德米特里·门捷列夫

引言

在十九世纪科学的巨擘之中，德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫几乎自成一格。他是那个在别人只看到混沌之处洞见秩序的人，是在物质纷繁多样的表象之下察觉出隐藏构造的人，也是拥有智识上的胆魄、敢于用一条包罗万象的定律来表达这一构造的人。元素周期律——即元素的性质是其原子量的周期函数这一命题——不仅仅是化学在分类整理上的一次胜利。它是自然科学史上最深刻的概念突破之一，其意义可与牛顿的运动定律或达尔文的自然选择原理相比。通过把周期性加诸已知元素的名录之上，门捷列夫做成了前人无人做到的事：他表明物质本身是有结构的，其构件并非任意，而是遵循规则，并且这些规则可以被用来预言人类尚未观察到的事物的存在。

门捷列夫于1834年出生在西伯利亚的托博尔斯克镇，是一个极为庞大的家庭中最小或接近最小的孩子；1907年他在圣彼得堡去世，那时他已是俄国有史以来最负盛名的科学家。他的一生跨越了从尼古拉一世到尼古拉二世共五位俄国沙皇的统治时期，也是一段异常动荡的人生——职业上的成就笼罩在个人争议的阴影之下，国际性的赞誉又被国内的政治摩擦所搅扰。他是一位爱国者和改革者，一个极度关心俄国实际福祉的人，把巨大的精力投入到工业、农业、教育和经济政策之中。然而，历史首先记住他的，仍然是那张在1869年初春的几个狂热日子里勾画出来的元素周期表。

元素周期表并非他唯一的成就。门捷列夫在溶液研究和气体行为、在对石油的认识和俄国石油工业的发展、以及在他称之为液体绝对沸点的理论方面都做出了重要贡献。他撰写了一部影响极其深远的化学教科书，该书多次再版，塑造了一代俄国科学家的教育。他曾担任俄国度量衡局局长，利用这一职位实现了国家计量标准的现代化。他多次获得诺贝尔奖提名，而使他与该奖失之交臂的政治运作，至今仍是这项科学最高荣誉历史上较为令人不安的篇章之一。

本文追溯门捷列夫从西伯利亚的雪原到圣彼得堡与海德堡的实验室和讲堂的人生轨迹，跟随引导他走向元素周期表的思想历程，并评估他的成就对化学、物理学以及人类理解自然世界所具有的持久意义。

在西伯利亚托博尔斯克的早年生活

德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫于1834年2月8日出生在托博尔斯克，这是西西伯利亚的行政首府，一座规模不大的城市，坐落在托博尔河与额尔齐斯河交汇处。托博尔斯克远离欧俄的文化中心，但它并非一片智识荒原。这里曾是政治犯的流放地，其中包括十二月党人起义者，他们中的一些人把受过教育的头脑和进步思想带到了这座偏远的边陲小城。城里有一所文科中学、一所神学院，还有一种虽小却真实的市民文化传统。

德米特里是伊万·帕夫洛维奇·门捷列夫与玛丽亚·德米特里耶夫娜·门捷列娃（娘家姓科尔尼利耶娃）所生子女中最年幼的一个。兄弟姐妹的确切人数在历史上一直存在争议——各种资料所述在十四到十七个孩子之间，其中数人幼年夭折——但可以确定的是，德米特里成长在一个既受贫困又受抱负塑造的大家庭中。他的父亲伊万是一名教师，后来担任当地文科中学的校长，曾毕业于圣彼得堡的一所师范学院。伊万·门捷列夫在德米特里出生后不久便失明，这场灾难迫使他靠微薄的养老金退休，使全家陷入困难的经济境地。他在德米特里还是个孩子、这个最小的儿子尚未步入少年时期时就去世了。

德米特里早年生活中的核心人物，无疑是他的母亲玛丽亚·德米特里耶夫娜。她出身于一个与西伯利亚制造业有渊源的家族；她的家族世代在托博尔斯克附近经营一家玻璃厂。当伊万因失明而丧失劳动能力、家庭经济状况变得危急时，玛丽亚亲自挑起了重担。她重新恢复了家族与那家玻璃厂的关系，并亲自经营了一段时间。在德米特里约十五岁时，工厂被大火烧毁，这项收入来源也就此断绝。但玛丽亚要确保小儿子受教育的决心丝毫未被动摇。她很早就发现德米特里在智力上天赋过人，并把他的教育当作自己晚年的事业。

德米特里就读的托博尔斯克文科中学是一所相当称职的学校，开设语言、数学、历史和自然科学课程。年轻的门捷列夫在数学和自然科学方面显示出特殊的才能，不过据说在那些无法激起他好奇心的科目上，他的表现并不稳定。1849年，十五岁的他从中学毕业，玛丽亚立刻开始筹划送他上大学。最近的、理科师资较强的学府是喀山大学，但这家人却被引向了圣彼得堡，那里的中央师范学院为愿意从事教师职业的学生提供全额奖学金。伊万·门捷列夫曾在那里学习，而这所学校最适合德米特里的才能和这个家庭的财力。

1849年从托博尔斯克到圣彼得堡的旅程是一项浩大的工程，要乘马车跨越乌拉尔山脉和欧俄平坦的平原，行程超过两千公里。玛丽亚陪同小儿子一同上路，决心亲眼看着他入学安顿下来。这番努力使她付出了生命的代价。在德米特里入学后不久，她便因长途跋涉和多年的操劳耗尽心力，在圣彼得堡去世。母亲的死对这个年轻学生是毁灭性的打击。她倾尽所有把他带到了求学的门槛上，而他终生不忘。晚年他在文字中怀着深切的感激与敬意提起她。随行的姐姐叶卡捷琳娜也在不久之后于圣彼得堡去世。门捷列夫进入中央师范学院时实际上已孑然一身，远离西伯利亚，痛失亲人，生存完全依赖那份奖学金。

在圣彼得堡的求学

门捷列夫于1850年入学的圣彼得堡中央师范学院，是一所专门为俄国中等学校培养教师的学府。它要求严格，对获得奖学金的学生免收学费，并与帝国首都更广阔的科学文化相连通。对门捷列夫而言，这是一种启示。学院拥有称职的数学和自然科学教师，并提供了实验室和科学文献的渠道，这些都是托博尔斯克的中学无法给予的。

在学院求学期间，对门捷列夫影响最深的教授中，有化学家亚历山大·沃斯克列先斯基，他曾师从伟大的德国化学家尤斯图斯·冯·李比希，把欧洲科学传统的严谨与抱负带入教学；还有动物学家兼博物学家米哈伊尔·库托尔加，他的课程使年轻的门捷列夫接触到对生物的系统分类——这种思维习惯后来被证明是创立元素周期表的基础。认为生物可以按照共有性质归入一个合理体系的想法，与认为化学元素或许也可以类似地加以排列的想法，相距并不遥远。

门捷列夫以一个明白一切都取决于学业成功的年轻人所具有的强度投入学习。他没有家族关系，没有金钱，也没有那些出身俄国贵族或富商阶层的学生所享有的社会优势。他所拥有的，是一个非凡的头脑和近乎凶猛的工作能力。他不仅贪婪地阅读规定的课程内容，还广泛涉猎科学文献。他开始在学院的实验室里做自己的小实验。他撰写论文——还在学生时代，他关于芬兰矿物的第一篇论文就已发表——并熟悉了当代化学的前沿问题，其中包括日后成为他毕生主要执念的那个问题：不同化学元素之间如何彼此关联，它们能否被归类或排序，抑或每一种元素都只是与其他元素毫无联系的孤立事实。

十九世纪五十年代初圣彼得堡科学界的氛围，充满了关于化学元素的本质及其可能分类的争论。与英国化学家约翰·道尔顿相关联的物质原子论，给化学家们提供了一件工具——原子量——它有望使不同元素之间可以进行精确的定量比较。但许多元素的原子量尚不清楚，而原子量是否与元素的其他性质相关这个问题仍然悬而未决且充满争议。年轻的门捷列夫以一个学生的专注吸收着这些争论，他甚至在还无法完全说清原因之前，就已感觉到它们的重要性。

1855年他以金质奖章——最高的学业荣誉——从学院毕业时，过度劳累与北方首都潮湿寒冷的气候已经损害了他的健康。他出现了令医生们警觉的肺部疾病，他们劝他前往气候更干燥温暖的地方。他被派往克里米亚任教，先是在辛菲罗波尔的文科中学，之后因克里米亚战争造成的动荡，又转至敖德萨的文科中学。南方的气候对他的健康有益，而在南方的这段时间也让他有机会写作与思考，开始发展他关于化学教育的想法，并着手规划职业生涯的下一阶段——那一阶段将把他带往的不是南方或东方，而是西方，前往德国的各个实验室。

在德国与海德堡的学习

1859年，门捷列夫获得俄国政府的奖学金赴国外学习。他选择前往海德堡，那时它是欧洲自然科学领域智识最为辉煌的城市之一。海德堡大学拥有两位正在改变化学和物理学研究面貌的科学家：罗伯特·本生，这位化学家发明了至今仍以他名字命名的煤气灯，当时正处于实验能力的巅峰；以及古斯塔夫·基尔霍夫，这位物理学家正与本生一道从事新兴的光谱分析科学。本生与基尔霍夫共同即将发现：每一种化学元素在被加热至炽热时，都会发出一组独特而具有特征性的波长的光——这一发现最终将使化学家和天文学家既能在实验室样品中、也能在遥远的恒星中鉴别元素。

门捷列夫于1859年抵达海德堡，起初试图在本生的实验室工作，但他发现那里的安排并不令人满意，于是决定自建私人实验室，并自掏腰包花费不菲加以装备。这种独立精神正是他的典型特质。他宁愿按照自己的判断工作，也不愿以下属身份加入别人的研究计划。在他海德堡的私人实验室里，他开展了自己设计的实验研究，其中最值得注意的是对液体表面张力和毛细现象的持续研究，这项工作最终促成了他关于物质物理性质的思考以及他的绝对沸点概念。

十九世纪五十年代末至六十年代初的海德堡，是来自欧洲各地的雄心勃勃的青年科学家的聚集地，门捷列夫在那里结下了若干重要的联系。其中影响最深远的一项，是他与意大利化学家斯坦尼斯劳·坎尼扎罗之间形成的关系——并非通过在海德堡的直接私人接触，而是通过1860年卡尔斯鲁厄化学大会上对坎尼扎罗思想的接触。这次大会是化学史上最重要的事件之一，门捷列夫作为一名年轻的旁观者出席了会议。

卡尔斯鲁厄大会的召开是为了解决一场使化学陷于瘫痪的危机：已知元素原子量的赋值上存在的不一致乃至彻底的混乱。不同的化学家使用不同的原子量体系，这使得各实验室之间无法比较结果，也无法建立关于化学关系的连贯理论图景。坎尼扎罗在阿梅代奥·阿伏伽德罗早先却基本被忽视的工作基础上，在卡尔斯鲁厄提出了一套清晰而系统的论证，主张建立一套以阿伏伽德罗假说为基础的一致的原子量——该假说认为，同温同压下相同体积的气体含有相同数目的分子。坎尼扎罗在大会上散发的那本小册子，对在场的许多年轻化学家来说是一份具有变革意义的文献。门捷列夫后来回忆说，坎尼扎罗论证的清晰与力量给他留下了极深的印象。坎尼扎罗所倡导的那套一致的原子量，后来成为门捷列夫构建元素周期表的数值基础。

离开海德堡后，门捷列夫在西欧各地游历，参观实验室和科研机构，结识化学家与物理学家，吸收那种圣彼得堡尽管宏伟却无法完全复制的国际科学文化。1861年，他回到俄国，成了一位更为成熟练达的科学家，德语和法语流利，熟悉欧洲化学界的主要问题与人物，并怀着为自己所献身的科学做出贡献的炽热抱负。

回到俄国与学术生涯

1861年回到圣彼得堡后，门捷列夫起初难以找到一个固定的学术职位。他在圣彼得堡技术学院授课，并撰写了一部有机化学教科书，该书获得了俄国化学学会的奖项。这部早期教科书展示了他清晰、系统地阐述复杂内容的天赋——这种天赋将在八年后的《化学原理》中得到最充分的体现。他也继续自己的实验研究，尤其是关于液体和气体性质的研究。

1864年，门捷列夫被任命为圣彼得堡工艺学院教授；1865年，他为自己的博士学位论文答辩，那是一部关于水与酒精结合的重要著作——用现代术语来说，是一项关于溶液物理化学的研究。这篇论文并不只是一次学术练习；它认真探讨了溶液究竟是化学化合物还是仅仅是物理混合物这一问题，而该问题对理解分子相互作用具有重大的理论意义。门捷列夫以实验证据论证说，溶液在某些浓度下表现出与确定的化学结合相一致的性质，这一观点虽有争议，却引起了认真的关注。

关键性的任命出现在1867年，门捷列夫被任命为圣彼得堡大学普通化学教授，这是俄国最负盛名的学术职位之一。这一任命把他置于俄国科学生活的中心，并赋予他直接导致元素周期表诞生的平台与责任。作为教授，他现在必须为人数众多的学生班级讲授一门内容全面的普通化学课程，而他发现竟没有一部合适的俄语教科书。现有的德文和法文教材要么过于艰深，要么过于狭窄，要么其结构在门捷列夫看来在智识上令人不满。于是他决定自己动手写一部。

在元素周期表问世之前的圣彼得堡岁月里，门捷列夫还在1868年创建的俄国化学学会中发挥了重要作用。该学会为俄国化学家交流科学思想提供了论坛，而门捷列夫正是在其会刊上于1869年公布了元素周期律。他是创始成员之一，也是该组织背后的推动力量之一；在他看来，这个学会对于把俄国化学的水准提升到欧洲最佳科学的高度至关重要。

《化学原理》与那部教科书

门捷列夫那部著名教科书《化学原理》（Osnovy khimii）的编写，是元素周期表得以发现的直接契机。这一教科书项目于1867年和1868年正式开始，当时门捷列夫坐下来为他的大学学生撰写一部全面的化学导论。他打算以系统的方式涵盖所有已知的化学元素及其化合物，所提供的不只是事实的罗列，而是一个连贯的理论框架，使学生能够把化学理解为一门有组织的科学，而不是一堆互不相干的观察的集合。

他立刻面临的问题是组织编排。到1868年，化学家们已知的元素超过六十种，如何以合乎逻辑的顺序呈现它们远非小事。传统做法是按化学相似性把元素分组——碱金属归为一类，卤素归为一类，等等——但这种做法使周期表的大片区域仍无组织，也没有提供任何能把不同族彼此连接起来的原则。门捷列夫想要更好的东西。他想要一条能把所有元素组织进一个单一连贯体系的原则。

在梳理现有化学文献、回顾关于每种元素的性质、化合能力以及与其他物质关系的已知知识时，门捷列夫开始构造各种表格和清单，把元素彼此比较，寻找规律。从他阅读的卡尔斯鲁厄大会记录以及自己的实验工作中，他知道原子量是元素最根本的数值性质，比它们的物理状态、颜色或熔点都更为根本，而后者变化幅度极大。如果原子量是对元素本性最深层的定量描述，那么或许当元素按原子量递增的顺序排列时，他所寻找的规律就会显现出来。

他并不是第一个注意到按原子量排列的元素在性质上呈现重复的人。英国化学家约翰·纽兰兹曾在1865年提出他所谓的八音律——即当元素按原子量顺序排列时，每隔八个元素就会出现与第一个性质相似的元素，类似于音阶中的八度。纽兰兹的想法遭到伦敦化学学会的嘲笑，学会拒绝发表他的论文，据说还以轻蔑的玩笑口吻建议他不妨试试把元素按字母顺序排列，看看是否也会出现类似的规律。德国化学家洛塔尔·迈耶尔在同一时期也在独立地研究元素分类，发展出在重要方面与门捷列夫相平行的思想。但门捷列夫比他的任何一位先行者走得更远，而且是以一种具体而决定性的方式走得更远：他不仅把周期性规律当作描述工具，更把它当作预测工具。

《化学原理》不仅成了一部教科书，也成了推演和呈现周期系的载体。随着门捷列夫一节节写下去，先按化学族归类元素，再寻找这些族之间的联系，元素的周期性结构在他心中变得越来越清晰。该教科书的第一卷于1868年问世，涵盖非金属元素。第二卷论述金属，需要把所有元素彼此关联地系统排列，这正是1869年初元素周期表最终结晶的契机。

《化学原理》在门捷列夫有生之年出了八版，并被译成英文、德文、法文和其他语言。它成为俄国化学教育数十年间的标准参考书，并影响了整个欧洲的化学教学。但它最持久的意义并不在于其教学上的清晰——尽管这一点确实重要——而在于它迫使门捷列夫踏上的那段智识旅程，那段以元素周期表告终的旅程。

元素周期表的构建

门捷列夫如何在1869年3月1日前后得出元素周期表最终形式的故事，已带上了传奇色彩，这在一定程度上遮蔽了这一成就的真实性质。这个故事最浪漫的版本——说门捷列夫在2月28日夜里梦见了完整的周期表，醒来就把它写了下来——几乎可以肯定是被神话化了。门捷列夫本人在晚年也助长了这个神话，但他最审慎的说法表明，那个梦（如果真的发生过）是一段漫长而艰苦的有意识智力劳动过程终结处的结晶时刻，而不是凭空而来的灵感。

没有被神话化的，是门捷列夫在1869年2月末至3月初那些关键日子里工作时表现出的非凡专注与紧迫感。数月来他一直在集中思考元素分类问题，笔记本里写满了各种比较和表格，不断以不同方式重排元素，并与那些抵抗他所尝试的每一条组织原则的反常现象搏斗。到这个时候，他已对每一种已知元素的性质有了深刻的熟悉，这种熟悉不仅来自阅读，更来自多年的实验工作与教学。

关键的洞见在于：当元素按原子量递增的顺序排列时，性质会以规则的、周期性的方式重复出现。化学性质相似的元素在序列中以固定的间隔出现。例如，碱金属锂、钠、钾出现在与序列中特定位置相对应的间隔处，卤素氟、氯、溴、碘也是如此。挑战在于如何在一张二维表格中表达这种周期性，使之同时显示按原子量排列的顺序和按化学族划分的归类。

门捷列夫最终采用的排列方式，是把元素按原子量递增横向排列，但每当化学性质重复出现时就另起一行，从而使性质相似的元素落在同一竖列中。这本质上就是现代元素周期表的结构，尽管细节上有若干重要差异。门捷列夫在1869年发表的表格把元素排成横行（他称之为周期）和竖列（他称之为族），其中各族对应化学族系。

门捷列夫1869年表格的两个特点，使它有别于此前那些不那么成功的元素分类尝试。第一个特点是他愿意留出空位。当表中某个特定位置缺少元素时——而从周边元素来看，该位置显然应当被占据——门捷列夫干脆把那个位置空着，并断言终将有一种具有可预测性质的未发现元素来填补它。这是一种非凡的科学自信之举，或者也可以说，是一种非凡的科学胆识。那些空位不是尴尬，而是预言。

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