一个多月后，36岁的罗伯斯庇尔在热月（Thermidor）9日——7月28日——也被送上革命广场的断头台。长达十个月的左翼恐怖统治落幕。玛丽-安妮与数以几十万计的囚徒获得大赦。她出狱后频繁上书为已故丈夫申诉。1795年底，革命当局陆续送还收缴的财物，只附上一张简单的字条：“致拉瓦锡遗孀，他被冤枉定罪”1。

那是拉瓦锡遇难的一年半后。三千多位学界人士为他举办隆重但迟到的葬礼，尽管死者的遗体已无迹可寻。拉格朗日等人盛赞拉瓦锡卓越的科学贡献，避而不谈他作为包税人和政府官员之正职。玛丽-安妮没有出席。她对这群冠冕堂皇，关键时刻各自明哲保身的故旧心灰意冷。

路易十六和王后、拉瓦锡以及罗伯斯庇尔等一千多人相继被当众砍下脑袋的革命广场2也被改名“协和广场”（Place de la Concorde）。巴黎并不平静、和谐。针对左翼党羽的复仇式“白色恐怖”（White Terror）业已降临，大革命鏖战尤酣。

拉瓦锡离世时，十三岁出嫁的玛丽-安妮也才36岁，依然年轻貌美且坐拥失而复得的大笔财富。她身边不乏热情的追求者，包括拉瓦锡的好朋友、还在世时已是她半公开情人的杜邦（Pierre Samuel du Pont de Nemours）。玛丽-安妮不为所动。她没有子嗣，独自深居简出，整理拉瓦锡留下的手稿付诸出版。

直到1805年，47岁的玛丽-安妮出人意料地决定下嫁来自德国慕尼黑的伦福德伯爵（Count Rumford）。

伦福德是北美殖民地一个小镇，已改名为康科德（Concord），也正是“协和”。这个后来成为独立美国新罕布什尔州（New Hampshire）首府的小镇从未是德国属地，不可能孕育欧洲贵族。伦福德伯爵本名汤普森（Benjamin Thompson），原为北美的平民子弟。

汤普森1753年出生于波士顿近郊贫民窟，相距富兰克林的老家不远。少年汤普森天资聪颖，时经常步行十几千米到哈佛旁听课程。碍于家庭穷困，他终究与学校无缘。但他也另外地得天独厚，拥有一幅伟岸身材和堂堂仪表。1772年，年方十九的汤普森与一位33岁的寡妇成婚，一举改变自己的命运。新娘前夫在伦福德的庞大庄园和广泛的社会脉络均归青年汤普森所有。汤普森得以施展才干，自行钻研火药和火炮。他与当地总督和英国驻军关系密切，频繁提供殖民地谋叛的情报。当独立战争在1775年爆发时，汤普森不得不遗弃妻子和刚出生两个月的女儿，跟随从波士顿撤退的英军逃至伦敦。他正式加入英国军队和政府，同时在《哲学会刊》发表火药研究成果。1779年，他被王家学会接纳为会员。两年后，汤普森又返回北美自费招兵买马组建队伍，以中校军衔率部协同英军作战。然狂澜已倒，英国在短短几个月后投降。汤普森再次流亡到伦敦，荣获乔治三世封爵。德国慕尼黑的地方官发来聘书，邀请他去协助组建、训练军队。

慕尼黑是德国南部巴伐利亚地区的中心。大帝弗里德里希二世在柏林以巴黎为榜样的改革尚未波及这里。巴伐利亚贫穷落后，满目疮痍。汤普森在1785年到来后大刀阔斧，边厉兵秣马边越俎代庖地打破常规推行社会变革。他引进瓦特改进的蒸汽机打造新型工业，收容各地乞丐为军队缝制服装、制造枪械，既获取廉价劳力又缓解贫困。法国大革命在1789年爆发时，汤普森正在慕尼黑市中心建造占地甚广的“英国花园”（English Garden）。他大规模移植英国植物，包括易于果腹的土豆。在弘扬英国先进文化同时，花园里也设有中国木塔和神庙，为滞留于中世纪的慕尼黑增添东方风味。

成就卓著的汤普森在1791年又得封爵，身晋英德两国贵族。可能出于促狭，他选择自己无法回归的故土伦福德为号，从此以“伦福德伯爵”之名行走天下。与巴黎的拉瓦锡同样，伦福德伯爵身居高位时没有忽视自己的业余科学研究。他在一年后赢得王家学会的科普利奖章，科学界最高荣誉。1796年，春风得意的伯爵投桃报李，捐款为王家学会设立“伦福德奖章”（Rumford Medal）。回不去的北美家乡亦获惠赠。成立于独立战争中的美国艺术与科学院（American Academy of Arts and Sciences）在同一年得到伯爵捐款设立“伦福德奖”（Rumford Prize）。那是北美最早的科学大奖之一。

伦福德伯爵与富兰克林年龄相差47年。两人都以“本杰明”（Benjamin）为大名，皆为少有的北美出身王家学会成员。他们在美国独立战争中分属敌对阵营，终身未曾谋面。他们也都没有受过正规教育，却心灵手巧，精于在日常生活中吸取发明创造的灵感。伦福德伯爵在改进壁炉上比富兰克林还技高一筹，设计的烟道（chimney flue）成功得到广泛应用。

跻身伯爵之前，汤普森在伦敦时钟爱加杏仁烤制的苹果派。他每每迫不及待，嘴唇时常被烫，也对苹果派能长时间保温印象深刻。后来在慕尼黑，伦福德伯爵有一次忙于实验没能及时享用送来的午饭。待想起时，他信手舀上一勺，感觉食物已凉。再次心不在焉地挖一勺进嘴时，他竟又被烫着。那是一碗浓汤。伦福德伯爵回想他那第二勺挖到碗底，那里的食物温度远高于从表层盛取的第一勺。他甚为诧异：如果那是一碗冷却的开水，上下温度断然不至于如此悬殊。

伦福德伯爵没有掉以轻心。他查找资料得知琥珀的比重与水最为接近，便将带颜色的琥珀碾碎掺入水里观察。当水被加热或冷却时，漂浮着的琥珀细末在其中有规则地流动着。同样的情形也发生在温度计内，其水银柱不只是整体地上升下降，内部也在翻腾着。他恍然大悟：那是热在液体内部传递的过程。由于内在的流动和传热，一碗水的温度基本保持一致。与之相反，苹果派里的苹果和杏仁、浓汤里的食物阻碍这样的流动。它们内部温度相差很大，也易于整体保持热度不冷却。

1797年，伦福德伯爵在《哲学会刊》发表《论热在流体中的传播》3讲述自己喝汤吃苹果派的经历以及随后的实验，论证热在流体——液体和气体——中通过物质流动传播的模式。为此，他还挖掘出一桩被埋没近半个世纪的轶事。

富兰克林当然不是第一个用温度计测量海水温度的人。在他以水温辨别墨西哥湾流之前，英国一位名叫埃利斯（Henry Ellis）的船长已经系统地测试过海水温度，还不止于表层的水。埃利斯常年往返大西洋贩卖奴隶，也热衷参与王家学会的活动，与发明集气槽的黑尔斯等人十分熟络。黑尔斯专门为埃利斯设计上下带有阀门的桶，可沉至深水里采集水样。1751年，埃利斯来到接近赤道的非洲西岸。那是热带海域，水温高达华氏84度（摄氏29度）。他用黑尔斯的“集水槽”从不同深度取水，发觉水温随深度逐步下降，到1190米深处低至华氏53度（摄氏11.7度）。其后水温保持稳定。埃利斯最深取得1630米处的水样，温度与1190米处不相上下。

将水从深海里提升到船上需要一定时间，桶里的水样沿途受浅处海水影响会稍微变暖。埃利斯测得的深海水温因而还略为偏高。海面与深处的水温之差可谓大矣。埃利斯惊奇之余分外得意。他不辞劳苦地汲取深海之水，在炎热的赤道享受到冰镇美酒和凉爽的冷水澡。

地球气候随纬度而异。海水与陆地类似地在赤道附近温暖，接近两极冰封一片。经历过大航海时代的人类对此习以为常。埃利斯的发现却非同一般：即便在赤道，海面之下也全都是接近冰点的冷水！地球上的浩瀚海水几乎全处于冰冷的温度，只有热带区区千米深的肤浅表层例外。

黑尔斯如实向王家学会报告埃利斯的奇遇，因无人得解被束之高阁。直到伦福德伯爵46年后旧话重提。

埃利斯的海洋就像让伦福德伯爵困惑过的那碗浓汤，只不过温度高低颠倒。海水又显然不是浓汤，大海里没有阻挡水自由流动的杂物。在烈日炎炎的赤道，太阳光带来的热应该早已借助海水的流动传播到底部，如一碗水般温度均匀。事实却与之相反。伦福德伯爵认定赤道处的深海凉水只能来自寒冷的两极。海水在以超乎想象的模式流动、传热：热带的海水随洋流涌向两极，在那里变冷、变重后沉入海底流回赤道附近的热带。返回的洋流位于千米之下的深海，不为人知。

伦福德伯爵描绘的海流与百年前哈雷对信风的解释息息相通。地球的大气层和海洋里无时无刻存在有全球范围的大循环。牛顿、欧拉和拉普拉斯等人诠释的潮汐和富兰克林揭示的墨西哥湾流都只是海洋表面可察觉的流动，深海里还藏着更大的隐秘。

牛顿在1701年匿名发表《炎热程度之标度》，从实验中总结出物体的冷却定律：物体温度下降的速度与其温度和环境温度之差成正比。他没有追究冷却为何自行发生。温度高的物体将热传递给温度低的物体，致使二者温度分别下降和上升乃不言自明的自然现象，有如物体会从高处落至低处。几十年后，拉瓦锡更具体地指出那是热质在流动。牛顿的冷却定律与他的力学定律大同小异，正是热质在温差推动下运动的定量规律。

人的皮肤与物体或空气接触时能真切地感受到其温度，从而冷暖自知。那是热质穿越皮肤的流动使然。热质在物体或人体中的流动是传送热的最显而易见方式，名曰“传导”（conduction）——与电的传递同名。不同物体传导热的能力也与其导电能力非常相像。金属对热和电都是良好导体，木头、布匹等电绝缘体也很难导热。利用铁棍导电性发明避雷针的富兰克林对导热也颇有研究。他将不同材料的长棍裹上蜡后在一端加热，蜡沿着棍长的融化形象地展现出热在棍内的传输。荷兰的英格豪斯得信后再接再厉，用裹蜡的细金属线测出银的导热能力最强，铜、金、锡、铁和铅等紧随其后。他豪爽地声明这些成果都应归功于富兰克林。

出于制作军服的实际需要，伦福德伯爵也对热传导兴趣盎然。他在温度计外添加又一层玻璃罩，在中间填充不同物质测试温度计插入开水或冰水时的变化速度。棉花的导热性比羊毛稍好，证实羊毛更为保暖的生活经验。伦福德伯爵通过该实验知道潮湿空气比干燥空气易于导热，也比水略强。他甚至将玻璃罩内的空间制成托里切利式真空，惊觉热质也能“流过”其间的空空如也。诚然，真空的导热性比空气差很多。

但伦福德伯爵相信空气和水的导热机制与金属、棉花或羊毛等物体不同。空气和水是流体，以其独有的流动来传热。这也不是新发现。水受热沸腾时的翻滚在生活中司空见惯，已被德吕克在校准华氏温标时视作水达到热平衡的捷径。但还是伦福德伯爵在《论热在流体中的传播》里首次将流体的流动确认为不同于传导的独特热传播模式。当英国化学家普洛特（William Prout）在1834年建议将该模式定名为“对流”（convection）时，伦福德伯爵已经去世整整二十年。

《论热在流体中的传播》发表时，伦福德伯爵的名声已经又一次大振。一年多前，彼此交战中的法国和奥地利两支大军压境，欲将中立的慕尼黑沦为决战之地。伯爵养兵千日，终得用兵之时。他率领守军严阵以待，以非凡的胆识和智慧兵不血刃地劝退双方部队，保得城市平安。经此一“战”，伦福德伯爵当之无愧地被誉为巴伐利亚大英雄。他的聪明才智也有了更广阔的发挥余地。他设计实用的军服，将引进的土豆与当地“珍珠麦”（pearl barley）和豌豆混煮成便宜但营养的羹汤作军粮。“伦福德汤”（Rumford’s Soup）从那时起在德国和欧洲中部长盛不衰。

火炮在十八世纪末的战场上不可或缺，也是伦福德伯爵在慕尼黑大造特造的主力武器。厚重的黄铜（brass）炮筒铸造成型后还需要进一步镗削（boring）加工，通常动用两匹马拉动的机械强力为之。炮筒很快热得烫手，与烫嘴的苹果派和浓汤同样没被伯爵忽视。他将炮筒浸没在冷水里操作，惊见水在两个多小时后被煮沸，推断镗削中的炮筒相当于在被九个大蜡烛持续加热着。

镗削是金属刀具在炮筒内切削的过程，其中之热来自二者激烈的摩擦。古时的钻木取火，今人冬日里搓手取暖都是摩擦生热的实际运用。不过热质在拉瓦锡心目中是元素，总量永恒不变。它不可能在钻木、搓手时无中生有。拉瓦锡解释摩擦并未“生”热，只是将手或物体内本来含有的热质释放出来。炮筒被镗削时变热也是黄铜内的热质被刀刮下的缘故。可是伦福德伯爵留意到不够锋利的刀具切割时效果很差，炮筒反倒热得更快。他又定量测量炮筒被镗削时释放出的热，发现它无穷无尽，轻易地超过将整座炮筒彻底融化所需的热。那应该是炮筒内部能够容纳的热质总量，与其在切削时发出的热相比不及九牛一毛。

摩擦果真能生热。热质在炮筒加工时源源不断地涌现，永无休止。它不可能是实在的物质和拉瓦锡的元素。伦福德伯爵觉得热更像声音。与炮筒被镗削时产生的热类似，敲锣打鼓时的声音也可以无止尽地滔滔不绝。这个想法与当年虎克、惠更斯和牛顿等人不谋而合：热是材料内部微小粒子的振动或波动。

遗憾的是波义耳早在一个世纪前已观察到声音无法在真空中传播，与伦福德伯爵的热传导实验不一致。

1800年2月11日，天文学家赫歇尔在发现天王星近二十年后又有惊人之举，却与他夜晚仰望的星空无关。他仿效牛顿用棱镜将一束太阳光分解成从红到紫的七种颜色，在每条光带上置放一只温度计测试该种光带来的热。那一系列温度计很快显示出红光带来的热量最多，橙光次之，黄、绿、蓝……一色不如一色，紫光里的温度计读数最低。出于莫名的好奇，赫歇尔在红光外侧没有阳光的地方也放上温度计，意外地看到那里的温度竟比红光内还高。他领悟太阳发来的光不限于从红到紫，另外还有人眼看不见的“光”。

按照拉瓦锡的热质说，太阳光能为地球带来温暖是因为其中带有热质。赫歇尔的实验表明热质含量随光的颜色而异。红光里的热质比紫光多，但与红光外的不可见光比还是相形见绌。直线传播的太阳光束常被称作“射线”（ray）。赫歇尔也直接将那不可见的“热”光称作“热质射线”（caloric ray）。也要等到几十年后，它才被正式定名为“红外线”（infrared）。

人能直接感受到太阳光或炉火的温暖，无需近距离的接触。瑞典药剂师谢勒（Carl Wilhelm Scheele）在1777年注意到人烤火时感觉到的温度比身旁的空气高很多，纵然在凛冽的寒风中也能取到暖。这说明炉火的热无须通过其间空气的传导或对流来到人身。烤火时需要正对着火焰，意味着炉火的热与光类似地直线传播，也不同于传导和对流时的四面扩散。谢勒指出这是热传播的又一模式。它被名为“辐射”（radiation），与“射线”共有同一个拉丁语词根。

热以辐射传播时与光同样会被障碍物阻挡或被镜面反射、折射。阿基米德让士兵用镜子反射太阳光烧毁敌方舰船固然只是传说，用放大镜聚焦太阳光点燃纸片、树叶抑或蚂蚁却司空见惯。拉瓦锡也曾仿效前辈以这个手段烧毁坚固的钻石。伦福德伯爵实验里热穿透真空的传输应该也出自辐射，像光一样不受真空阻挡。他也为热辐射做过大量实验，提出还存在有与“热质射线”相对、由低温物体辐射至高温物体使后者变冷的“冷质射线”（frigorific ray）。

因其对热和光的研究，伦福德伯爵在1802年荣获王家学会第一次颁发的伦福德奖章——别具一格的实至“名”归。

两年后，爱丁堡王家学会成员莱斯利（John Leslie）成为伦福德奖章的第二位获奖者。他以系统的实验确立热传播的三种不同模式：传导、对流和辐射。4温度高的物体在温度低的环境中以这三种途径散发热量而冷却。只要二者的温度之差不过于悬殊，冷却过程无论以何种模式或它们的组合都基本符合牛顿的冷却定律：温度下降的速度与温差成正比。其比例系数——冷却的效率——则因冷却模式和传导与对流中的媒介材料大有不同。

然而传导、对流和辐射中传播的热究竟是什么？热质是否真实存在？这个更具根本性的问题仍然没有答案。由于伦福德伯爵的炮筒镗削实验，盛行的热质说不再那么理直气壮。

两位北美本杰明的人生还有更多相似之处。富兰克林和伦福德伯爵都年纪轻轻时抛妻别子5在欧洲上层飞黄腾达尽享荣华。自1775年第一次逃离北美，伦福德伯爵再也没见过改变他命运的妻子。他与富兰克林同样地在欧洲贵妇间八面玲珑，情愫不断。直到妻子1792年逝世后，伦福德伯爵留在家乡的已成年女儿才辗转找到自己鼎鼎大名的父亲。

恢复单身依旧风流倜傥的伦福德伯爵在1801年的巴黎邂逅拉瓦锡遗孀玛丽-安妮，当即堕入情网。尽管他正在极力否证拉瓦锡的热质说，伦福德伯爵与玛丽-安妮由拉瓦锡的科学找到共同语言。经过四年的交往，两人在1805年10月22日正式联姻。巴黎那时已经不再实行革命历法，大革命中诞生的法兰西共和国也不复存在。

年近半百的玛丽-安妮没能如愿与只比她年长五岁的伦福德伯爵重温夫妻同心协力献身科学的旧梦。他俩在激烈冲突中度过四年婚姻生活，最终分道扬镳。伦福德伯爵再次从富裕寡妇手里分得一大笔财产，在巴黎定居五年后离世。他遗嘱将自己留在北美的家产捐献给少年时旁听课程的哈佛大学，设立“伦福德科学在实用艺术中的应用席位”（Rumford Chair and Lectureship on the Application of Science to the Useful Arts），现为“伦福德物理学讲席教授”（Rumford Chair of Physics）。

曾经沧海的玛丽-安妮心如止水，孤单生活27年后于1836年去世，享年78岁。

（待续）

瑞典人靠海吃海。皮毛和脂肪价值不菲的海豹（seal）喜爱躺平在岩石上晒太阳，是活脱脱的现成猎物。海豹体态丰腴，只能勉强爬上接近水面的石头。适合它们的“海豹岩”历历可数，被附近猎人瓜分私有，与耕地一样作为遗产传给子孙，也依法纳税。瑞典政府注意到猎户这一传家宝往往很快被后代遗弃，聘请摄尔修斯一探究竟。

1731年，正值而立的摄尔修斯前往离乌普萨拉不远的北部海边调查。他挨家挨户访谈，查阅纳税记录，很快找到海豹岩“寿命”不长的原因：波罗的海（Baltic Sea）的水面连年下降，岩石变得越来越高。望旧岩莫及的海豹“移居”新露出的石头，猎户只好跟着转移战场。摄尔修斯请当地数学教师帮忙绘图，详尽记录一尊被舍弃的海豹岩的故事。

图中的“EF”线是摄尔修斯在1731年见到的海面所在。这块岩石高高在上，不可能出现海豹。但它在近两个世纪前确是海豹岩，为一家猎户祖先的私产。海豹曾经栖息在岩石顶端“a”点，极易狩猎。摄尔修斯没能考证出具体年份，但标注那时的海面处于“AB”位置。档案显示猎户先辈在1563年时将岩石摧毁一部分，造成“d”处的缺口。因为海豹已经挪至较低的“b”处，高岩阻挡视线碍事。那年的海面因而应在“CD”位置。摄尔修斯实地测量出海面在168年间下降了2.37米，平均每年1.4厘米。

为方便后人继续追踪。摄尔修斯在一块只有尖头露出水面的岩石上刻下1731年的海平面位置。这块“摄尔修斯岩”今天已经巍然耸立于水面之上。

海平面的逐年下降在波罗的海沿岸尽人皆知。那里的渔村总在搬迁之中，否则会离水越来越远。渔民亲眼目睹新的岩石甚至岛屿从水里涌现。摄尔修斯第一次为这个自然现象赋予定量的测量。

也是在1731年，意大利博洛尼亚大学数学教授曼弗雷迪（Eustachio Manfredi）和威尼斯工程师曾德里尼（Bernardino Zendrini）应邀前往威尼斯南边海滨小城拉文纳（Ravenna）协助治水。与伽利略曾为之设计水车的威尼斯一样，拉文纳时常遭遇海水泛滥。他们年复一年地维修水坝和排水渠，依然每况愈下。

拉文纳历史悠久的大教堂凑巧在拆除重建。曼弗雷迪和曾德里尼好奇地观摩挖掘现场，惊见教堂最早在公元五世纪初建筑时的大理石地面被埋在地底。两人测量后确定其所在低于海平面好几十厘米。一千多年前的建筑师不至于愚蠢到将宏伟的大教堂建在水面之下，任凭潮水浸没。合理的解释是亚得里亚海（Adriatic Sea）彼时比现在低得多。拉文纳镇是在海平面的上升中不断垫高才具备现在的地势，也还难逃海水灾害。这也符合曾德里尼在威尼斯的体验。

曼弗雷迪推测河水冲刷的泥土在海边淤积造地，缩小海洋的面积。体积固定的海水受挤后只能上涨。他也定量地检验河水里的泥土含量，计算它们会导致亚得里亚海水在348年里上升至少16厘米。古时候没有人像摄尔修斯那样留下水位记号。不过威尼斯总督府（Doge’s Palace）的外墙常年浸泡在水里，留下很多水迹。曼弗雷迪借之核查，算出威尼斯的水位在宫殿落成的230年里已经上涨40厘米，远超泥土填海的估计。如此推算，拉文纳大教堂初建时的海平面比现在低两米多，确实不会对当年的教堂构成任何威胁。

无独有偶。荷兰的哈特苏克（Nicolaas Hartsoeker）那时也在为海水上涨发愁。荷兰的大城市与威尼斯同样地坐落在海滨低洼之地，需要不停地筑堤建坝。英雄所见略同。哈特苏克也通过测量河水里含土量估算出海水每百年会增高30厘米，悲观地预测荷兰所有耕地在一万年内被完全淹没，国将不国。

大江大河裹挟的泥土大多在出海口沉积，造就以其形状名曰“三角洲”（delta1）的新陆地。有些三角洲稳固、扩展后与坚实的大陆联为一体。伽利略的故乡比萨位于阿诺河的出海口，过去一度是古罗马的军港。但在他生长的年月，比萨的港口价值因阿诺河淤积一落千丈，现在已远离海边达万米之遥。曼弗雷迪和哈特苏克认为河水淤积致使陆地延伸、海面上涨，思路与古希腊历史学家希罗多德解释河边山上出现贝壳化石过程同出一辙。他们也都有定量测量的证据，结论却与摄尔修斯在瑞典海域所见截然相反。

那个年代，一部题为《泰利亚梅德》2的佚名手稿在法国隐秘地流传。其副标题声称该书“收录一位印度哲人与一位传教士就海平面下降、地球形成和人与动物起源的对话”3。泰利亚梅德（Telliamed）是书里的印度哲人，有着与法国传教士迥然相异的世界观。他主张地球在距离太阳很远时表面被“普大海洋”（universal ocean）完全覆盖，没有一丁点陆地。海水里的杂物逐渐沉积，在海底水流冲击下构造出不规则的“原始山脉”（primitive mountain）。那时的海洋过于深邃，这些山脉附近没有生命。随着地球趋近太阳，海水蒸发导致原始山脉露出水面。其表面在风吹雨淋日晒中缓慢分解，流失的泥土又在侧边浅海里堆积出“次级山脉”（secondary mountain）。当次级山脉从持续下降的海水里冒头时，它们带有浅海的生命体残骸，即化石。泰利亚梅德由此解释化石只会出现在临海的次级山脉之中。更进一步，他认定陆地上活着的动植物及人类也都源自海洋，是自然演化的结果。

《泰利亚梅德》的作者德麦耶（Benoît de Maillet）是法国贵族，在路易十四治下担任过驻埃及总领事。他在外交生涯里周游世界，广泛接触与西方宗教不同的东方文化。假托印度哲人之口，他在书稿里阐述地球和生命的自然起源，弃上帝如敝履。虽然为逃避教会追究隐姓埋名，德麦耶也故意留下明显的线索：“泰利亚梅德”即为“德麦耶”的反向拼写。

德麦耶的普大海洋是地球远离太阳时的常态，海平面因蒸发的下降也是一个非常缓慢的过程，至少历经几十亿年才有今天的地球外貌。这完全不同于《圣经》中诺亚洪水式的一时性灾难，也与根据《圣经》年月推算出的地球区区五千多年历史大相径庭。不仅如此，地球和太阳在德麦耶的世界里都是永久性的存在。地球反复接近、远离太阳；海水随之蒸发、凝聚。地球上的山河和生命也无休止地演化、轮回。

《泰利亚梅德》作于十七、十八世纪之交时，摄尔修斯才刚出生。德麦耶在1738年去世时多半没能获知摄尔修斯提供的海平面下降实证。《泰利亚梅德》直到作者离世十年后正式出版，轰动一时。这部离经叛道制作充斥离奇想象，与已经开始普及的科学方法相差甚远。一向狂放不羁蔑视神教的伏尔泰也将德麦耶归于欺世盗名之辈。

比伏尔泰年轻十来岁的布丰在《泰利亚梅德》正式问世一年后推出自己的《自然史》，认为地球由彗星从太阳中撞出的火球冷却而来。但布丰也认可冷却后的地球曾一度被普大海洋完全覆盖，海平面处于持续下降之中。他将意大利和荷兰的境遇归咎于地域性的特例。

1765年，全球第一所矿业学院在德国东部大山里的弗莱贝格（Freiberg）开张，显示采矿工艺日益显著的地位。矿工之子维尔纳（Abraham Gottlob Werner）在该校读书，又在1775年受聘回校任教。他年仅26岁，已是远近知名的矿石分类专家。苦于健康欠佳，维尔纳人到中年后放弃野外勘查转向抽象的理论思考，尤其是不同种类矿石的历史由来。

维尔纳也没有简单地排斥德麦耶的普大海洋。他摒弃德麦耶的宇宙运动及生命演化遐想，只将普大海洋当作地球原初的状态。海水里溶解着大量的矿物质，在水被蒸发时陆续沉积在海底。最先析出的是“原始岩”（primitive rock），以“花岗岩”（granite）为主。随后出现的是“砂岩”（sandstone）、石灰石等“过渡岩”（transition rock），扮演从原始山脉到由其水土流失再度堆积次级山脉之间的过渡角色。过渡岩上面覆盖着组成次级山脉的薄片状“层状岩”（floetz rock）、散沙碎石式的“冲击岩”（alluvial rock）和最后才在火山爆发中产生的“火山岩”（volcanic rock）。

一百年前，丹麦青年斯特诺在阿诺河谷搜集、研究化石和矿石，总结出以矿石平面夹角分类的斯特诺定律和地球崇山峻岭由淤泥而来的地层学。维尔纳的矿石分类和起源与之一脉相承，层次分明、井然有序的五类岩石也正是斯特诺地层按时间顺序堆积的“叠覆律”更具体的表述。岩石的形成有赖于水底和其上越来越厚重地层的压力，被埋在最深处的花岗岩因而最为坚硬。维尔纳也明白将泥土挤压成花岗岩需要长达百万年的时间，但明智地回避这个涉及地球年龄的棘手争议。

弗莱贝格矿业学院在十八世纪末一枝独秀，人才辈出。维尔纳的弟子毕业后走向世界，在高山大川应用并检验导师的思想。从斯特诺到维尔纳的岩石来源“水成论”伴随着一代年轻人的脚步传播欧洲各地，成为地质学名副其实的主流“话语”。摄尔修斯的海平面下降证据正当其时，意大利和荷兰人与之相悖的切身体会被漠然置之。

维尔纳回校任教的前一年，瓦特正从格拉斯哥搬家前往英格兰的伯明翰。他的朋友赫顿（James Hutton）一路相伴走完这段不足五百千米、却饱含历史性的路程。在踌躇满志的瓦特身旁，年长十岁的赫顿尚未意识到自己也已趋近改写历史的前夜。

赫顿于1726年出生于苏格兰的爱丁堡。父亲在他三岁时去世，留下丰厚遗产保障母亲和五个孩子的小康生活。赫顿十四岁时进入爱丁堡大学修习人文和法律，但更对麦克劳林（Colin Maclaurin）讲授的牛顿力学课程着迷。麦克劳林曾得到晚年牛顿的亲身教诲和赏识。为帮助麦克劳林获得教职，牛顿在推荐信里表示自愿承担他的部分工资。麦克劳林在爱丁堡也与欧拉、拉格朗日、拉普拉斯等名家交往甚密，以诠释、推广牛顿理论为己任。少年赫顿获益匪浅，深为其逻辑魅力折服。他毕业后很快厌倦律师生涯，回到学校从头再来。那时的爱丁顿大学还没有设立他喜爱的化学专业，赫顿选择与之最接近的医学。这次他时令不佳，因为苏格兰发生叛乱和个人的私生子麻烦远走巴黎和荷兰完成学业。

1749年，赫顿在荷兰的莱顿大学获得医学学位。他没有忘记心心念念的牛顿，在毕业论文里模仿行星绕太阳的公转讲述人体内的血液循环。生命与天体同样在无休无止的轮转中连绵不绝。赫顿也有更实际的收获，做化学实验时慧眼独具地发现从煤烟灰里提炼“卤砂”4（sal ammoniac）的诀窍。卤砂是昂贵的工业原料，煤烟灰则一钱不值。点石成金般的技术在一位好同学手里投产后盈利甚丰。赫顿分得一笔可观的稳定收入，加上父亲的遗产已是衣食无愁。他告别都市，一个人躲进父亲留下的农庄。

那是1752年，赫顿才26岁。他的偶像牛顿早年发奋读书上大学，摆脱一辈子在自家庄园务农的命运。赫顿反其道而行之，在两度求学，怀揣法律、化学和医学实用专长后回乡务农。为当好农民，他又专程前往英格兰农庄“留学”两年，为苏格兰带回高效的犁和交替种植不同种类庄稼的”轮作”（crop rotation）等先进技术。几年后，赫顿的农庄成为邻近农户纷纷仿效的样板。

闲暇时，赫顿或骑马或徒步考察山峦沟谷，思考更为深远的课题。让曼弗雷迪和哈特苏克忧虑的水土流失是农家更直接的大敌。赫顿经常眼睁睁地看着肥沃的表层土壤被暴雨冲刷进溪河、泄入大海一去不复返。他无暇担心海水因之上涨，也顾不上操心其对收成的影响。如是千载，陆地上应该只剩得坚硬的花岗岩，怎么还存有可耕种之地？

赫顿从小在宗教环境中长大，但在大学期间受麦克劳林等教授影响接受“自然神”（deism）信念：上帝只在原初时为人类安排好生存环境，其后不再插手。太阳系是活生生的例子：上帝安排好太阳和行星的格局，之后由它们自行依照牛顿发现的定律运行。地球表面的土壤也是上帝为生命准备的资源，被冲入大海后理应会有重归陆地、继续维持生命的机制。

1767年时，41岁的赫顿将平稳运作中的农庄租给佃户，自己返回爱丁顿寻求答案。他正赶上好时光。

十八世纪后期的爱丁堡是所谓“苏格兰启蒙运动”（Scottish Enlightenment）的中心所在。那里有休谟写作历史、宗教与伦理、亚当·斯密构建划时代的经济理论、布莱克探讨气动化学和热、瓦特摸索蒸汽机的改进……。富兰克林常驻伦敦时专程来此拜访逗留；老牌启蒙学者伏尔泰也在巴黎盛赞“我们仰仗苏格兰的文明思想”5。赫顿与亚当·斯密和布莱克几乎同龄，都是快乐的单身汉。他们风华正茂无忧无虑，白天专心各自的学问，傍晚与更年轻的瓦特和其他学者一起聚餐，高谈阔论。

英格兰和苏格兰也都在热火朝天地挖河修渠扩展运输。赫顿参与其中，四处勘察地势，搜集岩石样本每天在自家实验室里研究。1774年陪伴瓦特去伯明翰也是赫顿的调研之旅。他与瓦特分手后继续前往威尔士和英格兰西南山区勘探。

爱丁堡在1783年有了自己的“王家学会”（Royal Society of Edinburgh）。1785年3月7日下午，会员们在大学图书馆里济济一堂，准备聆听赫顿酝酿已久的报告。这是赫顿埋头苦干十多年所期待的一天，他却因为得病或怯场没能露面。精于课堂教学的布莱克声情并茂地为听众朗诵好友准备的讲稿前半部分。四个星期后，赫顿终于亲自登台讲完后半部。

上帝安排的家园要永久持续，被冲刷入海的泥土必须能够再度升出海面为生命体造福。这也无需再有劳上帝相助。赫顿在瓦特的蒸汽机里感受火和热的威力，找到他寻觅已久的谜底。地球内部宛如蒸汽机，储存着无与伦比的火和热。它像火山爆发那样将沉积海底的泥土推举出水面，营造新的陆地。正如太阳系的行星和人体内的血液，肥沃的土壤在被雨水冲进海里，淤积后又在地热推动下喷薄而出，为人类和动植物提供新的良田。泥土在循环往复中不停地更新，保证生命的世世代代繁衍。那正是作为自然神的上帝之初心。

赫顿在报告中开宗明义地表明他的目的在于阐述养育植物、动物生命地球的存在时间。土壤的循环是一个无穷无尽的流程。地球也因此“无始之痕，无终之望”6，是一个永恒的存在。

古希腊哲人也曾认定地球亘古长存。但因《圣经》所限，十八世纪欧洲学者相信地球只有五千多年历史。布丰依据自己的实验推算地球从炽热之初冷却需要至少十万年，也不得不以重新诠释《创世纪》里上帝“一天”的长度搪塞。赫顿旗帜鲜明地论证地球无始无终，比化名的德麦耶更为石破天惊。

思想解放的爱丁顿朋友们也没能接受赫顿的奇谈怪论。赫顿知道他需要更直观的证据。

那年夏天，赫顿和朋友克勒克（John Clerk of Eldin）一起登上苏格兰远离海岸的高地（Highlands）。他十年前曾与克勒克的哥哥来过这里，知道山谷里满是错综复杂的岩石脉络。两人这次攀爬到一个叫做格兰蒂尔特（Glen Tilt）的深谷顶部，看到很多花岗岩脉（granite vein）横七竖八地夹杂在其它层岩之中。

那显然不是维尔纳所述、依照斯特诺叠覆律以时间为序有条不紊地逐层堆积地貌。他们可以看出花岗岩脉是自下而上“侵入”其它岩石，与从海水中沉积的方向正相反。赫顿解释这些花岗岩不属于地球之初的“原始山脉”或维尔纳的“原始岩”。它们更为“新鲜”，从地下的高温中崛起时还是炽热的岩浆，流入已有岩石的裂缝将后者贯穿、截切。眼前的场景生动地表明坚实无比的花岗岩并不都在海底最深处压制，可以在猛烈的地火中锻造而出，比地表的岩石更为年轻。已达花甲之年的赫顿与只比他小两岁的克勒克兴致勃勃，后来又在苏格兰高地找到另外几处相似的实例。

由此，赫顿复活与斯特诺水成论针锋相对的基歇尔“火成论”。

地面可见的地质现象十分有限，更多的历史被深埋其下。好在水土流失也有益处，在大规模塌方中制造出悬崖，将隐藏地底的内情暴露无遗。与虎克的怀特岛类似，苏格兰的海岸布满高崖。赫顿知道自己农庄东边不远的海岸以“灰砂岩”（greywacke）为主，更为西北向的海岸却满是“老红砂岩”（old red sandstone）。两种岩石同属维尔纳理论里在花岗岩后出现的砂岩，只是颜色略有差别。奇怪的是它们的外观相当不同：老红砂岩是规规矩矩的一层又一层；灰砂岩却如立柱般地直列。赫顿觉得两种岩石相遇的结合部会很有意思。

1788年6月一个下午，62岁的赫顿带着不惑之年的数学教授普莱费尔（John Playfair）和27岁的新秀地质学家霍尔（Sir James Hall, 4th Baronet）在爱丁堡港口搭乘渔船，顺海岸向东南方向行进。他们一路上观享老红砂岩峭壁，期待着灰砂岩的现身。功夫不负有心人。在一个名为“西卡角”（Siccar Point）的海角，他们眼前的悬崖底部是直立的灰砂岩，上面倾斜地覆盖着一层层的老红砂岩。乍看之下，赫顿不禁手舞足蹈。

斯特诺和维尔纳水成论里的岩石按部就班地从海水中沉淀而出，都应该是水平的岩层。西卡角上灰砂岩和老红砂岩之间的接近九十度夹角因而极为突兀，难以理解。赫顿却胸有成竹。他指出这里的灰砂岩面世很早，最初在海底堆积时也是水平的层状。它们是在被地底的热推举出水面时因压力扭曲变形而成直立状。突出水面后，灰砂岩在某个时刻又沉入海底，上面积蓄起新的老红砂岩。两种岩石因而属于不同的时代，中间相隔至少一次陆地与海底的沧桑巨变。在赫顿的心目中，西卡角的峭壁证明泥土堆积、造山确为周而复始的循环过程。地球也因此“无始之痕，无终之望”。

面对这一目了然的岩壁和兴奋莫名中的老者，普莱费尔和霍尔均已折服。

没有亲临其境的学者却无法从赫顿带回的几幅绘图中领会大自然的神奇。伦敦的德吕克和王家学会地质专家坚持维尔纳水成论，纷纷对赫顿的奇谈怪论口诛笔伐。赫顿在余年里忙于辩解、反击，直至1797年3月26日去世时也没能完成分卷出版的《地球理论》7。

摄尔修斯1744年去世时以参与法国远征队考察和海平面下降为瑞典以外的人所知。他两年前发表的修改自德利尔，以水的沸点为零度、冰点为一百度的倒置温标则寂寂无闻。生前好友林奈（Carl Linnaeus）也是在他死后才读到论文。林奈是摄尔修斯植物学家叔叔的得意门生，在定量观测植物生长环境时对温度发生浓厚兴趣。他自作主张将摄尔修斯倒置的温标再颠倒过来，改为水在零度结冰、一百度沸腾。几乎同时，法国的天文学家克里斯廷（Jean-Pierre Christin）也做出同样改动。机缘巧合，他们“修正”的摄尔修斯温标在半个世纪后正合大革命中的法国人之意。

尽管温度计已经伴随富兰克林的洋流和查理的气球入海上天，它还只是学界精英的私家花园，尚未飞入寻常百姓家。大革命中的国民议会在大张旗鼓地改革度量衡、货币和钟表历法的两年后才在1795年姗姗来迟地注意到温度。由于单一固定点校准方式实在繁琐过时，法国通用的雷奥穆尔温标也已被加上第二个固定点：定为八十度的水沸点。其“八十分度”（octogesimal）显然有悖科学的十进制。

水在零度结冰、一百度沸腾的“摄氏温标”于是以“百分度”（centigrade）的名义获得青睐，被国民议会纳入以十进制为象征的“公制”（metric）单位。早已悻悻然退出国际协作的英国和美国没有理睬，继续推行自己熟识的“英制”（imperial），包括由卡文迪许校准的华伦海特温标，或“华氏温标”。

1795年是法国革命历的共和国3年。从敦克尔克到巴塞罗那的经线测量仍未能完成，轰轰烈烈大革命的局面又已大为改观。

（待续）

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那是拉瓦锡作为政府包税人正职工作的成就。围墙防御的不是外敌入侵而是内患。六年前，为载人气球欢天喜地的巴黎背后暗藏着残酷的现实：连年鏖战，倾尽全力支持新大陆美国赢得独立后的王室捉襟见肘濒临破产。拉瓦锡定量分析市民每天消耗的生活用品和征收到的税款，估算至少百分之二十的货物属偷税漏税。他为此主持修建环城围墙杜绝走私贩运，增加税收。蜿蜒的城墙设有五十多个城门用作通道和收税站。它们承袭着巴黎崇尚艺术的传统，各具特色美轮美奂。工程也因之耗资巨大。布衣百姓的日常生活备受大墙阻扰，致使拉瓦锡成众矢之的。

他的远水也没能救得近火。城墙在1789年初步竣工时，路易十六的统治已然摇摇欲坠。国王在那年年初被迫恢复被遗忘近二百年、由教士、贵族、平民组成的“三级会议”（États généraux）共商国是。拉瓦锡踊跃角逐平民代表，因身为贵族、政府官员并富甲一方而饱受诟病落选。他转而谋得贵族阶层的候补代表资格。

拉瓦锡自相矛盾的身份和立场在那年的法国并不鲜见。伏尔泰等人引领的启蒙时代已经持续几十年。以人为本、唾弃君主王权和宗教神权的理念深入人心。当下层市民为生活所迫呼唤社会变革时，锦衣玉食的学者们义不容辞，自认为新思想之代表者。拉瓦锡地位显赫，主管着兵工厂火药生产和储备、烟草生产及农业改革，还兼任国家银行董事。他也从中对君主制下猖獗的腐败和不公了如指掌、深恶痛绝。在竞选市民代表时，拉瓦锡豪迈地誓言放弃自己的特权和福利，与平民同甘共苦。

三级会议没能缓和局势，平民代表在六月中自组独立的“国民议会”（National Assembly）。七月初，揭竿而起的巴黎民众陆续缴获大量枪支弹药，焚毁多座拉瓦锡苦心经营的精致新城门。7月12日夜晚，拉瓦锡受命将兵工厂里部分火药转移到隔壁巴士底狱保藏。那里囚禁过青年伏尔泰，原是一座坚固的守城堡垒。不料，巴士底狱在14日轻易被市民攻占，成为法国大革命爆发的象征性事件。

几天后，拉瓦锡又安排将兵工厂剩余火药偷运出巴黎疏散。起义市民发现后集体冲进他的实验室质问。巴黎之大，已安放不下拉瓦锡平静的书桌。

拉瓦锡坦然自若，也在大革命的热潮中看到一个特殊的契机。

公元前221年，秦始皇统一中国后下诏明令各地使用相同的长短（度）、体积（量）和重量（衡）标准。在几乎恰恰两千年后的欧洲，各村各镇还保存着自己标准尺、量筒和秤砣、砝码，没有统一的度量衡。巴黎的牛奶和葡萄酒买卖时使用不同的量筒，一“磅”（livre）米和一磅铁的重量也不一样。拉瓦锡在本职包税人业务里深受其累，视之为经济贸易发展的一大障碍。

度量衡的混乱也是他业余科学研究中由来已久的麻烦。即便在经验主义科学方法普及之后，学者们也因各自测量单位的不同难以直接交流实验结果。伽利略刻意将斜面实验里滚珠在相同时间间隔内的下落距离表述为1、4、9……之比例形式归纳出加速运动的规律。从开普勒到牛顿，太阳系（尚未能确定）的星体质量和距离也都类似地处理，正如古埃及的埃拉托色尼将他测定的地球周长记作亚历山大港与阿斯旺之间距离的五十倍。英国王家学会和法国科学院在1742年时曾互赠标尺以供对比、换算，也只是杯水车薪的权宜之计。

世界各地人们不谋而合地选取本族某位帝王的身体特征——臂长（cubit）、足长（foot)或步长（pace）等等——为基准测量长度。法国最通用的是一个人张开双臂时两手中指尖的距离，或“臂展”（toise），由镶嵌在巴黎市中心“大城堡”（Grand Châtelet）台阶底部着的一根铁棍标定。那铁棍有几百年的历史，基于何人的臂展已不可考。铁棍也因扭曲变形被多次置换，难负“标准”之名。莫佩尔图半个世纪前组织远征队前往南美和北欧测量纬度间距时携带的基准标尺便是“巴黎臂展”。好在他们只需比较两地结果之别，不在乎标尺本身的具体长短。

如此“以人为本”的基准难以可靠地保存、传世，也与提倡人人平等的启蒙时代背道而驰。伏尔泰协同夏特莱侯爵夫人埃米莉和莫佩尔图等学者传播的以牛顿理论为旗帜的科学、理性精神也已扎根法国，乘大革命的东风开花结果。

路易十六在革命爆发后不得不放弃多项王室特权，包括对度量衡的垄断。1790年5月，革命方兴未艾、政局动荡不安中的国民议会责成科学院改革计量标准。他们的任务不是仿效秦始皇简单地推行自己选中的版本，而是要从头开始缔造一个科学理性、不以人主观意志或利益为变的客观标准。这正合拉瓦锡之意。

拉瓦锡当即与拉格朗日和拉普拉斯等精英组成委员会尽锐出战。他们的义举得到老牌英国和新兴美国的共同响应。美利坚刚上任的总统华盛顿委派国务卿1杰斐逊（Thomas Jefferson）加盟，冀望与法国科学院和英国王家学会联手创建人类第一个国际性的计量标准。

长度是最基本的单位。一个显而易见的方案是利用伽利略最早识别出具备恒定周期性的悬摆，比如周期为两秒的摆之摆长。不过惠更斯也早已揭示悬摆的周期随所在高度、纬度或环境重力不同而异，已被里歇、哈雷和法国远征队用作重力仪。以悬摆为标准必须严格规范测量的地理位置。三个国家为此争论不休，都企图将之定在自己的国土上。他们最后勉强同意以位于北纬45度海平面的法国小镇波尔多（Bordeaux）为准。可是拉瓦锡又意识到这样的长度单位会从属于时间单位“秒”的定义和测量，不复“基本”而予以否决。

更为基本、客观且恒定不变的长度单位是地球固有的尺寸，其赤道处的周长是最为自然的选项。可惜那里多为一望无际的海洋，难以精确测量。退而求其次，委员会建议选取沿经线从北极到赤道距离的一千万分之一作为长度单位。地球的扁球体形状也不匀称，这个距离沿不同经度测量时有所差异。拉瓦锡的委员会列举出充分理由证明从法国北部小镇敦克尔克（Dunkirk）到西班牙巴塞罗那市的经线是唯一选项。两地相距恰好十个纬度，正处于北极与赤道间的中部。以它们之间距离外推赤道和北极间距比较靠谱。国民议会从善如流，罔顾轰轰烈烈的革命和每况愈下的财政危机拨巨款资助科学院实施测量。于是，在埃拉托色尼利用天文现象测量地球大小的两千多年、莫佩尔图远征队实测南美和北欧纬度间距的五十年后，巴黎两位年轻天文学家受命测量敦克尔克至巴塞罗那的经线距离。他们将覆盖比当年远征队长十倍的大地，但无需浪迹天涯。

美国的杰斐逊和英国的王家学会明眼识破这条经线得到青睐的真正原因是它正巧穿过巴黎。与英国和法国人各自坚持通过伦敦格林威治和巴黎天文台的经线为地球本初子午线如出一辙，基于自然标准的长度单位选择也没能逃脱人类自私的虚荣心。鉴于法国人一意孤行，美国和英国抽身而退。计量标准的第一次国际协作不欢而散。

巴黎学者不以为意。新时代的长度基本单位理应有一个全新的称谓。数学家勒布隆（Auguste-Savinien Leblond）以希腊语的“测量”（metron）为之命名为“米”（meter）。他同时系统地创造一系列前缀，分别用于十倍计的“十米”（decameter）、“百米”（hectometer）、“千米”（kilometer）和十分之一计的“分米”（decimeter）、“厘米”（centimeter）、“毫米”（millimeter）等等。

逢十进一的“十进制”（decimal）不是新发明。人们习惯“屈指一算”，十个手指头是最现成的计算工具。在公元十世纪告别繁琐的罗马数字改用阿拉伯数字后，欧洲人对十进制的代数运算驾轻就熟。可是传统的计量单位不同。因为土地、布匹、谷物等交易里最常见的运作是将货物平分为二、三、四、八等份，计量单位通常采用二、八、十二、十六进制。它们与罗马数字一样随时代进步愈显笨拙。拉瓦锡和众多学者早就主张以简便的十进制取而代之。破旧立新的大革命正当其时。

有了长度的单位，面积、体积或容积的基本单位也相应地由长度的平方和立方确立。拉瓦锡又将重量的基本单位定为一个立方分米——“升”（liter）——纯净蒸馏水的重量，后来仿照长度单位被名为“千克”（kilogram）。这样，基于自然的通用度、量、衡基本单位一切就绪，只等从敦克尔克到巴塞罗那的经线距离测量数据——至少在法国人的心目中。

拉瓦锡明白水的体积会因温度高低膨胀或收缩，一升水的重量也随之改变。他具体地指定作为重量标准的是临近结冰时的水，也就是温度为零度时的水。那也只是法国当时流行的温度标准，与长度和重量一样在欧洲各地不尽相同。

温度一词出自古希腊医生盖伦所谓的“性情”。然而帝王的体温不像足长、臂展那样易于复制成标尺用作标准，温度的标尺只能依赖更为普适的自然标准。公元二世纪的盖伦用自己想象里最热的蒸汽和最冷的冰作为“固定点”（fixed points），将二者之间的冷暖程度分成九个梯级构成人类第一个温标。那只是抽象的温标。盖伦和后世一千多年的学者们无缘客观地测试温度，只能“冷暖自知”地揣摩。

伽利略的望热镜在十七世纪初改变这一局面。佛罗伦萨的托斯卡纳大公爵费迪南多二世随后将望热镜的玻璃管封闭，改进为不受气压影响的温度计。他还在管子旁添加带刻度的纸条，方便读取液体柱的高度。大公爵不是严谨的学者，只信手在纸条上绘制出五十、一百或三百等分的条纹，没有认真选取实际的温度作为固定点。当由大公爵资助的“实验科学院”兴办遍及意大利和欧洲城市的气候观测网时，参与者只能使用佛罗伦萨统一生产、分发，带有相同刻度的温度计才能获取可相互比较的气温数据。

多种多样的温度计在那之后纷纷涌现。它们用作热胀冷缩的液体材料、用量以及管子的长短粗细各有不同，彼此相差很大。为能够互相比较测量结果，制定客观的温度标准迫在眉睫。

那也是青年虎克受聘王家学会实验员时的一大任务。他在1664年出版的《显微图谱》里详细描述自己用质量最佳的酒精制作的一米多长、在最冷的冬天和最热的夏天都能使用的温度计。在严寒之冬，虎克缓慢、均匀地加热温度计，每隔一定时间标记酒精柱升至的高度作为温标。他觉得如此获得的每两个标记之间应该有着相同的温度间隔。其中纯净蒸馏水结冰时的标记为“零度”，作为整个温标的基准点。虎克实践的是恩师波义耳的主意：制定温标只需要一个固定点。

虎克可能也是将水的“冰点”（freezing point）正式定为零度的第一人。但那不是盖伦医生以为的最低温度。欧洲冬天的气温经常低于冰点，在虎克的温标里为“零下”2，或以负数表示的温度。他的温度计和温标随即被学会接受为“官方”标准。

但在虎克作古几十年后，王家学会的温标已经面目全非。十八世纪初的学会标准是一个上下翻转的“倒置”（inverted）温标，其中的零度变为没有特定意义的“非常热”温度。日常的温度全在该零度“之下”，也都为越冷越大的正数。比如水的冰点是65度，而更冷的“非常冷”为80度。出于虎克和学会的努力，越来越多的学者开始使用温度计逐日测量气温。王家学会体贴地将温标倒置，免得不精通数学的人在寒冬经常遭遇头疼的负数。

即使在波义耳和虎克的有生之年，惠更斯、牛顿和哈雷也没有赞同他们的思路。虎克以缓慢加热决定的温度梯级带有极强的随意性，不如像盖伦那样用两个固定点之间平分的温度梯级合适。惠更斯同意以水沸腾成蒸汽的“沸点”（boiling point）作为第二个固定点。哈雷则主张改用酒煮沸时的温度。牛顿迟至十七世纪末才开始钻研温度，自制亚麻籽（lintseed）油温度计做实验。他在1701年匿名发表《炎热程度之标度》论文时附有自己绘制的温标，分别以水的冰点和“正常人”的体温——“血热”（blood heat）——为零度和12度。十六世纪的瑞士医生哈斯勒曾认为人类的体温随年龄、居住地和四季等因素变动（见《之一：冷与暖》插图四）。他的臆测在有温度计实际测量后已被推翻。健康人的体温相当稳定，人与人之间也相差无几，不失为可取的温度固定点。

大师们的众说纷纭事出有因：没有人能肯定水总会在“固定”的温度下结冰或沸腾。波义耳怀疑水的冰点随所在纬度而异，曾建议用八角油（aniseed oil）冰点取而代之。想象力丰富的哈雷觉得溶洞或地窖里阴凉的温度更为可靠，对巴黎天文台深深的地下室情有独钟。但相对而言，他们也都认可纯水冰点温度的稳定性。

水的沸点大为不同。托里切利早在十七世纪初注意到水的沸腾温度随环境变化。在高山上或风暴将至之时，他的气压计读数较低，水沸腾的温度也随之降低。惠更斯因此将水的沸点限定为海平面正常大气压——76厘米高水银柱（760托）——下的沸腾温度，还是察觉蒸馏水会在同一温度计表明的不同的温度上沸腾。牛顿用自己的温标发现水在33度时开始沸腾，34度之后才剧烈沸腾，因而改选更稳定的体温。当然体温也有其不方便和不确切之处。哈雷也承认酒的沸点随酒精含量变化，用作固定点不值一哂。

尽管王家学会频频设立、修改标准。形形色色的温度计和温标还是层出不穷，不一而足。

1724年时，波兰出生、荷兰长大的华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）在王家学会的《哲学会刊》上一口气发表五篇论文，如愿被接纳为会员。其中一篇讲述他一次小心翼翼地搬运一瓶还没有结冰的冷蒸馏水时不慎滑倒，看见烧瓶里的水在那一瞬间全部变成一片片固体的冰。他重复验证后确认纯净的水能够冷却到冰点之下还保持液态。水结冰的温度确实不“固定”。

意外的摔跤也让华伦海特发觉如此“过冷”（supercooling）的水在被晃动时突然冻结为冰，温度倒回升至原来的冰点。他提出冰和水的混合状态是比观察水结冰更为可靠的冰点。其实，或者出于直觉或者为求便利，虎克当年用作“冰点”的也是冰水混合物。

华伦海特对温度的兴趣源自十多年前的一次偶遇。他十二岁时父母因误食有毒蘑菇双亡，自己后来为躲债独自在北欧流难。1708年，22岁的华伦海特在哥本哈根见到当地市长、曾第一个测出光速的丹麦天文学家罗默。与第谷、开普勒等前辈同样，罗默观测天穹同时也记录气象。他毫无保留地为远来的年轻人演示自创的校准温度计方式和温标。罗默将水的冰点和沸点分别定为7.5度和60度，特意在冰点之下为更低的温度预留空间。华伦海特到来的那年是一个尤为苦寒的严冬，哥本哈根海港里的厚冰超过半米。罗默记录的低温差点逾越他的零值进入负数。他后来也改用起倒置的温标。

在罗默的启迪和鼓励下，华伦海特迷上了温度计和温标。为保证所有温度均为正数，他选取自己能找到的最冷之物——冰、水和海盐的“共晶混合”（eutectic mixture）——为零度，然后以冰水混合物和常人体温作为30度和90度的固定点制订温标。它们后来被改为32度和96度，以便水的冰点和沸点（212度）之间形成最易于平分成各种等份的180度。与此同时，华伦海特制作出质量和准确度均出类拔萃的温度计。他使用的纯净水银一举成为温度计不二之选，淘汰酒精等其它材料。

华伦海特却没能从中获利，在1736年去世时不名一文。那五篇论文是他人生仅有的著述，也是他的温标在正式出版物里的最早现身。华伦海特没有在论文里提及罗默。

华伦海特《哲学会刊》论文问世六年后，法国学者、贵族雷奥穆尔（Rene Antoine Ferchault de Reaumur）也在《法国皇家科学院论文集》里发表自己的温标。与华伦海特带动的大趋势相反，雷奥穆尔坚持用酒精制作温度计，以水的冰点作为唯一的固定点：零度。他的温标和测定方法与虎克别无二致，论文里也只字未提七十年前的先辈。

法国天文学家德利尔（Joseph-Nicolas Delisle）也与罗默一样地承继着天文学家关注地球气象的传统。他设计的温标有两个固定点，与王家学会一致地倒置着：水的冰点和沸点分别为150度和零度。

在比丹麦更北的瑞典，也是天文学家的摄尔修斯（Anders Celsius）同样每天测量气温。他出生学者世家，有数学家的爷爷、天文学家的父亲和外公，还有一位植物学家的叔叔。青年摄尔修斯周游欧陆，在法国时协助莫佩尔图选取瑞典和芬兰交界托儿纳河谷为靠近北极的纬度间距测量点。莫佩尔图亲自率领的远征队启程时，已是北欧最古老的乌普萨拉大学教授的摄尔修斯也随队而行。他协助大地测绘、研究极光，在颇有建树同时巩固与法国学界的紧密联系。

送别远征队后，摄尔修斯在乌普萨拉创建北欧第一座天文台，仿效巴黎和格林威治天文台将其所在地定为本初子午线。他使用雷奥穆尔和德利尔提供的温度计观测、记录气候。为方便起见，摄尔修斯将德利尔的150度冰点改为一百度，同时保留水的沸点为零度。他修改的温标发表在1742年的瑞典学术期刊上。

两年后，42岁的摄尔修斯因肺结核去世。

在伽利略帮助人类摆脱冷暖自知的一个半世纪后，度量冷暖的方式依然一片混乱。荷兰乌得勒支大学博物馆里收藏的一支1754年的温度计上附有多达18种温标。

在华伦海特作古四十年后的1776年，王家学会组织委员会审理温标，由在气动化学中名声鹊起的卡文迪许领衔。

水的冰点和沸点已被广泛接受为温度固定点，只是沸点的不确定在越来越精确的温度计测量中愈加显著。一些温度计干脆标出两个沸点：水在华氏204度时开始沸腾，在212度时剧烈翻滚，相差八度之多。托里切利早就认识水的沸腾与气压密切相关。委员会里也有现成的专家。瑞士人德吕克（Jean-Andre De Luc）四年前才来到英国，已经出版《关于大气变化的研究》3论述气压与温度的关系。他常年在瑞士的大山里游走，研究气象和地质。自托里切利的姐夫佩里埃带着气压计登上多姆山之后，登山爱好者有了测量高度的利器。不过单纯由气压计换算出的高度往往不尽人意。德吕克明白偏差主要来自温度的变化。他同时测量所在地的气压和温度，总结出以后者修正前者的经验公式，大大提升测高的可靠性。

反之亦然。卡文迪许和德吕克指出测量水的沸点时也必须同时测量气压。如果气压偏离标准的76厘米高水银柱，测出的温度必须以相应的经验公式加以修正。水的沸点测量因此有了更为规范的标准，但问题还是没完全解决。

德吕克细致地察觉水的沸腾是一个复杂的过程，从溶解在水里的空气冒泡逃逸到水本身大规模转化为蒸汽可分为六个各有不同的温度的阶段，也会发生与结冰时过冷相对应的“过热”（superheating）：温度超过沸点的水。更要命的是水里的温度非常不均匀。靠近火源的底层与水面相差很大。水沸腾时的翻滚正是热在水里传递以达到平衡的过程。温度计在水里的位置、浸没程度无不影响其读数。正彷徨无措之际，卡文迪许找出一个窍门：在几乎密闭的容器里将温度计整个地置于翻滚着的沸腾水面之上的蒸汽里，可以测得稳定的沸点温度。这个操作有与利用冰水混合物异曲同工之效。

委员会众人大松一口气。他们心满意足地将华伦海特的水银温度计和温标升格为王家学会的新标准，促使其在英国本土和北美的殖民地广为流行，包括已经宣布独立的美利坚十三个殖民地和之后的合众国。

但在欧洲大陆，雷奥穆尔的温标因其名望一枝独秀。拉瓦锡与拉普拉斯一起测量火焰燃烧和动物呼吸热量时用的就是雷奥穆尔的温标，并反复为之校准。当拉瓦锡在1789年提出以冰点的水定义重量单位时，他指定的是雷奥穆尔温标下零度的水，而非华伦海特温标之32度。

按照计划，从敦克尔克到巴塞罗那经线距离的测量应在1792年夏天结束，为“米”提供精确的数值。由于国内的革命动乱和外敌借机入侵，两位天文学家那时还没能启程。他们身边的世界也已天翻地覆。

英国人班克斯讥讽法国人习惯性的歇斯底里固然刻薄，倒也不太离谱。天空中的气球不那么稀罕后，巴黎民众为梅斯梅尔的动物磁流疗法“着迷”多年，继而又集体投身大革命狂热。国民议会内部破裂成针锋相对的两派，按照代表们的习惯坐席分称为“左翼”4和“右翼”5。大革命在激进左翼的强劲推动下高歌猛进，一日千里。路易十六在1792年9月被废黜。法国建立起“自由、平等、博爱”（Liberté, égalité, fraternité）的美利坚式共和国。

拉瓦锡和法国科学院也在劫难逃。科学院学者们大多有贵族身份，属理所当然的革命对象。十年前被他们拒之门外的医生马拉在革命浪潮中脱颖而出，变身叱咤风云的左翼领袖。他在报刊里持续发表檄文，猛烈抨击科学院为一群养尊处优的无知、无能现代江湖骗子。拉瓦锡首当其冲。马拉指责他在燃素和热质上出尔反尔思想混乱，氧化、还原理论杂乱无章矛盾百出。巴黎人趋之若鹜的梅斯梅尔疗法惨遭漠视也被视作拉瓦锡和科学院高高在上脱离大众的典型表现。马拉呼吁踢开科学院的精英权威，改以公众意见评价科学成就和科学家。

身为“旧政府”6官员，拉瓦锡面临的不仅是学界纠纷。马拉详尽控诉拉瓦锡不惜工本建筑扰民的巴黎围墙、为破坏革命挪移火药、横征暴敛苛捐杂税等种种罪行，还无端指控他蓄意在负责生产的烟草里掺入水和杂质造假牟利。在沉重的舆论压力下，拉瓦锡无奈地在共和国诞生的辉煌日子里辞去政府职务，携夫人玛丽-安妮搬出小兵工厂的寓所和他们心爱的实验室。

1793年7月13日，马拉在自家浴缸里被政敌刺死。左翼领袖罗伯斯庇尔（Maximilien Robespierre）借机奉马拉为革命烈士。还在国民卫队服役的拉瓦锡也只得持枪为他守灵。大革命的热潮持续升温。所有名义上隶属王室的团体被取缔，包括声名远扬的科学院。学者们被逐出卢浮宫后，昔日的王宫被改造为博物馆向公众开放参观。布丰当年经营的“国王藏宝柜”皇家花园也被改作国家自然历史博物馆。

势不可挡的改革步伐不再能消极等待经线距离的测量。拉瓦锡、拉格朗日和拉普拉斯等人在被扫地出门之前奉命估算经线应有的距离。国民议会以他们的数值制作出“临时米尺”7作为标准广为分发，与早年的标尺一样地镶嵌在建筑物里永久保存。

十进制的度量衡终于华丽登场。法国的货币也被改为十进制，一法郎（franc）可换整整一百个“生丁”（centime），等同于0.01克金子的价值。他们还是晚了一步。美国在一年前已经颁布世界上第一个十进制货币系统：一美元（dollar）等于十美角（dime）或一百美分（penny）。

但巴黎的改革更为摧枯拉朽。数学家罗姆（Gilbert Romme）将科学、理性的十进制应用于计时，设计出一天十小时、一小时一百分钟、一分钟一百秒的新式钟表。为保持这样的一天与自然的24小时昼夜交替合拍，他不得不将原有的一秒钟时间略为缩短。拉瓦锡也许会暗自欣慰他们幸好没有把米的定义通过悬摆与秒捆绑在一起。

罗姆也没法对地球绕太阳公转的365天自然周期大动干戈。他的新日历里一年还是十二个月，只是勉为其难地将每个月改为同样的三十天，分成各为十天的“星期”。教皇格利高里十三世和数学家克拉维斯修改历法的二百年后，法国在大革命中有了自己的日历和钟表。革命历法以法兰西共和国诞生的1792年9月22日为元年元旦。那天正是秋分日。罗姆热情洋溢地赞颂太阳光在那天同时照亮地球南北两极，在一天内遍洒每个角落，体现人类自由光明之到来。十二个月也都以它们独具的气候或自然景象重新命名，比如鲜花盛开的春日时节为“花月”（Floréal）。

共和国2年花月19日（公历1794年5月8日），杜乐丽花园前 “革命广场”8上熙熙攘攘。人们像多年前看气球一样翘首以盼，等待又一批革命的敌人走上断头台。

早在革命之初的1789年10月，曾与拉瓦锡和富兰克林一同鉴定梅斯梅尔疗法的医生吉约旦（Joseph-Ignace Guillotin）提议用尊重人权的方式处死罪犯。他的名字随即阴错阳差地被用于应运而生的“断头台”（Guillotine）。马拉遇刺后，共和国在罗伯斯庇尔领导下进入腥风血雨的“恐怖统治”（Reign of Terror），观享断头台大显神威已是每天的家常便饭。也是在这个革命广场上，路易十六和他的王后分别于1793年1月21日和10月16日被以“叛国罪”斩首。

这一天列队走上断头台的是28名昔日的包税人。拉瓦锡排在第四位，他同为包税人的岳父紧跟其后。35分钟后，他们的头颅和躯体被分别堆放在柳条筐里和大车上，穿过拉瓦锡建造的收税城门运往郊外的乱葬岗。

革命法庭只用了不到一天的时间审定他们侵吞民脂民膏中饱私囊的罪恶，判处死刑。拉瓦锡的包税人生涯终成他无可逃避的毒咒。据称当事法官在回应人们以拉瓦锡的科学贡献求情时断言 “共和国不需要学者”9。那也只是后人编造的历史传说。确有拉瓦锡的朋友致信法官试图动之以情，只被置之不理。拉瓦锡和岳父等人之案是一损俱损地集体审判，不存在个别酌情处置的余地。

七年前才应路易十六盛情邀请来到巴黎的拉格朗日在写给参与测量经线距离天文学家的信里感叹：“他们砍下那颗脑袋只用了一瞬间，可一百年内也未必能再产生这样的一颗。”10

拉瓦锡遇害时年仅五十岁。

（待续）

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马拉还言之凿凿地坚持棱镜分离出的彩虹般色彩其实只有红、黄、蓝三种颜色，否定牛顿所列从红到紫七种颜色之别。他没能说服在场的学者，加入科学院的申请遭到一致拒绝。正在埋葬燃素论的拉瓦锡在总结报告里不留情面地指斥马拉的论文空洞无物。

几年后，德国医生梅斯梅尔（Franz Mesmer）来到巴黎推销其独特的疗法。沿袭磁石能治病的古老传统，梅斯梅尔相信生命体内有磁在流动。他自己又得天独厚地拥有富足磁流，通过接触传递给病人有显著疗效。法国科学院指派拉瓦锡和富兰克林等人鉴定。他们蒙住病人双眼，对比发觉治病效果不取决于梅斯梅尔是否在身体力行。他推销的只是催眠术式的心理暗示。

科学院评审诸如此类的惊天秘闻司空见惯。身为国际知名科学家的拉瓦锡和富兰克林也都在所不辞。马拉自讨没趣后黯然退出学界。梅斯梅尔的“动物磁流”（animal magnetism）继续在社会上长盛不衰。他的名字成为“被迷住”（mesmerize）的代称。

巴黎也不乏货真价实的历史性时刻。

1783年11月21日下午，富兰克林和他一个孙子在西郊塞纳河畔与国王路易十六和王后及成千上万的市民翘首以待。一个高23米、直径十五米、重达七百多千克的气球不久在国王府邸前冉冉升起。气球下面有一个小小的圆廊。身着节日盛装的德罗齐耶（Jean-François Pilâtre de Rozier）和达兰德斯（François Laurent d’Arlandes）侯爵站在上面，意气风发地向众人挥手致意。

气球在欢呼声中徐徐飘过塞纳河，25分钟后在九千米外安全着陆。人类有史以来第一次自主地摆脱地球引力，实现亘古的飞行梦想。

富兰克林在现场被问及气球会有什么实际用途时诙谐地反问：“一个新生婴儿能有啥用处？”1第二天傍晚，气球设计者约瑟夫·孟格菲（Joseph Montgolfier）和艾蒂安·孟格菲（Etienne Montgolfier）兄弟登门拜访，恳请大名人为他们的成就签名认证。富兰克林欣然从命。

早在半年前，孟格菲兄弟在路易十六的王宫——凡尔赛宫——前举办过首次公开试验。路易十六特意将之安排为款待前来谈判美国独立和平协议各国嘉宾的表演项目，但富兰克林未能躬逢其盛。那天，带着羊、鸭和公鸡各一只的气球短暂飞过雄伟的凡尔赛宫，让路易十六夫妇和在场的拉瓦锡等科学院成员叹为观止。

孟格菲兄弟以祖传的造纸作坊为业，非学界人物。约瑟夫看到妻子的衬裙在火炉上烤干时飘飘然地膨胀鼓起，脑洞大开。他和弟弟用硬皮纸糊制成空心球体，在下面烧火起烟。球体收集到足够的轻烟后被托举升空——至少约瑟夫以为如是。更具科学素养的拉瓦锡清楚提升气球的不是烟而是热：球内空气吸收炉火产生的热质后体积膨胀，变得比球外的空气轻。他没有看低文化程度不高的孟格菲兄弟，协同科学院里大力支持他们的创新。兄弟俩也在拉瓦锡指点下放弃产烟多的湿草改以更有效燃烧生热的干柴为其“热气球”（hot air balloon）燃料。

载人的飞行无疑备受瞩目。热气球经久飞行也需要有人持续为炉火添柴加薪。路易十六慷慨地提供牢狱里囚犯作最初实验品，痴迷飞行的爱好者也踊跃自荐。孟格菲兄弟从志愿者里选中物理教授德罗齐耶为人类第一位“航空员”（aeronaut）。他需要另有人帮助保持重量平衡。朋友达兰德斯侯爵义不容辞，荣任最早的“副驾驶”（co-pilot）。

德罗齐耶和达兰德斯成功飞行仅仅十天后，巴黎再次倾城而出，在卢浮宫前的杜乐丽花园（Tuileries Garden）观享又一载人气球的起飞。那是物理学家查理（Jacques Charles）设计的气球，比孟格菲兄弟的明显小一号，升空后飞得又高又远。病中的富兰克林坐在马车里用望远镜眺望，也很快失去气球的踪影。

查理的气球无需装载火炉或燃料，球体里填充着卡文迪许最先分离出的“易燃气”，即由拉瓦锡改名为“水产生者”的氢。那是比空气轻的气体，自然地带动气球上浮。查理豁达地邀请已捷足先登的约瑟夫·孟格菲为自己牵线放飞。他和伙伴起飞后的航空时间超过两小时，行程达36千米，凸显氢气球更为持久的巡航能力。他们着陆时太阳已落山。查理一时兴起又单独起飞，旱地拔葱般在十分钟内跃至三千多米高度，重新看到西边的残阳。他于是自诩为一天内两度目睹日落之第一人。

观光之余，查理在漫长的飞行中沿途使用温度计和气压计进行科学测量。托里切利发明的气压计早被登山者用作高度表，此时也方便地用于估算气球所在的高度。查理倒也不需要温度计体验“高处不胜寒”。他的手指接近冻僵，难以握笔记录数据。

拉瓦锡也对查理的“氢气球”（hydrogen balloon）有所贡献。在证实氢燃烧时与氧结合“产生”水后，拉瓦锡发现分解水的逆向过程：让水流过烧成炽热的铁，后者激烈的氧化反应将水里的氧剥离吸收，剩余的氢随之耗散。这是比卡文迪许置铁于盐酸里更有效的大规模生产氢气方式，正好满足氢气球的需求。

作为十八世纪后期最热门的科学探索，燃烧和气动化学殊途同归，在同一时刻分别以热气球和氢气球辅佐人类克服地球的束缚进军蓝天。两类气球各有所长，相辅相成。

至少热气球算不上富兰克林眼里的“新生婴儿”。相传中国的诸葛亮在公元三世纪的三国时发明以烛火加热的“孔明灯”。欧洲历史上也有过类似的尝试。孔明灯在战场上提供照明、传递信号，已展现出独特的实用性。能够载人的硕大气球更是无与伦比，还能轻易抵达曾被富兰克林用来捕捉云中闪电之风筝不能及的高度。应伦敦王家学会主席班克斯的请求，富兰克林连篇累牍地致信海峡对岸，热情洋溢地汇报所见所闻，描绘人类飞行的进展和前景。

班克斯出乎意料地不为所动。氢气出自英国人卡文迪许和普里斯特利，却被法国人后来居上地取而用之。班克斯不服气地将巴黎的盛况贬作法国人惯常的一时性歇斯底里。无奈英国人也未能免俗。载人气球大约一年后在伦敦现身，与巴黎同样地导致万人空巷。

伦敦人终得一见的气球也都是舶来品，其中第二个升空的恰恰来自巴黎。法国青年布兰查得（Jean-Pierre Blanchard）从小醉心飞行，可惜在角逐首位航空员时功亏一篑。他随后自制氢气球，转向英国寻求错失的荣耀。虽然也没能拔得伦敦气球之头筹，布兰查得时来运转地赢得医生杰弗里斯（John Jeffries）的资助和合作。

杰弗里斯也是一位十多年如一日测量、记录天气的业余气象学家。他出生于北美波士顿，担任过当地英国部队军医，在独立战争爆发后逃至伦敦。查理的高空温度测量已经让班克斯和王家学会开始信服气球的潜力。杰弗里斯按捺不住，不惜重金要借此获取跻身学会的资格。

1784年11月30日，杰弗里斯搭乘布兰查得的氢气球在伦敦升空，展开第一次以科学考察为目的的气球之旅。气球被杰弗里斯装备成移动气象站，应有尽有的仪器包括传统的温度计、气压计、风速计、湿度计和新出现的测量空气带电量之“静电计”（electrometer）。他定时记录气球的高度、飞行方向和各个仪表读数，并采集空气样品以供卡文迪许分析。在晴朗的天空里，他们经常与稀薄云层不期而遇，蒙受雨滴甚至雪花侵袭。所幸静电计平平静静，没让两人担忧邂逅雷电。

月球之下是亚里士多德界定的人世间气象学领域。先哲们曾为那气和火壳层内变幻无常的风、云、雨雹、雷电绞尽脑汁，后世千百年的学者也只能仰首观望，远距离地揣摩。伴随着查理和杰弗里斯的身临其境，人们终于置身托里切利的大气海洋之中，将高空气象纳入实时实地精确定量测量的范畴。

布兰查得模仿水中航船在气球上安装掌控方向的舵和提供动力的桨。这些得力工具在空气里却徒劳无益。气球只能浮萍般随风飘荡。不过他和其他驾驶员也从实践中意识到大气海洋与水的海洋颇为相似。看似一碧如洗的天空其实暗流汹涌，在不同高度上有着不同方向的气流。通过有限度地控制气球的升降，他们上下求索追逐适合的气流航行。与哈雷描绘的地面信风分布迥然相异，高空气流纷乱繁杂，无从把握。

伦敦考察的一个多月后，布兰查得和杰弗里斯再次搭档，于1785年1月7日从英国海岸多佛（Dover）起飞，经历两个半小时惊心动魄险象环生的航行在法国小镇吉内斯（Guînes）野外着陆，成功飞越隔离英国和欧洲大陆的英吉利海峡。布兰查得总算有了自己的历史性记录，得报在孟格菲兄弟气球飞行时落败德罗齐耶的一箭之仇。德罗齐耶那时已在法国海岸苦候两个多月，没能等到从法国飞往英伦的顺风。

大功告成的布兰查得赢得本国国王路易十六的接见和终身俸禄。杰弗里斯也如愿以偿地加入英国的王家学会。尽管曾被家乡视作叛徒列入不许回归名单，他后来还是重返独立后美国的波士顿定居、行医。在历史已是如烟往事的今天，杰弗里斯的生日（2月5日）是美国的“国家气象员日”（National Weatherperson’s Day），纪念这位本土气象学先驱。

德罗齐耶直到1785年6月15才有机会从法国海岸起飞，试图以布兰查得和杰弗里斯相反方向横跨海峡。他使用的是自己将氢气球与热气球合二而一的新设计。升空不久，最上端的氢气球顶部着火燃烧。他和同伴不幸沦为气球飞行的最早牺牲者。德罗齐耶遇难时年仅31岁，距他摘取首位航空员桂冠也只一年半。

在将人类推向广阔天空之际，燃烧和气动化学悄无声息地渗入另一神秘前沿：生命。

生命与燃烧的相似显而易见。在空气不流通的洞穴或矿井里，在波义耳和虎克人为制造的真空中，火无法燃烧，动物也窒息而死。火的燃烧和生命的呼吸都需要空气，同时也“损害”着空气。没有新鲜空气补充不可能持久。

同为生命体的植物却不同。海尔蒙特观察到植物在动物无法呼吸的木气里反而更为茁壮，但没能领悟个中联系。他在那个著名的植树实验里看到小苗长成大树时消耗的只有每天浇灌的水，断定多出的树木由水转化而来。与更早的波义耳煅烧实验相似，海尔蒙特忽视了看不见摸不着的空气。一个半世纪后，黑尔斯察觉植物的叶子能吸收空气里的木气。

为更定量地探究植物与动物的不同特性，普里斯特利把点燃的蜡烛置放于一个隔绝空气的大玻璃罩里，测得火苗三分钟内熄灭。他又在玻璃罩里加上一株郁郁葱葱的薄荷苗，看到烛火能坚持到五分钟以上。小鼠也与烛火相似地在薄荷苗帮助下延长存活时间。植物不仅自己安然无恙，还具备“修复”被烛火或动物“损害”空气的功能。

普里斯特利却也百密一疏。荷兰医生英格豪斯（Jan Ingenhousz）几年后重复这个实验，在1779年发表论文以长长的标题《对蔬菜的实验，发现它们在阳光下纯化普通空气的巨大能力以及在阴凉处和夜晚对空气的损害》2指出植物只在太阳光照耀下才能修复空气。阴影或黑夜里的植物与动物无异，同样在损害空气。然相对而言，植物对空气的修复远远超乎其损害。英格豪斯也发现植物修复空气的本领集中在其宽厚的叶子上。树叶或草叶颜色越绿，修复能力越强。

与梅斯梅尔一类神人不同，气动化学家参与生命现象时秉承在十八世纪末已经成型的科学方法。他们的定量分析表明燃烧和呼吸需要的都是空气中的“脱燃素气”或“极佳呼吸空气”，也就是拉瓦锡的“酸产生者”氧气。燃烧是空气中的氧与燃料结合为氧化物的氧化反应。封闭环境中空气之被“损害”即为氧气被消耗至殆尽。树木的主要成分为碳，木柴燃烧时产生的氧化物为碳酸气，亦即木气。英格豪斯实验的三年后，瑞士植物学家塞纳比耶（Jean Senebier）进而证实植物修复空气时必须有木气的存在和参与。绿叶在太阳光照耀下吸收空气中的碳酸气，释放出氧气，也为植物自身生长留下碳。海尔蒙特种植的树所得之“土”实际来自气，而非水的转化。植物因此在木气里表现得如鱼得水。

薄荷苗如此产生氧气，普里斯特利实验里的烛火或小鼠因之苟延残喘。推而广之，地球辽阔的森林在阳光普照下吸取大气层中的碳酸气，为人类和动物“修复”出宝贵的“极佳呼吸空气”。英格豪斯和塞纳比耶的发现直至一个多世纪后才被正式命名为植物的“光合作用”（photosynthesis）。它与树木的燃烧适得其反，正是与氧化反应相对的还原反应。相比于木柴燃烧时灰飞烟灭谈笑间，植物的还原过程极为缓慢，通常经年累月乃至“十年树木”。

气球热潮席卷巴黎的1783年也是欧洲数学界多事之秋，欧拉和达朗贝尔相继在那年九月和十月去世。著名的法国数学家贝祖（Étienne Bézout）也在九月底意外离世，腾出他在炮兵学校的考官职位。34岁的拉普拉斯在拉瓦锡全力支持下填补肥缺，终于有了稳定的工作和收入。他如释重负地结束与拉瓦锡卓有成效的四年合作，回归自己心仪的流体和星体轨道理论计算。

两人那时也已进入生命领域，协同使用量热计精确测定过豚鼠体温耗散的热量。拉普拉斯离去后，拉瓦锡再接再厉，直接测量新助手呼吸时吸进和呼出气体的成分，证明其中区别与木炭的燃烧一致：人吸进的气体富含氧气，呼出时被转变为碳酸气。在定量分析呼吸消耗氧气、释放碳酸气的数量和其间体温所发热量，将之与木炭燃烧比较后，拉瓦锡得出非凡结论：呼吸正是动物体内碳燃烧的表现。生命宛如星星之火，其活力来自燃烧的氧化反应。3进一步，他又以同样的科学态度和方法研究出汗、营养等生命现象。

他没能妥善顾及的是自己的生命。

（待续）

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那是世界风云激荡的十多年。

1776年3月8日，瓦特改进后带有分离式冷凝器的蒸汽机在英国中部城市伯明翰首度投入商业使用，揭开工业革命序幕。第二天，他在格拉斯哥大学时的好友、伦理学教授亚当·斯密（Adam Smith）在伦敦出版《国富论》1，倡导以“看不见的手”2为主导的自由市场。

瓦特和亚当·斯密同在1764年从格拉斯哥大学辞职。瓦特试图创业，蹉跎十年后前往伯明翰与博尔顿携手大展宏图。亚当·斯密改任家庭教师，借带富家子弟壮游欧洲大陆之机负笈游学。《国富论》是他十年寒窗之厚积薄发，昭示一个崭新经济体制——“资本主义”（capitalism）——的降临。

四个月后，爆炸性新闻越过大西洋而来。英国在北美的十三个殖民地联合发布《独立宣言》3，成立“美利坚合众国”（United States of America）。在哥伦布发现新大陆近三百年后，欧洲学界和大众对边远的域外之地还是所知寥寥。令他们惊诧的是《独立宣言》起草人中有富兰克林（Benjamin Franklin），一位耳熟能详且慈眉善目、德高望重的老年科学家。

富兰克林出生于1706年初的波士顿，属于北美殖民地的移民第二代。他父亲25岁时举家从英国迁来，以用牛油制作蜡烛、肥皂谋生，在两次婚姻中生育十七个子女（其中四位早夭）。排行十五的富兰克林是幼子，从小喜爱读书。父亲希望他长大后成为神职人员，但在孩子十岁、只读了两年书时即让他辍学在家庭作坊里帮忙。那是他几位哥哥长大的必经之路。两年后，富兰克林又被送往一位哥哥的印刷厂当学徒。他总算能与书报为伴，经常将刚印出的书偷拿回屋彻夜阅读。学艺之余，少年富兰克林尝试写作。他戏谑地模仿乡村中年寡妇口吻撰写自白系列，匿名向哥哥创办的报纸投稿。平实又机智诙谐的文笔和内容居然大受编辑和读者欢迎。在哥哥因针砭时政入狱期间，富兰克林还独立承担起报纸的编辑出版责任。嫉妒心重的哥哥没有领情，反与出类拔萃的弟弟矛盾加剧。富兰克林不得已只身出走，远远地躲到宾夕法尼亚殖民地首府费城自谋出路。那里的总督为新来年轻人的才华倾倒，慷慨许诺资助他万里迢迢去伦敦采购最先进器材，创建领先整个新大陆的印刷厂。

1724年底，尚不满十八岁的富兰克林飘洋过海，踏足父亲祖国的大都市。不料总督开出的竟是空头支票。富兰克林在异乡身无分文，只得找当地出版商打工谋生，一年半后才由朋友帮助借得返家路费。那时富兰克林已经成年，学得一手最新印刷技术。他也在启蒙时代的伦敦眼界大开，无比倾羡文人学者在热气腾腾咖啡馆里欢聚一堂高谈阔论的气氛。

虽然未能购得高级设备，二十岁的富兰克林回到费城后自行设计、组装模具，成为新大陆制作印刷字体的第一人。4他召集同样年轻又志趣相投的好友组成以西班牙语“帮派”（Junto）为名的俱乐部，参照伦敦咖啡馆定期讨论经济政策、哲学文学和自然科学等重大课题。勤于阅读思考的富兰克林乐在其中，仿佛象牙塔里的学术领头人。十六年后，小俱乐部在1743年成长为“哲学学会”（Philosophical Society）——蛮荒新大陆的第一个与伦敦王家学会和巴黎法国科学院比拟的学会，即现在的“美国哲学学会”（American Philosophical Society）。

富兰克林的事业也风生水起，很快拥有自己的印刷厂和报纸。凭借非凡的勤奋、机灵以及以多个假名发文推波助澜的狡黠，他在激烈竞争中接连击败早年雇主，在费城和整个北美的出版业独霸一方。借助报纸、“帮派”和哲学学会，富兰克林积极参与公益，兴办或改进城市治安、医院、学院、救火队和火灾保险甚至武装民兵等机构。他的“费城图书馆公司”5为市民提供收费借书服务，大力推动知识在中产阶层的普及。这一创举是今天遍布美利坚的大众图书馆雏形，该公司也仍在持续运作中。

出乎所有人意料，正当如日中天的富兰克林在1748年突然急流勇退，放手将庞大企业交给雇员经营。那年他42岁，华丽转身为二十多年前在伦敦见识过的有钱有闲绅士学者，专注个人兴趣追求。

尽管未受过正规教育，富兰克林对自然现象的好奇心由来已久。当年从伦敦回归时，哈里森解决经度难题的航海钟表还未及实用。富兰克林学会利用途中一次月食发生的时间计算邮轮所在的经度，应用从喜帕恰斯到伽利略、哈雷等天文学家的建议。在“帮派”俱乐部里，富兰克林和小伙伴们在太阳光下的雪地上铺盖不同颜色的布料察看雪的融化速度，实证他们在波义耳和牛顿书里读到的知识：深色物体比浅色更能吸热。富兰克林还设计出取暖效果应该更为优越的新式壁炉，几经努力没能推广。但他对自然科学的钟情丝毫未减。

1743年10月21日6傍晚，富兰克林在费城万事俱备，等候观测八点半的月全食。可惜天公不作美，一场大风暴恰在那时呼啸而至。他只能望天兴叹。那是殖民地每年秋冬季节频繁光临的“东北风暴”（northeaster7），每每席卷东部海岸每个殖民地。几星期后，富兰克林却在波士顿的报纸上读到月全食新闻，大惊之下向家乡一个哥哥查证。哥哥回信告知波士顿那晚也有风暴，所幸是在月全食发生一小时后才到。

“东北风暴”之名来自其肆虐的东北风。波士顿位于费城东北方向，理应是费城的上风口。风暴在波士顿的姗姗来迟让富兰克林猛然醒悟：大风暴运行的方向与其中的风向可以背道而驰。刮着强烈东北风的“东北风暴”自身源头在西南，经由费城才抵达东北的波士顿。这是第一次有人注意到“东北风暴”的实际走向。

也是在那一年，富兰克林接触到让他在欧洲一举成名的自然现象：电。

人们早已知道玻璃、琥珀等物用丝绸或羊毛用力摩擦后能隔着一段距离让人毛发倒竖。吉尔伯特在1600年《论磁与磁体》里认定那是与磁不同的另一种超距作用，以拉丁语“像琥珀”（electricus）命名为“电”（electricity）。《论磁与磁体》是他研究磁的专著，电在其中只占据篇幅不大的一章。

玻璃带的电并不那么“像琥珀”。两块带电的琥珀接近时互相排斥；带电的玻璃与带电的琥珀相遇却互相吸引。当然带电的玻璃也彼此排斥。这与吉尔伯特定义为“南”“北”两极的磁石同性相斥异性相吸很相像。区别在于不同“性”的电分别位于琥珀和玻璃之上，不似每一块磁石南北两极俱全。在布丰之前供职法国皇家花园主持的杜费（Charles François de Cisternay du Fay）认为电可分为两种不同的流体，分别为“来自玻璃”（vitreous）和“来自琥珀”（resinous）。它们都由摩擦产生。同种流体自相排斥，不同的电相吸。

与指南针及让吉尔伯特、哈雷等人着迷的地磁现象相比，电没有太大的实用或研究价值。十八世纪初，以荷兰首都为名的“莱顿瓶”（Leyden jar）问世。它产生比摩擦玻璃或琥珀更为强劲的电，在人体和动物身上的刺激效应成为江湖术士巡回表演的热门噱头。富兰克林在波士顿见到后也购置器件自行实验。他细致地观察到“来自玻璃”和“来自琥珀”两种电也都同时出现。玻璃经丝绸摩擦带上“来自玻璃”的电时，丝绸也有了“来自琥珀”的电。富兰克林于是与杜费相反地指出电是单一流体。摩擦并未“生”电，只促使电从丝绸流往玻璃。“来自玻璃”和“来自琥珀”其实为电的数量过多或过少的表现，可更简明地以“正”（positive）“负”（negative）标识。电以其正负同性相斥异性相吸。而与磁不同，正负电相遇时会反向流动，还原为不带电的“中性”（neutral）——正如代数运算中的正负号。

富兰克林还将摩擦分离正负电的过程称作“起电”（charge）。相反的还原过程为“放电”（discharge）。用作名词时，“起电”也表示多余或减少的“电荷”（charge）数量。他把能够传导电的物体叫做“导体”（conductor），反之为“绝缘体”（insulator）。这一系列接地气的用词是今天众所周知的术语。富兰克林还创意地用导体将多个莱顿瓶连接在一起，半开玩笑地借用军事用语名为“电编队”（electric battery）——为增强战斗力，军队通常组合多门火炮形成步调一致协同作战的“火炮编队”（artillery battery）。这个名称也延用至今，即“电池”。

被富兰克林“编队”的莱顿瓶也确像火炮编队那样威力大增。带正电和带负电的两个电极隔空放电时在其间的空气里制造出耀眼的“电弧”（electric arc），伴随着噼里啪啦的热闹声响。好事的富兰克林屡屡为邻居和俱乐部乃至哲学学会成员表演这一奇景，煞有介事地电弧击杀、烤制火鸡。在众人喝彩喧嚣声中，他意识到眼前的电弧与天空中的闪电别无二致。

电闪雷鸣是日常但也惊心动魄的爆发性气象事件，被凡人敬若雷公电母或宙斯等神明喜怒无常的宣泄。逻辑的希腊哲人视雷电为普通自然现象，作出形形色色的解释。亚里士多德在《气象学》里描述地球上空有分属气和火的壳层，地面上升的干热“呼出物”在高空云层里被排出时发生的巨响为雷，然后又被火点燃而成闪电。由于光比声音跑得快，地面上的人反倒先见闪电再听到雷声。笛卡尔两千年后的《论气象》对闪电和雷的解说也大同小异。

富兰克林事无巨细地罗列出天上闪电与他“电编队”放电有着多达十项的相似之处，包括无规则闪光、噪音、硫磺般异味、足以致动物于死地等等。他推测闪电就是天空中带电的云在放电，并具体地提出验证方法。在致友人的信里，富兰克林豪迈地宣告：“让我们做实验”8，彰显他对科学方法的把握。

天上的闪电遥不可及，只偶尔抵达地面造成人畜伤亡。被闪电击中是极为罕见的不幸，也经常会见诸报端。对新闻具备职业性敏感的富兰克林从中窥见独特的端倪：雷电偏爱大教堂。乌云压顶之际，欧洲的大教堂通常会鸣钟报警，也希冀以高亢的钟声驱魔消灾。可事与愿违，教堂首当其冲遭受雷击、敲钟人因之罹难的横祸屡见不鲜。富兰克林在实验里看到金属导体尖锐的突起处最能吸引放电，判断教堂高高的钟楼尖塔恰为雷电最好的靶子。他提议在教堂尖顶竖立更能吸引电的金属杆，下端直达地面。云层放出的电顺着铁杆向地面运行时，以绝缘体保护的人可手持导线接近金属杆。如若导线和金属杆之间出现电弧式的放电就可证实金属杆截获的闪电无异于“来自”玻璃或琥珀的电。

并且，富兰克林指出这样的金属杆可将闪电的电全部导至地面，有效地防护教堂、建筑、船只等等避免雷击。

费城正在修建大教堂，富兰克林一时还无法做这个实验。他与友人交流的信件在1750年的伦敦报刊发表后立即引起轰动。法国人达利巴尔（Thomas-François Dalibard）在导师布丰的督促和帮助下将信译成法语，得到国王路易十五（Louis XV）的重视。达利巴尔随即受国王之命做实验，在1752年5月10日下午巴黎郊区一场雷雨中大获成功。天上的闪电果然就是人间摩擦可得的电。

短短一个月后，在美洲还没收到好消息的富兰克林不再等待本地教堂的落成。他同儿子一起做出更为惊险的实验。父子俩在雷雨中站在绝缘的台子上高高地放飞风筝，淋湿了的风筝线与金属杆同样导电。雷击之时，栓在线尾的一个金属钥匙与他们手里的导线之间发生强烈的放电。他们也如愿捕捉到了闪电。

万幸富兰克林和儿子安然无恙。9一时间，富兰克林在大西洋两岸声名大噪。哈佛、耶鲁等本土学院和英国的牛津争先授予他荣誉学位。伦敦王家学会将1753年“科普利奖章”（Copley Medal）颁发给富兰克林。该奖在1731年设立，为学会和当时全球最具声望的科学奖。治疗结石的医生和气动化学家黑尔斯、发现地球章动的天文学家布拉德利和以航海钟表解决经度难题的哈里森都已在获奖者之列。富兰克林是第一位非英伦出生的“外国”获奖者，尽管他那时还是一位忠诚的英王臣民。

三年后，富兰克林又被接纳为王家学会会员，因人在远方殖民地享受免除会费的特殊待遇。电为单一流体的理论和闪电即放电的认知被接受为学界共识。高耸的金属“避雷针”（lightning rod）开始在欧美各地普及，俨然人类以科学战胜气象灾害的丰碑。

1757年7月，富兰克林33年后第二次来到伦敦。他年过半百，不复昔日囊中羞涩愣头青，也还同样地怀有宾夕法尼亚交付的使命。这次派遣他的不是总督，而是殖民地的议会。

富兰克林自而立之年起担任宾夕法尼亚议会（Pennsylvania Assembly）秘书（clerk），随后又兼职费城的邮政局长（postmaster）。这些职务为他的公益活动和报纸、出版社商业运作提供极大便利。从商界隐退后，富兰克林在1751年当选为议员直接参政。鉴于他已是殖民地在英国最具知名度者，议会送他到伦敦游说、为殖民地争取权益。

今非昔比的富兰克林在伦敦政界周旋之余热衷参加王家学会的活动，与学会主席班克斯和普里斯特利、卡文迪许等学者交往甚欢。他时常周游伯明翰、格拉斯哥等地，结识布莱克、瓦特、休谟、亚当·斯密等名家。普里斯特利尤其钦佩这位长者，与富兰克林关系密切。在1767年出版的《电的历史和现状》10里，普里斯特利大书特书富兰克林的贡献和他的风筝实验，巩固富兰克林的科学历史地位。

1768年时，一位困惑的英国邮政官员咨询业已任职北美殖民地邮政总监（Postmaster General）的富兰克林：英国和北美之间的邮件来往为什么总比货运慢不止两个星期？富兰克林闻之诧异，但也知道该向谁求教。他的表弟福尔杰（Timothy Folger）是波士顿附近的一个捕鲸船船长，常年在大西洋里踏波逐浪。果然，福尔杰的回信带来现成答案：大西洋里有汹涌的洋流，顺流与逆流行舟不可同日而语。经验丰富的渔船和货轮船长善于择流而行。懵懵懂懂的邮轮船长却经常陷入逆流不自知，还顽固地拒绝福尔杰的指点。

早年的探险家已经知悉洋流的存在。“搭”上顺水推舟的洋流，船只在大海里的航行速度更胜于一路顺风。然而洋流的所在和走向变幻无常，也难以与平常的海面区分。船长们经常身在洋流里不自知，也因此无法知晓实际的航行速度。哈雷在近一个世纪前确认那是以船速估算走过距离和所在经度谬以千里的祸根。虽然洋流对航海比信风更为重要，哈雷也只能画出可由地域和季节预测的全球信风分布图（见《之八：海与风》插图二》，对洋流束手无策。船长们能依赖的只有各自的经验和运气，便有了穿梭大西洋的邮轮和货轮速度之别。

富兰克林惊异地得知比自己年轻26岁的表弟对北美殖民地沿岸的洋流了如指掌。他在福尔杰帮助下绘制出第一幅具体的洋流海图。大西洋西部一条始于南部“墨西哥湾”（Gulf of Mexico11）的洋流尤为显著。它初始紧贴着佛罗里达东岸北上，在沿大陆海岸线向东北方向流动至弗吉尼亚一带时转向为东，横跨大西洋奔向欧洲。从美洲返航的船利用这条洋流大大节省航行时间。从欧洲前往美洲的船则应改行百慕大以南，避开这股强劲的“墨西哥湾流”（Gulf Stream）。

福尔杰的知识也来自谋生经验。他为表哥解释墨西哥湾流中的海水更为清澈、温暖，易于与洋流外的海面区分。洋流“两岸”边缘海域有相当大的温度梯度，是鲸鱼的乐园。猎鲸的渔民故而熟知这条洋流的规模及边界所在。

正如他的避雷针，富兰克林这张实用的海图即刻风靡伦敦和欧洲。

1775年3月，富兰克林最后一次挥别伦敦。自1757年的第二次到来，他常驻英国十六年，其间只有两年时间回美州度过。殖民地独立运动已经箭在弦上，伦敦人人敬重的富兰克林正蜕变为叛乱首领。他于是选择返回故土。在邮轮上，七十高龄的富兰克林和十五岁的孙子一起沿途从海里取水测试温度，亲身核实福尔杰所言：墨西哥湾流内的水温明显比较高。

回到费城，富兰克林旋即参与《独立宣言》的起草和签署。美利坚合众国在1776年7月4日宣告独立后，富兰克林在年底又被派驻巴黎寻求法国支持。再次渡海时，他又一次实地考察、测量墨西哥湾流。

作为“抓住闪电的人”和新大陆自由理念的代表，富兰克林抵达巴黎时受到市民夹道欢迎。他慈祥的神态、朴素的着装、别具一格的皮帽深得人心，被誉为“波士顿的智者”12——尽管他以费城为家乡。1778年4月，富兰克林登门拜访垂垂老矣的伏尔泰。两位耄耋老者的拥抱让在场众人热泪盈眶，象征新旧大陆启蒙思想的合流。伏尔泰在一个月后去世。

自然地。富兰克林也是法国科学院和小兵工厂内实验室的常客，多次观摩拉瓦锡的实验和讲解。《化学基础论》问世后，拉瓦锡特意致信已经圆满完成使命凯旋归国的富兰克林，希望更负盛名前辈能予以肯定并帮助宣传。

经过八年艰苦奋战，美利坚合众国最终在法国协助下赢得独立战争的胜利。富兰克林在巴黎主持谈判和签署和平协议13后于1785年告别巴黎。那是他最后一次越洋旅行。八十岁的富兰克林一如既往地带着35岁的外甥孙14威廉姆斯（Jonathan Williams）测量墨西哥湾流内外的水温。威廉姆斯深受富兰克林的热情感染，也对湾流着了迷。潜心研究十年后，他在舅姥爷创立的美国哲学学会发表《论温度计在航海中的应用》15，通过对大西洋水温的测量更细致地描绘墨西哥湾流。

至此，测度冷暖的温度计不期然地与测方向的指南针、测纬度的六分仪和测经度的钟表并驾齐驱，同为不可或缺的航海仪器。依靠伽利略的“望热镜”，航海家终于得以驾驭滚滚的洋流，将这个特殊的自然现象纳入为人类造福范畴。

1787年夏天，富兰克林作为最年老的代表参与自己新生国家的“制宪会议”16，以特有的睿智、耐心和务实精神引导、说服与会者在众多错综复杂的议题中达成“伟大的妥协”，合作产生一份历史性的建国文献：《合众国宪法》17。当被问及他们设计的是一个什么样的政体时，富兰克林简洁平静地答曰：“一个共和国，如果你能保持它。”18他是在《独立宣言》和《宪法》上都留下签名的六名“国父”19之一。

两年后的1789年4月30日，华盛顿（George Washington）在纽约宣誓就职美国总统，成为人类历史上第一位民选的国家元首。现代的共和国，这个源远流长的概念和启蒙时代的理想，在新大陆横空出世。

区区两个半月后，法国民众冲进巴士底狱，开始了他们的大革命。

富兰克林在1790年去世。作为出版商、公益人士、作家和政治家、外交家，他成就卓著。他也是一名出色的科学家，对气象学的贡献最为突出。不过分别在中年和暮年时发现“东北风暴”和墨西哥湾流的走向后，他没能留意到两者的共同之处。风暴和湾流一个在大气中，一个在海洋里，似乎心有灵犀地走着几乎完全重叠的同一条路径。

（待续）

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这一击也余音绕梁。拉瓦锡面临随之而来的新问题：与火如影随形的热又该是什么？

热看不见但“摸”得着，尤其过于接近火焰时会体验切肤之痛。如人饮水，冷暖自知。热也属于主观感觉，自古以来不被看作实在的物质。希腊四元素和中国金、木、水、火、土五行里都没有热。恩培多克勒认为热和冷分别由火与气、水与土“亲和”而成，与干和湿同属宇宙可感觉的四大特性（见《之一：冷与暖》插图三）。

亚里士多德在《气象学》里将宇宙以月球所在的轨道分成两个世界。土、气、水、火四元素构造的、有着热、冷、干、湿特性的仅为月球以下的尘世，自地球表面往上，土、水、气、火依次形成自成一体又互为交融的壳层结构（见《之二：重与轻》插图五）。月球之上为天国，无需这些世俗的元素和特性。那里只有凡间叹为观止的纯净无暇第五元素：以太。月球轨道因而也是人类理解自然界之气象学与天文学的分野。在这样一个精心编织的体系里，亚里士多德也频频遭遇难以面面俱到的困境。

人们感受的热不只是来自身边的火，还有天上那一轮骄阳。传说中的阿基米德曾设计、指挥守城士兵集体用镜子反射太阳光烧毁入侵的敌方舰船。比他早一个世纪的亚里士多德不可能知道那样的壮举，也不至于无视太阳光之炽热。亚里士多德声称那是因为太阳高速绕地球运行时搅动地球上空最高层的火和气。这个明显的牵强附会强行将上苍的太阳拉进龌龊的人世间，违背他自己划定的界线。

两千年后，伽利略在望远镜里看到月球表面坑坑洼洼，远非天国独有的光滑圆润。牛顿更无可辩驳地证明太阳系星体运行与地球上坠落的苹果服从相同的引力和动力学。宇宙从此不再有天地之别及以太与土、气、水、火的对立。月球上下的世界有着同样的元素、特性，浑然一体地遵守着普适的物理定律。太阳以引力影响地球的运动，也通过光为俗世凡夫带来火一般的光明和温暖——尽管其个中机制依然令人费解。

在文艺复兴中与亚里士多德正统教条一起重见天日的也有古希腊的另类思想。留基伯和德谟克利特主张所谓的四元素全都由微小的原子组成。肉眼不可见的原子才是真正的基本元素，有着大小、形状和重量各不相同的无穷多种。不同的原子以类似挂钩的机关相连，建构出土、气、水、火以及五彩缤纷的万物。其中的火原子为圆球形，灵活地在其它原子之间无阻碍穿行。火原子的运动产生、传递热，也是人类灵魂的本源。

德谟克利特的奇思异想在古希腊被忽视，但在文艺复兴时期引起与亚里士多德分道扬镳的后代学者共鸣。他们普遍倾向于将热看作某种粒子的运动。倡导经验主义方法的培根在《新工具》里特意强调那不是物体的整体性运动，而是其内部微小粒子的颠动。尊崇逻辑推理的笛卡尔将德谟克利特的原子替换为自己的涡旋，也视热为涡旋的抖动。

将自己的新发明起名“望热镜”的伽利略觉得热是运动中的火粒子与皮肤相遇时的感官刺激。波义耳发觉空气有“弹性”，说明其中布满彼此排斥的微小粒子。排斥力迫使粒子处于不断的运动之中，正是热的起因。他的弟子虎克在《显微图谱》里更明确地指出物体的温度与内部粒子的运动速度直接相关：物体越热，粒子的运动愈烈。虎克和惠更斯等人还认定光也是其传播媒介内粒子运动形成的波。太阳的光波不远万里来到地球，其媒介自然是充斥于太空的以太。牛顿与他们相反地坚持光是微小的粒子，也同意热是物体或以太内部的振动。

没有人能观察到这样的粒子及其运动，与培根和后代们信奉的经验主义南辕北辙。罗蒙诺索夫只得诉诸诗意的类比：树叶和枝干在大风里飒飒摇曳颤抖，远处的人们看到的却是一片纹丝不动的森林。

从宇宙的特性、主观的感觉到客观的粒子运动，热的本质在两千年间众说纷纭，也万变不离其宗：热不是物质。这是一个难得的共识。

伽利略理所当然地相信望热镜“望”的是“热”：玻璃瓶里空气的冷暖程度。他的发明后来被更名为“温度计”，度量的“温度”来自希波克拉底和盖伦的冷热适中“性情”。自那以后近二百年里，热与温度通常被作为可互换的同一概念使用。牛顿在1701年匿名发表《炎热程度之标度》论文中所称的“炎热程度”（degree of heat）亦即温度。他提出物体散热速度与它和环境温度差成正比的“牛顿冷却定律”，定量描述散热、吸热导致物体温度的下降和上升。温度的高低正是物体内部含热多寡的标志。

然而，布莱克和瓦特先后在实验里发现水沸腾为蒸汽、冰融化为水时不断吸收热，温度却保持不变。布莱克将那些被吸收而没能让物体温度升高的热称作“潜热”。它们没有在温度计中显现，只在蒸汽重新凝结为水或水结冰时才重露峥嵘。从恩培多克勒、亚里士多德、盖伦到伽利略和牛顿，人们眼里的热局限于冷暖自知、与温度变化亦步亦趋的“显热”，浑然不觉其背后另有隐藏。温度计的测量也同样地力所不逮。

虽然布莱克疏于发表，拉瓦锡还是从布莱克学生的文章里获知这一惊人进展。他随即在1782年时邀请比自己小六岁的拉普拉斯协助，共同像研究燃烧一样测量被温度计罔顾的热。拉普拉斯已经在太阳系多体问题和潮汐等力学领域崭露头角，正埋头完善行星轨道的微扰计算方法，应用于新发现的天王星。他精通数学，对实验兴趣不大。可他也出身贫穷，一直没有稳定的职位和收入。父亲被判巨额罚款时还是靠阔绰的拉瓦锡出手相助才摆脱困境。在恩师和靠山达朗贝尔重病缠身来日无多之时，拉普拉斯无力违拗正在法国科学院里青云直上的拉瓦锡。

纵然勉为其难地位悬殊，拉普拉斯与拉瓦锡的合作平等友好。拉普拉斯从中获益匪浅，为拉瓦锡实验室里的仪器大开眼界。两位年轻力壮、正值学术巅峰的精英很快设计出简单实用的“量热计”（calorimeter），弥补温度计的不足。

这是一个分三层的套装容器。最内层置放待测的样品。中层混装着冰和水。最外层堆满冰块，作为隔绝环境影响的屏障。中层的冰水于是只与内层样品进行热的交换。根据布莱克和瓦特的经验，冰水在吸热或者放热时温度恒定。热的变化全部为潜热，体现于其中冰的融化或水的结冰。冰融化时，中层里多出的水量反映出内层样品释放的热量。假如水量未增反减，也同样地标志被样品吸收的热量。样品释放或吸收的热——包括显热和伽利略望热镜无从望及的潜热——全都成量热计的囊中之物。测量过程本身也巧妙地利用了冰与水互相转化时的潜热。

布莱克在实验中领悟不同材料的物体温度每升高一度时吸收的热量有所不同，将这个物质特性命名为热容量。他没有能力进行准确的定量测量。凭借量热计与温度计的协同使用，拉瓦锡和拉普拉斯大张旗鼓地系统测出各种金属和非金属的热容量及其随温度变化，填补一大空白。他们的数据对海峡对岸萌芽中的工业革命犹如雪中送炭，也为蒸汽机的设计和改进提供更切实的理论基础。在量热计中实施燃烧和煅烧，氧化、还原反应产生或吸收的热量也一目了然。“热化学”（Thermochemistry）由此诞生。两人还别出心裁地让一只豚鼠（guinea pig）在量热计里生存好几个小时，实际测得其体温耗散的热量。他们把这个生物功能同木炭燃烧、火药爆炸的化学过程进行定量的对比。

在以经验主义手法将热带入精确科学之时。拉瓦锡又离经叛道地独树一帜，宣言热为实在的物质。

看到密封容器里的铅煅烧成灰后重量增加时，波义耳想当然那是火的可燃气粒进入容器被铅吸收。罗蒙诺索夫和拉瓦锡更为细致的实验揭示铅吸收的重量来自容器内的气体。不过除了能自燃的磷，容器内的燃烧或煅烧不会自发地发生。显然应该有“东西”从容器外进入，触发其内的氧化反应。去除波义耳的可燃气粒或斯塔尔的燃素，那只能是熊熊炉火或太阳光的热。因为火必然伴随着热，燃素也常常被看作德谟克利特火原子的翻版，随火焰四处扩散时将热传递到所能及的各个角落。将子虚乌有的燃素逐出科学的拉瓦锡没有放弃这个直观图像，设想热是一种与燃素颇为神似的物质。他先后称之为“火成流体”1和“火与热的物体”2，最终定为来自拉丁语“热”（calor）的“热质”（caloric）。作为“火成流体”的热质可以轻易穿透容器壁或其它任何障碍，遵从牛顿冷却定律由高温区域向低温区域流淌。热质也像燃素一样被物体吸收、释放。天上的太阳和地面氧化反应的火焰释放热质，烧熟食物、煅烧金属，将刚强无比的钻石化作一缕青烟。

为避免重蹈波义耳和斯塔尔等人覆辙，拉瓦锡的热质没有重量，不参与氧化、还原反应的重量变化。他想象热质与波义耳的粒子同样地相互排斥。物体吸收热质时获取附加“弹性”，体积随之膨胀。伽利略用手捂住小玻璃瓶时，他手里的热质流入瓶内。在瓶颈被水密封并撒手后，热质反向流出。瓶内气体的体积收缩而允许水进入瓶颈。这便是伽利略望热镜以及后续水银温度计的工作原理。几乎所有的物体受热时体积膨胀、遇冷收缩，完全取决于其中热质的增加和减少。当固态的物体吸收过多热质时，体积膨胀的加剧导致结构解体，融化为液态。液态物体蒸发为气态也是同样。

热质彼此排斥，但在与寻常物质相遇时互相吸引而结合。它们像氧化反应中的氧气一样被“固定”，成为深不可测的潜热，只能在类似还原反应的反向过程时才重新被释放。蒸汽比水、水比冰更能固定热质。水蒸发、冰融化时因而会吸收额外的热。反之亦然。能被人感知、推动温度计水银柱的只是没有被固定的“自由”热质，即显热。

与物质在化学反应时不可能无中生有或凭空消失同样，拉瓦锡认为热质的总量永恒不变。冰融化时吸收的热——显热和潜热——会在水结冰时以同等数量释放。这个热质守恒原理也是量热计中层水量变化能够忠实反映其与内层热质交流的保证。

拉瓦锡的热质可以通过量热计准确地测量，对热之行为和本质的诠释系统全面，比抽象的粒子运动更令人信服。即便是在英伦固执地坚持火为燃素的布莱克也无保留地地接受隔海竞争对手的热质理论。经由布莱克学生们的发扬光大，热质说所向披靡。历史悠久之热为运动的观点逐渐销声匿迹。

1783年6月24日，拉普拉斯和拉瓦锡在巴黎十来位学者的众目睽睽下演示。两人将卡文迪许十多年前分离出的“易燃气”同普里斯特利的“脱燃素气”混合点燃，生成纯净的水。这不是他们的新成果，只是重复卡文迪许和普里斯特利刚在英国报告的发现。由于普里斯特利笃信燃素，卡文迪许也背弃自己“易燃气”为纯燃素的初心。他们一致肯定“易燃气”与木炭相似，是水和燃素的组合，在燃烧中释放燃素后遗留为水。

五年前，拉瓦锡已经将普里斯特利的“脱燃素气”更名为“酸产生者”（氧），认定氧化反应必然产生出酸。他为此在“易燃气”的燃烧上费尽心机，没能找到相应的酸。拉普拉斯加盟后也助一臂之力，精心杜绝设计漏洞，调试两种气体的最佳混合比例并准确测量燃烧前后的重量变化。他们终于确定水是“易燃气”与氧气的合成，与木炭燃烧产生的碳酸气同为“化合物”（chemical compound）。因此，水并非元素。3

波义耳早在1661年出版的《怀疑的化学家》里将元素定义为不可再被分解的物质最基本成分。他不相信古希腊的土、气、水、火符合标准，但也没能举出具体的元素实例。一个多世纪后，拉瓦锡将波义耳的定义付诸实践，逐一检验自然界化学物的合成或可分解性。水和碳酸气显然不合格。

氧是他第一个确认的元素，既不能被分解，也无法通过其它材料合成。只是这个“酸产生者”并不总产生酸，“易燃气”即为一个反例。“易燃气”不是卡文迪许和普里斯特利认作的水与燃素组合，本身也是一个元素。因为燃烧后产生的是水，拉瓦锡为之正名曰“水产生者”（hydrogen）。与“氧”的养生类似，中文将这个名称翻译成“氢”：最轻的气体。

氧和氢以及碳酸气都是空气的组成成分，但它们合在一起只构成空气中的不足百分之二十。人类头顶上最多的是拉瓦锡分离出的“恶气”，也是一种元素。“恶气”无法点燃或呼吸，可用作灭火。拉瓦锡因而也没能找出“恶气”燃烧产生的酸，只好姑且借用拉丁语的“无生命”（azote）命名。这个份量显赫却与世无争的气后来被发现能在高温下氧化，生成的是“硝酸”（nitric acid）。该气遂也被正名为“硝产生者”（nitrogen）。它的中文翻译是“氮”，意指其“淡”。

至此，托里切利揭示的大气海洋中基本成分昭然若揭。

波义耳从来没想到他梦寐以求的元素近在眼前，包括人类早已熟悉的铜、铁、铅、锡、水银（汞）等各色金属。非金属里也有硫（sulfur）和他曾经艳羡不已的磷。拉瓦锡在随后十来年里悉心检验、辨识，最后确认出多达33个基本元素，将它们分归气体、非金属、金属、和土四大类。他为元素按各自属性和功能重新命名，全面清除“木气”“固定空气”“易燃气”“脱燃素气”……之杂乱称呼。半个多世纪后，被翻译成中文的元素名字也发挥象形文字独特优势以“气”“金”“石”等偏旁部首表征元素属性。

不同元素组合而成的化合物也由拉瓦锡改以其构成称呼，一目了然。比如布莱克收集木气用的白镁为“碳酸镁”（magnesium carbonate）；虎克与梅奥的“硝气灵”则是“硝酸钾”（potassium nitrate）。

1782年，一条轰动新闻在伦敦不胫而走。王家学会会员、医生普莱斯（James Price）成功地将水银嬗变为真金白银，实现炼金术士的终极梦想。他的成果通过专家鉴定，著述洛阳纸贵。国王乔治三世也亲自观享他的表演。可惜王家学会没有买账。主席班克斯（Joseph Banks）和布莱克等会员不断敦促普莱斯前来示范。千呼万唤始出来的普莱斯没有勇气在同僚面前耍花招，竟当众吞药自尽。

他服食的是剧毒化合物“氰化氢”（hydrogen cyanide），人们早已熟知的毒药。氰化氢溶于水时为“氢氰酸”（hydrocyanic acid），其中不含拉瓦锡的“酸产生者”：氧。拉瓦锡断言所有的酸都由氧化而来，氢氰酸没有遵循他的指示。同样与氧无关还有一些与氢氰酸同类的“氢酸”（hydracid），包括卡文迪许制造氢气时使用的“盐酸”（hydrochloric acid）。作为“酸产生者”，氧其实在酸的产生过程中既不充分也非必要。

普莱斯的以身殉“职”标志着历时两千多年，让牛顿也为伊消得人憔悴的炼金术寿终正寝。在那之后，王家学会不再理会任何有关元素嬗变的宣言。

炼金术士没能将普通金属嬗变为贵重的金银，也没能制出包治百病长生不老的仙丹。但他们的努力没有完全白费。波义耳在找寻真正的元素时未曾料到自己经手过、布兰德分离的磷正是人类见识的第一个非自然存在元素，堪称炼金术登峰造极之作。在那背后，世世代代炼金术士的收集、寻觅、提炼、纯化技艺也经由气动化学成功地嬗变为精确定量的现代化学。

普莱斯自杀六年后的1789年1月，拉瓦锡在巴黎出版《化学基础论》4，系统地阐述他的化学原理、技术手段以及由他证实的33个元素。这是一部600多页的巨著，有着长达12页的目录。书中包括13幅精致的仪器插图，均出自年轻夫人玛丽-安妮之手。

在33个元素列表里居首的是两个特别的气体元素：光和热质。

牛顿的光微粒说早已是学界共识。拉瓦锡的热质与光也很相近。太阳光为人带来温暖，其热与光一样能够穿透虎克制造的真空，也在阿基米德的传说和阿维拉尼、塔吉奥尼以及拉瓦锡的放大镜“点火”实验里同步地被镜片反射、折射和聚焦。然而热与光也有明显的不同：玻璃窗户基本透光，却在相当程度上隔绝热。类似地，热也能穿越不透光的容器壁。拉瓦锡无法在实验室里分离或合成这两种奇妙的微小粒子，顺理成章地将它们认作构造世界的基本元素。

与之相反，元素列表里没有燃素。拉瓦锡的新化学于是也宣告形形色色燃素说的黯然退场。

从波义耳1661年的《怀疑的化学家》到拉瓦锡1789年的《化学基础论》，现代化学破传统炼金术之茧而出，一举蜕变为与伽利略、牛顿物理学比肩的精确定量科学。拉瓦锡十六年前在笔记本里写下的预见成真，亲手为科学革命再立卓著的里程碑。

《化学基础论》问世半年后，狂热的巴黎市民在那年7月14日冲进拉瓦锡实验室邻近的巴士底狱。另一场革命也在他的身边火热地爆发。

（待续）

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雅致的煤精十分稀罕。普通的煤粗鄙低贱，只是苏轼和马可·波罗眼里的“黑石头”或“石炭”。它们可以燃烧，显然不是通常的石头。如果仔细观察，煤块内部有着与炭十分类似的清晰纹路，非石块所有。炭由树木烧制而成，纹路来自木头。可以猜想有同样木纹的煤也与树木有缘。早自1597年，德国医生利巴菲乌斯（Andreas Libavius）已经在他的《炼金术》2书里指认煤乃树的化石。半个世纪后，虎克在《显微图谱》里也将煤与木炭并列，清晰展示二者显微镜下的相同微观结构。稍后，德国学者诺伊曼（Caspar Neumann）率先将煤称作“化石燃料”（fossil fuel）。十八世纪的俄罗斯学者罗蒙诺索夫（Mikhail Lomonosov）进一步推测古代的树木在被深埋地底后经受高温高压变为煤。

外形像石头的煤能够燃烧故而不足为奇。它与炭一样来自树木，富含波义耳的“可燃气粒”或者斯塔尔的“燃素”。

与其它玉石不同，煤精也像煤一样极易被付之一炬。佛罗伦萨的托斯卡纳大公爵科西莫三世（Cosimo III）在十七世纪末心血来潮，想知道最为坚固的“钻石”（diamond）是否也能被火毁损。作为斐迪南多二世的儿子和继任人，科西莫三世延续着家族对奇技淫巧满怀热情的传统。宫廷学者阿维拉尼（Giuseppe Averani）和塔吉奥尼（Cipriano Targioni）用放大镜聚焦太阳光，以其无与伦比的高温烘烤钻石。出乎他们所料，钻石竟眨眼间消失，无迹可寻。两人瞠目结舌，没法交代名贵宝物的去向。幸亏科西莫三世信任有加，未起疑心。

阿维拉尼和塔吉奥尼也确实没有作弊。这个魔术般的奇观后来被屡次重新发现，在十八世纪后期成为巴黎上流社会趋之若鹜的表演项目。法国科学院在1772年责成29岁的拉瓦锡（Antoine Lavoisier）领衔调查。他和同伴与兴致勃勃的珠宝商合作，将钻石置放于各种容器内或以大火烧烤或用巨型放大镜聚焦太阳光照射，破解其失踪之谜。

他们发觉钻石只在与空气接触时会消失，只要精心地隔绝空气即安然无恙。这与木炭的燃烧十分相似。拉瓦锡进行对比实验，用黑尔斯发明的集气槽收集分析木炭燃烧和钻石不翼而飞后容器内的空气，察觉其含量和成分发生了非常一致的变化。他因此确信高雅的钻石与低贱的木炭尽管外观和品性天差地别，其实由同样的材料组成。钻石内部不具备树木的纹路，却拥有相同的燃素，在高温下像木炭一样被烧毁。燃烧的过程极为短暂也没留下灰烬，让人错觉为凭空消失。

1743年出生的拉瓦锡家道显赫，父母均出自巴黎律师名门。但他时运不济，三岁时母亲去世。善良的姨妈放弃婚姻，全心全意照料年幼的拉瓦锡和妹妹。拉瓦锡在十一岁时进入巴黎“四国学院”3，毕业后遵从父亲意愿学法律。但他的兴趣在于气象、矿石及动植物。1765年2月底，22岁的拉瓦锡以一篇分析“石膏”（gypsum）成分的论文敲开法国科学院大门。

父亲那时已经出资为拉瓦锡买到贵族头衔。不久，24岁的拉瓦锡用母亲留下的不菲遗产买进承包收税事物企业的股份，成为与学界前辈布丰同行的国家“包税人”。他从此白天是一位兢兢业业的半官方权要，在夜晚和节假日又变身为倾心“副业”的科学家。不寻常的人生道路却也相得益彰。

作为包税人，年轻的拉瓦锡负责核查、监督烟草的生产和质量。他以科学手段分析产品实际成分，与在自己实验室里研究石膏等自然物品之组成毫无二致。在为巴黎寻找清洁水源时，他有条不紊地到各地采集水样煮沸蒸发，测定残留杂质。这技法平淡无奇，也触发他对波义耳早年一个实验的好奇。

海尔蒙特曾在盆子里植树，以小苗长成大树时泥土重量没有减少推论树木增加的重量来自每天浇灌的水，证明水能转化为土。波义耳为之倾倒，也自己找出水能转化为土更直接的证据。煮水是最常见的净化方式，水蒸汽再度冷凝后是纯洁的“蒸馏水”（distilled water）——水里原有的杂质全都残留在容器里。波义耳将蒸馏水再度煮沸蒸发，却看到容器里仍会出现固体碎末。即便他将同一瓶水反复蒸发、凝结也依然如故。他认为碎末不可能还是水里的杂质，应该是由水新转化而来的土。

拉瓦锡在1768年重复这一实验。他更为细致地在每一轮的蒸馏前后称容器的重量，发觉它一次次地变轻。损失的重量正好与新留下的碎末相当。玻璃容器每次盛水、煮沸时不免有微量物质溶解进水里，在水被蒸发后残留。波义耳百密一疏，错认那是由水转化而来。

在正职的包税人和业余的科学家之间，拉瓦锡实用与好奇并举，游刃有余。身为法国人，他没有认同笛卡尔的逻辑推理，倒对英国培根的经验主义思想和波义耳、虎克、牛顿、哈雷的精确定量实践推崇备至。也是英国人的布莱克发明出灵敏、精准地测量重量的“分析天平”（analytical balance），被拉瓦锡视为至宝。4仗着优裕的经济条件，拉瓦锡不惜重金购置性能最佳的分析天平和威力最强的放大镜、建造火力最强的锅炉，直至坐拥设备傲视全球的私人实验室。

1771年，28岁的拉瓦锡与年方十三、也幼时失母的玛丽-安妮（Marie-Anne Paulze）联姻。她父亲是与拉瓦锡搭档的包税人，为避免爱女被迫嫁给老年富豪而撮合自己的小同事。拉瓦锡的经济实力也因新娘带来的丰厚嫁妆更上一层楼。年少的夫人受过良好教育，热衷于在实验室里协助丈夫记录数据、撰写论文。青春伉俪携手同心，造就一个生机盎然的小家庭。

青年拉瓦锡雄姿英发，正身处改变科学世界的前夕。

海尔蒙特的植树实验有一个不言自明的前提：小苗长成大树时增加的重量或物质应该有来源。由于过程中只有每天浇灌的水被消耗，他确认多出的树木由水转化而来。古希腊构成世界的水、气、土、火四元素可以相互转化，但不能无中生有。同理，波义耳将水持续蒸发后的残渣归因于水的转化，直至拉瓦锡指明另有来历。

相应地，物质也不能无缘无故地遁于无形。钻石的下落不明因之引人入胜。上帝创造的世界纵然千变万化，其中的物质总量永远恒定。这是一个朴素的信念。历代学者心照不宣，事无巨细地寻觅、诠释物体重量变化的来龙去脉。

熊熊火焰过后，木柴、炭或煤都只残存份量不多的灰烬。斯塔尔指出木、炭和煤为灰与燃素的组合。燃烧的火是燃素的释放，之后仅剩无几的灰。这个图像直观易懂，只可惜能被烧成灰的不尽是木柴或煤炭。

人类在远古时掌握将“石灰石”（limestone）烧成“石灰”（lime）用以筑墙的技艺。拉丁语的“烧石灰”（calcinare）也延用于金属的高温“煅烧”（calcination），因为铜、铁、铅、锡等等也都能像石头那样烧成“灰”（calx）。斯塔尔顺理成章地解释金属、石灰石和木头一样，是各自的灰与燃素之混合。燃素在煅烧中被释放，只剩下灰。

波义耳早在1673年做过定量实验。他将装有铅的密闭容器置放在火里焚烧。容器内的铅没有与火焰接触，也被煅烧成灰。奇异的是灰反比原来的铅更重。波义耳猜测火焰里的可燃气粒穿透容器壁被铅吸收，与后来斯塔尔的燃素释放恰恰相反。面对灰比铅重的尴尬，斯塔尔辩解燃素也许本身没有重量。更有人想象燃素比空气还轻，导致失去其“浮力”的灰更重。但他们在木柴燃烧和金属煅烧之间无法自圆其说。

1772年9月10日，拉瓦锡在巴黎出高价买到不足三十克、从德国进口的高品质稀罕物：磷。炼金术士布兰德的宝贝比任何可燃物更为奇特，暴露在空气里无需点火即自燃。继钻石和木炭之后，拉瓦锡对燃烧发生浓厚兴趣，也为燃素说的矛盾耿耿于怀。他希望通过自己的精确定量实验真正揭示火的本质。

波义耳在成功仿制磷后做过很多实验，知道其燃烧后的遗物也比原来的磷更重。而且那不是寻常的“灰”，是一种黏糊、酸味极强的液体。在1661年出版的《怀疑的化学家》里，波义耳系统地将矿物——四元素之“土”——分为“酸”（acid）、“碱”（alkali）和“盐”（salt）三大类。酸的味道刺激尖锐，碱则苦涩滑腻。两者都极具腐蚀性，稍不留神对人或物体造成损伤。它们也因之为炼金术士溶解、提炼各种物品的神器。帕拉塞尔苏斯的万能溶剂“阿尔卡海斯特”的名字就是“强有力的碱”。酸和碱的属性相反，能方便地通过“石蕊试纸”（litmus test5）辨别。它们混合时互相“中和”（neutralization）形成中性的盐。在十八世纪中后期，各类酸、碱、盐都已成为各行各业必备的工业原料。

磷烧完后的“灰”即“磷酸”（phosphoric acid），重量竟接近原有磷的两倍。因为是液体，波义耳觉得磷在燃烧时吸收了空气中的水分，但那远远不足以解释重量增加之幅度。陆续有人将磷至于密闭容器里燃烧，留意到里面的空气明显减少。拉瓦锡也照本宣科，在密闭的容器里燃烧或煅烧磷、同为炼金术士爱物的硫磺和各种金属，运用集气槽和分析天平测量前后变化。他发现容器里遗留的产物均呈酸性，也都比原来的物体更重。尤其显著的是它们多出来的重量等同于容器内空气重量的减少。这之中也有波义耳测量过的铅。拉瓦锡进行该实验时不知道远在圣彼得堡的罗蒙诺索夫早已抢了先。

比拉瓦锡年长三十多岁的罗蒙诺索夫在1711年出生于俄罗斯北部贫困家庭。他九岁时母亲去世，从十岁起跟随父亲干活，没上过学。1730年，十九岁的罗蒙诺索夫怀揣两本心爱的书——《语法》和《代数》——孤身出走，在冰天雪地里搭乘五个星期雪橇到莫斯科假冒贵族子弟求学。他学业突出，谎言败露后未受惩罚，反倒一路风顺地被相继送往圣彼得堡和德国深造。学成归国后，罗蒙诺索夫在1745年荣任圣彼得堡科学院第一位俄罗斯出生的院士。彼得大帝离世已久，丹尼尔·伯努利和欧拉等明星也相继告辞，仿效法国科学院创立的圣彼得堡科学院在21年后日渐式微。年仅34岁的罗蒙诺索夫大胆改革，强力推进科学院的本土化。1775年，他又在首都创办莫斯科国立大学，缔造俄罗斯第一所正规大学。该校后来也以罗蒙诺索夫冠名。

罗蒙诺索夫在1756年重复过波义耳的铅实验。他特意在煅烧前后称量容器的重量，发觉没有改变。铅煅烧成灰后重量增加正好被容器内空气重量的减轻抵消，不需要可燃气粒由外部侵入。

波义耳在论述和实践科学方法时强调实验必须能经受多次、多人的检验，也时常为没有人愿意重复、核查自己的实验惆怅。或许不幸或许有幸，他没能在有生之年看到自己的两个定量测量结论被罗蒙诺索夫和拉瓦锡推翻。圣彼得堡远离欧洲科学中心，罗蒙诺索夫的众多科学成果鲜为人知。

然英雄所见略同。巴黎的拉瓦锡尽管对罗蒙诺索夫十七年前的尝试不知情，也在同样地称量对比容器的整体重量后得出相同结论。比罗蒙诺索夫更胜一筹，拉瓦锡明确地归纳为“物质守恒原理”（principle of mass conservation）：封闭系统内物质发生物理或化学变化时，其总量保持不变。铅灰增加的重量来自容器内的空气。煅烧因而是铅与空气的互动，二者总体重量守恒。

从古希腊先哲到海尔蒙特、波义耳等人一脉相承的朴素信念由此被提升为人类认识的第一个守恒律。

拉瓦锡也比罗蒙诺索夫更周密地注意到容器里的气体不仅变轻，也已不再是原有的空气。剩余的气体与海尔蒙特的木气很相似：火烛在其中熄灭，小动物窒息而死。空气于是在燃烧和煅烧过程中的角色非同小可。

在那个十八世纪中后期，英国的黑尔斯、布莱克、普里斯特利、卡文迪许等人正不亦乐乎地用集气槽收集、辨识各种不同气体。一衣带水欧洲大陆的学者大多无动于衷。他们继续着传统的矿物和制药分析以及炼金术，无暇侧目难以捉摸的气。1773年2月20日，正值而立、慧眼独具的拉瓦锡郑重地在笔记本里写下研究计划。他将全面系统地审阅并重复前人的气动化学实验，精确定量地辨识燃烧等过程中吸收、释放的气体，构造一个完整的理论。

他预见这将引发一次物理学和化学的革命。

布莱克将海尔蒙特的“木气”改称“固定空气”，因为这种气体能被生石灰吸收而固定在内，不再弥漫涣散。拉瓦锡意识到磷、硫磺和金属的燃烧、煅烧也是空气被固定的过程。这些物品既没有释放燃素，也没有吸收可燃气粒。它们吸收的是容器内减少了的空气，与之结合形成灰烬而增加重量——与释放燃素截然相反。煅烧后容器内剩余的气体接近木气，说明被固定的是另一种气体。气不是元素。拉瓦锡怀疑英国人在实验里收集到的各种气体都有自然的存在，普通的空气正是它们组成的大杂烩。

在托里切利写下“我们浸没在一个气海洋的底部生活着”的130年后，人类开始领悟头顶上的大气海洋并不简单，自有其丰富多彩。

与木柴、煤炭烧成灰的情形明显不同，金属煅烧后的“灰”在炭火里继续加热时还能“还原”（reduction），过程与冶炼矿石获取金属如同一辙。斯塔尔解说那是炭火的燃素与金属灰的重新结合，即燃素沿与煅烧时相反的方向流动。拉瓦锡用他的巨型放大镜加热金属灰烬，在没有炭火的情形下也实现还原。这样，还原与燃烧和煅烧一样无需燃素的参与。拉瓦锡经过系统的分析得出结论：燃烧和煅烧时被吸收、固定的不是笼统的大气，只是其中一种特别成分。被固定的气体在还原时被重新释放，显示还原确为煅烧的反向过程。因为动物在这种空气中格外地生龙活虎，拉瓦锡称之为“极佳呼吸空气”6。

这并不是新发现。英国的普里斯特利也已用放大镜照射水银“红色沉淀物”收集到这种适合动物呼吸、烛火旺盛的气体，因其自身无法被点燃而命名“脱燃素气”。水银是炼金术士的另一宝贝，其沉淀物正是它煅烧后的灰烬。普里斯特利在1774年访问巴黎时曾与拉瓦锡共进晚宴，讲解过该实验。拉瓦锡后来也是从水银的还原中最先收集到“极佳呼吸空气”，但他一直有意无意地避免提及普里斯特利的实验，为科学史增添一桩优先权之争。

不过拉瓦锡更定量地测量出“极佳呼吸空气”或“脱燃素气”在空气里只占约五分之一。该气体被固定后，剩余气体不再能维持动物呼吸或烛火燃烧，却也不全是海尔蒙特的“木气”。拉瓦锡模仿布莱克用生石灰“固定”其中不多的木气，将余下之大部称作“恶气”（mofette）。借助这些科学手法，空气海洋的内在秘密开始逐一浮现。

磷与“极佳呼吸空气”结合后又吸收水分成为磷酸。硫磺同样在燃烧后产生硫酸（sulfuric acid）。金属煅烧后的灰吸水后也都是相应的酸。拉瓦锡于是断言所有的酸均为物体与“极佳呼吸空气”结合之产物，为后者赋以更为贴切的名称：“酸产生者”（oxygine）。一百来年后的中国人将之翻译为“氧”，强调该气“养人”的生理作用。燃烧和煅烧是物体与氧气结合的“氧化反应”（oxidation），产生的灰烬为其“氧化物”（oxide），也正是金属矿石的主要成分。还原则为氧化物的“脱氧反应”（deoxidation）：释放氧气而回归原来的金属。普里斯特利制作氧气时用的“红色沉淀物”便是“氧化水银”或“氧化汞”（mercuric oxide）。

并非所有的氧化物都以固态的灰烬或液态的酸出现。钻石与木炭成分相同，拉瓦锡将它们统称为“炭”，后来演化为直接来自拉丁文、更显学究气的“碳”（carbon）。碳燃烧——氧化——产生气态的“碳酸”（carbonic acid），正是海尔蒙特的“木气”或布莱克的“固定空气”。拉瓦锡又将其改名为“碳酸气”（carbonic acid gas）。时至今日，普里斯特利将该气溶于水制作的“苏打水”等同类“汽水”都通称为“碳酸饮料”。

晶莹剔透的钻石是纯净的碳，燃烧后尽数变为无色无味无臭的碳酸气。它们因此在高温下表演须臾间消失无踪的魔幻。拉瓦锡惊异地觉察更为常见、柔软易碎的“石墨”（graphite）竟然也是与坚硬的钻石同样的纯碳。日常的木柴虽然也以碳为主体，但同时带有大量其它杂质，以至于燃烧时浓烟滚滚，遗留相对较多的灰烬。在泥窑里“闷烧”木柴正是为之净化的工序。所得木炭十分接近纯碳，燃烧时火力更大，几近无烟无灰。形态像炭的煤在变为化石的过程中也相当地被“净化”，却同时增添多种矿物，故而燃烧时散发出让英国贵族深恶痛绝的异味和煤灰。

自法国科学院在1730年代开始为“火的性质”征文以来，这个困扰学者几十年的命题终于有了合理、逻辑的新解析。拉瓦锡的氧化和还原反应直截了当，不再自相矛盾。新理论也压根不需要从波义耳、虎克、梅奥、贝歇尔、斯塔尔到布莱克等几代人呕心沥血却也始终扑朔迷离的燃素。

海峡对岸的布莱克、普里斯特利等气动化学名家对拉瓦锡耳目一新的理论不以为然，仍然坚持传统的燃素。届时，轰轰烈烈的工业革命已经在英伦展开，伦敦和其它新兴工业城市上空烟雾弥漫。在为显而易见的煤灰和烟灰污染蹙眉苦恼之际，人们看不见也感觉不到从越来越多的烟囱里排放出的碳酸气，无暇顾及它对地球生命的可能影响。

（待续）

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早于马可·波罗二百年，在宋朝的中国担任徐州行政长官的苏轼——诗人苏东坡——作诗《石炭歌》记录政绩。该地冬日苦寒，即便用珍贵的绸缎也换不来取暖的柴薪。幸亏他在元丰元年（1078年）的12月差人访查，得知城西南有人采“石炭”烧火制铁器。“磊落如䃜万车炭”运到之际，“万人鼓舞千人看”。“前年雨雪行人断，城中居民风裂骭”的惨景一去不复返。

苏轼的石炭便是马可·波罗所述的黑石头，也就是现代人司空见惯的煤。苏轼为“旧无石炭”的徐州找到“山中有遗宝”，当然也不是烧煤的始作俑者。煤在那时的中国可能已有几千年的开采、应用历史。最早的文字记录见于公元二世纪的《汉书》。其《地理志》记有：“豫章出石，可燃为薪”。

在为石炭的到来兴高采烈之余，苏轼欣慰“南山栗林渐可息”：有了新的燃料，市外的树林或可休养生息，不再被当柴烧。两个世纪后的马可·波罗看到可燃为薪的煤时，也与诗人不谋而合地联想到幸免于难的森林。

非洲的热带丛林曾经是人类起源的摇篮。森林也是人类祖先躲避恶劣天气和凶猛野兽、猎取食物的天然家园。自从学会用火，树木和枝叶又成为人类不可或缺的燃料。但在终于走出丛林安身立足后，人类与森林的关系也开始变更。

公元前两千多年时刻印在粘土板上的《吉尔伽美什史诗》1记叙美索不达米亚原是茂盛的森林。乌鲁克（Uruk）国王吉尔伽美什（Gilgamesh）和朋友恩奇都（Enkidu）在战胜护林的怪兽洪巴巴（Humbaba）后大肆砍伐，选取上好木材修建神庙。失去大树的两河流域遂成适宜耕作的“新月沃土”（Fertile Crescent），孕育出人类最早的文明社会。

垦荒种地是人类迈进农业文明的必经之路。相似的壮举也在印度史诗《摩诃婆罗多》2和中国《诗经》、传说中比比皆是。人口增长必然要求耕地的同步扩充，逼迫森林让路。而人类也还离不开森林的奉献。从住房到家具、从车辆到船舶、从风车、水车到大大小小的机械工具都需要木材。更遑论作为燃料的需求。

虽则众人拾柴火焰高，人们也很早学会将木柴堆放在不通气的泥窑里闷烧，得到的“炭”（charcoal）火力更为猛烈。炭火的高温足以冶炼出矿石内含的金属，辅佐人类告别原始的“石器时代”（Stone Age），逐步过渡至“青铜时代”（Bronze Age）和“铁器时代”（Iron Age）。凭借锋利的刀剑和坚固的斧、犁、锄、镢，人类由依附于大自然的受庇护者摇身一变为改造大自然的主人翁，开启吉尔伽美什式翻天覆地的农业革命。

木炭燃烧不仅火力大，也几乎没有烟，更适合城市居民在室内使用。美中不足的是木柴烧成炭后只剩原有重量的不足四分之一，意味着翻两番的原料消耗。这让人口持续增多、周边森林不断消失的都市不堪重负。石炭不仅缓解柴火告急，更能代替木炭“为君铸作百炼刀，要斩长鲸为万段”。阅历丰富的马可·波罗也由衷赞叹这形似木炭却又更胜一筹的黑色石头。

马可·波罗少小离家时没见过煤。他不知道那黑色石头在与欧洲大陆一水相隔的英格兰也不鲜见。但与苏轼的讴歌相反，煤在英伦不受欢迎。大致与马克·波罗游记开始流传的同时，英国国王爱德华一世（Edward I）在1306年通过议会立法禁止烧煤。违者轻则罚款、重至绞刑。

尽管也晚于中国，在公元前后占据英伦的罗马人曾在当地烧过煤。可惜那只是历史的昙花一现，不久随罗马人的离去而失传。英国人要到十二世纪才重新发现这个“山中遗宝”，倒也无需去山里挖掘。东北部的海边悬崖裸露着煤块，可以方便地采集后由海路运往伦敦等城市。或许因为模样和功能与木炭相近，或许因为来自海上，它们被称作“海炭”（sea coal）。这些“炭”燃烧时散发辛辣刺鼻的浓烟，只有不得已的穷人和工匠能忍受。然城门失火殃及池鱼，习惯柴火芬芳清香的达官贵族无从逃避，力谏国王颁布禁令。从爱德华一世到伊丽莎白一世的历任国王三令五申，却也没能杜绝烧煤的“恶习”。

致使国王法令形同虚设的是老天爷的气候。

爱德华一世的十四世纪属于“黑暗”中世纪的末期，天气突然变得异乎寻常地寒冷。伦敦的泰晤士河在冬天经常封冻，以至于伊丽莎白一世习惯在河中散步。伴随着频繁的庄稼歉收和瘟疫横行，伦敦也经常遭受“燃料饥荒”3，与中国徐州类似地“湿薪半束抱衾裯，日暮敲门无处换”。可燃的“海炭”屡禁不止，反倒一枝独秀。及至伊丽莎白一世当政的十六世纪中期，伦敦家家户户都有了将煤烟排往室外的烟囱。极易堆积堵塞的煤烟又催生一代代专职清扫烟囱的童工。他们满脸煤灰的乌黑相貌将与成排的烟囱共同构造一幅英国独特的历史剪影。

在伊丽莎白一世作古的1603年，“海炭”已经堂而皇之地取代木柴和木炭成为伦敦市民、作坊的主体燃料。名字里的“炭”失去原意，化作“煤”（coal）的正式名称。伦敦作家普拉特（Hugh Plat）在那年普及将煤与湿泥混合制作煤球。这个貌似南辕北辙的新工艺让煤得以更充分地燃烧，大为减少恼人的烟——也正如五百多年前《石炭歌》之吟诵：“投泥泼水愈光明，烁玉流金见精悍”。尽管伊丽莎白一世自己和贵族太太们依然对难闻的煤避犹不及，她的表侄詹姆斯一世继位后也无所顾忌地从苏格兰运来优质煤用于皇宫取暖。届时，海峡对岸的马可·波罗故乡威尼斯和欧洲大陆也都燃烧起他曾为之惊诧的黑色石头。

从东方到西方，人类在学会用火的几十万年后第一次遭遇燃料危机，成功地完成从木柴、木炭到煤的资源替换。托煤之福，英国和欧洲安然度过艰难的中世纪末酷寒。伦敦的人口在十七世纪初达到二十万，在从爱德华一世到伊丽莎白一世的三百来年间增加一倍多。

英国其实是不应该欠缺燃料的。皮西亚斯曾在这里看到古树参天密林遍布。后世的居民也伐树垦荒，将部分林子改造为碧绿绵延的牧羊草地，至今仍为当地特色风景。木材和羊毛等原料出口欧洲大陆，换回盐、铁、染料、肥皂、玻璃等需耗费燃料生产的日用及奢侈品。无边无际的原始森林得到长期保存，颇让海峡对岸艳羡。

然而孤悬海外的英格兰也不总能偏安一隅，历史上屡遭强敌入侵。他们在中世纪末期再度面对大陆的封锁和威胁，只得奋发图强自力更生。一时间，大片大片的森林被放倒烧炭，以供生产武器和生活用品。木材很快在这个绿野岛国华丽转身为紧俏商品。年轻诗人、剧作家莎士比亚（William Shakespeare）在1598年底与老板交恶，不惜雇人顶风冒雪将整个剧院拆散，逐件搬至泰晤士河对岸新址重新搭建出“环球剧院”（Globe Theatre），不浪费一块木料。更为尴尬的是堂堂王家海军竟没有足够原木打造舰艇。国王和议会只好又立法限制、禁止为炼铁制玻璃砍树烧炭，保护城市附近的森林。

由禁煤到禁木炭，英国政府顾此失彼窘态百出。这仅是人类摸索如何与地球环境共生共存的一个早期缩影。

十年树木，百年树人。森林本是可持续置换的资源，只需几年或几十年即可再生。但是大自然的生态循环在拥有了铁器工具、如吉尔伽美什般砍树的人类面前也甘拜下风。人类居住地附近的树木和森林永久性消失，不再能持续推陈出新。早在与煤最先出现的《汉书》同时代，《淮南子》在《本经训》里对前人“构木为台”“焚林而田”愤愤不平，将这些行为归入“逮至衰世”的不负责任之列。英国海军深感在大航海时代一舰难求兹事体大，在1661年委托王家学会调查献策。新成立还不到一年的学会将任务交给创始人之一伊夫林（John Evelyn）。

几个月后，伊夫林以《森林论：关于国王陛下领地内森林树木和木材繁殖的论述》4为题向学会报告。他引经据典地阐述历史上人类所有艺术和用具均有赖于木材，宣言即使一个没有金子的英国也会强于一个没有木头的英国。他斥责海军和国家现时的窘境纯系人祸，源自唯利是图的乱砍乱伐。而且积重已难返，不可能消极等待自然界恢复。伊夫林主张大规模植树造林。他为此分门别类地介绍各种树的习性、使用价值以及种植和收获方法，尤其是造船急需的橡木（oak）。《森林论》出版后不到两年售出一千多册，轰动一时。

热情有余背后，人工植树困难重重，也远水解不了近渴。英国海军不得不打破历史惯例从蛮荒的北欧进口木材。最早的英国移民也已捷足先登，在大西洋彼岸北美洲落脚。哥伦布发现的新大陆尚属未经开垦的处女地，与以往的英伦一样密林广阔。木材随即成为殖民地输送的主要货物之一，暂缓危机。

伊夫林对树木的认识和激情来自他对园艺的钟爱，也因此对伦敦的演变深恶痛绝。伦敦离大海不远，时常海雾弥漫。追随虎克记录气候的学者早将雾包括在内，天文学家也清楚在伦敦市区难得岁月静好地仰望星空。十七世纪的伦敦上空又添加浓厚的烟，大白天也看不见太阳。伊夫林留意到花园里蜜蜂数量在减少、一些花草干脆绝迹，认定煤烟乃罪魁祸首。他在《森林论》前一年发表过致国王查尔斯二世和议会的公开信，指控伦敦犹如喷发中的埃特纳火山或丑恶的“地狱近郊”。外地人大老远就能看到城市被黑黄色的烟雾笼罩，进城后发病不止，直至离开才有所缓解。在教堂里做礼拜时居然看不清台上的牧师，也无法在满堂的咳嗽声中聆听布道。无孔不入的烟灰覆盖家具、床单衣物和墙上的艺术品，侵害花草、蜜蜂和人。君主、贵族与平民同受其害，不仅肺病猖獗，连歌唱家的音域都短了两度。

虽然牢骚满腹，公开信却有一个极为乐观的标题：《烟消：伦敦空气和烟的不便因本人向陛下和议会谦卑地提出的几项补救措施而消散》5。伊夫林没有像当年养尊处优的贵族那样简单粗暴地要求禁煤。他理智地指出相对于居民的日常烹饪和取暖，铁匠、染坊、酿酒、玻璃及肥皂制造业才是真正燃料大户。议会可以立法将所有这些作坊迁往郊外，集中至泰晤士河下游靠近格林威治的“犬岛”6。产品沿河运回市内，为船工增加就业机会。腾出的市区用来种植花园树林，提供美好的生活空间。

查尔斯二世在王家游艇上接见伊夫林，对其“谦卑”的建议表示首肯。惜乎伊夫林的提案在议会里石沉大海，伦敦“空气和烟的不便”无缘消散。

一百多年后，在伦敦被俗称为“烟灰疣”7的阴囊癌明显增多。医生波特（Percivall Pott）在1775年证实患者大多在孩童时赤身清扫过烟囱，确为烟灰所致。这是人类认识的第一起“职业癌”：工作环境因素触发的癌症。

煤正被源源不断地运到伦敦和其它城市，在为居民和工匠提供热的同时化作满天的煤烟和烟灰。重蹈市镇边缘森林的覆辙，地表容易获取的煤很快告罄。人们于是跟随矿脉进军越来越深的地底。日益严重的排水和搬运困难促使帕潘和塞维利研制“矿工之友”，造就纽科门和瓦特的蒸汽机。后者的用途却远远不止于煤矿。

发明自动纺纱机器的阿克莱特敏锐地把握先机。由蒸汽机提供动力的纺纱机不受季节、时令影响，既可无休无止地运作，也没必要设置在风强水急但交通运输不便的山间或河边。他直接在市区建造大楼，雇佣人员专职纺纱织布。各行各业的传统“磨坊”纷纷效仿，转型为现代意义的“工厂”（factory）——拉丁语“工作的地方”（factorium）。工厂职员告别日出而作日入而息的农家生活，每天集体性按固定的钟点上下班。他们形成一个前所未有的社会阶层：产业工人。

凭借充足的“马力”和低廉的成本，蒸汽机一举成为推动各种机械运行必不可少的“发动机”。当十九世纪的帷幕拉开时，以蒸汽机为动力的船舶在世界各地涌现，实现帕潘未竟之愿。因蒸汽机过于庞大沉重且不稳定，帕潘在世时不敢想象它能代替骡马在崎岖不平的泥路上拉动车辆。他还是低估了人类的创造力。重型蒸汽机火车头不久牵引着满载货物和乘客的车厢行驶在专门铺设的轨道上，一往无前地穿山越谷连通城市和乡村。铁路的迅速延伸又将过去遥不可及山地中的森林、煤矿也变为可用资源。

经历一万多年的男耕女织后，人类终于开始走出农业文明。在煤的燃烧和蒸汽机的轰鸣之中，工业革命悄然而至。那是一个世纪前的伊夫林不可能预见到的巨大变革。

伦敦未能如伊夫林所愿地“烟消”。恰恰相反，泰晤士河上林立的桅杆逐渐被蒸汽轮机的烟囱取代。城里工厂更是星罗棋布，高高低低的烟囱鳞次栉比。它们没日没夜地喷吐黑烟，比伊夫林的“地狱近郊”尤为变本加厉。十九世纪的贵族和工人顾不得忧虑浓烟下的花草、蜜蜂和人类。与日俱增的工厂和烟囱代表着欣欣向荣的新生活。

有史以来，木柴、炭和煤的燃烧为人类带来温暖。它们又在十八世纪末一跃而成机械动力和时代进步之源泉。为了抵挡被雨水冲下的烟灰，英国绅士们习惯出门时带上礼帽和雨伞。工人们则在嘈杂拥挤的厂房和暗无天日的矿井里忍受着非人的工作条件。为了更美好的未来，他们需要砍伐更多的森林，挖掘更多的煤，制造更多的产品，同时也排放更多的烟。

不经意间，人类与地球环境共生共存的关系业已发生根本性变迁。

（待续）

少年瓦特观察的是古希腊四元素互相转化最直观的实例：水受热后化成气、气遇冷凝结为水。他不知道这个平淡无奇的日常现象将改变他和整个人类的命运。

还在瓦特出生的57年前，伦敦的王家学会迎来一位名叫帕潘（Denis Papin）的法国青年。他在一个圆柱形的金属容器里置入各种食物和水，将盖子密封后燃起炉火。不久，蒸汽冲破容器顶部的安全阀喷出。盖子打开后，众人见到即便最坚硬的菜、肉甚至骨头均已酥烂。帕潘解释容器里被密封的蒸汽能达到非常高的压强，将寻常烹饪中无法咀嚼下咽的食物也化作美味。这个“消化器”（digester）——今天人们熟悉的“高压锅”（pressure cooker）——有助于缓解穷人的饥饿。

在场的绅士名流不愁吃喝，也为此兴奋不已。大快朵颐之余，波义耳聘请帕潘为助手，接替刚被他“奉献”给学会的虎克。帕潘又为波义耳设计出制作真空的新方法。他将消化器的盖子改为一个能在圆柱容器里上下移动的“活塞”（piston）。炉火燃起后，里面的蒸汽以其高压将活塞顶起。这时将活塞固定，蒸汽冷却凝结成水后，活塞下方的空间沦为真空。

显然，如此制作真空不如虎克易于控制的气泵方便实用。然而帕潘别有深意。

来伦敦前，帕潘在巴黎与莱布尼茨一起担任惠更斯的助手。惠更斯带着两个年轻人尝试在圆柱形容器里引燃火药推动活塞，效果不佳。帕潘为躲避路易十四的宗教迫害离开巴黎，独自探索时领悟到蒸汽比火药更为适用。他为波义耳提供的手段在实现真空上差强人意，兑现的正是惠更斯的设想。圆柱体底端出现真空时，活塞如果不被固定就会在顶部的大气压力下急速回落填补虚无。在活塞上连接一个杠杆，它可以轻松地提起重物。

杠杆、滑轮、斜面以及车辆船舶等等都是生活和劳作中不可或缺的工具，协助人们搬运自身力不能及的负担。这些工具也还依赖外力的推动。人类于是想方设法借助畜力、风力和水力。海洋中的船帆、乡间的风车和河边的水车逐渐成为文明进步的醒目象征。风车和水车带动的机械顶替人力畜力汲取地下水、碾磨谷物、锯木、粉碎矿石。它们的作业规模往往超越小家庭，通常被统称为“磨坊”（mill）。不过驯养牛马驴骡殊非易事。风车和水车的运行也受制于地理、季节和气候因素，难以得心应手。惠更斯因而期望能利用火药爆炸的力量取而代之，但还是水蒸气——辅以托里切利揭示的大气海洋之重——更为实际。

人类在几千年前已经用蒸汽烹饪食物。水烧开时蒸汽能够掀开沉重锅盖也是生活常识。早在公元一世纪，海伦在《气动学》里讲述他让蒸汽进入一个有很多洞眼的金属球壳。随着蒸汽从洞口冒出，球像小孩子玩的纸风车一样转了起来。帕潘也由他改制的消化器窥探到一个美好前景：持续不断地将水烧成汽再冷却凝结的过程推动活塞在圆柱体内上下往复，可代替风车水车驱动机械。在写给惠更斯和莱布尼茨的信里，帕潘畅想这样的机器能及时排出矿井里泛滥的水，或在江河湖海里驾驭船只，纵使逆风逆流也势不可挡……无奈现实残酷。帕潘后来离开伦敦漂泊，没能制作出令人信服的样品。倒是英国工程师塞维利（Thomas Savery）在1698年以一个与帕潘大同小异的设计赢得专利。十四年后，帕潘在穷困潦倒中离世。

塞维利堂而皇之地将自己的发明命名为“矿工之友”1。煤矿挖到一定深度后突破地下水位，经常被水淹。为煤矿排水曾让青年教授伽利略绞尽脑汁，只落得一个马拉水车专利。挖凿专门的排水道过于天长日久，一百来年后的煤矿大多还只能靠马拉的水车排水，甚至更为原始的人力背扛。帕潘和塞维利不谋而合，都将为煤矿排水看作当务之急，以减免矿工的艰辛。可是塞维利的设计也没能实际奏效。

也是在帕潘辞世的1712年，英国的煤矿里果真有“矿工之友”现身。新机器出自一位名为不见经传的铁匠之手，与帕潘和塞维利的版本有着显著的不同。纽科门（Thomas Newcomen）用锅炉烧制蒸汽，圆柱体成为蒸汽推动活塞专用的“汽缸”。锅炉与汽缸之间以管道连接，设有阀门控制蒸汽进入汽缸的时机。蒸汽推动活塞后，纽科门没有消极等待其自然冷却。他通过另一个阀门适时往汽缸里注入凉水，迫使蒸汽瞬间凝结形成真空。与汽缸分离的锅炉在汽缸冷却时还保持着自己的热度，节省下一轮供应蒸汽所需的燃料和时间。

因为活塞是在大气压力下填充蒸汽凝结后形成的真空，纽科门的机器后来被称作“大气式蒸汽机”（atmospheric steam engine）。凭借真空的相助，它能够直接从深达百米的矿井中抽水，远远超越当年令伽利略百思不得其解的（大气压力下抽水）十米极限。

纽科门身居矿山，与伦敦的王家学会精英没有交集。他的蒸汽机是自己独创还是在帕潘或塞维利基础上的改进也难以定论。没有疑问的是纽科门机器的抽水成本只有马拉水车的六分之一。不过塞维利的专利涵盖所有“蒸汽机”。纽科门不得不屈尊让利，与塞维利合作制造自己的产品。及至那个专利在1733年过期时，一百多台大大小小的纽科门蒸汽机已经在英国和欧洲各地煤矿大显身手。

那还是瓦特出生的三年前。

与伽利略的比萨斜塔和牛顿的苹果相似，少年瓦特对蒸汽的着迷也是后人编制的美丽传说。瓦特从小体弱多病，大多时间居家由母亲辅导功课。他父亲早年参与美洲奴隶贸易积累资本，是格里诺克小有名气的木匠和船主。瓦特在父亲店里打杂，母亲去世后又独自前往伦敦拜师学手艺，逐渐表现出心灵手巧特质。1756年，邻近格拉斯哥大学接收到一批在远洋运输中严重受损的旧仪器。2刚满二十岁的瓦特仅用两个月将它们修缮一新。格拉斯哥大学由此成为英国第一所拥有天文台的大学。瓦特也赢得一个“数学仪器师”3“职称”，在校园里占据一席之地。

有位教授特意订购一台袖珍型的纽科门蒸汽机作为教学工具，收到的却是一件赝品。瓦特将其拆开更换部件，几番调整使之正常运行。他惊讶地发觉那个小家伙竟吞噬着份量不同寻常的燃料和水，就连为凝结蒸汽注入的凉水用量都颇为可观。也正是因为其骇人的需求，已有半个世纪历史的纽科门蒸汽机只有“不差燃料”的煤矿负担得起。其它磨坊都无人敢问津。

虽然没有受过正规教育，瓦特读过介绍牛顿理论的书籍，也在实践中学会经验主义的科学方法。他用同一个炉子烧烤不同的金属甚至木料，精确定量测量各种物体温度随时间的变化。他用弯曲长颈玻璃瓶收集炽热、无形的蒸汽，找出测量其体积、重量和温度的方法。物体被加热时温度都会上升，但速度有所不同。奇怪的是水温度的上升在达到沸腾时停止。继续加热只见越来越多的水化为蒸汽，水和蒸汽的温度却都保持不变。直到所有的水都变为蒸汽后，蒸汽温度才会继续随加热上升。在那个温度恒定期间，外加的热似乎消失于无形，毫无效用。瓦特也将蒸汽与凉水混合，发现蒸汽居然能将六倍于其重量的冷水“煮沸”。他深感不可思议，只好求教专家。

格拉斯哥大学有比瓦特大七岁、正忙于用集气槽收集“固定空气”的布莱克教授。他经常光顾瓦特的小实验室，对年轻的数学仪器师钦佩有加。巧合的是瓦特的新实验恰是布莱克两三年前所做的重复。布莱克早已清楚不同物质接受相同的热时温度升高程度有所不同。他认为那是物质在温度每升高一度时可“容纳”的热有别，将这个物质属性定义为“热容量”（heat capacity）。即使属于同一物质在不同状态时容纳的热也相差很大：水的热容量是冰的两倍。布莱克也察觉到冰融化时即便还在受热也保持恒定温度，与瓦特在水沸腾时的观察一致。布莱克指出物体内“容纳”的热不都能反映在其温度变化上。人类“冷暖自知”体验和温度计测量出的只是其中的“显热”（sensible heat）。另外还有“潜热”（latent heat）深藏不露，只在蒸汽凝聚或水结冰时才重新释放出来。

布莱克天性谦逊、谨慎，没有公开发表这个奇异主张。四十年后，他的学生整理导师课堂讲义出版，潜热的概念才公诸于世。布莱克那时已不在人世。

瓦特有近水楼台的便利，受教后深有感悟。蒸汽能加热数倍重量的冷水正是因为其中暗含潜热。同样地，将水烧热产生蒸汽时需耗费“额外”的燃料。冷凝蒸汽时必须注入大量的凉水，否则凉水反被煮沸，成事不足败事有余。纽科门蒸汽机的汽缸里有蒸汽和凉水交替着你来我往，在显热和潜热的共同参与下变本加厉地忽冷忽热。每次蒸汽进入时要等到汽缸温度回升足够高才有力量推动活塞，注入冷水时又要将汽缸温度降至足够低时蒸汽才可能凝结。

多年以后，两位好朋友为布莱克的理论对改进蒸汽机有多大帮助各执一词。对瓦特而言，他是在1765年5月一个星期天走过格拉斯哥市中心的公园时恍然大悟。纽科门将汽缸与锅炉分离，避免蒸汽凝结时的低温与烧水所需的高温冲突。其实蒸汽也没有必要在汽缸里凝结。瓦特设想在汽缸外装置专门的“冷凝器”（condenser）也以管道和阀门与汽缸连接。在汽缸里推动活塞后的蒸汽被适时导入冷凝器，凝结后形成真空。由于“大自然厌恶真空”，汽缸内剩余的蒸汽也都自动顺着管道奔往冷凝器填补，悉数冷却凝结。汽缸随即空空如也，与帕潘的原初设计无异。不同的是汽缸内与锅炉一样自始至终保持着高温，时刻准备好迎接下一轮炽热蒸汽的来临。相对地，冷凝器永久性处于足以让蒸汽瞬时凝结的低温。它们都不再为温度的频繁升降浪费宝贵的时间和热量。

分离式冷凝器的出现标志着蒸汽机一个革命性的飞跃。瓦特改进后的机器只消耗纽科门原型四分之一的燃料。塞维利的专利早已过期，瓦特在1769年顺利赢得自己的第一个专利。

1774年，38岁的瓦特离开苏格兰的格拉斯哥，搬迁至英格兰中部的伯明翰（Birmingham）。他的蒸汽机还只是实验室里裹足不前的样品。尽管有布莱克帮助提供资金介绍合伙人，瓦特几年的努力终告失败。一年前，他的妻子在分娩时去世，给他丢下四个未成年孩子。焦头烂额之际，远在伯明翰的博尔顿（Matthew Boulton）及时伸出橄榄枝。

博尔顿也只比瓦特大八岁，经营着家传的“磨坊”。他在河里筑坝建水库，利用水车之力锻压金属。连年的干旱逼迫他购置塞维利的蒸汽机将下游的水抽回水库循环使用，不堪重负其燃料成本。他因此清楚地认识瓦特的专利价值，邀请他共同开发产品。有了强有力的后盾，瓦特在短短几年里又数度增进蒸汽机的效率。

从帕潘到纽科门的蒸汽机活塞上方利用的都是现成的大气压。瓦特用管道和阀门将锅炉的蒸汽也引入那里，使之具备与下方同样的蒸汽高压和真空。机器自动控制的阀门有节奏地开放关闭，时机恰当地将蒸汽由锅炉导向活塞上方、下方或冷凝器。蒸汽和真空在活塞上方和下方交替出现，协同合作。“大气式蒸汽机”随之失去前面的定语，成为货真价实的“蒸汽机”。

瓦特又将维系活塞运动的杠杆以“连杆”（connecting rod）和“曲轴”（crankshaft）连接在一个“飞轮”（flywheel）上。活塞的直线往复运动转换为飞轮的旋转，恰似风车、水车的转轮。

伯明翰的“博尔顿和瓦特”4公司恰逢其时。

与瓦特以分离式冷凝器获取蒸汽机专利同一年，英格兰的阿克莱特（Richard Arkwright）也赢得一份“纺纱机”（spinning frame）专利。纺纱织布是妇女的传统辛劳，千万年来一直是无休无止的手工作业。机械工具终于在十八世纪的英国开始出现。阿克莱特的机器以水车推动，成批量地自动化纺纱。但与博尔顿的金属锻压机和其它形形色色的“磨坊”一样，纺纱机只在河流湍急时大放光彩，遭遇干旱或冰冻只得停产。博尔顿和瓦特带飞轮的旋转式蒸汽机正好填补空缺，替代水车驾驭纺纱机。

多年后，英国国王乔治三世（George III）在伦敦一家酿酒坊里看到一台热气腾腾的蒸汽机，探询在场的博尔顿做的是什么生意。博尔顿大言不惭地回应：“陛下，我正在制造、销售君主们最渴望的东西”。国王饶有兴趣地问那是啥，博尔顿答曰：“权力，陛下”。

博尔顿没有企图篡权作乱。他玩弄的是一个文字游戏。英语里君主的“权力”（power）同时也是民间的“力量”或“能力”。后者正是蒸汽机的功效，也确实是古往今来帝王将相和布衣百姓的共同追求。

塞维利当初申请专利时简洁地解释“矿工之友”是“一个用火抽水的发动机”5。“发动机”（engine6）也来自拉丁语的“能力”（ingenium），那时专指威力强悍的重型机械。经过帕潘、塞维利、纽科门、瓦特和博尔顿持续创新的新发动机不再只是抽水的机器，已经在纺纱织布、碾磨谷物、锯木、粉碎矿石、为铁匠的火炉鼓风……甚至帮忙酿制啤酒。而正如塞维利所称，蒸汽机非凡的能力背后有一个全新的动力：火。

普罗米修斯和燧人氏恩赐的礼物在人类生活中举足轻重，在十八世纪也已是寻常之物，无需仰仗天时地利。火的热将水化为气。蒸汽与其凝结而来的真空协同，为人类带来新式的发动机。

为了形象地展示蒸汽机的“能力”，瓦特定量测量出一匹强壮的马能在一分钟内将150磅的重物从220英尺深的井底提出。他以此定义马的能力，即“马力”（horsepower）。他的蒸汽机有大有小，分别能在同样时间内完成十几到几十倍的工作量。这样的发动机可以顶替十几到几十匹马，也就是有十几到几十马力之能。它们消耗的燃料却远比养马便宜得多。

博尔顿和瓦特制造、销售的便是这个既可靠又廉价的“能力”。

在古希腊哲人眼里，火与水和气同为构造宇宙的元素。热则是宇宙四大特性之一，来自火与气的亲和。十八世纪末的学者们已经了解火、水、气都不是元素，但对火的性质依然莫衷一是。他们也无从把握热又是什么，为何还有显热与潜热之分？热又是如何通过蒸汽展现出无与伦比的“能力”？

在伴随蒸汽机而来的热火朝天之中，他们也无暇杞人忧天般地发问：火被用作动力后福兮祸兮，会对人类和人类生存的环境产生怎样的长远影响？

（待续）

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群岛那时已经为人所知三个世纪，一直只是海盗船躲避风浪、藏匿财宝的安全角落。三年前，厄瓜多尔政府宣示对群岛的主权，开始尝试在岛上设立定居点。但达尔文登上的仍然是渺无人烟的荒岛。

来这里之前，贝格尔号环游、考察大半个南美洲海岸线。加拉帕戈斯群岛是她在这个海域的最后一站。军舰在群岛附近游曳五个星期，勘测、绘制海图。达尔文一如既往地四处登岛考察火山、地质，收集动植物标本。10月20日，贝格尔号完成任务，扬帆而去。满载而归的达尔文并没意识到这个群岛的特殊意义。

还要等大半年后，年轻的达尔文才在横跨太平洋中途整理标本时发现加拉帕戈斯的知更鸟（mockingbird）有三个不同种类，恰以它们所在的岛划分。他在日记中写下“每个变种在自己的岛上是一致的”想法。回国后，鸟类专家古尔德（John Gould）也在达尔文的标本里辨识出多达13种的雀（finch）。达尔文据此描画出“生命之树”，在二十多年后出版《物种起源》。1

进化论由此诞生，加拉帕戈斯群岛随之一举成名。在群岛上栖息的为数众多、种类相异的小雀也被统称为“达尔文雀”（Darwin’s finches）。

今天的加拉帕戈斯群岛是一个不大不小的旅游胜地，也是厄瓜多尔珍贵的国家公园和自然保护区。游客无法再像达尔文当年那样坐船上岛，只能从首都基多（Quito）或港口城市瓜亚基尔（Guayaquil）乘飞机前往；由基多出发的航班也必须在瓜亚基尔短暂停留。登机手续远比一般的出入国境复杂，要为人员和行李分别填表交手续费。行李通过特别的扫描机器检查，以防带进不合适的外来物种。临近群岛时，飞机还通过客舱空气循环系统喷洒杀虫剂消毒。

虽然在大陆只有瓜亚基尔一个门户机场，群岛内却有两个出入机场可供选择。一个设在靠近群岛中心的巴尔特拉（Baltra）小岛上，另一个位于距离大陆最近的圣克里斯托瓦尔（San Cristobal）岛。在这边的机场落地后，旅客还须履行“入关”手续，护照上又多出一个章。

与在钦博拉索山的纪念章相反，这个入境章要求缴纳二百美元。那是群岛的入境费，或可视为国家公园门票。厄瓜多尔本国公民也得办理同样手续，只是收费低得多。为防止群岛人满为患，他们来岛上长期居留、就业也必须申请“移民”。

如此过五关斩六将后终于踏上巴尔特拉小岛。那是2025年10月27日。190年前，达尔文已经离开群岛一个星期。

第二次世界大战期间，美国海军曾驻扎在巴尔特拉，留下机场跑道、公路等基础设施。今天的小岛依旧空空荡荡。步出机场的游客别无选择，尽数上公共汽车到海边换乘小渡轮到更大的圣克鲁斯（Santa Cruz）岛。于是，加拉帕戈斯的“跳岛游”（island hopping）甫下飞机已然开启。

无论从哪个机场入境，前来群岛的游客大都直接奔向大大小小的邮轮。加拉帕戈斯只允许一百名旅客以下的小型邮轮运营，大多数是十几人到几十人的游艇。短仅三五天、长至两三星期，游客住宿在游艇上随其在群岛间穿梭、登岛，颇具达尔文当年之余韵。不愿意受束缚的游客也可自行跳岛，更随意地决定在各个岛上逗留的时间。

圣克鲁斯岛的阿约拉港（Puerto Ayora）是群岛最大的市镇，常住人口超过一万。从机场渡船登岛后还要再搭乘公共汽车或出租车从北至南穿过整个岛才能抵达。除了两个小村庄，沿途公路两旁均为荒地。这是加拉帕戈斯的典型格局。群岛共有13个主要岛屿，外加众多的小岛和礁石。只有中心位置的圣克鲁斯、最东边的圣克里斯托瓦尔、西边的伊莎贝拉岛（Isabela island）和南边的弗洛雷安纳岛（Floreana）有常住人口。他们在每个岛上也都只能占据港口附近弹丸之地。另外百分之九十以上面积保留为国家公园，其中景点只能在当地导游带队下才能进入。无人居住的小岛也同样只能跟团游览，而且哪天有哪些船能上哪个岛都由许可证制度严格管理。

显然，近两个世纪后的加拉帕戈斯早已不是达尔文游历的荒岛。就连今天的这些岛名也都与他那时所称截然不同。

不过与当年如出一辙的体验也近在眼前。达尔文和船长登陆时最先注意到的是脚底下密密麻麻、满地乱爬的螃蟹和海鬣蜥（marine iguana），谓之“狰狞恐怖”（hideous）。今天群岛各处海边礁石上忙碌的红色螃蟹和慵懒的黑色海鬣蜥依然如故，视访客若无物。

最引人注目的植物也许是长成参天大树的仙人掌。

“加拉帕戈斯”在西班牙语里意为乌龟或马鞍。群岛的名字来自这里特有的大乌龟，有些还身背马鞍状的壳。它们是群岛的象征物。

贝格尔号到来时，乌龟是达尔文和水手们远洋航行期间难得的新鲜美味。当地人曾提示达尔文每个岛上的乌龟各有不同，没能引起他的注意。待到领悟知更鸟“每个变种在自己的岛上是一致的”时，他已经无法同样地回溯乌龟这个活生生的实例。

今天的游客也不可能再像达尔文那样大快朵颐。乌龟是受保护的动物，尤其一些濒临绝迹的品种。达尔文并没有到过圣克鲁斯岛。岛上现在却有一个以他命名的研究站（Charles Darwin Research Station），主要工作在于人工孵化、养育濒危的乌龟。研究站很大，有树林和海滩如同一个公园。但参观其中养育乌龟的部分需要付费导游。

研究站距离阿约拉港市中心不远。门外的达尔文头像十分怪异。

门口有一个宣传环境保护的展览馆，电视屏里的“达尔文”用多国语言与来访者交谈。现场尝试的结果不尽人意。“达尔文”反应时间过长，回答问题也只是重复准备好的文稿。

研究站内部另有一个不大的博物馆。门口有一个正襟危坐沉思中的青年达尔文供游客与之合影。

馆内展有研究站历史和群岛特色动植物标本。一个角落里站立着在伦敦家中的老年达尔文，书桌和书架上陈列着他在群岛收集的标本和相关著述。身后墙上展示古尔德描画出的几种“达尔文雀”，还有达尔文爷爷及加拉帕戈斯大乌龟的照片。

在乌龟养育区可以看到从两三个月到两三岁的小乌龟——研究站孵化的成果。这里也有一些百多年的老龟，但只是取悦观众的展品。导游还会郑重其事地带访客进入一间严格控制温度湿度的密室，里面保存着“孤独乔治”（Lonesome George）的标本。那是一只著名的百年老龟，在2012年时作为其物种最后一员去世。作为物种灭绝的实例，它也代表着研究站在不远的将来用DNA技术让乔治起死回生、复活物种的期望。

小乌龟几岁大时离开这个“托儿所”，移居至岛内特定的农场放养。这类农场在好几个岛上都有，是热门的旅游项目。游客可以近距离观享硕大的成年乌龟吃草、行走和休憩。在适当时期，这些乌龟又会被送回研究站繁殖后代。

阿约拉港与在加勒比、夏威夷等地常见的海岛旅游城市没啥区别，满街是拉丁风情的露天餐厅酒吧、礼品店和旅游中介。达尔文也经常被店家用作噱头。

“达尔文大街”上一家餐馆以达尔文到来的1835年命名，店门口是手捧菜单的达尔文。

看到菜单上有一道“炸翅”（Deep Wings），想来是鸡翅膀就点了。端上来一盘居然真的作出展翅状，却是以蝎子鱼（scorpionfish）的翅和尾炸制而成。下面垫着在厄瓜多尔屡见不鲜的炸香蕉片。这盘炸“鱼翅”鲜嫩美味，妙不可言。

阿约拉港附近有广阔的白沙滩和火烈鸟聚集的湖泊。身处加拉帕戈斯群岛的中心，从这里出发可以乘船前往附近很多岛屿。各个岛的旅游项目大同小异，多为浮潜（snorkel）、徒步观景、深潜和垂钓的组合。每个岛以其独具的海洋生物和风景争奇斗艳。为保护环境，群岛不允许帆板、摩托艇、滑水、滑翔伞等常见的水上娱乐。

达尔文当年在几个岛屿的登陆点和路径现在大多属于不开放的保护区，不可能重踏他的足迹。每个小岛只在指定日子允许登岛的规定也限制游客自行跳岛的选项。当日最合适的是前往比机场所在巴尔特拉岛更北边的北西摩（North Seymour）岛。那是观鸟的胜地，也是距离圣克鲁斯岛最近的荒岛。

北西摩岛固然不大，导游带队走过的也只是靠近海岸的一小圈。十月底的加拉帕戈斯刚经历干燥的旱季，覆地植被的茎干呈现缺水的红色。地面上爬行的是海鬣蜥的近亲陆鬣蜥（land iguana）。鸟类中最吸引游人眼光的是独特的蓝脚鲣鸟（blue-footed booby）和“华丽军舰鸟”（magnificent frigatebird）。它们各行其是，罔顾身边出现的不速之客。即便在为游人开辟的步道中间也会站立着翘首以盼父母来喂食的幼鸟；不多远处则有一只“打猎”回归等待孩子来吃食的母亲——不知道它们都是如何碰头。树上住着和煦可爱的一家子；另一处路上却有一只杀死了自己兄弟姐妹的幼鸟，正若无其事地在尸体旁等父母归来吃独食。

稍远处，几只雄性华丽军舰鸟鼓着巨大、鲜红的“腮帮子”（喉囊）耐心期待雌鸟的青睐。不一会儿，一只雌鸟悠悠然飞至其中一位幸运者的身旁开始卿卿我我。生命便是如此循环往复。

在这个五彩缤纷的鸟类世界里，人们通常不会留意树枝上平淡无奇的小鸟。

那是因达尔文声名大噪的雀。

位于群岛中心的圣克鲁斯岛与最西边的伊莎贝拉岛相距七十多千米，现代快艇式的渡轮也需要近两小时才能跳岛。正是这样的距离造就岛之间的地理隔离，导致“每个变种在自己的岛上是一致的”启迪性物种分布。十月底的海不平静，渡轮像在搓衣板上行进，不停上下颠簸。

外形像一只海马的伊莎贝拉是加拉帕戈斯面积最大的岛屿，但常住人口只有两千多。岛上97%的土地属于保护区，居民和游客只局限在南端很小的维拉米尔港（Puerto Villamil）。这里没有红绿灯或任何交通标志，只有几条泥土路。镇中心的老教堂是唯一的地标。对面小公园里有一尊达尔文胸像，与公园另一侧的群岛定居缔造者的胸像遥相并列。

寥寥无几的商店门口也会出现达尔文的身影。

这里也有长长的白沙滩。但更吸引人的还是火山。

在“每个变种在自己的岛上是一致的”顿悟之前，达尔文环球考察的重点在于地质变迁。火山是重要的一环。加拉帕戈斯群岛基本上都来自火山。圣克鲁斯岛上有很大的火山熔岩通道（lava channel），入内犹如走进巨大的地铁站。伊莎贝拉岛由六座火山“合并”而成。达尔文曾在这座岛上考察四天。后人将其中一座火山以他命名。

达尔文火山现在无法接近。但南端靠近维拉米尔港的内格拉火山（Sierra Negra Volcano）开放游客参观。从镇中心乘坐安装简易座椅的大卡车来到一处荒野之地，然后徒步一个多小时便来到海拔只有1124米的火山口。与厄瓜多尔大陆安第斯山脉的火山2不同，加拉帕戈斯群岛的火山没有三角形的尖峰。它们属于平顶的“盾状火山”（shield volcano），发作时火热的熔岩顺地面或地下流淌，不至于造成大灾难。内格拉也是活火山，最近一次发作是在2018年。达尔文当年曾在贝格尔号上看到这座火山在冒烟。

火山口是一个巨大的椭圆，长轴直径几乎达到一万米。在边缘俯瞰，火山口是一层黑黑的火山石，边缘有明显的裂缝。导游介绍那是火山内的压力在不断推动这层火山石上升的缘故，大发作迟早又会再来。

在火山口附近短暂休息时，一只小雀前来探头探脑。

虽然海拔不是很高，内格拉火山也足以阻挡西南方向来的温暖、湿润空气。被阻的白云在火山口瀑布般倾泻而下，颇为壮观。这座火山因而是伊莎贝拉岛的气候分界线。南边湿润，北边干燥缺水。从维拉米尔港到火山的一路是茂密的热带丛林。继续前行时，景观急剧变更。

环绕内格拉火山口走小半圈后，一条岔道引向一个名为奇科火山（Volcan Chico）的地盘。奇科并不是伊莎贝拉岛六座火山之一，只是火山熔岩的流经、堆积之地。绿色植被在这里完全消失，只剩少许茕茕孑立的仙人掌。黑色、绿色、红色、银白色的火山石交相辉映，构成一幅标准的世界末日图景。

遥望北方，达尔文火山在满目疮痍里依稀可辨。

从最西的伊莎贝拉岛到最东的圣克里斯托瓦尔岛是加拉帕戈斯跳岛的最远距离。乘坐渡船要在圣克鲁斯岛的中转，两边各须约两小时的海浪颠簸。更为简捷的方式是乘坐当地的跳岛小飞机，仅45分钟就能横跨群岛西东。这也是难得的新经历。飞机上包括飞行员只有七个座位，其5500米的巡航高度比驾车抵达的钦博拉索山脚营地高不出多少。可惜中途飞跃圣克鲁斯岛时浓云密布，未能鸟瞰该岛全景。

圣克里斯托瓦尔岛正是达尔文在1835年9月16日最早登陆的岛。今天岛上的巴克里索莫雷诺港（Puerto Baquerizo Moreno）是人口仅次于阿约拉港的群岛第二大市镇。尽管这也不是他踏足的地点，港口有一个正从贝格尔号上走下的青年达尔文。他衣冠楚楚，礼貌地伸出右手问候当地居民。海鬣蜥和大乌龟左右伴随，一只小雀停留在他的肩膀上。

旁边的小广场上还有一尊青年达尔文头像。拍照时正好有一只小海狮极其兴奋地蹦跃而过。

港口的另一端还有一具老年达尔文的胸像。

达尔文和他的小雀也在这里的餐馆门口现身。

相比于更为商业化的阿约拉港，作为群岛首府的巴克里索莫雷诺港别有风味。这里有厄瓜多尔海军的军港和一个小巧的历史博物馆。大群的海狮聚集在沙滩、人行道甚至公路上，不分昼夜地吼叫、奔跑嬉戏。当然更多的还是随地而卧睡大觉。

岛上自然也少不了达尔文的雀。

跳岛至此，加拉帕戈斯之旅已是尾声。在巴克里索莫雷诺港恬静安详的晚霞里享用一顿别致的晚餐。

第二天是离开群岛的日子。在旅馆的屋顶餐厅吃早饭时，一只达尔文雀依依不舍地飞上餐桌告别。

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从首都基多（Quito）到南部小镇昆卡（Cuenca）的一段尤为显著。十七世纪初，法国远征队不远万里来这里测量两地之间约三个纬度的距离，实际证明地球如牛顿预测是一个赤道比两极更为膨出的扁球体。1五十来年后，德国学者洪堡（Alexander von Humboldt）也来探险、考察，将这段山地誉为“火山大道”（Avenue of the Volcanoes）。

那个时代的安第斯并不具备任何“大道”。法国远征队和洪堡都只能在坎坷山路上依仗马、骡和自己的双脚艰难而行。他们的足迹遍布沿途巍峨的火山。远征队员、法国著名数学家布格（Pierre Bouguer）在数座火山顶和侧旁观测悬摆的周期，证实牛顿的引力与质量成正比关系。洪堡在细致观察、比较山坡不同高度、温度地区植物种类分布绘制出“自然画卷”2，确立现代地理学和植物学的全球性“气候区”（climate zone）概念。

近三百年后，他们走过的路径已是名副其实的“大道”。厄瓜多尔的“国道”E35是连通哥伦比亚到秘鲁的“泛美公路”（Pan-American Highway）一部分，在山中沿南北方向蜿蜒而行。东西向的支线通向昆卡等市镇和为数众多的火山及高原。火山大道不再只是少数冒险家的乐园。普通游客有参加豪华客车旅游团、聘请私人导游等多项选择，也可以随心所欲地自驾游。

笔者在美国居住的丹佛（Denver）市以“英里高”（Mile High City）著称，但其1600米的海拔远逊于火山大道起点基多的2850米。与丹佛相邻的是北美最为显赫、纵贯加拿大和美国的落基（Rocky）山脉，也无法与安第斯山脉相提并论。驾车离开基多的都市区后，眼前渐次展开的场景与在干燥寒冷的落基山中所见迥然相异。这里山清水秀云雾缭绕，更似笔者家乡水墨画式的皖南山区。充足的雨水、温润的气候保证热带植物也能在一些高海拔地域茁壮生长。洪堡正是受此启发提出不拘泥于纬度或海拔的植物气候区思想。

郁郁葱葱的背后不时冒出在皖南不曾见的景象：被皑皑冰雪覆盖的巍峨尖峰。它们有着近乎标准的三角形，正是“火山大道”因之得名的火山。这也是安第斯山脉与落基山脉的截然不同：后者鲜有火山。

九曲十八弯的山路旁不时闪现“火山危险区”和紧急时刻撤离疏散方向的提示牌。此处不乏随时可能发作的活火山。但对远道而来的游客们，更直接的威胁却是那挥之不去的云雾。火山大道紧邻赤道，没有春夏秋冬，只有旱季雨季交替。十月底正值旱季结束和雨季来临，山里难见晴朗天空。远处的火山总锁在云雾中，只偶尔露峥嵘。

火山大道上最为人所知的大概要算海拔5897米的活火山科托帕希（Cotopaxi）。她十年前的一次喷发令人记忆犹新，仅仅两年前还曾吞云吐雾蠢蠢欲动。而在近三个世纪前，法国远征队也亲眼目睹过她的两次喷发。1803年1月，科托帕希在洪堡结束厄瓜多尔的考察准备离开时爆发。洪堡只能远远地观望、倾听这座他大半年前刚登过顶的火山之喷涌。

科托帕希是厄瓜多尔的第二高峰。略胜一筹的还有海拔6263米的、在国徽里巍然耸立的钦博拉索（Chimborazo）山。那是一座已经沉寂1500年的死火山。

钦博拉索的高度无法与珠穆朗玛峰的海拔8849米相提并论，也挤不进地球最高峰行列。然而正如牛顿的预测和法国远征队的证实，地球所谓的“海平面”并非平面。作为扁球体，赤道处的海面比两极“高”出不少。以海平面为标准的“海拔”度量因而有欠公允。如果与以与地球中心的距离计量，钦博拉索山“高”6384400米，超越珠穆朗玛峰的6382300米。以此度量，钦博拉索山是真正的最高峰——珠穆朗玛峰只能屈居第29位——其山尖是地球表面距离地心最远之点。

洪堡1802年来到这里时，他眼里的钦博拉索山即使以海拔计算也是世界最高峰。那时的欧洲人还没认识珠穆朗玛和其它高峰。洪堡和同伴都只有简陋的器具和衣物，攀爬至海拔5878米时几乎因酷寒和高山反应丧命。他们没能登顶，还是破了当时所知的人类足迹最高记录。洪堡后来以钦博拉索山为背景绘制他的“自然画卷”。这座傲人的“最高峰”直到1880年才被英国探险家温珀（Edward Whymper）首次征服。

今日的科托帕希和钦博拉索火山都是国家公园，入园需要登记备案但不收费。科托帕希公园相对大一些，小巧的游客中心里有关于洪堡攀登火山的介绍。

游客可以在颠簸崎岖的土路上开车绕火山小半圈，从不同角度近距离观望。一条岔路通往山脚下的营地。从那里可以徒步登顶，但要求有专业导游带领。天公还是未能作美。这天在山下只能在云雾间瞥见科托帕希一角。去营地的路上白茫茫一片，能见度随海拔增高不断下降，终究半途折返。

从科托帕希到钦博拉索只是约四小时的车程。那是一条时而穿行山涧底部狭窄夹缝，时而盘旋在半山腰的陡崖，时而抵达极目楚天舒山顶平台的盘山公路。天气终于略有改善。远处的雪峰、近处的山水瞬息万变，目不暇接。美中不足的是车道狭窄，路旁基本上找不到停车观景、照相的空地，只得砥砺前行，将大好景观尽收眼底、存于记忆。

深山里点缀着少许村落，砖瓦、木屋和土坯茅草房相间的格局与世界各地乡村无异，不再有抢眼的西班牙风格。路边经常看到身着鲜艳披肩、头戴大草帽的农夫农妇，宛如美国传统的西部电影。

由远而近，钦博拉索山逐渐引人注目，依然在云层里羞羞答答半遮面。

在公园门口登记时，工作人员特意在护照里盖上一个章。

公园内只有一条路，直接通往设在海拔4800米处的卡洛尔营地（Refugio Hermanos Carrel）。驱车上行，渐入云中。近在眼前的钦博拉索山反而更难见其真面目。

这已是笔者平生所及的最高海拔高度。

营地停车场上方的山坡上散布着墓碑，埋葬的大多是不幸在登山时遇难的勇士。十一月初是厄瓜多尔纪念死者的“清明”，已经有一些人专程来为亲朋献花、默坐和祈祷。墓园里还有一个显眼的石头金字塔，纪念革命家、“南美洲解放者”玻利瓦尔（Simon Bolivar）。他并没有在此辞世或长眠。出生南美的玻利瓦尔年轻时在巴黎留学，与洪堡结为好友。他在后者影响下重新认识自己的故乡，走向革命生涯。1822年，玻利瓦尔在钦博拉索山附近做了一个怪异的梦，写下《我在钦博拉索山上的精神紊乱》3长诗，与这座山结下不解之缘。

从卡洛尔营地徒步攀登，大约一公里后能到达以温珀命名的登山大本营和一个高山湖。那里海拔5100米，是无需向导自主游览钦博拉索山的最高极限。

厄瓜多尔人说西班牙语，通晓英语的不多。然在语言之外，这里相当地“美国”。美元是官方通用货币，电源插座也与美国一致。即便使用国际单位制，汽油也还是以“加仑”（gallon）计量。这些细节让没什么时差的美国游客宾至如归，也为自驾游提供便利。即使在深山里，事先下载的谷歌（Google）地图驾轻就熟地导航，只偶尔出点小差错。唯一一次措手不及是谷歌地图居然不知道科托帕希国家公园的入口所在，需要自己寻找路牌。

在路上，国道边的加油站十分密集。条件好的设施齐全，厕所开放免费使用。4高山里的路况却差强人意，需要频繁闪避路面的裂缝和陷坑。还有为数众多自由自在、温良恭俭却不让路的狗。

与跟团旅游相比，自驾游的一大便利（或麻烦）是自主选择行程和住宿地。后者也是本次旅途的一大收获。

离开基多后的第一晚住在事先预订的拉谢内加庄园（Hacienda La Cienega）。法国远征队1735年来到时，这个毗邻科托帕希山的庄园刚建立不久，热情接待了远方来客。洪堡后来也在这里下榻良久。他在楼顶进行天文观察，以庄园为基地遍访附近的火山及周遭地区。三百年后，占地甚广、内有自己的餐馆、宴会厅、花园、教堂、马厩及跑马场等设施的庄园被改造为旅馆，仍然保留昔日的风情。长长的回廊里装饰着年代已久的画作、照片和劳作生活用具。房客在回廊的沙发上悠闲地品尝下午茶，欣赏窗外的花园。会客、休息室和客房里保留着硕大的老式壁炉，熊熊火焰带来昔日的温暖。卧室和的家具摆设古色古香，洋溢浓郁的历史感。

洪堡住过的房间现在是庄园最豪华的客房。门外展示着他的头像、自然画卷和其它介绍材料。

饱经风霜的庄园已显陈旧。当晚住客不多，但预订房间时也只能订到那一晚。第二天是周末，庄园连日客满。那应该是一个举行婚礼等仪式的浪漫场所。

自驾游第二天没有事先计划，临时寻找住宿地时困难重重。正当焦头烂额之际，地图显示附近山里有一个现代风格的“豪华露营”（glamping）地。那是近些年流行起的新概念，在旅游热点设置固定的大帆布帐篷提供标准卫浴的旅馆式“露营”。匆匆赶到那里，分配到的却不是大帐篷，而是由集装箱改装的客房。虽然狭小，却也五脏俱全。

露营地是一个当地人休闲的高山湖。白天有各种游乐活动，入夜后平静安宁。

第三晚住宿的是距离钦博拉索山最近的小镇里奥班巴（Riobamba）。那是西班牙人在厄瓜多尔建立的第一个市镇，历史比基多还早几个月。不过1797年一次大地震将该镇夷为平地，今日所见均为其后重建的产物。洪堡几年后来访时，地震余波尚在，也是他研究地质地理的场所。重建后的里奥班巴美轮美奂，街边建筑色彩鲜艳各有特色。在晴朗的日子里，从镇上可以清晰地看到钦博拉索山的巍巍雪峰。当然我们没有这样的好运气，只能艳羡旅馆里展示的照片。

大凡市镇中心都会有当地英雄的大型雕塑，或横刀立马的将军或气宇轩昂的政客。里奥班巴城中心也有一座高耸的塑像，其上却是一位手持测绘规尺和纸卷的学者。那是里奥班巴土生土长的马尔多纳多（Pedro Vicente Maldonado），法国远征队的当地合作者。他后来成为厄瓜多尔首屈一指的科学专家，在地图测绘、天文地理等领域卓有成就，也担任过地方首脑。塑像底座的四面有描绘他事迹的浮雕。

塑像的背后是里奥班久负盛名的大教堂。信步走入，不意邂逅一场正在进行中的婚礼。

马尔多纳多在里奥班巴和厄瓜多尔德高望重。镇上还有一座以他命名的中学。

从这个迷人的优雅小镇继续南下便是火山大道的“终点”昆卡。转向西行，漫长的盘山公路骤降几千米，抵达太平洋海边。

作为海港的瓜亚基尔（Guayaquil）是厄瓜多尔最大的城市，与高山中的首都基多遥相呼应。在航海时代，瓜亚基尔是厄瓜多尔的门户，曾是法国远征队和洪堡的来往通道。时至今日，瓜亚基尔仍然是一个门户：前往加拉帕戈斯群岛的必经之地。

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大多数外国旅游者只将基多的机场当作前往因达尔文出名的加拉帕戈斯（Galapagos）群岛的中转站。如果选择在这座海拔高达2850米的“最高”首都1稍作停留，他们多半会前往赤道游览。那里的“世界中点城”（Ciudad Mitad del Mundo）是基多最热门的景点。地面上一条黄色直线沿东西方向延伸。游客们跨骑在线上时，两脚分别踏在地球的南北半球。

他们大多不会想到自己的胯下并不真是赤道。

整整三百年前，法国科学院在1725年决定组织远征队分别奔赴厄瓜多尔和瑞典测量地球经度之间的距离。人类早在古希腊时已经知道地球是一个圆球。2但在十八世纪的欧洲大陆，学者们为地球更为具体的形状争执不下。英国物理学家牛顿在十七世纪后期用自创的流体力学分析出地球应该是一个赤道比两极略“胖”的扁球体，与认定地球为两极之间距离稍大于赤道处直径的长球体传统思维针锋相对。法国科学家在自己国境内的测量证明地球为长球体，唯其可靠性难以服众。测量、比较赤道和北极附近的经度间距最能令人信服地确定地球的真实形状。

十年后，赤道远征队在1735年启程，远洋航行13个月抵达厄瓜多尔，直到1739年才完成测量从基多到南部小镇昆卡（Cuenca）大约三个纬度之间距离的任务。在那期间和之后，远征队员历经火山爆发、地震、瘟疫等艰险磨难，分散各自回到欧洲。这是一次规模上前无古人的科学考察，也因西班牙政府的参与成为人类第一起多国合作的“大科学”项目。他们和瑞典远征队一起实际地证明牛顿的正确：地球是一个扁球体。这是科学史一大里程碑，欧洲大陆由此全面接受牛顿力学。3

基多的世界中点城便是为纪念远征队这一历史性壮举而建。

乘车来到这个胜地，首先看到的是宽广的大型停车场。购票入“城”后也是满目的开阔。十月末的基多处于旅游淡季，上午更是游人稀少，颇显荒凉。一条宽敞的步道通向引人注目的“赤道纪念碑”（Monument to the Equator），两旁列着法国远征队队员的头像。

赤道纪念碑坐落在据说是由远征队测定的赤道位置上，最初为纪念远征队到来二百周年而设。今天的纪念碑和世界中点城是1980年代全面重建并逐步扩展的结晶。三十米高的纪念碑内有七层，游客拾级而上时可看到包括当地风土人情、纪念碑建立过程等介绍图片。其中还有一层专门展示并不在当地的加拉帕戈斯群岛。纪念碑顶部是一个大型地球仪，下面的观景台供游客眺望四面八方。在东西方向，标志赤道的黄线在纪念碑下通过。

纪念碑东面的赤道是主要活动场所。黄线上有一座巨型太阳晷针。

据介绍游客会在这里观赏导游演示的赤道特有奇景：位于赤道黄线上的水槽放水时直流而下没有旋转。将水槽挪开几步，就能看到北半球的水逆时针旋转而下。南半球正相反，呈顺时针旋转。可惜当日游客稀少，未能亲眼目睹这一场景。但在黄线上，游客可以亲手尝试将生鸡蛋竖立在细铁钉上。由于地球引力在赤道的“对称”，这个操作比其它地方容易做到。基于同样的理由，游客也能更容易地闭着眼睛脚踏黄线走时装模特的步伐。这些魔术式的伪科学表演远比科学的晷针更引人入胜。

因为地球的扁球体形状，赤道确是一个特殊的位置。中点城骄傲地以“0度0分0秒”的纬度标记其黄线。

可是当代的旅游者都携有带 GPS 功能的手机。笔者跨骑着黄线测试时得到的纬度却是“南0度0分7.515秒”。

也就是说，实际的赤道在黄线以北约230米处。在偌大的地球表面，这点误差微不足道。然而导游演示用的水槽无论置放在黄线的哪一边也都还是在南半球内。即使不去追究其中所涉物理细节，这一事实本身也足以让该表演不攻自破。竖鸡蛋等其它特技也类似地与赤道无关。

更重要的是，二百多米的差距足以粉碎游客一脚南半球、一脚北半球的美好愿望。

世界中点城内面积不小，但内容不甚丰富。几座立方体的碉堡状展览馆中有一间“法国馆”，专门展示远征队的事迹。馆内有一个远征队从基多到昆卡进行三角测量的立体模型。

远征队当年留下的实际遗物十分稀少。他们在山谷相对平坦处设立三角测量的基线，在该处立有纪念石碑和小“金字塔”作为标记。大约半世纪后，来这里考察的德国学者洪堡无意间在一个庄园里看到一块上马石，认出那实为远征队的纪念石碑。这块石碑现在存放在基多市内的天文台博物馆里。远征队的基线现为基多飞机场的跑道所在，据说他们的金字塔也已被重建。

其它展览馆里有科学和文化内容，乏善可陈。世界中点城的一个角落也被用作原住民生态展览，计有茅屋几间和种植的玉米等农作物。茅屋中展品寥寥无几，整个布置失之肤浅、不自然。更为显眼的是城里规模不小的商业区，饭馆、礼品店等等应有尽有。

离开冠冕堂皇的世界中点城，往东北方向沿马路走上二百来米时看到路口一块木牌，指示那里也有一间博物馆。牌子下面是一条坎坷不平的泥土小道，看似该博物馆属于乡间的山寨之作。

顺着土路走进去，很快进入一处宛如热带丛林的世外桃源。这是当地原住民的“太阳之路博物馆”（Museo Solar Intinan）。

这间博物馆的核心也是地面上一道沿东西方向的醒目红线。那是原住民曾经认定的赤道所在，与世界中点城的黄线平行但不重合。与那边的黄线一样，这里的红线也标榜为0度0分0秒的纬度并设有水槽等物。热情的导游和游客也都兴致勃勃地摆出同样的“赤道”姿态留影。

太阳之路博物馆的地盘可能还没有地球中点城用于原住民展览的那个小角落大。门口的土路无法通行大型旅游车，也没有旅游团愿意光顾。但这个紧凑的小角落展示着更为原汁原味的印第安文化，包括琳琅满目的图腾柱、错落有致的原住民生态和自然环境展览。有意思的是这里也有加拉帕戈斯群岛，但是一个更为亲切的实体模型。因为地域所限，为数不多的游人熙熙攘攘，欢声笑语不断，与相隔不远世界中点城的空空荡荡形成鲜明对比。

只是这里的红线也非赤道所在。实测其纬度为0度0分5.184秒，距离赤道约159米。相对而言，太阳之路的红线远胜于世界中点城的黄线。

借助 GPS 手机，人们不难继续北上找到真实的赤道所在。只是那已是车水马龙的公路街道，不复有打卡之黄线或红线。

从世界中点城和太阳之路博物馆再往东并偏北有一座海拔2,638米的卡泰基亚山（Monte Catequilla），在环抱基多的群山里并不出众。不过这座山有点特别，突兀地耸立在两个山谷之间。相传还在印加帝国之前，附近的原住民已经在山顶上观察天象、祭祀神灵。今天的人可以开车直达山顶，但需要胆战心惊地在一条悬崖边坑坑洼洼的土路上行进。山顶四周遍布野花，既能尽享四周开阔的山野，也可以俯视一个巨大的火山口和山谷里的城市。

山顶上有一根高高的图腾柱和“世界中点”字样的标语牌。图腾柱下有东西南北方向的标记，表明该柱可用作太阳晷针。

还有一个原住民风格的小金字塔

在卡泰基亚山顶徜徉时，手机 GPS 测得一个0度0分0.41976秒的纬度，距离赤道不足13米。

也许几千年前的原住民比今天的芸芸众生更清楚“世界中点”的真正所在。

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“量子”（quantum）最早由普朗克（Max Planck）在1900年底提出，只是一个解释“黑体辐射”（black-body radiation）的数学技巧。在爱因斯坦（Albert Einstein）1905年用量子解释“光电效应”（photoelectric effect）、玻尔（Niels Bohr）1912年提出有分立量子态的原子模型后，量子才真正进入物理范畴。1925年，24岁的海森堡赋予量子物理精确的数学表述，量子力学脱颖而出。一年后，薛定谔（Erwin Schrodinger）推出更为简洁的“波函数”（wave function）和“薛定谔方程”（Schrodinger equation），终成量子力学大业。2

在玻尔的原子模型得到普遍接受之前，爱因斯坦曾经孤军奋战十来年，竭力让物理学界正视光既是波、又是粒子的奇异量子特性。3量子力学的诞生并未能缓解他的疑惑，反倒“变本加厉”。在其后的年月里，爱因斯坦屡屡使用引人注目的语句指出量子的世界里有着诸如“上帝掷骰子”4随机性、“薛定谔的猫”（Schrodinger’s Cat）5、“鬼魅般超距作用”6的“量子纠缠”（quantum entanglement）7等等不可理喻。

面对爱因斯坦的质疑，玻尔将客观世界划分为宏观和微观两部分。前者是人们熟悉的世界，归属于牛顿（Isaac Newton）的经典动力学。后者则是量子力学的领地，与人类的日常经验格格不入。二者的物理性质只存在有“对应”（correspondence），但无从谐和。爱因斯坦则坚持物理定律的普适性，不应存在微观、宏观之分。所谓的宏观世界也只无数个原子、分子的组合。这些肉眼看不见的微观粒子遵循量子力学，作为整体时却摇身一变服从经典的牛顿动力学，是为不可思议。玻尔也无法准确地定义微观与宏观世界的界线。这场旷日持久的论争在物理学史上脍炙人口，但在两人的有生之年只是哲学式的思辩，无法达成共识。

物理学家需要寻找更为实际的证据。显然，宏观世界的牛顿动力学方程在微观世界无法适用，才有薛定谔方程的应运而生。那么反过来，薛定谔方程是否适用于宏观世界，只是还没人能察觉到上帝骰子、薛定谔的猫和鬼魅般超距作用的存在？那正是克拉克、德沃雷和马蒂尼斯实验试图回答的问题。

也是在量子力学诞生的1925年初，爱因斯坦接连发表两篇论文，揭示量子世界中又一惊人之处。

半年前，身为柏林大学教授的爱因斯坦收到来自遥远印度的一封信。作者是一位名为玻色（Satyendranath Bose）的青年。他在信中声称以一个非常简洁的方式推导出普朗克描述黑体辐射的量子定律。因为被英国杂志拒稿。他希望爱因斯坦帮忙将论文翻译成德语在德国发表。爱因斯坦十分震惊，那是他自己尝试多年而未成功的课题。然而细读论文，他看出玻色是在光子的统计过程中犯了个低级错误，竟歪打正着地得出普朗克定律。爱因斯坦倒没有掉以轻心，依然遵嘱将论文翻译后交付发表。他同时思考其中的奥妙所在，终于参破玻色的无心之失背后的物理意义。8

在1925年初的两篇论文里，爱因斯坦推广玻色的“错误”，论述量子世界的粒子是彼此不可分辨的“全同粒子”（indistinguishable particles），遵从与经典粒子不同的统计规律，即玻色阴错阳差的计算方式。这样的全同粒子在温度足够低时会突然发生“凝聚”（condensation）：几乎所有粒子汇集在同一个能量最低的量子态上。这时，作为个体的粒子完全消失，取而代之的是一个没有内部差异的大“集体”。爱因斯坦把它叫做“超级原子”（superatom），以示与经典世界粒子堆积在一起的区别。这是一个有别于日常固态、液态或气态的新物质状态。

玻色对这些后续进展并没有贡献。但新的统计和物态还是分别被命名为“玻色-爱因斯坦统计”（Bose-Einstein statistics）和“玻色-爱因斯坦凝聚体”（Bose-Einstein condensate），甚至直接简称为“玻色统计”和“玻色凝聚体”。至少在理论上，玻色凝聚体——爱因斯坦的超级原子——可以容纳无数多的全同粒子。量子力学借此可以轻易地达到宏观尺度。

在这个国际量子科技年，爱因斯坦的发现也正好是一百周年，但鲜被提及。

但在1934年，德国青年物理学家伦敦（Fritz London）和弟弟（Heinz London）一起逃难到英国，蜗居在伦敦市小楼里继续研究物理。他们指出爱因斯坦的超级原子确实存在，正是“超导”（superconductivity）现象的原因。

金属导体可以导电，同时也有阻尼损耗。电压、电流和电阻之间的关系遵从熟知的“欧姆定律”（Ohm’s law）。荷兰物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在1911年观察到某些导体的电阻在极低的温度下突然消失，变成无阻尼的超导体。用超导体制作的电路里没有电阻，无需电压便可以有电流。因为没有损耗，电流一经启动即永久循环，是真实的“永动机”。9这个理应不可能的表现在其后二十多年里让物理学家束手无策，直到伦敦兄弟俩一语中的：那其实是量子之神奇，量子现象在宏观世界的出现。

伦敦兄弟认为导体里的电子在低温条件下按照爱因斯坦提出的机制组成了玻色凝聚体。电阻本是金属内部的晶格振动对电子运动的阻碍。但它们只有能力骚扰个体的电子，对凝聚成超级原子的“庞大”电子集体无能为力。后者畅行无阻，遂成超导。当苏联物理学家卡皮察（Pyotr Kapitsa）在1937年发现液态的氦在极低温下变成没有阻力的“超流”（superfluidity）时，伦敦兄弟也为之提供同样的解释。

金属导体和流动着的液氦无疑属于宏观物体。超导和超流也就被称作“宏观量子现象”：量子力学在宏观世界的越界。

不过爱因斯坦的论文发表一年后，泡利（Wolfgang Pauli）发现电子彼此“不相容”，不可能共处于同一个量子态。只有玻色最初推算的光子才是遵从玻色统计的“玻色子”（boson）。10电子和质子、中子都属于“费米子”（fermion），遵从不同的量子统计规律。伦敦兄弟没有拘泥这个细节。偶数个费米子结合在一起时也是玻色子。虽然金属中导电的是不受束缚的“自由电子”，他们还是想象两个电子可能在某种条件下被结成一对，化身为玻色子而凝聚。

二十多年后的1957年，美国伊利诺大学的教授巴丁（John Bardeen）指导博士后库珀（Leon Cooper）和博士生施里弗（John Robert Schrieffer）发现超导的微观机制。库珀发现两个自由电子果然能借助导体的晶格振动结成“库珀对”（Cooper pair）。施里弗则构造出描述库珀对的波函数。他们获得以薛定谔方程为基础的完整、严谨超导理论。超导正是来自库珀对的玻色凝聚。11

也是那年，在日本索尼公司前身工作的江崎（Leo Esaki）在高度掺杂的半导体里观察到与欧姆定律背道而驰的情形：电压增大时电流反而会减小。他敏锐地意识到那也是量子规律在作怪。

薛定谔方程问世后不久，物理学家已经知道其波函数能够延伸到粒子“不该去”的地方。设想粒子被一堵“高墙”阻挡在一边。只要墙的高度或宽度不是无穷大，粒子的波函数在墙中间和另一边都不为零，表明它有一定——虽然相对非常小——的可能性在那些地方出现。这是经典物理里的不可能情形，宛如粒子可穿墙而过。于是有了“量子隧穿效应”（quantum tunneling）的名称。其实，粒子在墙内、墙中间和墙外都是同样的静态存在，并不涉及任何“穿越”式的运动。

量子隧穿效应最早在1928年被25岁的伽莫夫（George Gamow）用来解释放射性。原子核的外围就像一堵高墙，而其中的α粒子有一定可能性出现在原子核外，便是原子核α衰变的发生。12江崎是在不同类型半导体交界的“墙”里发现电子的行迹，也是隧穿效应使然。因为那是经典世界的禁区，电流在其中显现与欧姆定律截然相反的行为。

两年后，美国通用电气公司的贾埃弗（Ivar Giaever）也在超导体里观察到类似场景。库珀对的波函数同样允许它们量子隧穿，与单个的电子别无二致。

1962年，英国剑桥大学23岁的研究生约瑟夫森（Brian Josephson）在美国教授安德森（Philip W. Anderson）讲授的课上听到这些新进展，灵机一动提议在两块超导体之间放置不导电的绝缘体作为隔离的墙。只要绝缘体足够薄，两边库珀对的波函数能借助隧穿效应互相接触而关联，为库珀对提供“通道”。因为两边的波动不可能完全“合拍”，其相位差别会驱使库珀对从一边流向另一边，产生永动的超导电流。巴丁不假思索地否决这个念头，确信库珀对不可能出现在绝缘体内。好在安德森回美国后在贝尔实验室找人帮忙，成功实现约瑟夫森的主意。一小片绝缘体隔开两个超导体的“约瑟夫森结”（Josephson junction）横空出世。

因为量子的隧穿效应，约瑟夫森结里的绝缘体无法完全阻挡超导电流。库珀对通过该“结”时像在超导体内一样没有阻力。不过它们也得一个一个地通过，展现出鲜明的量子特征。由此而来的“超导量子干涉仪”（superconducting quantum interference device）是最为灵敏、精确的测量仪器之一，可用来探测极细微的磁场。

江崎的半导体交界和约瑟夫森结中绝缘体相当窄小，但它们的纳米宽度也都够格为宏观尺度。电子和库珀对的隧穿行为是比单纯的超导更令人信服的宏观量子现象。

在这一片大好形势之中，英国物理学家莱格特（Anthony Leggett）却在1970年代末大喝一声：且慢！

超导、超流和半导体、超导体中的隧穿现象固然是宏观可见的量子现象，莱格特指出它们还不真成其为“宏观量子现象”。爱因斯坦的玻色凝聚可以是宏观数量的玻色子在同一个量子态上的聚集，但那还只是个体粒子的量子态。超导、超流因而是众多个体步调一致的集体行动，却没有薛定谔方程描述的宏观量子态现身。约瑟夫森结更只是个体库珀对的隧穿。它们都只能算是大量微观量子现象的“相干”（coherent）表现，如同1960年代出现的激光（laser）。

真正的宏观量子现象不应只是个体微观量子现象的相干性累积。由个体组成的集体还必须表现为一个宏观的个体，有自己的波函数和量子态。莱格特也指出带有约瑟夫森结的超导电路正是观察这样现象的最佳候选。约瑟夫森结两边波函数的相位差别是电路中玻色凝聚体的一个整体、宏观变量。如果在电路上外加电流，整个系统会有如在一个复杂的场里运动的“粒子”，一个汇集电路中几乎全部库珀对的超大“粒子”。由于约瑟夫森结独特的灵敏性，这个电路也比较容易“与世隔绝”，排除热运动和环境因素的干扰。

约瑟夫森结有一个特定的电流阈值，电流超过该值时便不再有约瑟夫森发现的隧穿效应。在带有约瑟夫森结的超导电路里，低于阈值的电流将“粒子”束缚在一个量子态里。电流高于阈值后，粒子经历的是没有束缚的“自由态”。两个量子态之间也有一堵“墙”。假如整个电路形如经典的粒子，它会一直被禁锢在前一个量子态的深渊里，即使电流增高超过阈值也无法逃脱。但如果它是量子的粒子，就能借助隧穿效应在两个量子态间来回穿梭。

约瑟夫森在1965年博士毕业离开的一年后，克拉克在剑桥成为同一位导师的博士生。他对师兄的创造情有独钟，毕生致力于超导量子干涉仪和相关电路设计。1980年代初，在美国加州大学伯克利担任教授的克拉克指导博士后德沃雷和博士生马蒂尼斯实施莱格特的建议。这个与当年巴丁、库珀、施里弗如出一辙的“三结合”团队出手不凡，很快证实莱格特的猜想：带有约瑟夫森结超导电路里的“大粒子”表现得正如量子世界的粒子，以薛定谔波函数和方程描述的方式借助隧穿效应在两个量子态之间“跃迁”。也就是诺贝尔奖委员会嘉奖的“在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化”。

有着两个分立量子态的系统也是最简单的“玻尔原子”，可以用作计算机里分别代表“0”和“1”的比特（bit）。出于其量子本性，这是一个“量子比特”（qbit）。马蒂尼斯后来曾在科技公司谷歌工作，以这样的量子比特制造出代号为“悬铃木”（Sycamore）的量子计算机芯片，一举实现“量子霸权”。13相对于禁锢个体的光子、电子用于量子比特，宏观的电路有便于制备、维护的优势。

这是只有几厘米大小的电路。大约有几十亿（10⁹）甚至上万亿（10¹²）的库珀对参与其中的“大粒子”，符合莱格特的宏观量子态要求。不过这个貌似浩瀚的数量级距离以阿伏加德罗常数（Avogadro constant）为标志的宏观数目（10²³）还相距甚远，只能算作微观（microscopic）与宏观（macroscopic）之间的“介观”（mesoscopic）量子现象。

克拉克实验的十来年后，美国物理学家康奈尔（Eric Cornell）和威曼（Carl Wieman）终于在1995年实现爱因斯坦七十年前提出的玻色凝聚现象。14那是远比超导体内库珀对、超流中的氦原子凝聚更为“纯粹”的超级原子。康奈尔和威曼初始实验的凝聚体只有约两千颗铷原子。三十年后，今天实验室里的凝聚体也已达到十亿计的介观规模。毋庸置疑，爱因斯坦的量子物态能在如此规模的世界存在，展示介观量子现象。

更多的物理实验也已相继出现，以不同形式探测越来越多粒子参与的介观量子奇景。15克拉克、德沃雷和马蒂尼斯在1980年代的成功无愧为其中先驱。他们姗姗来迟的诺贝尔奖为这个国际量子科技年画上圆满的句号。

除却误打误撞的玻色、时运不济的伽莫夫和伦敦兄弟，这个故事里的人物都已在不同年份、以不同理由荣获诺贝尔物理学奖。其中巴丁还是独一无二的两度获得者。当然在他们之外还有没能在这里一一列举的诺贝尔奖得主和更多不那么幸运的物理学家。他们的努力正在越来越趋近于宏观的介观世界里发现量子力学的踪影。

也许出乎爱因斯坦和玻尔两人的意料，人类终究会有那么一天在日常生活的宏观世界里看到上帝掷出的骰子、薛定谔既死又活的猫和鬼魅般的超距作用。16

主要参考资料：

1. Quantum mechanics of a macroscopic variable: The phase difference of a Josephson junction, by John Clarke, Andrew N. Cleland, Michel H. Devoret, Daniel Esteve, and John M. Martinis (Science, February 1988).

2. Macroscopic Quantum Systems and the Quantum Theory of Measurement, by A. J. Leggett（Supplement of the Progress of Theoretical Physics, 69 80-100, 1980)

3. Nobel Prize in Physics 2025 – Scientific Background, by The Nobel Committee for Physics

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丹尼尔·伯努利比欧拉年长七岁，年轻时遵照父亲的嘱咐进修商业和医学。那是伯努利家族传统。丹尼尔的父亲、伯伯和他自己三兄弟都在上一辈要求下选择实用技术行业，也都殊途同归地走向数学。丹尼尔在1725年第一次荣获法国科学院征文大奖，早于欧拉13年。那年的题目倒属于实用类：设计能在颠簸的海船上照常计时的沙漏。25岁的丹尼尔脱颖而出。消息传到边远的圣彼得堡，又为他和哥哥赢得那里新科学院的聘请。

九年后，已经从圣彼得堡回到巴塞尔的丹尼尔·伯努利再度折桂。1734年的题目是纯理论的行星轨道计算。他同样游刃有余，与父亲共登榜首。大名鼎鼎的父亲却觉得被与儿子相提并论很失身份，一怒之下竟将丹尼尔逐出家门。伯努利年轻时就总在自己长兄面前自惭形秽，这时又将满腹的嫉妒发泄到儿子身上。

当然儿子的才华也确实出类拔萃。丹尼尔·伯努利后来一共赢得十次法国科学院大奖，仅次于欧拉。他俩还曾一同分享1740年的大奖1：欧拉以纠正牛顿对潮汐的解释得胜；丹尼尔·伯努利则为海水运动提供系统的数学理论。

还在早年学医时，丹尼尔·伯努利对人体内的血液流动深感兴趣。一个世纪之前，曾在伽利略任教的帕多瓦大学进修的英国医生哈维（William Harvey）通过解剖动物和人体认识心脏的构造，提出血液由动脉（artery）流出心脏，然后从静脉（vein）返回的血循环理论。心脏如同水泵，以其有节奏的跳动驱使血液周而复始的流动。继佛罗伦萨的桑托里奥医生测量体温、脉搏及体重变化，哈维进一步推动医学走向经验科学。他的发现也与希波克拉底和盖伦相信血液由肝脏制造，流向身体各处后即消逝的正统医学直接冲突。虽然贵为国王詹姆斯一世的御医，也有波义耳和虎克等人的支持，哈维的创见没能得到认可。

一百多年后，黑尔斯更为定量地测量血液的流动。仿照托里切利测量大气压强的水银柱，黑尔斯刺穿马的动脉，让其中血液流入倒立的玻璃管。血能流至的最高点便是马动脉血液压强的标记。这是最原始的“血压计”（sphygmomanometer），也被用于人体帮助诊断病情。丹尼尔·伯努利受之启发，如法炮制地观察血液、水等液体在不同粗细、形状和方向管子里的流动速度及压强。他看到水流从粗管流到细管里时速度会加快，同时压强降低，总结出一个后来被直接命名为“伯努利原理”（Bernoulli’s principle）的定量规律：流体速度越快的地方压强相应地越低。

1738年，丹尼尔·伯努利在法国出版《流体动力学》2记叙研究所得。这本是他奠定学术地位的高光时刻，却没料到父亲紧跟着在1742年出版一本《液压学》3，以不同的数学方式推导出很多与儿子相同的结果。《液压学》标注的出版日期却是1732年，比《流体动力学》早出好几年。父子俩由此为优先权和谁在剽窃谁展开又一场纷争。心灰意冷的丹尼尔·伯努利逐渐退出数学和物理领域，专心于不至于再与父亲发生重叠的医学和生理学研究。

但在1746年，丹尼尔·伯努利还是对赢得普鲁士科学院以“风”为题的征文大奖自信十足。六年前，他用自己的动力学讲解潮汐，与欧拉同获法国科学院大奖。风与潮汐均为流体的运动，只是有气与水之分。丹尼尔·伯努利《流体动力学》也没有忽视空气。承袭波义耳、牛顿等人的思想，他认为空气由非常微小的粒子组成。运动中的粒子持续撞击容器壁，累积效果便是后者感受的压强。运用牛顿的动力学分析粒子的运动和碰撞，丹尼尔·伯努利成功地推导出波义耳定律：气体的压强与体积成反比。波义耳在四分之三世纪前发现的经验法则终于有了一个演绎推理的支持：空气的“弹性”来自内部的粒子运动。风的选题对丹尼尔·伯努利来说不啻于量身定做，取胜当如探囊取物。况且在柏林负责评选的是他在圣彼得堡研究流体时的助手欧拉。即便投稿皆为匿名，欧拉也不难认出挚友兼合作者的手笔。

当普鲁士科学院大奖在1746年6月2日揭晓时，摘得桂冠的却是尚名不见经传的法国青年达朗贝尔。震惊之余，丹尼尔·伯努利与欧拉的兄弟般情谊第一次显露裂痕。

无意间，伯努利父子两本专著的书名见证一个时代分野。

“液压学”（hydraulics）历史悠久。古人发明风车、水车，利用风和河流的力量弥补人力畜力之不足。人们改造自然，开凿水井、引水渠和运河满足生活用水需要。从独木舟到有着高高桅杆和风帆的海船，纵横辽阔的江河湖海也因人类的聪明才智化作天然运输通道。这些与流体有关的工程技艺被统称为液压学，汇集无数代工匠的经验积累。青年伽利略曾为从地下抽水的高度极限费尽心思。十七世纪法国和其它科学院的征文也屡屡选用如何最大幅度地利用风力、减少船只航行阻力的实用性课题。欧拉第一次参赛时即遭遇船舶设计未能夺魁，后来还在同类题目上扳回一局。

“流体动力学”却是丹尼尔·伯努利生造的一个新词。莱布尼茨在1689年借用希腊语“动态”（dynamica）一词表达物体运动与其受力的关系。五十年后，丹尼尔·伯努利将之与“流体”组合，大大扩展动力学的应用范围。当然动力学之鼻祖非牛顿莫属，尽管他没有使用过这个名称。《自然哲学的数学原理》比莱布尼茨的“动力学”还早问世三年多，正是巨至太阳系天体、小到肉眼看不见微粒之动力学集大成者。

不过牛顿的理论也因受数学所限只能精确描述单个的物体。太阳、地球和月球组成的三体问题已经让他焦头烂额，更为庞杂的多体问题格外无从把握。无论是江河里奔涌的水还是天空中肆虐的风，其中水流和气流千头万绪，无法像步调一致的固体那样被视作一个整体。牛顿在《原理》中分析过这个纷乱情形，指出流体内部速度不同的部分彼此“粘滞”（viscosity），互为阻力。血浓于水，有着更大的粘滞阻力，流动起来远比水慢。因为内部阻力的存在，流体运动也属于错综复杂的多体问题，令牛顿裹足不前。从古希腊阿基米德的浮力定律到牛顿、欧拉对潮汐的解释都是基于静止、平衡状态的受力分析，即简单得多的“流体静力学”（hydrostatics）。

哈雷在圣赫勒拿岛进行气象测量时已经注意到气压计的读数在大风中比没风时低。但还是丹尼尔·伯努利别开生面地将流体的运动速度与压强联系，促成流体动力学的异军突起。时至今日，伯努利原理依然是解说沉重的现代飞机如何能够升空飞行、足球运动员踢出的弧圈球为什么会拐弯等涉及空气动力学问题最简洁、直观的图像。

在古希腊哲人心目中组成世界的四元素里，水和气与人类和其它地球生命的关系最为密切。动物分分秒秒需要空气呼吸，也与植物一样须臾不可缺水。空气和水也是主宰气候环境最关键的因素，以时而风调雨顺时而狂风暴雨洪水泛滥的变幻莫测左右着生命体的命运。

与天上下雨地上流的水循环相比，来无影去无踪的风更为不可理喻。先人们将其归咎于形形色色风神的随心所欲。亚里士多德臆测大气层里存在与地面相同的“河道”，火在其中以既定的源头和方向奔流而为风。他在《气象学》里记录北半球人们经历的北风和南风分别来自寒带的“熊圈”（北极圈）和热带的“在巨蟹的回归”（北回归线）。虽然没有根据，亚里士多德在两千年前也敏锐地洞悉风是全球性的自然现象，不仅仅是某时某地的局部、暂时性扰动。

十七世纪后期的哈雷的视野远比亚里士多德开阔。他踏足先贤只能想象的赤道以南，亲身经历圣赫勒拿岛上常年的浩荡东风，在1686年通过细致调查绘制出第一幅全球风向分布图。地球的大气层里既有因地而异的信风，也有随春夏秋冬变更的季风。信风在南北半球都朝向赤道方向。哈雷判断那是因为太阳光在赤道附近最为强烈，空气受热上升迫使南北方位的冷空气涌来填补的缘故。上升的热空气也在高空流往极地方向，冷却后下降，形成与经线平行的“经向反转环流”。同时，太阳东升西落，照射的区域总在迁移之中。冷空气在其后追赶填补，也导致赤道附近以东风为主的“纬向环流”。两大环流构成地球的信风圈。

哈雷因而是揭示地球上的风有自然起因——太阳光的热量——的第一人，不过他自己也对纬向环流的解释信心不足。约半个世纪后，英国律师和业余气象学家哈德利（George Hadley）在1735年提出不同的看法。伽利略曾以在封闭船舱里的人不知道船是否在航行中为例说明人类为什么感觉不到地球的自转，即运动的相对性。哈德利认为大气层亦是如此，在随地球一起转动时保持同步，既不超前也不会拖后。但作为一个球体，地球自转时的地面速度在赤道附近最大，在两极趋于零。因太阳光热量进行经向反转环流的大气沿南北方向流动时经历不同的地球自转速度，净效果是一个从东往西的“额外”运动。那才是赤道附近东风——纬向环流——的真正来源。

哈德利的解释更令人信服。大气层里的大尺度循环流动后来被直接称为“哈德利环流”（Hadley circulation）。哈雷的贡献逐渐消逝于历史。

在投稿1746年普鲁士科学院大奖的征文里，达朗贝尔指出风的起源还另有隐情。地球的大气与海水一样经受着月球和太阳的引力，也会同样地随三个星体几何位置变动而“潮涨潮落”。正如海涛奔涌，“大气潮汐”（atmospheric tide）无疑会带来强劲的风。

达朗贝尔的想法其实也不新颖。早在托里切利发明气压计、揭示人类生活在一个“大气海洋”之底的一百年前，笛卡尔已经猜测过潮汐也会出现在大气海洋里。他对气压计非常着迷，觉得气压的逐日变化应该隐藏有与满月、新月亦步亦趋的趋势，一如海洋里的潮汐。奉王家学会之命每天勤勤恳恳记录气候的虎克曾仔细分析数据，未能找出其蛛丝马迹。牛顿在《原理》中分析潮汐时也没忘记与海水同属流体的大气。因为粘滞阻力小并缺少陆地障碍，受月球和太阳引力的大气沿地球表面奔腾时更为自由。然而因为引力与质量成正比，牛顿指出月球和太阳的引力对大气的作用过于微弱，不足以造就潮汐。

达朗贝尔没有拘泥这一点。他在伯努利父子之后也创立自己的流体动力学，正对柏林的大奖跃跃欲试。哈雷和哈德利的大气环流说固然合情合理，太阳光的加热如何驱动气体运动还只是生活经验，无法应用严谨的数学方程。相反地，引力与运动的联系已是牛顿动力学的瓮中之鳖。达朗贝尔干脆完全忽视太阳的热，一门心思推导由月球引力而起的大气潮汐，竟一举拔得普鲁士科学院“风的起源”头筹。

丹尼尔·伯努利愤愤不平地致信欧拉，抱怨达朗贝尔的理论不过在炒《流体动力学》冷饭。所谓的大气潮汐更只是纯数学空谈，没有任何实际证据支持。但他已无力回天。达朗贝尔虽然年轻，也知道圆滑地在前言里热情赞颂柏林的弗里德里希二世，可能为他的论文增添了亮丽。

欧拉在达朗贝尔行文艰涩的论文里看到的却是另一个不那么引人注目的突破。为了对付复杂的流体运动，法国青年仿佛不经意地将“平常的微分方程”（ordinary differential equation）扩展为多变量的“偏微分方程”（partial differential equation），打开描述物理世界的新天地。欧拉自己本已开始类似的尝试，于是紧随其后，以他特有的简洁优美风格整合、完善伯努利父子和达朗贝尔的流体动力学。拉格朗日也参与其中。二十来年后，拉普拉斯以一组偏微分方程为潮汐现象提供完整的数学表述，同时适用于海洋和大气层。牛顿力学也不再局限于单一的固态物体。

在欧洲大陆学者热火朝天地发掘数学工具，弘扬笛卡尔演绎推理精神为牛顿力学添砖加瓦的年代，牛顿家乡英伦三岛的人们却回归培根的经验主义手法，实际地探测大气的构成。他们热衷于在黑尔斯发明的集气槽里用各种手段生成、收集不同的气体，寻找“火的性质”背后之燃素。

1754年，26岁的布莱克（Joseph Black）正在苏格兰的爱丁堡大学攻读医学学位，寻找能化解人体内肾结石的药物。他像炼金术士那样在火炉里加热“白镁”（magnesia alba），收集释放出的气体。分析结果表明那正是海尔蒙特焚烧树木时获取的木气。显然，木气不只出自树木。布莱克进一步发现其它几种矿物受热时也会产生木气，甚至人和动物呼吸时呼出的亦大多是木气。更为蹊跷的是木气在被生石灰（quicklime）吸收后即不再逸出。他遂把木气改名为“固定空气”（fixed air）：能被固定在固体内的气。

与火焰无法在其中燃烧、动物即刻窒息而死的木气相反，35岁的英国贵族子弟卡文迪许（Henry Cavendish）在1766年将金属浸没在盐酸（muriatic acid）里，收集到一种极易燃烧的气体。他直接将其名为“易燃气”（inflammable air），但认定那就是火及燃烧的物质主体——波义耳所称的可燃气粒、虎克和梅奥的硝气灵、贝歇尔的油质土和斯塔尔命名的燃素。

在英国南部小镇担任牧师的普里斯特利（Joseph Priestley）也沉迷于集气槽。他意识到有些气体会溶解在集气槽的水里无从收集，改用水银后可以获得更多种类的气。他也意外地发觉溶解有“固定空气”的水喝起来清凉爽快。“苏打水”（soda water）由此横空出世，催生出不含酒精成分的“软饮料”（soft drink）。

水银被加热后会产生一种“红色沉淀物”（red precipitate）。普里斯特利用放大镜聚焦太阳光照射红色的粉末，又收集到一种新的气。这个气无法被点燃，却让燃烧着的蜡烛明亮得多。被封闭在该气里的小老鼠也活蹦乱跳，表现与在“固定空气”里正好相反。普里斯特利推测这种无法燃烧的气完全没有燃素，反而可以协助有燃素的物体释放燃素，更充分地燃烧。他把这种气称作“脱燃素气”（dephlogisticated air）。

从1774年起，普里斯特利陆续出版《对不同种类空气的实验和观察》4三卷本专著，以事实为根据阐述空气不是元素，乃各式各样不同性质气体的混杂。

1783年，卡文迪许将他认为是纯燃素的“易燃气”和普里斯特利完全没有燃素的“脱燃素气”混合在一起点燃，赫然看到燃烧后的产物竟是清澈纯净的水。

敢情水也不是元素，实为两种气的合成。

（待续）

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也是在那个夏天，欧拉搭船顺莱茵河北上，再经陆路到德国的海港。那里有桅杆高耸的海船，将他带往圣彼得堡。十五年前，彼得大帝（Peter the Great）在俄罗斯面向欧洲的出海口创建这座城市并定作首都，体现他引领古老国度“西化”的雄心。彼得堡追崇巴黎的时尚和文化，也在1724年仿照法国科学院成立圣彼得堡科学院。彼得大帝不远万里从欧洲请来几位名家担纲，包括伯努利的两个儿子。大儿子在那里因病早逝后，二儿子丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）立即引荐欧拉前来接班。

伯努利是欧洲最著名的数学家，也是欧拉十三岁进入巴塞尔大学时的导师。伯努利一家人才辈出，哥哥和自己的三个儿子都在数学界名声远扬。欧拉的父亲当年在巴塞尔大学时借住在伯努利家里，与未来大师既室友又同学，一起听过伯努利长兄的课。欧拉自己也与伯努利的儿子们结为好友，在毕业后没能在瑞士谋得教职时追随丹尼尔·伯努利远走谋生。丹尼尔·伯努利在1733年回巴塞尔时，年轻的欧拉选择独自留在圣彼得堡继任他的席位。五年后，欧拉摘取法国科学院大奖桂冠，也一举成名。

那年，莫佩尔图亲自带领的远征队完成在北极圈内测量地球的纬度间距后凯旋，带回地球如牛顿所言是一个扁球体的证据。他们测得的数值也与牛顿的预测有偏差。欧拉仔细分析后找出症结所在：牛顿简单地将地球看作一个均匀球体。如果合理地假设地球内部的密度随深度逐渐增大，就能推导出与测量所得相符的尺寸。

两年后，欧拉又赢得法国科学院1740年的大奖，再次纠正牛顿的失误。那年的题目是海水的运动。五十多年前，牛顿在《自然哲学的数学原理》里以月球和太阳的引力解释地球上潮汐的由来。欧拉在提交的论文里指出牛顿的思路固然正确，具体论证却不成立。月球和太阳的引力在地球的表面远远小于地球自身的引力，不可能如牛顿所述直接在地球与月球或太阳的连线方向上拉动海水而成海潮。但在与该连线有偏角的侧面，月球或太阳的引力可分解为与地球引力平行和垂直的两个分量。前者因与强大的地球引力重合无所作为。后者不受地球引力的压制，是一个沿着地球表面的“横向”力。这个分量拉动海水，才是潮汐的真正起因。欧拉计算出月球对这个“潮汐力”（tidal force）的贡献是太阳的两倍多，纵然太阳对地球的引力远大于月球。

欧拉在巴塞尔大学时曾以一篇比较笛卡尔和牛顿的论文获取硕士学位。他的导师伯努利笃信笛卡尔，正以其学说论证地球是长球体。莫佩尔图在欧拉毕业离开两年后来到巴塞尔拜伯努利为师，掌握数学工具后却大力推广牛顿理论。到圣彼得堡后的欧拉数学技能更胜一筹。他纵横驰骋于传统的“数论”（number theory）和其它各个数学分支，在应邀解答趣味性的“柯尼斯堡七桥问题”1时开创“图论”（graph theory）。他将牛顿和莱布尼茨形异实同的新数学整合为规范的微积分，以简洁优美的形式重新表述牛顿的力学。今天物理学生熟悉的“牛顿方程”即出自欧拉之手。因此，欧拉不仅能举重若轻地洞察牛顿的疏漏，更在牛顿自己心有余而力不及处也成绩斐然。

第二次赢得法国科学院大奖的一年后，声名鹊起的欧拉在1741年应德国“大帝”弗里德里希二世（Frederick II）的盛情邀请离开陷入战乱的俄罗斯，迁至更接近欧洲文化中心的柏林。

弗里德里希二世也无比仰慕启蒙时代的巴黎。与圣彼得堡不同的是柏林早在十八世纪初就在莱布尼茨提议下有了普鲁士科学院，只是在其后几十年里碌碌无为。1740年代初，弗里德里希二世专门从巴黎请来莫佩尔图担任院长，改以法国学者为主体振兴科学院。他还指定论文必须以法语写就。普鲁士科学院和圣彼得堡科学院也都效仿法国科学院举行自己的征文大奖。欧拉在柏林不得不学法语，在完成弗里德里希二世指派的任务同时辅佐莫佩尔图管理科学院，并为两个后起的大奖担任评委等等。在忙得不亦乐乎之余，他还继续参加声望更高一筹的法国科学院征文。

1748年4月，欧拉收到法国数学家克莱罗（Alexis Clairaut）来信，告知他又得了奖。那是欧拉第五次赢得法国科学院大奖。克莱罗字里行间却流露出不屑。他说那年的来稿实在乏善可陈，只得矮子里拔将军。

克莱罗曾经跟随莫佩尔图远赴北极圈。在那个1740年代后期，前往南美测量赤道纬度间距的远征队员——包括曾在大奖赛中胜欧拉一筹的布格——在厄瓜多尔和秘鲁等地历经千难万险后陆续返国，带回更可靠的数据和难以置信的异国风情。他们的回忆录风行一时，激发民众对科学探险及地球外形争议的莫大兴趣。经由伏尔泰、莫佩尔图和埃米莉等人的启蒙、地球形状的证实和哈雷彗星在1758年底的回归，牛顿的理论终于在法国和欧洲落地生根。布丰、克莱罗和达朗贝尔（Jean-Baptiste le Rond d’Alembert）等新一代法国才俊与英国当年的牛顿、虎克、哈雷一样既合作又竞争，在摒弃笛卡尔衣钵同时追随牛顿实践笛卡尔以严谨数学进行逻辑推理的梦想。牛顿力学也是法国科学院大奖征文的热门选题和评判标准。欧拉赢得的1748年题目是土星和木星的运动，一个《原理》中未能完全解决的难题。

开普勒早已知道行星的运动并不严格符合他总结出的定律。牛顿从自己的原理出发推导出开普勒的定律，也为行星实际运行轨道与定律的偏差苦恼。正因为他的“万有引力”，行星不只是在太阳引力下运行，还会受到其它行星、卫星的引力干扰。轨道相邻的土星和木星质量最大，偏差尤为明显。距离太阳较近的木星公转速度是土星两倍多，每次“赶超”土星的前后都会引发二者轨道和速度的变动。这也是一个三体问题，与月球在地球引力下运动同时被太阳牵扯同出一辙。牛顿在多方探索后断定如此复杂的数学问题只能近似求解，却不得要领。

半个多世纪后，欧拉更为优越的微积分使得牛顿的先见有了实际的可能。行星和月球的运动的主体为分别以太阳或地球引力下的椭圆轨道。以此为本渐次加入其它行星或卫星引力的“微扰”（perturbation）修正可以逐步逼近真实的运动。在柏林的欧拉与在巴黎的克莱罗和达朗贝尔展开激烈的竞争，竭尽全力也没能成功。他们不得已地认定牛顿的引力定律不够完善，各自提出不同的修正方案争执不下。只有与欧拉同龄的布丰坚信牛顿，却没有足够数学能力参与这场高手对谈。

克莱罗便是对欧拉获奖论文中修正牛顿引力的方式不以为然。一年后，他高调宣布找出自己在微扰计算中的漏洞，改正后不再需要修正牛顿的引力。达朗贝尔随后也有了同样的突破。两人都对具体步骤守口如瓶。欧拉心急火燎，只好建议圣彼得堡科学院以月球轨道为题悬奖征文，诱惑克莱罗和达朗贝尔参赛。达朗贝尔没有上钩。欧拉作为评委还是如愿读到克莱罗的论文，在推荐克莱罗得奖同时发展出更为流畅的计算方法。牛顿的引力定律经受住严峻考验，无需修正。

新的计算方法足以相当准确地预测月球的未来行迹。远洋的海员可以通过以观测的月球方位查表获得所在的经度。那是伽利略、牛顿、哈雷等人的未竟之梦。可惜欧拉和依照他的方法计算、制作出月球位置表格的德国天文学家迈耶（Tobias Mayer）晚了一步。哈里森那时已经发明他的航海钟表，用之测算经度远比观察月球方便。即便如此，英国王家设立的解决经度难题大奖还是在其高达两万英镑的奖金里划出三千和三百英镑分别授予迈耶的遗孀和欧拉。

物理学家也从此有了应付三体问题的手段，尽管冗长繁复的计算令绝大多数人望而却步。

在茫茫宇宙之中，月球是地球最近的邻居、唯一的卫星。她也是太阳之外最能左右地球形态和运行的天体。这个三体问题曾最让牛顿头疼。他不仅洞悉地球上潮汐的发生源于天空中月球的引力，也为喜帕恰斯观察到的“等分日的提前”提供同样的解释：因为地球是一个扁球体，月球引力的力矩迫使地球的自转轴无法固定而旋转，造就一个周期长达两万七千年的“大年”。那是地球伴随着自转的进动，与日常的陀螺无异。

陀螺的运转经常不稳定，自转轴在沿圆周旋转（进动）时还会上下颠动。在牛顿逝世二十多年后的1748年，接替哈雷担任英国第三位王家天文学家的布拉德利（James Bradley）确认地球的自转轴在进动时也同样地起起伏伏，有一个18.6年的周期。他以拉丁语的“点头”将之命名为“章动”（nutation）。那是陀螺或球体自转、进动之外的第三个运动模式。人类脚底下的坚实大地在宇宙空间只是一个漂浮着的小小陀螺，在月球的扰动下摇摇摆摆。

布拉德利和正在埋头计算月球轨道的欧拉等人不约而同地相信地球的章动也是月球引力之使然。因为太阳引力的扰动，月球绕太阳的公转不像开普勒定律描画地沿一个固定的椭圆兜圈。其近似椭圆的轨道没有闭合，本身也在绕地球转。那正是让克莱罗、达朗贝尔和欧拉绞尽脑汁的一个难点。

更有甚者，身为扁球体的地球以23.5度的倾角“斜躺”着一边自转一边绕太阳公转。月球又是在一个与地球公转轨道平面有着约5.1度夹角的平面上绕地球公转。三者的几何关系扑朔迷离，又时时刻刻处于变动之中。达朗贝尔率先从这盘根错节中脱颖而出，依据牛顿力学推导出月球驱使地球章动的力——或更准确而言，力矩。他的论文晦涩难懂，欧拉也读得满头雾水。好在欧拉理出其中头绪，以自己远为清晰的方式表述地球的章动。

那个年代的巴黎和柏林学者对此习以为常。才思敏捷的达朗贝尔行文杂乱无章，难以引起共鸣。而欧拉总能信手拈来，以简练的推导化“腐朽”为神奇。他也常常顺便地将成果据为己有。

江山代有才人出。欧拉在1755年也收到来自意大利的信，告知他的一些推导可以大为简化。信作者名叫拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange），刚过十九岁。年近半百的欧拉善意地将后续论文压下，等年轻人公开成果后才发表。两人由此展开长久的合作。

十多年后，也是十九岁的拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在1768年的巴黎敲响达朗贝尔的门。拉普拉斯在法国诺曼底乡村长大，只带有一封当地老师的介绍信。达朗贝尔不屑一顾，只让小青年回去自学，等有了自己的创见再来。他没想到拉普拉斯没等几天就又登门，交上一份关于牛顿力学的论文，捎带着推广了达朗贝尔自己的理论。达朗贝尔在震惊和欣赏之余接纳拉普拉斯，为他在巴黎的军事学院安排一份教职。2

岁月在更迭。莫佩尔图于1759年去世。已经在幕后替他履职多年的欧拉正式代理起普鲁士科学院院长的职责。可是弗里德里希二世更钟情高雅的法国贵族，一门心思争取达朗贝尔前来继任院长。欧拉于是再度远行，在1766年重返圣彼得堡，荣获叶卡捷琳娜大帝（Catherine the Great）的热情欢迎和极为优惠的待遇。在柏林的25年里，欧拉一直与圣彼得堡科学院保持紧密联系。当俄罗斯军队在1760年侵入柏林毁坏欧拉的府邸时，带队的将军当即为他道歉并巨款赔偿。叶卡捷琳娜大帝得知后也慷慨解囊加倍弥补。欧拉回圣彼得堡后更是宾至如归，硕果累累。他依然是法国科学院大奖赛的常客，创下参赛18次、获胜12次的个人记录。大奖题目每年在纯理论和实用性之间轮换，欧拉二者兼得，还曾连续三年蝉联获奖。

欧拉在1772年最后一次得奖时已是65岁高龄，因早年疾病后遗症双目失明。地球、月球、太阳纠缠不休的三体问题仍然在大奖赛中反复出现。两年前，欧拉与儿子一起在这个题目上拔得头筹。这一次，欧拉又是与拉格朗日共同得奖。哈雷晚年在格林威治天文台精心观测月球轨迹时察觉月球在莫名其妙地加速（secular acceleration），被法国科学院选作1772年的征文题。获奖的欧拉其实也没能找出月球加速的缘由，只猜测是弥漫宇宙的以太在推动。

拉格朗日那时已经由意大利移居柏林。在达朗贝尔表示不愿意离开巴黎后，弗里德里希二世干脆取消普鲁士科学院的院长职位。拉格朗日在欧拉和达朗贝尔的推荐下担任科学院的数学部主任，实际继承欧拉原有的位置。

孤身来到巴黎五年后，年仅24岁的拉普拉斯被接受为法国科学院成员。他在军事学院担负着繁重的教学任务，只能在闲暇时继续自己的研究。达朗贝尔为此致信拉格朗日，期望在普鲁士科学院为后起之秀找到更好的位置。拉普拉斯未能如愿以偿，但与比他大十三岁的拉格朗日开始长期的通信。他俩与长辈达朗贝尔和欧拉如出一辙地既密切协作又互不相让，承继以巴黎与柏林为轴心的学术纽带。

太阳系的行星运动井然有序，无疑为牛顿的引力和动力学定律的完美体现。然而“万有”的引力也不寻常。因为太阳的扰动，月球绕地球的轨道不是标准的闭合椭圆。同样地，地球和其它行星绕太阳公转的轨道也都时常偏离开普勒的定律。太阳系由太阳、地球、五大行星和它们各自数量不等的卫星组成，另外还经常有难以预料的彗星来来往往。所有星体两两之间均有引力，干扰彼此的运动。太阳系的既定秩序如何持续至今，又能维持多久不免令人疑惑。

人类生存的地球尤其显得弱不禁“风”，在小小月球的微扰中进动、章动不止。地球分别以24小时和365天为周期的自转和公转形成昼夜与春夏秋冬四季的更替，为芸芸众生特别是农作物创造良好的生存环境。稍有差错，后果也许不堪设想。

面对太阳系这一团乱麻般多体问题的牛顿在无奈中倒没有惶恐。他相信上帝为人类准备的家园不会自行分崩离析。欧拉亦有同感，认为太阳系会天经地义地保持自身稳定。后代的拉格朗日和拉普拉斯却诉诸于科学。他们协同努力，在欧拉奠定的基础上全面完善牛顿力学的严谨数学化和多体问题的微扰计算方法，证明太阳系的星球运动虽然曲折坎坷，也都不至于偏离开普勒的轨道太远而失控。人类的家园因此能够长久地保持其稳定性。

年轻的拉普拉斯也没忽视地球上由月球引力造成的潮汐。牛顿和欧拉对这一现象的解释都只是基于地球与月球及太阳相对方位的静态受力分析。拉普拉斯在1776年将其扩展为动力学，以一组微分方程3综合月球、太阳引力、地球的自转和海水的流动周密完整地描述潮汐。大约160年前，伽利略曾固执且错误地将潮汐完全归因于地球的自转。4拉普拉斯的分析表明欧拉所谓“横向”的潮汐力中的确包含地球自转成分，只是不及月球的引力。

拉普拉斯的动力学还捎带着解决一个被牛顿和欧拉忽视的细节。大潮在满月或新月——太阳、地球和月球三点成一线——时发生，但往往不与该天象同步，因地而异地有着几个小时到一两天的延迟。这在拉普拉斯的动力学里显而易见：海水在潮汐力拉动下沿地球表面的涌动是一个需要时间的过程。

从伽利略、牛顿到欧拉、拉普拉斯，人类经过四代人的努力才开始掌握潮汐这个司空见惯的自然现象。

1781年3月13日，在英国一个小镇定居的赫歇尔（William Herschel）从自制的天文望远镜里看到一个新亮点，以为又是一颗彗星来临。跟踪观察却显示那是一颗沿椭圆轨道运行的行星。这是人类远古时认识金、木、水、火、土五大行星的两千多年后第一次发现新的行星。5太阳系的领地随之被加倍，也变得更为复杂。

这颗“天王星”（Uranus）的露面又一次掀起计算行星轨道的热潮。拉普拉斯的微扰计算方法一枝独秀，成为学界标准。拉普拉斯也更为详尽地计算出地球与月球的轨道互动，解释让哈雷和欧拉茫然不解的月球加速现象。

当计算出的天王星轨道在六十年后与实际测量出现明显偏差时，天文学家认定那是另一颗未知行星在作祟，按图索骥地找到“海王星”（Neptune）。这是笛卡尔式的数学逻辑、牛顿的引力和动力学与欧拉和拉普拉斯的计算方法相结合的一大辉煌成就。

欧拉和达朗贝尔在1783年分别在圣彼得堡和巴黎去世。6拉普拉斯和以蒙日（Gaspard Monge）、勒让德（Adrien-Marie Legendre）等人为代表的更新一代正欣欣向荣，奠定巴黎欧洲数学中心地位。柏林的形势却急转直下。弗里德里希二世在1786年驾崩。继任的侄子抛弃他独尊法国传统，带领普鲁士科学院走向本土化。拉格朗日身为外人，又因妻子去世陷入极度抑郁。他接受法国国王、路易十四的五世孙路易十六（Louis XVI）的邀请离开柏林迁至巴黎。那是1787年，51岁的拉格朗日希望能在依然朝气蓬勃的新环境中重整旗鼓。

他不知道自己来到的是一个正值天翻地覆前夜的巴黎。

（待续）

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希腊神话中的火本是神的专有，非人间之物。普罗米修斯（Prometheus）私自盗取火种赠予凡人，因之被宙斯囚禁在欧洲最高峰厄尔布鲁士山（Elbrus）遭受每天被鹰啄食肝脏的酷刑。他的身体在晚上痊愈，只为第二天的重复。中国的传说安详得多，古人是在燧人氏的指导下学会钻木取火。这些故事凸显火对人类不可估量的价值。希腊和中国的先贤也都不约而同地将火列在构造世界的四元素或五行之中。由于普罗米修斯和燧人氏的善心，人类不再茹毛饮血，开启烧烤熟食、围炉取暖、刀耕火种的文明征程。

火对于人类也不尽是福音。厄尔布鲁士山是火山，也正体现火的灾难性一面。而无论火山爆发还是波义耳和虎克实验室里的小火苗，这个自然现象来无踪去无影，的确与构造世界的基本单元不相称。不过希腊哲人也默认元素并非恒定不变。正如水受热后变成气，它们之间能够相互转化，或“嬗变”（transmutation）。亚里士多德猜想水、气、土、火四元素最初都来自同一个“原始物质”（prima materia），本为同根。只是原始物质在生成这些元素后不复存在。他不可能想象到这个不经意的臆测竟会千古流传。

后世的阿拉伯人和欧洲人都认为原始物质没有消失，仍然藏身于由水、气、土、火组成的日常物质里。他们出于对亚里士多德的尊崇将之昵称为“哲学家的石头”（philosopher's stone），相信它作为元素之间转化的中介富有魔力，足以将平常物品嬗变成价值无量的珍宝，包括贵重的金银和包治百病甚至让人长生不老的仙丹。1于是乎，一代又一代的学者在后院或地下室建造作坊，不遗余力地试图提炼出哲学家的石头。他们发明、完善冶炼熔解、挥发蒸馏、沉淀结晶、溶剂萃取等各种分解提纯手段，其中最得心应手的武器还是熊熊的火。轰轰烈烈的炼金术热潮直到科学革命时还经久不衰，从天文学家第谷到一代天骄牛顿均乐之不疲。

炼金术也遍布全球，在没有亚里士多德的中国和亚洲主要以道教思想为指导。它们是否一脉相通，系古代商贸交流而扩散的结果尚无定论，但点石成金毫无疑问是古今中外共有的梦想。

东方和西方的炼金术士都没能得见哲学家的石头，但他们一千多年的孜孜不倦也曾为欧洲文艺复兴时与古希腊哲学的分道扬镳煽风点火。1527年6月，德国医生帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）在瑞士巴塞尔的广场上当众焚书，以示与传统医学的决裂。古希腊医学之父希波克拉底将人体的血液、痰液、黄胆汁、黑胆汁与气、水、火、土一一对应，以四个元素相生相克组合的热、冷、湿、干四大特性解释人的健康和情绪。盖伦据之命名的“性情”正是现代“温度”一词的来源。他的著作也被帕拉塞尔苏斯付之一炬。那还是在对物理世界理解上挑战亚里士多德的伽利略出生的37年前。

帕拉塞尔苏斯热衷于炼金术，提出人体健康其实取决于硫磺、水银和盐。该“三要素”（Tria Prima）分别以其燃烧、流动和稳定体现着灵魂、精神和身躯，也恰好是炼金术中最常见的材料。帕拉塞尔苏斯认为疾病不是因为盖伦的性情失衡，而是对应着体内某个要素或金属的缺失。即使已知硫磺、水银及金属对人体有毒，他坚持让病人服用这些药物“以毒攻毒”。

荷兰的海尔蒙特（Jan Baptist van Helmont）深受帕拉塞尔苏斯的影响。他运用在炼金术中驾轻就熟的手法从病人血液和尿液里提取这几种要素，希望以其变化证实帕拉塞尔苏斯的新医学。实验失败后，他又改弦更张研究植物生长。他将一棵五磅重的柳树种植在盛有二百磅泥土的大盆子里，每天浇水养殖。五年后再次称量时，柳树已经长至169磅，盆里泥土的重量却没多大变化。海尔蒙特合情合理地认定多出的164磅树枝的来自他每天浇灌的水，而不是盆里的土。

树的枝叶里显然含有水分。海尔蒙特又将之烘干后点燃，称得62磅重的干树枝只剩余约一磅的灰烬。他逻辑地推断绝大部分树枝在燃烧中化为气，只有极少量保持为土。从树枝的生长和焚烧，海尔蒙特实际地看到水转化为土，又在火的帮助下变为气。正如古希腊最早的哲人泰勒斯所言，水才是最为基本的元素。

那是科学革命初露端倪的十七世纪初。在意大利的帕多瓦大学，伽利略的朋友桑托里奥医生已经昼夜坐在大秤上生活，记录自己体重的日常变化。他也称量过树木的生长，可能启发了海尔蒙特的实验。定量的测量正作为经验主义科学方法脱颖而出。可惜海尔蒙特没能完整地收集树枝焚烧时产生的气进行定量测量。不过他也察觉那不是平常的空气。燃烧着的火苗在其中很快熄灭，动物也无法呼吸。倒是植物不仅安然无恙，反而更显生机。这样的气似曾相识，也在水果发酵、醋与石灰石混合时出现，甚至天然地存在于某些岩洞里。海尔蒙特将这个特殊气体命名为“木气”（geist sylvestre），特意用了希腊语里的“混乱”（geist），以示与“空气”（air）有别。这一不寻常的选词后来演变为今天通用的“气体”（gas）。

与伽利略类似，海尔蒙特后来也因言语冒犯被天主教会宗教裁判所惩戒，著书被禁。他于1644年去世。那年，托里切利在佛罗伦萨通过实验发觉空气有压力，揭示人类“浸没在一个气海洋的底部生活着”。这个海洋看不见摸不着，却也不纯净如一。

波义耳在结束欧洲的壮游回到英国后也曾专注于炼金术。帕拉塞尔苏斯声称有一种他命名为“阿尔卡海斯特”（alkahest）的万能溶剂，可以将任何物体分解成最基本的成分，从而显露其中的原始物质。海尔蒙特和众多信徒全力以赴，没能制出这个神奇的溶剂。波义耳也同样地功败垂成。他也不是一无所获，自己配制出几种溶剂，还收集到一些独特的溶剂“秘方”。他还重复过海尔蒙特的柳树实验，在仿效中体验定量测量的重要性。

在虎克的协助下窥见托里切利的真空后，波义耳发现空气有“弹性”的精确定量波义耳定律。他们也看到火苗和动物都不能在真空中生存。这当然并不令人惊讶，燃烧和呼吸有赖于新鲜空气早已是生活常识，但真空与海尔蒙特的木气的不谋而合引起波义耳对火的兴趣。他和虎克一起在真空内外进行一系列燃烧实验，看到只有火药能在真空、木气甚至水底等没有空气的环境里正常燃烧。与笛卡尔的涡旋相似，波义耳主张物体由非常细小的微粒组成，空气也不例外。微粒之间互相排斥，空气因而难以压缩，显得有弹性。他推测火药和空气里有着“可燃气粒”（igneous corpuscles），是火发生的原因。真空、木气或水里没有这种气粒，故只有火药还能烧着。火也因此不可能是元素。

为了寻觅可燃气粒的踪影，虎克动用起在《显微图谱》里游刃有余的放大镜仔细观察燃烧的烛苗，只看到破碎的烛芯在热空气中的一团混乱。他在封闭的容器里实验，经历无数次失败后终于测得空气在燃烧后会减少十二分之一。蜡烛不能在剩余的空气中燃烧，说明其中的可燃气粒已经消耗殆尽。几个星期后，虎克兴趣转移的老毛病发作，这一尝试半途而废。他的朋友梅奥（John Mayow）觉得空气在燃烧中失去的是一种与“硝”（niter）有关的成分，将波义耳的“可燃气粒”更具体地称作“硝气灵”（nitro-aerial spirit）。梅奥却不久去世，年仅36岁。他们都没能找出可燃气粒。

受基歇尔描绘地球内部水与火分布的《地下世界》启发，德国医生、炼金术士贝歇尔（Johann Joachim Becher）也出版《地下物理》2。他将地下的土细分成流质土（terra fluida）、石质土（terra lapidea）和油质土（terra pinguis）三类，同时宣称它们不可能单独存在，只以一定比例混于各种物体之中。只有油质土能够燃烧。与波义耳的可燃气粒相似，含有油质土成分是作为可燃物的充分必要条件。

三十多年后，德国医生斯塔尔（Georg Ernst Stahl）为贝歇尔的油质土赋以一个更为雅致、直接脱胎于希腊语“火焰”（philogos）的名称：“燃素”（phlogiston）。火或燃烧是物体内储存的燃素被释放的过程。海尔蒙特焚烧的树木不过为灰土与燃素的结合。

寻找哲学家的石头，将普通金属嬗变为贵重的金银是炼金术士的夙愿。在这不倦的追求中，海尔蒙特无暇留心另一个“嬗变”正伴随着他的实验悄然而至。

十七世纪欧洲的个别大学里已经有了化学教授席位。那时的“化学”（chemistry）还只是古老“炼金术”（alchemy）的别称，包括帕拉塞尔苏斯倡导的以金属治病的“医学化学”（iatrochemistry）。但同时，在炼金术中的积累发展的分解、提纯工艺也开始在采矿、酿酒、染料和制药等行业大显身手，逐渐演化为一门新的学科。

这个另类的嬗变没有逃脱波义耳的注意。他在1661年出版的《怀疑的化学家》3中夸赞海尔蒙特的定量测量，对比剖析彼时“化学家”的可疑之处。哲学家的石头价值无与伦比，促使炼金术士各自为战相互提防。他们创造出一套没人能懂的语言符号，略有所得也严加保密。波义耳对此有切身体会，经常被迫出高价购买“秘方”。业界的神秘性和对古希腊思想的盲从尤其让他诟病。

波义耳在书中指出亚里士多德的四元素和帕拉塞尔苏斯的三要素等类似概念都不可能是真正的元素。他强调元素应该是来自原初的恒定之物，既无杂质，也不能再分解为更简单的成分。然而波义耳举不出元素的实例，也无从判别自然界是否存在有符合自己定义的元素。

1677年9月15日，刚过半百之年的波义耳邀请王家学会成员来到家里，共同观赏一位客人从欧洲带来的奇物。八年前的某个夜晚，德国汉堡的炼金术士布兰德（Hennig Brand）一如既往地在地下室忙活。突然间，他的玻璃容器内着火，满屋子充斥刺鼻的辛辣蒜味。他手忙脚乱地用塞子封闭容器，看到里面闪闪发光。将炉火和蜡烛统统熄灭后，容器里还是异乎寻常地明亮。布兰德确信他终于收获到哲学家的石头。

在接下来的六年里，布兰德严守秘密，自个偷偷地用这个“石头”引发嬗变，始终没能如愿得到金子。无奈之下，他开始向同行透露惊人发现。信息传开，各地炼金术士纷至沓来。尽管没能点石成金，布兰德的炼金产物仍属前所未见。那是一种白色的固体，在黑暗中发出远比通常萤石明亮的光。布兰德用希腊语的“光明使者”将这个神物命名为“磷”（Phosphorus）。他对制作方式守口如瓶，只暗示它来自人尿。这不出炼金术士所料。他们向来对尿情有独钟，相信同为黄色的尿与金子有着必然的深层联系。

布兰德最终在穷困潦倒中辞世。另一位名为克拉夫特（Daniel Kraft）的炼金术士却发现发财之道。他从布兰德手里购得样品，在欧洲王室、贵族厅堂里巡回展示表演，收取不菲的佣金。英国国王查尔斯二世也不惜重金请他渡海，遂成波义耳的嘉宾。克拉夫特果然不负众望，带来的磷惊艳全场。暴露在空气中时，磷无须点火自行燃烧，尤其让宾客们叹为观止。

即便出手阔绰，波义耳也没能买到其制作配方。他只好雇请来到英国的炼金术专家贝歇尔复原布兰德的步骤。他们经过几年努力终于也从尿液里提炼出磷。波义耳同样没有公开步骤，将之与他另外收集到的秘方一并封存，嘱咐王家学会在他去世之后再发表。4

直至1691年去世时，波义耳也没有意识到他费尽辛苦获得的磷不仅完全符合他对元素的定义，而且是第一个非自然存在、由人类分解提炼才获得的元素。

贝歇尔的《地下物理》问世两年后，同样迷恋炼金术的牛顿出版《自然哲学的数学原理》。这部巨著不仅奠定物理学，也改变包括炼金术在内所有学科的思维方式和研究方法。

为了能够真正严格定量地测量燃烧的过程，英国人黑尔斯（Stephen Hales）在十八世纪初将可燃物放置在枪管密封的一端。另一端扭曲后伸进倒立在水槽里的瓶子。燃烧生成的气经过枪管进入瓶子，排开其中的水而被收集。黑尔斯在这个看起来与伽利略的望热镜或托里切利的气压计很相像的简单“集气槽”（pneumatic trough）内焚烧不同物质，收集到十来种性质明显相异的气体。他证实人类头顶上的“气”成分繁杂。

黑尔斯多才多艺，发明过多款同样实用的仪器。他是最早测量血压的医生，也是一位植物学家。海尔蒙特曾观察到植物在让动物窒息的木气里反倒生长得更为茁壮，却没能将该气与植物的生长相联系，将柳树的成长完全归因于自己浇灌的水。黑尔斯通过实验发现植物的叶能吸收木气，可能在体内将之转化成枝叶等固体物质。因此，海尔蒙特的柳树在五年里长出的164磅不仅来自水，也有气的贡献。

气，尤其是品种丰富多彩的气，在日常生活中的重要性因而不可低估。伴随着集气槽的出现，“气动化学”（pneumatic chemistry）应运而生。化学家开始更为具体、细致地认识人类沉浸其中的大气层。

自1720年始，法国科学院每年举行悬赏征文。因其声誉显赫且奖金丰厚，欧洲各地大家名流趋之若鹜。1738年的选题是“火的性质” 。在波义耳去世的三十年后，这还是一个悬而未解的问题。

伏尔泰那年在夏特莱侯爵庄园里完成《牛顿哲学要素》，兴致勃勃地投稿应征。他不知道身边正在悉心翻译牛顿《原理》的侯爵夫人埃米莉也投了稿。他俩都没能获奖，但科学院在宣布排名的公报里特意提及“第六号作品出自一位有地位的女士，第七号作品出自我国一位最优秀的诗人”。他们的特殊身份和莫佩尔图的幕后推动使得两人的论文与获奖作品一起正式出版。埃米莉因之成为法国第一位女性科学论文作者。

那年获得大奖的是31岁的瑞士数学家欧拉（Leonhard Euler）。他将火描述为可燃物缝隙中玻璃球状压缩空气的爆炸。埃米莉和伏尔泰的观点也大同小异，都不约而同地将古希腊哲人认作元素的火看作简单的机械现象。借助牛顿力学，“火的性质”迎刃而解。

然而，尽管欧拉认定火并非神秘，他臆想的玻璃球还是与波义耳的可燃气粒、虎克和梅奥的硝气灵、贝歇尔的油质土、斯塔尔的燃素一样地虚无缥缈。

（待续）

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在二十世纪初的物理学革命中，“哥本哈根”却一鸣惊人，几近成为量子力学的代名词。这个偏僻城市是那时年轻物理学家趋之若鹜的目标，超越英国和德国的传统科学重镇而成为物理学圣地中的圣地。

今年是量子力学诞生一百周年。始于欧洲中部、爱因斯坦奠定量子物理意义的伯尔尼1，一路往北历经慕尼黑2、哥廷根3和量子力学灵感发生地黑尔戈兰岛4的朝圣之旅最后来到哥本哈根。从慕尼黑开始，这是一个世纪前海森堡曾经的足迹，也是百年前一代物理青年争相游学的征途（黑尔戈兰岛除外）。

哥本哈根作为此次旅行的终点站理所当然，不过也是阴错阳差。它原本属于去年的行程。

恰恰一年前，大学同学组织去挪威北极圈内的斯瓦尔巴群岛旅游5。那是第一次远赴北欧，特意顺路在哥本哈根逗留三天。偏偏那次时运不济，飞机没出美国就因天气耽搁一晚，随后又在德国法兰克福机场等候转机一整天。等到终于抵达哥本哈根时，三天时间只剩不足一天，还得为正不知在哪里游荡着的行李操劳。于是只好放弃漫游哥本哈根的计划，将仅存的大半天用于游历第谷在文岛上的天文台6。那一次，目之所及的哥本哈根只是飞机场和火车站。

今年有所不同，在欧洲走的是方便可靠的高速铁路，倒也在临近哥本哈根时重蹈覆辙。这次不作美的天公在德国的北海，迫使前往黑尔戈兰岛的航船停运一天。德国铁路又紧接着发生故障。一大早在汉堡火车站的苦候直到下午解脱。在德国和丹麦境内连续三次换车后，普通列车才在傍晚时分不疾不徐地驶入神往已久的哥本哈根，带着久违几十年的挤车抢座体验。

那已是星期五的傍晚。

哥本哈根在物理学界的异军突起可以完全归功于玻尔和他在这里一手创建的研究所。“玻尔研究所”无疑是漫游这个物理学圣地的主题项目。行前在网上能够收集的访问信息很有限，只知道那里不是博物馆，还是一个研究所。她只在星期三和星期五上午有一小时的游览机会，每次限制二十人。这在行程耽误之后已是鞭长莫及，只能退而求其次地观赏研究所外貌。

从哥本哈根城区走向玻尔研究所时经过一条大河。那其实是被“桥”分离的两个湖。在这个八月初的星期六下午，湖中小岛上满满的枯藤老树昏鸦。

北岸是居民区，也有趣味盎然的雕塑。

走过两道居民楼，玻尔研究所终于出现在小街对面。

照片正面的房子是研究所在1921年3月3日正式开幕时的唯一建筑，还保持着玻尔当年亲自设计7的原汁原味——除了门前竖立着的巨石。那是后人装置的一个流水喷泉装饰，早已因漏水损害地基被废弃，空留一尊败事有余的突兀。

按照那时的常规，玻尔的设计兼顾工作与生活。三层楼里设有玻尔一家及仆人的公寓、演讲厅、图书馆和办公室等。最高层有几个为来访者准备的小房间。海森堡和薛定谔都曾在那顶棚里住宿。小楼下端还有只能看到小窗户的一层地下室。

玻尔在研究所开张一年后赢得诺贝尔奖，国际声誉大为提升。这座小楼显然无法满足日益增长的需求。研究所在1926年时第一次扩建，在原楼左侧（照片的右侧）添加玻尔一家生活的“别墅”，腾出主楼近一半的空间。8尽管如此，包括狄拉克在内的众多来访青年学者也还只能就近租住民居。

实地得见的玻尔研究所在规模上远超原先从书本中获取的印象。不小的地盘里有着近十座外表风格一致的楼房。那显然是后来多次扩建的成果。在这个星期六的下午，整个楼群悄无声息。在这里安身几十年的玻尔档案馆已经在去年迁往新址，只留下引力和生物物理的研究坚守岗位。但能够透露活动迹象的只有少许停靠在楼旁的自行车和汽车。

绕过楼群，玻尔研究所的背后是一片小树林。从中穿过后眼前豁然开朗，展现出一片几乎看不到头的空旷公园。

1927年2月一个夜晚，又一次居住在玻尔研究所阁楼小房间里的海森堡焦躁不安。量子力学已经诞生一年多，有了严谨的数学表述。但个中物理含义依然扑朔迷离，即使爱因斯坦和玻尔也都无从把握。午夜过后，海森堡独自走出研究所，在寒冷的公园和街头暴走，领悟出最能体现量子力学精髓的“不确定性原理”。9

因此，玻尔研究所后面的这个公园极可能是量子力学不确定性原理的诞生之地。

第二天继续漫游哥本哈根，查询地铁线路时看到又会途经玻尔研究所。因为上午的光线不同，阳光又比前一天好得多，遂临时决定重返研究所，拍摄更好的照片。果然，阳光下的研究所更为明亮。“别墅”门前的一幅浮雕尤为清晰。那上面是研究所的四位诺贝尔奖获得者，包括玻尔和他的儿子奥格。

星期天上午的玻尔研究所安宁如旧，无声无息。突然间，一位年轻小伙骑着自行车不期而至，看似是所里的研究人员。拦住询问两句后，他丝毫没有迟疑地打开了门锁。那一刻，一波三折的哥本哈根之行柳暗花明。

小伙子好像只是来取材料，不久自行离去。空荡荡的玻尔研究所主楼里只剩外来的不速之客。这个情形完全出乎意料，也相当地匪夷所思。

楼内的基本结构似乎也保持原样。一楼的正门上方有一块比较旧的铭牌，记叙这个“理论物理研究所”在1920年建立、1926年扩建的历史。

进得门去，走廊里只有一个旧沙发。背后墙上是小小的布告栏，贴有研究所的地图、历史照片和会议广告。

沙发的背后便是研究所最为著名的阶梯教室。正午的阳光正通过宽阔的窗户倾泻而入，室内一片亮堂。讲台上还有旧式的移动黑板，不知道什么人在上面留下很小的 E=mc²。黑板前也设有投影屏幕，显示教室仍在使用中的与时俱进。教室四周简单洁净，只有极少的装饰。背面墙上有玻尔的头像，侧面则是三幅历史性的照片：普朗克在这里演讲时与玻尔的合影和教室坐席上曾有过的群星荟萃。

这些照片的图景在物理学史书里耳熟能详。当年就是在这里，来自世界各地的青年或中年物理学家曾操着不同的语言和口音讲述自己的理论和理解，激发无休无止的争论。据说一个不成文的规定是演讲者可以选择使用任何语言，只要不是自己的母语。玻尔往往放任自流，教室里通常欢声笑语不断。

尤其是每年复活节时的庆祝活动。活跃的青年学生在这里表现另类的才能。1932年在这间教室里上演的物理学版《浮士德》堪称绝唱，与“哥本哈根精神”10格格不入的爱因斯坦在剧中被刻画为豢养跳蚤的昏庸国王。11

这就是量子力学“哥本哈根诠释”的诞生地。身临其境，体会的是浓郁的历史感。

阶梯教室之外的玻尔研究所与普通的科研机构没有区别。二楼有一个图书馆，三楼的小房间被合并成实验室，不再有海森堡等人住过的痕迹。

玻尔是生于斯长于斯逝于斯的哥本哈根人，除了博士毕业后去英国留学和第二次世界大战的逃难都在这里扎根，只在讲学或旅游时短暂离开过。徜徉于哥本哈根，玻尔的一生历历在目。

作为丹麦王国的首都，哥本哈根市区有好几个富丽堂皇的王宫。克里斯蒂安堡宫是政治中心，集议会、首相办公室和最高法院为一体。宫殿四面围有运河，航行着广受欢迎的游船。人们很少会注意到游船码头附近一座大房子墙上有一块铭牌，上面写着“1885年10月7日，原子物理学家玻尔诞生在这所房子里”。

那是玻尔外公的家。玻尔出身显赫，外公是一言九鼎的银行家和政客。玻尔生于天子脚下，从小享有优越的生活环境。

克里斯蒂安堡宫另一边与玻尔出生地遥遥相对的是丹麦科学院所在地。玻尔的父亲是两度被提名诺贝尔奖的著名医学家，曾在科学院担任秘书。玻尔自己也在1939年出任丹麦科学院院长，直至去世。

玻尔出生一年后，父亲应聘于阿美琳堡宫旁的哥本哈根大学医学院。他们一家遂搬进医学院居住。玻尔与姐姐和弟弟在这里长大，直到博士毕业。医学院不仅是少年玻尔的家。他经常在父亲实验室里自己动手实验，曾赢得丹麦科学院的金奖。当年的医学院现在是哥本哈根大学医学博物馆，里面保存着一个多世纪前的教学材料，还有那时的器官标本。

从英国学成归国时，玻尔没能如愿以偿地获取哥本哈根大学职位，只得在丹麦技术大学担任助教。那是丹麦物理学家、最早注意到电与磁关联的奥斯特创办的学校。玻尔正是在技术大学承担繁重教学负担期间完成他举世闻名的原子模型12。可惜，玻尔原子的诞生地正值大修建，无法进入参观。也没能见到门口的奥斯特塑像。

玻尔曾经想把他自己的研究所建在技术大学旁边。无奈那里的地皮已经被哥本哈根大学偌大的植物园占据，只得舍近求远。时至今日，他的一个孙子（奥格的儿子）还在技术大学里担任着物理教授。

1932年时，玻尔一家搬出玻尔研究所的“别墅”，迁入豪华的“嘉士伯荣誉府邸”。嘉士伯是丹麦的名牌啤酒，在城市西郊建有大规模的生产基地和创始人雅各布森自己居住的豪宅。雅各布森后来遗嘱将全部资产在儿子去世后捐赠，豪宅交由丹麦科学院遴选在科学、文学、艺术方面做出突出贡献的人免费享用。玻尔众望所归地成为第一位入住人选。

这个府邸随之成为玻尔招待学界同僚的好地方。仅仅一年后，他在府内举行盛大晚会，庆祝海森堡、薛定谔和狄拉克因创建量子力学所获的诺贝尔奖。海森堡意气风发地弹奏钢琴助兴，狄拉克悄悄溜回房间睡觉，薛定谔则干脆没有到场。13

这里也铭记着不会被人津津乐道的往事。也是在那一年，埃伦菲斯特与狄拉克在府邸门口台阶上最后道别，留下一个令人唏嘘悲哀的场景。14即使在那个火红的年代，并非每一位物理学家能得到命运女神的眷顾。

直至1962年11月18日的离世，玻尔在这里生活长达三十年。去世前的晚上，他还在为爱因斯坦对量子力学的质疑百思不得其解。15

玻尔之后，更多的丹麦名人曾陆续在嘉士伯荣誉府邸里居住，直到1995年时终止。今天的府邸基本空置，只在特别场合用作酒会或仪式。府邸宽广的前院如今是市民休闲的公园，气派的前门被茂盛的植物完全封闭而不得而入。只能远眺埃伦菲斯特与狄拉克告别的台阶。

嘉士伯府邸的后院与当年的啤酒厂相连，现在是啤酒博物馆和研究相关技术的“嘉士伯科学院”。这个庞大的“嘉士伯之家”由雅各布森创立的嘉士伯基金会统一管理。基金会举足轻重，丹麦科学院、哥本哈根大学和散布哥本哈根城内的博物馆及文化艺术机构都仰仗其支持。玻尔研究所也不例外。玻尔当年去英国留学也有赖于基金会的资助。

念及嘉士伯基金会的功德，在这里破了好几年的“酒戒”。

年轻的酒保听我说是为玻尔而来后十分热情，主动打开一扇边门。那里面是一个不对公众开放的角落，可以近距离观看嘉士伯府邸的背面。

与雄伟的前门相反，府邸的背影只是一间极其普通的住宅。小伙子解释曰，当年嘉士伯府邸的前门在自家花园内深藏不露。公司劳工只能从这个视角看到老板的住处，体会其节俭和平易——雅各布森的如意算盘。

玻尔安葬在距离玻尔研究所只有地铁一站路的公墓里。墓碑在公墓的一条主干道旁，很容易看到。那其实是他父母的墓地。墓碑上方刻着父亲的名字。玻尔和他弟弟的名字则刻写在底座上。墓碑顶端是一只在窝里探头的猫头鹰，应该也是他父亲的喜好。地面上另有几个石碑，分别属于玻尔的母亲、妻子、姐姐、弟媳、和他因事故早逝的大儿子。另外五个儿子——包括也是诺贝尔物理奖获得着的奥格——没有葬在这个祖坟里。

相距玻尔墓不远是安徒生的墓。整个墓地各处都有指向这个大名人长眠之处的路牌，方便众人前往膜拜。与玻尔墓的陈旧、简单形成鲜明对比，安徒生的墓碑和墓地崭新干净，丝毫不带岁月之痕。

物理学家奥斯特的墓也在这个公墓里，因时间仓促未能仔细寻觅。

玻尔研究所成立时，哥本哈根港口以安徒生故事为原型的“小美人鱼”铜像刚刚设立两年。由德国、荷兰、英国等地纷至沓来的物理学家大都采取海路，在这个新地标前感受到欣慰和憧憬。港口也是玻尔与外面世界联系的接口，曾在这里无数次地登船下船和迎来送往。1939年初，玻尔在这里登船时得知原子核裂变的实验结果，将改变世界的重大消息带至美国。16

不愿意经受北海风浪的人可以选择陆路的火车。爱因斯坦只在1920年来过一次哥本哈根，那时还没有玻尔研究所。一个脍炙人口的传说是玻尔在火车站迎接爱因斯坦。两人随即在有轨电车上展开激烈争论而无暇顾及到站，只得在火车站和玻尔居所之间多次往返。

因为玻尔和他的研究所，世界来到偏远的哥本哈根。

哥本哈根历史悠久，过去拥有过天文学家第谷和罗默，在城中留下一个圆塔天文台17。在今天的闹市区闲逛时能在街头看到斯特诺出生地的标志。他是十七世纪的医生，却身为晶体学和地质学的先驱。18

物理学家奥斯特的出生地也在城里，但远离喧嚣的市井。

哥本哈根还有安徒生大道和奥斯特公园。玻尔没能得到这样的待遇，正像他的墓地里没有安徒生那样的指路牌。实际上，除了玻尔研究所和相应的档案馆等学术机构，哥本哈根没有以玻尔命名的纪念地。只看到古老的哥本哈根大学门前有一排历史名人胸像，玻尔在角落里叨陪末座。

然而在二十世纪中期之后，这里是玻尔的哥本哈根，量子物理学之圣地。

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圆塔现在是哥本哈根的热门打卡景点之一。游人从一个颇具皇家气派的门口进入。

与其它的各种塔不同，这里上下塔的步道不是狭窄的台阶。一圈又一圈的宽敞斜坡足以通行马车，方便王家贵族登塔附庸风雅。

斜坡环绕着一个空心的内柱，自上而下一览无余。

圆塔高处的塔壁里还建有厕所，下水道直通地面。在塔顶观测的天文学家可以就近方便。

不过在到达塔顶之前，空间不再那么宽敞舒适。人们需要通过一小段非常狭窄的阶梯，只能单向单人手扶中间的柱子转圈通过。

登至塔顶，哥本哈根全景展现眼前。

这个俯瞰城市的平台是圆塔游人如织的主要原因。但也是从这个平台上，人们才能看到圆塔上还有一个六、七米高的小塔，上面有天文台常见的穹顶。

那是一个今天还在使用的天文台，平时不开放参观。业余和专业的天文学家在冬季时会打开穹顶观测，维护圆塔作为使用至今最古老天文台的名号。

在第谷之后的时代，哥本哈根圆塔天文台没有取得显著的观测成果。它今天的意义只在于一个富有历史内涵的旅游景点。圆塔内部展示一个天文钟，像时钟一样机械地跟踪、预示行星运动。

在这面钟里，地球与五大行星一起绕太阳公转，是今天人们熟知的哥白尼太阳系。但在圆塔的早年时代，这个天文钟展示的却是第谷独创、太阳带着行星绕地球转的太阳系模型。2在圆塔的礼品店里，游客也可以浏览、购买天文学史上的不同太阳系图片。

克里斯蒂安四世决定修建圆塔天文台时，被他驱逐出文岛的第谷早已在流浪中去世，死因至今未明。但在圆塔天文台，唯一可见的天文学家纪念还是塔下竖立的第谷塑像。

在第谷之后，丹麦还涌现过杰出的天文学家，比如出生埋葬地点都距离圆塔不远、第一个利用天文观测计算出光传播速度的罗默。3但还没有人能够与第谷并肩。

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那是一方“圣地”，即“黑尔戈兰”（Helgoland）的古北欧语含义（Holyland）。

不过对海森堡而言，黑尔戈兰之“圣”与神无关，只在于岛上没有花粉。他在那个春夏之交的哥廷根饱受花粉过敏之苦，整个脸部浮肿变形。岛上清新洁净的海风是最合适的灵丹妙药。在岛上逗留的十来天里，他独自四处游逛，朗读背诵歌德的诗篇，当然也思考已经困扰他好几年的量子疑问。随着症状的消退，他的思路日益明朗，终于在一个夜晚意识到必须抛弃电子有位置和速度的传统运动理念，为物理学构造一套崭新的描述和运算体系。凌晨三点钟时，兴奋得无法入睡的海森堡爬上岸边一块凌空大石头等待日出。他想不清楚自己发现了什么，只知道“事情已经发生了”1。2

这个活生生的场景出自海森堡后来的回忆，并不十分可靠。但他所谓的“事情”确实在整整一世纪前的黑尔戈兰岛上发生，或严格来说开始发生。海森堡革命性的灵感切中要害，短短几个月内由玻恩和约旦在哥廷根催产、助生而成量子力学。3那是人类认识自然的一次不寻常的巨大飞跃。

一百年后的黑尔戈兰岛上很难找到一块如他叙述伸出海面的大石头，但有一块纪念彼时彼人的石碑。碑文略嫌冗长，大意是“1925年6月，23岁的海森堡在黑尔戈兰岛取得量子力学的突破。量子力学是原子自然规律的基本理论，对人类思想影响超越物理学范畴。”

黑尔戈兰岛相当小，面积计有4.21平方千米。整个岛几乎都坐落在高于海平面五、六十米的“高地”上，四周全是陡峭的悬崖。只有极小一部分位于海平面的“低地”，正好用做港口和生活区域。从港口拾级而上，可达高地上的环岛步道。海森堡的纪念石碑竖立在步道起始点的一个小山顶，相当引人注目。他那时应该居住在港口附近，石碑地点也许接近他半夜出门的攀登之处。

环岛步道沿途设着一些介绍当地历史和自然景观的标志牌。海森堡纪念石碑旁也有一个，主要内容是他自己的语句。

登上黑尔戈兰岛，目光所及却是绿油油的植被和八月初依然茂盛的野花。即便在海森堡纪念石碑四周也是如此。居民的后院里更是万紫千红争奇斗艳，不像是逃避花粉的圣地。

然而仔细观察也会发现岛上没有像样的树，只生长些不足一人高的灌木。旅游指南说黑尔戈兰岛今天依然是花粉过敏者的庇护所。博物馆里的员工解释说岛上会有花粉，但数量微乎其微，存在的时间也非常短。

海森堡当年登上也不是今天的黑尔戈兰。这个小岛在历史上曾几度易手，先后属于丹麦、英国和德国。大炮出现后，黑尔戈兰岛扼守北海航道的战略重要性凸显。德国军队在岛上构筑要塞工事和复杂的地道，当地居民每逢战争都被迫迁离。海森堡的黑尔戈兰岛还是第一次世界大战后的满目苍夷，可能真的接近于寸草不生的光秃秃。那时只有个别废弃的军营权作客房，没有今日姹紫嫣红的花园。

在海森堡登岛之后的第二次世界大战期间和之后，黑尔戈兰再遭浩劫。英国军队占领这个北海要塞后将之用作飞机投弹的练习靶地，在高地上留下无数的圆形弹坑。

1947年，港口附近的潜水艇基地被英国军人爆破炸毁，形成一个巨大的弹坑，在高地和低地之间人造出一小片“中地”。

一个世纪后，黑尔戈兰岛已经蜕变为现代设施齐全的度假胜地，拥有一千三百多常住人口。岛上有发电厂、淡水厂、学校、体育馆等等，还设有多个健康和鸟类研究机构。海森堡的量子力学灵光一现只是该岛历史中不那么引人注意的一霎。假如没有他的过敏和躲避选择，这篇游记应该归类于“漫步自然”或“漫步人文”而非“漫步科学”。

黑尔戈兰的环岛步道不足四千米长，可在一两小时内走完。步道沿着岛的周遭蜿蜒，一边是临海的峭壁，一边是弹坑遍布的草地。在距离港口最远的西北角有一根约47米高、与海岛峭壁完全分离的大石柱，构成该岛的地标“长安娜”（Lange Anna）。

长安娜之上和附近的峭壁都是海鸟筑巢交配繁殖的乐园。游人可以几乎零距离观赏不同种类的海鸟——只要不介意经常会从天而降的鸟粪攻击。

从环岛步道上容易看到黑尔戈兰并不孤单，近旁还另有一个岛。那是当地人口中的“沙丘”（Dune），面积只有0.7平方千米。两个岛本为一体，只在三百多年前的一场风暴中失去相连的陆地。两岛之间有渡船往返，送游客赴沙丘享受真正的世外之地。小岛没有人居住，名副其实地由沙堆积而成。连绵的白沙滩上很少见到人影。比较特别的是岛上还有大片的鹅卵石海滩。潮水拍岸时，石块不间断地发出清脆悦耳的连环叮玲声响。

这里的鹅卵石大小、形状和颜色各异，表面带有各式各样的图案。有些石块酷似鲸鱼或螃蟹，由当地青少年收集作为纪念品摆摊出售。外来的孩子也会在这里发现一个寻宝天堂。

与黑尔戈兰的海鸟对应，沙丘小岛岸上和海水里经常有海豹、海狸等出没。它们大都与世无争躺平摆烂，偶尔也会即兴为游人表演一番。

现代快艇从汉堡去黑尔戈兰岛单程需要三个多小时，其中约两个小时是在易北河里驶向出海口。真正在海上的航行时间不足一小时。然而北海以气候恶劣著名，航班经常因风浪过大取消。这次朝圣之旅也曾被迫推迟一天等待好天气。

两个月前，在量子力学一百周年的2025年6月，几百位来自世界各地的特邀量子力学专家曾在汉堡召开讨论会，其中有几天的会期设在黑尔戈兰岛。专家们重踏海森堡足迹，就量子力学基础问题和未来各抒己见。他们还是如百年前般众说纷纭莫衷一是。黑尔戈兰岛这方圣地是否已经赋予他们之中某位新的灵感，人们尚且拭目以待。

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1921年7月，泡利在慕尼黑的索末菲指导下得到博士学位后来到哥廷根投师玻恩。两年后，海森堡也循着师兄脚印来到哥廷根。他们的身份现在被称作“博士后”。也像今天的博士后一样，两人又相继转往哥本哈根的第二站。之后，在慕尼黑、哥廷根和哥本哈根之间游学在整整一代物理青年中蔚然成风。他们来自世界各地，操着不同的语言和口音，辗转三处学习、发展量子理论。

哥廷根不是慕尼黑那样的繁华城市。这是一个山林中大学城，有与世隔绝之感。当年的小城是一个袖珍的圆形。哥廷根大学的校园与市镇混杂在一起，今天已然蜕变为历史性的旧城。原来的环形城墙改建为绿荫遮掩的自行车和步道，与护城河并行。沿途有很多描绘百多年前所在场景的绘画。

城里的房屋古朴雅致色彩鲜艳。墙上有很多纪录某人某些年间在这里居住的铭牌，偶尔能撞见十三世纪的日期。市中心是一个露天集市广场，有一个娇小的“牧鹅姑娘”铜像。她来自当地童话，也是哥廷根的象征。大学生毕业时会爬上去向姑娘献吻，庆祝自己的成功。

早在1920年，哥廷根开启一个传统。当地乐队每年夏初在广场公演亨德尔的歌剧，名曰“国际亨德尔节”。1922年，玻恩邀请哥本哈根的玻尔在那个黄金季节前来讲学，也谓之“玻尔节”。还是二年级大学生的海森堡跟着索末菲特地从慕尼黑赶来听课，在尖锐发问后意外获得与玻尔在哥廷根黄昏中散步、交谈三小时的机遇。1那是海森堡物理生涯的开端，从此与哥廷根结下不解之缘。

索末菲去美国讲学时，海森堡又来到哥廷根“借读”一年，也可以算作玻恩和哥廷根大学的学生。在慕尼黑博士答辩阴沟翻船后，海森堡连夜坐火车到哥廷根找玻恩诉苦。而在1925年夏季，海森堡是在哥廷根做博士后时告假赴北海小岛逃避花粉过敏时得窥量子力学的奥秘。2

其实，海森堡在那个岛上的灵感只是没人能明白的一团乱麻。他自己也拿不准，只得回哥廷根交由导师定夺。玻恩看出海森堡新设计的运算是数学家早已发明的矩阵，与学生约旦一起将海森堡的思想整合成数学严谨的理论。量子力学才以“矩阵力学”的方式横空出世。那一系列“一人论文”、“两人论文”和“三人论文”的落款都是哥廷根。3

哥廷根因此是量子力学的出生地。

海森堡、玻恩和约旦的矩阵力学不到一年即被薛定谔更为简单优越的“波动力学”取代。又是玻恩赋予薛定谔的“波函数”统计诠释，为新生的量子力学一锤定音。那是画龙点睛的神来之笔，推送量子力学走向实际的应用。4哥廷根随之成为与慕尼黑和哥本哈根并列的物理学家乐园。当24岁的伽莫夫在1928年夏天从苏联来到这个大学城时，他惊喜地看到酒吧里挤满着朝气蓬勃、正忙于量子力学计算的年轻人。伽莫夫在这里发现量子世界独有的“隧道效应”，解释原子核的衰变。5从美国来的鲍林则在这里得到玻恩赠送的海森堡“不确定性”论文，走上量子化学之路。6

今天的哥廷根大学已经大部搬出老城区。物理、化学等理科专业在北边有自己的宽阔校园。信步走近时，迎面正有十多人簇拥着一辆悬挂彩色气球和“某某博士”牌子的小车喜气洋洋走来。看情形，又一位新晋博士正志得意满地前往市中心向牧鹅姑娘献吻。

物理系拥有一个现代化的大楼，与慕尼黑大学物理系的现状7不可同日而语。

楼里面有一个历史博物馆，保存着哥廷根大学几个世纪观察天文、测量地球和物理实验的设备记录。可惜博物馆很少开门，没能赶上。好在与量子力学有关部分放置在门外的走廊上，可随意观赏。

其中一个柜子里展示玻恩的量子力学统计诠释和海森堡创立量子力学的论文、玻恩与哥廷根同事（包括同为诺贝尔奖获得者的实验物理学家弗兰克）的生活照，以及一份与哥廷根有关的诺贝尔奖获得者名单。

在楼里也看到一个“玻恩中心”铭牌，上面记叙玻恩1921至1933年担任哥廷根理论物理教授期间，与海森堡和约旦共同奠定量子理论基础，并在1954年因量子力学的统计诠释赢得诺贝尔奖。

约旦的名字只见于这块小牌子。玻恩所在的哥廷根并非世外桃源，大学里的纳粹势力十分猖獗。作为纳粹狂热支持者，约旦在第二次世界大战后甚少被提及。玻恩后来被迫逃离德国，在战争期间颠沛流离。但他总算等到自己的诺贝尔奖。8

海森堡与哥廷根的渊源也被大战打断，却没有因此终结。战争尘埃落定后，他和劳厄不约而同地选择定居哥廷根，在回归安宁的大学城重建被毁灭的德国物理学。

哥廷根大学物理楼里展出的是与之有关的诺贝尔物理学奖获得者名单，这在各地很常见。但哥廷根还另有一个非同寻常的名单：在这里长眠的诺贝尔奖获得者。共有多达八名获奖者安葬于距离旧城不远的一处公墓里，包括玻恩、劳厄、普朗克三位物理奖获得者和能斯特、哈恩等五位化学奖获得者。公墓特地为他们建立一个醒目的诺贝尔奖纪念圈，集中展示他们的相片和事迹。

普朗克、劳厄、能斯特、哈恩和另一位获奖者的墓地都在这个圈的左近，形成一个行列。如此整齐的布局应该是后人有意迁移而成。

普朗克的墓有自己的树围。墓碑下端刻有他的“普朗克常数”，因年代已久难以辨认。坟墓地面上另有三块碑石，显示这里埋葬着普朗克夫妇和他们被希特勒杀害的二儿子。9

哈恩的墓碑与普朗克的风格一致，底端刻有他发现的原子核裂变。

劳厄和能斯特的墓碑有相似的风格，只列出同葬的家人姓名。有意思的是在劳厄墓外侧还有一块小石碑，纪念海森堡曾在1946-1958年间在哥廷根担任物理研究所主任。海森堡的墓不在这里，在他的家乡慕尼黑。10

玻恩的墓不在这个光荣行列之中，却也最容易看到。他的墓碑竖立在公墓入口左侧，十分显眼。墓碑正中刻有矩阵力学中位置和动量的乘法不对易性——量子力学之诡异最早的数学体现。

八名诺贝尔奖获得者去世后“共居一室”，恐怕在全世界绝无仅有。

哥廷根大学的辉煌历史远早于量子力学时代。在环绕旧城步道上徜徉时会邂逅一尊高斯与他的物理学家同伴韦伯（Wilhelm Weber）11亲切交谈的大型雕塑。端坐着的高斯手里被好事者塞上一个插着鲜花的酒瓶。

高斯通常被认作数学家。但在哥廷根，他钻研磁学，与韦伯一起发明第一个磁性电报机。以他命名的“高斯定律”在电磁学中也尽人皆知。哥廷根大学物理系的博物馆里陈列着他的电报机和进行大地测绘的仪器。高斯也永久地留在了哥廷根。他的墓地在旧城外围的树林之中，周围零散着一些早期的墓碑。所在之处已经成为市民的休闲场所。

韦伯死后葬于诺贝尔奖获得者聚集的那个公墓里，恰好与玻恩相邻。

高斯的学生黎曼在哥廷根发明他的几何学，为爱因斯坦的广义相对论预先准备数学工具。爱因斯坦大学时的老师闵可夫斯基在这里为狭义相对论归纳出简洁的四维时空数学表述。哥廷根的希尔伯特更曾与爱因斯坦展开一场寻求广义相对论场方程的激烈竞争，虽捷足先登却没有争抢优先权。12希尔伯特的学生施瓦西（Karl Schwarzschild）找出广义相对论第一个严格解，出乎爱因斯坦的意料。13希尔伯特的另一个学生冯·诺伊曼则为量子力学奠定（当时认为）完备的数学架构。14当然，希尔伯特自己发展的微分方程本征值、本征函数和以他命名的希尔伯特空间等等都是量子力学计算中不可或缺的数学工具。

哥廷根因而有着为物理学思想提供严谨数学基础的悠久传统。那也正是玻恩和约旦在海森堡灵机一动之后的巨大贡献。作为量子力学真正出生地，哥廷根当之无愧。

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