元素周期表是“一天”制成的-深度-知识分子

元素周期表是“一天”制成的

4天前
导读
纪念门捷列夫元素周期律150周年

元素周期律是俄罗斯化学家门捷列夫的一项伟大发现。俄罗斯科学史家凯德洛夫的巨著《伟大发现的一天》(День Одного Великого Открытия),用翔实的手稿和相关档案资料,令人信服地论证了门捷列夫是在1869年3月1日一天之内做出元素周期表这一伟大发现的。

该书在30多年前由大连理工大学(原大连工学院)林永康、刘则渊、王续琨等11位教师集体翻译。2017年联合国大会宣布2019年为化学元素周期表国际年,在元素周期律发现150周年之际,该书手译稿历经艰难曲折,终于将由大连理工大学出版社正式出版。

《伟大发现的一天》是一部科学史和科学方法论相结合的杰作,至今依然有诱人的学术魅力。译者的这篇撮要试图追踪原作者的思路,概述发现之日的史实,还原伟大发现的方法,澄清曲解发现的传说,以期为读者重走这一天神奇的发现之旅提供一幅简明的导游图。


《伟大发现的一天》一书作者——俄罗斯科学史家凯德洛夫


撰文 | 刘则渊


化学元素周期律,是俄罗斯化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(Дми́трий Ива́нович Менделе́ев,1834—1907)在1869年做出的一项伟大发现,是显示世界物质统一性的自然规律之一。恩格斯称这一发现“完成了科学上的一个勋业,这个勋业恐怕可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位”([1],页81)。如今,中学化学课本上均附有化学元素周期表,这一发现广为人知。


图1.《伟大发现的一天》书影


然而,令人惊讶的是,俄罗斯哲学家、科学史家鲍尼法季·米哈依洛维奇·凯德洛夫(Бонифатий Михайлович Кедρов,1903—1985)的巨著《伟大发现的一天》(День Одного Великого Открытия,图1)告诉我们,门捷列夫是在1869年3月1日一天之内做出元素周期表这一伟大发现的。现今在标准的元素周期表上,100多个元素都井然有序地按周期法则排列在确定的位置上,而当时只发现了63个元素,似乎都杂乱无章,而且若干元素的原子量测量相当不准,焉能一天就发现其规律性?但是,凯德洛夫在书中引证了大量新发现的门捷列夫手稿和相关资料,并进行了详尽的考察和分析,证实了元素周期表是在一天之内制作出来的,论证令人信服。


《伟大发现的一天》一书资料翔实,论证充分,见解颇具特色,既是一部科学史专著,又是一部科学方法论杰作。它不仅为化学史工作者探寻近代科学史上光辉一页的周期律发现情况,提供了丰富的史料,而且对于科学学及科学哲学工作者如何研究科学家的方法,提供了有益的启示。


《伟大发现的一天》出版已经60年了,依然具有诱人的学术魅力。然而,它毕竟是一部考据入微、佐证庞杂的鸿篇巨制,要阅读或概览全书,需要耗费不少时日,不可能在一天之内看完。这里,我们从翻译和研读的角度,试图追踪作者的思路、梳理发现的脉络,对著作给予解读,概述发现之日的史实,还原伟大发现的方法,澄清曲解发现的传说,以期为读者重走这一天神奇的发现之旅提供一幅简明的路线图。


发现之日的史实

《伟大发现的一天》是凯德洛夫为纪念门捷列夫逝世50周年而作。全书分为两编,共10章。第一编的5章,叙述了元素周期律发现的真实历程,并依次插入了21幅门捷列夫手稿和该书依据的照相复制件;第二编的5章,是对发现过程和结果的逻辑分析,着重阐述了发现过程中所应用的科学认识方法。书后有相当详细的附录。


在“序言”中,作者谈到,经过严密考证,根据新发现的手稿上所注明的日期,确认门捷列夫是在1869年3月1日(旧俄历1869年2月17日 )这一天发现元素周期律的,因此以“伟大发现的一天”作为书名。


第一章概述了周期律发现前夕的经过,着重谈到门捷列夫1867年开始撰写教科书《化学原理》,特别是到1869年初在其编写该书第二卷时,对元素体系提出的客观要求;第二、三章详述了2月17日门捷列夫独自发现周期律经历了哪些阶段,追述了发现本身是怎么进行的;第四、五章叙述了在发现之日以后所发生的有关事情。第二编一开头(即该书第六章),对这一发现的种种传说进行具体分析,并做了合乎逻辑的论断;第七、八、九章,充分阐述了在发现过程中所应用的科学认识方法,即上升法、综合法和比较法;第十章,从哲学的角度分析了科学创造的途径问题,阐述了偶然性、幻想等在科学发现中的地位和作用。


凯德洛夫根据大量的第一手资料,颇有说服力地论证了元素周期律的发现是在一天之内完成的。门捷列夫是一个博学多识、兴趣广泛、全面发展的学者,他首先是一位化学家,同时在经济学领域也颇有建树,他不局限于一种单纯的理论工作,而且积极参加实际活动,还醉心于农业管理活动。1869年2月15日之前,门捷列夫作为“自由经济协会”的成员,受协会的委托,正准备离开彼得堡到外省继续考察干酪制造厂,为此他向校长请假10天。与此同时,他正在编写《化学原理》的第二卷,而写完这卷第二章之后,他还面临着讲述碱金属之后该叙述哪一族金属元素的问题。按理说,似应紧接着叙述碱土金属,但他又苦于缺乏理论依据。


2月17日这一天,门捷列夫预定动身外出考察。清晨,门捷列夫收到协会秘书阿·依·霍德涅夫的来信,询问他去干酪制造厂考察的行程,这本来同发现周期律无关,可正是在这封信的背面留下了门捷列夫的重要记载。在信的空白处,他偶然地对化学性质不相似的两族元素(即Na族和类Zn族)的原子量的差值进行了计算,这是周期律发现萌芽阶段的标志。随后为了对比紧密相连的若干元素族,门捷列夫另取一纸,先在上半页,从卤族开始,按原子量递减的顺序,将氧、氮、碳族编成了一个表格,力求使常见的、不相似的各元素族紧密相连,且原子量最大限度地靠近,让各元素族之间不再有别的元素插入。被编入的元素有31个,占当时已知63个元素总数的一半,这就是不完备的元素体系的“上表”。紧接在“上表”之下,即在这张纸的下半页,门捷列夫继续编制了一个与“上表”类似的元素表格,即不完备的元素体系的“下表”,其中对比了10组共42个元素,占当时已知元素总数的2/3。“下表”中的元素原子量的记法是按竖列而不是按横行,这表明门捷列夫已形成了很接近于发现元素性质随原子量的变化而呈现周期地改变的思想。


无论“上表”或“下表”,都没有把当时已知的全部元素列入,尽管列入的元素已经过半,然而问题并非解决了一半,因为已编入表格的绝大多数元素是熟知的,而其余尚未编入表格的元素,由于对它们研究甚少,因而对它们的化学性能缺乏足够的了解,有的原子量测得不准确,甚至有的后来才査明测错了。因此,门捷列夫面临最困难、最复杂的任务是将其余的元素,按既定的原则,无一例外地编入一个完全的总表中。否则就谈不到发现元素化学性质与其原子量之间相互关系的新规律。


图2. 书中插图“元素体系的尝试”(Опыт системы элементов)


为了迅速而又准确无误地把所有的元素安插到已形成的元素表格中去,门捷列夫使用了元素卡片,这就是后来称之为“化学牌阵”的方法。凯德洛夫依据门捷列夫某些论文和著作中提供的资料,设想在每张元素卡片上除了写上元素的名称及原子量外,还记下了元素的基本性质:元素的化合物形态、原子价、外观及其在自然界的分布情况等等,又设想门捷列夫先把63个元素的卡片按其研究程度和原子量轻重顺序分成四堆,然后着手编制完备的表格。此时此刻,周期律的发现便进入了决定性的阶段。这一元素总表的中心部分是由第一、二堆元素卡片组成,它们是平日研究较多、了解比较清楚的元素。进而,他对不相似的元素族进行比较,把其余两堆能够列入的元素,按照它们最可能的位置,分批列入表格,并与表格中心部分的元素族衔接起来。最后,还剩下7个“可疑”元素:Er(铒)、Yt(钇)、In(铟)、Ce(铈)、La(镧)、Di 、Th(钍),门捷列夫试着把它们放到表格中的某一位置,最后,因为暂时还找不到恰当位置,便只好把它们依次放到表格的边缘。他把这一整个“化学牌阵”的进行过程和变动情况,如实地记录在一张白纸上,这就是从上到下按原子量递减顺序排列的全部元素表格的草稿,简称“草稿表”。


接着,门捷列夫在通过“牌阵”获得的“草稿表”的基础上做了进一步的修改加工,并按元素原子量递增的顺序重新誊清了这张元素总表(“誊清表”),并且贯以通栏标题:“元素体系的尝试,元素的化学性质与原子量的相互关系”(图2),立即交付排印。从誊清的元素表手稿上可以看出,门捷列夫把“元素分类”的“分类”划掉,写上“体系”而代之,改为“元素体系”。


就这样,在2月17日一整天里,门捷列夫在他心爱的写字台前非常紧张而又有条不紊地工作着(图3),终于成功编制出包括所有元素的体系。自这一发现日至2月底,门捷列夫一鼓作气地撰写了他的第一篇关于元素周期律的论文,题为《元素性质随原子量成比例》,印上完整的元素周期表,及时总结了他所做出的发现。3月1日,他把这篇论文交给《俄罗斯化学学会志》的主编阿·沙·门舒特金发表,同时委托门舒特金在3月6日召开的化学学会的会议上代他宣读,庄严地宣告了化学元素周期律的发现。


而门捷列夫本人从2月28日这一天起,续假到3月12日,按原定计划完成自由经济协会委托他考察干酪制造厂的任务。这就是他未出席3月会议的真实原因。此后,门捷列夫增补了《化学原理》第一卷,在绪论中加进了“元素体系的尝试”,并以周期律为指南,继续编写第二卷第四章以后的各章。


门捷列夫在一天之内发现元素周期律的简要过程就是如此。


图3. 书中插图“门捷列夫工作肖像”


做出发现的方法

作为一位杰出的科学家,门捷列夫具有高度的哲学修养。在从事化学理论的研究中,他特别强调要具有“科学的宇宙观”,要“占有科学方法”。他曾形象地描述过自己的方法。他说:

科学大厦不仅需要材料,而且还需要设计,以科学的宇宙观拟定科学大厦的模型。没有材料的设计方案是空中楼阁,光有材料而无设计便是堆垛;材料加设计并付诸实施,才能使科学大厦高高耸起。
参考资料[2]


那么,门捷列夫究竟是用什么方法做出元素周期律这一发现的呢?对此,凯德洛夫并没有把辩证方法强加在元素周期律的发现上,也不是单纯地将发现过程提炼为抽象的方法论,而是依据科学发现的史实和门捷列夫本人的方法论思想与论述,在考察门捷列夫发现过程的基础上,来追索其做出发现所运用的科学认识方法。凯德洛夫将门捷列夫元素周期律的发现方法概括和表述为三种基本方法:上升法、综合法和比较法。三者相互联系成为一个整体:上升法是科学发现的关键,综合法是发现规律的途径,比较法则是元素分类的基础。


上升法:科学发现的关键。凯德洛夫认为,在科学研究中,创造性思维的发展过程,应当是从简单到复杂、从低级到高级、从抽象(在不发达的意义上)到具体(在发达的意义上)的上升过程,并沿着确定的方向,严格的程序,从已知通向未知、从熟悉的领域过渡到不熟悉的领域。这种上升法正是门捷列夫伟大发现的一个关键。


而运用上升法最重要的是如何找到研究对象中最简单形态的个体作为研究的出发点。门捷列夫指出:“在上升时,我们开始从有条件的零和一,达到无条件的无限。这种思维的路子,恰好同一切可见物体由不可分的原子构成,一切生物由低级的简单的个体——细胞构成一样,都是明了、简捷、必然而又有效的思维路子。”[2]在科学发现中,“细胞”就是包含有形成最发达的思想形态的胚胎。


门捷列夫编写《化学原理》第一卷时,是按H、O、N、C四价元素的顺序描述各非金属元素的,是按原子价的原则来建立元素体系的。当他写完第一卷,从有机化合物转到叙述无机化合物时,他首先研究了氯化钠(NaCl),这对于发现周期律具有重大的方法论意义。NaCl不仅是人们最熟知的无机化合物,而且是由碱金属和卤素这两个性质极端对立的、有代表性的元素所构成的化合物典型。由此他找到了作为发现出发点的“细胞”。


以NaCl这个“细胞”为发端,从研究Na和Cl的关系出发,进而研究Na族与C1族的关系,再过渡到研究Na族和Cl族,并扩大到探索与之相毗邻的Ca族,以及向更外面扩展的元素族的关系。这不仅为他在《化学原理》一书中在碱金属Na族之后叙述碱土金属Ca族提供了理论根据,而且成为建立新的元素体系的基础。


门捷列夫在霍德涅夫信上所作的计算表明了以原子量的大小顺序为依据,使不相似的两族元素靠近起来的可能性。编制“下表”时,开始他把Na族与Cl族靠近,将这两个极不相似的元素族联系起来加以比较,由此发现了用原子量代替原子价的原则,然后在Na族之上安置Ca族,完全符合按原子量排列的原则。后来他仍选择Na族和Cl族作为可靠的基础,运用“牌阵”方法,把其它金属和非金属元素族连接起来。这样,从最强的金属(Na族)开始,接着是最强的非金属(Cl族)到较弱的非金属(O族),随之到更弱的过渡元素(N族和C族),再到金属元素A1族、Mg族和Cu族,以至那些由于缺乏研究因而最难于安置的元素也各得其所,终于形成了包括所有元素的新体系。可见,上升法确实是门捷列夫编制元素体系的重要手段,它能够巩固在发现过程的每一阶段上所取得的成果,以便凭借这些已经取得的成果,向尚未探索领域的广度和深度进军,将科学发现进行到底,这是他成功地发现周期律的关键所在。


综合法:规律发现的途径。恩格斯语:“自然界中普遍性的形式就是规律。”([1],页106)。近代以来,人类对化学元素的认识经历了个别性、特殊性和普遍性三个阶段。18世纪末以前,人们还处在分别研究个别元素的阶段,而到19世纪60年代初,对各元素分门别类进行归纳研究的特殊性阶段已基本结束。因此,把从特殊性阶段提高到揭示化学元素内在联系和一般规律的普遍性阶段,就成为当时摆在世界各国化学家面前的重大课题。但是,到19世纪60年代末,已发现的元素虽然已经有63个,却只约占天然元素总数(92个)的三分之二,而且后来才知道其中有11个元素的原子量测得不对,更不用说对其物理化学性质的研究了。同时,当时虽然有不少元素已组成了自然族,但对一些元素还不甚了解,况且有些已经组成的自然族也还存在不少疑问,因而要把认识元素的阶段从特殊性提高到普遍性,困难仍是很大的。在这种情况下,门捷列夫所使用的综合法,对于克服这些由于对元素的研究不够而带来的困难,起到很大的变通作用。


按综合法要求,任何单个元素要列入一般体系(普遍)都必须预先组成自然族(特殊);不经过族(特殊)而把单个元素直接列入一般体系(普遍)的做法,都不可能发现元素周期律。这就是说,门捷列夫在编制元素体系中,首先是对各个化学元素的种种性质进行比较(个别),然后将相似的同类元素加以组合而为各个元素族(特殊),进而在比较各个不相似的元素族的基础上加以综合考察,最后才得到反映元素周期律的自然体系(普遍),这在2月17日这一天的整个进程中都可以明显地看出来。无论是在霍德涅夫信上对两族元素的计算,还是编制完备的元素“上表”和“下表”,以至关键性的运用“牌阵”方法构建出元素“草表”,都运用了综合法。在这里,中间的阶段是不可缺少的,因为只有对个别元素加以组合,认识了各族元素的特殊本质,才能进一步地进行概括,认识元素的共同本质。


凯德洛夫分析了两种错误的看法:一是有人把这种综合法单纯地看作是归纳法,而忽视了门捷列夫从单个元素到组成新元素族再到元素体系,即从个别到特殊再过渡到普遍的过程,是把归纳法和演绎法结合起来使用,以修正Be的原子量和位置入手,随后更正了Qr、In、Th、Yt、Ce等元素的原子量,还先后预言了15种未知的元素及其性能,后来都得到了实验的证实。另一种错误的见解是认为门捷列夫先将所有元素按原子量递增编成一个总的系列,然后依据元素性质的重复性而把总的系列分成若干周期段,这样便发现了周期律。这种看法不仅与史实不符,而且存在逻辑上的错误:把周期律的发现简单化为从个别直接过渡到普遍,完全避开了特殊。

某些与门捷列夫同时代的化学家,在编制元素体系时,有的仅停留在特殊性阶段,如德国化学家德贝莱纳(J. W. Döbereiner)的“三元素组”(1829),或者试图跳过特殊性而直达普遍性阶段,如英国化学家纽兰兹(J. A. R. Newlands)的“八音律”(1865),他们都没有能够真正揭示出元素周期律,重要原因就在于他们不懂得、更不善于应用这种综合法。


比较法:元素分类的基础。比较法是门捷列夫在科学发现过程中,全面把握元素的内在有机联系的一个重要方面。门捷列夫在他的札记中曾写道:“要全面把握,就需要有比较的方法。”[2]他通过比较不相似的两类元素之间的原子量差值,窥见到原子量大小规定元素性质的端倪,跨出了发现周期律的第一步。原子量是比较的基础,原子量的差值不仅能够使不同族的元素进行比较,而且还可以验证这种比较的正确程度,因而也是判断元素族构成的正确程度的依据。同时,原子量的比较还成了扩展比较法的起点,通过对各元素其他化学物理性能的比较,直接展示出周期律的实质及其形式。


运用比较法的最终目的,在于揭示元素与毗邻诸元素之间的联系,以确定元素在周期系的自然位置。门捷列夫借助于比较法:第一,使一族元素与相邻的两族元素彼此衔接起来,保证它们的原子量都很接近,不能在它们之间插入任何别的元素族;第二,使该族元素在化学性质方面在相邻的两族元素之间处于过渡状态;第三,使相邻各族元素的原子价数值同样处于从1到4或从4到1的中间状态。这样就使元素在周期系中的位置,能表示出该元素与周围某一族和某一周期的相邻元素一切关系的总和。


门捷列夫纠正了以往的元素分类法方面的偏颇,指明了过渡元素对于元素科学分类的重要意义。他认为过去那种人为分类法仅仅根据各元素某些为数不多的特征进行分类,存在明显的片面性;将元素按其相对的共同属性分为金属与非金属两类,把相对的东西绝对化了。门捷列夫以原子量作为比较基础,确认在那些看来彼此极不相容的对立的元素之间,存在着中间环节或过渡元素。在这一思想指导下,他细心而又耐心地寻找,终于找到了Fe(铁)、Pa(钯)、Pt(铂)等过渡元素在体系中的位置,阐明了它们在金属与非金属之间的连续过渡。如果这些过渡元素的位置不能确定,建立完整的元素体系也是不可能的。因此,可以说,比较法消除了两极之间存在任何截然对立的片面性观点。周期律的发现借助于比较法,同时又使比较法得到进一步发展。


撩开神秘的面纱

对于门捷列夫元素周期律的发现过程,流传过不少离奇的故事和神秘的传说,以讹传讹,造成不良影响。该书第六和第十章中,凯德洛夫对曲解门捷列夫周期律发现过程的各种传说和错误见解进行了分析和批驳。其中有两种流传较广的传说。


一是关于梦中发现周期律的传说。这是流传最广的一种说法:元素周期表是门捷列夫在梦中发现的。对此,凯德洛夫进行了专题考证(见第六章第一节)。有关门捷列夫在梦中发现周期表的说法,出自直觉主义者拉普申。在其著述中,他曾以生动的笔调转述了伊诺斯特朗采夫教授“亲历”的趣闻:


“门捷列夫三天三夜没有睡觉,一直在写字台上工作,想把自己想象的元素表结构一些结果组合起来,但试图达到这个目的并不顺利。最后,在极度疲劳的状況下,门捷列夫很容易就睡了下来,并且立刻睡熟了。”门捷列夫告诉他:“我在梦中看见了按应有位置排列的元素表。醒来立即写到一小片纸上,后来只在一个地方做了必要的修改。”伊诺斯特朗采夫补充说,“很可能这张小纸片至今还保存着。门捷列夫常常利用他所收到的书信,在没有用处的半张信笺上记事。”[2]


说得这么活灵活现,而且据说是有人亲眼所见,似乎确凿无疑,因而这种说法不胫而走,一再为某些化学家、化学史家和哲学家所转述传抄,以至渗透到许多通俗读物中,从俄国传到国外,在中国至今还到处流传着。这种说法果真如此吗?凯德洛夫对此给予了详尽的分析和具体的回答。


新发现的门捷列夫档案材料及相关证据都表明,这种传说与事实是相抵触的。说什么门捷列夫发现元素周期律似乎花了三天三夜冥思苦想却以失败告终,这明显是夸大其词。事实上,门捷列夫的发现是在一天内做出的,因为门捷列夫手稿有三处都载有同一个日期:1869年2月17日。至于门捷列夫自称:“我在梦中看见了按应有位置排列的元素表。”[2]如果真有此梦,那么既不可能在夸张为三天三夜不睡觉、极度疲劳现象时发生梦境,也不可能在编制完整元素表之前在梦中看见完整的元素表。实际情况可能是,门捷列夫在编制元素体系的工作结束之时疲劳困倦了,躺了一躺,便睡着了,并在梦中看见了他自己已经编制完成、誊写清楚的完整元素表。醒来,他只在那张已经誊清并准备付印的表格上做了一处修改。


在这里凯德洛夫并未完全否定门捷列夫在周期律发现过程中有做过梦的可能性,以及在梦境中思维延续下去所起的一定作用,而是强调了梦境对于创造性思维活动的局限性,有理有据地推倒了那种夸大梦境和下意识思维能做出决定性发现的唯心的直觉主义。有必要指出,拉普申把发现神秘化的说法,以及后来转抄的普及读物作者们似乎在夸耀门捷列夫的天才,实际上却贬低了他艰苦卓绝的创造性劳动。这些能对青少年带来什么影响呢?


二是关于玩扑克牌时偶然做出发现的传说。另一个谈论较多的传说:门捷列夫发现周期律似乎是在玩纸牌游戏时的偶然灵感,说他把元素卡片随意抽出几张,东试试西试试,一下子就排出元素周期表来了。人们往往引用彼得堡小报记者采访门捷列夫的一席有名的对话,而且人们不止一次地问到门捷列夫根据什么、由什么思想出发而发现了周期律的问题,门捷列夫的确曾直言不讳地说过,他用过类似于玩纸牌游戏的“元素卡片”,并且采用试一试的“化学牌阵”方法来排列元素。把这位科学家辛勤劳动的结晶,轻易地解释为“碰运气”的意外所得,当然是不正确的。问题在于门捷列夫在发现周期律的过程中采用“化学牌阵”是怎么一回事,其实际方法又是什么? 


凯德洛夫循着这一线索,探讨了“化学牌阵”方法和想象力在科学发现中的作用。前面已指出,门捷列夫用“牌阵”方法,是在他制出了“下表”列入三分之二的元素,明确了元素性质随其原子量而周期性变化这一规律的基本思想之后。摆“牌阵”的目的在于把已经得出的规律性认识推广到其余1/3的元素中去,特别是寻求那些研究甚少而又难于安排的元素位置。这样可以最大限度地节约时间和精力,避免多次抄写表格,以最快的方式选择并重排那些单个元素。可见,他采用卡片和“牌阵”只不过是当作他的一种最合适的工作方法而已,并不是某些人所想象的“抽彩”那样草率从事、碰运气。例如,他曾先后把In(铟)的卡片放在Mg与Zn、Zn和Cd、Zn和As之间,但每一次尝试,都是根据In的原子量(牌的“数值”)和化学性质(牌的“花色”)来确定其最适宜的位置,只是在这样反复地摆来摆去的最后,才把它摆在表格的最边上。每一次尝试,他都力图让In与Zn接近,都有它一定的理由,根本不是随心所欲地乱放一气。总之,门捷列夫所得的研究成果绝对不是偶然碰巧,而是靠科学的认识方法和耐心而顽强工作的精神。


门捷列夫在周期律发现的决定性阶段之所以产生“牌阵”思想,是同他的科学想象力密切相关的。这种念头的产生,毫无疑问是某种联想所引起的,显然他把通常玩纸牌的摆牌阵与编制元素表格的任务之间做了类比。因为,化学性质与牌的“花色”,原子量与牌的“数值”两者之间在形式上特别相似,而门捷列夫本人平时休息时也有玩纸牌游戏的爱好,因此他产生这种联想,并导致运用“化学牌阵”的想法是不足为怪的,这里并没有什么神秘的东西。虽然“牌阵”方法对他完成元素体系起到重大作用,但决不能说周期律是由纸牌游戏的规则中推导出来的。如果真是这样,那就把自然界的客观规律与人为的规则混为一谈了。这里只不过说,游戏的规则反映了自然界真实事物之间某些一般关系(如质与量),因而有助于科学创造活动所采取的具体形式。


史论结合的典范

如上所述,《伟大发现的一天》一书确实既是记叙一项生动的科学发现史之作,又是一本阐释科学发现的方法论之书,对于人们从事科学史和科学方法论研究给予很大的启示。


借鉴该书把科学史和科学方法论研究结合起来的经验和理念,对于我国有着特殊的意义与价值。我国的社会主义社会不是从资本主义社会发展的,而是从漫长的封建社会、半封建半殖民地社会中脱胎出来的。中华民族虽有光辉灿烂的文化传统与伟大发明,对人类文明与世界科学发展有重大贡献,但是近代自然科学并不是在中国而是在欧洲产生发展起来的。我国广大人民对近代自然科学发展的历史,以及在近代自然科学发展过程中形成的科学精神和科学方法是不熟悉的。诚然,近几十年来我国现代科学技术取得了辉煌的成就,全民科学素养也在不断提升,但与世界发达国家仍然存在着显著的差距。我国诸多领域欠缺的一系列核心技术,常常表现为受制于发达国家,而问题的实质在于核心技术的自主开发与突破受到我国自身科学基础和科学素养的制约。为了提高全民族的科学素养,我们需要尽量吸取近代科学遗产中的精华,对近代科学产生以来具有典型意义的每一重大发现,来一个全面深入的研究,对具体的史实进行具体分析,从中引出科学方法论上的经验与思想,用以指导科学研究工作,服务于科学技术现代化。《伟大发现的一天》一书围绕元素周期律这一伟大发现的史实和方法所进行考察与分析,恰好为我们提供了一个成功的案例。


学术界一般将科学史和科学方法论相结合的理念概括为:史论结合,史为论基,论从史出,论为史纲,史中有论。从这方面来说,凯德洛夫《伟大发现的一天》,堪称史论结合的典范。我们认为,该书可以借鉴的经验主要有两个方面,也可以说是该书的两个特点:


其一,科学史和科学方法论研究结合形成科学发现的历史-逻辑分析的范式。该书写的是近代一位杰出科学家的一项伟大发现。无论就其研究方法或叙述方法来说都力求贯彻和具体体现了逻辑和历史统一原则,这是它方法论上的鲜明特征,该书虽然分为史与论两部分,但前后两编是不可分割的,没有上编,下编就无法进行;没有下编,上编就失去了光彩。因此,这是一部科学史和方法论密切结合的巨著。凯德洛夫不厌其烦地考查和论述了元素周期律发现的真实过程的历史,并在这基础上对发现过程和结果进行了逻辑分析,概括出三个科学认识的方法,并从哲学上阐述了偶然与必然,个人与社会,渐进与飞跃之间相互关系的原理。凯德洛夫认为,有关元素周期律发现的历史是大家所关注的,由于年代久远,时过境迁,单凭同时代人的回忆、传记和推测都是不足信的,但又并非不可知。作者在周密地调查研究的基础上,从证据确凿的事实出发,凭借逻辑推理的方法,对具体问题做具体分析,从而做出实事求是的结论,再现了元素周期律发现的历史。该书内容充实,逻辑严谨,比较生动。像这种对于近代的重大科学发现史的研究著作,多年来国内外还甚为少见。当然,这并不是说《伟大发现的一天》完美无缺,该书考证略嫌烦琐,叙述较为冗长,其中确凿的发现之日前后事件顺序的某些推断本身带有或然性,并非完全无懈可击。该书第二版特邀编辑对此做了必要的调整和补正。


其二,对科学史和方法论的研究必须以证据确凿的史实为基础。无论是科学史还是方法论研究都建立在充分的事实材料基础上,而不是根据传说、轶闻、只言片语或者本人的某些言论谈话做结论。该书是以新发掘出来的门捷列夫亲笔手稿和以编写《化学原理》的实际过程、内容为主要依据的,是在把握门捷列夫的整个科学活动过程中揭示其思想和方法的。凯德洛夫在“序言”中谈到:在写作该书的前几年间,曾在列宁格勒的一些档案馆里先后发现了前所未知的门捷列夫手稿和他的遗物,其中一部分是门捷列夫女儿门捷列娃-库兹明娜提供的。当时,她是列宁格勒大学附属的门捷列夫陈列馆的负责人。这所大学的前身正是门捷列夫生前工作过30年的圣彼得堡大学。这些新发现的文件很珍贵,它不仅有助于具体说明元素周期律是怎样发现的,而且充分肯定了元素周期律就是在1869年2月17日这一天发现的。依据这一证据确凿的材料,便从根本上否定了“三天三夜没睡,终于在梦中发现元素周期律”的谬说。凯德洛夫还依据门捷列夫在2月17日前后活动日程的考查,否定了关于门捷列夫因病不出席俄罗斯化学学会召开的3月会议的流言(在我国现在出版的通俗小册子几乎无一例外地这样传抄),查明了他委托门舒特金代为宣读论文的真实原因。


重证据而轻传闻,切忌人云亦云,这应是科学方法论研究中必须遵循的一条唯物主义原则。本来元素周期表就不是在梦中发现的,大谈门捷列夫梦中的创造性思维就失去意义了。科普读物在追求趣味性、故事性的时候,不应忽略真实性、科学性这个基本前提。


对科学家的科学方法的研究,也不能片面地引用科学家本人的某些声言,更不能摘取科学家本人的只言片语为根据,而应从科学发现的实际状况中自然引伸出实际采用的方法。例如,说门捷列夫一开始就是按原子量大小排列元素序列再分出各个周期从而发现周期律的,而且似乎有门捷列夫本人的论文、著作中的说法为根据。但是,他们没有了解到,周期律的发现事实上是在比较元素族的基础上而逐渐显示出周期规律性的。而且这也有门捷列夫本人更多的论文、手稿、谈话作为证据。有的研究者虽然谨慎地未被梦中做出发现的神话所迷惑,尚未全面考察门捷列夫的谈话和发现的实际过程,就轻信了流言传说。这样,实际上就把这个伟大发现简单化了,令其不可信了;似乎门捷列夫真是“天才”,轻而易举地就发现了周期律。如果科学方法论的研究把那些查无实据的轶闻趣事作为依据,那就会误入歧途,甚至成为笑柄。这是我们在研究科学家及其重大发现的方法论时,不得不引起注意的问题。


结语与讨论

凯德洛夫的《伟大发现的一天》一书,把科学史和科学方法论结合起来,还原和再现了门捷列夫元素周期律的发现过程,形成了独特的科学发现“历史-逻辑”分析范式。对此,英国著名科学史家洛伦•格雷厄姆(Loren R. Graham)给予高度评价:“苏联历史学家和哲学家凯德洛夫写了一本优秀的书来描述周期表的发现,书名是《伟大发现的一天》(1958)。遗憾的是,这本书没有译为英文,但它的内容摘要收进了凯德洛夫为《科学传记辞典》撰写的门捷列夫词条。凯德洛夫对门捷列夫精心创立周期表的进程,作出了几乎是一小时接一小时的回顾。”[3]


《伟大发现的一天》出版后,凯德洛夫一直在搜集相关的历史文献和资料,似有再版之势,但直他去世也没有再版。2001年,《伟大发现的一天》一书被俄罗斯哲学界作为杰出哲学家凯德洛夫的经典作品,纳入“20世纪俄罗斯哲学丛书”再版。该书特邀编辑Д. Н. 特里弗诺夫(Д. Н. Трифонов)为《伟大发现的一天》第二版撰写了长篇的“编后记”。这位专门研究门捷列夫生平与思想的学者特里弗诺夫,依据新的档案资料和长期研究形成的个人见解,对《伟大发现的一天》进行新的解读(参见本书依据“编后记”所编译的附件 )。他指出:“在凯德洛夫大量创作遗产中,《伟大发现的一天》占据特殊地位。这是他的最主要著作,因为过去从来都没有出现过类似的文献,以后在世界历史-科学的文献中也未必能够出现。在这部独一无二的著作中,他根据大量的史实资料详细分析了门捷列夫如何发现自然界最基本的规律。”“《伟大发现的一天》至今也没有失去它的意义。这部著作即使撇开它的内容价值,也是科学史研究方法的典范,还可以作为自然科学史家的‘教材’。”


特里弗诺夫对发现之日的工作进程及相关事件顺序进行了详细的考证和调整,再次论证了第一张元素周期表是门捷列夫在1869年2月17日(即公历3月1日)一天之内编制出来的,而在此之前门捷列夫在写作《化学原理》时对元素分类进行了反复的思考和探讨,为“伟大发现的一天”做了充分的准备和铺垫,发现之日后门捷列夫对元素周期表进行了必要的调整和完善。2月17日第一张元素周期表题为《元素体系的尝试》,将“元素分类”上升为“元素体系”;并委托门舒特金于1869年3月6日在俄罗斯化学学会大会上宣读。但直到两年之后,1871年4月12日在《关于元素体系问题》这篇论文中,门捷列夫才第一次把自己的体系称为周期律。


《伟大发现的一天》一书旨在围绕“发现之日”的史实与方法,展开详尽的考据、分析和论证。也许由于著作的主旨原因,该书对于门捷列夫的伟大发现在俄罗斯国内科学界受到不公正的遭遇,对于门捷列夫科学认识上的历史局限性等重要问题,均未涉及。这在某种意义上,属于该书的瑕疵欠缺之处。


门捷列夫元素周期律创立之后,特别是门捷列夫预言在周期表空白位置存在未知的化学元素,如类铝、类硼和类硅 等,被一一发现之后,引起国际科学界的巨大震撼,门捷列夫赢得了世界声誉。英国皇家学会和许多国家科学院纷纷授予他荣誉院士或外籍院士,而他的祖国俄罗斯科学院却在补选院士时,他竟然以一票之差而落选。舆论一片哗然。元素周期律当为俄罗斯科学史上最伟大的发现,没有之一。这的确令人遗憾,但这与其说是门捷列夫个人的遗憾,倒不如说是俄罗斯科学院的损失和遗憾。


另一件憾事是,1900年第一次颁发诺贝尔奖之后,一直有科学家提名门捷列夫为诺贝尔化学奖候选人。1905年、1906年门捷列夫被两次提名,可最终由于主持瑞典诺贝尔奖委员会评选的一位权威的反对而与奖项失之交臂。1907年2月2日门捷列夫不幸去世,诺奖得主史册上永远不会有门捷列夫的英名了。同样,这与其说是门捷列夫个人的遗憾,倒不如说是诺贝尔奖项的损失和遗憾。


元素周期律是19世纪下半叶一项划时代的革命性发现,接着19世纪末20世纪初一场物理学革命风暴来临。门捷列夫晚年虽然一直在为完善周期表而不懈努力,却固守元素不变、自然规律不变的成见,甚至还号召化学家们也这样做[4]。他显然对这场风暴没有思想准备,他质疑发现电子、放射性等物理实验新发观的事实,既不相信原子可分解为“电子”,更不相信元素的放射性蜕变,对物理学上的量子论和原子结构模型置若罔闻。因而门捷列夫认识的历史局限性,阻塞了自己从原子结构来深究元素周期律的本质原因的道路。门捷列夫逝世后,元素周期律的本质和表述发生两次重大变化:在X射线分析证实元素的原子序数本质上是原子核电荷数(即后来明确是原子核中的质子数)之后,表述为“元素的性质是其原子序数(即原子核电荷数而不再是原子量)的周期性函数。”在原子核结构及电子层结构理论建立之后,表述为“元素的周期性取决于原子电子层结构的周期性。”当然,我们不必苛求每一位科学家超越时代的局限,每一时代的科学家只能完成时代赋予的科学使命。对门捷列夫也同样如此,他毕竟在仅知道63个元素的条件下,发现了元素周期律,做出了开创性的贡献。国际科学界为纪念他的功勋,都把元素周期律和周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。1955年,为纪念这位伟大的科学家,美国的乔索(A. Gniorso)、哈维(B. G. Harvey)和肖邦(G. R. Choppin)等人在加速器中用氦核轰击锿(235Es),二者相结合,发射出一个中子而获得一个新的元素,决定以门捷列夫(Mendeleev)的名字命名为钔(Mendelevium,Md)。


附记  2019年是门捷列夫元素周期律发现150周年。由俄罗斯驻联合国代表提议,经国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)等6个国际学术组织、中国等50多个国家及地区的学术团体的支持,2017年12月21日联合国大会宣布2019年为化学元素周期表国际年。今年,2018年是凯德洛夫的《伟大发现的一天》一书出版60周年。我们把由大连理工大学翻译和出版的《伟大发现的一天》中文版,献给伟大的化学家门捷列夫,献给化学元素周期表国际年,纪念门捷列夫元素周期律发现150周年,纪念凯德洛夫的《伟大发现的一天》俄文版发表60周年。

2018年5月25日于大连新新园


原载《科学文化评论》2019年第16卷第1期,第5-21页


参考资料

[1] 恩格斯. 自然辩证法[M]. 北京: 人民出版社, 1984.

[2] 凯德洛夫. 伟大发现的一天[M]. 林永康等译. 大连: 大连理工出版社. 2019.

[3] 格雷厄姆. 俄罗斯和苏联科学简史(1993)[M]. 叶式辉,黄一勤 译. 上海: 复旦大学出版社, 2000.

[4] 盛根玉. 门捷列夫发现元素周期律的历史考察[J]. 化学教学, 2011, (5): 65—69.


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1 条评论
评论
  • 何东明 2天前

    门捷列夫手稿有三处都载有同一个日期:1869年2月17日。至于门捷列夫自称:我在梦中看见了按应有位置排列的元素表。2如果真有此梦,那么既不可能在夸张为三天三夜不睡觉极度疲劳现象时发生梦境,也不可能在编制完整元素表之前在梦中看见完整的元素表。实际情况可能是,门捷列夫在编制元素体系的工作结束之时疲劳困倦了,躺了一躺,便睡着了,并在梦中看见了他自己已经编制完成誊写清楚的完整元素表。醒来,他只在那张已经誊清并准备付印的表格上做了一处修改。

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