炼金术士是怎么炼“金子”的？

中科院物理所今天

以下文章来源于石头科普工作室，作者陆迩塽

石头科普工作室

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炼金术师

在很多人看来，炼金术是无稽之谈。但其实炼金术是现代化学的祖先，俗话说子不嫌母丑，我们不应该嫌弃古代的炼金术，我们应该说青出于蓝而胜于蓝。但是说实话，说炼金术是现代化学的前身其实有点片面，因为那时候修习炼金术的学者就像万金油——啥都可以插一脚，矿石学，自然哲学，医药学，植物学，都会学点。就像现在江湖上的郎中，会算命会看风水可能还会来给你一些偏方，甚至说不定还会治疗跌打骨折什么的。不过和现在的骗子不同，那时候的炼金术师并非不学无术之徒，其实只有几个拿得出成果的人才能说自己是炼金术师。

如果要简单粗暴地解释炼金术师的工作，那就是啥都看看，只要是看得见摸得着的东西都研究一下。

笼统地来说就是灵魂三问：

这玩意是啥？

这玩意有啥用？

这玩意能变成金子吗？

Figure 1 吾乃光之霍恩海姆，源自日本动漫《钢之炼金术师》。动漫中的炼金术师希望制作贤者之石，但是最后发现贤者之石是由人的灵魂炼成的。

打个岔，为啥他们对金子如此痴迷？

首先，最重要的，因为那是金子啊！

其次，那时的自然哲学家们都认为金子是金属的最高级阶段，所有的金属可以通过一种神奇的方式（贤者之石，一种能让金属进化的神奇的东西）变成金子。

就像很多哲学家认为通过思考人是可以变得更好一样，这些科学家也是这么认为的：通过某种仪式或是方法能让东西变得更加纯粹，或是变得更加高级。

秉着探究这三种问题，那些炼金术师就开始了他们的探究东西的旅程。

理想是丰满的，现实是骨感的。

炼金师们经常在高颈瓶中进行循环蒸馏的步骤，持续数个月都是不稀奇的事情。想一下，各种各样的液体被挤在一个屋子里面，然后烧腾个几个月，那个味只可意会不可言传。

事实证明，虽然结果是不可能的，但是他们很多实验的过程和结论都是好的，也为后辈们铺平了道路。

就比如说这个穆斯林的炼金术师，Jābir ibn Hayyān，就系统地描述了怎么蒸馏，怎么结晶，怎么升华，他还发明了蒸馏器，一种我们到现在都还在使用的仪器。

Figure 2 一个中世纪的炼金术师的画像。

此外，炼金术师们还对物质进行了分类，尽管用我们现在的眼光来看，这些分类是很失败的，但是这样的方法和精神却流传了下来，我们可以来看一个例子：

含有灵魂性质的物体--在加热的时候会消失，如：水，酒

金属--如铁，金，铜，铅

可以制成粉末的东西——如石头一类。

虽然这种分类十分粗糙，但它却有了现代化学的影子——意识到某些东西有着相似的的性质并对他们进行划分，这听起来合理而且熟悉，不是吗？

Figure 3 选自《钢之炼金术师》里面的炼成阵。

而炼金术师们都有自己的理论：

首先是亚里士多德提出来的“四元素说”：所有的东西是都由风，土，水，火四种元素组成的物质。含有的元素的比例不同，所组成的物质就不同。

后来流行过一段时间的“三元素说”来解释固体：硫，汞，盐。不同的成分比例给物质带来不同的性质。

我们已经可以看出来一部分现代化学的影子。然而那时候压根没有什么学术专利，所以炼金术师们很多都会编一些谜语来隐藏自己真正研究的东西，这就是为什么大家研究了将近十个世纪，却基本没整出什么正经玩意——因为两个人讲的同一个词可能意思都是不一样啊。而最糟糕的是当时的炼金术师们也不愿意进行学术交流，基本都是闭门造车——而这个状况直到17世纪才真正地有所改善。

英国皇家科学协会

17世纪在科学史上有个重大的事件——英国皇家科学协会成立。这个协会在后续的几百年还会见证一个又一个奇迹般的科学发现。当然，当时的科学家们不可能知道这回事，只是出于对科学的激情和热爱，成立了学会。

值得一提的是，皇家学会的口号是：“Nullius in verba”，意为“别信任何人的话”，也就是我们常说的“不要轻信权威”。秉着这样的信念，皇家学会的成员，波义耳，发表了一本名为《怀疑派化学家》的书。这本书驳斥了之前亚里士多德的“四元素说”，并提出了他和他的朋友们的猜想“微粒说”。

Figure 4 为纪念皇家学会的成立的画像，其中戴皇冠的是当时的国王查尔斯二世。

波义耳在当时影响巨大源于他敢于公开自己的研究发现，并鼓励别人也公开研究结果。这样的科学精神与当时流行的闭门炼金的作派背道而驰。不过一个好的科学家未必是一个好的作者，他的《怀疑派化学家》写得晦涩难懂，然而书中提出来的“微粒说”却值得我们一看：

1. 物质由微粒组成

2. 不同的微粒组成不同的物质

3. 微粒可以分开

4. 通过一系列的转变，微粒可以被改变。

这看上去是不是很像现代的原子理论？

当然，当时的人们还不知道分裂原子需要将高速的原子相互碰撞，而是认为炼金术可以改变微粒本身。但这个猜想是我们现代原子理论的前身。

不过逐渐地，炼金术的影响力开始衰弱，而继承了炼金术成果的学科——化学开始兴起。受到当时人权宣言自由运动的影响，新时代的人们开始怀疑使用谜语，掺杂了神学哲学名词的炼金术。此外，几个不学无术的炼金术师抹黑，也使炼金术逐渐退出了历史舞台。相反，更多的科学家秉着“实践出真知”的现代科学精神，替代炼金术师们扛起了科学发展的大旗。

拉瓦锡

接下来要介绍一下化学史上的著名人物——拉瓦锡，他直接带动了整个化学界，把化学提到了新的高度。

Figure 5 为拉瓦锡和他的夫人玛丽，玛丽同时也是拉瓦锡的助手，负责整理稿件和绘图记录。

在开始介绍拉瓦锡之前，我们需要认识到：一些现在看来错误的理论，在当时却能解释不少问题，让人信服。在拉瓦锡的时代有一个十分流行的理论“燃素说”。这个假说由德国化学家Georg Ernst Stahl提出，用来解释“火是什么”。

简单来说“燃素说”有以下几个要点：

1. 所有可以燃烧的物质都有一种叫做燃素的东西。

2. 一个物质所含有的燃素越多，它越容易燃烧。

3. 在空气中，燃素被释放出来，形成我们看见的火焰，这个火焰就是燃素释放的结果。

4．空气是燃烧的必需品，因为它能吸收释放出来的燃素。

5. 在一个密封的容器中，因为空气是有限的，在吸收了一定燃素之后，空气无法继续吸收燃素，所以燃烧也就不能进行。

6. 一个物质燃烧以后剩下的叫做calx，比燃烧之前的物质要轻。

这些解释在大部分情况下是适用的，因为它很好地解释了：为什么有些物体可以燃烧，有些物体不能；为什么很多物体燃烧以后变轻了。当然，也有一些人如波义耳发现有些金属在燃烧以后反而变重了。于是有人稍微改进了“燃素说”——说燃素这种东西，比空气要轻，在燃烧的过程中有些空气中的颗粒会进入到物体里面，所以有些金属燃烧后会变重。

这个听上去有点怪不是吗？按照原来的理论，燃素应该比空气密度要大，所以木头燃烧以后确实变轻了，但是在金属这里燃素密度却比空气小了。这要怎么解释呢？因此，当时很多化学家都想测出燃素的质量，但是很可惜，他们都走错了方向。

Figure 6 图为普利斯里，是氧气、二氧化碳的发现人。

第一个发现氧气的人叫普利斯里，是一个英国的化学家，他认为氧气是dephligistonated air, 燃素的对立面。他把他的想法透露给了拉瓦锡，拉瓦锡回家以后重复了他的实验，发现这个气体正是燃烧所必须的，没有这个气体，燃烧根本不会发生。同时，他还推断出空气是至少两种气体组成的混合物。

两年后，经过大量更加精密的测量，他发表了著名的质量守恒定律，并命名这个支持燃烧的气体为“oxygene”。至此，“燃素说”这个流行了近一个世纪的学说就此坍塌，而拉瓦锡和他的燃烧理论成为了后来化学家们的必修课程。

除了发现质量守恒定律，推翻“燃素说”，拉瓦锡还干了一件很了不起的事——改革化学。改革化学的第一步，就是编写靠谱的教材。当时的化学名词，尤其是化合物，没有什么固定的名字。比如当时氧化汞被称为“月亮的眼泪”，这样的名字很好听但是没有规律，更糟的是这样奇奇怪怪的名字有成百上千个，很容易一不小心就弄错了。拉瓦锡和他的同事们认为这样的命名非常混乱，而且不直观，于是发明了一种新的命名方式。比如说，当一个元素和另外一个元素结合成一种化合物，这个化合物的名字中必须包括这两种元素的名字。这样的命名系统很直观，也更简单，人们只需要记忆几个元素，而不是上千个奇奇怪怪的名字。

Figure 7 为当时印制的elements of chemistry（化学元素）封面。

不久，拉瓦锡和他的同事们一起编辑的 Traité élémentaire de Chimie (Elements of Chemistry，化学元素)发布了。这本教科书包括了酸碱中和的性质以及气体的一些性质，还有新的命名机制以及一个很简洁明了的元素表。尽管听上去很不可思议，但这本教科书真的飞快推进了化学的发展。此外，由于新一代的化学家们都使用了拉瓦锡一行所创造的新化学术语机制，属于炼金术的老一套的术语迅速走向衰弱。