“尋死”的科學(xué)家改變了世界

董望

美國(guó)科學(xué)家約翰·斯塔普

在現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們有許多儀器設(shè)備和動(dòng)植物“模特”協(xié)助實(shí)驗(yàn)，但即使如此，意外和事故還是時(shí)有發(fā)生。幾十年前的科學(xué)家在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，條件更加簡(jiǎn)陋，他們靠著不怕死的勇氣做出了巨大的貢獻(xiàn)，一起來(lái)看一看這些真正的勇士吧。

嗅出來(lái)的新元素

在自然界中，許多元素常常伴生在一起，現(xiàn)在科學(xué)家可以用光譜分析、掃描電鏡等方法和設(shè)備判斷元素的組成。但以前，這些方法都沒有條件去做，那時(shí)候的科學(xué)家只能像品鑒食物一樣，“望聞問切”區(qū)分元素，金屬元素釕正是被科學(xué)家嗅出來(lái)的。

釕與其他金屬共生在礦石中，克勞斯經(jīng)過多個(gè)步驟才將其分離出來(lái)。

鉑是一種貴金屬，為了獲取鉑，科學(xué)家會(huì)將含鉑的礦石溶解在強(qiáng)酸王水中，但即便經(jīng)過王水的“洗禮”，礦石也不能完全溶解，容器底部沉積有一些礦石殘?jiān)Ｓ纱耍?dāng)時(shí)的俄國(guó)化學(xué)家卡爾·克勞斯猜想，這些殘?jiān)鼞?yīng)是另一種不能與王水反應(yīng)的元素。該如何證明這個(gè)想法呢？對(duì)此，克勞斯有獨(dú)門秘訣：此前，他曾靠靈敏的鼻子發(fā)現(xiàn)了另一種新元素鋨。

1840年，克勞斯購(gòu)買了一份鉑礦石樣品，在徹底用王水浸泡后，克勞斯取出了其中的黑色沉淀物。當(dāng)他湊近嗅聞后，聞到了一股類似臭氧的獨(dú)特氣味，這是具有強(qiáng)氧化性的元素獨(dú)特的氣味，是鉑不具備的。

克勞斯繼續(xù)對(duì)沉淀物進(jìn)行了包括堿化、氨化和煅燒等一系列操作，最終得到了一塊海綿狀的金屬，他判斷這塊金屬就是他要找的新元素，因?yàn)樵诓僮鬟^程中，產(chǎn)物始終都帶有臭氧的氣味。

為了確認(rèn)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，在煅燒金屬前，克勞斯還嘗了一口液態(tài)的氨化物，結(jié)果獲得了滿嘴的水泡——這是強(qiáng)氧化物對(duì)口腔的腐蝕造成的，這些水泡整整三個(gè)星期才消除。

克勞斯將他獲得的金屬和論文寄給了當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)權(quán)威，但他的發(fā)現(xiàn)遭受了多次的否決，他們認(rèn)為這不過是已發(fā)現(xiàn)的兩種元素的混合物。但克勞斯并不氣餒，他繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)且不斷闡述自己的觀點(diǎn)，用了4年的時(shí)間，克勞斯最終說(shuō)服了同行，承認(rèn)了他的發(fā)現(xiàn)。謙虛的克勞斯沿用了前人的命名，將他發(fā)現(xiàn)的這一元素命名為“釕”。

但是，成功的代價(jià)是巨大的，克勞斯不僅付出了大量的時(shí)間，更讓人難過的是，68歲時(shí)，克勞斯就因肺炎去世，他的呼吸道因長(zhǎng)期嗅聞化學(xué)藥物受到了嚴(yán)重的傷害。

現(xiàn)在，釕元素以作為光催化劑聞名于世界，已有兩個(gè)化學(xué)家因制造出含有釕元素的光催化劑獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。2016年，美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員制造出了一種新的含釕催化劑，可以從空氣中捕獲二氧化碳，并直接轉(zhuǎn)化為甲醇燃料，轉(zhuǎn)化率高達(dá)79%，效率遠(yuǎn)超太陽(yáng)能電池，與綠色植物相比也不遑多讓。未來(lái)，當(dāng)我們用釕催化劑進(jìn)行類光合作用時(shí)，必會(huì)想起不懼生命危險(xiǎn)、堅(jiān)持不懈的化學(xué)家——卡爾·克勞斯。

撞出來(lái)的安全帶

汽車上的安全帶是我們司空見慣的，但是安全帶能承受多大的撞擊力，科學(xué)家們是依靠什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)它的呢？有一位科學(xué)家曾親身上陣，體驗(yàn)過安全帶的安全極限。

約翰·斯塔普坐在即將出發(fā)的火箭車上

美國(guó)科學(xué)家約翰·斯塔普是一位通才，他具有生物物理學(xué)博士和醫(yī)學(xué)博士雙重學(xué)位，與其他的醫(yī)生不同，他更喜歡通過物理實(shí)驗(yàn)研究人體極限。斯塔普在美國(guó)空軍擔(dān)任軍醫(yī)，在一次飛行任務(wù)中，他將自己鎖在機(jī)尾65個(gè)小時(shí)，沒有攜帶諸如降落傘、氧氣瓶等任何安全保障設(shè)備，目的是了解人體在空氣稀薄的平流層，如何承受脫水、缺氧、僵硬等不良反應(yīng)。承受了許多痛苦后，斯塔普幸運(yùn)地活了下來(lái)，他發(fā)現(xiàn)在飛行前吸上半個(gè)小時(shí)的純氧，就幾乎可以避免一切不良反應(yīng)。這次實(shí)驗(yàn)的成功增強(qiáng)了他的信心，斯塔普開始了更多極限挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)五六十年代的世界并不安全，美國(guó)空軍經(jīng)常遭遇襲擊，常常發(fā)生墜機(jī)事件。美國(guó)軍方想知道，人體能承受多大的氣壓，從而設(shè)計(jì)出最大限度保證安全的彈射椅和安全帶，斯塔普接受了這個(gè)任務(wù)。為了模擬高速飛機(jī)墜落時(shí)的大氣壓，斯塔普請(qǐng)人建造了一條兩千米長(zhǎng)的軌道，這條軌道上行駛著一輛特殊的“汽車”——以火箭驅(qū)動(dòng)的汽車。可以想象，這輛車的時(shí)速有多快，驟停時(shí)的沖擊力又有多大，世界上最瘋狂的過山車也比不上它。

剛開始，火箭車的乘客還是人體模型，但是斯塔普對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很多疑問。按照理論計(jì)算結(jié)果，人體承受的加速度極限是18個(gè)重力加速度，但在實(shí)驗(yàn)中，火箭行駛的加速度達(dá)到了30個(gè)重力加速度，而模型并沒有受到損傷。人體的承受極限到底有多大呢？斯塔普按捺不住躍躍欲試的心，決定親自坐上火箭車，實(shí)際感受一下火箭車的速度與激情！

斯塔普通過搭載不同數(shù)量的火箭體驗(yàn)了不同的重力加速度，與人體模型的結(jié)果相同，在火箭車的加速度達(dá)到35個(gè)重力加速度時(shí)，斯塔普仍然安然無(wú)恙，他笑言“只是有點(diǎn)頭暈”。還不滿足的斯塔普設(shè)計(jì)了時(shí)速更快的火箭車，新款火箭車能在5秒內(nèi)就加速到超音速，1.4秒后就要開始減速，才能保證在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停下來(lái)。在這個(gè)過程中，斯塔普承受了高達(dá)46.2個(gè)的重力加速度。這次，斯塔普終于受到了“教訓(xùn)”：眼球血管爆裂，視網(wǎng)膜脫落，肋骨斷裂，牙也掉了幾顆。好在這些看似嚴(yán)重的傷勢(shì)經(jīng)過了幾個(gè)月的調(diào)理得到了恢復(fù)，斯塔普也沒有什么后遺癥，最終活到了89歲。

斯塔普以自己的親身經(jīng)歷證明了人類在遭遇緊急減速或碰撞時(shí)，只要得到合理的保護(hù)是完全可以存活且不會(huì)造成永久傷害的，斯塔普大無(wú)畏的“尋死”精神給安全帶的制造留下了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，斯洛廷用螺絲刀隔開兩個(gè)钚半球，但螺絲刀的意外脫落導(dǎo)致了悲劇發(fā)生。

撕開钚半球后，斯洛廷受到嚴(yán)重核輻射，肌肉溶解，皮膚腫脹。

掰出來(lái)的新世界

二戰(zhàn)后期，美國(guó)“曼哈頓計(jì)劃”研制出了世界上第一顆原子彈。在原子彈試驗(yàn)成功后，遺留下了兩塊半球形的核燃料——钚，理論計(jì)算認(rèn)為，這兩塊钚一旦相遇，就能像原子彈一樣爆炸。

加拿大物理學(xué)家路易斯·斯洛廷接到了這樣一個(gè)任務(wù)，尋找钚球的臨界質(zhì)量，至少多大的兩塊钚相遇會(huì)直接引爆，原子彈試驗(yàn)后留下的這兩塊半球形钚就成了最好的實(shí)驗(yàn)材料。斯洛廷通常是這樣研究的：一手緊抓鈹制的半球緩慢靠近钚半球，作為制造裂變反應(yīng)的起始步驟，觀察钚半球的反應(yīng)狀態(tài)，以此確定钚的臨界質(zhì)量。另一手用螺絲刀維持著上下兩個(gè)钚半球的空隙，同一時(shí)間助手移走平常分隔钚半球的填隙片。

此前實(shí)驗(yàn)都安然無(wú)恙地進(jìn)行著，但1946年5月21日，意外發(fā)生了。當(dāng)助手將填隙片移走后，螺絲刀打滑，落到了地上，這意味著兩個(gè)钚半球再也沒有間隔了。合到一起的钚球迅速反應(yīng)，向外輻射出大量電子，空氣被電離后變藍(lán)，人們能感受到撲面而來(lái)的熱浪，這是一場(chǎng)劇烈核爆的前兆。可以預(yù)見，如果反應(yīng)繼續(xù)，別說(shuō)實(shí)驗(yàn)室，整個(gè)城市都將被夷平。

在千鈞一發(fā)的時(shí)候，斯洛廷果斷用手撕開兩塊钚半球并丟在地上，阻止了這一場(chǎng)核爆炸，同時(shí)挽救了在場(chǎng)乃至整個(gè)城市的無(wú)數(shù)條生命。但斯洛廷本人卻受到了巨量的輻射，測(cè)算結(jié)果顯示，他受到的輻射相當(dāng)于距原子彈中心1500米處的輻射量。9天后斯洛廷就醫(yī)治無(wú)效，去世了。斯洛廷以生命為代價(jià)測(cè)出了钚的臨界質(zhì)量，同時(shí)也警示后人，實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意規(guī)范操作，避免悲劇的再次發(fā)生。

科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究，不僅需要具備智慧和運(yùn)氣，為了求知而舍生忘死的勇氣同樣讓人銘記。