十來歲的時候，我發現自己對兩種完全不同的探索宇宙奧秘的科學方法非常著迷。我不斷地聽到關於物理學家做過什麼的奇怪傳聞，以及他們所發現的物理學量子定律，按這個定律推測，我可以同時身處兩個不同的地方。我很懷疑這樣的論斷在現實生活中是否適用，何況我並沒有太多自己想去的地方。但我同樣聽說了化學家所追求的那種更實際的奧秘，儘管那種奧秘既劇烈又危險，看起來也不像一把能把我送進大學的萬能鑰匙，但它卻激發了我的冒險精神，並許諾賦予我一種小孩通常不具備的超能力。很快我就開始把氨水和碘酒、高氯酸鉀和糖、鋅粉和硝酸鹽以及氯化氨混合在一起，我可以把東西炸飛。阿基米德說只要給他一根足夠長的槓桿，他就能撬動地球；我相信只要給我合適的家用化學品，我就可以讓它爆炸。這就是瞭解了你周圍物質之後獲得的力量。
世界上第一批科學思想家為探究物理世界運作機制的這兩種方式鋪平了道路。他們詢問變化的原因；他們研究物質的成分以及它們的成分如何決定它們的性質。最後，亞里士多德為雙方提供了一張路線圖，但他提供的路徑最後被證明是死胡同。
牛頓和他的前輩們為了理解變化這個問題走過了很長一段路。牛頓也嘗試過去瞭解物質的科學，但他並沒有成為一個像他在物理學領域那樣成功的化學家。問題並不在於他的智力不足，也不在於他走上了一條漫長的、最終是個死胡同的煉金術道路。他沒有取得進展的原因是，儘管物質的科學，即化學，和變化的科學，即物理學，是並肩發展的，但它們卻是兩門個性大不相同的科學。化學的條件更惡劣，也更複雜，如果想像他曾經探索變化的那樣對它進行詳細的探索必須要有大量的技術創新的出現，但其中大部分在牛頓的時代都還沒有被發明出來。結果，牛頓陷入了困境，並且在化學領域缺少一個可以讓化學（以及他/她自己）突飛猛進的傑出人物。所以，它的發展速度更緩慢，只有寥寥數位先驅分享它的榮耀。
人類如何發現物質構成的故事是我的摯愛，因為化學就是我的初戀。我小時候生活在芝加哥一個小型雙層公寓裡，生活區狹窄而且擁擠，但地下室卻很大，我把我的設備都搬到這裡，修建了一個屬於自己的迪士尼樂園——一個精心打造的實驗室，架子上擺滿了玻璃器皿、各種顏色的粉末，以及裝滿強酸和強鹼的瓶瓶罐罐。
我不得不通過非法渠道或者我父母毫不知情的協助（「如果我有一加侖鹽酸就好了，我就可以把貓撒在水泥地板上的尿抹乾淨」）來獲得某些化學物品。這些小伎倆並沒有引起麻煩。我發現通過研究化學，我在滿足內心深處對於世界的好奇心的同時還能學會製造炫酷的焰火。和牛頓一樣，我這麼猜的，我也意識到這比社交生活的好處多多了。化學物品可比朋友更容易獲得，當我想和它們一起玩時，它們從來不會說它們必須待在家裡洗頭髮，或者不太禮貌地說它們不喜歡和怪胎廝混在一起。然而就和許多初戀一樣，我最終還是和化學分手了。我開始和一個新對象，也就是物理眉來眼去。正是在那個時候我開始瞭解到科學的不同領域不僅專注於不同的問題，也擁有不同的文化。
物理和化學之間的差別在我犯下的各種錯誤中展露無遺。比如，我很快就瞭解到假如我的物理運算最終歸結為「4=28」這樣一個等式時，並不意味著我發現了一些意義深遠且不為人知的真理，相反，我只是犯了某種錯誤。但這個錯誤沒有什麼害處，它只是一個存在於紙面上的錯誤。在物理學中，這樣的小錯誤幾乎不可避免地會導致儘管讓人沮喪但卻無害的數學廢話。化學就不同了。我在化學中犯的錯誤往往會製造大量的濃煙和火情，以及被強酸腐蝕的疼痛，它們留下的疤痕幾十年都沒有消退。
我父親是根據他認識的兩個人來描述物理和化學之間的差異的。這兩個人從事的工作和它們最為接近。1他所說的「物理學家」——實際上是數學家——是在集中營裡向他解釋如何解答那道數學難題來換取麵包的那個人。而那個他稱為「化學家」的人是他在被驅逐到布痕瓦爾德集中營之前在猶太人地下黨裡認識的。[1]
我父親曾經加入過一個計劃破壞通往他家鄉琴斯托霍瓦的鐵路的組織。這位化學家說他可以用一包安放在鐵軌關鍵位置上的炸藥來讓火車出軌，但他必須得從猶太人居住區偷偷溜出去才能得到他需要的部分原材料，他堅持認為他可以通過行賄和盜竊來獲取這些東西。這要跑好多次才能完成，但他執行最後一次任務時再沒回來，此後也再沒有聽到過他的消息。
我父親告訴我，那個物理學家是一個優雅、安靜的人，他用他知道的最好的辦法來躲避集中營裡的恐怖：退回到他的思想世界中。那位化學家擁有狂熱夢想家和牛仔般的性格，他熱衷於採取實際行動來正面對抗世界的混亂。我父親斷定那就是化學家和物理學家之間的區別。
這些話完全正確，和早期的物理學家不同的是，早期的化學家必須具備一定的血氣之勇，因為他們的工作會發生意外爆炸，他們也有中毒的可能，因為他們經常品嚐物質，通過味道來幫助他們識別這些物質。早期的實驗家中最著名的或許是瑞士藥劑師和化學家卡爾·史基。史基是第一個製造出具有強腐蝕性和毒性的氯氣還能活下來的化學家，比較神奇的是，他居然還能準確地描述出劇毒氣體氰化氫的味道而沒有被毒死。但在1786年，43歲的史基死於一種疑似急性汞中毒的疾病。2
從更私人的層面上說，化學家和物理學之間的差別給我的感覺就像是我父親和我之間的差別。因為在那個化學家消失以後，他和其他4個密謀者繼續展開他們的計劃，使用僅有的手工工具——「各種型號的螺絲刀」（他告訴我）——而不是炸藥，試圖擰松鐵軌。3他們的行動出了岔子，其中一個破壞分子恐慌起來，引起了附近納粹黨衛軍軍官的注意。結果，只有我父親和另一個破壞分子成功逃脫了——他們躺在鐵軌上面，一列長長的貨運列車從他們上面開過去，這才沒有被發現。從另一方面來講，我很少會在外部世界採取任何有重要意義的實際行動，只會使用公式和紙來計算事情的後果。
物理和化學之間的差距反映出了這兩個領域的淵源和文化。物理開始於泰勒斯、畢達哥拉斯和亞里士多德頭腦中的理論，而化學則誕生在商人的密室和煉金術士陰暗的小屋裡。儘管這兩個領域的從業者都受到純粹的求知慾望的激勵，但化學同時還扎根於實際——有時候是出於改善人們生活條件的渴望，有時候則出於貪婪。化學具有一種高貴的品質，一種求知和征服物質的高貴品質，但它也一直具備獲得巨大收益的潛力。
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從某種意義上說，牛頓發現的三條運動定律是比較簡單的，儘管它們掩藏在由摩擦力和空氣阻力的迷霧以及重力的隱形外衣構成的普通表象之下。然而，統治化學的定律和牛頓的三條運動普遍定律並不相似。它們要複雜得多，因為我們的世界給我們提供了一系列使人眼花繚亂的物質構成，化學科學必須逐步將它們全部釐清。
人類的第一個發現是某些物質——元素——是基本的，而其他的物質是由這些元素的不同組合構成的。這是希臘人通過直覺辨別的。比如，根據亞里士多德的說法，元素是「其他物質分解之後產生的物質，它本身不能再被分解成其他物質」。4他提出了四種元素：土、氣、水、火。
很明顯許多物質都是由其他物質構成的：鹽和淡水可以製造出鹹水，鐵在水裡會生銹，伏特加和苦艾酒可以調配出一杯馬提尼酒。而另一方面，你可以通過加熱來分解出許多物質的成分。比如，當石灰石被加熱時，它就變成了石灰和一種氣體，二氧化碳。糖在加熱時會產生碳和水。然而，這種幼稚的觀察並不能讓你走得太遠，因為這無法對發生的現象做一種普遍適用的描述。比如，如果你對水進行加熱，它會變成氣體，但那種氣體和液態水在化學成分上並沒有什麼不同，只不過呈現出了一種不同的物理形態而已。當水銀被加熱時，也不會分解出它的成分；相反，它會倒過來——它與空氣中看不見的氧氣結合形成一種被稱為燒渣的化合物。
還有燃燒。以木頭的燃燒為例。當木頭燃燒時，它變成了火和灰，但如果你就此推斷說木頭是由火和灰構成的，那就大錯特錯了。並且，和亞里士多德的分類相反的是，火並不是一種物質，而是其他物質在經歷化學反應時釋放出的光和熱。木頭在燃燒時釋放出的真正物質是不可見氣體——主要是二氧化碳和水蒸氣，但總共有超過100種氣體——古人並沒有任何技術手段可以允許他們收集這些氣體，更不用說將它們逐一分離和識別了。5
這種挑戰使人們很難區分什麼物體是由兩種或者更多的物質構成的，而什麼物體又是由基本元素構成的。這樣的困惑導致的結果就是許多古人，比如亞里士多德，在錯誤地把水、火等視為基本元素的同時，卻沒能將七種金屬元素視為元素——汞、銅、鐵、鉛、錫、金以及銀——這些都是他們很熟悉的物質。
就像物理學的誕生依靠的是新數學的發明一樣，真正意義上的化學的誕生不得不等待某種技術發明——可以精確測量物質重量的儀器，可以測量在化學反應中吸收或釋放出的熱量的儀器，可以確定一種物質是酸性還是鹼性的儀器，可以捕捉、抽空和操縱氣體的儀器，可以測量溫度和壓力的儀器。只有取得這樣的進步，17世紀和18世紀裡的化學家才有可能理清他們知識的亂麻，並發展出富有成果的思考化學反應的方式。然而，即使在這樣的技術進步尚未出現之前，從古代城市中湧現出的那些從事這些行業的人就已經在許多完全不同的領域，比如印染、香水製造、玻璃製造、冶金和防腐技術積累了大量的知識，這是對人類毅力的一種證明。
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防腐技術是最早出現的，在那個領域，化學科學的開端可以一直追溯至恰塔霍裕克，因為儘管他們並不對死者進行防腐處理，但他們的確形成了一種死亡文化，並以一種特別的方式表達對死者的關愛。到了古埃及時代，對於死者命運不斷增加的擔憂推動了木乃伊製作技術的出現。人們相信這種技術就是打開幸福來世之門的鑰匙——當然也不可能會有氣憤的客戶回來投訴說他們過得並不幸福。於是對防腐劑的需求出現了。一個新行業誕生了，一個尋求——借用杜邦（DuPont）[2]的話——「化學，更好的東西為更好的來世」（Better things for a better after life，though chemistry）的行業。
這個世界總是不缺乏夢想家，他們當中，那些成功實現了夢想的人是幸福的，而另一些至少也依靠追逐夢想維持了生計。那些屬於後一群體的人並非一定要按照天賦和知識來加以判別，但他們必然會因為他們工作的勤奮程度而高下立現。通過完善防腐流程而變得富有一定是古埃及企業家和創新家們的一個夢想吧，因為他們投入了漫長的時間來艱難地嘗試著做這件事。隨著時間的推移，在經過廣泛的試驗和試錯之後，古埃及防腐師最終成功地學會了利用鈉鹽、樹脂、沒藥以及其他防腐劑的有效組合來阻止屍體腐爛——這些都是在對涉及的化學過程以及屍體腐爛的原因一無所知的情況下發現的。
既然屍體防腐是一門生意，而非科學，因此它的發現並沒有被當成是古代的愛因斯坦們發明的理論，卻更像是愛因斯坦兄弟牌百吉餅的秘方：它們是嚴加守衛的秘密。並且，因為屍體防腐和死人以及地獄有關，這項技藝的從業人員開始被人們視為巫師和魔法師。隨著時間的推移，其他帶有神秘色彩的職業也開始出現，並產生了關於礦物、油脂、花卉萃取物、植物莢果和根莖、玻璃以及金屬的知識。這些生意人從事的原始化學正是煉金術神秘主義文化的起源。
作為一個群體，這些領域的從業者廣泛地構建了一套專業但彼此互不關聯的職業技能。當希臘的亞歷山大大帝於公元前331年在尼羅河河口建立他的埃及首都亞歷山大港時，那些五花八門的技術訣竅最終開始定型成一個統一的研究領域。
亞歷山大港是一座巨大的城市，有著典雅的建築和100英尺寬的大街。在它被建成幾十年後，埃及的希臘國王托勒密二世修建了它文化皇冠上的珠寶，博物館。這座博物館和現代博物館的不同之處在於它並不展示文物，而是珍藏著100多位科學家和學者，他們由國家提供俸祿，有免費的房子居住，博物館的廚房還為他們提供食物。和它相關聯的是一座藏有50萬冊卷軸的宏大圖書館、一座天文觀測台、解剖實驗室、花園、動物園以及其他供調查研究使用的設施。這是一個光輝的探索知識的中心，一座人類求知之路上鮮活的、實用的紀念碑。它是世界上第一所研究機構，其扮演的角色和後來大學在歐洲的發展中扮演的角色一樣，然而，悲哀的是它注定會被公元3世紀的一場大火焚燬。6
亞歷山大港很快就變成了一個文化的麥加聖地，在幾個世紀的時間裡，它一直都是世界上面積最大，也最偉大的城市。在這裡，各種關於物質和變化的希臘理論與整個埃及的化學知識體系相互交融。觀點的交匯改變了一切。
在希臘人入侵之前，埃及人關於物質性質的知識幾千年來一直都是純粹的實用性的。但現在希臘物理學的理論體系為埃及人的知識提供了一個理論背景。特別是，亞里士多德關於物質的理論為物質變化和相互作用的方式提供了一種解釋。當然，亞里士多德的理論並不正確，但它啟發了一種更統一的探索物質科學的方法。
亞里士多德理論的一個方面尤其具有影響力：他關於物質轉化的觀點。以燒水的過程為例。亞里士多德認為水元素擁有兩種重要特質：可以變濕和變冷。而另一方面，他把氣元素描繪成可以變濕和變熱。按照他的觀點，燒水就是一個火元素發揮作用將水的冷轉變成熱的過程，因此也就把水轉化成了氣。從這種概念中嗅到獲利潛力的埃及人試圖把它發揮到極致：如果水可以轉化成氣，那有沒有可能把某些不重要的東西轉化成黃金呢？這有點兒像我的女兒奧莉維亞。當她被告知如果她把她的牙齒放在枕頭下面她就可以從牙仙那裡得到一美元時，馬上回答說：「如果放剪下來的指甲我能得到多少錢呢？」
埃及人注意到黃金和亞里士多德所說的基本元素一樣，似乎也擁有某種基本特質：它是金屬，很柔軟，是黃色的。單是黃金就具備所有那些特質，但它們又以不同組合出現在許多物質中。人們可不可以找到一種在物質間轉移性質的方法呢？特別是，如果燒水的過程允許人們使用火來改變水的物理特質，從而將其轉變成氣，那麼或許會有一種類似的過程可以把一種柔軟的、黃色的金屬物質轉化成黃金。
這樣的考慮產生的結果是，到了公元前200年，理解真正化學的線索與希臘哲學思想混合在一起，防腐術、冶金術以及其他實際嘗試這樣古老的原始化學刺激了一種統一的探索化學變化方法的出現。煉金術就此誕生，它以製造黃金為中心目標，發展到最後它甚至試圖製造一種使人永葆青春的「長生不老藥」。
歷史學家對於化學科學出現的具體時間爭論不休，但化學不是苜蓿，所以它萌發的日期更多的只是一種意見，而不是一個精確的事實。然而，有一樣東西沒有人可以爭辯，那就是煉金術起到的作用：無論化學何時形成了現代形態，它都是一門從那個古老主題的技藝和神秘主義中成長出來的科學。
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第一個推動巫術式的煉金術向著科學方法發展的人是人類思想史上一個比較怪異的人物。泰奧弗拉斯托斯·邦姆巴斯特·凡·霍恩海姆（1493—1541）出生在現今瑞士的一個小村莊裡，他在21歲時被他父親送去學習冶金術和煉金術，但他後來聲稱自己獲得了醫學學位，而且他也選擇了那個職業。接下來，在他還不到25歲的時候，他把自己的名字改成了帕拉塞爾蘇斯，意思是「比塞爾蘇斯更偉大」。塞爾蘇斯是公元1世紀的一位羅馬醫師。因為在16世紀時塞爾蘇斯的著作非常受歡迎，通過改名字，帕拉塞爾蘇斯設法讓自己從一個名叫邦姆巴斯特的人變成一個名字中展示出那種品質的人。但比起邦姆巴斯特這個名字，帕拉塞爾蘇斯還有更多想要改變的東西：他大肆宣揚他對於盛行的研究醫學的方法的輕蔑。當他參加學生們傳統的夏季篝火晚會時，他把受人敬仰的希臘醫師蓋倫的醫學著作連同一把硫黃一起扔進了火堆，他以這種方式來生動地展現他的不屑。
帕拉塞爾蘇斯對蓋倫的不滿和伽利略以及牛頓對亞里士多德的不滿如出一轍：蓋倫的著作被後來的從業者的觀察和經驗證明是錯誤的。特別是，傳統觀念認為疾病是由一種被稱為休謨斯的神秘體液的失衡引起的，而帕拉塞爾蘇斯卻相信這種觀點並不能經得起時間的考驗。相反，他確信疾病是由體外因素引起的——並且這種病因可以通過使用適當的藥物來治療。
帕拉塞爾蘇斯，原版是佛蘭德藝術家昆丁·馬西斯(1466—1529)的作品，現已失傳，此圖是17世紀的一幅臨摹品
正是對那些「適當的藥物」的探求引導帕拉塞爾蘇斯嘗試著去改變煉金術。這個領域現在碩果纍纍，比如新物質的發現——金屬鹽、無機酸，以及酒精——但帕拉塞爾蘇斯想讓它放棄對於黃金的追尋，轉而專注於更重要的目標，比如製造在團體實驗室擁有一席之地，可以治癒特定疾病的化學物品。同樣重要的是，帕拉塞爾蘇斯的目標是去改良煉金術不精確和不嚴謹的方法。作為商人和學者，他為新版本的煉金術發明了一個新名字。通過用希臘語中表示「藥物」的單詞iatro替代阿拉伯語字首al（意為「這個」），他創造了iatrochemia（化學療法）這個表述。這個單詞很拗口，這或許也是為什麼它很快被改寫成更簡短的「chemia」，這個詞後來演變成英語單詞「chemistry」（化學）的詞根。
帕拉塞爾蘇斯的觀點後來對偉大的艾薩克·牛頓和牛頓的對手萊布尼茨產生了同樣的影響，他們將帶領煉金術朝著化學科學這個新身份發展。但儘管帕拉塞爾蘇斯對他的新方法抱有極大的熱情，但他的個人說服力卻因性格問題而大打折扣。他相當具有攻擊性——當我說「攻擊性」時，我指的是「他的行為舉止就像一個狂躁的精神病患者」。
帕拉塞爾蘇斯沒有鬍子，女裡女氣，對於性愛也沒有興趣，但假如奧林匹克運動會為酗酒這項運動頒獎的話，帕拉塞爾蘇斯一定會得到白金獎牌。他大部分的時間都是醉醺醺的，曾被一個同時代的人說「活得像頭豬」。他並不精於宣傳自己，並且很容易會說出「所有的大學老師和所有的老作家放在一起也不如我的屁股那樣有天賦」這樣的話。7他似乎很享受激怒權威人士，有時候就以此作為目的。比如，當他被巴塞爾大學任命為講師時，他穿著一件皮質的實驗室圍裙就來上他的第一堂課，而不是穿標準的學術長袍；他講瑞士德語，而不是預期的拉丁語；並且，在宣佈他即將揭示醫學領域最大的秘密之後，他亮出的是一鍋糞便。
這些怪異行為產生的效果和它們在今天會產生的效果一樣：他的醫師和大學同事和他很疏遠，但他卻很受大部分學生的歡迎。儘管如此，當帕拉塞爾蘇斯講話時，人們都會認真聽，因為他的一些藥物確實有效果。比如，在發現阿片劑和溶於水相比更溶於酒精之後，他發明出了一種基於阿片的溶液，他將其稱為阿片酊，這種溶液對緩解疼痛非常有效。
然而，經濟原因或許是最終促進帕拉塞爾蘇斯的觀點傳播的最好引擎。新化學藥物可以治癒疾病的希望增加了收入、社會地位以及藥劑師的名聲，它也創造了對於這個領域知識的需求。關於這個主題的教科書和課程開始湧現，並且隨著煉金術的術語和技術被翻譯成化學的新語言，它們變得更加精確和規範，正如帕拉塞爾蘇斯曾經希望的那樣。到17世紀初期，儘管還有很多人依然從事著古老的煉金術，但帕拉塞爾蘇斯的新式煉金術——chemia——也漸漸流行開來。
和墨頓學院的數學學者一樣，帕拉塞爾蘇斯是一個過渡性的人物，他幫助他的研究主題完成了轉變，並為後來的從業者打下一個他們可以繼續發展的原始基礎。帕拉塞爾蘇斯在舊世界化學和新世界化學的涉獵範圍從他的個人生活中一覽無餘：儘管他對傳統的煉金術持批評態度，但他卻涉足其中。他一生都在從事以製造黃金為目標的實驗，有一次甚至宣稱他發現並飲下了長生不老藥，他必定會長生不老。
唉，在1541年9月，當帕拉塞爾蘇斯在奧地利的薩爾茲堡一家名叫白馬客棧的旅館暫住時，上帝向他攤牌了。帕拉塞爾蘇斯一天晚上正沿著一條陰暗狹窄的街道回旅館時，他要麼是狠狠地跌了一跤，要麼是被被他激怒的當地醫師雇的惡棍狠狠地揍了一頓——取決於你願意相信哪個版本。兩個故事都有著同樣的結局：帕拉塞爾蘇斯因傷勢過重幾天後去世，享年47歲。據說在他臨死之前，他看起來比他的實際年齡大很多，這是長期熬夜和酗酒導致的結果。假如他還能再活一年半的話，他或許會目睹哥白尼偉大著作《天體運行論》的出版，這本書通常被認為是科學革命的起點，帕拉塞爾蘇斯當然會支持這樣的運動的。
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正如我們看到的那樣，在帕拉塞爾蘇斯去世後的一個半世紀裡，像開普勒、伽利略以及牛頓這樣的先驅，在前人工作的基礎上，創造了研究天文學和物理學的新方法。隨著時間的推移，由形而上學原理控制的定性的宇宙理論讓位於遵循固定定律的可量化和可測量的宇宙概念。依靠權威學者和形而上學的辯論來獲取知識的途徑被通過觀察和實驗來瞭解自然定律，並通過數學語言來清晰地表達這些定律的概念所取代。
和物理學一樣，新一代的化學家所要面對的學術挑戰不僅僅是發明出嚴謹的思考方法和實驗方法，還要擺脫過去的哲學和觀點的束縛。為了變成一門成熟的科學，化學這個新領域不得不在學習帕拉塞爾蘇斯的課程的同時還要廢黜已經走進死胡同的亞里士多德理論——並非他關於運動的理論，廢黜其運動理論的事牛頓和其他物理學家以及數學家已經在做了，而是他關於物質的理論。
在解決一道難題之前，你必須要辨認出它的各個部分，而在物質的性質這道謎題中，這些部分就是化學元素。只要人們還相信所有的物質都是由土、氣、火和水構成的——或者一些類似的分類體系——他們對於物質主體的理解就是建立在謊言之上的，他們創造新的、有用的化學物質的能力只是在試驗和試錯而已，根本不會有形成真正理解的可能。一切都是從17世紀新的學術氛圍中開始的，當伽利略和牛頓最終將亞里士多德驅逐出物理學領域，並用基於觀測和實驗的理論取代了他的觀點時，有一個人站了出來——他在光學領域的工作曾啟發過牛頓——將亞里士多德從化學領域中趕了出去。我說的這個人就是羅伯特·玻意耳，第一任科克伯爵之子。8
要想把自己的一生奉獻給科學，一條路是獲得大學任命，而另一條就是你得富得流油。和開創物理學的大學教授不同，許多早期化學的擁護者都是有個人收入的人，在實驗室還很稀缺的時代，他們就有足夠的財力去建造自己的實驗室。羅伯特·玻意耳的父親不僅只是有錢，他或許是大英帝國最有錢的人。
人們對於玻意耳的母親知之甚少，只知道她在17歲結婚並在隨後的23年裡陸續生育了15名子女，最後因肺癆猝死，這在當時一定是一種解脫吧。羅伯特是她的第14個孩子，也是第7個兒子。這位伯爵似乎喜歡生小孩勝過養小孩，因為孩子在出生後不久就被送去讓乳母照料，接著去上寄宿學校和大學，或者去國外接受私人教師的教育。
玻意耳在日內瓦度過的時光對他影響至深。在14歲那年，他在某天晚上被劇烈的雷暴驚醒，他發誓說如果他能活下來，他將把自己獻給上帝。如果每個人都能遵守甚至依然還記得他們在迫不得已的情況下所發的誓言，這個世界將會變得更好，但當玻意耳發出誓言後，那個誓言一直伴隨著他。無論雷暴是否是真正的起因，玻意耳對於宗教變得非常虔誠，儘管他擁有巨大的財富，他卻過著苦行僧般的生活。
在那場改變生命的暴風雨之後的一年，當玻意耳正在佛羅倫薩進行訪問時，流放中的伽利略在附近某個地方去世。不知怎麼的玻意耳就得到了一本伽利略關於哥白尼學說的書，他的《關於兩大世界體系的對話》。這在人類思想史上是一個偶然但卻不可忽視的事件，因為在讀過這本書後，當時只有15歲的玻意耳愛上了科學。9
沒有任何歷史記錄可以清楚地顯示玻意耳為何會選擇化學，但自他皈依上帝之後，他一直都在尋找一種可以侍奉上帝的恰當方式，於是他決定就是它了。和牛頓以及帕拉塞爾蘇斯一樣，他也是獨身主義者，他對自己的工作非常癡迷，他和牛頓一樣相信理解自然之道的努力是一條通往上帝之道的途徑。但和作為物理學家的牛頓不同的是，作為化學家的玻意耳還認為科學之所以重要，是因為它可以被用來緩解痛苦並改善人們的生活。
從某種意義上說，玻意耳能成為科學家是因為他是一個慈善家。在1656年，29歲的他搬到了牛津居住，儘管牛津大學當時並沒有開設正式的化學課程，他卻自費建造了一個實驗室並全身心地投入到研究中——大部分是化學，但也不全是。
在英國內戰期間，牛津曾是保皇黨的一個大本營，也是許多從倫敦逃離的議會黨人的棲身之地。玻意耳似乎對任何一方都沒有強烈的同情，但他卻加入了一個難民團體，他們每週都會見面並探討他們對於使用新的實驗方法來研究科學的共同興趣。在1662年，查理二世在重新恢復君主政體之後不久給這個團體頒發了一個特許狀，它從此成為皇家學會（或者，更準確地說，倫敦皇家自然知識促進學會），這個學會在牛頓的職業生涯中扮演過非常重要的角色。
皇家學會很快就彙集了很多當時偉大的科學家——包括牛頓、胡克，以及哈雷——他們聚在一起研究、辯論和批評彼此的觀點，以及支持那些觀點並確保它們在世界上有一席之地。學會的會訓是Nullius in verba，大意是「不要把任何人的話當作真理，但它尤其指的是「別把亞里士多德的話當作真理——因為會員們都明白要想取得進步，超越亞里士多德學派的世界觀至關重要。
玻意耳也把懷疑主義當成自己的座右銘，他在1661年發表的《懷疑派化學家》的書名就反映出了這一點，這本書在很大程度上是對亞里士多德的抨擊。對於玻意耳來說，他和他的同行們一樣都意識到要想用科學的嚴謹幫助理解他的研究主題，他將不得不抵制大部分過去的觀點。化學或許曾根植於防腐師、玻璃製造商、染料製造商、冶金學家、煉金術士，以及自帕拉塞爾蘇斯之後出現的藥劑師的實驗室中，但在玻意耳的眼中，它是一個值得研究的統一領域，和天文學以及物理學一樣都是對自然世界的基本理解，值得使用縝密的思考方法去探索。
在書中，玻意耳提供了一個又一個化學變化的例子來駁斥亞里士多德關於元素的觀點。比如，他詳盡地論述了木頭燃燒產生灰燼的過程。玻意耳觀察到，在燒一根圓木時，從木頭兩端煮出來的水「根本就不是水元素」，冒出的煙也「根本不是氣」，相反，這些煙在經過蒸餾後產生的是油脂和鹽分。10因此，火將圓木轉變為基本元素——土、氣和水——的說法也就經不起推敲。同時，像金和銀這樣的其他物質似乎也不可能分解出更簡單的成分，因此它們或許應當被認定為元素。
玻意耳的偉大工作以抨擊氣是一種元素的觀點開始。他通過實驗來支持他的論點。在這些實驗中，他得到了一個脾氣暴躁的年輕助理的協助，這個人名叫羅伯特·胡克，是牛津大學的研究生，激進的保皇黨人。可憐的胡克後來不但被牛頓看不起，在許多文史資料中，他也沒能從他和玻意耳展開的實驗中獲得多少功勞，儘管很有可能是他製作了所有的實驗器材並完成了絕大部分的工作。11
在其中一項系列實驗中，他們試圖通過探索呼吸來理解我們的肺是如何與我們吸進去的空氣互相作用的。他們估計一定發生了某種重要的事情。畢竟，如果沒有發生某種相互作用，那我們的呼吸要麼是浪費了大量的時間，要麼就是——對某些人來說——一種讓肺忙著抽雪茄的方式。為了調查這種情況，他們在老鼠和鳥類等動物身上展開了呼吸實驗。他們觀察到在動物被放進一個密封的容器後，它們的呼吸會變得吃力起來，直到最後停止呼吸。
玻意耳的實驗展示了什麼呢？最明顯的教訓就是如果你有寵物的話，你不會想讓羅伯特·玻意耳幫忙看房子。但實驗表明，在動物呼吸時，它們要麼是在吸收空氣中的某些成分，這種成分如果用光就會導致死亡，要麼就是在排出某些氣體，這些氣體的濃度如果足夠高的話，也將是致命的，或者兩種情況都有。玻意耳認為是前一種情況，但不管是哪種，他的實驗表明空氣不是元素，而是由不同成分構成的。
玻意耳也使用胡克近期發明的、有了很大改進的真空泵研究空氣在燃燒中起到的作用。他觀察到，一旦真空泵把裝有燃燒物體的密封容器中的空氣全部吸走，火就會熄滅。於是玻意耳推論說在空氣中存在某種燃燒和呼吸過程必需的未知物質。
識別元素的研究是玻意耳工作的重心。他清楚亞里士多德和他的追隨者是錯的，但是，考慮到他所能獲得的資源的有限性，在他能用更準確的觀點來取代亞里士多德的觀點之前他只能取得不完整的進步。儘管如此，能夠證明空氣是由不同成分構成的氣體就足以有效地打擊亞里士多德的理論，就跟伽利略觀察到月球上有山丘和隕石坑、木星擁有衛星對亞里士多德理論產生的衝擊效果一樣。通過這樣的工作，玻意耳用更謹慎的實驗和觀察取代了過去的傳統智慧，幫助新生的科學從亞里士多德的觀點中解放了出來。
* * *
在對空氣進行化學研究時有一樣東西尤其具有意義。我們明白了硝石或者水銀氧化物並不能使我們對自身有所瞭解，但空氣卻給了我們生命。然而在玻意耳之前，空氣從來都不是一種熱門的研究物質。因為研究氣體很困難，並且受到技術條件的極大限制。這一狀況直到18世紀晚期才得以改變，像集氣槽這樣的新實驗室設備的出現才使人們具備了收集化學反應中產生的氣體的能力。12
然而不幸的是，因為發生化學反應時經常會有不可見的氣體被吸收或者釋放，在不瞭解氣體狀態的情況下，化學家分析許多重要的化學過程時——特別是燃燒——會得出不完整甚至是帶有誤導性的結論。為了讓化學真正地擺脫中世紀的影響，這種情況必須改變——火的性質必須被理解。
在玻意耳之後的一個世紀，燃燒必需的氣體——氧氣——終於被發現了。然而發現氧氣的這個人的房子卻在1791年被一個憤怒的暴徒燒燬了，這不得不說是一種歷史的諷刺。激怒暴徒的原因是這個人支持美國和法國革命。由於這種爭議，約瑟夫·普裡斯特利（1733—1804）在1794年離開他的祖國英國去了美國。13
普裡斯特利信仰唯一神論，同時也是一位著名的宗教自由的熱情擁護者。他以牧師的身份開始他的職業生涯，但在1761年卻成為一個新教學院的現代語教師。這所學院為那些反對英國教會的人扮演著大學一般的角色。在那裡，他受到一位同事教學內容的啟發，撰寫了電學這門新科學的歷史。他對這個課題的研究引導著他展開了最初的實驗。
普裡斯特利和玻意耳鮮明的人生和社會背景差別反映出了他們所處時代的差別。玻意耳在啟蒙運動開始時去世，西方思想和文化史上的這段時期大約從1685年持續到1815年。而普裡斯特利工作在那個時代的巔峰時期。
啟蒙運動是一個科學和社會發生劇變的時代。按照伊曼努爾·康德的說法，這個表述本身代表著「人類從他們自我招致的不成熟中脫離」。14康德關於啟蒙運動的箴言很簡單：Sapere aude——「勇於求知」。確實如此，啟蒙運動的特別之處在於它對科學進步的欣賞，對挑戰舊有教條的熱情，以及對理性將打敗盲目信仰並將帶來實際社會福利的原則的堅持。
同樣重要的是，在玻意耳的時代（以及牛頓的時代），科學只是少數幾個精英思想家的領域。但到了18世紀，工業時代的苗頭開始出現，中產階級的地位持續上升，而貴族的統治力卻不斷減弱。結果，到18世紀下半葉，科學已經成為一個相對較大的受教育階層的關切，這一群體的成員更多元，其中也包括了中產階級，他們中的很多人把學習當作是一種提高自己經濟地位的途徑。化學尤其從這個新的、基礎更廣泛的從業者群體——像普裡斯特利這樣的人——以及他們帶來的發明家和企業家精神中獲益匪淺。
普裡斯特利關於電學的書在1767年面世，但在同一年，他的興趣從物理學轉向了化學，尤其是氣體。他改變研究領域不是因為他對於那門科學有任何深刻的見解，或者他恰好相信它是一個更重要的研究領域。相反，他之前搬到了一家釀酒廠的隔壁居住。在這個地方，木桶中的發酵物在發酵時會劇烈地冒出大量的氣體，這種現象激起了他的好奇心。他收集了大量的這種氣體，並且在和玻意耳類似的實驗中，他發現如果在一個裝滿這種氣體的密封容器中放入燃燒的木屑，火就會熄滅，而把老鼠放進這樣一個容器中它很快就會死掉。他同樣注意到如果將它溶解於水中，就會形成一種充滿氣泡的液體，口感很好。今天我們知道這種氣體是二氧化碳。普裡斯特利在不經意間發明出一種製作碳酸飲料的方法，但是，唉，因為他並不是一個有雄厚資本的人，他沒能把他的發明商業化。幾年後一個名叫約翰·雅各布·史威士的人將其商業化，他的蘇打水公司至今還在經營。
普裡斯特利當時應該利用他對化學的迷戀創造一個商業副產品，這是適宜的，因為隨著18世紀晚期工業革命的到來，我們發現科學和工業可以互相促進來取得前所未有的偉大成就。在之前的世紀裡，偉大的科學進步並沒有立即產生多少實際用途，但開始於18世紀晚期的進步卻完全改變了人們的日常生活。科學和工業合作所產生的直接結果包括蒸汽機的發明、工廠在利用水力方面的技術進步、機械工具的發展，以及後來鐵路、電報、電話、電，以及電燈泡的出現。
在1760年左右，處於發展初期的工業革命依靠的只是技工發明家的貢獻，而非新科學原理的發現，但它卻在富人中引發了一場通過贊助科學來改進生產技藝的運動。一個對科學抱有這種興趣的富有的贊助人是謝爾本伯爵威廉·佩蒂。1773年，他不但給普裡斯特利提供了一個圖書館員和他孩子的家庭教師的職位，還為他修建了一間實驗室，並同意給他大量的閒暇時間去開展研究。
普裡斯特利是一個聰明且嚴謹的實驗家。在他的新實驗室中，他開始對燒渣進行實驗，我們現在知道它是一種水銀的氧化物——換句話說，水銀的「銹」。那時的化學家知道當他們加熱水銀來製造燒渣時，水銀會從空氣中吸收某種東西，只是他們並不清楚那是什麼物質。有趣的是，當燒渣繼續被加熱時，它又變成水銀，大概是排出了它吸收的東西吧。
普裡斯特利發現燒渣排出的氣體有著不同尋常的性質。「這種氣體具有高貴的本性，」他寫道，「在這種氣體裡燃燒的蠟燭的火焰帶有令人驚奇的強度……但為了完成對這種氣體出眾品質的證明，我把一隻老鼠放入這種氣體裡；這個量的氣體，假如是普通空氣，老鼠將會在一刻鐘就死掉，而它活了……整整一個小時，並且在被拿出來之後還依然活力十足。」15他繼續體驗這種「高貴的」氣體——當然就是氧氣：「吸入這種氣體後我肺部的感覺和吸入普通氣體沒有什麼明顯的不同；但我認為我的胸口在隨後一段時間內感到特別輕鬆和舒適。」他推測這種神秘的氣體或許會成為一種流行於有閒富人階層中的新惡習。
普裡斯特利沒有變成一個把氧氣賣給富人的經銷商。相反，他研究這種氣體。他把已經結塊變黑的血樣暴露在這種氣體裡，發現血塊變成了鮮艷的紅色。他同樣注意到如果把深色的血液放置在一個狹小的密閉空間裡，讓它從空氣中吸收這種氣體，在血液變成亮紅色之後，任何放進去的動物很快就會窒息而死。
普裡斯特利使用這些觀察結果來說明我們的肺與空氣相互作用從而使我們的血液恢復活力。他又用薄荷和菠菜來做實驗，他發現生長的植物可以恢復空氣支持呼吸和燃燒的能力——換句話說，他是第一個注意到我們今天所說的光合作用效果的人。
儘管普裡斯特利對於氧氣的效果有了很多瞭解，也通常被認為是它的發現者，但他並沒有理解它在燃燒過程中的重要意義。相反，他贊成當時一種流行但卻複雜的理論，這種理論認為物體燃燒不是因為它們與空氣中的某種東西發生反應，而是因為它們在釋放某種叫作「燃素」的東西。
普裡斯特利曾展開過具有啟發性的實驗，但他並沒有看到它們所揭示的東西。這個工作留給了一個叫安托萬·拉瓦錫（1743—1794）的法國人，由他來解釋普裡斯特利實驗的真正意義——呼吸和燃燒是從空氣中吸收某種東西（氧氣）的過程，而不是向空氣中釋放「燃素」的過程。16
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一個以煉金術開始的領域可以上升到牛頓物理學精確的數學嚴謹的高度，這看上去或許像一個不切實際的夢想，但許多18世紀的化學家相信它可以。甚至有人推測說構成物質的原子間的吸引力本質上就是重力，並且可以用來解釋化學性質。（今天我們知道他們是對的，只不過這種作用力是電磁力。）這種觀點來自牛頓，他斷言：「自然界存在的介質能夠通過強烈的吸引力使物體粒子（例如原子）粘連在一起。把它們找出來是實驗哲學的工作。」17這是化學在發展過程中所要面對的難題之一：牛頓觀點的字面意思在多大程度上可以從物理學上轉移到其他的科學上。
拉瓦錫是受到牛頓革命巨大影響的化學家之一。他把人們在當時從事的化學視為一個「建立在極少數事實之上的……由完全不一致的觀點和未經證明的假定構成的……未曾被科學邏輯觸及的」主題。18儘管如此，他依然試圖讓化學效仿嚴謹的實驗物理學的量化方法，而不是理論物理學純粹的數學體系。考慮到他那個時代的知識和技術能力，這是一個明智的選擇。最終，理論物理學將可以通過它的公式來解釋化學，但這得等到量子理論以及更勝一籌的高速數字計算機的出現。
拉瓦錫對於化學的選擇反映出他同樣熱愛化學和物理學這樣一個事實。實際上他或許更偏愛後者，但作為巴黎一個富裕的律師的兒子，他的家庭對於地位和特權有強烈的保護傾向，所以他最初認為化學太危險且容易引發爭議。儘管拉瓦錫的家人支持他的志向，但他們期待他成為一個既人情練達又勤奮努力的人，他們看重謹慎和克制——但這些品質並不是他的天性。
拉瓦錫的真愛是科學，這在認識他的人看來肯定再明顯不過了。他有瘋狂的點子以及宏大的計劃去實踐它們。當他還是少年時，他試圖研究節食對於健康的影響，於是在相當長的一段時間內他除了牛奶什麼也不吃，他還曾提議說把他關在一個黑暗的屋子裡6個星期來提高他判斷光照強度細微差別的能力。（很明顯他被一個朋友勸住了。）和許多其他科學先驅一樣，那種對於科學探索同樣的熱情將會反映在他整個一生對於長時間的、乏味的追求認知工作的投入中。
拉瓦錫很幸運，因為錢對他來說從來都不是一個問題：在他二十來歲的時候，他就提前得到了他的遺產，按今天的貨幣換算價值超過了1 000萬美元。他用這筆錢來做投資，購買了一家名為普通農民公司的金融機構的股份，獲得了豐厚的收益。普通農民並不種植蘆筍；他們徵收某些稅種，國王決定把這些稅的徵收工作交給他們去做。
拉瓦錫的投資很實際——它帶來的是監督煙草管理執行情況的職責。作為對他努力的回報，公司付給拉瓦錫平均每年等同於250萬美元的股息分紅。他用這些錢建造了世界上最好的私人實驗室，據說這個實驗室儲藏了如此多的玻璃器皿，以至於人們會猜想拉瓦錫喜歡看他的燒杯藏品的程度就和他喜歡使用它們的程度一樣高。他也把他的錢用在了很多人道主義事業上。
拉瓦錫在1774年秋天從普裡斯特利本人那裡聽說了他的實驗，當時他正以一種科學導遊的身份陪著謝爾本大人在歐洲旅遊，剛好來到巴黎。他們三個和巴黎科學界的部分要人在一起用餐，之後在一起聊天。
當普裡斯特利告訴拉瓦錫他目前正在做的工作時，拉瓦錫馬上意識到普裡斯特利關於燃燒的實驗跟他進行的關於生銹的實驗有某些共同之處；這讓他又吃驚又高興。但他也感到普裡斯特利對於化學理論原理知之甚少，或許甚至連他自己實驗的含義都不清楚。他的工作，拉瓦錫寫道，是「一件由實驗編織的紡織品，很難被任何推理打斷」。19
在一門科學的理論和實驗方面都出色當然是一個過高的要求，我所認識的頂級科學家就沒有幾個敢說那樣的話。從個人角度說，我早先也被認為是一個嶄露頭角的理論家，於是在學校我被要求只需要加入一個物理實驗室。在這個實驗室裡，我要從零開始設計和製造一台收音機，這項工程耗費了我整整一個學期的時間。最終，我的這台收音機只有在被倒著拿起來並不斷搖晃時才能工作，即使那樣它也只能收聽到一個電台，那是波士頓一家播放刺耳的先鋒派音樂的廣播電台。因此我非常感激物理學領域裡的勞動分工，就和我的大部分朋友一樣，不管他們是理論家還是實驗家。
拉瓦錫在化學理論和實驗方面都是大師級的人物。拉瓦錫並不認為普裡斯特利是一名優秀的知識分子，他也為探索生銹與燃燒過程的相似之處的可能性而感到興奮，在第二天早上，他使用水銀及其氧化物燒渣重複了普裡斯特利的工作。他改進了普裡斯特利的實驗，在測量和稱重每一樣物品時都一絲不苟。接下來，他為普裡斯特利的發現提供了一個解釋，這個解釋是普裡斯特利自己從來沒有設想過的：水銀燃燒時（形成燒渣）與一種氣體結合，這種氣體是自然界的一種基本元素，並且——他的測量顯示——它增加的重量等於它結合的氣體的重量。
拉瓦錫仔細的測量工作也展示了別的東西：當發生相反過程時——即燒渣被加熱變成水銀——它的重量會變輕，據推測應該是釋放出了它吸收的相同氣體，它損失的那部分重量和水銀變成燒渣時增加的重量完全相等。儘管普裡斯特利因為發現在這些實驗的過程中被吸收和釋放的氣體而獲得了讚譽，但只有拉瓦錫才解釋了它的重要意義——並最終將它命名為氧氣。[3]
拉瓦錫後來把他的觀察轉向了科學領域最著名的定律之一，質量守恆定律：化學反應中產生的物質的總質量一定與最初的反應物的質量相同。這或許是煉金術發展成為現代化學的征途中最偉大的里程碑：將化學變化視為元素的組合和再組合的過程。
拉瓦錫與稅收農場的關係為他重要的科學工作提供了資金。但這也將被證明毀滅了他，因為這讓他吸引了推翻法國王室的革命者的注意。在任何時間任何地點，稅吏受歡迎的程度就和一個患有肺結核和重感冒的人受歡迎的程度一樣。但這些稅吏尤其遭人鄙夷，因為他們負責徵收的許多稅目都被視為不合理和不公平的，特別是它們對窮人造成的影響。
據說，拉瓦錫在履行職責時很公平，也很誠實，並對那些他要徵稅的人抱有一定的同情，但法國大革命並不以它明辨是非的判斷而聞名。拉瓦錫給了革命者充足的理由去仇視他。
他最嚴重的罪行是讓政府圍繞巴黎市修建的巨大的厚重石牆，按今天的貨幣來換算造價有幾億美元。所有人只能通過城牆的關卡進出，這些關卡有全副武裝的衛兵巡邏，他們會評估所有進出巴黎的物資並登記在冊以便徵稅。因此——造成了公眾的苦惱——拉瓦錫把他對精確測量的嗜好帶出了實驗室，帶進了他作為稅收代理的工作中。
當法國大革命於1789年爆發時，拉瓦錫的城牆是第一個遭到攻擊的建築物。在恐怖統治之下，他於1793年被逮捕——和其他稅吏一起——被判處死刑。他請求延遲他的行刑日期，以便可以完成他正在進行的研究。據說，法官告訴他，「共和國不需要科學家」。20或許不需要吧，但化學卻需要呀，幸運的是，在他50年的人生中，拉瓦錫已經改造了這個領域。
被執行死刑的時候，拉瓦錫已經將33種已知物質認定為元素。除了10種，其他的都對。他還發明了一種根據元素構成來命名化合物的標準體系，取代了在他之前一直存在的那種令人昏亂和缺乏啟發性的化學語言。我一直強調數學作為物理學語言的重要性，但一種切實可行的語言對於化學也同樣重要。比如在拉瓦錫之前，hydrargyrum（汞）的燒渣和quicksilver（汞）的燒渣是同一種化合物的兩種叫法。在拉瓦錫的術語中，那種化合物變成了「汞的氧化物」。
拉瓦錫並沒能發明出現代化學方程式，比如「2Hg + O2 →2HgO」，這個方程式描述了水銀氧化物的產生過程，但他確實為它的出現打下了基礎。他的發現在化學領域引發了一場革命，並喚起人們對於工業的熱情，而工業又反過來為未來的化學家提供了可供研究的新物質，以及需要解答的新問題。
在1789年，拉瓦錫曾出版一本名為《化學綱要》的書來整合他的觀點。今天這本書被視為化學領域的第一本教科書，它澄清了元素是一種不可分解的物質的概念，否定了四元素理論和燃素的存在，維護了質量守恆定律，展示了他合理的新命名方法。這本書經短短一代人的時間就變成了經典，教導和啟發了無數後來的開拓者。在那時，拉瓦錫已經被殺害，屍體被丟棄在一個巨大的集體墓穴中。
拉瓦錫一生都在為科學服務，但他也迫切地渴望名聲，並為自己沒能親自分離出一種新元素而懊惱（儘管他試圖分享發現氧氣的榮譽）。最終，在法國否認需要科學家之後的一個世紀，他的祖國於1900年為他在巴黎樹立起一尊銅像。在揭幕儀式上，各方要人評論稱他「值得人類尊重」，以及他是一位「人類偉大的恩人」，因為他曾「創立了指導化學變化的基本定律」。21一位發言者認為這尊雕像刻畫出了拉瓦錫「力量和智慧的所有榮光」。
這聽起來很像拉瓦錫曾經渴望獲得的認可，但我很懷疑他是否享受這樣的典禮。因為雕像的面孔後來被證明並不是拉瓦錫的，而是哲學家和數學家馬奎斯·德·孔多塞的，在拉瓦錫最後的歲月中孔多塞是科學院的秘書。雕塑家路易斯–歐內斯特·巴裡亞斯（1841—1905）從另一位藝術家製作的雕像上複製了它的頭部，但並沒有正確地認出它的主題。22在這件事情被披露之後，法國人似乎並沒有感到不安，他們依然留下了那尊錯誤的銅像——一個紀念被他們送上斷頭台的人的雕像，卻帶著另外一個人的腦袋。[4]最終，這尊雕像存活的時間和拉瓦錫一樣長。跟他一樣，它最後成為戰爭政治的犧牲品——在納粹佔領期間它被拆毀用來製造子彈。23至少拉瓦錫的觀點被證明是經得住時間考驗的。它們重塑了化學領域。
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人們經常會提及「科學長征」，但科學並不會自己往前走；是人在推動它向前發展，和行軍相比，我們向前發展的過程更像是一場接力賽。並且，這是一場相當古怪的接力賽，因為那些接棒的人經常會向上一個賽跑者意想不到，也不會認可的方向前進。這正是拉瓦錫完成他的偉大賽程之後化學領域下一個偉大的夢想家在接替他時發生的事情。
拉瓦錫雕像，其頭部是孔多塞
拉瓦錫澄清了元素在化學反應中發揮的作用，並推廣了一種描述它們的量化方法。今天我們知道要想真正地理解化學——並且，尤其是如果你想對化學反應有一個量化的理解——你需要理解原子。但拉瓦錫卻對原子的概念嗤之以鼻。這並不是因為他思維狹隘或目光短淺。相反，他是出於完全實用的理由才反對這種從原子的角度思考問題的觀點。
自希臘人提出這個概念之後，學者們一直在對原子進行推測——儘管有時候會用不同的名字來稱呼它們，比如「微粒」，或者「物質顆粒」。然而，由於它們實在太小，在近2 400年的歷史長河中，沒有一個人設想出一種方法來將它們和現實的觀察以及測量聯繫起來。
為了讓大家對於原子究竟有多小有一個概念，現在設想用彈珠把世界上所有的海洋填滿。接著再設想每一粒彈珠都縮小到一個原子的大小。它們會佔多大的空間呢？比一茶匙的量還要少。觀察那麼小的東西的影響，希望有多大呢？
正像它證明的那樣，很大——那個神奇的成就最早是由一位名叫約翰·道爾頓（1766—1844）的教友派信徒教師取得的。24歷史上許多偉大的科學家都是有趣的人物，但作為一個貧窮織工的兒子，道爾頓並不是其中一員。他是個做什麼事情都井井有條的人，不管是他的科學研究還是生活習慣都是如此。比如到了每天下午5點他必須喝茶，隨後會在晚上9點吃一頓肉和土豆做成的晚餐。
道爾頓以《化學哲學新體系》這本書聞名，這是一部由三個部分組成的條理清晰的論文，最讓人驚訝的是它們全都是道爾頓在閒暇時間研究和完成寫作的。第一部分發表於1810年，那時他45歲，這是一本916頁的巨著。在這916頁中，他在一個僅僅只有5頁篇幅的章節裡提出了讓他在今天聞名於世的劃時代觀點：一種利用你在實驗室中可以進行的測量來計算原子相對重量的方法。那就是科學觀點的力量和激動人心的地方—5頁紙就可以糾正已經被誤導了2 000年的理論。
就和很多觀點一樣，道爾頓也是以一種迂迴的方式想到這一點的，儘管當時已經是19世紀，但道爾頓的觀點卻受到了一個出生在17世紀中葉的人的啟發——再一次，這就是艾薩克·牛頓的影響力可以到達的範圍。
道爾頓喜歡散步，他年輕時生活在坎伯蘭，那是英國最潮濕的地區，他開始對氣象學產生興趣。他還是一個神童，在十來歲的時候就已經開始研究牛頓的《數學原理》。這兩種興趣被證明是一種有效的結合，因為它們引導著他對氣體的物理性質產生了興趣——比如坎伯蘭鄉下那種潮濕的空氣。由於迷戀牛頓的微粒理論——其實是經過牛頓關於作用力和運動的觀點改進過的古希臘人的原子概念——道爾頓開始懷疑氣體可溶性的不同是它們原子的體積大小不一樣導致的，並且，這又反過來引導著他開始思考原子的重量。
道爾頓的方法基於這樣一種觀點：如果人們僅仔細考慮純淨的化合物，那麼構成化合物的成分的比例完全相同。比如，存在兩種不同的銅的氧化物。如果分別檢查那些氧化物，就會發現每消耗一克氧氣，所生成的一種氧化物需要用掉4克銅，而另一種氧化物需要消耗8克銅。這表明在後一種氧化物中，每個氧原子要與兩倍的銅原子結合。
為簡單起見，現在設想在前一種情況下每個氧原子和一個銅原子結合，而在後一種情況下每個氧原子與兩個銅原子結合。那麼，既然在前一種情況下氧化物是由4克銅和1克氧構成的，那你就可以斷定一個銅原子的重量是一個氧原子重量的4倍。碰巧的是，那個假設是正確的，道爾頓就是用這種推理方法來計算已知元素原子的相對重量的。
因為道爾頓計算的是相對重量，他需要從某個地方著手，於是他選定了最輕的已知元素——氫——作為「一個」重量單位，用它來計算所有其他元素相對於它的重量。
不幸的是，他關於元素以最簡單的比例結合的假設行不通。比如，那個假設指定水的分子式為HO，而不是我們今天知道的更複雜的H2O。因此，當他計算氧原子相對於氫原子的重量時，得出的結果其實是真實結果的一半。道爾頓對於這種不確定性非常清楚，就水而言，他把HO2和H2O都視為有效的替代可能。如果普通化合物的分子式都像H37O22這樣，那相對重量將會很難解釋，但幸運的是不會出現這種情況。
道爾頓清楚他的估算只是暫時性的，也知道他需要收集大量化合物的數據才能發現假定分子式中存在的前後矛盾之處，從而或許可以指出它們的謬誤。那個困難還要再困擾化學家50年，雖然解決細節問題還需假以時日，但這並不會削弱它對這個領域的影響，因為道爾頓版的原子論由於可以同實驗室測量聯繫起來因而最終具有了實際意義。並且，在拉瓦錫的工作基礎上，道爾頓使用他的觀點創造了有史以來第一種化學定量語言——一種按照分子之間交換原子的理論來理解化學家展開的實驗的新方法。比如在現代版本中，為了描述氧和氫生成水的過程，化學家（或者高中生）會寫「2H2 + O2 →2H2O」。
這種化學新語言使化學家理解和推理他們在製造化學反應時觀察和測量得到的東西的能力發生了革命性的改變，他的觀點自此以後一直都是化學理論的核心思想。道爾頓的工作讓他聞名世界，儘管他迴避公共榮譽，但他還是接受了榮譽，包括他曾堅決拒絕的皇家學會會員身份。1844年去世時，他原本希望一切從簡的葬禮卻吸引了超過4萬名送葬者。
經過道爾頓的努力，人類對物質性質的理解由古代神秘知識提出的理論發展到了開始從一個遠遠超越我們感官的層面來理解物質的地步。但如果每種元素都依據它們原子的重量來區分，原子性質與我們看到的化學和物理特徵之間又有著怎樣的關聯呢？那就是這場接力比賽的下一棒了，實際上這也是在牛頓學說理論範圍內可以解答的最後一個關於化學的深奧問題。更深刻的見解會出現的，但它們將不得不等待物理學領域的量子革命。
* * *
斯蒂芬·霍金因身患某種疾病而癱瘓，儘管人們以為這種疾病將在幾年之內殺死他，但他還是繼續活了幾十年。他有一次告訴我，他認為頑固是他最優秀的品質，我認為他或許是對的。儘管這讓他有時候很難共事，但他知道正是他的頑固讓他不但活了下來，也給了他繼續開展研究的力量。
已經完成的科學理論在經過詳細論述後看起來似乎都是顯而易見的，但創造它們通常只能依靠巨大的毅力。心理學家常提起一種被稱為「膽量」的品質，這種品質與毅力、頑固以及熱情有關，這些特質我們在這些篇章中已經看到了太多。他們發現這種被定義為「隨著時間的推移帶著持續的興趣和努力追逐長期目標的性格」與所有事情的成功息息相關，無論婚姻還是軍隊的特種部隊皆是如此，這並不讓人驚訝。25或許這也是為什麼到目前為止我們在這個故事中見到的人物都非常頑固，甚至傲慢。大多數偉大的發明家也是如此。他們必須如此。
我們的下一位開拓者是俄國化學家德米特裡·門捷列夫（1834—1907），他以使性子和一陣陣地發脾氣聞名（以及他每年只修剪一次頭髮和鬍子），非常適合被供奉在倔強的騾子的萬神殿裡。26實際上，他的個性強硬到他的妻子最終學會住在他們鄉下的房子裡來避開他——除了他出現在那裡時，這時她就會拉起孩子搬到她們在城市裡的住所。
德米特裡·門捷列夫
和霍金一樣，門捷列夫也是一個死裡逃生的人。快20歲的時候，他因為患上肺結核而住進了醫院，但他不但活了下來，還在附近發現了一個實驗室，在康復期間他就在那裡進行化學實驗。後來，在取得他的執教資格證書後，他激怒了一名教育部官員，結果被安排去遙遠的克里米亞的一個高中任教。那年是1855年，當門捷列夫到那裡時，他發現那所高中不僅處於戰區，而且已經被關閉很長時間了。他毫不氣餒地回到了家裡，放棄了他有著遠大發展前景的高中教師職業，在聖彼得堡大學找到了一份無薪大學教師的工作——通過講課賺取小費。他最後成為那裡的一名教授。
門捷列夫之所以能成為一名化學家，而不是一個根本沒有接受過教育的人，完全感謝他的母親。他出生在西西伯利亞一個窮苦的家庭，是家裡14或17個（數字有爭議）孩子中最小的那個。他的學習成績並不優異，但卻很喜歡進行臨時科學實驗。他母親相信他的智力，在他15歲時父親去世，她和他一起動身上路，去找一所願意接收他的大學。
這被證明是一段1 400英里（2253千米）的旅程，包括搭了很多馬拉貨車的便車，但最終他還是得到了聖彼得堡中央師範學院的一小筆獎學金，這裡的主任是他已故父親的老朋友。他母親在不久之後就去世了。37年後，他把一篇科學論文獻給她以示紀念，這篇論文引用了他稱之為她的「神聖的」臨終遺言：「戒除空想，專注工作，放棄空談。耐心尋找上帝和科學的真理。」和他之前的許多偉大科學家一樣，門捷列夫把這些話作為自己一生的信條。
從某種意義上說，門捷列夫非常幸運地出生在正確的時間。實際上，每一個偉大發現和創新都源自人類洞察力和幸福環境的結合。愛因斯坦很幸運，因為他在電磁學現代理論成型後不久就開始了他的職業生涯，這種表明光速恆定的觀點將成為他相對論的精華。史蒂夫·喬布斯也同樣幸運，他職業生涯開始的時間正好是技術條件發展到能夠開發出有用的個人電腦的階段。從另一方面講，美籍亞美尼亞發明家和商人盧瑟·希姆吉安擁有許多專利，但他最好的點子卻早出現了大約10年：他在1960年設想出一種他稱之為「銀行票據機」的自動取款機（ATM）。27他勸說紐約市銀行安裝少量這種機器，但人們並不相信他們會接受存款，所以只有妓女和賭徒才會使用它們，因為他們不想和出納員面對面打交道。10年後，時代變了，ATM機大受歡迎，只不過用的是其他人的設計。
和希姆吉安不同的是，時代精神站在門捷列夫這一邊。門捷列夫成年的時候正好也是化學收穫成果的時候——元素可按族劃分的觀點在19世紀60年代傳遍了歐洲。比如，人們已經注意到氟、氯、溴——瑞典化學家永斯·雅各布·貝采利烏斯在1842年將它們歸類為「鹵素」——似乎屬於一類：它們都具有高度腐蝕性，但當與鈉結合時又會變得溫和，形成無害的鹽狀結晶。（比如，食鹽就是氯化鈉。）人們也不難察覺像鈉、鋰、鉀這樣的鹼性金屬之間的相似之處。它們都是有光澤、柔軟和性質非常活潑的金屬。實際上，鹼性金屬族中的成員都十分相像，如果用鉀來替換食鹽中的鈉，得到的東西和氯化鈉十分接近，甚至可以被用來做食鹽的替代品。
受到卡爾·林奈將生物進行分類的方案的啟發，化學家也試圖發明出一種他們自己的可以用來解釋元素之間關係的全面的族系。但所有這些組群的特徵並不明顯，人們也不清楚它們之間的相互關係，或者原子的哪些特性決定了族群的相似性。這些問題吸引了整個歐洲的思想家，甚至一個煉糖人，或者至少是煉糖廠裡的家庭化學家都開始行動起來了。儘管有少部分思想家敲響了答案的大門，但只有一個人——門捷列夫——打開這扇大門衝了進去。
你也許會想到如果將元素進行分類的觀點「非常流行」，那麼成功做到這一點的人將獲得熱烈的喝彩，但你不一定會就此推斷那個人將會被認為是他這個領域有史以來最偉大的天才之一——門捷列夫就是這樣一個人。是什麼讓他能夠和玻意耳、道爾頓以及拉瓦錫這樣的巨人站在一起呢？
門捷列夫發明的「週期表」並不是化學家版的鳥類野外手冊；相反，它是化學家版的牛頓定律，或者至少它的成就像化學希望的那樣接近於那個神奇的成就。因為它並不只是一個羅列元素族群的表格；它就像一個真實的靈應牌，可以允許化學家去瞭解和推測任何元素，甚至那些尚未發現的元素的性質。
回望過去，人們很容易把門捷列夫的突破歸功於他在正確的時間提出了正確的問題，他的職業道德、熱情、頑固以及極端的自信。但就和在發現以及創新過程中經常會出現的情況一樣——以及我們自己生命中的許多事情——和他的智力因素同樣重要的是偶然事件發揮的作用，或者至少一個為這些品質取得勝利提供了舞台的無關事件。在這種情況下，它就是門捷列夫想寫一本化學教科書的偶然決定。
1866年，32歲的門捷列夫收到了聖彼得堡大學化學系教授的任命，寫教科書的決定就是在這之後做出的。聖彼得堡由彼得大帝在150年前建立，最終變成了歐洲的學術中心。它的大學是俄國最好的大學，但俄國還遠遠落後於歐洲其他國家，並且，在瀏覽了俄國的化學著作之後，門捷列夫並沒有找到適用於教學的最新教材。因此，他決定寫一本自己的教科書。這本書要耗費許多年的時間才能完成，並注定會在未來幾十年被翻譯成所有主要語言並在大學裡廣泛使用。這本書有些離經叛道，充滿了逸聞、推測和怪誕的內容。這是一本用愛寫就的作品，他想讓這本書成為最好的書，正是這種動力逼迫他關注那些引導著他完成偉大發現的問題。
門捷列夫在寫書時面臨的第一個挑戰是如何組織這本書。他決定根據元素的性質把元素及其化合物劃分成組，或者族。在相對容易地描述完鹵素和鹼性金屬後，他面臨著接下來該寫哪個組的問題。它們的順序是不是太隨意了？或者是否存在某種支配它的組織原則呢？
門捷列夫艱難地思索著這個問題，在他深厚的化學知識中尋找不同的組是如何相互作用的線索。一個週六，他是如此專注，以至於他從晚上一直工作到了第二天上午。但他依然一籌莫展，這時他彷彿著了魔似的抓起筆在一個信封的背面按照它們的原子重量以上升的順序寫下氧、氫和鹵族元素的名字——總共12種元素。
這時他突然注意到一個醒目的模式：這個名單以氮、氧、氟開始——每組中最輕的成員——緊隨其後是每組中第二輕的成員，並依次排列下去。換句話說，這個名單形成了一個重複的，或者「週期性的」模式。這些元素中只有兩種不適用於這個模式。
門捷列夫將每組元素排列成行，以疊加的方式寫成一張表，這時他的發現變得越發明顯。（今天我們以縱行來寫這些組群。）就是這麼一回事嗎？如果這12種元素真的構成了一種有意義的模式，那其他51種當時已知的元素會不會也符合這種模式呢？
門捷列夫和他的朋友常常玩一種叫作「耐心」的紙牌遊戲，在這種遊戲中他們攤開一副撲克牌，然後以某種方式來擺放它們。他後來描述說這些牌形成了一張表，看起來很像他那天用12種元素做的表。他決定將所有已知元素的名字和原子重量寫在撲克牌上，試著用它們做一張表來玩一種他現在稱為「化學耐心」的遊戲。他開始把這些牌挪來挪去，試圖以某種有意義的方式擺放它們。
門捷列夫的方法有嚴重的問題。首先，他並不清楚某些元素應該屬於哪個組，對於其他元素的性質也沒有充分瞭解。並且人們對於某些元素的原子重量尚存有爭議，並且，就像我們現在知道的那樣，某些元素的重量完全就是錯誤的。或許最嚴重的是，還有元素尚未被發現，這讓他的排序工作看上去很難有什麼效果。
所有這些問題讓門捷列夫的任務變得異常艱巨，但還有一樣東西，一樣更微妙的東西：人們沒有理由相信一個基於原子重量的方案可以解決問題，因為在當時沒有人理解原子的重量會反映出它哪方面的化學性質。（今天我們知道它是在原子核裡的質子和中子的數量，中子的重量和原子的化學性質無關。）在這種困難局面下，正是門捷列夫的頑固支持著他追尋觀點的熱情：他只依靠著直覺和信念堅持了下去。
門捷列夫的工作以最直觀的方式揭示了科學進程是怎樣一個解決難題的活動。但它也展示了重要的不同之處，因為和你在商店裡購買的拼圖遊戲不同，門捷列夫拼圖的圖塊並不能安放到位。部分科學研究以及所有創新有時候就是忽略那些顯示你的方法似乎不可能有用的問題，因為你堅信你最終會找到一種變通方法，或者這些問題終究將被證明無關緊要。在這種情況下，依靠著出色的天資和非凡的毅力，門捷列夫通過重新製作拼圖的部分圖塊以及完全製造其餘的圖塊最終完成了自己的拼圖。
事後再看，人們很容易賦予門捷列夫的成就一種英雄主義的光環。即使你的觀點聽起來不著邊際，但如果它們起作用，我們也會把你當作英雄。但從另外一個方面講，從古至今有太多瘋狂的方案被證明是錯誤的。實際上，那些成功的方案遠遠沒有那些不成功的方案數量多。錯誤的方案很快就會被人們遺忘，它們的信仰者所投入的經年累月的光陰最終被浪費了。我們經常把支持那些方案的人稱為失敗者和瘋子。但英雄主義就是勇於冒險，因此，在調查研究方面真正的英雄主義就是，無論它的結果令人滿意還是讓人失望，我們科學家和其他革新家所承擔的風險——經年累月的付出，激烈的智力奮爭，而這些或許可以，也或許不會得出一個富有成果的結論或者產品。
門捷列夫當然投入了時間。當一種元素沒有像他希望的那樣依序落位時，他拒絕接受他的方案是錯誤的。相反，他堅持己見，並斷定那些測量原子重量的人才是錯誤的——他勇敢地劃掉了測量過的重量，並填寫上使元素符合要求的數值。
當他的週期表在某處留下一個空缺時——這個位置要求的性質沒有哪種已知元素具備——他發表了最大膽的聲明。門捷列夫並沒有放棄他的觀點，或者試圖修改他的組織原則，他繼續堅稱那些空缺代表尚未被發現的元素。他甚至還預測了新元素的性質——它們的重量、物理特徵、會與哪種其他元素發生化合反應以及它們會產生哪種化合物——完全基於這個空缺出現的位置。
比如，鋁的旁邊有一個空缺。門捷列夫用一種他稱之為「類鋁元素」的元素來填補，並接著預測說當某些化學家最終發現「類鋁元素」時，它將會是一種帶有光澤的金屬，有良好的導熱性，熔點很低，每立方厘米的重量正好是5.9克。幾年之後，一位名叫保羅–埃米爾·勒科克·德·布瓦博德蘭的法國化學家在礦石樣品中發現了一種符合這些條件的元素——只不過他發現它每立方厘米的重量是4.7克。門捷列夫立即給勒科克寫了一封信，告訴他說他的樣品一定不純淨。勒科克又用一份他確保完全純淨的新樣品重複了他的分析。這一次，它的重量完全就是門捷列夫曾經預測的那樣：每立方厘米5.9克。勒科克將它命名為鎵，在拉丁語中它是法國的意思。
門捷列夫發表於1869年的原版元素週期表，以及今天的元素週期表
門捷列夫在1869年發表了他的元素週期表，最初刊登在一家鮮為人知的俄國期刊上，後來又以《論元素性質與原子重量之間的關係》為名發表在一家權威的德國刊物上。28除了鎵以外，他的週期表還為其他未知元素——今天被稱為鈧、鍺、鎝——預留了位置。鎝具有放射性，也非常稀有，因此它直到1937年才被發現。在門捷列夫去世大概30年後，它在一個粒子迴旋加速器（一種微粒加速器）中被合成。
1901年首次頒發諾貝爾化學獎，此時離門捷列夫去世還有6年。他未能獲得這個獎項是諾貝爾獎歷史上的重大誤判之一，因為他的元素表是現代化學的核心組織原理，這個發現讓我們有可能掌握物質的科學，它也是從防腐師和煉金術士的實驗裡開始的長達2 000年的工作的頂點。
但門捷列夫最後的確成為精英俱樂部中的一員。在1955年，伯克利的科學家再次利用粒子迴旋加速器，製造了一種新元素的十來個原子，為了向他的偉大成就致敬，他們在1963年將其命名為鍆。已經有超過800個人獲得了諾貝爾獎，但僅有16位科學家的名字被用來命名新元素。門捷列夫就是其中一員，他在自己的週期表上有了一個屬於自己的位置，在這裡他以101號元素出現，距離類似鑀（紀念愛因斯坦）和
（紀念哥白尼）這樣的元素僅一步之遙。
[1] 我第一次得知父親曾經是猶太人地下組織成員時並不是他告訴我的，當時我在大學圖書館裡找到了一本那個主題的書，在上面發現了他的名字。在讀了關於他的故事之後，我開始詢問他過去的經歷。
[2] 該公司的廣告語原文是「Better living through chemistry」（化學創造更好的生活）。——編者注
[3] 「氧氣」的意思是「酸味生產劑」，拉瓦錫之所以會選擇這個名字是因為所有他熟悉的酸的成分中都出現了氧氣。
[4] 有趣的是，在1913年，據報道稱一個真人大小的孔多塞的大理石半身像被作為禮物送給了位於費城的美國哲學學會，這座石像最後被證明不是孔多塞，而是拉瓦錫！(「Error in Famous Bust Undiscovered for 100 Years,」Bulletin of Photography13 (1913): 759; and Marco Beretta,Imaging a Career in Science: TheIconography of Antoine Laurent Lavoisier (Sagamore Beach, Mass.: ScienceHistories Publications, 2001), 18–24.)