大師說化學：理解世界必修的化學課

作者序

同中有異

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

利益與傷害

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

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

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

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

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

走進化學家的世界

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

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

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

連繫物質與感情世界

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

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

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

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

導讀

化學之美

化學是什麼？簡單的說，化學是以「分子」為主角的科學。化學家的興趣不外乎分子的合成、分析，和它們的構造及反應性質的研究。分子無所不在，影響之巨包括生活中的食、衣、住、行，甚至我們的身體組成。也由於它如此普遍，反而讓人不覺得重要，就如同我們看待空氣和水一樣，常忘記它的存在和必要性。美國化學學會常抱怨，報章雜誌鮮少報導化學新發展，只會出現負面的化學災難新聞。科學博物館也少有化學方面的展覽項目。的確，化學新聞的吸引力比不上哈伯天文望遠鏡發現新行星，或高能物理界發現新粒子的新聞。

分子是由一些我們熟悉的原子群組合排列而成的，然而銅、鋇、氧等幾種原子居然能排列出超導物質，碳原子也可以形成足球形狀、具有特殊性質的C60。所以說，化學往往與文學和藝術相似，個別文字和各色顏料雖不起眼，但組合出的文章和圖畫卻可以多采多姿，甚至震撼人心。化學之美在於它的豐富與複雜，並且充滿了未知的變數，人們有機會駕御它，而不只是大自然傑作的旁觀者。但這也說明化學不易給人清楚的形象，而且人們對它有貶有褒，又愛又恨。

本書作者霍夫曼是1981年諾貝爾化學獎得主，也是興趣廣博的理論化學家。他以化學代言人的身分，給化學這門科學做一番分析。書中內容分十部，共有五十一篇文章。第一部關心分子的「身分」，這個首要問題包括了化學家如何去分析、鑑定分子構造。在構造上少許的差異，譬如兩個鏡像分子，會有迥然不同的化學性質，例如麻醉劑嗎啡的鏡像化合物，並沒有麻醉作用。

第二部是「化學的表達方式」，由於撰寫論文是化學家的一項重要活動，因此在這裡介紹化學家如何使用化學共同語言和化學符號來發表論文。

第三部「製造分子」是關於化學的「合成工作」，這是化學家的核心任務—去合成自然界已存在的分子，如牛仔褲用的靛藍染料，或不存在自然界的分子，如立方烷。在合成過程中，不但創造了具有新穎化學性質的新分子，往往也發掘出合成反應的新規則。作者即是在進行合成工作中，發現了軌域對稱性對反應的影響，因而獲得諾貝爾獎。化約主義者往往忽略了合成化學這項獨特工作是如何運作的。

第四部「當事情出了差錯」談到沙利竇邁藥物事件和科學家的社會責任。那是在1960年代盛行的一種鎮靜劑，事後才發現會引起胎兒殘障缺陷。這過錯在於對藥物檢驗工作上的疏失；實際上近來研究發現，沙利竇邁對愛滋病擁有療效。分子無罪，問題在於人類是否將