牛津通识读本：分子 [1]
第一章
无形世界的工程师：制造分子
警官叫来服务员，给自己点了大麦啤酒，又给他的朋友点了一小瓶“那玩意”。然后诡秘地把身子靠了过来。
“你可曾发现过，或者听说过分子吗？”他问道。
“当然了。”
“那你要是知道分子理论正在达尔基区横行，会不会感到很惊讶？”
“嗯……大概吧。”
“它正在肆虐，”他接着说道，“有一半的人都受到了侵袭，简直比天花还糟。”
“难道不能让医生或者教师来解决吗？还是你觉得这应该是各家当家人的责任？”
“这从头到尾，完完全全，都是郡议会的事！”他言语颇为激烈。
“看来真是个麻烦。”
关于分子短而又短的简介其实早就有人写过了，而且写得比我远为巧妙。弗兰·奥布赖恩注总喜欢伴着一杯浓烈的健力士啤酒注来给我们端出他的博学，仿佛是在谈论土豆田或是都柏林市郊糟糕的路况。在都柏林主干道上的大都会酒店，福特雷警官正在和米克分享他的智慧，而我们也能从中收获些东西：
“你年轻的时候研究过分子理论吗？”他问道。米克说没有，没怎么研究过。
“这玩意可真是肆无忌惮、变本加厉，”他严肃地讲，“不过还是让我来告诉你它有多严重。一切事物都是由事物自身的那种小小的分子所组成的，这些分子飞来飞去，有转圆圈的，有绕弧线的，有直着飞的，轨迹各种各样，无穷无尽。它们从来都不会停着不动，而总是不断地转来转去，到处乱闯，一刻都没停过。你明白了吗？这样的分子？”
“我觉得算明白了。”
“这就像是20只活蹦乱跳的小妖精在平整的墓石上上蹿下跳。用羊来打个比方。究竟羊是什么东西呢？其实，所谓羊，只不过是数以百万计的微小的羊分子在身体里转来转去、上下翻飞而已。”
究竟羊是什么东西呢？这个貌似简单（在一层层的伪装之下）的问题却足以让科学家困惑数百年之久，而且还会在未来的很长时间里继续让他们困惑下去。分子科学给出了一种分层次的回答：这种科学所考虑的就是那“组成羊的数以百万计的某种微小的羊质”，亦即分子。一只羊是很多种分子组成的混合物，实际上包含着数万种不同的分子。其中的很多种分子不仅包含在羊里面，在人身体里、在青草中，甚至在天空和大海中也都能找到。
但科学不能仅停留于此，而要寻求更深层的理解。羊的分子不又是由原子组成的吗？原子不又是由电子、质子等亚原子粒子组成的吗？而这些亚原子粒子不又是由夸克、胶子这些亚亚原子粒子所组成的吗？到底该说包含谁才算到了尽头呢？
“分子理论是一种可以通过代数计算出来的、非常纷繁复杂的理论，不过也许你喜欢用角度、直尺、余弦等一些熟悉的工具来求解，解了半天你自己都不相信自己到底证明了什么东西。这个时候你就得回过头再不断地检查错误、重新求解，直到相信你发现的事实与霍尔和奈特《大代数》的内容一样清楚明白，这时候再继续向前，直到你确切地全盘相信了整个事实，里面没有一丁点儿是半信半疑、像床上掉了衬衫领扣那样让你头疼的。”
“非常正确。”米克决定这么回答。
实际上，求解出分子是什么，是一项十分繁复的工作，这需要你从科学阶梯上较低（也许该说较深）的几层出发，一级一级向上攀爬。要想完完全全理解分子的行为特点，以及怎样通过分子来诠释物质——羊、石头、一扇窗子玻璃，解释它们为何呈现出各个方面的性质和特征，就必须懂得求解分子。不过对于很多跟分子打交道的科学家来说，大可不必跟代数扯上关系，因为这些代数大体能归结为几条分子间如何相互作用的经验法则。早在化学的数学基础完善之前，化工就已经是一个欣欣向荣的产业了。这也说明其实分子并不一定会让你头疼。
超越周期表
后来弗兰·奥布赖恩修改《达尔基档案》中福特雷警官与米克的对话，并写入著名小说《第三个警察》，这本书在他逝世后的1966年才出版。奇怪的是，他把原来的“分子理论”全部替换成了“原子理论”。这就涉及事物究竟由何组成这个颇为模棱两可的问题。到底是原子还是分子呢？化学家给出的是复合的回答，说两者皆可。他们使用的标志性暗号是元素周期表。这是个由92种天然元素（补充上一些不稳定的人造元素）通过某种化学家易于理解的模式排成的列表。“关于”化学的最著名的一本书可能是意大利化学家兼作家普里莫·莱维所写的，那本书就以这个物质基础材料的列表“周期表”而命名；它强化了人们的印象，觉得化学就该是从这个由各种符号组成的不规则表格出发。在我上中学的时候，老师就教过一种诀窍来巧记最重要的前两行元素。化学专业的本科生则要求背诵整个元素周期表，要知道铱在钴的下面，铕在钐和钆的中间。不过我很怀疑我到底有没有机会在钐身上多停留一眼（不过铕倒是会在电视机屏幕的红光中朝我们闪烁）。
元素：普里莫·莱维的《元素周期表》注
在我们呼吸的空气里有所谓惰性气体。它们有奇怪的希腊名字，博学的字源，意指“新”“隐”“怠惰”“奇异”。它们真的是很迟钝，对现状极为满意。它们不参加任何化学反应，不与任何元素结合，因此几世纪都没被发现。直到1962年，一个努力的化学家，绞尽脑汁，成功地迫使“奇异”（氙气）和最强悍的氟结合。由于这功夫非常了不起，他因而得了诺贝尔奖……
钠是一种退化的金属。它的金属意义是化学方面的，不是一般语言指的金属。它既不硬也不韧；它软得像蜡，它不光不亮。除非你拼了命照顾它，不然它立刻和空气作用，使表面盖上一层丑陋的外壳；它和水反应更快，它浮在（一种会浮的金属！）水面跳舞，放出氢气……
我称了一克的糖放到白金坩埚（大宝贝）里，在火上加热。先是一阵来自焦糖的家庭气味和孩子气味，但接着火焰变成蓝灰色，气味也不一样，是金属的、无机的（事实上，是反有机的）气味—— 一个化学家没有嗅觉就麻烦了。至此，不太可能弄错了：过滤它，酸化它，用启普发生器产生硫化氢通过溶液。我们得到黄色的硫化砷沉淀。一句话，这里面有很毒的砷，故事中米特拉达梯注和包法利夫人服食的那个砷。
普里莫·莱维，《元素周期表》（1975）
但其实化学只是偶尔才关注元素的性质，分子科学即便做不到无视大多数元素，也可以忽略其中的许多。只有在化学中极其靠近物理学的那一部分领域中，元素周期表的作用才真正显现出来，这时我们就必须拿出代数和余弦来解释为何各种元素的原子能够组成称作分子的特定结合体。周期表是19世纪一项美妙而深刻的发现，但在物理学家于20世纪创造量子力学之前，周期表也只能被当成一种神奇的密码，一种写着经验法则的小抄，提醒人们元素是分成一族一族的，同族元素有着相似的癖性。
我大概太过迅速地省略掉了元素周期表。我至少还应该再交代一下历史才对。
传统的化学史会讲，化学就是人们为理解物质进行的探索，去追问事物到底由何构成。这就将化学与古希腊哲学联系在了一起，其中就包括公元前5和前4世纪之间，留基伯和他的学生德谟克利特提出的原子构成物质的理论。化学史的这种讲述从恩培多克勒四元素说（土、气、火、水）开始，讲到柏拉图将元素理论与原子论相结合（如图1），小心翼翼地绕过中世纪炼金术士炼化物质的迷梦，谨小慎微地落到18世纪的燃素说上。然后，我们会看到1661年罗伯特·玻意耳重新定义了元素的概念（其实也未必能全然算作“重新定义”），看到老古董的四元素说在新发现的“不可分物质”前轰然崩塌；看到安托万·拉瓦锡摧毁了燃素说并用氧气取而代之，之后又于1794年在断头台上掉了脑袋。约翰·道耳顿在1800年提出了现代的原子理论，在这个世纪中元素的列表急剧扩张，接下来就由德米特里·门捷列夫将它们组织成双子座大厦形的元素周期表。铀之前空缺的部分又被逐步填满（铀元素本身在1789年就已经被发现了），随后沃尔夫冈·泡利及其他量子物理学家在1920年代解释了为何周期表呈现这种形状。
图1 柏拉图的原子。这位古希腊哲学家认为万物都是由四种元素的极小微粒构成的，这些微粒都具有正规的几何形状
那么这项任务也就到此为止了。按照科学作家约翰·霍根在《科学的终结》中所写的，一旦盖上了量子力学的认证戳，就意味着化学也走到了尽头。最近又有几本关于未来科学的书暗示，化学这门学科正在从两端被侵蚀，它自己却很醒目地在学科变化中缺席了。从最基础的一侧看，化学正在朝物理学演变（包括庞大却一直被忽视的凝聚态物理这个分支，它研究的正是有形物质的行为）。从较复杂的一侧看，它又变成了生物学，生物学家正在扩大自己的地盘，研究细胞的分子机理。
但是，这些学术领域争夺地盘的战争，其背后的事实要有趣得多。有个奇怪的现象值得注意：很多科学史都是由物理学家撰写的，他们倾向于将科学讲述成一系列提出问题、回答问题的过程。而工程师讲的故事可能会更有启发。凭借工程师的直觉，他们可能更倾向于问我们有可能造出什么。一部分原始化学家希望形而下地或形而上地切分物质，其他的化学家则更热衷于对物质进行重组。正因如此，分子科学的目标既是创造性的又是分析性的。在历史上的不同时期，分子科学曾经分别关注过制造陶器、染料和颜料、塑料及其他合成材料、药物、防护涂层、电子元件以及细菌大小的机器。诺贝尔化学奖得主罗阿尔德·霍夫曼曾说：“化学家何以要接受别人对‘发现’的定义，这真是非常奇怪。”他继续讲道：
化学是关于分子及其变形的科学。有的分子本来就在那里，只是等着我们去认识而已……但还有更多其他的分子只是我们化学家在实验室里造出来的……［化学的］核心就是造出来的分子，无论是通过自然过程还是通过人工手段制造。
有些大学将化学系藏在了“分子科学”这样的名号之下，他们的想法可能是对的，因为这样其实是温和地将周期表这个重担丢掉，把化学家解放出来，投入到合成的世界中。这里不再是柏拉图的王国，在这里，人们设计、制造分子就是为了去做点什么，比如去治愈病毒感染、储存信息、固定桥梁。
普里莫·莱维是一位工业化学家，他正是工作在这个合