气候变迁背后的故事（卅二）
原子和分子
戴维没有加入诗人朋友们冷嘲热讽马尔萨斯的行列。他在王家研究院的讲座里添加“农业化学”（agricultural chemistry）系列，向公众传授耕田种地的原理。万物生长靠太阳。英格豪斯和塞纳比耶通过实验认识植物是在太阳光照耀下吸收大气里的碳酸气（木气），将其分解——还原——为碳和氧。碳构成植物枝叶的主体；氧回归大气层，正好供动物和人类呼吸。普里斯特利和拉瓦锡又已揭示呼吸犹如木炭燃烧：食物中摄取的碳与吸进的氧在人和动物体内结合——氧化——而提供生命必需的热量。呼吸的副产品为碳酸气，呼出后供给植物的光合作用。碳和氧如是在动植物间循环交换互惠互利，共同谱写生命篇章。
伴随这些气动化学的成果，十九世纪初的人们正在被科学“唤醒”，告别懵懵懂懂靠天吃饭的旧时代。戴维神采飞扬地预言掌握大自然奥秘的人类将有能力革命性地改造自然，获取旷古绝今的农作物收成。言下之意，马尔萨斯所谓粮食和资源只能线性增长的“原理”绝非不可违拗的铁律。
戴维的讲座一如既往地大受欢迎，从王家学会主席班克斯、诗人科勒律治到小商人霍华德都是忠实听众。王家研究院的第一任教授加内特相形见绌，很快不堪压力辞职让位。两年后，另一位教授杨亦挂冠而去。杨与戴维同属年轻一代，也遵循伦福德伯爵创办研究院的初衷积极开办讲座，但人气难以企及戴维。他更得心应手的是在王家学会向同行讲述自己的研究所得。
1801年11月，来到研究院刚四个月的杨第一次以新身份在王家学会做题为《论光与颜色理论》1的报告。那是他自十七岁起解剖牛眼睛、探讨视觉医学的延续。这一次，28岁的杨又有新斩获。他与昔时的牛顿同样地将房间遮黑，只让一束阳光透入。光束里不见牛顿的棱镜或富兰克林的秃头，只有杨手持的一张窄窄硬纸片。杨请学究们仔细观摩纸片后面的阴影。那里不是一片暗黑，正中倒有一道亮光。边上还有一道道明暗相间的彩色条纹。
纸片没能完全挡住阳光。假如光是牛顿坚持的微粒，它们不可能绕到纸片背后的中部。条纹的出现也不怪诞。那是波动特有的“干涉”（interference）行为，与水波在挡路的石头后面形成的一道道涟漪如出一辙。因此，光确实是与牛顿同时期惠更斯和虎克等人主张的波动，并非微粒。2其实，虎克当年也在玻璃薄片里看到过光的干涉条纹。该现象却在牛顿用微粒解释后被认作“牛顿环”。光的微粒说随后因牛顿如日中天的声誉称霸学界，直至牛顿《光学》出版的一百年后才被杨颠覆。
太阳的白光在牛顿的棱镜后分离出彩虹般的颜色。每种颜色的光的干涉条纹宽度和间隔略有不同。已有的波动理论表明它们取决于波的“波长”（wavelength），即两个波峰之间的距离。光的颜色因而来自波长而非微粒质量的不同。杨由干涉条纹定量计算出彩虹一端的红光波长最长，约0.007毫米。另一端紫光的波长最短，约0.004毫米。这是借助显微镜也无从得见的极微荡漾，难怪从未被察觉。
光的颜色也远远不止牛顿从红到紫粗略划分的七种，波长是连续分布的“光谱”（spectrum），内含无穷多种颜色。杨认为人眼睛识别颜色的功能不在于道尔顿所言眼睛里液体的颜色，而是视觉神经的功能。神经与特定波长的光波发生“共振”（resonance）——又一个物理学家熟知的波动现象——即可辨别该光波颜色。眼睛里当然不会有无穷多种的神经与光谱内各个波长匹配共振。杨假定辨认颜色的视觉神经只有三种，分别辨识三种原色。其它颜色的光以不同比例与两种或三种神经同时共振，由大脑如画家调色般合成该颜色。他最初选择红、黄、蓝为三原色，似乎不知道法国医生、大革命煽动者和牺牲品马拉有过被拉瓦锡轻易否定的相同看法。杨后来又将三原色改为红、绿、紫，与古希腊先哲恩培多克勒的猜想一致。道尔顿和他哥哥的色盲也有了简明的解释：他们先天缺失与红光共振的视觉神经。
没有人能看到天文学家赫歇尔两年前在棱镜后光谱的红色外侧发现的“热质射线”，说明人类也都“缺失”与该红外线共振的视觉神经。那是携带太阳热量最多的“光”，因肉眼不可见无法通过干涉条纹测量其波长。杨逻辑地推断红外线波长会比红光的更长。
在王家研究院埋头实验时，杨的诊所门庭冷落。他只得于1803年请辞，试图挽救行医正业以解后顾之忧。
那年年底，道尔顿应戴维之邀从曼切斯特来到伦敦，走上王家研究院的讲坛。为弥补人手短缺，戴维约请各地学者进京献技，丰富研究院讲座的内容和风格。道尔顿发表在曼切斯特文哲学会期刊的多篇论文已陆续在京城的《尼科尔森杂志》和《哲学杂志》转载，声名鹊起。比他小十二岁的戴维也没掉以轻心。他要求道尔顿第一次开讲前登台排练，自己坐在后排的角落里倾听。然后两人又互换位置，让道尔顿亲历听众感觉。戴维对讲座效果之重视可见一斑。
道尔顿在伦敦逗留一个月，连续讲了二十场。讲座内容涵盖他毕生的气象学研究，阐述大气层里电、磁、光、热等物理现象。但他没有提及临行前发表《论水和其它液体对气体的吸收》论文里那份氢、氧、氮等元素重量列表。因与戴维私下讨论时不得要领，道尔顿谨慎地将之按下不表。他不虚此行，在伦敦与相互倾慕已久的霍华德和艾伦等志趣相投的贵格教友一见如故，也在阿斯克西安学会和王家学会的学术氛围里流连忘返。
伦敦人对道尔顿讲座的反应众说纷纭，不过戴维后来还多次邀请道尔顿返场。道尔顿直到六年后的1809年底才再度现身王家研究院讲台。一年前，他的新著《化学哲学新体系》3在伦敦出版，标题极为引人注目。
气动化学家早已辨别出木炭燃烧时产生的不只是木气，另外还有一种以拉瓦锡的命名法直接称作“氧化碳”（carbonic oxide）的气体。碳的这两种氧化物都无色无臭，化学性质却有差别。氧化碳对人有剧毒。戴维来伦敦前也曾吸食，差点以身殉职。氧化碳还可继续燃烧，再氧化成碳酸气。道尔顿在细致的实验中发觉同样重量的碳燃烧产生氧化碳时消耗的氧只有产生碳酸气时的一半。或者说，碳的两种氧化物里的氧含量正好相差一倍。
戴维在为笑气疯癫时也了解那只是氮的氧化物之一。氮还另有一种氧化物，其中氧含量也恰巧是笑气的两倍。他没有去追究个中联系。道尔顿孜孜不倦地在更多的气体反应中测得类似的整数关联，归纳出化学反应的“倍比定律”（Law of multiple proportions）：两种元素组成不同化合物时，与一定质量某元素化合的另一元素质量为简单的整数比。
这显然不会是碰巧。道尔顿也已胸有成竹。他六年前列出元素重量表时已领悟到元素不是抽象概念，而是有各自重量、大小和形状的真实粒子。古希腊先哲留基伯和德谟克利特曾提出土、气、水、火四“元素”和宇宙万物均由微小并不可分割的“原子”组成。道尔顿承继这一术语，指出由波义耳和拉瓦锡定义的当代元素也都有相应的原子。同种元素的原子一模一样；不同元素的原子重量、大小和形状各有不同。原子遵从牛顿定律运动，正是波义耳、虎克和牛顿等人相信的微粒，或笛卡尔的涡旋。在光的微粒说被杨否决同时，牛顿力学里的微粒在道尔顿的现代“原子论”（atomic theory）里实实在在。
与古希腊哲人一脉相承，道尔顿认定作为物质基本成分的原子自身不可改变或被分割为更小的成分。不同元素的原子能够聚成“复合原子”（compound atom），也就是化合物的最小组成。因为原子不可分割，它们在复合原子内的重量必定满足倍比定律。原子组成复合原子时遵从“最简原则”（rule of greatest simplicity）：如果两种元素只有一种化合物，其复合原子是它们各一个原子组成的“双原子”。如果它们有两种化合物，就会在双原子外还有二者比例为一比二的“三原子”。依此类推可得出更多的复合原子情形。
炭燃烧时产生氧化碳和碳酸气两种化合物，分别为一个碳原子和一个氧原子的双原子和一个碳原子和两个氧原子的三原子。后者中氧的成分正是前者中的两倍。水是氢气燃烧的唯一氧化物，便为由一个氢原子和一个氧原子复合的双原子。
二十年前，化学随拉瓦锡的《化学基础论》摆脱炼金术之天花乱坠，成为研究物质性质和变化的定量科学。其核心为拉瓦锡的物质守恒原理：物质在化学反应里千变万化，总质量保持恒定不变。二十年后，气象学家道尔顿为之提供更深入的微观诠释：质量的守恒来自原子在化学反应中的恒定不变。它们既不会凭空消失也不能无中生有，自身也不会被分割。化学反应就是复合原子和原子的拆散和重新组合。
拉瓦锡识别的33个元素以光和热质为首。道尔顿的列表却没有包括这两个没有质量的“元素”。它们在他的“新体系”里无关紧要。道尔顿相信拉瓦锡的热质说，但觉得热质只是包围在原子四周的“背景”。同种元素的原子形状相同，因周遭的热质互相排斥而无法靠近。复合原子只能由不同元素的原子组成。它们的形状略有不同，热质没能阻挡它们彼此接近。虽然因色盲对光和视觉感兴趣，道尔顿没有特别为光是微粒（原子）还是波动操心。
《化学哲学新体系》在1808年的问世标志着现代原子论的诞生。道尔顿的原子和复合原子不再是古希腊和一个世纪前先辈的空想。他的倍比定律和最简原则都可由科学方法验证。
霍华德在《论云的分类》发表后才得知自己不是第一个为云分类的人。百年前的虎克和其后一些学者制定过云的类别，但只局限于颜色、外形等直观表象。让霍华德惊愕的是法国人拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）的创意，竟与自己的分类高度重合。
拉马克行武出身，因伤退伍后在巴黎的皇家花园跟随垂垂老矣的布丰研究植物，也摇身一变为气象学家。他自1799年开始出版年历，为农民提供播种、收获等时节参照。那是在中国名曰“老黄历”的天文历书，十五世纪时已在欧洲出现。年历每年更新，是出版商不可多得的可靠利润来源。远赴欧洲之前，在美洲殖民地经营印刷厂的青年富兰克林也是靠从1732年底起连续25年出版《穷理查年历》4维持生计。
“穷查理”是喜欢化名写作的富兰克林又一笔名。第一版《穷查理年历》封面标注1733年为格利高里历的闰年（1732）后第一年，并罗列该年在其它历法里的年代。它广而告之书里的内容：每天的月相、日食月食、天气、潮汐、行星位置、日出日落月升月降时辰等等，也没忘记细心地点明所载为地球纬度四十度、经度与伦敦相差五小时处——费城之地理位置——的信息。
在富兰克林的十八世纪初，年历标榜的资讯大多已能推算得知，除了其中的天气。面对年历里印着的天气往往与实际状况大相径庭的指责，富兰克林总一笑置之地以幽默化解。《穷查理年历》的大受欢迎也另有原因：富兰克林在书里夹杂大量他收集、杜撰的生动有趣小故事和人生哲理警句，与道尔顿借以学习科学知识的英国年历《女士日记》异曲同工。
拉马克却不是为了商业盈利。他认真地按照每天太阳和月亮在天空的位置和光照量推算那天应有的天气，试图将与算命不相上下的“天气预报”（weather forecasting）纳入科学范畴。可惜他的预测没能高人一筹，其方法也屡遭拉普拉斯等学人讥讽。1809年时，拉马克得到一次觐见拿破仑的机会，恭恭敬敬地献上一部新著。皇帝不屑一顾，滔滔不绝地告诫他不要徒劳地在无从把握的气象上浪费时间，不如钻研布丰的生命演化更有意义。
目瞪口呆的拉马克没有机会解释他手里的书论述的正是生命的演化。布丰的物种不恒定、离开原生地后因不利气候环境退化的思想远近皆知。拉马克更进一步地认为物种不仅可能退化，也能在适应自然环境时变得更为强壮。那是他科学探索中的又一新成就，即俗称为“用进废退”5的生命“获得性遗传”（inheritance of acquired characteristics）。6阴错阳差，嗜好科学的拿破仑竟失之交臂。
拿破仑的当头棒喝非同小可，拉马克兢兢业业十年之久的年历立即寿终正寝。同时被遗弃的是他的气象研究。拉马克深知云对气象的重要性，也在精心观察后提出一套归类方式。他取名的“扫帚”和“斑驳”之云分别与霍华德的卷云和积云不谋而合，其它一些称谓也与霍华德大同小异。只是拉马克的分类终究不如霍华德的简洁清晰。拉马克拒绝学界命名时通用的拉丁语，骄傲地坚持使用本国法语，也惨遭适得其反：他的方案沦为与刚被拿破仑废除的革命历法相提并论，贻笑大方。
霍华德在阿斯克西安学会宣读论文的时机比拉马克晚足足一年多，还是借后者的时运不济后发先至。不过拉马克的贡献也没有完全被埋没。他觉得云所在的高度对气象影响显著，特以高、中、低区分。现代气象学因之有了诸如“高积云”（altocumulus）和“高层云”（altostratus）之称。7霍华德的“积层云”后来也被更名为“层积云”（stratocumulus）。
因为云的分类，霍华德声名大噪。他收到的大量读者来信中有一封来自道尔顿在肯德尔的老友高夫。失明四十年的高夫依稀记得幼时眼里的云，难得地借助霍华德《论云的分类》再次“看”到云的风采，重温旧梦。1807年时，霍华德和艾伦一起来到湖区，专程拜访高夫之余也攀登高尔顿常来常往的赫尔韦林山。他们经历阳光普照到大雨倾盆的剧烈天气演变。霍华德一丝不苟地记下其间温度计和气压计读数变动，用卷云、积云、层云、雨云等新名称准确地捕捉山中的风起云涌。
在德国，71岁高龄的文豪歌德正以这几个新词为题，以诗的语言“翻译”霍华德对那四类云的如实描述创作《献给霍华德》8组诗。歌德早年游览阿尔卑斯山时为云陶醉，读到霍华德论文才真切体会个中奥妙，豁然开朗。组诗之外，他还欣然命笔为“云的命名者”谱写一首热情的颂歌。
27岁的雪莱也是在那个1820年写就《云》9，以第一人称口吻和欢快活泼的笔调刻画霍华德的四类云。一年前，雪莱在著名《西风颂》10里以“发绺”（locks）勾勒在风暴逼近时的高空卷云，不露痕迹地化用霍华德的“卷发”之名。
与马尔萨斯的人口原理形成鲜明对比，霍华德的云分类赢得两代诗人的共鸣。出自拉丁语的层云、积云、卷云和雨云也随诗歌传颂流行，渐成日常用语。浪漫主义时代科学和艺术的交融方兴未艾。科勒律治甚至由戴维安排在王家研究院开办讲座，吟颂他在科学思想启发下抒写的赞颂人类与大自然“一体生命”（One Life）的诗作。
已是中年的霍华德则在1818年出版《伦敦的气候》11，将几十年如一日业余观测气象的数据公之于众。这是工业革命时期大都市气候的第一份详实档案，与他偶像道尔顿当年《气象观察和随笔》里的湖区乡村天气相映成趣。不过没有人留意到《伦敦的气候》记录的气温明显比周边地区略高。
霍华德也在这部著作里将道尔顿的“蒸汽点”改称为更为贴切的“露点”（dew point）：露水从大气中析出的温度，也是云开始出现的条件。新名称延用至今。
在《化学哲学新体系》的结尾，道尔顿善意地提醒气体实验不尽精确，存在误导可能性。他当然不是对自己的倍比定律缺乏信心，而是另有所指。该书出版前，巴黎的新秀盖-吕萨克将化学反应中气体体积的“倍比”关系推广到包括反应后的产物。比如两升氢气燃烧时与一升氧气结合，产生的会是恰恰两升的水蒸气——反应前后气体的体积都是“倍比”整数。
盖-吕萨克是在比他大十岁的洪堡协助下做出的新成果。两人那时已亲密无间，携手在意大利、瑞士和德国漫游考察，随时随地测量气象、地磁和做实验。他们用量气管悉心测量氢气和氧气合成水的过程，收获也被直接称作“盖-吕萨克定律”的“化合体积定律”（law of combining volumes）。那是盖-吕萨克重新发现气体体积与温度成正比的“查理定律”六年多后，他总算有了真正属于自己名下的定律。
道尔顿也曾与盖-吕萨克同时重新发现查理定律，却不认同盖-吕萨克的新结论。两升氢气和一升氧气产生两升水蒸气意味着里面的氧原子必须被分成两半与氢原子化合，与原子不可分割准则水火不相容。二比一的比例也明显违反他的“最简原则”：水应该是氢和氧一比一的双原子，亦即最简单的搭配。道尔顿因而断定盖-吕萨克的实验不够精确。
在卡文迪许和拉瓦锡揭示水不是元素、实由氢和氧组成的二十多年后，其定量的组成比例成为道尔顿原子论面临的第一个严峻挑战。他与盖-吕萨克相隔英吉利海峡各执一词。其他学者也莫衷一是。
为“防止”氧原子被分割，34岁的意大利律师阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro）在三年后的1811年提议氧气不是道尔顿认为的单原子气体，而由两个氧原子组成的复合原子为基本单元。他还用笛卡尔生造的“分子”（molecule）一词代替道尔顿的“复合原子”以避免混淆。氢气同样是两个氢原子组成的分子。氢和氧化合为水时被“分成两半”与氢分子结合的不是氧原子，而是氧分子。它们构造出水分子有两个氢原子和一个氧原子，保持原子的整体性。阿伏伽德罗认为分子才是气体的最小单元。同样的温度、压强下同样体积内气体的分子数目相同。这样，氢和氧化合为水的过程符合盖-吕萨克的实验比例。
道尔顿没能接受这个折中的主意。他坚持水为氢和氧一比一的最简原则，也认定同种元素的原子在周围热质排斥下不可能结合。瑞典化学家贝采利乌斯（Jons Jacob Berzelius）笃信道尔顿的原子论，也对阿伏伽德罗嗤之以鼻。他觉得道尔顿用图形代表元素的方法很不方便，在1813年时建议用字母取代，辅以下标数字12代表原子的数目。这样，一个氢原子和一个氧原子构成的水可以简单地以“HO”标志。碳的两种氧化物则分别为“CO”和“CO2”。
阿伏伽德罗的意见旋即被学界遗忘，直到半个多世纪后的十九世纪后期才重见天日。道尔顿的最简原则和其它一些细节没能经受住历史和科学的检验，尽管原子论本身成为化学界的共识。氢气和氧气的确是阿伏伽德罗所述的双原子，以贝采利乌斯的标记法分别为H2和O2。水也真是两个氢原子和一个氧原子合成的三原子：H2O。阿伏伽德罗提出的同样温度、压强下同样体积内气体的分子数目相同的规则被正式命名为“阿伏伽德罗定律”（Avogadro’s Law）。随着他的“分子”名称被采纳，早已广泛使用的贝采利乌斯标记法也就成为今天人们熟悉的“分子式”（molecular formula）。那是戴维、道尔顿和贝采利乌斯都已去世的又一个新时代。盖-吕萨克和阿伏伽德罗都没能活着看到这一天。
分子式为CO2的分子——昔日的海尔蒙特木气、布莱克固定空气和拉瓦锡碳酸气——也是在那时才有了正式的学名：“二氧化碳”（carbon dioxide）。相应地，氧化碳（CO）被更名为“一氧化碳”（carbon monoxide）。氮的氧化物同样地有一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）之分，前者即为深受戴维和诗人们喜爱的笑气。
在戴维为科学倍感自豪的十九世纪初，人类已经把握二氧化碳在植物光合作用和木炭、煤燃烧——传统的农业和新兴的工业生产——以及动物和人类呼吸的生命运作中扮演的关键角色。但还没有人能预料这个无色无臭的分子有一天居然会与赫歇尔的红外线和地球的气温发生紧密的关联。
（待续）
On the Theory of Light and Colours
A New System of Chemical Philosophy
Poor Richard’s Almanack
use and disuse
高积云和高层云其实都属天空中层的云，只是相对较高。
Howards Ehrengedächtnis
The Cloud
Ode to the West Wind
The Climate of London
贝采利乌斯最初用的是上标。