上集我们说到，拉瓦锡为现代化学奠定了元素不灭的基础理论。它就像是现代化学的指路标，从此，化学家们终于找到了正确的攀登方向。但很快，他们就遇到了挡在他们面前的一座大山：元素到底是什么？
就在拉瓦锡带着对元素本质的疑惑，心有不甘地走上位于巴黎的断头台时，英国有一位 28 岁的自然哲学教师被选为曼彻斯特文学和哲学学会会员，他叫约翰·道尔顿（John Dalton，1766-1844）。这个学会除了对神学和政治不感兴趣外，对这个世界上的一切问题都感兴趣，尤其是自然哲学。会员们经常聚在一起，分享着各自的新发现。1794 年 10 月底的一天，轮到学会新人道尔顿走上台分享他的新发现。
约翰·道尔顿（John Dalton，1766-1844）在我 18 岁那年，发生了一件很尴尬的事情。我给妈妈精心挑选了一双袜子作为生日礼物，妈妈打开包装盒看到袜子后，先是显得满心欢喜，但很快就露出了尴尬的笑容。她说：约翰，这双袜子的樱桃红色很鲜艳很漂亮，但妈妈这个岁数，穿这种颜色，不合适啊。我当时大吃一惊，因为这双袜子在我眼里明明是一双灰色的袜子，为什么妈妈却说它的颜色很鲜艳呢？会不会是妈妈年纪大了，眼睛花了？可是，当我跟其他人求证时，他们都说这双袜子的颜色很鲜艳，除了我可怜的兄弟也跟我一样看不出来有什么鲜艳的。我悲伤地发现，我眼中的红色与别人眼中的红色，感觉是完全不一样的，每当我非常认真地问别人这朵花是什么颜色时，总是被误认为我在开玩笑，其实我真的是认真的，因为他们眼中的红色对我来说不过只是光线的阴影罢了。尽管道尔顿的声音不是太好听，表达也有些磕磕绊绊，但他的发言还是引发了台下的阵阵笑声。你想的没错，道尔顿是一个色盲症患者，他的学术生涯发表的第一篇论文的题目就是《与颜色视觉有关的非凡事实》，这是历史上第一次在学术场合，以符合科学研究范式的方式，揭示了色盲这种疾病的存在。道尔顿还指出，色盲有遗传特征，他们道尔顿家族很不幸地成为他发现的第一个有色盲遗传的家族。因此，有时色盲症也被称为道尔顿症。
色盲症其实很常见，它的发病率大约是 4%[1]。换句话说，在道尔顿之前，应该也有很多很多的医生或者科学家同样也是色盲症的患者，为什么只有道尔顿把自己的生理缺陷变成了一项学术研究成果了呢？无他，依然是科学思维的胜利，在道尔顿身上，科学思维体现得很极致，他对观察和实验的痴迷已经到了一种登峰造极的境界。
比如说，道尔顿对气象学特别感兴趣，想要研究天气变化的规律，一项最基础的工作就是记录下每日的天气变化。道尔顿从 21 岁开始，坚持每天都要详细记录当天的天气情况。每天早上 6 点，他都会准时打开窗户测量气温，以至于他的一位邻居把他当做闹钟，每天看见道尔顿测温后就开始为家人准备早餐。道尔顿的气象记录 57 年不中断，他生命中写下的最后一个单词是“微雨”，这是 1844 年 7 月 26 日英国曼彻斯特的天气。
就是这样一颗大脑找到了令拉瓦锡在内的众多化学家们苦苦追寻的答案。
在 19 世纪初，化学界普遍的观点认为，物质是无限可分的，只要技术条件允许，任何物质都可以被无限地切割下去，这种认知符合当时人们观察到的现象。但道尔顿却对这个观点产生了怀疑。让他产生怀疑的线索主要是这样两个现象。
第一个现象，同时代的很多化学家都注意到，任何一种化合物被分解后产生的基本物质的质量之比都是基本相同的。什么意思呢？比如说水，不论你从何处取来的水，也不论这些水是用来喝的，还是用来泡脚的，分解出来的氢气和氧气的质量之比永远都是 1:8 左右。实验做得越多，这个规律也明显。于是，到了 1794 年，有一位法国化学家约瑟夫·普鲁斯特（Joseph Louis Proust）提出了定比定律。他认为，所有的化合物都是由固定比例的基本元素组成的。
约瑟夫·普鲁斯特（Joseph Louis Proust）这个观点在刚被提出的时候，也招到了很多人的反对，包括当时法国另一位著名的化学家贝托莱（Claude Louis Berthollet），他们之间还开展了长达 8 年的论战。遗憾的是，拉瓦锡就是在这一年离开人世的，否则，以拉瓦锡的威望和做实验的能力，这个论战应该很快就可以被他终结。道尔顿就是定比定律的支持者，但定比定律似乎和物质无限可分的理念有冲突，如果物质无限可分，又怎能分割得如此精确呢？
第二个现象则是道尔顿自己发现的。如果甲乙两种元素能够相互化合生成两种或两种以上的不同化合物，那么当甲元素的质量恒定之时，乙元素的质量在不同的化合物之间一定是简单的整数比，如 1:2、2:3 等。举个例子来说，当时发现的沼气和油气这两种气体，他们都是由碳和氢这两种元素化合而成的。当分解后的碳元素质量相同时，沼气分解出来的氢气一定是油气分解出来的氢气的 2 倍。再比如当时发现的碳酸气和煤气，它们都是碳和氧的化合物，当分解后的碳的质量固定时，碳酸气分解成的氧气质量总是煤气分解成的氧气质量的 2 倍。道尔顿把这个现象叫做倍比定律。这个现象在我们今天看来，非常好理解，因为沼气就是今天的甲烷，分子式是 CH4，而油气就是今天的乙烯，分子式是 C2H4，碳酸气就是今天的二氧化碳 CO2，煤气就是今天的一氧化碳 CO，我们今天只要一看到分子式就知道为什么会有倍比定律的存在，可在道尔顿那个化学的黎明时代，离分子式的出现还有很多年，而道尔顿正是披荆斩棘的开拓者。
定比定律和倍比定律让道尔顿思考了很久，我们现在已经无法考证道尔顿到底是突然想到还是慢慢想通的。总之，他想到如果打破物质无限可分的传统观念，让每一种元素都有一个最小的基本单位，很多事情就会豁然开朗。这些最小单位就好像一个个不同的小球，这些小球不会消失也不能被凭空创造，它们原本就存在于大自然中，不同的化合物就是这些不同小球的不同组合形式。
道尔顿借用了古希腊哲学家德谟克利特曾经用过的“Atom”（即“原子”一词），来命名自己想出来的这些小球。比如碳元素的最小基本单位就是碳原子，氢元素就对应氢原子，氧元素就对应氧原子等等，每一种元素都对应一种基本的原子。不同元素的原子，在质量和性质上都不相同。每一种化合物也有一个最小单位，它们由固定比例的不同原子组成。这个想法就像黑夜中的一道闪电，一下子就将已经发现的所有现象都给解释了，无论是质量守恒定律，还是定比、倍比定律，一切都变得自然而然，天经地义。不过，道尔顿并没有将自己的想法急于发表，他需要更多的证据和更多的数据来验证自己的想法。在这里我需要特别花一点笔墨来说明道尔顿的原子和古希腊哲学家德谟克利特的原子有什么不同。在很多科普文章中都会提到，2000 多年前的古希腊哲学家德谟克利特最早提出了“原子”的概念，在古希腊语中，原子就是“不可分割”的意思。德谟克利特认为，世间万物都是由一种不可再分割的原子组成，所有的原子都是一模一样的。但我们必须要知道，尽管都叫“原子”，但德谟克利特的原子是哲学思辨的产物，道尔顿的原子是科学思考的产物，两者除了名字一样，其他全都不一样。所谓的哲学思辨就是用纯粹的理性思考来得出结论，不需要观察验证。而科学思考需要通过仔细观察现象，然后再根据现象进行思考，再做出假设，最关键的是要根据这个假设再提出一个有可能被证伪的预言，最后通过设计实验或者观测自然现象来验证自己提出的预言。德谟克利特和毕达哥拉斯都是古希腊的哲学家，他们一个提出万物由原子组成，而另一个提出万物由四元素组成。尽管现在看来，德谟克利特的说法更接近真相，但我依然要说，其实，他们俩在思考能力上并无高下之分，都是猜答案，无非一个运气好点儿一个运气差点儿的区别，他们都没有掌握科学思考的方法。但道尔顿不一样，他的原子论是非常具体的，每一种原子都有精确的定义，而且，道尔顿也根据自己的原子论提出了预言，这就是著名的道尔顿分压定律。道尔顿认为，如果原子论的理论成立，那么当两种不同的气体混合时，就好像是绿豆中混进去了黄豆，在总体积不变的情况下，混合气体的总压强也应该是两种单独气体的压强之和。道尔顿要做的，是设计实验来验证他的预言。这里我要说一个有意思的题外话，当我写到这里的时候，按照我们这个节目的一贯调性，接下去我应该给你们详细介绍道尔顿验证分压定律的实验过程。于是，我给我的文献助理牛牛下了个任务，让她帮我详细查一下道尔顿的实验装置和过程是怎样的，我原以为这是一个很简单的任务，她分分钟就能搞定。哪知道，过了很久，直到我主动询问进展时，她弱弱地回了我一句“我还在找”。以我对牛牛文献检索能力的了解，我知道，这事儿肯定不简单了。于是，我也加入到文献检索的工作中，我们惊讶地发现，我们能找到的所有写化学史的科普文章或者书籍，不管是中英文，对于道尔顿分压定律的实验都是语焉不详一笔带过，而且说法也不统一。在锲而不舍的努力下，我们终于找到一篇 2007 年发表于《化学物理化学》期刊上的论文[2]，标题是《道尔顿有争议的一氧化氮实验和他的原子理论起源》，在论文摘要中，作者说此前很多学者试图复现道尔顿手稿中提到的关键实验，但没有取得成功，因而有一些科学史专家怀疑道尔顿伪造了实验数据，引发争议。但论文作者宣布自己成功复现了道尔顿的一个验证原子论的关键实验。毕竟我不是做科学史的学者，因此无法确定论文作者复现的那个实验是不是道尔顿提出分压定律的关键实验，但作者认为这是道尔顿提出原子论思想的关键性验证实验。注意，作者的观点是，道尔顿已经形成了原子论的基本思想，然后再设计了这个实验做验证。实验装置其实相当简单，一个水槽，一个试管，一个有一根长长软管的针筒，实验的大致过程就是先把试管充满水，然后倒扣在水槽中，然后通过针筒给玻璃管内注入不同的气体，再测量气体容积和压强的变化。论文中描述的具体实验过程不再赘述，因为涉及很多猜测的部分，讲起来非常的繁杂绕口，对于我们这样一篇科普文来说，就显得太啰嗦了。我认为，作为我们普通人了解化学史，重点还是在于从这些尘封的历史故事中去感受科学家们的思维方式，学习解决问题的思考路径，而不是纠结实验细节。尽管现代我们知道，道尔顿分压定律并不是严格成立，只能在理想状态下近似成立，但以道尔顿当时的实验条件来说，至少对他自己而言，验证原子论的实验是取得初步成功的。
但道尔顿依然没有急于公开发表他的原子论，他还有一项极为重要的工作没有完成。任何一个科学理论，不仅要定性，还要定量。既然道尔顿认为原子是一种实实在在存在的小球，那么，这些小球的质量、体积等参数就应该是能够被精确测定的。因此，道尔顿的下一个挑战是测定原子的物理性质。其中最重要的一个参数就是原子的质量。不过，要测定单个原子的质量，道尔顿自己也知道是不可能完成的任务，从直觉上来说，原子必定是极其极其微小的，在现有实验装备的测量精度下，无论如何也不可能测定出单个原子的质量。确实，人类要测量出单个原子的质量还得再等上 100 多年，而且后来还发现居然同一种元素的原子的质量还有差异，这些都是后话，我们暂且不表。就说道尔顿明知无法完成测量单个原子质量的任务，他就退而求其次，发明了化学中一个重要的概念，这个概念叫做“原子量”，就是原子的相对质量的概念。什么意思呢？他假定已知的最轻的元素“氢”的原子量是 1，那么，如果氧原子的质量是氢原子质量的 x 倍，氧原子的原子量就是 x，以此类推，可以得到所有已知原子的原子量。测量相对质量就容易多了。比如，当时化学家们已经公认，水是氢和氧的化合物，而且当氢气和氧气发生反应时，总是消耗固定比例的氢气和氧气。道尔顿在 1803年笔记中记录了，他的最初测量结果是 1 克氢气会与 5.66 克氧气完全化合成水，换句话说，按照这个测量结果，那么氧的原子量就是 5.66[3]。当然，对这个数值他并没有马上满意，而是继续测定。到了 1808 年，道尔顿的代表作《化学哲学新体系》正式出版，这是化学史上又一部经典著作，在书中，他正式公布了 20 个元素的原子量，全部都是整数，他认为原子之间的质量之比都应该是一个整数才符合简洁之美。比如说，道尔顿假定氢原子的原子量是 1，那么氮原子是 5，碳原子是 5，氧原子是 7，磷原子是 9，铁原子是 38。估计大家发现了，道尔顿的原子量表与我们今天在化学课本上学到的原子量表，数值相去甚远。如果你已经忘了化学课本，我给你念一下今天我们所知道的正确的原子量，四舍五入取整后的数值如下：氮原子是 14，比道尔顿的多了近 2 倍；碳原子是 12，比道尔顿的多了近 1.5 倍；氧原子是 16，也比道尔顿的多了 1 倍多；磷原子是 31，铁原子是 56。
我们发现，原子量在道尔顿的表中，几乎全都被大大低估了。原因就在于，道尔顿弄错了大多数化合物的分子结构。当然，在道尔顿时代，分子的概念还没诞生，我这里只是为了便于叙述，先借用这个词来表达。比如说最常见的水，道尔顿没有认识到，一个水分子是固定由 2 个氢原子加一个氧原子构成的，他误以为是一个氢原子加一个氧原子构成了水，因此，氧的原子量自然就会被低估了至少一倍。如果把道尔顿认为的氧原子量 7 翻个倍，变成 14，就很接近我们今天已知的数值了。
尽管道尔顿没能准确给原子定量，但他的原子论已经为化学开启了一个新时代。从1803年底开始，道尔顿开始在英国皇家学会作演讲，全面阐述他的原子论。但据说道尔顿的表达能力实在不怎么样，嗓音也不好听，因此，他的新理论要被接受，并没有那么顺利。讲到这里，我不得不感叹拉瓦锡英年早逝，如果拉瓦锡还在世，他一定能用详实的数据证实道尔顿的原子论有多么美妙和强大。不过，还是有很多化学家欣喜地发现，道尔顿的原子理论不仅能够解释众多的化学现象，更是有了可测量的数据特征，换句话说，用道尔顿的理论可以精确预言很多化学反应前后的各种数据，具备很强的可证伪性，实在是一个看上去非常美妙的理论。今天，无论我们怎么盛赞道尔顿对化学做出的贡献都不为过。原子是化学中最基本的概念，也是建构整个现代化学大厦的基石。著名的物理学家费曼（Richard Phillips Feynman）曾在一堂物理课上抛出过这样一个问题：“如果发生一场大灾难，所有的科学知识都毁了，只能留给后代一句话，要用最少的字包含最多的信息，这句话该怎么写？”费曼说：我相信这句话应该是，世界上所有的东西都是由原子构成，原子是在不停运动的微小粒子，分开远一点会互相吸引，但靠得非常仅时，又会互相排斥。知道了这句话，只要再需要有一点想象力和思考力，就能推知关于这个世界无比巨量的信息。
道尔顿就是那个为人类开启认知世界大门的人之一，当然，此时的化学家们就好像刚刚走入了一个巨大无比的仓库，在他们的眼中，这个仓库显得那么杂乱无章，还有大量的东西要么看不懂，不知道是什么东西，要么就是躲在黑暗中还看不清。在接下来的几十年中，这个大仓库中突然闯入一大群好奇的化学家，他们各怀绝技，有的擅长整理，有的擅长测量，有的擅长发现，有的擅长推理……化学的黎明即将过去，天光即将大亮，一切都显得混乱不堪但又生机勃勃，无数精彩的探索故事正从四面八方朝你涌来。化学有故事，我们下期接着讲。
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- Dalton’s Disputed Nitric Oxide Experiments and the Origins of his Atomic Theory DOI: 10.1002/cphc.200700707
- https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed004p23
