一百年也找不到的傑出腦袋

法國斷頭臺，劊子手高舉犯人的頭顱

進入 20 世紀後，大多數國家執行死刑都採用槍決，但法國是個例外，直到 1981 年法國廢除死刑之前，這個國家處決犯人的唯一合法方式還是 1791 年法律通過的的斷頭臺，延續了近 200 年。斷頭臺是一個 4 米多高的木頭架子，頂端懸掛着一塊重達 40 公斤的鋒利鍘刀，當鍘刀從頂端落下，以 7 米/秒的速度與人的脖子接觸，可以輕易地將頭顱在不到 1 秒的時間內整齊切下。

在我們今天看來，這種處決方式極其殘忍，我想一想都覺得後脖子發涼。但令人驚訝的是，它的發明竟然是出於人道的考慮。仔細想想還真是，絞刑的犯人在臨死前是極其痛苦的。而讓劊子手大刀一揮砍頭，有很大的概率一刀下去不成功。之所以被認爲人道，是因爲人們普遍相信，頭顱一旦離開身體，會迅速失去知覺，不會感到痛苦。然而，18 世紀末的法國，有一羣人開始具備實證、理性的科學思想，他們中有相當多的人並不相信，人的頭顱離開身體後會立即失去知覺。但遺憾的是，這個問題，如果想要親自實證，一生最多隻有一次機會。

1794 年 5 月 8 日，在巴黎市中心的廣場上，高聳的斷頭臺異常醒目，28 名前政權的包稅官被推到斷頭臺前。圍觀的羣衆顯得羣情激奮，他們高喊着“殺死貪污犯”，聲浪蓋過了牧師的禱告聲。51 歲的安託萬-洛朗·德·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743-1794）是這 28 人中一員，面對斷頭臺，他依然保持着法國貴族的風度和矜持。他既是一名包稅官，也是全法國知名的化學家。拉瓦錫知道自己的生命即將在幾分鐘後終結，但他依然希望能利用生命的最後幾分鐘解開一些自然之謎，他輕聲對身旁的劊子手說：“在你拿起我的頭顱示衆時，盯着我的眼睛，數一數我的眼睛會眨幾下，拜託了。”劊子手答應了拉瓦錫的請求。

相傳，劊子手遵守了約定，拉瓦錫的眼睛眨了 11 次。

拉瓦錫（1743-1794）

這個民間傳說，並沒有任何官方的文字記載可以佐證。但我認爲，前半段很可能是真的，而後半段的可信度較低。以拉瓦錫的性格，做出這樣的舉動合乎情理，按照行刑程序，在犯人的頭顱掉落後，劊子手必須提起來示衆，這時候完全有機會仔細觀察頭顱的眼睛。但按照現代醫學知識，人的大腦瞬間失血、失壓後，會立即昏迷。

不過，這個是題外話。在拉瓦錫死後，著名天體物理學家拉格朗日感嘆道：

他們只一瞬間就砍下了這顆頭，但再過一百年也找不到像他那樣傑出的腦袋了。

這到底是怎樣一顆傑出的腦袋呢？

拉瓦錫以一己之力開創了真正意義上的現代化學，被公認爲現代化學之父。而我們這個化學有故事的系列，就要從拉瓦錫開始講起。

燃素說

世間萬物都是由什麼構成的？這是一個極其古老而樸素的問題，因此，自從文明誕生以來，就有無數的先哲思考這個問題。古代中國人認爲，時間萬物無非金、木、水、火、土這五類。這裏的金木水火土是一種抽象的存在，比如金泛指一切堅硬如金屬的物質，而水則是一切液體的代表。同樣，古代西方人也有類似的學說，這就是四元素說，認爲世間萬物是由水、土、氣和火這四種基本元素構成的，這裏的水土氣火也都不是指的具體實物，而是一種抽象的性質。其實，不論是東方人還是西方人，都是智人的後代，在智力上並無太大的差異，因此文明發展的早期，所展現出來的思考能力差別並不大，陰陽五行學說和四元素學說就是一個很好的證據。

不管是四元素還是五元素，它們都暗含一個道理，物質是可以變化的。比如，鐵和金，一個黑黝黝的，一個金燦燦的，但他們本質上都是一種元素，因此，把鐵煉成金是有可能的。在這種思想的指導下，東西方都誕生了鍊金術。而鍊金術其實就是現代化學的前身。所謂化學，即物質的變化之學。

鍊金術士試圖用鉛煉出黃金

不過，如果指導思想本身是錯的，那無論鍊金術士們怎樣努力，也註定不能成功。人類在錯誤學說的指導下，跌跌撞撞，緩慢前進了幾千年，也未能找到物質變化的真正規律。而爲人類推開現代化學之門的正是 1743 年出生在法國貴族家庭的拉瓦錫，打開這扇大門的動力，則來源於他對“燃素學說”的懷疑。

拉瓦錫才華四溢，25 歲便成爲法國科學院的院士。在他嶄露頭角的年代，正是燃素學說統治化學界的時代。在我看來，燃素學說之於化學，就好像托勒密的地心說之於天文學；以太學說之於物理學。雖然這些學說最終被證明是錯誤的，但是這些錯誤的學說與陰陽五行、四元素等古代學說的錯誤是完全不同的。它們之間最大的差別就在於可證僞性。像陰陽五行這樣的古代學說，大而全，看似無比玄妙，可以解釋世間一切現象，但如果我們仔細思考它那些相生相剋的解釋，你會發現，這些解釋都無法被證僞，因爲它們是高度抽象的。

反觀燃素學說，在長達二百多年的時間中，它之所以能成爲西方科學界的普遍共識並不是沒有道理的，恰恰相反，燃素學說能非常好地解釋當時觀察到的大部分物質變化現象，而且，這些解釋都非常的具體，甚至可以被測量。

燃素說厲害在哪兒？

燃素學說很多人都聽到過，對它最常見的描述是這樣的：燃素是一種會燃燒的物質，那些能被點燃的物質中就含有燃素，不能被點燃的就不含燃素。實際上，這是一個普遍的誤解，歷史上的燃素學說並不是這樣的。

當時的燃素學說認爲，所有物質（注意，是所有物質，而不僅僅是可以被點燃的物質）中都存在一種非常微小的物質，這種微小的物質通常只有在離開所在宿主時才能被檢測到，通常以火、熱和光的形式存在，這就是燃素。當時的化學家認爲，燃素是物質發生變化的關鍵物質，因爲當時人們能觀察到的物質發生顯著變化的情況，基本上都需要有燃燒或者高溫的參與。

燃素理論可以成功地解釋自然現象。比如，木炭之所以能燃燒，是因爲充滿了燃素，當溫度達到一定程度，燃素釋放，形成火焰，同時釋放大量的熱和光，而最後留下的一點點炭灰纔是真正屬於木炭的物質。看似無法點燃的金屬，其實也有燃素，比如，用高溫煅燒鉛，鉛也會被燒紅燒熱，在這個過程中，鉛也會釋放燃素，失去燃素之後的鉛，就成了一種黃色的粉末，而這種黃色的粉末纔是真正屬於鉛的物質。

煅燒後的鉛

最有利的證據是下面這個實驗，把鉛煅燒後剩下的黃色粉末與木炭混合，再進行煅燒，可以將黃色粉末還原成鉛。這是因爲，燃素從木炭中釋放出來，再次跟黃色粉末結合，重新形成鉛，這個過程有點像給氣球打氣，讓氣球恢復到充氣狀態。像這樣的實驗，對於當時的科學家們來說，是非常有說服力的。

燃素說能夠自圓其說

可能出乎你的意料，燃素學說不僅能解釋蠟燭爲什麼能燃燒，還能解釋蠟燭爲什麼在密閉空間中無法持續燃燒。這是因爲，燃素說認爲空氣能容納的燃素會達到飽和。蠟燭在密閉空間中燃燒持續釋放燃素，導致空氣中的燃素含量逐漸達到飽和狀態，最後，空氣無法吸收更多的燃素，蠟燭的燃素釋放不出來，就會熄滅，燃燒停止。

燃素說能解釋蠟燭爲什麼在密閉空間中無法持續燃燒

燃素學說還能解釋更多的自然現象，我不再贅述。總之，燃素說是一個非常具體的理論，已經具備了科學理論的許多要素，其中最重要的一點就是，它是有可能被證僞的，也就是說，假如人們發現了某個自然現象，是燃素說不能解釋的，或者說，某個自然現象與燃素說預測的剛好相反，那麼，燃素理論就會遇到危機。

我們來看看燃素說是怎麼一點點遇到危機的。

燃素說的補丁

首先，當時的很多化學家都注意到一個奇怪的現象，很多金屬在煅燒後剩下的粉末，重量要比煅燒前更重。這就很奇怪了，按照燃素說的解釋，金屬煅燒是一個釋放燃素的過程，那麼燃素被釋放出去了，剩下的東西重量應該變輕纔對嘛，怎麼會變重呢？

你可能會認爲，這不就已經證僞燃素說了嘛，當時的化學家們應該趕緊拋棄燃素說，換新的理論。實際上，科學探索的過程哪有這麼理想化。當某個無法被理論解釋的現象出現時，科學家們面臨兩條選擇，要麼拋棄該理論，要麼修正該理論。但是，拋棄理論容易，但拋棄的同時你得提出另外一個能解釋所有已知現象的理論。只會拆樓，不會建樓，那不能算是科學家。如果提不出一個更好的新理論，那就只能選擇給舊理論打補丁。

面對金屬煅燒後變重這個現象，18 世紀的化學家們並不能想出一個更好的新理論，也只能給燃素學說打補丁。比如說，有人提出，燃素的重量是負數，這樣一來，失去燃素後的物質，重量變重也就不奇怪了。有人問那爲啥木炭燃燒後，剩下的灰燼重量變輕呢？他的解釋就是木炭不僅失去了燃素，還失去了很多其他東西，失去的比得到的更多，所以變輕了。當然，這個解釋顯得很牽強。還有人解釋說，金屬煅燒後變重，是因爲失去燃素的同時，還從空氣中得到了更多其他物質，所以會變重。總之，這個現象並不能把燃素說一棍子打死。

可是，隨着化學家們的實驗越做越多，燃素說要打的補丁也變得越來越多，以至於變得千瘡百孔。我們再來看一個例子。

1773 年，英國著名化學家普利斯特里（Joseph Priestley）發現了物質失去燃素還能助燃的怪現象。他是這麼做的，首先，他把水銀加熱，得到一種紅色粉末。今天我們知道，這種紅色粉末是氧化汞。但是，當時的化學家們認爲，這是水銀失去燃素後的本來面目。

化學家普利斯特里（1733-1804）

普利斯特里把這些紅色粉末放在一個托盤中，然後讓托盤漂浮在水面上，再扣上一個高高的玻璃管。接着，他把玻璃管中的空氣慢慢抽去，在大氣壓的作用下，玻璃管裏面的水會被吸起來高出水面，而漂浮在上面的托盤，也會慢慢升起。當大氣壓和被吸起的水的重量相當時，水位便不再上升，於是，就在玻璃管的頂端形成了一小段真空的空間。這時候，普利斯特里用一個放大鏡將陽光集中在托盤中的粉末上，很快，紅色粉末越來越少，消失不見，而管子中的水位則慢慢下降，說明管子中充滿了某種氣體。現在我們知道，管子中其實是氧氣和汞蒸氣的混合物，隨着溫度的降低，汞蒸氣又會重新凝結成水銀落入水中。這樣一來，管子中就只剩下了純的氧氣。

水銀加熱後形成的紅色粉末——氧化汞

普利斯特里發現，管子中的氣體可以讓蠟燭燃燒得更猛烈。這個現象和燃素說又產生了矛盾，按照燃素說，水銀加熱後，因爲失去了燃素，所以變成了紅色粉末。現在，怎麼把這些失去燃素的紅色粉末在真空中加熱後，釋放出的氣體居然能讓燃燒變得更猛烈呢？這不是顯得很奇怪嗎？但普利斯特里面對這個現象，做出的選擇依然是給燃素說打補丁。他是這樣解釋的，這種氣體之所以能助燃，是因爲它能讓物質加快釋放燃素，所以我們纔會看到蠟燭燃燒得更旺了，這種氣體是一種“脫燃素氣體”，顧名思義，就是可以幫助物質更快地脫去燃素。

普利斯特里的實驗室，他發現的“脫燃素氣體”實際上就是氧氣

類似這樣的例子，其實還有不少，可見，要破除一個被廣泛接受的舊理論，是多麼困難的一件事情。它的難度並不在於否定一個理論，否定是容易的，但難的是提出一個更好的新理論。

普利斯特里對自己給燃素學說打的補丁很滿意，在他發現所謂“脫燃素氣體”的第二年，他前往法國巴黎訪問。巴黎的化學圈爲這位著名的英國化學家舉行了隆重的歡迎宴會，同樣作爲法國著名的化學家拉瓦錫當然也作爲重要人物出席了這次宴會。在宴會中，普利斯特里向拉瓦錫詳細介紹了他發現“脫燃素氣體”的實驗過程，拉瓦錫非常感興趣。關於拉瓦錫是如何知道普利斯特里的實驗這個問題，還有種說法是拉瓦錫的夫人在一次社交活動中聽到了普利斯特里的描述後，轉告給了拉瓦錫。

到底是哪種說法正確這個不重要，重要的是化學的歷史使命落在了年輕的拉瓦錫身上。

拉瓦錫的巧妙實驗

1775 年，拉瓦錫開始重做普里斯特利的實驗。但拉瓦錫可不是簡單地重複實驗，他要做的是精確測量這個實驗中的所有數據。與普利斯特里相比，拉瓦錫是一個超級有錢人，估計拉瓦錫的富有程度放到今天的話，差不多相當於有幾千萬流動資產的大富豪吧。他的這些財富主要來自於他包稅官的職業收入，有了這些鉅額收入，拉瓦錫能夠用當時全世界最好的精密實驗設備裝備自己，也正是這些高級的實驗裝備成就了拉瓦錫的科學傳奇。但是，令人唏噓的是，成也蕭何敗也蕭何，也正是因爲包稅官的這份職業，讓他掉了腦袋。

拉瓦錫與他的實驗設備

精確定量是拉瓦錫做實驗的關鍵。他首先用特製的天平秤量出了 4 盎司的水銀，並倒入長長的曲頸瓶中。再把曲頸瓶擱在煤爐上，而彎曲的瓶口則放進爐子旁的水盆中，並利用鍾型玻璃罩倒扣在水中，使玻璃罩內形成一個完全隔離的空間，而曲頸瓶的瓶口正好穿過水麪處於玻璃罩的空氣內，這樣曲頸瓶和玻璃罩就形成了一個完全封閉的環境。

拉瓦錫又在玻璃罩上刻畫了水面高度，並記錄了當時的室溫和氣壓，然後開始緩慢加熱煤爐。水銀表面開始出現星星點點的紅色，慢慢的整個表面都被紅色覆蓋了。這時候，他發現，玻璃罩內的水位也在緩慢地上升，也就是說，玻璃罩內的空氣正在慢慢消失。就這樣，這個實驗一直持續了 12 天，直到水位不再發生變化爲止。

拉瓦錫燃燒實驗的器材

拉瓦錫精確測量了反應後的水銀質量，發現水銀質量增加了 0.2267 克，同時記錄下水面上升的高度。他隨後又對剩餘的氣體進行測試，發現這種氣體既不能燃燒也不適合呼吸，小白鼠放進去後會立刻死亡。

接下去，拉瓦錫把生成的紅色粉末從水銀中小心心翼翼地全部分離出來，又裝回了曲頸瓶，和上次的試驗一樣，又擱在煤爐上並罩上了玻璃罩，這次，他把罩子的內的空氣抽掉，讓水位升高。然後，拉瓦錫開始加熱紅色粉末。果然，按照預想的，紅色粉末慢慢消失，當徹底冷卻後，瓶底留下了一些亮晶晶的水銀，而水位也有所降低，說明紅色粉末加熱後釋放出了氣體。拉瓦錫仔細測量了所有實驗數據。

最終，他得出的結論是，水銀在第一次加熱時，從空氣中獲得的質量恰好完全等於第二次實驗中，紅色粉末失去的質量，而且，玻璃罩內的水位下降高度和前一次試驗的上升高度完全一致。