十来岁的时候，我发现自己对两种完全不同的探索宇宙奥秘的科学方法非常着迷。我不断地听到关于物理学家做过什么的奇怪传闻，以及他们所发现的物理学量子定律，按这个定律推测，我可以同时身处两个不同的地方。我很怀疑这样的论断在现实生活中是否适用，何况我并没有太多自己想去的地方。但我同样听说了化学家所追求的那种更实际的奥秘，尽管那种奥秘既剧烈又危险，看起来也不像一把能把我送进大学的万能钥匙，但它却激发了我的冒险精神，并许诺赋予我一种小孩通常不具备的超能力。很快我就开始把氨水和碘酒、高氯酸钾和糖、锌粉和硝酸盐以及氯化氨混合在一起，我可以把东西炸飞。阿基米德说只要给他一根足够长的杠杆，他就能撬动地球；我相信只要给我合适的家用化学品，我就可以让它爆炸。这就是了解了你周围物质之后获得的力量。
世界上第一批科学思想家为探究物理世界运作机制的这两种方式铺平了道路。他们询问变化的原因；他们研究物质的成分以及它们的成分如何决定它们的性质。最后，亚里士多德为双方提供了一张路线图，但他提供的路径最后被证明是死胡同。
牛顿和他的前辈们为了理解变化这个问题走过了很长一段路。牛顿也尝试过去了解物质的科学，但他并没有成为一个像他在物理学领域那样成功的化学家。问题并不在于他的智力不足，也不在于他走上了一条漫长的、最终是个死胡同的炼金术道路。他没有取得进展的原因是，尽管物质的科学，即化学，和变化的科学，即物理学，是并肩发展的，但它们却是两门个性大不相同的科学。化学的条件更恶劣，也更复杂，如果想像他曾经探索变化的那样对它进行详细的探索必须要有大量的技术创新的出现，但其中大部分在牛顿的时代都还没有被发明出来。结果，牛顿陷入了困境，并且在化学领域缺少一个可以让化学（以及他/她自己）突飞猛进的杰出人物。所以，它的发展速度更缓慢，只有寥寥数位先驱分享它的荣耀。
人类如何发现物质构成的故事是我的挚爱，因为化学就是我的初恋。我小时候生活在芝加哥一个小型双层公寓里，生活区狭窄而且拥挤，但地下室却很大，我把我的设备都搬到这里，修建了一个属于自己的迪士尼乐园——一个精心打造的实验室，架子上摆满了玻璃器皿、各种颜色的粉末，以及装满强酸和强碱的瓶瓶罐罐。
我不得不通过非法渠道或者我父母毫不知情的协助（“如果我有一加仑盐酸就好了，我就可以把猫撒在水泥地板上的尿抹干净”）来获得某些化学物品。这些小伎俩并没有引起麻烦。我发现通过研究化学，我在满足内心深处对于世界的好奇心的同时还能学会制造炫酷的焰火。和牛顿一样，我这么猜的，我也意识到这比社交生活的好处多多了。化学物品可比朋友更容易获得，当我想和它们一起玩时，它们从来不会说它们必须待在家里洗头发，或者不太礼貌地说它们不喜欢和怪胎厮混在一起。然而就和许多初恋一样，我最终还是和化学分手了。我开始和一个新对象，也就是物理眉来眼去。正是在那个时候我开始了解到科学的不同领域不仅专注于不同的问题，也拥有不同的文化。
物理和化学之间的差别在我犯下的各种错误中展露无遗。比如，我很快就了解到假如我的物理运算最终归结为“4=28”这样一个等式时，并不意味着我发现了一些意义深远且不为人知的真理，相反，我只是犯了某种错误。但这个错误没有什么害处，它只是一个存在于纸面上的错误。在物理学中，这样的小错误几乎不可避免地会导致尽管让人沮丧但却无害的数学废话。化学就不同了。我在化学中犯的错误往往会制造大量的浓烟和火情，以及被强酸腐蚀的疼痛，它们留下的疤痕几十年都没有消退。
我父亲是根据他认识的两个人来描述物理和化学之间的差异的。这两个人从事的工作和它们最为接近。1他所说的“物理学家”——实际上是数学家——是在集中营里向他解释如何解答那道数学难题来换取面包的那个人。而那个他称为“化学家”的人是他在被驱逐到布痕瓦尔德集中营之前在犹太人地下党里认识的。[1]
我父亲曾经加入过一个计划破坏通往他家乡琴斯托霍瓦的铁路的组织。这位化学家说他可以用一包安放在铁轨关键位置上的炸药来让火车出轨，但他必须得从犹太人居住区偷偷溜出去才能得到他需要的部分原材料，他坚持认为他可以通过行贿和盗窃来获取这些东西。这要跑好多次才能完成，但他执行最后一次任务时再没回来，此后也再没有听到过他的消息。
我父亲告诉我，那个物理学家是一个优雅、安静的人，他用他知道的最好的办法来躲避集中营里的恐怖：退回到他的思想世界中。那位化学家拥有狂热梦想家和牛仔般的性格，他热衷于采取实际行动来正面对抗世界的混乱。我父亲断定那就是化学家和物理学家之间的区别。
这些话完全正确，和早期的物理学家不同的是，早期的化学家必须具备一定的血气之勇，因为他们的工作会发生意外爆炸，他们也有中毒的可能，因为他们经常品尝物质，通过味道来帮助他们识别这些物质。早期的实验家中最著名的或许是瑞士药剂师和化学家卡尔·史基。史基是第一个制造出具有强腐蚀性和毒性的氯气还能活下来的化学家，比较神奇的是，他居然还能准确地描述出剧毒气体氰化氢的味道而没有被毒死。但在1786年，43岁的史基死于一种疑似急性汞中毒的疾病。2
从更私人的层面上说，化学家和物理学之间的差别给我的感觉就像是我父亲和我之间的差别。因为在那个化学家消失以后，他和其他4个密谋者继续展开他们的计划，使用仅有的手工工具——“各种型号的螺丝刀”（他告诉我）——而不是炸药，试图拧松铁轨。3他们的行动出了岔子，其中一个破坏分子恐慌起来，引起了附近纳粹党卫军军官的注意。结果，只有我父亲和另一个破坏分子成功逃脱了——他们躺在铁轨上面，一列长长的货运列车从他们上面开过去，这才没有被发现。从另一方面来讲，我很少会在外部世界采取任何有重要意义的实际行动，只会使用公式和纸来计算事情的后果。
物理和化学之间的差距反映出了这两个领域的渊源和文化。物理开始于泰勒斯、毕达哥拉斯和亚里士多德头脑中的理论，而化学则诞生在商人的密室和炼金术士阴暗的小屋里。尽管这两个领域的从业者都受到纯粹的求知欲望的激励，但化学同时还扎根于实际——有时候是出于改善人们生活条件的渴望，有时候则出于贪婪。化学具有一种高贵的品质，一种求知和征服物质的高贵品质，但它也一直具备获得巨大收益的潜力。
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从某种意义上说，牛顿发现的三条运动定律是比较简单的，尽管它们掩藏在由摩擦力和空气阻力的迷雾以及重力的隐形外衣构成的普通表象之下。然而，统治化学的定律和牛顿的三条运动普遍定律并不相似。它们要复杂得多，因为我们的世界给我们提供了一系列使人眼花缭乱的物质构成，化学科学必须逐步将它们全部厘清。
人类的第一个发现是某些物质——元素——是基本的，而其他的物质是由这些元素的不同组合构成的。这是希腊人通过直觉辨别的。比如，根据亚里士多德的说法，元素是“其他物质分解之后产生的物质，它本身不能再被分解成其他物质”。4他提出了四种元素：土、气、水、火。
很明显许多物质都是由其他物质构成的：盐和淡水可以制造出咸水，铁在水里会生锈，伏特加和苦艾酒可以调配出一杯马提尼酒。而另一方面，你可以通过加热来分解出许多物质的成分。比如，当石灰石被加热时，它就变成了石灰和一种气体，二氧化碳。糖在加热时会产生碳和水。然而，这种幼稚的观察并不能让你走得太远，因为这无法对发生的现象做一种普遍适用的描述。比如，如果你对水进行加热，它会变成气体，但那种气体和液态水在化学成分上并没有什么不同，只不过呈现出了一种不同的物理形态而已。当水银被加热时，也不会分解出它的成分；相反，它会倒过来——它与空气中看不见的氧气结合形成一种被称为烧渣的化合物。
还有燃烧。以木头的燃烧为例。当木头燃烧时，它变成了火和灰，但如果你就此推断说木头是由火和灰构成的，那就大错特错了。并且，和亚里士多德的分类相反的是，火并不是一种物质，而是其他物质在经历化学反应时释放出的光和热。木头在燃烧时释放出的真正物质是不可见气体——主要是二氧化碳和水蒸气，但总共有超过100种气体——古人并没有任何技术手段可以允许他们收集这些气体，更不用说将它们逐一分离和识别了。5
这种挑战使人们很难区分什么物体是由两种或者更多的物质构成的，而什么物体又是由基本元素构成的。这样的困惑导致的结果就是许多古人，比如亚里士多德，在错误地把水、火等视为基本元素的同时，却没能将七种金属元素视为元素——汞、铜、铁、铅、锡、金以及银——这些都是他们很熟悉的物质。
就像物理学的诞生依靠的是新数学的发明一样，真正意义上的化学的诞生不得不等待某种技术发明——可以精确测量物质重量的仪器，可以测量在化学反应中吸收或释放出的热量的仪器，可以确定一种物质是酸性还是碱性的仪器，可以捕捉、抽空和操纵气体的仪器，可以测量温度和压力的仪器。只有取得这样的进步，17世纪和18世纪里的化学家才有可能理清他们知识的乱麻，并发展出富有成果的思考化学反应的方式。然而，即使在这样的技术进步尚未出现之前，从古代城市中涌现出的那些从事这些行业的人就已经在许多完全不同的领域，比如印染、香水制造、玻璃制造、冶金和防腐技术积累了大量的知识，这是对人类毅力的一种证明。
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防腐技术是最早出现的，在那个领域，化学科学的开端可以一直追溯至恰塔霍裕克，因为尽管他们并不对死者进行防腐处理，但他们的确形成了一种死亡文化，并以一种特别的方式表达对死者的关爱。到了古埃及时代，对于死者命运不断增加的担忧推动了木乃伊制作技术的出现。人们相信这种技术就是打开幸福来世之门的钥匙——当然也不可能会有气愤的客户回来投诉说他们过得并不幸福。于是对防腐剂的需求出现了。一个新行业诞生了，一个寻求——借用杜邦（DuPont）[2]的话——“化学，更好的东西为更好的来世”（Better things for a better after life，though chemistry）的行业。
这个世界总是不缺乏梦想家，他们当中，那些成功实现了梦想的人是幸福的，而另一些至少也依靠追逐梦想维持了生计。那些属于后一群体的人并非一定要按照天赋和知识来加以判别，但他们必然会因为他们工作的勤奋程度而高下立现。通过完善防腐流程而变得富有一定是古埃及企业家和创新家们的一个梦想吧，因为他们投入了漫长的时间来艰难地尝试着做这件事。随着时间的推移，在经过广泛的试验和试错之后，古埃及防腐师最终成功地学会了利用钠盐、树脂、没药以及其他防腐剂的有效组合来阻止尸体腐烂——这些都是在对涉及的化学过程以及尸体腐烂的原因一无所知的情况下发现的。
既然尸体防腐是一门生意，而非科学，因此它的发现并没有被当成是古代的爱因斯坦们发明的理论，却更像是爱因斯坦兄弟牌百吉饼的秘方：它们是严加守卫的秘密。并且，因为尸体防腐和死人以及地狱有关，这项技艺的从业人员开始被人们视为巫师和魔法师。随着时间的推移，其他带有神秘色彩的职业也开始出现，并产生了关于矿物、油脂、花卉萃取物、植物荚果和根茎、玻璃以及金属的知识。这些生意人从事的原始化学正是炼金术神秘主义文化的起源。
作为一个群体，这些领域的从业者广泛地构建了一套专业但彼此互不关联的职业技能。当希腊的亚历山大大帝于公元前331年在尼罗河河口建立他的埃及首都亚历山大港时，那些五花八门的技术诀窍最终开始定型成一个统一的研究领域。
亚历山大港是一座巨大的城市，有着典雅的建筑和100英尺宽的大街。在它被建成几十年后，埃及的希腊国王托勒密二世修建了它文化皇冠上的珠宝，博物馆。这座博物馆和现代博物馆的不同之处在于它并不展示文物，而是珍藏着100多位科学家和学者，他们由国家提供俸禄，有免费的房子居住，博物馆的厨房还为他们提供食物。和它相关联的是一座藏有50万册卷轴的宏大图书馆、一座天文观测台、解剖实验室、花园、动物园以及其他供调查研究使用的设施。这是一个光辉的探索知识的中心，一座人类求知之路上鲜活的、实用的纪念碑。它是世界上第一所研究机构，其扮演的角色和后来大学在欧洲的发展中扮演的角色一样，然而，悲哀的是它注定会被公元3世纪的一场大火焚毁。6
亚历山大港很快就变成了一个文化的麦加圣地，在几个世纪的时间里，它一直都是世界上面积最大，也最伟大的城市。在这里，各种关于物质和变化的希腊理论与整个埃及的化学知识体系相互交融。观点的交汇改变了一切。
在希腊人入侵之前，埃及人关于物质性质的知识几千年来一直都是纯粹的实用性的。但现在希腊物理学的理论体系为埃及人的知识提供了一个理论背景。特别是，亚里士多德关于物质的理论为物质变化和相互作用的方式提供了一种解释。当然，亚里士多德的理论并不正确，但它启发了一种更统一的探索物质科学的方法。
亚里士多德理论的一个方面尤其具有影响力：他关于物质转化的观点。以烧水的过程为例。亚里士多德认为水元素拥有两种重要特质：可以变湿和变冷。而另一方面，他把气元素描绘成可以变湿和变热。按照他的观点，烧水就是一个火元素发挥作用将水的冷转变成热的过程，因此也就把水转化成了气。从这种概念中嗅到获利潜力的埃及人试图把它发挥到极致：如果水可以转化成气，那有没有可能把某些不重要的东西转化成黄金呢？这有点儿像我的女儿奥莉维亚。当她被告知如果她把她的牙齿放在枕头下面她就可以从牙仙那里得到一美元时，马上回答说：“如果放剪下来的指甲我能得到多少钱呢？”
埃及人注意到黄金和亚里士多德所说的基本元素一样，似乎也拥有某种基本特质：它是金属，很柔软，是黄色的。单是黄金就具备所有那些特质，但它们又以不同组合出现在许多物质中。人们可不可以找到一种在物质间转移性质的方法呢？特别是，如果烧水的过程允许人们使用火来改变水的物理特质，从而将其转变成气，那么或许会有一种类似的过程可以把一种柔软的、黄色的金属物质转化成黄金。
这样的考虑产生的结果是，到了公元前200年，理解真正化学的线索与希腊哲学思想混合在一起，防腐术、冶金术以及其他实际尝试这样古老的原始化学刺激了一种统一的探索化学变化方法的出现。炼金术就此诞生，它以制造黄金为中心目标，发展到最后它甚至试图制造一种使人永葆青春的“长生不老药”。
历史学家对于化学科学出现的具体时间争论不休，但化学不是苜蓿，所以它萌发的日期更多的只是一种意见，而不是一个精确的事实。然而，有一样东西没有人可以争辩，那就是炼金术起到的作用：无论化学何时形成了现代形态，它都是一门从那个古老主题的技艺和神秘主义中成长出来的科学。
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第一个推动巫术式的炼金术向着科学方法发展的人是人类思想史上一个比较怪异的人物。泰奥弗拉斯托斯·邦姆巴斯特·凡·霍恩海姆（1493—1541）出生在现今瑞士的一个小村庄里，他在21岁时被他父亲送去学习冶金术和炼金术，但他后来声称自己获得了医学学位，而且他也选择了那个职业。接下来，在他还不到25岁的时候，他把自己的名字改成了帕拉塞尔苏斯，意思是“比塞尔苏斯更伟大”。塞尔苏斯是公元1世纪的一位罗马医师。因为在16世纪时塞尔苏斯的著作非常受欢迎，通过改名字，帕拉塞尔苏斯设法让自己从一个名叫邦姆巴斯特的人变成一个名字中展示出那种品质的人。但比起邦姆巴斯特这个名字，帕拉塞尔苏斯还有更多想要改变的东西：他大肆宣扬他对于盛行的研究医学的方法的轻蔑。当他参加学生们传统的夏季篝火晚会时，他把受人敬仰的希腊医师盖伦的医学著作连同一把硫黄一起扔进了火堆，他以这种方式来生动地展现他的不屑。
帕拉塞尔苏斯对盖伦的不满和伽利略以及牛顿对亚里士多德的不满如出一辙：盖伦的著作被后来的从业者的观察和经验证明是错误的。特别是，传统观念认为疾病是由一种被称为休谟斯的神秘体液的失衡引起的，而帕拉塞尔苏斯却相信这种观点并不能经得起时间的考验。相反，他确信疾病是由体外因素引起的——并且这种病因可以通过使用适当的药物来治疗。
帕拉塞尔苏斯，原版是佛兰德艺术家昆丁·马西斯(1466—1529)的作品，现已失传，此图是17世纪的一幅临摹品
正是对那些“适当的药物”的探求引导帕拉塞尔苏斯尝试着去改变炼金术。这个领域现在硕果累累，比如新物质的发现——金属盐、无机酸，以及酒精——但帕拉塞尔苏斯想让它放弃对于黄金的追寻，转而专注于更重要的目标，比如制造在团体实验室拥有一席之地，可以治愈特定疾病的化学物品。同样重要的是，帕拉塞尔苏斯的目标是去改良炼金术不精确和不严谨的方法。作为商人和学者，他为新版本的炼金术发明了一个新名字。通过用希腊语中表示“药物”的单词iatro替代阿拉伯语字首al（意为“这个”），他创造了iatrochemia（化学疗法）这个表述。这个单词很拗口，这或许也是为什么它很快被改写成更简短的“chemia”，这个词后来演变成英语单词“chemistry”（化学）的词根。
帕拉塞尔苏斯的观点后来对伟大的艾萨克·牛顿和牛顿的对手莱布尼茨产生了同样的影响，他们将带领炼金术朝着化学科学这个新身份发展。但尽管帕拉塞尔苏斯对他的新方法抱有极大的热情，但他的个人说服力却因性格问题而大打折扣。他相当具有攻击性——当我说“攻击性”时，我指的是“他的行为举止就像一个狂躁的精神病患者”。
帕拉塞尔苏斯没有胡子，女里女气，对于性爱也没有兴趣，但假如奥林匹克运动会为酗酒这项运动颁奖的话，帕拉塞尔苏斯一定会得到白金奖牌。他大部分的时间都是醉醺醺的，曾被一个同时代的人说“活得像头猪”。他并不精于宣传自己，并且很容易会说出“所有的大学老师和所有的老作家放在一起也不如我的屁股那样有天赋”这样的话。7他似乎很享受激怒权威人士，有时候就以此作为目的。比如，当他被巴塞尔大学任命为讲师时，他穿着一件皮质的实验室围裙就来上他的第一堂课，而不是穿标准的学术长袍；他讲瑞士德语，而不是预期的拉丁语；并且，在宣布他即将揭示医学领域最大的秘密之后，他亮出的是一锅粪便。
这些怪异行为产生的效果和它们在今天会产生的效果一样：他的医师和大学同事和他很疏远，但他却很受大部分学生的欢迎。尽管如此，当帕拉塞尔苏斯讲话时，人们都会认真听，因为他的一些药物确实有效果。比如，在发现阿片剂和溶于水相比更溶于酒精之后，他发明出了一种基于阿片的溶液，他将其称为阿片酊，这种溶液对缓解疼痛非常有效。
然而，经济原因或许是最终促进帕拉塞尔苏斯的观点传播的最好引擎。新化学药物可以治愈疾病的希望增加了收入、社会地位以及药剂师的名声，它也创造了对于这个领域知识的需求。关于这个主题的教科书和课程开始涌现，并且随着炼金术的术语和技术被翻译成化学的新语言，它们变得更加精确和规范，正如帕拉塞尔苏斯曾经希望的那样。到17世纪初期，尽管还有很多人依然从事着古老的炼金术，但帕拉塞尔苏斯的新式炼金术——chemia——也渐渐流行开来。
和墨顿学院的数学学者一样，帕拉塞尔苏斯是一个过渡性的人物，他帮助他的研究主题完成了转变，并为后来的从业者打下一个他们可以继续发展的原始基础。帕拉塞尔苏斯在旧世界化学和新世界化学的涉猎范围从他的个人生活中一览无余：尽管他对传统的炼金术持批评态度，但他却涉足其中。他一生都在从事以制造黄金为目标的实验，有一次甚至宣称他发现并饮下了长生不老药，他必定会长生不老。
唉，在1541年9月，当帕拉塞尔苏斯在奥地利的萨尔兹堡一家名叫白马客栈的旅馆暂住时，上帝向他摊牌了。帕拉塞尔苏斯一天晚上正沿着一条阴暗狭窄的街道回旅馆时，他要么是狠狠地跌了一跤，要么是被被他激怒的当地医师雇的恶棍狠狠地揍了一顿——取决于你愿意相信哪个版本。两个故事都有着同样的结局：帕拉塞尔苏斯因伤势过重几天后去世，享年47岁。据说在他临死之前，他看起来比他的实际年龄大很多，这是长期熬夜和酗酒导致的结果。假如他还能再活一年半的话，他或许会目睹哥白尼伟大著作《天体运行论》的出版，这本书通常被认为是科学革命的起点，帕拉塞尔苏斯当然会支持这样的运动的。
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正如我们看到的那样，在帕拉塞尔苏斯去世后的一个半世纪里，像开普勒、伽利略以及牛顿这样的先驱，在前人工作的基础上，创造了研究天文学和物理学的新方法。随着时间的推移，由形而上学原理控制的定性的宇宙理论让位于遵循固定定律的可量化和可测量的宇宙概念。依靠权威学者和形而上学的辩论来获取知识的途径被通过观察和实验来了解自然定律，并通过数学语言来清晰地表达这些定律的概念所取代。
和物理学一样，新一代的化学家所要面对的学术挑战不仅仅是发明出严谨的思考方法和实验方法，还要摆脱过去的哲学和观点的束缚。为了变成一门成熟的科学，化学这个新领域不得不在学习帕拉塞尔苏斯的课程的同时还要废黜已经走进死胡同的亚里士多德理论——并非他关于运动的理论，废黜其运动理论的事牛顿和其他物理学家以及数学家已经在做了，而是他关于物质的理论。
在解决一道难题之前，你必须要辨认出它的各个部分，而在物质的性质这道谜题中，这些部分就是化学元素。只要人们还相信所有的物质都是由土、气、火和水构成的——或者一些类似的分类体系——他们对于物质主体的理解就是建立在谎言之上的，他们创造新的、有用的化学物质的能力只是在试验和试错而已，根本不会有形成真正理解的可能。一切都是从17世纪新的学术氛围中开始的，当伽利略和牛顿最终将亚里士多德驱逐出物理学领域，并用基于观测和实验的理论取代了他的观点时，有一个人站了出来——他在光学领域的工作曾启发过牛顿——将亚里士多德从化学领域中赶了出去。我说的这个人就是罗伯特·玻意耳，第一任科克伯爵之子。8
要想把自己的一生奉献给科学，一条路是获得大学任命，而另一条就是你得富得流油。和开创物理学的大学教授不同，许多早期化学的拥护者都是有个人收入的人，在实验室还很稀缺的时代，他们就有足够的财力去建造自己的实验室。罗伯特·玻意耳的父亲不仅只是有钱，他或许是大英帝国最有钱的人。
人们对于玻意耳的母亲知之甚少，只知道她在17岁结婚并在随后的23年里陆续生育了15名子女，最后因肺痨猝死，这在当时一定是一种解脱吧。罗伯特是她的第14个孩子，也是第7个儿子。这位伯爵似乎喜欢生小孩胜过养小孩，因为孩子在出生后不久就被送去让乳母照料，接着去上寄宿学校和大学，或者去国外接受私人教师的教育。
玻意耳在日内瓦度过的时光对他影响至深。在14岁那年，他在某天晚上被剧烈的雷暴惊醒，他发誓说如果他能活下来，他将把自己献给上帝。如果每个人都能遵守甚至依然还记得他们在迫不得已的情况下所发的誓言，这个世界将会变得更好，但当玻意耳发出誓言后，那个誓言一直伴随着他。无论雷暴是否是真正的起因，玻意耳对于宗教变得非常虔诚，尽管他拥有巨大的财富，他却过着苦行僧般的生活。
在那场改变生命的暴风雨之后的一年，当玻意耳正在佛罗伦萨进行访问时，流放中的伽利略在附近某个地方去世。不知怎么的玻意耳就得到了一本伽利略关于哥白尼学说的书，他的《关于两大世界体系的对话》。这在人类思想史上是一个偶然但却不可忽视的事件，因为在读过这本书后，当时只有15岁的玻意耳爱上了科学。9
没有任何历史记录可以清楚地显示玻意耳为何会选择化学，但自他皈依上帝之后，他一直都在寻找一种可以侍奉上帝的恰当方式，于是他决定就是它了。和牛顿以及帕拉塞尔苏斯一样，他也是独身主义者，他对自己的工作非常痴迷，他和牛顿一样相信理解自然之道的努力是一条通往上帝之道的途径。但和作为物理学家的牛顿不同的是，作为化学家的玻意耳还认为科学之所以重要，是因为它可以被用来缓解痛苦并改善人们的生活。
从某种意义上说，玻意耳能成为科学家是因为他是一个慈善家。在1656年，29岁的他搬到了牛津居住，尽管牛津大学当时并没有开设正式的化学课程，他却自费建造了一个实验室并全身心地投入到研究中——大部分是化学，但也不全是。
在英国内战期间，牛津曾是保皇党的一个大本营，也是许多从伦敦逃离的议会党人的栖身之地。玻意耳似乎对任何一方都没有强烈的同情，但他却加入了一个难民团体，他们每周都会见面并探讨他们对于使用新的实验方法来研究科学的共同兴趣。在1662年，查理二世在重新恢复君主政体之后不久给这个团体颁发了一个特许状，它从此成为皇家学会（或者，更准确地说，伦敦皇家自然知识促进学会），这个学会在牛顿的职业生涯中扮演过非常重要的角色。
皇家学会很快就汇集了很多当时伟大的科学家——包括牛顿、胡克，以及哈雷——他们聚在一起研究、辩论和批评彼此的观点，以及支持那些观点并确保它们在世界上有一席之地。学会的会训是Nullius in verba，大意是“不要把任何人的话当作真理，但它尤其指的是“别把亚里士多德的话当作真理——因为会员们都明白要想取得进步，超越亚里士多德学派的世界观至关重要。
玻意耳也把怀疑主义当成自己的座右铭，他在1661年发表的《怀疑派化学家》的书名就反映出了这一点，这本书在很大程度上是对亚里士多德的抨击。对于玻意耳来说，他和他的同行们一样都意识到要想用科学的严谨帮助理解他的研究主题，他将不得不抵制大部分过去的观点。化学或许曾根植于防腐师、玻璃制造商、染料制造商、冶金学家、炼金术士，以及自帕拉塞尔苏斯之后出现的药剂师的实验室中，但在玻意耳的眼中，它是一个值得研究的统一领域，和天文学以及物理学一样都是对自然世界的基本理解，值得使用缜密的思考方法去探索。
在书中，玻意耳提供了一个又一个化学变化的例子来驳斥亚里士多德关于元素的观点。比如，他详尽地论述了木头燃烧产生灰烬的过程。玻意耳观察到，在烧一根圆木时，从木头两端煮出来的水“根本就不是水元素”，冒出的烟也“根本不是气”，相反，这些烟在经过蒸馏后产生的是油脂和盐分。10因此，火将圆木转变为基本元素——土、气和水——的说法也就经不起推敲。同时，像金和银这样的其他物质似乎也不可能分解出更简单的成分，因此它们或许应当被认定为元素。
玻意耳的伟大工作以抨击气是一种元素的观点开始。他通过实验来支持他的论点。在这些实验中，他得到了一个脾气暴躁的年轻助理的协助，这个人名叫罗伯特·胡克，是牛津大学的研究生，激进的保皇党人。可怜的胡克后来不但被牛顿看不起，在许多文史资料中，他也没能从他和玻意耳展开的实验中获得多少功劳，尽管很有可能是他制作了所有的实验器材并完成了绝大部分的工作。11
在其中一项系列实验中，他们试图通过探索呼吸来理解我们的肺是如何与我们吸进去的空气互相作用的。他们估计一定发生了某种重要的事情。毕竟，如果没有发生某种相互作用，那我们的呼吸要么是浪费了大量的时间，要么就是——对某些人来说——一种让肺忙着抽雪茄的方式。为了调查这种情况，他们在老鼠和鸟类等动物身上展开了呼吸实验。他们观察到在动物被放进一个密封的容器后，它们的呼吸会变得吃力起来，直到最后停止呼吸。
玻意耳的实验展示了什么呢？最明显的教训就是如果你有宠物的话，你不会想让罗伯特·玻意耳帮忙看房子。但实验表明，在动物呼吸时，它们要么是在吸收空气中的某些成分，这种成分如果用光就会导致死亡，要么就是在排出某些气体，这些气体的浓度如果足够高的话，也将是致命的，或者两种情况都有。玻意耳认为是前一种情况，但不管是哪种，他的实验表明空气不是元素，而是由不同成分构成的。
玻意耳也使用胡克近期发明的、有了很大改进的真空泵研究空气在燃烧中起到的作用。他观察到，一旦真空泵把装有燃烧物体的密封容器中的空气全部吸走，火就会熄灭。于是玻意耳推论说在空气中存在某种燃烧和呼吸过程必需的未知物质。
识别元素的研究是玻意耳工作的重心。他清楚亚里士多德和他的追随者是错的，但是，考虑到他所能获得的资源的有限性，在他能用更准确的观点来取代亚里士多德的观点之前他只能取得不完整的进步。尽管如此，能够证明空气是由不同成分构成的气体就足以有效地打击亚里士多德的理论，就跟伽利略观察到月球上有山丘和陨石坑、木星拥有卫星对亚里士多德理论产生的冲击效果一样。通过这样的工作，玻意耳用更谨慎的实验和观察取代了过去的传统智慧，帮助新生的科学从亚里士多德的观点中解放了出来。
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在对空气进行化学研究时有一样东西尤其具有意义。我们明白了硝石或者水银氧化物并不能使我们对自身有所了解，但空气却给了我们生命。然而在玻意耳之前，空气从来都不是一种热门的研究物质。因为研究气体很困难，并且受到技术条件的极大限制。这一状况直到18世纪晚期才得以改变，像集气槽这样的新实验室设备的出现才使人们具备了收集化学反应中产生的气体的能力。12
然而不幸的是，因为发生化学反应时经常会有不可见的气体被吸收或者释放，在不了解气体状态的情况下，化学家分析许多重要的化学过程时——特别是燃烧——会得出不完整甚至是带有误导性的结论。为了让化学真正地摆脱中世纪的影响，这种情况必须改变——火的性质必须被理解。
在玻意耳之后的一个世纪，燃烧必需的气体——氧气——终于被发现了。然而发现氧气的这个人的房子却在1791年被一个愤怒的暴徒烧毁了，这不得不说是一种历史的讽刺。激怒暴徒的原因是这个人支持美国和法国革命。由于这种争议，约瑟夫·普里斯特利（1733—1804）在1794年离开他的祖国英国去了美国。13
普里斯特利信仰唯一神论，同时也是一位著名的宗教自由的热情拥护者。他以牧师的身份开始他的职业生涯，但在1761年却成为一个新教学院的现代语教师。这所学院为那些反对英国教会的人扮演着大学一般的角色。在那里，他受到一位同事教学内容的启发，撰写了电学这门新科学的历史。他对这个课题的研究引导着他展开了最初的实验。
普里斯特利和玻意耳鲜明的人生和社会背景差别反映出了他们所处时代的差别。玻意耳在启蒙运动开始时去世，西方思想和文化史上的这段时期大约从1685年持续到1815年。而普里斯特利工作在那个时代的巅峰时期。
启蒙运动是一个科学和社会发生剧变的时代。按照伊曼努尔·康德的说法，这个表述本身代表着“人类从他们自我招致的不成熟中脱离”。14康德关于启蒙运动的箴言很简单：Sapere aude——“勇于求知”。确实如此，启蒙运动的特别之处在于它对科学进步的欣赏，对挑战旧有教条的热情，以及对理性将打败盲目信仰并将带来实际社会福利的原则的坚持。
同样重要的是，在玻意耳的时代（以及牛顿的时代），科学只是少数几个精英思想家的领域。但到了18世纪，工业时代的苗头开始出现，中产阶级的地位持续上升，而贵族的统治力却不断减弱。结果，到18世纪下半叶，科学已经成为一个相对较大的受教育阶层的关切，这一群体的成员更多元，其中也包括了中产阶级，他们中的很多人把学习当作是一种提高自己经济地位的途径。化学尤其从这个新的、基础更广泛的从业者群体——像普里斯特利这样的人——以及他们带来的发明家和企业家精神中获益匪浅。
普里斯特利关于电学的书在1767年面世，但在同一年，他的兴趣从物理学转向了化学，尤其是气体。他改变研究领域不是因为他对于那门科学有任何深刻的见解，或者他恰好相信它是一个更重要的研究领域。相反，他之前搬到了一家酿酒厂的隔壁居住。在这个地方，木桶中的发酵物在发酵时会剧烈地冒出大量的气体，这种现象激起了他的好奇心。他收集了大量的这种气体，并且在和玻意耳类似的实验中，他发现如果在一个装满这种气体的密封容器中放入燃烧的木屑，火就会熄灭，而把老鼠放进这样一个容器中它很快就会死掉。他同样注意到如果将它溶解于水中，就会形成一种充满气泡的液体，口感很好。今天我们知道这种气体是二氧化碳。普里斯特利在不经意间发明出一种制作碳酸饮料的方法，但是，唉，因为他并不是一个有雄厚资本的人，他没能把他的发明商业化。几年后一个名叫约翰·雅各布·史威士的人将其商业化，他的苏打水公司至今还在经营。
普里斯特利当时应该利用他对化学的迷恋创造一个商业副产品，这是适宜的，因为随着18世纪晚期工业革命的到来，我们发现科学和工业可以互相促进来取得前所未有的伟大成就。在之前的世纪里，伟大的科学进步并没有立即产生多少实际用途，但开始于18世纪晚期的进步却完全改变了人们的日常生活。科学和工业合作所产生的直接结果包括蒸汽机的发明、工厂在利用水力方面的技术进步、机械工具的发展，以及后来铁路、电报、电话、电，以及电灯泡的出现。
在1760年左右，处于发展初期的工业革命依靠的只是技工发明家的贡献，而非新科学原理的发现，但它却在富人中引发了一场通过赞助科学来改进生产技艺的运动。一个对科学抱有这种兴趣的富有的赞助人是谢尔本伯爵威廉·佩蒂。1773年，他不但给普里斯特利提供了一个图书馆员和他孩子的家庭教师的职位，还为他修建了一间实验室，并同意给他大量的闲暇时间去开展研究。
普里斯特利是一个聪明且严谨的实验家。在他的新实验室中，他开始对烧渣进行实验，我们现在知道它是一种水银的氧化物——换句话说，水银的“锈”。那时的化学家知道当他们加热水银来制造烧渣时，水银会从空气中吸收某种东西，只是他们并不清楚那是什么物质。有趣的是，当烧渣继续被加热时，它又变成水银，大概是排出了它吸收的东西吧。
普里斯特利发现烧渣排出的气体有着不同寻常的性质。“这种气体具有高贵的本性，”他写道，“在这种气体里燃烧的蜡烛的火焰带有令人惊奇的强度……但为了完成对这种气体出众品质的证明，我把一只老鼠放入这种气体里；这个量的气体，假如是普通空气，老鼠将会在一刻钟就死掉，而它活了……整整一个小时，并且在被拿出来之后还依然活力十足。”15他继续体验这种“高贵的”气体——当然就是氧气：“吸入这种气体后我肺部的感觉和吸入普通气体没有什么明显的不同；但我认为我的胸口在随后一段时间内感到特别轻松和舒适。”他推测这种神秘的气体或许会成为一种流行于有闲富人阶层中的新恶习。
普里斯特利没有变成一个把氧气卖给富人的经销商。相反，他研究这种气体。他把已经结块变黑的血样暴露在这种气体里，发现血块变成了鲜艳的红色。他同样注意到如果把深色的血液放置在一个狭小的密闭空间里，让它从空气中吸收这种气体，在血液变成亮红色之后，任何放进去的动物很快就会窒息而死。
普里斯特利使用这些观察结果来说明我们的肺与空气相互作用从而使我们的血液恢复活力。他又用薄荷和菠菜来做实验，他发现生长的植物可以恢复空气支持呼吸和燃烧的能力——换句话说，他是第一个注意到我们今天所说的光合作用效果的人。
尽管普里斯特利对于氧气的效果有了很多了解，也通常被认为是它的发现者，但他并没有理解它在燃烧过程中的重要意义。相反，他赞成当时一种流行但却复杂的理论，这种理论认为物体燃烧不是因为它们与空气中的某种东西发生反应，而是因为它们在释放某种叫作“燃素”的东西。
普里斯特利曾展开过具有启发性的实验，但他并没有看到它们所揭示的东西。这个工作留给了一个叫安托万·拉瓦锡（1743—1794）的法国人，由他来解释普里斯特利实验的真正意义——呼吸和燃烧是从空气中吸收某种东西（氧气）的过程，而不是向空气中释放“燃素”的过程。16
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一个以炼金术开始的领域可以上升到牛顿物理学精确的数学严谨的高度，这看上去或许像一个不切实际的梦想，但许多18世纪的化学家相信它可以。甚至有人推测说构成物质的原子间的吸引力本质上就是重力，并且可以用来解释化学性质。（今天我们知道他们是对的，只不过这种作用力是电磁力。）这种观点来自牛顿，他断言：“自然界存在的介质能够通过强烈的吸引力使物体粒子（例如原子）粘连在一起。把它们找出来是实验哲学的工作。”17这是化学在发展过程中所要面对的难题之一：牛顿观点的字面意思在多大程度上可以从物理学上转移到其他的科学上。
拉瓦锡是受到牛顿革命巨大影响的化学家之一。他把人们在当时从事的化学视为一个“建立在极少数事实之上的……由完全不一致的观点和未经证明的假定构成的……未曾被科学逻辑触及的”主题。18尽管如此，他依然试图让化学效仿严谨的实验物理学的量化方法，而不是理论物理学纯粹的数学体系。考虑到他那个时代的知识和技术能力，这是一个明智的选择。最终，理论物理学将可以通过它的公式来解释化学，但这得等到量子理论以及更胜一筹的高速数字计算机的出现。
拉瓦锡对于化学的选择反映出他同样热爱化学和物理学这样一个事实。实际上他或许更偏爱后者，但作为巴黎一个富裕的律师的儿子，他的家庭对于地位和特权有强烈的保护倾向，所以他最初认为化学太危险且容易引发争议。尽管拉瓦锡的家人支持他的志向，但他们期待他成为一个既人情练达又勤奋努力的人，他们看重谨慎和克制——但这些品质并不是他的天性。
拉瓦锡的真爱是科学，这在认识他的人看来肯定再明显不过了。他有疯狂的点子以及宏大的计划去实践它们。当他还是少年时，他试图研究节食对于健康的影响，于是在相当长的一段时间内他除了牛奶什么也不吃，他还曾提议说把他关在一个黑暗的屋子里6个星期来提高他判断光照强度细微差别的能力。（很明显他被一个朋友劝住了。）和许多其他科学先驱一样，那种对于科学探索同样的热情将会反映在他整个一生对于长时间的、乏味的追求认知工作的投入中。
拉瓦锡很幸运，因为钱对他来说从来都不是一个问题：在他二十来岁的时候，他就提前得到了他的遗产，按今天的货币换算价值超过了1 000万美元。他用这笔钱来做投资，购买了一家名为普通农民公司的金融机构的股份，获得了丰厚的收益。普通农民并不种植芦笋；他们征收某些税种，国王决定把这些税的征收工作交给他们去做。
拉瓦锡的投资很实际——它带来的是监督烟草管理执行情况的职责。作为对他努力的回报，公司付给拉瓦锡平均每年等同于250万美元的股息分红。他用这些钱建造了世界上最好的私人实验室，据说这个实验室储藏了如此多的玻璃器皿，以至于人们会猜想拉瓦锡喜欢看他的烧杯藏品的程度就和他喜欢使用它们的程度一样高。他也把他的钱用在了很多人道主义事业上。
拉瓦锡在1774年秋天从普里斯特利本人那里听说了他的实验，当时他正以一种科学导游的身份陪着谢尔本大人在欧洲旅游，刚好来到巴黎。他们三个和巴黎科学界的部分要人在一起用餐，之后在一起聊天。
当普里斯特利告诉拉瓦锡他目前正在做的工作时，拉瓦锡马上意识到普里斯特利关于燃烧的实验跟他进行的关于生锈的实验有某些共同之处；这让他又吃惊又高兴。但他也感到普里斯特利对于化学理论原理知之甚少，或许甚至连他自己实验的含义都不清楚。他的工作，拉瓦锡写道，是“一件由实验编织的纺织品，很难被任何推理打断”。19
在一门科学的理论和实验方面都出色当然是一个过高的要求，我所认识的顶级科学家就没有几个敢说那样的话。从个人角度说，我早先也被认为是一个崭露头角的理论家，于是在学校我被要求只需要加入一个物理实验室。在这个实验室里，我要从零开始设计和制造一台收音机，这项工程耗费了我整整一个学期的时间。最终，我的这台收音机只有在被倒着拿起来并不断摇晃时才能工作，即使那样它也只能收听到一个电台，那是波士顿一家播放刺耳的先锋派音乐的广播电台。因此我非常感激物理学领域里的劳动分工，就和我的大部分朋友一样，不管他们是理论家还是实验家。
拉瓦锡在化学理论和实验方面都是大师级的人物。拉瓦锡并不认为普里斯特利是一名优秀的知识分子，他也为探索生锈与燃烧过程的相似之处的可能性而感到兴奋，在第二天早上，他使用水银及其氧化物烧渣重复了普里斯特利的工作。他改进了普里斯特利的实验，在测量和称重每一样物品时都一丝不苟。接下来，他为普里斯特利的发现提供了一个解释，这个解释是普里斯特利自己从来没有设想过的：水银燃烧时（形成烧渣）与一种气体结合，这种气体是自然界的一种基本元素，并且——他的测量显示——它增加的重量等于它结合的气体的重量。
拉瓦锡仔细的测量工作也展示了别的东西：当发生相反过程时——即烧渣被加热变成水银——它的重量会变轻，据推测应该是释放出了它吸收的相同气体，它损失的那部分重量和水银变成烧渣时增加的重量完全相等。尽管普里斯特利因为发现在这些实验的过程中被吸收和释放的气体而获得了赞誉，但只有拉瓦锡才解释了它的重要意义——并最终将它命名为氧气。[3]
拉瓦锡后来把他的观察转向了科学领域最著名的定律之一，质量守恒定律：化学反应中产生的物质的总质量一定与最初的反应物的质量相同。这或许是炼金术发展成为现代化学的征途中最伟大的里程碑：将化学变化视为元素的组合和再组合的过程。
拉瓦锡与税收农场的关系为他重要的科学工作提供了资金。但这也将被证明毁灭了他，因为这让他吸引了推翻法国王室的革命者的注意。在任何时间任何地点，税吏受欢迎的程度就和一个患有肺结核和重感冒的人受欢迎的程度一样。但这些税吏尤其遭人鄙夷，因为他们负责征收的许多税目都被视为不合理和不公平的，特别是它们对穷人造成的影响。
据说，拉瓦锡在履行职责时很公平，也很诚实，并对那些他要征税的人抱有一定的同情，但法国大革命并不以它明辨是非的判断而闻名。拉瓦锡给了革命者充足的理由去仇视他。
他最严重的罪行是让政府围绕巴黎市修建的巨大的厚重石墙，按今天的货币来换算造价有几亿美元。所有人只能通过城墙的关卡进出，这些关卡有全副武装的卫兵巡逻，他们会评估所有进出巴黎的物资并登记在册以便征税。因此——造成了公众的苦恼——拉瓦锡把他对精确测量的嗜好带出了实验室，带进了他作为税收代理的工作中。
当法国大革命于1789年爆发时，拉瓦锡的城墙是第一个遭到攻击的建筑物。在恐怖统治之下，他于1793年被逮捕——和其他税吏一起——被判处死刑。他请求延迟他的行刑日期，以便可以完成他正在进行的研究。据说，法官告诉他，“共和国不需要科学家”。20或许不需要吧，但化学却需要呀，幸运的是，在他50年的人生中，拉瓦锡已经改造了这个领域。
被执行死刑的时候，拉瓦锡已经将33种已知物质认定为元素。除了10种，其他的都对。他还发明了一种根据元素构成来命名化合物的标准体系，取代了在他之前一直存在的那种令人昏乱和缺乏启发性的化学语言。我一直强调数学作为物理学语言的重要性，但一种切实可行的语言对于化学也同样重要。比如在拉瓦锡之前，hydrargyrum（汞）的烧渣和quicksilver（汞）的烧渣是同一种化合物的两种叫法。在拉瓦锡的术语中，那种化合物变成了“汞的氧化物”。
拉瓦锡并没能发明出现代化学方程式，比如“2Hg + O2 →2HgO”，这个方程式描述了水银氧化物的产生过程，但他确实为它的出现打下了基础。他的发现在化学领域引发了一场革命，并唤起人们对于工业的热情，而工业又反过来为未来的化学家提供了可供研究的新物质，以及需要解答的新问题。
在1789年，拉瓦锡曾出版一本名为《化学纲要》的书来整合他的观点。今天这本书被视为化学领域的第一本教科书，它澄清了元素是一种不可分解的物质的概念，否定了四元素理论和燃素的存在，维护了质量守恒定律，展示了他合理的新命名方法。这本书经短短一代人的时间就变成了经典，教导和启发了无数后来的开拓者。在那时，拉瓦锡已经被杀害，尸体被丢弃在一个巨大的集体墓穴中。
拉瓦锡一生都在为科学服务，但他也迫切地渴望名声，并为自己没能亲自分离出一种新元素而懊恼（尽管他试图分享发现氧气的荣誉）。最终，在法国否认需要科学家之后的一个世纪，他的祖国于1900年为他在巴黎树立起一尊铜像。在揭幕仪式上，各方要人评论称他“值得人类尊重”，以及他是一位“人类伟大的恩人”，因为他曾“创立了指导化学变化的基本定律”。21一位发言者认为这尊雕像刻画出了拉瓦锡“力量和智慧的所有荣光”。
这听起来很像拉瓦锡曾经渴望获得的认可，但我很怀疑他是否享受这样的典礼。因为雕像的面孔后来被证明并不是拉瓦锡的，而是哲学家和数学家马奎斯·德·孔多塞的，在拉瓦锡最后的岁月中孔多塞是科学院的秘书。雕塑家路易斯–欧内斯特·巴里亚斯（1841—1905）从另一位艺术家制作的雕像上复制了它的头部，但并没有正确地认出它的主题。22在这件事情被披露之后，法国人似乎并没有感到不安，他们依然留下了那尊错误的铜像——一个纪念被他们送上断头台的人的雕像，却带着另外一个人的脑袋。[4]最终，这尊雕像存活的时间和拉瓦锡一样长。跟他一样，它最后成为战争政治的牺牲品——在纳粹占领期间它被拆毁用来制造子弹。23至少拉瓦锡的观点被证明是经得住时间考验的。它们重塑了化学领域。
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人们经常会提及“科学长征”，但科学并不会自己往前走；是人在推动它向前发展，和行军相比，我们向前发展的过程更像是一场接力赛。并且，这是一场相当古怪的接力赛，因为那些接棒的人经常会向上一个赛跑者意想不到，也不会认可的方向前进。这正是拉瓦锡完成他的伟大赛程之后化学领域下一个伟大的梦想家在接替他时发生的事情。
拉瓦锡雕像，其头部是孔多塞
拉瓦锡澄清了元素在化学反应中发挥的作用，并推广了一种描述它们的量化方法。今天我们知道要想真正地理解化学——并且，尤其是如果你想对化学反应有一个量化的理解——你需要理解原子。但拉瓦锡却对原子的概念嗤之以鼻。这并不是因为他思维狭隘或目光短浅。相反，他是出于完全实用的理由才反对这种从原子的角度思考问题的观点。
自希腊人提出这个概念之后，学者们一直在对原子进行推测——尽管有时候会用不同的名字来称呼它们，比如“微粒”，或者“物质颗粒”。然而，由于它们实在太小，在近2 400年的历史长河中，没有一个人设想出一种方法来将它们和现实的观察以及测量联系起来。
为了让大家对于原子究竟有多小有一个概念，现在设想用弹珠把世界上所有的海洋填满。接着再设想每一粒弹珠都缩小到一个原子的大小。它们会占多大的空间呢？比一茶匙的量还要少。观察那么小的东西的影响，希望有多大呢？
正像它证明的那样，很大——那个神奇的成就最早是由一位名叫约翰·道尔顿（1766—1844）的教友派信徒教师取得的。24历史上许多伟大的科学家都是有趣的人物，但作为一个贫穷织工的儿子，道尔顿并不是其中一员。他是个做什么事情都井井有条的人，不管是他的科学研究还是生活习惯都是如此。比如到了每天下午5点他必须喝茶，随后会在晚上9点吃一顿肉和土豆做成的晚餐。
道尔顿以《化学哲学新体系》这本书闻名，这是一部由三个部分组成的条理清晰的论文，最让人惊讶的是它们全都是道尔顿在闲暇时间研究和完成写作的。第一部分发表于1810年，那时他45岁，这是一本916页的巨著。在这916页中，他在一个仅仅只有5页篇幅的章节里提出了让他在今天闻名于世的划时代观点：一种利用你在实验室中可以进行的测量来计算原子相对重量的方法。那就是科学观点的力量和激动人心的地方—5页纸就可以纠正已经被误导了2 000年的理论。
就和很多观点一样，道尔顿也是以一种迂回的方式想到这一点的，尽管当时已经是19世纪，但道尔顿的观点却受到了一个出生在17世纪中叶的人的启发——再一次，这就是艾萨克·牛顿的影响力可以到达的范围。
道尔顿喜欢散步，他年轻时生活在坎伯兰，那是英国最潮湿的地区，他开始对气象学产生兴趣。他还是一个神童，在十来岁的时候就已经开始研究牛顿的《数学原理》。这两种兴趣被证明是一种有效的结合，因为它们引导着他对气体的物理性质产生了兴趣——比如坎伯兰乡下那种潮湿的空气。由于迷恋牛顿的微粒理论——其实是经过牛顿关于作用力和运动的观点改进过的古希腊人的原子概念——道尔顿开始怀疑气体可溶性的不同是它们原子的体积大小不一样导致的，并且，这又反过来引导着他开始思考原子的重量。
道尔顿的方法基于这样一种观点：如果人们仅仔细考虑纯净的化合物，那么构成化合物的成分的比例完全相同。比如，存在两种不同的铜的氧化物。如果分别检查那些氧化物，就会发现每消耗一克氧气，所生成的一种氧化物需要用掉4克铜，而另一种氧化物需要消耗8克铜。这表明在后一种氧化物中，每个氧原子要与两倍的铜原子结合。
为简单起见，现在设想在前一种情况下每个氧原子和一个铜原子结合，而在后一种情况下每个氧原子与两个铜原子结合。那么，既然在前一种情况下氧化物是由4克铜和1克氧构成的，那你就可以断定一个铜原子的重量是一个氧原子重量的4倍。碰巧的是，那个假设是正确的，道尔顿就是用这种推理方法来计算已知元素原子的相对重量的。
因为道尔顿计算的是相对重量，他需要从某个地方着手，于是他选定了最轻的已知元素——氢——作为“一个”重量单位，用它来计算所有其他元素相对于它的重量。
不幸的是，他关于元素以最简单的比例结合的假设行不通。比如，那个假设指定水的分子式为HO，而不是我们今天知道的更复杂的H2O。因此，当他计算氧原子相对于氢原子的重量时，得出的结果其实是真实结果的一半。道尔顿对于这种不确定性非常清楚，就水而言，他把HO2和H2O都视为有效的替代可能。如果普通化合物的分子式都像H37O22这样，那相对重量将会很难解释，但幸运的是不会出现这种情况。
道尔顿清楚他的估算只是暂时性的，也知道他需要收集大量化合物的数据才能发现假定分子式中存在的前后矛盾之处，从而或许可以指出它们的谬误。那个困难还要再困扰化学家50年，虽然解决细节问题还需假以时日，但这并不会削弱它对这个领域的影响，因为道尔顿版的原子论由于可以同实验室测量联系起来因而最终具有了实际意义。并且，在拉瓦锡的工作基础上，道尔顿使用他的观点创造了有史以来第一种化学定量语言——一种按照分子之间交换原子的理论来理解化学家展开的实验的新方法。比如在现代版本中，为了描述氧和氢生成水的过程，化学家（或者高中生）会写“2H2 + O2 →2H2O”。
这种化学新语言使化学家理解和推理他们在制造化学反应时观察和测量得到的东西的能力发生了革命性的改变，他的观点自此以后一直都是化学理论的核心思想。道尔顿的工作让他闻名世界，尽管他回避公共荣誉，但他还是接受了荣誉，包括他曾坚决拒绝的皇家学会会员身份。1844年去世时，他原本希望一切从简的葬礼却吸引了超过4万名送葬者。
经过道尔顿的努力，人类对物质性质的理解由古代神秘知识提出的理论发展到了开始从一个远远超越我们感官的层面来理解物质的地步。但如果每种元素都依据它们原子的重量来区分，原子性质与我们看到的化学和物理特征之间又有着怎样的关联呢？那就是这场接力比赛的下一棒了，实际上这也是在牛顿学说理论范围内可以解答的最后一个关于化学的深奥问题。更深刻的见解会出现的，但它们将不得不等待物理学领域的量子革命。
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斯蒂芬·霍金因身患某种疾病而瘫痪，尽管人们以为这种疾病将在几年之内杀死他，但他还是继续活了几十年。他有一次告诉我，他认为顽固是他最优秀的品质，我认为他或许是对的。尽管这让他有时候很难共事，但他知道正是他的顽固让他不但活了下来，也给了他继续开展研究的力量。
已经完成的科学理论在经过详细论述后看起来似乎都是显而易见的，但创造它们通常只能依靠巨大的毅力。心理学家常提起一种被称为“胆量”的品质，这种品质与毅力、顽固以及热情有关，这些特质我们在这些篇章中已经看到了太多。他们发现这种被定义为“随着时间的推移带着持续的兴趣和努力追逐长期目标的性格”与所有事情的成功息息相关，无论婚姻还是军队的特种部队皆是如此，这并不让人惊讶。25或许这也是为什么到目前为止我们在这个故事中见到的人物都非常顽固，甚至傲慢。大多数伟大的发明家也是如此。他们必须如此。
我们的下一位开拓者是俄国化学家德米特里·门捷列夫（1834—1907），他以使性子和一阵阵地发脾气闻名（以及他每年只修剪一次头发和胡子），非常适合被供奉在倔强的骡子的万神殿里。26实际上，他的个性强硬到他的妻子最终学会住在他们乡下的房子里来避开他——除了他出现在那里时，这时她就会拉起孩子搬到她们在城市里的住所。
德米特里·门捷列夫
和霍金一样，门捷列夫也是一个死里逃生的人。快20岁的时候，他因为患上肺结核而住进了医院，但他不但活了下来，还在附近发现了一个实验室，在康复期间他就在那里进行化学实验。后来，在取得他的执教资格证书后，他激怒了一名教育部官员，结果被安排去遥远的克里米亚的一个高中任教。那年是1855年，当门捷列夫到那里时，他发现那所高中不仅处于战区，而且已经被关闭很长时间了。他毫不气馁地回到了家里，放弃了他有着远大发展前景的高中教师职业，在圣彼得堡大学找到了一份无薪大学教师的工作——通过讲课赚取小费。他最后成为那里的一名教授。
门捷列夫之所以能成为一名化学家，而不是一个根本没有接受过教育的人，完全感谢他的母亲。他出生在西西伯利亚一个穷苦的家庭，是家里14或17个（数字有争议）孩子中最小的那个。他的学习成绩并不优异，但却很喜欢进行临时科学实验。他母亲相信他的智力，在他15岁时父亲去世，她和他一起动身上路，去找一所愿意接收他的大学。
这被证明是一段1 400英里（2253千米）的旅程，包括搭了很多马拉货车的便车，但最终他还是得到了圣彼得堡中央师范学院的一小笔奖学金，这里的主任是他已故父亲的老朋友。他母亲在不久之后就去世了。37年后，他把一篇科学论文献给她以示纪念，这篇论文引用了他称之为她的“神圣的”临终遗言：“戒除空想，专注工作，放弃空谈。耐心寻找上帝和科学的真理。”和他之前的许多伟大科学家一样，门捷列夫把这些话作为自己一生的信条。
从某种意义上说，门捷列夫非常幸运地出生在正确的时间。实际上，每一个伟大发现和创新都源自人类洞察力和幸福环境的结合。爱因斯坦很幸运，因为他在电磁学现代理论成型后不久就开始了他的职业生涯，这种表明光速恒定的观点将成为他相对论的精华。史蒂夫·乔布斯也同样幸运，他职业生涯开始的时间正好是技术条件发展到能够开发出有用的个人电脑的阶段。从另一方面讲，美籍亚美尼亚发明家和商人卢瑟·希姆吉安拥有许多专利，但他最好的点子却早出现了大约10年：他在1960年设想出一种他称之为“银行票据机”的自动取款机（ATM）。27他劝说纽约市银行安装少量这种机器，但人们并不相信他们会接受存款，所以只有妓女和赌徒才会使用它们，因为他们不想和出纳员面对面打交道。10年后，时代变了，ATM机大受欢迎，只不过用的是其他人的设计。
和希姆吉安不同的是，时代精神站在门捷列夫这一边。门捷列夫成年的时候正好也是化学收获成果的时候——元素可按族划分的观点在19世纪60年代传遍了欧洲。比如，人们已经注意到氟、氯、溴——瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯在1842年将它们归类为“卤素”——似乎属于一类：它们都具有高度腐蚀性，但当与钠结合时又会变得温和，形成无害的盐状结晶。（比如，食盐就是氯化钠。）人们也不难察觉像钠、锂、钾这样的碱性金属之间的相似之处。它们都是有光泽、柔软和性质非常活泼的金属。实际上，碱性金属族中的成员都十分相像，如果用钾来替换食盐中的钠，得到的东西和氯化钠十分接近，甚至可以被用来做食盐的替代品。
受到卡尔·林奈将生物进行分类的方案的启发，化学家也试图发明出一种他们自己的可以用来解释元素之间关系的全面的族系。但所有这些组群的特征并不明显，人们也不清楚它们之间的相互关系，或者原子的哪些特性决定了族群的相似性。这些问题吸引了整个欧洲的思想家，甚至一个炼糖人，或者至少是炼糖厂里的家庭化学家都开始行动起来了。尽管有少部分思想家敲响了答案的大门，但只有一个人——门捷列夫——打开这扇大门冲了进去。
你也许会想到如果将元素进行分类的观点“非常流行”，那么成功做到这一点的人将获得热烈的喝彩，但你不一定会就此推断那个人将会被认为是他这个领域有史以来最伟大的天才之一——门捷列夫就是这样一个人。是什么让他能够和玻意耳、道尔顿以及拉瓦锡这样的巨人站在一起呢？
门捷列夫发明的“周期表”并不是化学家版的鸟类野外手册；相反，它是化学家版的牛顿定律，或者至少它的成就像化学希望的那样接近于那个神奇的成就。因为它并不只是一个罗列元素族群的表格；它就像一个真实的灵应牌，可以允许化学家去了解和推测任何元素，甚至那些尚未发现的元素的性质。
回望过去，人们很容易把门捷列夫的突破归功于他在正确的时间提出了正确的问题，他的职业道德、热情、顽固以及极端的自信。但就和在发现以及创新过程中经常会出现的情况一样——以及我们自己生命中的许多事情——和他的智力因素同样重要的是偶然事件发挥的作用，或者至少一个为这些品质取得胜利提供了舞台的无关事件。在这种情况下，它就是门捷列夫想写一本化学教科书的偶然决定。
1866年，32岁的门捷列夫收到了圣彼得堡大学化学系教授的任命，写教科书的决定就是在这之后做出的。圣彼得堡由彼得大帝在150年前建立，最终变成了欧洲的学术中心。它的大学是俄国最好的大学，但俄国还远远落后于欧洲其他国家，并且，在浏览了俄国的化学著作之后，门捷列夫并没有找到适用于教学的最新教材。因此，他决定写一本自己的教科书。这本书要耗费许多年的时间才能完成，并注定会在未来几十年被翻译成所有主要语言并在大学里广泛使用。这本书有些离经叛道，充满了逸闻、推测和怪诞的内容。这是一本用爱写就的作品，他想让这本书成为最好的书，正是这种动力逼迫他关注那些引导着他完成伟大发现的问题。
门捷列夫在写书时面临的第一个挑战是如何组织这本书。他决定根据元素的性质把元素及其化合物划分成组，或者族。在相对容易地描述完卤素和碱性金属后，他面临着接下来该写哪个组的问题。它们的顺序是不是太随意了？或者是否存在某种支配它的组织原则呢？
门捷列夫艰难地思索着这个问题，在他深厚的化学知识中寻找不同的组是如何相互作用的线索。一个周六，他是如此专注，以至于他从晚上一直工作到了第二天上午。但他依然一筹莫展，这时他仿佛着了魔似的抓起笔在一个信封的背面按照它们的原子重量以上升的顺序写下氧、氢和卤族元素的名字——总共12种元素。
这时他突然注意到一个醒目的模式：这个名单以氮、氧、氟开始——每组中最轻的成员——紧随其后是每组中第二轻的成员，并依次排列下去。换句话说，这个名单形成了一个重复的，或者“周期性的”模式。这些元素中只有两种不适用于这个模式。
门捷列夫将每组元素排列成行，以叠加的方式写成一张表，这时他的发现变得越发明显。（今天我们以纵行来写这些组群。）就是这么一回事吗？如果这12种元素真的构成了一种有意义的模式，那其他51种当时已知的元素会不会也符合这种模式呢？
门捷列夫和他的朋友常常玩一种叫作“耐心”的纸牌游戏，在这种游戏中他们摊开一副扑克牌，然后以某种方式来摆放它们。他后来描述说这些牌形成了一张表，看起来很像他那天用12种元素做的表。他决定将所有已知元素的名字和原子重量写在扑克牌上，试着用它们做一张表来玩一种他现在称为“化学耐心”的游戏。他开始把这些牌挪来挪去，试图以某种有意义的方式摆放它们。
门捷列夫的方法有严重的问题。首先，他并不清楚某些元素应该属于哪个组，对于其他元素的性质也没有充分了解。并且人们对于某些元素的原子重量尚存有争议，并且，就像我们现在知道的那样，某些元素的重量完全就是错误的。或许最严重的是，还有元素尚未被发现，这让他的排序工作看上去很难有什么效果。
所有这些问题让门捷列夫的任务变得异常艰巨，但还有一样东西，一样更微妙的东西：人们没有理由相信一个基于原子重量的方案可以解决问题，因为在当时没有人理解原子的重量会反映出它哪方面的化学性质。（今天我们知道它是在原子核里的质子和中子的数量，中子的重量和原子的化学性质无关。）在这种困难局面下，正是门捷列夫的顽固支持着他追寻观点的热情：他只依靠着直觉和信念坚持了下去。
门捷列夫的工作以最直观的方式揭示了科学进程是怎样一个解决难题的活动。但它也展示了重要的不同之处，因为和你在商店里购买的拼图游戏不同，门捷列夫拼图的图块并不能安放到位。部分科学研究以及所有创新有时候就是忽略那些显示你的方法似乎不可能有用的问题，因为你坚信你最终会找到一种变通方法，或者这些问题终究将被证明无关紧要。在这种情况下，依靠着出色的天资和非凡的毅力，门捷列夫通过重新制作拼图的部分图块以及完全制造其余的图块最终完成了自己的拼图。
事后再看，人们很容易赋予门捷列夫的成就一种英雄主义的光环。即使你的观点听起来不着边际，但如果它们起作用，我们也会把你当作英雄。但从另外一个方面讲，从古至今有太多疯狂的方案被证明是错误的。实际上，那些成功的方案远远没有那些不成功的方案数量多。错误的方案很快就会被人们遗忘，它们的信仰者所投入的经年累月的光阴最终被浪费了。我们经常把支持那些方案的人称为失败者和疯子。但英雄主义就是勇于冒险，因此，在调查研究方面真正的英雄主义就是，无论它的结果令人满意还是让人失望，我们科学家和其他革新家所承担的风险——经年累月的付出，激烈的智力奋争，而这些或许可以，也或许不会得出一个富有成果的结论或者产品。
门捷列夫当然投入了时间。当一种元素没有像他希望的那样依序落位时，他拒绝接受他的方案是错误的。相反，他坚持己见，并断定那些测量原子重量的人才是错误的——他勇敢地划掉了测量过的重量，并填写上使元素符合要求的数值。
当他的周期表在某处留下一个空缺时——这个位置要求的性质没有哪种已知元素具备——他发表了最大胆的声明。门捷列夫并没有放弃他的观点，或者试图修改他的组织原则，他继续坚称那些空缺代表尚未被发现的元素。他甚至还预测了新元素的性质——它们的重量、物理特征、会与哪种其他元素发生化合反应以及它们会产生哪种化合物——完全基于这个空缺出现的位置。
比如，铝的旁边有一个空缺。门捷列夫用一种他称之为“类铝元素”的元素来填补，并接着预测说当某些化学家最终发现“类铝元素”时，它将会是一种带有光泽的金属，有良好的导热性，熔点很低，每立方厘米的重量正好是5.9克。几年之后，一位名叫保罗–埃米尔·勒科克·德·布瓦博德兰的法国化学家在矿石样品中发现了一种符合这些条件的元素——只不过他发现它每立方厘米的重量是4.7克。门捷列夫立即给勒科克写了一封信，告诉他说他的样品一定不纯净。勒科克又用一份他确保完全纯净的新样品重复了他的分析。这一次，它的重量完全就是门捷列夫曾经预测的那样：每立方厘米5.9克。勒科克将它命名为镓，在拉丁语中它是法国的意思。
门捷列夫发表于1869年的原版元素周期表，以及今天的元素周期表
门捷列夫在1869年发表了他的元素周期表，最初刊登在一家鲜为人知的俄国期刊上，后来又以《论元素性质与原子重量之间的关系》为名发表在一家权威的德国刊物上。28除了镓以外，他的周期表还为其他未知元素——今天被称为钪、锗、锝——预留了位置。锝具有放射性，也非常稀有，因此它直到1937年才被发现。在门捷列夫去世大概30年后，它在一个粒子回旋加速器（一种微粒加速器）中被合成。
1901年首次颁发诺贝尔化学奖，此时离门捷列夫去世还有6年。他未能获得这个奖项是诺贝尔奖历史上的重大误判之一，因为他的元素表是现代化学的核心组织原理，这个发现让我们有可能掌握物质的科学，它也是从防腐师和炼金术士的实验里开始的长达2 000年的工作的顶点。
但门捷列夫最后的确成为精英俱乐部中的一员。在1955年，伯克利的科学家再次利用粒子回旋加速器，制造了一种新元素的十来个原子，为了向他的伟大成就致敬，他们在1963年将其命名为钔。已经有超过800个人获得了诺贝尔奖，但仅有16位科学家的名字被用来命名新元素。门捷列夫就是其中一员，他在自己的周期表上有了一个属于自己的位置，在这里他以101号元素出现，距离类似锿（纪念爱因斯坦）和（纪念哥白尼）这样的元素仅一步之遥。
[1] 我第一次得知父亲曾经是犹太人地下组织成员时并不是他告诉我的，当时我在大学图书馆里找到了一本那个主题的书，在上面发现了他的名字。在读了关于他的故事之后，我开始询问他过去的经历。
[2] 该公司的广告语原文是“Better living through chemistry”（化学创造更好的生活）。——编者注
[3] “氧气”的意思是“酸味生产剂”，拉瓦锡之所以会选择这个名字是因为所有他熟悉的酸的成分中都出现了氧气。
[4] 有趣的是，在1913年，据报道称一个真人大小的孔多塞的大理石半身像被作为礼物送给了位于费城的美国哲学学会，这座石像最后被证明不是孔多塞，而是拉瓦锡！(“Error in Famous Bust Undiscovered for 100 Years,”Bulletin of Photography13 (1913): 759; and Marco Beretta,Imaging a Career in Science: TheIconography of Antoine Laurent Lavoisier (Sagamore Beach, Mass.: ScienceHistories Publications, 2001), 18–24.)