第1章 基本的烹飪

花園盡頭的小屋/氣味和爆炸/故事的開始

一個夏天的下午，我帶著從網上訂購的一些玻璃器皿，和一盒6個裝的吉卜林先生牌的布拉姆利蘋果派，來到了位于倫敦東南郊區的我父母的家。我打算在那里進行一項可能是我試過的最愚蠢的實驗。

我父親小時候曾是一位熱情高漲的業余化學家，在20世紀60年代中期，他常常在家中花園盡頭的小屋里制造出各種氣味和爆炸，度過一個又一個愉快的下午。在那些日子里，任何人（包括擁有高深的化學知識并且蔑視自身安全的十幾歲的孩子）都可以從當地的化學品商店里買到一系列可怕的有毒物質。事實證明，可以買到制造火藥的所有成分。時至今日，他仍能津津有味地回憶起某項極其緊張刺激的實驗是如何戛然而止的，他的父親——一位對槍聲并不陌生的退役炮兵，沖到花園盡頭大喊：“夠了，把窗戶震得咣咣響！”那是比如今簡單的年代。我父親還有一些舊的化學設備，包括一個我日思夜想的本生燈，我很清楚，我在倫敦的小公寓多半不適合我想做的實驗。

這個實驗背后的想法是這樣的：如果你看到一個蘋果派，但對餡餅、蘋果以及它們的成分一無所知，你會怎樣弄清楚它是由什么構成的？在車庫的工作臺上，我把一小塊餡餅的樣品刮到試管里，小心翼翼地把松脆的餅皮和軟糯的蘋果餡充分混合，然后用一個中間鉆孔的軟木塞將試管密封。我用一根L形的玻璃長管，將試管連接到漂浮在冷水桶中的第二個燒瓶上，點燃本生燈，把它放在試管下面，然后往后退了退。

蘋果派開始冒泡，變得像焦糖一樣，試管內膨脹的氣體很快就要將我們的樣品擠壓進入連接管。我們稍微降低一些溫度，看著蘋果派開始慢慢變黑，令我高興的是，一縷縷霧氣開始沿著玻璃管飄出，進入另一頭的燒瓶里，不久后，燒瓶里就充滿了幽靈般的白色蒸汽。這是一個實實在在的化學實驗！

我對這種白霧是什么充滿好奇，因此會用鼻子輕輕聞一下，這是一種在人們有健康和安全意識之前常用的化學分析的嘗試和測試方法。浪漫主義時期的一位先驅化學家，漢弗萊·戴維（Humphry Davy）就是通過吸入各種氣體來研究它們的醫學功效的。1799年，他因此發現了一氧化二氮（也就是我們現在常說的“笑氣”）具有愉悅身心的功效。和他的詩人朋友們待在一個黑暗的房間里時，或者偶爾和熟識的年輕女性在一起時，他會大量吸入“笑氣”。請記住，這并不是一種毫無風險的策略。在一次一氧化碳的實驗中，他差點兒丟了性命，在被拖到戶外后他虛弱地說：“我想我不會死的。”

唉，我的蘋果派蒸汽并沒有產生任何精神上的影響，它只有一種極其難聞的焦味，這種味道似乎在之后的幾個小時一直在我周圍揮散不去。透過白霧看向燒瓶底，我發現蒸汽的某些部分在與冷水浴接觸時凝結，形成了一種黃色的液體，上面覆著一層深棕色的油膜。

經過約10分鐘的劇烈加熱，殘存的焦黑蘋果派上似乎再也不會冒出蒸汽了，因此我們得出結論，實驗已經大功告成。當我迫不及待地檢查試管里的內容物時，我一下子忘記了，你用本生燈加熱玻璃10分鐘后，它會變得滾燙，我的食指被嚴重燙傷了。我被允許靠近的最危險的設備就是臺式電腦，這非常合理。

等了很久之后，我小心翼翼地再次拿起試管，把試管里的東西倒在工作臺上。蘋果派已經變成了一團深黑色的類似巖石的物質，表面的一些部位微微發亮。那么，從這個公認相當愚蠢的實驗中，我們能得出哪些關于蘋果派成分的結論呢？好吧，我們最終得到了三種不同的物質，分別是黑色固體、黃色液體和白色氣體，它們現在已經讓我的皮膚、頭發和衣服都散發著一股令人作嘔的焦味。我承認，當時我并沒有完全弄清楚這三種蘋果派成分的確切化學組成，不過我能肯定，黑色的東西是炭，淡黃色的液體可能主要是水。為了進一步了解蘋果派的基本成分，我們需要做一些更高階的化學分析。

元素

作為一名物理學家，我或許不應該這么說，但其實化學才是我上學時最喜歡的科目。物理實驗室是枯燥且毫無樂趣可言的地方，我們在那里只能從接通電路或者死氣沉沉的鐘擺擺動中獲得一絲興奮。但化學實驗室卻是一個充滿魔力的地方，在那里你可以操控火焰，擺弄酸，點燃鎂條發出耀眼的火花，或者讓精致的玻璃器皿中彩色的藥劑冒出氣泡。護目鏡、貼著橙色警告標簽的氫氧化鈉試劑瓶、沾著以往實驗中（也許還是有毒的）不明殘留物的白色實驗服，都給化學實驗室帶來了一絲危險的氣息。所有這些都是由我們神秘的老師——特納先生負責安排的，他總是開著一輛跑車來學校，據傳他靠發明噴涂式避孕套發了財。

事實上，正是對化學的迷戀，讓我走上了最終成為粒子物理學家的道路。化學就像粒子物理學一樣，它關注物質，也就是構成世界的材料，還有不同的基本成分是如何根據一定的規則進行反應、分解或者改變其性質的。我之所以最后沒有繼續學習化學，是因為我想知道這些規則從何而來。如果我出生在18或19世紀，我很可能會堅持化學的道路走下去。在那個年代，如果你想了解物質的基本組成，化學就是適合你的學科，而非物理。

要說起創立現代化學，任何人的貢獻可能都比不上安托萬–洛朗·拉瓦錫（Antoine-Laurent Lavoisier），他是一位自以為是、雄心勃勃且富有的法國年輕人，主要活躍時間為18世紀下半葉。1743年，拉瓦錫出生在巴黎一個涉足法律界的富裕家庭。他用父親的一大筆遺產，為他在巴黎軍火庫的個人實驗室配備了所能買到的最精密的化學儀器。在妻子兼化學家瑪麗–安娜·皮埃雷特·波爾茲（Marie-Anne Pierrette Paulze）的幫助下，他自稱實現了一場化學“革命”，他系統地廢除了從古希臘繼承下來的舊式觀念，發明了化學元素的現代概念。

物質世界中的一切都是由一些基本物質（或者叫元素）組成，這種觀點已經存在了幾千年。在不同的古代文明中可以找到各種元素理論，包括埃及、印度和中國。古希臘人認為，物質世界由土、水、氣和火這4種元素組成。然而，古希臘人所認為的這些元素和我們在高中里所學的化學元素的定義天差地別。

在現代化學中，元素是像碳、鐵或金這樣的物質，不能被分解或轉化成其他任何東西。但古希臘人認為，土、水、氣和火可以相互轉化。在這4種元素的基礎上，他們還增加了4個“特性”的概念，也就是熱、冷、干和濕。土又冷又干，水又冷又濕，空氣又熱又濕，而火則又熱又干。換句話說，通過添加或刪除這些特性，就可以將一種元素轉化為另一種元素。比如，向（又冷又濕的）水中添加熱，就會產生（又熱又濕的）氣。這一物質理論提出，可以通過煉金術將一種物質轉化為另一種物質，最具代表性的就是將普通金屬變成黃金。

拉瓦錫首先反駁的是嬗變的概念。和他做出的許多最偉大的突破一樣，他的方法基于一個簡單的假設，也就是質量在化學反應中總是守恒的。換句話說，如果你在實驗開始時稱量所有成分，隨后在實驗結束時再次稱量所有產物，并注意確保沒有任何氣體逸出，那么兩者的質量應該是一樣的。化學家提出這個假說已經有一段時間了，但正是因為拉瓦錫借助一套極其精確（且昂貴）的天平，在1773年發表了自己艱苦研究的實驗結果，這一假說才流行開來。在特納先生教授的高中化學課上，質量守恒定律是作為拉瓦錫提出的原理教給我的。

支持嬗變的一個證據是，當水在玻璃容器中慢慢蒸餾時，會留下固體殘渣，這似乎證實了水可以轉化為土。拉瓦錫對此表示懷疑。他在實驗前后對空玻璃容器進行稱重，發現了一些質量的損失，這幾乎完全等于所謂的土的質量。換句話說，這種想法是無稽之談。固體殘渣只是由玻璃容器掉下的一些碎片。

拉瓦錫推翻了將水轉化為土的想法，打響了這場運動的第一槍。這場運動最終將徹底顛覆人們對化學世界的看法。他高調地宣稱他打算帶來“一場物理和化學的革命”，然后著手拆解這些元素。他的下一步行動是挑戰其中最神秘、最強大的元素——火。

在18世紀中葉，像炭這樣的易燃材料被認為含有一種所謂“燃素”的物質，當這些材料被點燃時，燃素就會釋放出來。像炭這樣的燃料含有大量燃素，這些燃素在燃燒過程中被釋放，當炭中的所有燃素都耗盡時，或者當周圍的空氣中充滿了燃素而無法進一步吸收時，燃燒最終停止。

這種燃素假說帶來的一個問題是，人們發現金屬在燃燒時實際上會變得更重，如果燃素是被釋放的話，金屬應該會變得更輕才對。法國第戎的律師兼化學家路易–伯納德·居頓·德莫沃（Louis Bernard Guyton de Morveau）給出的解釋是，這是由于燃素非常輕，當它們儲存在金屬中時，便會讓金屬“浮起來”一些，這有點兒像熱氣球。金屬燃燒后，燃素所提供的浮力就喪失了，所以金屬看起來就變得更重了。

拉瓦錫對居頓的觀點不屑一顧，他的想法截然相反：燃燒并不會釋放燃素，相反燃燒會讓空氣被吸收。這就解釋了為什么金屬在燃燒后會變得更重：它們不會釋放帶浮力的燃素，而是與空氣結合。

我們值得花點兒時間來欣賞這樣一種精彩的觀點。如果你能暫時忘記學校里教的關于燃燒的一切內容，認為燃素是由火釋放出來就能說得通。火看起來絕對是一個釋放的過程，它至少會釋放光、熱和煙。認為燃燒是把空氣和燃料結合在一起從而有效地從空氣中吸出一些東西的這種想法，反而格外違背直覺。拉瓦錫能夠遵循實驗證據，摒棄看似常識的想法——這種能力讓他得到了這樣一個截然不同的結論。

問題是，燃燒過程中消耗的究竟是空氣中的什么東西？當時拉瓦錫還不知道，在英吉利海峽的對岸，對空氣的理解剛剛取得了重大進展。1756年，蘇格蘭自然哲學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）發現了一種特殊的新空氣，當某些鹽被加熱時，這種空氣就會被釋放。最令人驚訝的是，他發現，當物體被這種“固定氣體”（我們現在稱之為二氧化碳）包圍時，燃燒就無法進行。10年后，亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）發現，硫酸澆在鐵上時會釋放出另一種更輕的空氣，這種空氣會著火，并發出特有的爆裂聲。但是，最多產的新空氣的發現者是英國自然哲學家約瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）。

普利斯特利在1767年得知卡文迪許發現“易燃空氣”后，也開始了自己對空氣的研究。當時他在利茲擔任長老會牧師，住在一家釀酒廠的隔壁，這與拉瓦錫位于巴黎市中心的設備豪華的實驗室形成了對比。然而，與釀酒廠為鄰，除了啤酒供應充足之外，自有其優勢。發酵過程釋放出了大量“固定氣體”，普利斯特利利用它們發展出了一種生產汽水的技術，為未來的軟飲料產業奠定了基礎。

幾年后的1774年，普利斯特利有了一個新發現，這讓他真正名留青史。他注意到，當他用一個巨大的取火鏡將陽光聚焦到劇毒的“紅礦灰”（一種含有水銀的物質）樣品上時，會釋放出一種新型的空氣，普利斯特利發現這種空氣能讓火焰燃燒得格外明亮，也能讓密封罐中的老鼠存活的時間成為一般情況的4倍。他甚至親自試著吸入了這種新空氣，并寫道：

我的肺對它的感覺和普通空氣沒有明顯的區別，但胸腔在之后的一段時間里感到特別地輕盈和放松。誰也說不準，隨著時間的推移，這種純凈的空氣也許就會成為一種時尚的奢侈品。到現在為止，只有兩只老鼠和我有幸呼吸過它。

普利斯特利認為，他口中的“脫燃素空氣”所具有的這種神奇特性是因為這種空氣所含的燃素比普通空氣要少得多。這讓它能夠更有效地吸收燃燒的蠟燭或呼吸的老鼠所釋放的燃素，從而使它們能燃燒或存活得更久。

同年10月，普利斯特利前往巴黎，遇到了許多巴黎最聰明的人，其中就包括安托萬·拉瓦錫。遺憾的是，我們對他們的見面知之甚少，但想象一下這兩位化學巨匠可能會對彼此產生怎樣的影響是很有趣的：一位是富有而自信的溫文爾雅的巴黎人，另一位是操著濃重約克郡口音的工人階級激進分子。我們所知的是，普利斯特利告訴了拉瓦錫他的新發現，這被證明是拉瓦錫需要完成有關火的理論的關鍵線索。但拉瓦錫得出了截然不同的結論。他認為普利斯特利實際上發現的是燃燒過程中與燃料結合的氣體，而并非脫燃素空氣。拉瓦錫將它命名為“氧氣”。

根據拉瓦錫的說法，火不是一種元素，燃素也并不存在。蠟燭燃燒時，燃料與氧氣結合，釋放二氧化碳。拉瓦錫認為，動物呼吸時也會發生類似的過程：食物中的碳與氧氣結合，釋放二氧化碳和熱量。他甚至將一只豚鼠放在空桶里，桶的周圍是一個裝滿冰塊的容器，從而證明了這個想法。豚鼠身體所散發的熱量融化了冰，測量容器底部流出的水量后，拉瓦錫就能計算出豚鼠釋放的熱量，這證明了動物可以有效地燃燒食物來產生熱量。別擔心，這只豚鼠逃脫了死亡的魔爪，盡管它難免會覺得有點兒冷，而且它有可能是“成為一只豚鼠”這種說法最初的來源。

拉瓦錫的革命還沒有結束。人們注意到，卡文迪許的易燃空氣和氧氣燃燒時似乎留下了水。拉瓦錫認為，這意味著曾被認為是所有元素中最基本的水，也并非一種元素。相反，它可以由這種易燃空氣和普利斯特利發現的氧氣組合構成，拉瓦錫把這種易燃空氣改名為“氫氣”。

科學界的大多數人很難接受拉瓦錫激進的新思想，尤其是法國最大的競爭對手英國的科學家們。普利斯特利拒絕接受拉瓦錫關于水不是一種元素的想法，并始終堅定地支持著燃素理論。拉瓦錫需要確鑿的實驗證據來說服人們同意他的新式化學。他最終以一種驚人的方式做到了，1785年，他在實驗室舉行的一次公開演示中，將水分解成了氧氣和氫氣。

到了18世紀80年代末期，陳舊的古典元素理論已經破敗不堪。水可以分解成氫氣和氧氣，空氣是不同氣體的混合，而火則是氧氣和燃料結合的過程。1789年，拉瓦錫出版了他為新式化學所做的最偉大的宣傳，也就是一本名為《化學基礎論》（Traite elementaire de chimie）的教科書。他在書中給出了“化學元素”的新定義，那是一種不能分解成其他物質的物質。此外，他還列出了33種新式化學元素，其中有許多沿用至今，包括氧、氫和氮（azote，現在也被稱為nitrogen）。這部專著成了科學史上最有影響的著作之一。短短幾年之內，除了最頑固的批評者之外，其他人都被說服了。拉瓦錫并沒有“說大話”，他真的帶來了一場化學革命。

那么，拉瓦錫會怎么看我的蘋果派實驗中的三種產物呢？首先，我懷疑他會對我采用這種粗暴而現成的化學方法相當不以為然。我父親車庫里的設備絕對比不上拉瓦錫實驗室里的那些，我也沒有任何工具供我在實驗前后精確地稱量蘋果派，如果換作拉瓦錫，他肯定會這么做。更糟糕的是，我一不小心讓白霧溜走了，這意味著它的成分仍然是個謎。

但試管里留下的燒焦的黑色堅硬物質呢？如果我們看一眼拉瓦錫列出的化學元素清單，一個答案就會立刻映入眼簾，那就是炭。幾個世紀以來，炭一直被用作燃料，人們將成堆的木頭埋在一層草皮下面，然后在中間生火，就會得到炭。草皮把空氣隔絕在外面，防止木堆的側面著火，而中間大火產生的巨大熱量就會讓木頭變成炭和氣體。這和我們用蘋果派做的實驗差不多，試管的塞子就像草皮，阻止了空氣中的氧氣進入試管，防止過熱的蘋果派著火。我們得到了炭。或者用現代術語來說，它是一切有機物基本元素的一種相當純凈的形式：碳。

至于淡黃色的液體，好吧，原則上我可以嘗試進一步分解它，但不幸的是，我只得到了一丁點兒臭烘烘的液體，這太少了，完全無法用來做實驗，我也不打算買下這里超市里所有蘋果派，再花上幾天的時間讓它們沸騰。但不管怎樣，我都有把握說它主要是水，多虧了拉瓦錫，我們知道水是氧和氫構成的化合物，這讓我們知道了另外兩種成分。事實上，從蘋果派到人類，碳、氧和氫是構成一切有機物的主要化學元素。但它們肯定不是僅有的化學成分。我快速看了一眼盒子背面印刷的營養信息，就知道里面至少有一些鐵，它可能還混在炭里。雖然我不能在父親的車庫里把它們分離出來，但是蘋果派里還有氮、硒、鈉、氯、鉀、鈣、磷、氟、鎂和硫，可能還有更多元素，也許一些元素只是微量的，但它們就在其中。

不過，更進一步的問題是：這些不同的化學元素是由什么組成的？畢竟，如果我們真的想從頭開始做蘋果派，氫、氧和碳還遠遠不夠。它們只是故事的開始。