第1章 基本的烹饪

花园尽头的小屋/气味和爆炸/故事的开始

一个夏天的下午，我带着从网上订购的一些玻璃器皿，和一盒6个装的吉卜林先生牌的布拉姆利苹果派，来到了位于伦敦东南郊区的我父母的家。我打算在那里进行一项可能是我试过的最愚蠢的实验。

我父亲小时候曾是一位热情高涨的业余化学家，在20世纪60年代中期，他常常在家中花园尽头的小屋里制造出各种气味和爆炸，度过一个又一个愉快的下午。在那些日子里，任何人（包括拥有高深的化学知识并且蔑视自身安全的十几岁的孩子）都可以从当地的化学品商店里买到一系列可怕的有毒物质。事实证明，可以买到制造火药的所有成分。时至今日，他仍能津津有味地回忆起某项极其紧张刺激的实验是如何戛然而止的，他的父亲——一位对枪声并不陌生的退役炮兵，冲到花园尽头大喊：“够了，把窗户震得咣咣响！”那是比如今简单的年代。我父亲还有一些旧的化学设备，包括一个我日思夜想的本生灯，我很清楚，我在伦敦的小公寓多半不适合我想做的实验。

这个实验背后的想法是这样的：如果你看到一个苹果派，但对馅饼、苹果以及它们的成分一无所知，你会怎样弄清楚它是由什么构成的？在车库的工作台上，我把一小块馅饼的样品刮到试管里，小心翼翼地把松脆的饼皮和软糯的苹果馅充分混合，然后用一个中间钻孔的软木塞将试管密封。我用一根L形的玻璃长管，将试管连接到漂浮在冷水桶中的第二个烧瓶上，点燃本生灯，把它放在试管下面，然后往后退了退。

苹果派开始冒泡，变得像焦糖一样，试管内膨胀的气体很快就要将我们的样品挤压进入连接管。我们稍微降低一些温度，看着苹果派开始慢慢变黑，令我高兴的是，一缕缕雾气开始沿着玻璃管飘出，进入另一头的烧瓶里，不久后，烧瓶里就充满了幽灵般的白色蒸汽。这是一个实实在在的化学实验！

我对这种白雾是什么充满好奇，因此会用鼻子轻轻闻一下，这是一种在人们有健康和安全意识之前常用的化学分析的尝试和测试方法。浪漫主义时期的一位先驱化学家，汉弗莱·戴维（Humphry Davy）就是通过吸入各种气体来研究它们的医学功效的。1799年，他因此发现了一氧化二氮（也就是我们现在常说的“笑气”）具有愉悦身心的功效。和他的诗人朋友们待在一个黑暗的房间里时，或者偶尔和熟识的年轻女性在一起时，他会大量吸入“笑气”。请记住，这并不是一种毫无风险的策略。在一次一氧化碳的实验中，他差点儿丢了性命，在被拖到户外后他虚弱地说：“我想我不会死的。”

唉，我的苹果派蒸汽并没有产生任何精神上的影响，它只有一种极其难闻的焦味，这种味道似乎在之后的几个小时一直在我周围挥散不去。透过白雾看向烧瓶底，我发现蒸汽的某些部分在与冷水浴接触时凝结，形成了一种黄色的液体，上面覆着一层深棕色的油膜。

经过约10分钟的剧烈加热，残存的焦黑苹果派上似乎再也不会冒出蒸汽了，因此我们得出结论，实验已经大功告成。当我迫不及待地检查试管里的内容物时，我一下子忘记了，你用本生灯加热玻璃10分钟后，它会变得滚烫，我的食指被严重烫伤了。我被允许靠近的最危险的设备就是台式电脑，这非常合理。

等了很久之后，我小心翼翼地再次拿起试管，把试管里的东西倒在工作台上。苹果派已经变成了一团深黑色的类似岩石的物质，表面的一些部位微微发亮。那么，从这个公认相当愚蠢的实验中，我们能得出哪些关于苹果派成分的结论呢？好吧，我们最终得到了三种不同的物质，分别是黑色固体、黄色液体和白色气体，它们现在已经让我的皮肤、头发和衣服都散发着一股令人作呕的焦味。我承认，当时我并没有完全弄清楚这三种苹果派成分的确切化学组成，不过我能肯定，黑色的东西是炭，淡黄色的液体可能主要是水。为了进一步了解苹果派的基本成分，我们需要做一些更高阶的化学分析。

元素

作为一名物理学家，我或许不应该这么说，但其实化学才是我上学时最喜欢的科目。物理实验室是枯燥且毫无乐趣可言的地方，我们在那里只能从接通电路或者死气沉沉的钟摆摆动中获得一丝兴奋。但化学实验室却是一个充满魔力的地方，在那里你可以操控火焰，摆弄酸，点燃镁条发出耀眼的火花，或者让精致的玻璃器皿中彩色的药剂冒出气泡。护目镜、贴着橙色警告标签的氢氧化钠试剂瓶、沾着以往实验中（也许还是有毒的）不明残留物的白色实验服，都给化学实验室带来了一丝危险的气息。所有这些都是由我们神秘的老师——特纳先生负责安排的，他总是开着一辆跑车来学校，据传他靠发明喷涂式避孕套发了财。

事实上，正是对化学的迷恋，让我走上了最终成为粒子物理学家的道路。化学就像粒子物理学一样，它关注物质，也就是构成世界的材料，还有不同的基本成分是如何根据一定的规则进行反应、分解或者改变其性质的。我之所以最后没有继续学习化学，是因为我想知道这些规则从何而来。如果我出生在18或19世纪，我很可能会坚持化学的道路走下去。在那个年代，如果你想了解物质的基本组成，化学就是适合你的学科，而非物理。

要说起创立现代化学，任何人的贡献可能都比不上安托万–洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier），他是一位自以为是、雄心勃勃且富有的法国年轻人，主要活跃时间为18世纪下半叶。1743年，拉瓦锡出生在巴黎一个涉足法律界的富裕家庭。他用父亲的一大笔遗产，为他在巴黎军火库的个人实验室配备了所能买到的最精密的化学仪器。在妻子兼化学家玛丽–安娜·皮埃雷特·波尔兹（Marie-Anne Pierrette Paulze）的帮助下，他自称实现了一场化学“革命”，他系统地废除了从古希腊继承下来的旧式观念，发明了化学元素的现代概念。

物质世界中的一切都是由一些基本物质（或者叫元素）组成，这种观点已经存在了几千年。在不同的古代文明中可以找到各种元素理论，包括埃及、印度和中国。古希腊人认为，物质世界由土、水、气和火这4种元素组成。然而，古希腊人所认为的这些元素和我们在高中里所学的化学元素的定义天差地别。

在现代化学中，元素是像碳、铁或金这样的物质，不能被分解或转化成其他任何东西。但古希腊人认为，土、水、气和火可以相互转化。在这4种元素的基础上，他们还增加了4个“特性”的概念，也就是热、冷、干和湿。土又冷又干，水又冷又湿，空气又热又湿，而火则又热又干。换句话说，通过添加或删除这些特性，就可以将一种元素转化为另一种元素。比如，向（又冷又湿的）水中添加热，就会产生（又热又湿的）气。这一物质理论提出，可以通过炼金术将一种物质转化为另一种物质，最具代表性的就是将普通金属变成黄金。

拉瓦锡首先反驳的是嬗变的概念。和他做出的许多最伟大的突破一样，他的方法基于一个简单的假设，也就是质量在化学反应中总是守恒的。换句话说，如果你在实验开始时称量所有成分，随后在实验结束时再次称量所有产物，并注意确保没有任何气体逸出，那么两者的质量应该是一样的。化学家提出这个假说已经有一段时间了，但正是因为拉瓦锡借助一套极其精确（且昂贵）的天平，在1773年发表了自己艰苦研究的实验结果，这一假说才流行开来。在特纳先生教授的高中化学课上，质量守恒定律是作为拉瓦锡提出的原理教给我的。

支持嬗变的一个证据是，当水在玻璃容器中慢慢蒸馏时，会留下固体残渣，这似乎证实了水可以转化为土。拉瓦锡对此表示怀疑。他在实验前后对空玻璃容器进行称重，发现了一些质量的损失，这几乎完全等于所谓的土的质量。换句话说，这种想法是无稽之谈。固体残渣只是由玻璃容器掉下的一些碎片。

拉瓦锡推翻了将水转化为土的想法，打响了这场运动的第一枪。这场运动最终将彻底颠覆人们对化学世界的看法。他高调地宣称他打算带来“一场物理和化学的革命”，然后着手拆解这些元素。他的下一步行动是挑战其中最神秘、最强大的元素——火。

在18世纪中叶，像炭这样的易燃材料被认为含有一种所谓“燃素”的物质，当这些材料被点燃时，燃素就会释放出来。像炭这样的燃料含有大量燃素，这些燃素在燃烧过程中被释放，当炭中的所有燃素都耗尽时，或者当周围的空气中充满了燃素而无法进一步吸收时，燃烧最终停止。

这种燃素假说带来的一个问题是，人们发现金属在燃烧时实际上会变得更重，如果燃素是被释放的话，金属应该会变得更轻才对。法国第戎的律师兼化学家路易–伯纳德·居顿·德莫沃（Louis Bernard Guyton de Morveau）给出的解释是，这是由于燃素非常轻，当它们储存在金属中时，便会让金属“浮起来”一些，这有点儿像热气球。金属燃烧后，燃素所提供的浮力就丧失了，所以金属看起来就变得更重了。

拉瓦锡对居顿的观点不屑一顾，他的想法截然相反：燃烧并不会释放燃素，相反燃烧会让空气被吸收。这就解释了为什么金属在燃烧后会变得更重：它们不会释放带浮力的燃素，而是与空气结合。

我们值得花点儿时间来欣赏这样一种精彩的观点。如果你能暂时忘记学校里教的关于燃烧的一切内容，认为燃素是由火释放出来就能说得通。火看起来绝对是一个释放的过程，它至少会释放光、热和烟。认为燃烧是把空气和燃料结合在一起从而有效地从空气中吸出一些东西的这种想法，反而格外违背直觉。拉瓦锡能够遵循实验证据，摒弃看似常识的想法——这种能力让他得到了这样一个截然不同的结论。

问题是，燃烧过程中消耗的究竟是空气中的什么东西？当时拉瓦锡还不知道，在英吉利海峡的对岸，对空气的理解刚刚取得了重大进展。1756年，苏格兰自然哲学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）发现了一种特殊的新空气，当某些盐被加热时，这种空气就会被释放。最令人惊讶的是，他发现，当物体被这种“固定气体”（我们现在称之为二氧化碳）包围时，燃烧就无法进行。10年后，亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）发现，硫酸浇在铁上时会释放出另一种更轻的空气，这种空气会着火，并发出特有的爆裂声。但是，最多产的新空气的发现者是英国自然哲学家约瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）。

普利斯特利在1767年得知卡文迪许发现“易燃空气”后，也开始了自己对空气的研究。当时他在利兹担任长老会牧师，住在一家酿酒厂的隔壁，这与拉瓦锡位于巴黎市中心的设备豪华的实验室形成了对比。然而，与酿酒厂为邻，除了啤酒供应充足之外，自有其优势。发酵过程释放出了大量“固定气体”，普利斯特利利用它们发展出了一种生产汽水的技术，为未来的软饮料产业奠定了基础。

几年后的1774年，普利斯特利有了一个新发现，这让他真正名留青史。他注意到，当他用一个巨大的取火镜将阳光聚焦到剧毒的“红矿灰”（一种含有水银的物质）样品上时，会释放出一种新型的空气，普利斯特利发现这种空气能让火焰燃烧得格外明亮，也能让密封罐中的老鼠存活的时间成为一般情况的4倍。他甚至亲自试着吸入了这种新空气，并写道：

我的肺对它的感觉和普通空气没有明显的区别，但胸腔在之后的一段时间里感到特别地轻盈和放松。谁也说不准，随着时间的推移，这种纯净的空气也许就会成为一种时尚的奢侈品。到现在为止，只有两只老鼠和我有幸呼吸过它。

普利斯特利认为，他口中的“脱燃素空气”所具有的这种神奇特性是因为这种空气所含的燃素比普通空气要少得多。这让它能够更有效地吸收燃烧的蜡烛或呼吸的老鼠所释放的燃素，从而使它们能燃烧或存活得更久。

同年10月，普利斯特利前往巴黎，遇到了许多巴黎最聪明的人，其中就包括安托万·拉瓦锡。遗憾的是，我们对他们的见面知之甚少，但想象一下这两位化学巨匠可能会对彼此产生怎样的影响是很有趣的：一位是富有而自信的温文尔雅的巴黎人，另一位是操着浓重约克郡口音的工人阶级激进分子。我们所知的是，普利斯特利告诉了拉瓦锡他的新发现，这被证明是拉瓦锡需要完成有关火的理论的关键线索。但拉瓦锡得出了截然不同的结论。他认为普利斯特利实际上发现的是燃烧过程中与燃料结合的气体，而并非脱燃素空气。拉瓦锡将它命名为“氧气”。

根据拉瓦锡的说法，火不是一种元素，燃素也并不存在。蜡烛燃烧时，燃料与氧气结合，释放二氧化碳。拉瓦锡认为，动物呼吸时也会发生类似的过程：食物中的碳与氧气结合，释放二氧化碳和热量。他甚至将一只豚鼠放在空桶里，桶的周围是一个装满冰块的容器，从而证明了这个想法。豚鼠身体所散发的热量融化了冰，测量容器底部流出的水量后，拉瓦锡就能计算出豚鼠释放的热量，这证明了动物可以有效地燃烧食物来产生热量。别担心，这只豚鼠逃脱了死亡的魔爪，尽管它难免会觉得有点儿冷，而且它有可能是“成为一只豚鼠”这种说法最初的来源。

拉瓦锡的革命还没有结束。人们注意到，卡文迪许的易燃空气和氧气燃烧时似乎留下了水。拉瓦锡认为，这意味着曾被认为是所有元素中最基本的水，也并非一种元素。相反，它可以由这种易燃空气和普利斯特利发现的氧气组合构成，拉瓦锡把这种易燃空气改名为“氢气”。

科学界的大多数人很难接受拉瓦锡激进的新思想，尤其是法国最大的竞争对手英国的科学家们。普利斯特利拒绝接受拉瓦锡关于水不是一种元素的想法，并始终坚定地支持着燃素理论。拉瓦锡需要确凿的实验证据来说服人们同意他的新式化学。他最终以一种惊人的方式做到了，1785年，他在实验室举行的一次公开演示中，将水分解成了氧气和氢气。

到了18世纪80年代末期，陈旧的古典元素理论已经破败不堪。水可以分解成氢气和氧气，空气是不同气体的混合，而火则是氧气和燃料结合的过程。1789年，拉瓦锡出版了他为新式化学所做的最伟大的宣传，也就是一本名为《化学基础论》（Traite elementaire de chimie）的教科书。他在书中给出了“化学元素”的新定义，那是一种不能分解成其他物质的物质。此外，他还列出了33种新式化学元素，其中有许多沿用至今，包括氧、氢和氮（azote，现在也被称为nitrogen）。这部专著成了科学史上最有影响的著作之一。短短几年之内，除了最顽固的批评者之外，其他人都被说服了。拉瓦锡并没有“说大话”，他真的带来了一场化学革命。

那么，拉瓦锡会怎么看我的苹果派实验中的三种产物呢？首先，我怀疑他会对我采用这种粗暴而现成的化学方法相当不以为然。我父亲车库里的设备绝对比不上拉瓦锡实验室里的那些，我也没有任何工具供我在实验前后精确地称量苹果派，如果换作拉瓦锡，他肯定会这么做。更糟糕的是，我一不小心让白雾溜走了，这意味着它的成分仍然是个谜。

但试管里留下的烧焦的黑色坚硬物质呢？如果我们看一眼拉瓦锡列出的化学元素清单，一个答案就会立刻映入眼帘，那就是炭。几个世纪以来，炭一直被用作燃料，人们将成堆的木头埋在一层草皮下面，然后在中间生火，就会得到炭。草皮把空气隔绝在外面，防止木堆的侧面着火，而中间大火产生的巨大热量就会让木头变成炭和气体。这和我们用苹果派做的实验差不多，试管的塞子就像草皮，阻止了空气中的氧气进入试管，防止过热的苹果派着火。我们得到了炭。或者用现代术语来说，它是一切有机物基本元素的一种相当纯净的形式：碳。

至于淡黄色的液体，好吧，原则上我可以尝试进一步分解它，但不幸的是，我只得到了一丁点儿臭烘烘的液体，这太少了，完全无法用来做实验，我也不打算买下这里超市里所有苹果派，再花上几天的时间让它们沸腾。但不管怎样，我都有把握说它主要是水，多亏了拉瓦锡，我们知道水是氧和氢构成的化合物，这让我们知道了另外两种成分。事实上，从苹果派到人类，碳、氧和氢是构成一切有机物的主要化学元素。但它们肯定不是仅有的化学成分。我快速看了一眼盒子背面印刷的营养信息，就知道里面至少有一些铁，它可能还混在炭里。虽然我不能在父亲的车库里把它们分离出来，但是苹果派里还有氮、硒、钠、氯、钾、钙、磷、氟、镁和硫，可能还有更多元素，也许一些元素只是微量的，但它们就在其中。

不过，更进一步的问题是：这些不同的化学元素是由什么组成的？毕竟，如果我们真的想从头开始做苹果派，氢、氧和碳还远远不够。它们只是故事的开始。