世界由何组成？——现代“炼金术士”如何探索科技

世界是由什么组成？
物质的本质是什么？
组成我们身边世界的又是什么？
这些似乎都是深奥难懂的理论问题。
但数千年来它释放出了巨大能量，
并且已经从根本上改变了世界。

炼金术士与磷的发现

第一批开始系统化研究世界组成的人就是炼金术士。
这些研究在中世纪晚期达到鼎盛，
他们在私下秘密进行研究，
并通过编码和代码保护自己的成果。
其中有一位炼金术士很想努力改变世界，改变自然。
他们所有观察活动的理论基础从根本上是有缺陷的，
结果他们被引向一条奇怪而又意想不到的道路。
炼金术士对物质及其不同形式的理解，
全部来自于古希腊学说，
这是一套简单且具有欺骗性的体系。
它认为世界万物都由四种元素组成，
土，水，气和火。
但重要的是，
炼金术士也是经验丰富的实践家。
比如，炼金术士布兰德
他尝试制造传说中的金石——
一种能改变金属的物质。
他的基本理念是，
用某种方式改变它们，任它生长，并使它趋于完善。
布兰德相信他可以将基本金属变成金子——
一种最完善、最珍贵的金属。
他的实验始于一种极不可能的物质——我们的尿液。
炼金术士认为尿液具有一些特性，
因为它是由人体产生的。
布兰德首先要把它加热成糊状。
煮了一段时间后，
液体散发出很冲的味道，
里面有了各种各样的白色固体。
接下来，布兰德把它倒进玻璃棒，
在玻璃棒中继续进行高温加热。
用更高的温度加强里面的物质反应。
这个过程需要精密的科学技巧，
要制作加热炉和配套设备，
将温度控制在1000°。
随着实验进行，
布兰德看到了惊人结果，
冷却后的尿液变成了一种他从未见过的物质，
——白色的蜡状固体。
更让他惊奇的是，
当白色固体被点燃后，
它突然间爆发出了巨大能量。
布兰德未发现传说中的金石，
但他发现的这种物质被称为光的赐予者——磷。
磷非常重要，
它被用于制作火柴。
炼金术士们为我们现今的化学发展做出了巨大贡献，
他们通过努力发现了分离纯化学材料的办法。
他们集思广益，探索世界是如何发展运行的，
他们的设备和实践经验奠定了现代物质理念的基础。

宗教信徒与氧气的发现

当欧洲渐渐走出中世纪时，
新的力量开始影响科学的发展，
当时君主专权统治整个欧洲大陆，
为了争夺志高无上的王权，
他们开始如饥似渴地寻求武器，
由此大大增加了对更好金属的需求。
这种对金属的渴求变得永无止境，
由此衍生出了采坑贸易。
过去，人们认为空气是由单一物质组成的，
但是深入地下开矿工们对这理论产生了质疑。
地下有毒气！
能够杀死矿工并导致蜡烛神秘熄灭。
但是这些神秘的气体是什么？
这种空气到底存在多少？
欧洲各地的研究人员开始着手，
通过实验来寻找答案。
在英国的约克郡，
一位宗教信徒接受挑战，
他是自然哲学家约瑟夫普雷斯利。
他是一位拥有深厚宗教信仰的人，
他研究自然世界是渴望对神有更多了解。
普雷斯利研究加热不同物质后产生的气体，
其中包括炼金术士最爱的物质——汞灰。
汞盐是医学界非常常见的物质，
他从氧化汞开始实验。
首先，他把氧化汞粉末进行高温加热，
随着温度升高，
氧化汞颜色开始变深。
它的化学成分开始分解，
随后就出现了表面银光闪闪的水银。
随着继续加温，水银开始增加。
接下来，他采用了一种新仪器——集气槽。
普雷斯利由此收集加热产生的气体，
这让他发现一种全新的空气，
这种空气的燃烧特性让普雷斯利感到迷惑又着迷。
随后发生的一连串事件却成为科学史上我们了解世界组成的重要转折！
1774年，普雷斯利前往巴黎购买氧化汞，
并应邀来到法国朋友玛丽安妮与安东尼拉瓦西家中。
这对有雄心的夫妇希望通过研究气体来革新化学，
拉瓦西在1773年的日记中写道：
我终其一生研究的化学学科就是气体和空气，
我希望可以在物理和化学界掀起一场变革。
因此，拉瓦西意识到，
研究气体规则将会彻底改变化学界。
当普雷斯利向拉瓦西介绍了他最新发现的燃烧气体之后，
拉瓦西马上重复了这一实验。
他很快取得了一项令人自豪的发现，
同样的气体，
但是有了一个新的名字——氧气！
但令拉瓦西在科学史上留名的不是为“氧气”取名，
而是他通过反向还原，
将氧气和汞重新结合形成氧化汞！
为什么要做反向还原实验？
这将改变我们对物质的理解！
拉瓦西发现反应后的重量，跟实验开始前的重量一模一样。
没有新物质产生，也没有任何损耗。
拉瓦西能成为化学领域的领袖是因为他理解了万物守恒定律。
这理论适用于所有化学反应，
化学词汇变得具有分析意义，
让我们开始了解化学成分。
物质守恒定律意味着物质的变化，
是可分析、可记录、可解释的。
标志着现代世界组成理念的诞生！

热气球与氢气的诞生

化学科学能够诞生，
要归功于炼金术士的实践技巧，
新气体的发现，
还有精确测量工作的贡献。
在富人们的实验室之外，
基于对气体的兴趣，
也使18世纪的科学得到了空前发展。
每年在法国小镇阿诺雷，
人们欢聚一堂再现翱翔天际的古老梦想。
这些庆祝仪式的领导者就是著名造纸家族蒙哥菲尔家族的后裔。
他们发射了世界上第一个热气球。
他们最初设想在巨大气囊内充满热气体，
慢慢就衍生出了热气球。
他们一开始认为促使气球上升的是烟，
因为烟是往上升的，
但他们很快发现真正起作用的是热气体。
1783年，在法国小镇阿诺雷，
第一个完全由纸制成的热气球升到了1600米高的空中。
很快，一场热气球狂潮席卷法国，
有人出资建造第一个载人飞天的气球。
蒙哥菲尔家族也开启了热气球制造事业，
它的体积是第一个气球的2倍。
气球下面有一个悬垂的火炉，
它采用了丙烷提供动力，
不需要再装载麦秆和木头帮助气球飞行。
1783年，两名勇士飞向蓝天，
成为第一个俯视自己星球的人类。
这是人类第一次飞离地面，
也是蒙哥菲尔家族的伟大成就。
但仅仅10天后，
巴黎科学设计院的人员释放了另一只热气球。
它采用了一种新发现的气体——氢气。
氢气重量只有普通空气的1/13，
并比燃烧大量麦秆安全很多。
但这又为化学家出了一个难题，
他们要如何生产足够的新气体来让热气球在空中漂浮？
安东尼拉瓦西提出了很大胆的方法：
拉瓦西认为水其实由两种气体组成，
氢气和氧气。
他利用对物质的新理解，
想出了一个分离两种气体的方法。
他向蒸馏瓶中注水，
让水慢慢滴下，流入铁管，
再把铁管在类似烤肉架的装置里面进行高温加热。
水中的氧气会和铁管的铁发生反应，
导致铁管氧化或者生锈。
他又在铁管顶部放置了一些煤块，
然后升高温度，以加快反应速度。
铁锈产生代表氧气已经被分离，
水中只剩下氢气。
无法被蒸发的水泡会因为水蒸气会被浓缩到铜线圈上，
所以，容器中只存在氢气。
当被点燃的火焰伸入容器后，
发出了“嘭——”的爆裂声，
这是氢气被点燃时发出的声音。
拉瓦西的实验成功了，
他们可以大量制造氢气了。
拿破仑甚至受到启发要建造一支热气球军团，
能够从空中入侵不同国家。
构成水的两种要素——氢气和氧气，
激发了拉瓦西对世界组成的新设想：
他认为世界由33种元素组成，
其中包括一些最新发现的气体。
但他的想法并不完全正确，
他把光和热也纳入其中了。
他尝试罗列物质基础的新名单，
让我们沿着他的脚印，深入了解这些构成元素。
这种对世界组成的崭新认知，
将会释放出巨大能量。

电流应用与钾的诞生

我们先从一个行为古怪的英国人开始，
他对改变物质具有浓厚兴趣,
他就是化学家——汉佛莱戴维。
他发现吸入一氧化二氮（笑气）后会使人精神亢奋，引发幻觉，
并会使人产生模糊的兴奋感。
笑气很快成了19世纪上层社会的时尚，
1801年，他在伦敦皇家学院出尽风头。
他进一步展开研究并进行公演，
戴维引入入胜的展示吸引了热情的观众。
在这些围观者中，有一个企业家，
他迫切希望收集宝贵的化学信息。
戴维是第一个利用新工具电流来发现新元素的人！
他往容器里加入少量的氢氧化钾并使它融化，
因为它只有在融化后才会导电。
当戴维第一次做这个实验时，
他发现电流似乎分解了融化的碳酸钾，
并从中提取出一种发出淡紫色光芒的元素，
戴维称它为——钾。
紫色光芒正是钾的反应产生的，
它和空气中的氧气发生反应，马上就会产生白色的烟。
这是一个很伟大的成就，
使分离活性金属成为可能！
戴维的实验证明元素金属极不稳定，
它在此之前从未以纯粹的形式存在过。
戴维意识到电流能够进一步加深我们对物质的理解，
2年后，他有继续分离出了6种新元素——
其中包括镁和钙。
不过在关于世界组成的探索中，
他最大的贡献或许在于把化学研究从实验室内拓展到公众面前。

疟疾与工业染料的发明

化学即将在世界上成为一种力量，
但这段旅程却充满了未知。
19世纪各大帝国都面临一个问题——疟疾。
这种由小昆虫感染传播的疾病，
是当时殖民帝国面临的最大威胁！
在英国的前殖民地牙买加，
人们发现了一种治疗疟疾的办法。
金鸡纳树，
用来治疗疟疾的关键就藏在它的树皮里面。
树皮里的奎宁能治愈疟疾引发的高烧，
由此引发了巨大需求。
单英国每年就要从印度运走750吨，
但这种治疗疟疾的神药却有一个缺点，
它的生长速度极慢！
为了应付这个问题，政府转而求助化学家去找到解决方案。
东伦敦临时实验室的威廉普尔金临危受命，
他首先拿煤焦油进行实验。
煤焦油在维多利亚时代是用于制造煤气灯的，
在当时非常便宜，随处都能买到。
煤焦油中含有一种名叫苯胺的物质，非常重要。
普尔金知道苯胺所含的化学成分和奎宁大致相同，
他在煤焦油里面加入少量硫酸，
然后他又加入了重铬酸钾，去帮助促使各种反应产生奎宁。
所以，当普尔金把这些混合在一起，
他得到了一团黑色粘性物质。
显然，实验失败了。
但普尔金没有放弃，
他从中发现在黑色的粘性物质上有一层淡淡的底色。
他决定对其进行过滤，
接下来把它放到甲醇溶液里面，
然后观察它溶解后的反应。
接着，他拿出丝巾把它浸入溶液里面，
他发现颜色变成了紫红色！
这是历史上最早的合成燃料。
普尔金制造奎宁虽然失败了，
但他创造了一种时尚，
名流们都想穿他发明的紫色衣服。
普尔金也因此被称为工业化学之父。

量子理论与晶体管的发明

元素的发现，
使工业化学成为世界历史的重要力量，
人类探索世界的脚步还在延续。
在世界各地的大学内，
研究者们努力想知道那些元素究竟是由何组成的？
一种重要理论认为每种元素都是由一种人眼看不到的“原子”物质组成。
它如同光滑的撞球，
不同元素的原子相结合，
就组成了人们看到或摸到的物体。
但又如何去证明这种观点呢？
原子太小，我们根本无法看到。
原子研究理论界提出的最早线索来自一个出人意料的地方，
来自超自然界。
威廉姆克鲁克斯，是一个奇特的科学家。
他兴趣广泛，从发现新元素到研究精神幻觉都有涉猎。
克鲁克斯花了大量时间来研究媒介。
除此之外，他就在实验室里，
利用装置来研究电子现象。
这种装置现在被称为克鲁克斯管，——一个抽空气体的玻璃管。
但气体并未完全抽空，还保留一些低压空气。
它有两个电极，一个是阴极（负极），
还有一个阳极（正极）。
克鲁克斯向电极释放高压电流，
结果令人震惊，他发现电流会随着磁铁发生弯曲，
这说明它本质上跟电有关。
无论里面是什么，它都含有电流。
为一探究竟，克鲁克斯想到了一个绝妙的计划。
他着手制作并改装了一个新玻璃管，
在其中加入了一个微小的桨轮，
当接通电源后，桨轮沿着玻璃管前后移动。
它的运动情况表明玻璃管内肯定存在某种粒子，
它们使桨轮能够一路旋转。
克鲁克斯最终得出结论证明：
除了气体，固体和液体外，
物质其实还有第四种存在形式——辐射。
他试图在这种特殊的辐射物基础上建立一种理论来解释桨轮旋转的情况。
虽然几经努力，
但克鲁克斯始终没有足够证据来证明这一理论。
但这激发了一位物理学家的灵感，
约瑟夫约翰汤姆森，或称JJ。
他制造了更多精密复杂的克鲁克斯管，
试图由此计算出导致桨轮旋转的粒子只有原子大小的千分之一。
它们被叫做电子。
这是人类发现的第一批亚原子微粒。
这一伟大发现使汤姆森获得了1906年的诺贝尔物理奖。
人类对世界组成的认知在20世纪进入了新的篇章。
世界是由原子组成的，
而原子由三种基本微粒组成，
分别是电子，围绕核子旋转的质子，还有中子。
位于原子核心的核子及其周围物质，
事实上还不到一颗沙粒那么大，
其他地方其实是空的。
我们认为的固体绝大部分是空的。
原子内部的另一个奇怪之处在于传统的物理定律变得不再适用，
早期的原子理论把原子看做一个迷你的太阳系，
核子是太阳，电子就是绕太阳旋转的行星。
但事实证明电子不同于行星，
它们永远不只存在于一个地方，
它们在很多地方飞来飞去。
原子内的奇异世界需要新的理论去解释，
电子的运动不能理解为确定性，而是可能性。
不是电子将要怎样，而是它可能会怎样。
这一新的理论就是量子论。
量子物理学之父尼尔斯玻尔，
他曾说，
那些不为它动容的人是根本无法理解它的。
爱因斯坦也曾感叹：
上帝也不敢和宇宙玩掷骰子。
无论如何，
量子理论是现代科技社会的基石。
1945年，二战结束，
人们梦想着科技会改善他们的生活。
电子科学，
一个崭新的世界拉开帷幕，
电子管使梦想成为了可能。
它和克鲁克斯管有着远亲关系，实质上是一种控制电子的途径。
电子管在电子工业被广泛应用于设备上，
它扩大了广播和电话交换机的电子信号，
人们还把它转化成计算机的二进制信号。
但它们也有很多缺陷，
体积大，很容易变热，需要很大的动力，而且相当易碎。
量子世界提供了替代方案，
电话公司贝尔实验室需要一种更好更便宜的通话方式，
他们需要找到能够替代电子管的产品。
公司研究小组由威廉肖克利领导，
他们很快想到了一种解决方案——发明世界上第一个晶体管。
它简易，小巧，但是仅仅知道电子存在还不能制造出这种设备。
他们还要知道它的表现。
量子论使肖克利的研究小组得以预测电子在不同材料中的表现，
就像电子管一样放大和转变。
晶体管小巧耐用，只需很小的动力，
它们彻底改变了我们的世界。
在短短60年的时间里就出现了含有数十亿晶体管的微处理器。

随着我们对世界的深入了解，
我们的社会也随之产生了巨大改变。
我们居住的建筑，我们的旅行方式，我们的沟通习惯……
简而言之，
我们的生活方式很大程度都源于我们对世界组成了解的产物。
我们的探索历程还在继续，
还有更多未知的谜题再等待着我们去探索，
现在看似神秘的“谜题”，
很可能是因为我们还未理解！

力量与激情，
竞争与偶然，
对科学的探索都至关重要。
这是一个历史如何创造科学的故事，
也是一个科学如何创造历史的故事。