吴小锋|中国科学院大学
培养单位:中国科学院物理研究所
审核:刘笑然(特聘研究员)|中国科学院物理研究所
一共整整一千吨黄金!有了这么多黄金,我可以想买什么买什么,想去哪玩就去哪玩
(做白日梦流口水中)
。
真是激动人心啊,不过现在还剩下最后一个小问题了:
我们怎么才能整到这么多黄金呢?
当然,获取黄金得
合法合规
。那么有没有一种办法能让我们合法(当然不一定合理)地获得黄金呢?
凭空获得黄金,那岂不就是“
点石成金
”?随便用手一摸或者略微施展法术,就能将任何物体变成黄金。当然,点石成金
只存在于传说之中
,现实生活中可没有这么神奇的魔法。不过,点石成金这一美好愿望,表达了古代人民一生当中和长生不老相齐的追求:无穷无尽的财富。
希腊神话中的弗里吉亚国王,他的双手能够将一切接触到的东西变成黄金。
那么,我们是否能够借助
科学的“力量”
去实现点石成金?
你还别说,历史上真有一门学科来专门研究怎么把金属变成黄金,叫“
炼金术
”
(Alchemy)
。在赫尔墨斯主义学派中,它和
“占星术”(Astrology)
、
“神通术”(Theurgy)
并列“全宇宙三大智慧”之一。
炼金术,于其说是科学,它更像是某种事实经验与唯心玄学交融的
自然哲学
。一些炼金术学派认为存在一种所谓的“
哲人石
”,他们相信只要获得了这种神奇的石头,就能够实现把铁铜之类的廉价金属到金或银的贵金属的转变。而这一物质转化过程,就被称为“
嬗变
”
(transmutation)
。
而为了能够合成传说中的哲人石,人们将各种物质物质按照不同的比例混合,有时进行加热或者搅拌,然后观察并记录会发生什么。看到这里有人可能会问:这不难道就是化学吗?没错!
现代化学
的雏形就是炼金术!
既然提到炼金术,那就不得不提到
汞
。
帕拉塞尔苏斯认为,
汞
和
硫
,
盐
这三种物质并称为“炼金术神圣三元素”。人们发现,汞和铁铜这类在常温下呈现固态的金属不同,它在常温下居然能够神奇地呈现
液态
,如同具有某种魔力一般。人们还发现,如果将汞与其它金属混合,能够发生
汞齐化反应
形成合金,而利用汞的低沸点的特性,将合金中的汞蒸发就能够实现
金属的获取
。当然,这一过程常常会不经意间将反应物中本来就混有的金给提取出来,当时的人们根本不知道背后的原理是什么,就
误以为用汞炼出了金子
。此外,汞还是被认为具有治愈梅毒、黑死病等各种疑难杂症的神奇疗效,甚至能够延年益寿实现永生。因此在炼金术中,汞是一种常被用到的原料。
许多历史著名人物,都曾用过汞进行炼金。在中国,炼金术也叫炼丹术,而秦始皇为了永生,曾经服用了炼金术士用
朱砂
(硫化汞,剧毒!)炼制成的“仙丹”,最后因急性汞中毒身亡。已经晚年退休的牛顿也曾痴迷于炼金术,他甚至亲自口服过汞。后来人们发现,由于长期进行各种汞挥发的炼金术实验,牛顿的头发丝里面竟然含有超标的汞!原来牛顿晚年的精神失常,就是汞中毒导致的!
笔者去英国时路过的威斯敏斯特教堂,据说牛顿长眠于此
在探索点石成金的道路上,无数人付出了巨大的代价。不过随着科学技术的不断进步和人们思想的启蒙,炼金术逐渐受到了越来越多的质疑和挑战。
牛顿在剑桥的导师兼同事,波义耳曾于1661年发表了划时代的《
怀疑派化学家
》,在这部书中他
对元素论进行了科学的重新定义
,认为那些用化学方法无法再分解的物质才是元素,这一观点为人类科学认识物质的化学过程提供了方向。
而后1789年,拉瓦锡基于
氧化说
和
质量守恒定律
,发表了世界上第一部真正意义上的化学教科书《
化学基本论述
》。他在这部书中分类并提出了
三十三种元素
,强调了
实验定量分析的重要性
,并提出了
新的理论体系
成功解释了众多无法解释的化学现象,从根本上否定了当时广泛传播的“燃素论”。这一部书的出现彻底终结了化学和炼金术的联系,
化学从此成为了一门独立的以科学实验和定量分析为基础的科学
。由于对化学的卓越贡献,拉瓦锡被后世尊称为“现代化学之父”。
化学教科书上的拉瓦锡,正在聚精会神地观察实验仪器......大概吧
随后,化学基本元素进一步被修正和确定。1869年,门捷列夫和迈耶尔提出
元素周期表
[1]
,揭示了
元素的性质随元素序号呈现周期性变化的规律
。
但通过炼金术的研究,人们能够认识
各种化学反应和相变的过程
,发明并制造了包括玻
璃蒸馏器在内的各种化学装置
,发展了
化学蒸馏、结晶和升华等实验操作
,并发现了
酒精,火药等等材料
。炼金术为现代化学的建立积累了大量宝贵的知识和经验财富。
之后长期一段时间内,
元素守恒律
一直是个无人动摇的真理,因为
通过化学是不可能实现元素转变的
。难道说,我们真的就没有办法实现点石成金了吗?
1896年,一名法国的
综合工艺学院的教授出于好奇将用
黑布包裹了几天
的铀盐靠近相片,相片上居然出现了感光,他意识到似乎铀盐会自发散发某种
神秘射线
。不仅如此,这种射线还能使气体电离,而将铀盐进行
变温和电激发都对这种射线没有任何影响
[2]。
当然后来我们知道,这是由于铀原子会自发衰变并产生核辐射导致的。这种性质称为
天然放射性
,而它的发现者就是和
居里夫人获得诺贝尔物理学奖的贝可勒尔。这是
人类首次观测到元素核反应的证据
,它标志着核物理学的开端。
而后数十年,人们陆陆续续观测到了各种自然界的核反应。1898年,居里夫妇尝试提取废矿中的放射性元素,最终经过几万次的提炼得到了纯的
元素镭
[3]
。1901年,索迪和卢瑟福两人发现放射性的钍可以自发转变为镭[4]。索迪曾惊讶地喊道:“卢瑟福,这是
嬗变
!”而卢瑟福则打趣地回答:“索迪,看在上帝的份上,别叫它
嬗变
。他们会把我们当作炼金术士砍头的!”
终于,从一种元素到另一种元素的转变,两百年的
元素守恒律
被打破了!
既然在炼金术中原子只是发生了破裂和重组,整个过程是元素守恒的,那么利用
核反应
这种元素不守恒的过程,是否能够实现其它元素向金的转变?