上篇文章我們說到，拉瓦錫爲現代化學奠定了元素不滅的基礎理論。它就像是現代化學的指路標，從此，化學家們終於找到了正確的攀登方向。但很快，他們就遇到了擋在他們面前的一座大山：元素到底是什麼？

道爾頓：第一個揭示色盲存在的科學家

就在拉瓦錫帶着對元素本質的疑惑，心有不甘地走上位於巴黎的斷頭臺時，英國有一位 28 歲的自然哲學教師被選爲曼徹斯特文學和哲學學會會員，他叫約翰·道爾頓（John Dalton，1766-1844）。這個學會除了對神學和政治不感興趣外，對這個世界上的一切問題都感興趣，尤其是自然哲學。會員們經常聚在一起，分享着各自的新發現。1794 年 10 月底的一天，輪到學會新人道爾頓走上臺分享他的新發現。

約翰·道爾頓（John Dalton，1766-1844）

道爾頓對大家說：

在我 18 歲那年，發生了一件很尷尬的事情。我給媽媽精心挑選了一雙襪子作爲生日禮物，媽媽打開包裝盒看到襪子後，先是顯得滿心歡喜，但很快就露出了尷尬的笑容。她說：約翰，這雙襪子的櫻桃紅色很鮮豔很漂亮，但媽媽這個歲數，穿這種顏色，不合適啊。我當時大喫一驚，因爲這雙襪子在我眼裏明明是一雙灰色的襪子，爲什麼媽媽卻說它的顏色很鮮豔呢？會不會是媽媽年紀大了，眼睛花了？可是，當我跟其他人求證時，他們都說這雙襪子的顏色很鮮豔，除了我可憐的兄弟也跟我一樣看不出來有什麼鮮豔的。我悲傷地發現，我眼中的紅色與別人眼中的紅色，感覺是完全不一樣的，每當我非常認真地問別人這朵花是什麼顏色時，總是被誤認爲我在開玩笑，其實我真的是認真的，因爲他們眼中的紅色對我來說不過只是光線的陰影罷了。

儘管道爾頓的聲音不是太好聽，表達也有些磕磕絆絆，但他的發言還是引發了臺下的陣陣笑聲。你想的沒錯，道爾頓是一個色盲症患者，他的學術生涯發表的第一篇論文的題目就是《與顏色視覺有關的非凡事實》，這是歷史上第一次在學術場合，以符合科學研究範式的方式，揭示了色盲這種疾病的存在。道爾頓還指出，色盲有遺傳特徵，他們道爾頓家族很不幸地成爲他發現的第一個有色盲遺傳的家族。因此，有時色盲症也被稱爲道爾頓症。

色盲症其實很常見，它的發病率大約是 4%[1]。換句話說，在道爾頓之前，應該也有很多很多的醫生或者科學家同樣也是色盲症的患者，爲什麼只有道爾頓把自己的生理缺陷變成了一項學術研究成果了呢？無他，依然是科學思維的勝利，在道爾頓身上，科學思維體現得很極致，他對觀察和實驗的癡迷已經到了一種登峯造極的境界。

比如說，道爾頓對氣象學特別感興趣，想要研究天氣變化的規律，一項最基礎的工作就是記錄下每日的天氣變化。道爾頓從 21 歲開始，堅持每天都要詳細記錄當天的天氣情況。每天早上 6 點，他都會準時打開窗戶測量氣溫，以至於他的一位鄰居把他當做鬧鐘，每天看見道爾頓測溫後就開始爲家人準備早餐。道爾頓的氣象記錄 57 年不中斷，他生命中寫下的最後一個單詞是“微雨”，這是 1844 年 7 月 26 日英國曼徹斯特的天氣。

就是這樣一顆大腦找到了令拉瓦錫在內的衆多化學家們苦苦追尋的答案。

定比定律和倍比定律

在 19 世紀初，化學界普遍的觀點認爲，物質是無限可分的，只要技術條件允許，任何物質都可以被無限地切割下去，這種認知符合當時人們觀察到的現象。但道爾頓卻對這個觀點產生了懷疑。讓他產生懷疑的線索主要是這樣兩個現象。

第一個現象，同時代的很多化學家都注意到，任何一種化合物被分解後產生的基本物質的質量之比都是基本相同的。什麼意思呢？比如說水，不論你從何處取來的水，也不論這些水是用來喝的，還是用來泡腳的，分解出來的氫氣和氧氣的質量之比永遠都是 1:8 左右。實驗做得越多，這個規律也明顯。於是，到了 1794 年，有一位法國化學家約瑟夫·普魯斯特（Joseph Louis Proust）提出了定比定律。他認爲，所有的化合物都是由固定比例的基本元素組成的。

約瑟夫·普魯斯特（Joseph Louis Proust）

這個觀點在剛被提出的時候，也招到了很多人的反對，包括當時法國另一位著名的化學家貝託萊（Claude Louis Berthollet），他們之間還開展了長達 8 年的論戰。遺憾的是，拉瓦錫就是在這一年離開人世的，否則，以拉瓦錫的威望和做實驗的能力，這個論戰應該很快就可以被他終結。道爾頓就是定比定律的支持者，但定比定律似乎和物質無限可分的理念有衝突，如果物質無限可分，又怎能分割得如此精確呢？

第二個現象則是道爾頓自己發現的。如果甲乙兩種元素能夠相互化合生成兩種或兩種以上的不同化合物，那麼當甲元素的質量恆定之時，乙元素的質量在不同的化合物之間一定是簡單的整數比，如 1:2、2:3 等。舉個例子來說，當時發現的沼氣和油氣這兩種氣體，他們都是由碳和氫這兩種元素化合而成的。當分解後的碳元素質量相同時，沼氣分解出來的氫氣一定是油氣分解出來的氫氣的 2 倍。再比如當時發現的碳酸氣和煤氣，它們都是碳和氧的化合物，當分解後的碳的質量固定時，碳酸氣分解成的氧氣質量總是煤氣分解成的氧氣質量的 2 倍。

道爾頓把這個現象叫做倍比定律。這個現象在我們今天看來，非常好理解，因爲沼氣就是今天的甲烷，分子式是 CH4，而油氣就是今天的乙烯，分子式是 C2H4，碳酸氣就是今天的二氧化碳 CO2，煤氣就是今天的一氧化碳 CO，我們今天只要一看到分子式就知道爲什麼會有倍比定律的存在，可在道爾頓那個化學的黎明時代，離分子式的出現還有很多年，而道爾頓正是披荊斬棘的開拓者。

Atom（原子）：道爾頓假想中的小球

定比定律和倍比定律讓道爾頓思考了很久，我們現在已經無法考證道爾頓到底是突然想到還是慢慢想通的。總之，他想到如果打破物質無限可分的傳統觀念，讓每一種元素都有一個最小的基本單位，很多事情就會豁然開朗。這些最小單位就好像一個個不同的小球，這些小球不會消失也不能被憑空創造，它們原本就存在於大自然中，不同的化合物就是這些不同小球的不同組合形式。

道爾頓借用了古希臘哲學家德謨克利特曾經用過的“Atom”（即“原子”一詞），來命名自己想出來的這些小球。比如碳元素的最小基本單位就是碳原子，氫元素就對應氫原子，氧元素就對應氧原子等等，每一種元素都對應一種基本的原子。不同元素的原子，在質量和性質上都不相同。每一種化合物也有一個最小單位，它們由固定比例的不同原子組成。

這個想法就像黑夜中的一道閃電，一下子就將已經發現的所有現象都給解釋了，無論是質量守恆定律，還是定比、倍比定律，一切都變得自然而然，天經地義。不過，道爾頓並沒有將自己的想法急於發表，他需要更多的證據和更多的數據來驗證自己的想法。

德謨克利特最早提出了“原子”的概念嗎？

在這裏我需要特別花一點筆墨來說明道爾頓的原子和古希臘哲學家德謨克利特的原子有什麼不同。在很多科普文章中都會提到，2000 多年前的古希臘哲學家德謨克利特最早提出了“原子”的概念，在古希臘語中，原子就是“不可分割”的意思。德謨克利特認爲，世間萬物都是由一種不可再分割的原子組成，所有的原子都是一模一樣的。但我們必須要知道，儘管都叫“原子”，但德謨克利特的原子是哲學思辨的產物，道爾頓的原子是科學思考的產物，兩者除了名字一樣，其他全都不一樣。

德謨克利特

所謂的哲學思辨就是用純粹的理性思考來得出結論，不需要觀察驗證。而科學思考需要通過仔細觀察現象，然後再根據現象進行思考，再做出假設，最關鍵的是要根據這個假設再提出一個有可能被證僞的預言，最後通過設計實驗或者觀測自然現象來驗證自己提出的預言。

德謨克利特和畢達哥拉斯都是古希臘的哲學家，他們一個提出萬物由原子組成，而另一個提出萬物由四元素組成。儘管現在看來，德謨克利特的說法更接近真相，但我依然要說，其實，他們倆在思考能力上並無高下之分，都是猜答案，無非一個運氣好點兒一個運氣差點兒的區別，他們都沒有掌握科學思考的方法。

但道爾頓不一樣，他的原子論是非常具體的，每一種原子都有精確的定義，而且，道爾頓也根據自己的原子論提出了預言，這就是著名的道爾頓分壓定律。道爾頓認爲，如果原子論的理論成立，那麼當兩種不同的氣體混合時，就好像是綠豆中混進去了黃豆，在總體積不變的情況下，混合氣體的總壓強也應該是兩種單獨氣體的壓強之和。

用實驗去驗證分壓定律

道爾頓要做的，是設計實驗來驗證他的預言。這裏我要說一個有意思的題外話，當我寫到這裏的時候，按照我們這個節目的一貫調性，接下去我應該給你們詳細介紹道爾頓驗證分壓定律的實驗過程。於是，我給我的文獻助理牛牛下了個任務，讓她幫我詳細查一下道爾頓的實驗裝置和過程是怎樣的，我原以爲這是一個很簡單的任務，她分分鐘就能搞定。哪知道，過了很久，直到我主動詢問進展時，她弱弱地回了我一句“我還在找”。以我對牛牛文獻檢索能力的瞭解，我知道，這事兒肯定不簡單了。

於是，我也加入到文獻檢索的工作中，我們驚訝地發現，我們能找到的所有寫化學史的科普文章或者書籍，不管是中英文，對於道爾頓分壓定律的實驗都是語焉不詳一筆帶過，而且說法也不統一。在鍥而不捨的努力下，我們終於找到一篇 2007 年發表於《化學物理化學》期刊上的論文[2]，標題是《道爾頓有爭議的一氧化氮實驗和他的原子理論起源》，在論文摘要中，作者說此前很多學者試圖復現道爾頓手稿中提到的關鍵實驗，但沒有取得成功，因而有一些科學史專家懷疑道爾頓僞造了實驗數據，引發爭議。

但論文作者宣佈自己成功復現了道爾頓的一個驗證原子論的關鍵實驗。畢竟我不是做科學史的學者，因此無法確定論文作者復現的那個實驗是不是道爾頓提出分壓定律的關鍵實驗，但作者認爲這是道爾頓提出原子論思想的關鍵性驗證實驗。注意，作者的觀點是，道爾頓已經形成了原子論的基本思想，然後再設計了這個實驗做驗證。

實驗裝置其實相當簡單，一個水槽，一個試管，一個有一根長長軟管的針筒，實驗的大致過程就是先把試管充滿水，然後倒扣在水槽中，然後通過針筒給玻璃管內注入不同的氣體，再測量氣體容積和壓強的變化。論文中描述的具體實驗過程不再贅述，因爲涉及很多猜測的部分，講起來非常的繁雜繞口，對於我們這樣一篇科普文來說，就顯得太囉嗦了。我認爲，作爲我們普通人瞭解化學史，重點還是在於從這些塵封的歷史故事中去感受科學家們的思維方式，學習解決問題的思考路徑，而不是糾結實驗細節。

儘管現代我們知道，道爾頓分壓定律並不是嚴格成立，只能在理想狀態下近似成立，但以道爾頓當時的實驗條件來說，至少對他自己而言，驗證原子論的實驗是取得初步成功的。

測定原子的質量

但道爾頓依然沒有急於公開發表他的原子論，他還有一項極爲重要的工作沒有完成。任何一個科學理論，不僅要定性，還要定量。既然道爾頓認爲原子是一種實實在在存在的小球，那麼，這些小球的質量、體積等參數就應該是能夠被精確測定的。因此，道爾頓的下一個挑戰是測定原子的物理性質。其中最重要的一個參數就是原子的質量。

不過，要測定單個原子的質量，道爾頓自己也知道是不可能完成的任務，從直覺上來說，原子必定是極其極其微小的，在現有實驗裝備的測量精度下，無論如何也不可能測定出單個原子的質量。確實，人類要測量出單個原子的質量還得再等上 100 多年，而且後來還發現居然同一種元素的原子的質量還有差異，這些都是後話，我們暫且不表。

就說道爾頓明知無法完成測量單個原子質量的任務，他就退而求其次，發明了化學中一個重要的概念，這個概念叫做“原子量”，就是原子的相對質量的概念。什麼意思呢？他假定已知的最輕的元素“氫”的原子量是 1，那麼，如果氧原子的質量是氫原子質量的 x 倍，氧原子的原子量就是 x，以此類推，可以得到所有已知原子的原子量。

測量相對質量就容易多了。比如，當時化學家們已經公認，水是氫和氧的化合物，而且當氫氣和氧氣發生反應時，總是消耗固定比例的氫氣和氧氣。道爾頓在 1803年筆記中記錄了，他的最初測量結果是 1 克氫氣會與 5.66 克氧氣完全化合成水，換句話說，按照這個測量結果，那麼氧的原子量就是 5.66[3]。當然，對這個數值他並沒有馬上滿意，而是繼續測定。

到了 1808 年，道爾頓的代表作《化學哲學新體系》正式出版，這是化學史上又一部經典著作，在書中，他正式公佈了 20 個元素的原子量，全部都是整數，他認爲原子之間的質量之比都應該是一個整數才符合簡潔之美。

比如說，道爾頓假定氫原子的原子量是 1，那麼氮原子是 5，碳原子是 5，氧原子是 7，磷原子是 9，鐵原子是 38。

估計大家發現了，道爾頓的原子量表與我們今天在化學課本上學到的原子量表，數值相去甚遠。如果你已經忘了化學課本，我給你念一下今天我們所知道的正確的原子量，四捨五入取整後的數值如下：

氮原子是 14，比道爾頓的多了近 2 倍；碳原子是 12，比道爾頓的多了近 1.5 倍；氧原子是 16，也比道爾頓的多了 1 倍多；磷原子是 31，鐵原子是 56。

我們發現，原子量在道爾頓的表中，幾乎全都被大大低估了。原因就在於，道爾頓弄錯了大多數化合物的分子結構。當然，在道爾頓時代，分子的概念還沒誕生，我這裏只是爲了便於敘述，先借用這個詞來表達。比如說最常見的水，道爾頓沒有認識到，一個水分子是固定由 2 個氫原子加一個氧原子構成的，他誤以爲是一個氫原子加一個氧原子構成了水，因此，氧的原子量自然就會被低估了至少一倍。如果把道爾頓認爲的氧原子量 7 翻個倍，變成 14，就很接近我們今天已知的數值了。

原子理論：化學史黎明的曙光

儘管道爾頓沒能準確給原子定量，但他的原子論已經爲化學開啓了一個新時代。從1803年底開始，道爾頓開始在英國皇家學會作演講，全面闡述他的原子論。但據說道爾頓的表達能力實在不怎麼樣，嗓音也不好聽，因此，他的新理論要被接受，並沒有那麼順利。講到這裏，我不得不感嘆拉瓦錫英年早逝，如果拉瓦錫還在世，他一定能用詳實的數據證實道爾頓的原子論有多麼美妙和強大。

不過，還是有很多化學家欣喜地發現，道爾頓的原子理論不僅能夠解釋衆多的化學現象，更是有了可測量的數據特徵，換句話說，用道爾頓的理論可以精確預言很多化學反應前後的各種數據，具備很強的可證僞性，實在是一個看上去非常美妙的理論。

今天，無論我們怎麼盛讚道爾頓對化學做出的貢獻都不爲過。原子是化學中最基本的概念，也是建構整個現代化學大廈的基石。

著名的物理學家費曼（Richard Phillips Feynman）曾在一堂物理課上拋出過這樣一個問題：“如果發生一場大災難，所有的科學知識都毀了，只能留給後代一句話，要用最少的字包含最多的信息，這句話該怎麼寫？”費曼說：

我相信這句話應該是，世界上所有的東西都是由原子構成，原子是在不停運動的微小粒子，分開遠一點會互相吸引，但靠得非常僅時，又會互相排斥。知道了這句話，只要再需要有一點想象力和思考力，就能推知關於這個世界無比巨量的信息。