读物理学和化学时，发现复杂的现象可以简化为更简单的东西，也能以科学定律来解释。他在班上表现良好，然而当他于1856年再度报考教师鉴定考试时，却再度失败。同年，孟德尔开始在空闲时间，在修道院的花园开辟了一小块地，栽培作物。他的远大抱负是要找出遗传法则。他无疑非常了解这个研究的重要性。他在进行10年的实验后，发表了如今已变得非常著名的论文。他在论文中明确指出，他认为有简单且可了解的遗传法则存在，而且他准备找出它们。他甚至知道他的研究可帮助理清物种起源的问题。他的研究一点也不是业余性质。他通过一系列精心设计和仔细分析的实验，来逼近他的科学猎物。除此之外，他还以数学语言重述他的发现，利用数学模型来做预测，并用更多的实验来证实他的预测。这真的是一个科学杰作。孟德尔知道植物学家们正尝试理清复杂又神秘的遗传问题。动植物的后代显然跟亲代有相似之处，也有相异之处。当时大多数的科学家认为亲代的特征会以混合的形式出现在子代身上，但是没有人知道亲代实际传给子代的物质是什么，也没有人知道传输的方式。那时生物学家仍在争论植物是否行有性生殖。植物学家繁殖了大量的植物，但仅做定性的观察。例如他们辨识出大多数的杂种（不相似的亲代所产生的子代）无法繁殖纯种，还有杂种的后代类似原始的亲代植物，以及不同的物种要创造出稳定杂种所需的世代数目不同。第35节：花园里的天才——孟德尔(2)孟德尔从寻找适合研究的植物开始着手。他选择了常见的豌豆，后来证明它们非常理想。但他不是偶然发现它们很适合的，他在选择物种时有三个条件：他需要可由不同特征分辨的稳定品种；他必须能控制授粉才行；杂种及其后代必须具有繁殖力。他在选择豌豆后，甚至还拿34个不同的豌豆品种来做实验，最后才选定他要研究的豌豆品种。同样地，他也考虑了大量性状，最后才选出七个他可以在世代之间确实追踪的性状。1.（干燥）种子的形状：圆滑或皱皮。2.成熟种子内部的颜色：黄橘色或绿色。3.种皮的颜色：白色，或者灰色、灰棕或棕色。4.豆荚的形状：平滑或皱缩。5.未成熟研荚的颜色：绿色或鲜黄色。6.花着生的位置：沿着茎分布，或聚集在茎的顶部。7.茎的长度：比1.8米长，或比0.46米短。科学家和历史学家都曾提到孟德尔的运气好得不可思议。我们现在知道豌豆只有七条染色体，若是当年他选了八种性状，有时会有两种性状同时遗传给子代，干扰他的结果。即使是七种性状，孟德尔仍很容易因其中数种性状刚好有关联而遇到障碍。孟德尔选择的性状刚好都是独立遗传，彼此互不相关。无论如何，孟德尔的直觉一直非常准。更有可能是因为他耐心观察多年，才能找到这七种最适合的特征来研究。接着，孟德尔有系统地让他的植物大量杂交。经过多年后，他栽种和研究了超过1200棵植物。最关键的一步是亲自用取自不同品种的花粉让每朵花受精，然后用一个小布套把每朵花套起来，防止意外授粉的情况发生。孟德尔在第一子代中发现有些特征一定会出现，有些则一定会消失，而不是混合出现。例如长茎和短茎的亲代杂交，所有的子代都是长茎。他称之为显性，这个发现本身就很重要，因为它推翻了杂种是遗传混合性状的传统观念。孟德尔在下一轮的实验中找到他需要的关键。在使杂种杂交后，在第一子代中消失的性状却在这时神奇地出现。当他计算长茎与短茎的植物、圆滑型或皱皮型的种子、绿色或黄色的豆荚后，他发现一件真的很神奇的事：它们的数目会形成一个简单的比例。在1064棵植物中，787棵是长茎；在7324个种子中，5474个是圆滑型；在580个豆荚中，428个是绿色。这些比例介于2.84∶1和3.15∶1之间，平均值为2.98∶1。换句话说，每四个第二代植物中，就有三个会呈现显性的性状，一个呈现相对的性状，孟德尔称之为隐性。当时孟德尔正在整合第一个全面性的遗传理论。他推论卵和精子都含有携带着特定性状的一些物质单位，它们可将性状从一代传给下一代。他以最简单的方式来解释隐性特征为何会在消失后又再度出现：他假设遗传单位有两种形式，其中一种比另一种占优势。若一棵植物继承了一个或两个显性单位，就会表现出显性的特征。唯有当它继承了两个隐性性状时，才会表现出隐性的特质。孟德尔还假设每一代的遗传单位都是随机重新组合，这使他不仅能解释他在头两代的子代中看到的情形，也使他能够预测其后的子代中，显性与隐性性状的比例。在其后的岁月中，透过六代植物来检验他的预测，结果证明他的理论非常适用。虽然他知道自己的发现必须要能由其他人复制，也要能适用于其他的物种才行，但他仍清楚地表示，他认为这些发现适用于所有的生物。他写道：“同时我们可以假设在实际上，重大的差异几乎不会发生，因为有机生命的发育计划无疑是一致的。”半个世纪后，孟德尔设想的遗传单位被称为基因。近一个世纪后，沃森和克里克在DNA的双螺旋体中找到了基因的分子结构。今天分子生物学家几乎可以随意读取和剪接分子密码，也有能力改造生物体，以及诊断与治疗疾病，最终能重新塑造生物世界，包括人类。孟德尔于1865年在布尔诺自然科学研究学会会报上，发表了他的发现，以谦逊的《 植物杂种实验 》（Experiments with plant Hybrids）为题。在发表这篇论文后，如同布鲁诺斯基（Jacob Bronowski）所说的，孟德尔“立即遭到遗忘”。这份期刊的确不引人注意，但会被送到欧洲各地的120个学术协会，而且孟德尔也将重印本寄给了40位一流的生物学家，包括达尔文。我们知道达尔文并未读它，因为后来在他的论文中发现他收到的重印本还没打开过。但是即使打开看过的人，例如慕尼黑大学著名的植物学家奈吉理，也没有看出它的重要性。至少奈吉理有回信给孟德尔，但却建议他下次研究山柳菊（hieracium），这使孟德尔陷入死胡同。山柳菊是无性生殖，因此对孟德尔的研究目的没有用。在其后的30多年里，生物学家仍然从亲代性状是混合传给子代的观点来思考，都未能看出孟德尔努力证明给他们看的简单精确的遗传法则。从达尔文也花了多年时间在数种不同的物种身上进行杂交实验，就可看出孟德尔的独特天赋。当然，没有人比达尔文更想发现遗传机制了，因为找不到遗传机制，他的进化理论就缺乏基础，但即使是他也没有察觉到孟德尔清楚看到的真相。孟德尔发表他开创性的研究成果两年后，获选为他所在修道院的院长。虽然他想继续研究，但这个新职位占掉了他余生大多数的时间。他仍对科学感兴趣，他会繁殖新的植物品种（和一些生产力高但脾气极坏的蜜蜂），移植树木到遭侵蚀的山坡上，研究天文学和气象学。但是他一直找不到时间回来做遗传研究。他在63岁去世时，深受了解他的人钦佩，但科学界却忽视了他。仿佛是要确保他遭人遗忘，他的论文和书信在他去世后被烧毁。一直到1900年，科学界才赶上他的脚步。三位欧洲的研究人员德弗里斯（Hugo de Vries）、柯伦斯（Carl Correns）和塞森内克（Erich von Seysenegg）独立进行了类似的实验，并获得了与孟德尔相同的结论。德弗里斯是第一个重新发现孟德尔遭人遗忘的论文，并让他的研究重见天日的人。柯伦斯和丘歇马克很快就加入他的行列，赞扬孟德尔的基本发现。因此在20世纪初，遗传学终于在延宕许久后诞生。一个世纪后，在解开整个人类基因组的密码后，我们现在知道孟德尔种下的种子，将会发展为我们对整棵生命树的了解。第36节：门捷列夫为元素排序(1)门捷列夫为元素排序门捷列夫（1834—1907）是干劲十足的人。他最伟大的学术成就是发现了元素周期律与元素周期表，除此之外，他还以惊人的速度从事研究、演说与写作。他的著作若以小铅字列出，可长达10页。化学是他的研究重心，但是他也在俄国的经济发展中占有重要地位。他推动了俄国度量衡的现代化，主张改善采矿业、制造业、农业与贸易。他致力于教育改革，主张对女性开放科学研究，以排除无知与神秘主义，他同时协助成立俄国化学学会并担任会长。他经常靠着精力、决心和俄罗斯浓茶，夜以继日地工作。门捷列夫的决心来源众所周知。他是在母亲玛丽亚?迪米屈娜（Maria Dmitrievna）的熏陶下启蒙，并步向正轨的。玛丽亚有14个小孩，其中只有8个小孩熬过在西伯利亚的童年，长大成人。门捷列夫排行最小，也最受宠爱。玛丽亚决意不计任何代价，也要让他的天赋得以发挥。当她教授俄罗斯文学的丈夫伊凡（Ivan）变盲后，玛丽亚即靠管理当地的玻璃工厂维持家计。工厂烧毁后，玛丽亚把仅有的财产卖掉，带着14岁的门捷列夫和他的姐姐坐马车前往莫斯科，希望能让他就读大学，研究科学。当大学拒绝门捷列夫的申请时，她即带他前往圣彼得堡。虽然门捷列夫也未能申请到那里的大学，但幸好获准进入主教育学院（Main Pedagogical Institute），而玛丽亚则仿佛完成了一生的职责，旋即过世。著作等身的门捷列夫曾在他一本著作的前言中写道：“她以身作则，以爱导正，并且为了让我接受科学洗礼，带我离开西伯利亚，耗尽最后的资源与力量。她在临终前留下遗言：‘小心幻觉，努力研究，寻找神圣与科学的真相。’……”门捷列夫对母亲临终的教诲奉行不渝。在母亲遗言的鞭策下，再加上自身突出的天分，门捷列夫成为最杰出的学生，他以旺盛的精力在圣彼得堡大学攻读硕士与博士学位，并且很快成为俄国顶尖的科学家之一。1860年，俄国政府挑选他参加于卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）举办的第一届国际化学学会。这场学术研讨会促进了化学的进步，并将全球顶尖的化学家会聚一堂，就基本概念达成了共识，包括如何找出原子量等重要议题。在离开卡尔斯鲁厄时，带着发现周期定律与建立周期表所需的一切知识而归的，不是英国的纽兰兹（J.A.R.Newlands），不是法国的德尚寇特斯（B.de Chancourtois），也不是日耳曼的迈尔（Lothar Meyer），而是来自西伯利亚、努力不懈且满头乱发的年轻人——门捷列夫。第37节：门捷列夫为元素排序(2)物质由原子组成的概念源自古希腊时代，不过一直到门捷列夫的发现问世前数十年，科学家才从化合物中分离出元素，定出大约60种元素的性质，并且开始了解原子与分子。他们发现有些元素具有特定的相同性质。例如铁、钴、镍的性质类似，但跟氟、氯与溴等所谓的卤素差异极大。纽兰兹、迈尔和其他的一些科学家已经发现，元素之间隐藏着某种秩序的征兆。1866年纽兰兹提出“八行周期律”理论，指出当元素按原子量递增的顺序排列时，每8个元素就有类似性质的情况，不过大多数的化学家仍秉持怀疑态度。有人甚至问纽兰兹，是否试过用字母顺序排列元素。纽兰兹与少数同样在元素间寻找一致性的化学家都在谨慎地进行研究，但门捷列夫却大胆向前。他写信给欧洲各地的科学家，收集关于元素与其化合物的最新资料。他跟纽兰兹、德尚寇特斯与迈尔一样，认为原子量（1个原子相对于1个氢原子的重量）是元素性质的关键所在。不过除了收集原子量的最佳估计值之外，门捷列夫也收集与比较元素的其他性质，即比重、比热容，凝固或蒸发的温度，以及形成的化合物种类。门捷列夫花了数年时间深入琢磨不断增加的资料量，按质量、类似的性质、与氢碳氧合成的方式、形成的盐类，以及结晶的形状等，将元素分类。后来他或许是从单人纸牌游戏找到了灵感，在卡片上列出元素和它们的性质，不断重排它们的位置数百次。1869年初，他终于发现关键所在，在俄国化学学会3月召开的会议中，门捷列夫提出8点研究报告，第一点即是著名的周期律：1.若按照原子量排列，元素的性质显然具有周期性。2.拥有类似性质的元素，不是原子量类似（亦即在周期表上位于同一横列的邻近位置），就是原子量按规律增加（亦即位于周期表的同一纵行）。3.周期表上的纵行代表原子价，亦即元素的“结合力”。4.自然界最常发现的元素通常具有低原子量以及明确的性质。它们位于周期表最上方，呈现不同元素族的性质。5.元素的原子量决定其性质。6.许多未知元素的发现是可预期的。7.在得知元素在周期表上的适当位置及邻近元素的原子量后，有时可修正该元素的原子量。8.从元素的原子量可预测元素的特定性质属性。门捷列夫跟迈尔及其他研究领域类似的化学家不同，他并不满足于普遍的规律，反而大胆地将周期表转换为进行特定预测的“思想工具”。门捷列夫在建立周期表时充满自信，当元素的性质与按照原子量预测的性质不符时，他会认为是原子量有误，而非周期表有误。例如，为了将铟置于周期表中，他将铟原本公认的原子量乘上3倍。同样地，他将公认的铀原子量加倍，并将钛的原子量从52下调至低于48。大多数的化学家并不认同门捷列夫伟大的统一远见。许多人不喜欢他改动公认的原子量，例如迈尔在1870年写道：“根据这么不确定的基础来变动公认的原子量，显然太过轻率。”许多人认为他的整个理论令人无法信服，甚至不科学。不过门捷列夫已丢下不容忽视的战帖：“两者只能择一，要就是认定周期律完全正确，并且据以形成新的化学研究方法，否则就是全盘否定。”周期律与元素周期表在接下来的20年内的确赢得认同，主要是因为门捷列夫的预测。他将自己的研究与名声孤注一掷，预测三种元素（类铝、类硼与类矽）的原子量，详述其性质并填入周期表的特定空格里。当法国化学家勒科克?德?布瓦博德朗（Lecoq de Boisbaudran）于1875年发现镓时，其化学性质十分吻合门捷列夫的“类铝”，不过它的原子量比门捷列夫的预测轻。门捷列夫坚持是德?布瓦博德朗的测量有误。德?布瓦博德朗在重复实验后惊讶地发现，门捷列夫预测的原子量比自己第一次的测量结果还准。后来门捷列夫的类硼，亦即铣，于1879年发现，而1886年则发现他所谓的类矽，即锗。这两个发现都证实他的预测非常准确，不仅是原子量而已，还包括该元素的比重、比热容、所形成的化合物，甚至这些化合物的密度与熔点。到了1889年，当门捷列夫出版他的教科书《化学原理》（Principles of Chemistry）第五版时，已能纳入一长串经过实验证明的预测，并且盛赞那些证实他这些研究成果的科学家为“周期律的真正奠基者”。第38节：门捷列夫为元素排序(3)门捷列夫的周期表为化学带来三大好礼。首先，他将元素从一堆不相关的个体转变为井然有序的阵列，其中各元素族的性质及其与邻近元素的相似性明显可见。第二，他跟天文学家与物理学家一样，能够进行预测。如同应用牛顿定律预测海王星的存在与位置的勒维耶（Leverrier），门捷列夫应用周期表呈现的规律，预测新元素的存在与性质，这是前所未见的做法。他冒着受到非议的风险，最后终于赢得了名声。这种预测能力赋予化学家无比的信心与创意，催生了今天合成材料、合成药物，甚至合成基因的研究。一旦门捷列夫的研究获得认可，元素将遵循严谨的排列顺序，当中显然有极其重要的基本原理存在。在1870年，门捷列夫和其他人都不明白为什么大自然会创造出这样的元素集合，又为何使它们各自具有特殊的属性。门捷列夫对元素周期性的根本来源进行预测，最后也证实他的预测是正确的。他坚称关键在于元素呈现不连续的变化，没有中间媒介。他直觉地认为，元素具有独特的阶梯式排列及性质，代表必定有一种尚未发现的自然基本定律存在。对于这些在当时还无法解释的跳跃性质，他这么写道：“人类最终必定能够找到完整的解释，我认为一直要到我们能解释重力定律这类基本的自然定律之后，才有可能找到。”我们现在已经知道，门捷列夫预测的这种新“基本定律”来自量子世界。1900年，普朗克（Max Planck）率先不情愿地跨入此领域，证实了能量只能以不连续量发散或吸收。1913年，丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr）将普朗克的能量子（quantum of energy）套用于卢瑟福（Ernest Rutherford）的原子模型后，终于能够解释元素在周期表的位置。1925年，在把鲍立（Pauli）的不相容原理与玻尔的原子论结合后，物理学家证实四个本身必须以不连续阶段变化的量子变数，迫使电子在连续的原子“壳层”（shells）内累积。例如，氦的两个电子形成自给自足的壳层，使它具备化学惰性。不过锂的第三个电子未能填满下一壳层，因此活性大。随着原子数（与原子量）的增加，电子按照2、8、18、32的数量填满壳层。量子规律将元素一一置入门捷列夫55年前成功发现的排列中。门捷列夫的人格特性在其伟大的科学预测上展露无疑，而在他的政治作为上也同样鲜明。由于从小在西伯利亚成长，门捷列夫吸收了放逐当地的激进人士和改革者的理想主义。他的姐姐嫁给一位遭放逐的十二月党人，这些人曾在1825年10月反抗沙皇尼古拉斯一世。随着门捷列夫的科学名声日益增高，他一生所鼓吹的人道主义与民主观念也对学术机构形成更大的威胁。1880年，圣彼得堡科学学会的反动分子制造骚动，阻止他获选为正式会员。1890年，门捷列夫毅然决定亲自代表圣彼得堡大学的学生，递交陈情书给教育部。尽管他享有国际名声，又在大学任教30年，但有关当局仍然拒绝他的介入，而他也因此被迫辞职。门捷列夫从未背离自己的根。终其一生，他的穿着都简单朴素，并且鄙视精英的浮华服饰。发现惰性气体元素的英国化学家雷姆塞（William Ramsa）在见过门捷列夫之后，形容他是“独特多发的外国人”。门捷列夫投入数十载的光阴，努力研究俄国尚未开发的石油、煤与铁矿资源。他认为经济发展是带领俄国人民脱离贫穷的唯一方法。在沙皇政府多年的漠不关心下，门捷列夫的研究最终仍刺激了俄国早期工业的发展。如同与他同时代的托尔斯泰与陀思妥耶夫斯基一样，门捷列夫也发言和写作捍卫人权。不过他一直是位实用主义者，强调教育、就业与经济发展是迈向更美好世界的关键，而且他以满腔的热忱相信科学。他的性格与命运是在实验室中追寻科学真相时锤炼出来的，他写道：“在了解科学领域的生活是这么满足、愉悦与自由后，科学家热诚地希望许多人能入其堂奥。”门捷列夫于1907年冬天因肺炎辞世，享年72岁。数以百计他诚心以待的大学生，在丧礼行列中随侍一旁，骄傲地抬着他的棺木与周期表为他送行。这是俄罗斯历史与科学史上独特的一刻。然而，从门捷列夫过去的生活方式来判断，他恐怕不会因此而深受感动，反倒可能说：“很好，现在我们继续工作。”