大師說化學: 理解世界必修的化學課 (第2版) | 誠品線上

The Same and Not the Same

內容簡介

內容簡介 化學到底是什麼？化學家都在幹嘛？我們要怎麼才能享用化學的好處，而不受化學所傷？認識化學，就從這本書開始！當代文明的許多成就少不了化學的貢獻，但許多災禍也跟化學息息相關。化學就像刀的兩刃，能克敵，亦能行惡，現代人雖享用化學的好處，卻打心底厭惡化學。然而生活在現代科技社會，不論願不願意，我們終究要面對化學。我們對化學有好多疑問：化學的災難要怎麼避免？要怎麼使用化學而不被化學所傷？化學到底是什麼？化學家到底在幹嘛？《大師說化學》中，化學大師霍夫曼為我們一一解惑。諾貝爾獎得主霍夫曼是難得一見的科學人，除了是一流的化學家，他還有豐厚的人文素養，在《大師說化學》一書中，他對化學的闡釋，就如同霍金對宇宙學的闡釋一般清晰與深刻。認識化學，就從這本書開始。

各界推薦

各界推薦 「霍夫曼始終不放棄為化學門外漢講述化學之美……《大師說化學》兼顧藝術與科學，以輕鬆的寫作風格，簡明的解釋與巧妙的例證，是連討厭化學的人，也能愛上的入門好書。」－－《紐約時報書評》「全書五十一篇短文，篇篇都是詩……整本書就像一張大網，每一個網點都是由化學和人類經驗交會而成……，把化學描繪成文化和歷史的一部分。」－－《宇宙波瀾》作者／戴森「在霍夫曼的筆下，化學是深刻且具說服力的。」－－《大自然的數學遊戲》作者／史都華「霍夫曼是最博學、最具人文素養的生活化學家，也是最擅長寫作的煉金術士－－在《大師說化學》中，他把許多習見而難明的事例，轉煉成尋常易懂的見解，技巧真是高明。」－－口服避孕藥發明人，也是科幻小說家／翟若適（Carl Djerassi）

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介霍夫曼Roald Hoffmann1937年生於波蘭的猶太家庭。四歲時，父親遭納粹處死，霍夫曼與母親僥倖逃到鄉下，躲到校舍閣樓中渡過風聲鶴唳的童年，1944年夏才重獲自由。1949年隨母親移民美國。霍夫曼在紐約念中學期間，曾獲得西屋科學獎。1955年成為美國公民，並進入哥倫比亞大學就讀；1962年獲得哈佛大學化學物理博士學位。1965年起，任教於康乃爾大學化學系。霍夫曼因為與有機化學大師伍德沃得（R.B.Woodward）共同發現分子軌域對稱性守恆定律，於1981年和日本的化學教授福井謙一共同獲頒諾貝爾化學獎。霍夫曼在化學界光芒萬丈，受譽為「化學界的畢卡索」，他腳踩有機化學及無機化學兩大領域，遊刃有餘，曾獲得美國化學學會1973年的有機化學獎及1982年的無機化學獎；1990年更獲頒該學會最高榮譽的普利斯特利獎章（Priestley Medal）。 霍夫曼亦是詩人，曾出版兩本詩集；本書是他寫的第一本散文集。他頗熱中於為社會大眾引介正確的化學觀念，曾經製播兩套電視節目「化學的世界」與「分子世界」。1996年5月，霍夫曼曾受邀訪台，做過八場公開演講，造成極大轟動。■審訂者簡介儲三陽台灣大學化工系畢業，美國伊利諾理工學院化學博士。曾任美國西北大學、萊斯大學等校化學系研究員、康乃爾大學化學系訪問學者。現任清華大學化學系教授，專長物理化學、量子化學。■譯者簡介呂慧娟台灣大學農化系畢業，美國密西根州立大學生化碩士。曾任台大化學系研究助理、密西根州大生化系助教、中央研究院分子生物研究所研究助理、國立台灣科學教育館助理研究員。目前專事兒童科學教育工作。

產品目錄

產品目錄 作者序 同中有異／霍夫曼導讀 化學之美／儲三陽導讀 諾貝爾獎大師闡述化學世界中的陰與陽／鄭原忠第一部 驗明正身第1章 孿生兄弟傳第2章 你是誰？第3章 豉蟲第4章 對抗化約主義第5章 魚、小蟲子和分子第6章 把他們分辨出來第7章 異構現象第8章 有兩個完全相同的分子嗎？第9章 在黑暗中握手第10章 分子偽裝第二部 化學的表達方式第11章 化學論文第12章 文體的起源第13章 表象之下第14章 化學的記號學第15章 那分子看來像什麼？第16章 象徵與實際第17章 鬥爭第18章 本我呈現第三部 製造分子第19章 創造與發現第20章 讚頌合成第21章 立方烷的製造藝術第22章 阿岡尼波噴泉第23章 自然與非自然第24章 外出午餐第25章 為何對自然事物情有獨鍾？第26章 傑納斯和非線性思考第四部 當事情出了差錯第27章 沙利竇邁第28章 科學家的社會責任第五部 它究竟是怎麼發生的？第29章 反應機構第30章 科學家不是真理的祭司第31章 靜態與動態第32章 擾動平衡第六部 化學生涯第33章 哈柏第七部 化學魔術第34章 催化劑第35章 三向反應第36章 羧肽酶第八部 利益、傷害和民主第37章 神奇靛藍第38章 化學和工業第39章 雅典第40章 化學的民主化本質第41章 阿拉爾事件第42章 古典民主政治中的科學與技術第43章 為什麼科學家不宜治國？第44章 面對環保意識第45章 化學教育第九部 雙原子探險記第45章 漫遊C2 的世界第十部 使化學生氣蓬勃的二元性第47章 創造是艱難的工作第48章 遺漏第49章 魔鬼的屬性第50章 化學是緊張而充滿生氣的嗎？第51章 客戎馬人

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試閱文字

內文 : 【作者序】同中有異


在這本書裡，我想說明化學是饒富趣味的，對從事化學研究的工作者、化學藥品商以及會深思所買化學產品的消費者而言，都是如此。這種趣味來自隱含的張力。實際上，每一件科學的事實或方法，以及人們看待它們的方式，常在兩極觀點間不穩定的擺盪；而且物質的兩極性和它的轉變，會與人類心靈的深沈動力產生共鳴。


利益與傷害


當你陪伴年邁孱弱、正在發燒的父親去看醫生時，你需要些什麼？關心是必然的，但還需要實驗室的血液化驗，或對可能引起肺炎的病菌進行培養試驗。如果有必要，還要使用藥物或抗生素，以去除你父親體內的致病細菌。


當鎮上決定在我家隔壁設置大型垃圾焚化爐，來收納附近都市的垃圾和工業廢棄物時，我大聲反對的理由是什麼？是因為這樣會造成交通壅塞、產生臭味，某些離子與分子還可能汙染我家使用的井水，也會汙染空氣。


你希望從醫生那兒得到的藥品，以及我憂慮會進入水與空氣的物質，都是化學物質。你我也都是化學物質構成的，只不過有簡單與複雜的差別而已。當然，你需要的不僅是從醫生那裡獲得化學藥物的處方—你還需要關心和同情。而我要的，也不僅是從焚化爐主管單位那兒得到的安全保證，和對化學物質排放的持續監測—我要的是公平、對環境衝擊的充分考量，和焚化以外的其他變通方法。其實在現實的物質世界裡，我們每個人都要與化學物質共處，並且和它們發生作用。


這些令我們既愛又怕的化學物質（這些東西純化後，化學家會稱它們為化合物或分子），形體並不是最大的（那屬於天文學領域），也不是最小的（那屬於粒子物理學），它們的大小恰好位於中央—處於我們人類的尺度。這就是為什麼我們會在乎化學物質的理由，化學物質不是遙不可及、僅存在想像中的東西，而是真實存在這個世界的。這些汙染物或藥物能以適當的大小，與我們體內的分子產生有弊或有利的交互作用。


具有普通常識的人，會用有害和有益這兩種矛盾的情感來看待化學物質；這並不表示他們缺乏理性，反倒是符合人性。因為，「危險性質」和「利用價值」恰好是這二元性的兩個極端。在我們所處的世界裡，我們的奇妙心理常常會潛意識的、理性或非理性的以兩極價值來評斷外界。只有當一個人對外界沒有感覺，才不再提出「它能幫助我嗎？」「它會傷害我嗎？」這類二元性問題。提出這類問題賦予了遭質疑的對象（也就是問題中的「它」）生命，而「它」是與你相互關聯的。這個對象的不確定性（或許有害或許無害、或兩者兼具），使它變得十分有趣。「興趣」（interest）這字源自「在……之間」（inter）和「本質」（esse），也就是處於事物的多元本質之間。因此，人們對問題的質疑和求解的努力，會促使物質和心靈世界連接在一起。


走進化學家的世界


有害或有利，有害且有利，這只是使化學有趣的多種兩極性質之一。在這本書裡我也會對其他有趣的性質加以探討。首先是「分子的身分」（identity），這是本書的重點，也應是最重要的一項。接著我還會探討其他的二元性，如靜態與動態、創造與發現、自然與非自然，以及顯示與隱藏。


化學事實，例如一個分子或一個反應，都在由這些二元性定義的多維真實空間或心智空間中，以某種方式維持平衡。我們會問：它是新分子或是先前曾做出的分子？它對誰是安全的或對誰有害？它是像表面上看起來的靜止模樣，還是實際上正以音速移動？它原本就存在於自然界，還是在實驗室中製造的？一個問題接著另一個，問題會構成張力，尤其當解答為「均否」或「均是」的時候。張力能為我們的生活帶來變化，是促成變化的驅策力。如果說有什麼是化學的中心要意，那就是變化。


這本書的第二項目標是要告訴你，化學家真正在做些什麼。我可不是故意為化學做宣傳，而是要為你打開一扇窗，方便你進入化學家的世界。這樣你也許就能了解，與我們人人都具有的心靈動力相關聯的這些二元性，如何進入化學工作者的世界。想要了解化學，就得給自己無所畏懼的機會，或許還要對它產生興趣。化學世界並不難穿透；經由個案研究的方式，我要向你展示如何利用智慧和方法，回答任何人都可能提出的簡單問題：「我要怎麼做？」、「我得到的是什麼？」、「那實際上如何發生？」、「如果我必須向他人描述，應該如何敘述？」和「它有價值嗎？」等問題。回答這些用普通語言提出的簡單問題，會使人很自然的去深思隱藏在問題下的二元性。因此要回答「我得到的是什麼？」，會變成回答「這種白色粉末，與先前別人做出的其他一百萬種白色粉末（是的，這世界至少有一百萬種白色粉末），相同或不相同？」我會試著用實例來說明，化學家如何處理這些問題。


連繫物質與感情世界


因為我強調的兩極性，連繫了物質與人性，因此無可避免的要提到那好奇心無所不在、能大膽創造而又心存畏懼的人類。並討論一段有關沙利竇邁（thalidomide）的插曲，這是關於社會制度與人為疏失的故事。我還要講述偉大的德國化學家哈柏（Fritz Harber）那複雜又充滿創造力並且悲慘的一生。我也要對科學家的社會責任發表個人主張；同樣的，也要對化學家該如何對環境事務負責，提出我個人的意見。我的目標是盡量去尋找兼顧兩個極端的中間地帶。


化學家並不比其他人更深思熟慮。但是化學家面對的問題，所憑恃的化學專業，促使他們考慮問題的二元性，及相關的張力。或者說，二元性本身已經烙印在化學家的潛意識中。


我認為，強調分子本身和它形成過程的二元性，對促進化學家與非化學家之間的溝通，十分重要。所以，要回答「我得到的是什麼？」這個問題，並推論我的物質與其他物質的異與同，是可能的。但是，為什麼這樣的問題會有趣？那是因為它牽涉的物質種類辨識問題，與我們辨識身分的問題很類似—孩提時，在形成親密情誼與分離的複雜過程中，身分辨識的問題就已經深深影響我們。自然界的運作，其實與我們內在的感情世界相互連接。


身分的虛實、人的出身、善與惡、分享和私有、復活、危險和安全，以及障礙的克服，是心靈世界或想像世界在建構中，與分子世界相連的部分。這些感情上的焦點，會有意識或無意識的影響專注於分子世界的化學家，他們那美妙、如同在玩遊戲的心理。了解這一點，有助於了解究竟是什麼在推動化學家。我認為，透過兩極性來表達物質與心靈世界的關聯，能使我們明白，為什麼我們會對化學物質又愛又恨。


（摘自本書作者序　同中有異）





【試閱】第2 章　你是誰？


化學家在面對任何新樣品，譬如：以天價從月球表面帶回的塵土、從街上買回的不純麻藥、從一千隻蟑螂腺體中抽出的長生不老藥，第一個問題總是：「我得到的是什麼？」這個疑問可能比一般人想像的還複雜；因為在現實世界裡，沒有一種物質是純的。你仔細觀察周遭最純的物質，譬如矽晶片、精糖或藥物，你會發現這所謂的「純物質」中，存有百萬分之若干的物質，是你或許不想知道的雜質。


其實物質都不純，尤其是天然物，一般來說，天然物比合成物更不純。的確如此。葡萄酒中已經鑑定出大約九百種揮發性芳香成分；品酒專家能辨識出著名的德國莫色耳（Moselle）葡萄酒，即是由於它的混合成分（當然是指天然化合物，還有別的嗎？）別具特殊風味與香氣。令人好奇的是，雖然酒的成分是可定量的化學物，但它的風味與香氣，卻始終令化學家捉摸不清，還得倚賴味覺和嗅覺靈敏的品酒師，才能把正確的酒挑出來。


為什麼天然物不純呢？因為生物是很複雜的，它們是演化的產物。你需要上千個化學反應和無數的化學物，才能使葡萄樹或你的身體運作。並且，大自然是不斷嘗試的修補匠，確保動植物存活的運行法則，是祂數百萬年以來隨機實驗的結果。因而，生命織錦上的每一處，都呈現出繽紛撩亂的分子形狀與色彩。我們眼前任何運作中的事物，都是歷經彼此的揀選，再由大自然的生存實驗錘鍊成形的。


因此，我們真正要問的不再是「這是什麼？」而是「這裡面有多少這東西？」我們把物質的組成成分分開來看，每一成分就是一種化合物；它們是穩定黏結在一起的原子群，而這樣一群原子就叫做分子。純化合物是指由完全相同的分子聚集而成的物質。每種化合物的性質都不同，就像糖和鹽，兩者都是能溶於水的白色結晶體，但是我們可以輕易利用其他的物理、化學或生物性質來區別它們。


把物質的成分分離出來後，我們要鑑定這些化合物的結構。對化學家而言，結構的意義是指：純化合物中含有哪些原子，這些原子如何相互連接，以及它們在空間中如何排列。


讓我們先從物質的分離開始探討吧！我恰巧也是礦物蒐藏者；次頁的圖2.1顯示的是自然界形成礦物的一種方式。這是長在長刃狀重晶石上的淡紫色螢石，這塊標本採自德國黑森林區。如果你的一生能像地質年代那麼長久，在某些條件下，你會發現物質自然相互分離，螢石晶體就是這樣形成的。這種現象就稱為部分結晶。不過，大多數化學家無法等上數千年之久。如果僅歷時五年（差不多是取得博士學位所需的時間），或許還能等等看。所以人類需要較快速的技術，因此有人發明了各種儀器來分離物質。





　　第43 章 為什麼科學家不宜治國？


如果你傾聽科學家私底下的隨興閒聊，會聽到一些八卦消息，例如某人將搬遷到某處去的傳聞、及大嘆研究經費取得不易等等。但換個場合，他們會聲稱科學的理性，並且照例表示反對政客，有時還會對於有點「軟性」的藝術和人文話題，表現出不屑的態度。他們認為只要把科學的理性思維應用於治國，全世界的問題和爭議或許就此一掃而空了。


這些言談可視為科學家自私的兄弟情，我們在此先不談。其他有大半的談話內容，透露出原始而有瑕疵的世界觀，一種把文化與政治系統橫切的謬誤見解。然而我們不確定柏拉圖是否會同意由這些庸俗的科學家來擔任哲學家皇帝，這是些現代的論調，在某種程度上已顯現出，柏拉圖對所謂理性的天真信仰。


現代科學是西歐一項成功的社會發明，而且這項成功著實令人不可思議；它是能有效獲取世界上各種可靠知識，並用來改造世界的大事業。居於這樁事業核心的是：對大自然和我們關心的現象，做仔細的觀察。例如科學家會去探尋使泰爾紫呈現顏色的分子，或是探究如何修改這個分子，以達到更鮮亮的紫色或藍色。


在科學家的世界，複雜的事物都經過分解而簡化。這和把事物數學化的過程一樣，也就是所謂的分析（當然不是指化學上的）。無論是在發現或創造的過程中，科學家通常會先設定研究範圍，以便從中獲得複雜和令人驚訝的結果。而且無疑的，在這種範圍裡，分析法是可行的。科學家從分析當中獲得「泰爾紫中所含的染料，有特定結構」的解答，所以「被關起來的貓熊繁殖能力受限」也必有原因。


科學家承認，能觀察到的因素或作用，或許是由好多個因素造成的；但是不管這些因素有多複雜，總有受過完善訓練的聰明科學家能把它分析、解開；這些受過專業訓練的人，再以全世界共通的語言（不流利的英語）相互交換訊息。


讓我們把這個小心構築的科學家世界，和情緒上偶然的實際表現，或人類的風俗習慣互做對比。試問，年輕人的竊盜習慣可有唯一的原因？為什麼在美國南北戰爭中，或在前南斯拉夫，會出現手足相殘的情形？浪漫的愛情可有什麼邏輯？我們是否應有分秒不差的行動時程表？


我們發現，外面的世界有許多事物很難用簡化的（或甚至是複雜的）科學分析來處理。這個世界、我們的生活，事實上都傾向於透過倫理與道德的辯論，來取得正義與同情。清楚陳述問題的癥結、變通辦法和後果是有用的，就像在有時漫無目標的爭論中，會出現道德立場的對話，而人們可以藉此痛快吐露真言。正是這種宣洩，使參與式民主政治得以運作。科學家宣稱任何問題都有合理的解答；但事實上，個人和社會的問題並不能用科學家主張的方式解決。


在我的經驗裡，科學家多傾向於凡事應有和平理性的主張。因為在他們的研究工作上，仔細分析的方式行得通；而且他們對我們生存的世界充滿的複雜性，感到迷惑甚至傷心，所以他們天真的追求一種夢想，相信人類的紊亂情感和所有行動，都是受某些理性原則監控，而這些原則仍有待發現。


令人好奇的是，想必會遭科學排擠的宗教，竟然也提出類似的（但讓我很不滿意的）世界觀。科學家傾向用黑與白來看待這世界，希望那些在真實生活裡無時無刻不闖入我們意識中的灰色地帶，消失不見。而且，只要真實世界裡的實行者和製造者（其中最糟的那些，我們稱為政客），肯聽從我們的想法，這個世界就會朝正途發展。


不過，邇來我們已親眼目睹一個支持科學家或技術官僚來經營世界的夢想破滅了，那就是「馬克思主義」。不管它征服的是哪種文化（蘇俄、中國或古巴），馬克思主義不僅證明了它在經濟上行不通，也證明了它會導致無盡的腐敗貪婪，證明它已誘使公正社會的基礎核心墮落。


科學家並不喜歡聽到這種論調，但是馬克思主義確實是「科學」的社會體系。馬克思和恩格斯擬出了一種信仰，這種信仰預言了某種社會科學的到臨。他們的社會主義是以「社會將無止境的進步與發展」的神話為動力，而由人類以改造大自然的能力來改造社會，鑄造夢幻國度。


這麼說來，要是科學家不去治理這個世界，那該立身何處呢？就我看來，科學家最好不要從政，但是仍然致力與聞政治。如此，他們就會受到激發，發出理性之聲，對大眾提出睿智的忠告，並對日漸不合理的做法施以反擊。他們的能力恰好能扮演好這種角色。但是若由科學家掌權，我認為科學家那種以為只有自己才具備理性的傲慢態度，很可能導致他們不自覺的逾越分際。


我曉得我把實際的情形誇大了。其實，如果要說科學家有什麼不對，應該是他們對於政治參與得不夠。一旦他們走入政治舞台，也許並不比其他從事政治的人好到哪裡，但也壞不到哪裡。舉例來說，法國有科學家和工程師從政的傳統，例如從拉札爾．卡諾（Lazare Carnot）和他的孫子沙第．卡諾（Sadi Carnot，熱力學第二定律創始人）一直到我的博士後研究生德瓦蓋（Alain Devaquet，曾任法國教育部長）。再說，英國前首相柴契爾夫人的缺點或成就，也不該歸因於她的化學學士學位。


第45 章 化學教育


對我而言，農藥「阿拉爾」的論戰具有使人謙卑，以及教育的和訓示的意義。它是一個機會教育，而不是讓我們趁機去反對環境學家。我就從中學習到一些化學，我也從印度的博帕爾事故中學到一些，我還打算從下一個化學災難中再學習一些。因為，當知識伴隨某些重要事物（像是災難、人的遺體，甚至是淫穢可恥的事物）出現時，人們的心智才會打開。所以，就教育的意義來說，我們可以從發生的事中獲得知識。


這麼一談，我們已經進入教育的話題。我認為教育是民主政治過程中非常重要的一部分，它是公民的權利與義務。其實，我對科學文盲的關心，並非著眼於它限制了我們人類勢力的基礎，或是對我們在全球經濟競爭力上的影響；我感到憂心的，在於它代表教育失敗。我有以下兩點說明。


首先，要是我們不了解周遭世界運作（尤其是人類製造添加的東西）的基本道理，就會被疏離於環境之外。無知所導致的疏離，會使人貧乏，使我們感到無能為力也沒有行動力。要是不了解這個世界，我們可能會發明出神祕的事物和新的神祇，就好像很久以前人們對閃電和日月食，以及聖愛爾摩之火（St. Elmo's fire）和火山的硫黃噴發現象，發展出的傳奇說法。


我憂慮的第二點是，對化學的無知會增添民主政治進展的阻礙。我深信一個必然的事實，那就是必須授權「一般人」來做決定，決定遺傳工程或廢物棄置地點，決定哪些工廠是危險的或安全的，或決定是哪種藥會上癮、藥品應不應該管制等事務。公民可以要求專家對他們解釋利弊，說明有哪些選擇、利益和可能的風險。但是卻不能授權專家做決定；只有人民和人民代表才有權決定。此外，人民還有一項責任，那就是他們必須學習足夠的化學知識，有能力去抗拒化學專家充滿誘惑的說辭，因為這些專家可能聯合起來支持不法活動。


接著，很重要的一點，就是建立小學和中學程度的化學課程，使之普及於社會大眾；同時還要訓練和嘉獎教授這些課程的老師。這些化學課程必然要忠於主題的思想核心，也必須是具有吸引力、能促進思考和引發興趣與好奇心。教育的目標主要應該放在非主修科學的學生和有學識的公民身上，而不是對專攻化學的人講授。我相信專攻化學的這些年輕人，會出現新的化學家和聰明的物質改革者；但是，除非我們教導他們的朋友和鄰居（那百分之九十九的非化學家）化學家做的究竟是什麼樣的事，否則那百分之一的化學界新星和改革者，也無法充分發揮自己的潛力。


（摘自本書第2章、第43章、第45章）