气候变迁背后的故事（廿三）
热和气
1779年春，初到巴黎不久的富兰克林又一次来到法国科学院。青年医生和作家马拉（Jean-Paul Marat）仿效一百多年前的牛顿在遮蔽严密的黑屋里放进一束太阳光。富兰克林应邀除去皮帽，在众目睽睽下将秃顶伸进一个透镜后方。马拉解释火实为肉眼能直接观察到的元素，正显现在“波士顿智者”油亮头皮上的光束里。
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。37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）
What good is a newborn baby?
Experiments Upon Vegetables, Discovering Their Great Power of Purifying the Common Air in Sunshine, and of Injuring It in the Shade and at Night.