一個科學界尚無定論的問題：什麼是元素？
轉自：原理
哲學園鳴謝
1. 一個擾人至深的難題
2018年7月，國際化學哲學學會在英國布里斯托舉辦了一次會議。在會議中，大家圍繞著一個特別的討論主題——「化學元素的概念」，展開了激烈的辯論。
元素是化學中最基礎的概念，也是我們學習化學時最早接觸的概念之一。你很可能認為這應該是一個早就有著清晰定義的概念，但事實上，直到現在，化學家們依舊無法對「元素究竟是什麼」達成共識。
然而，這卻是一個意料之中、情理之中的結果。因為元素的定義，是一個比我們想像中複雜的多的問題。即便是像拉瓦錫、門捷列夫以及核化學先驅索迪等最傑出的化學大師，也都曾被這個問題困擾，他們都無法為「元素」給出一個精確而全面的定義。
面對這種困境，一些化學家認為，這或許是目前最好的結果。但還有一些化學家認為，我們需要進行更嚴肅的哲學思考。因為這不僅關乎元素的定義；還涉及到使一些基本概念（如分子、化學鍵等等），甚至是元素周期表本身的特徵都模糊不清。這些缺乏所有人共同認可的意義的概念，被大家廣泛且頻繁地使用。
2. 難題的問題在哪？
「元素」的含義是化學家在閑暇時候最喜歡討論的話題。比如我們都會說——氫是一種元素，這沒有什麼問題。但這是什麼意思呢？是分子氫是一種元素？還是孤立的氫原子是一種元素？或者我們不是說某種具體的物質；而是指氫的一種概念，具體的氫原子和氫分子只是這個概念的物質代表？
可能有人會說：誰管它呢？我們知道元素在實踐中意味著什麼就行了。但是，當我們描述一種元素時，我們可以說「硫是一種能形成有刺激性氣味的黃色固體的元素」，也可以說「硫是元素周期表第16族的第二個元素」，這兩種說法都沒錯，但這是完全不同的兩件事情。
大家對這個問題的態度基本上是：「我知道我談論元素的方式並不完全正確，但所有人都是這麼做的，學生們也最終都會明白。」這種現象令一些化學家感到不適。例如，理論化學家Eugen Schwarz就認為，這是作為一名化學家不應該有的習慣。
也有化學家擔心，無法對元素進行準確定義，會在教學中引發理解、溝通和信任方面的問題。義大利都靈大學的Elena Ghibaudi就說：「當兩位化學領域的專家討論元素時，他們能夠從語境中分辨出對方的意思，但在課堂上的情況卻往往不是這樣的。」
除了化學家的自我要求和在教育溝通方面可能引發的問題，這種模糊性還有可能導致公眾對化學的理解出現問題：有的元素與一些有毒物質有關，比如氯之於氯氣，硫之於二氧化硫，人們可能會因此誤以為這些元素本身具有毒性，造成公眾對它們的誤解。
Schwarz說：「我不知道要如何才能讓公眾明白，對於一種元素來說，只有某些化合物是有毒的，甚至有的物質只有在達到某個特定濃度以上才是有毒的。有時這種被認為有毒的元素如果含量過低的話，是有可能導致健康問題的。」
大家向化學投以期許的目光，希望他們能解決這個難題。因為元素概念是化學的核心，它具有很多的用途。因此，期待化學給它一個明確的定義似乎是合乎情理的。但是，化學真的能給出一個明確的定義嗎？
3. 曲折中前行
在《豬豬的新裝》一文中，我們簡單地從古希臘的「四元素說」說起，一直穿越到了現代，我們省去了許多的跌宕起伏，真實的故事實則要複雜的多。
首先，雖然恩培多克勒提出「萬物皆由土、空氣、火和水所構成的」，受到了亞里士多德哲學的推崇，但絕不是唯一的想法。在啟蒙運動後期、化學黃金時代到來之前的一段時間裡，「元素」系統是相當模糊的。16世紀，瑞士醫生帕拉塞爾蘇斯提出了「三元素」——硫、鹽和汞；還有其他一些方案（包括像「燃素」這樣的虛構元素）同樣得到過短暫的支持。
在1665年出版的《懷疑派化學家》一書中，波義耳試圖闡明元素的概念。他提出，元素是一種不能被進一步分解的物質。但是波義耳的定義只告訴了我們，對於一個已有的元素，它有著怎樣的特性；而不能告訴我們，元素是什麼，是什麼讓一種元素有別於另一種元素。這個定義是非常暫時的，它受制於個人的分析能力——我們要如何確定這就是一種元素，而不是某種人們還不知道該如何將其分解的化合物？
我們確實無法做到這一點，這就是為什麼一些化合物會出現在18世紀的一些元素列表中，例如在拉瓦錫的1789年發表的頗具影響力的作品《化學基礎論》中，就將氯化物和氟化物等列為元素。拉瓦錫追隨波義耳，也斷言元素代表分解可達的最後階段。
1808年，道爾頓為拉瓦錫的定義引入了更基本的東西，他斷言，元素的特定屬性來自於構成它的原子的屬性，這些原子被視作為微小、堅硬的球形粒子。到了19世紀中葉門捷列夫的時代，人們認識到不同的元素有不同的原子量，門捷列夫在他的元素周期表中根據元素的原子量進行排序。（由於不相信原子的存在，門捷列夫使用的是「元素重量」一詞。）
到了20世紀20年代，放射化學家索迪，以及物理學家盧瑟福、莫塞萊等人的發現，終於使人們認識到元素原子的更根本屬性是它們的原子序數（也就是它們原子核中的質子數），對於同一種元素來說，所有原子的原子序數都是相同的。如果兩個原子的原子序數不同，那麼它們就是不同的元素。但很快，科學家發現了同位素——它們具有相同的原子序數，卻有著不同的原子質量。
一開始，同位素的發現引起了軒然大波，因為這對元素的定義是一個巨大的挑戰。化學家和物理學家對化學元素的概念再次進行了激烈討論。他們討論的主題是，每個同位素是否應該在元素周期表中佔據獨立的位置。1923年，一個國際委員會達成一致，同意用原子序數來確定化學元素，而不是原子量。
元素是由原子序數定義的，看起來關於什麼是元素的問題已經解決了。可問題是，化學家們卻並不是這麼用這個詞的。1932年，德國化學家帕內斯在一篇關於元素定義的開創性論文中，承認了兩種不同的定義，他稱之為「Einfacher Stoff」（通常被翻譯為「簡單物質」）和 「Grundstoff」（「基本物質」）。第一個對應於拉瓦錫的概念——關於真實的、物理的、不能用化學方法分解成更基本成分的物質；第二個是一個抽象概念，例如「氧」 是一種原子序數為8的原子。
4. 持續至今的謎之混搭
目前，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）在其編排的《化學術語彙編》（俗稱「Gold Book」）中，對「元素」仍給出了雙重定義：「元素」既可以指「一種原子」，也可以同義地指它的單質物質。
這種雙重定義讓人無所適從。在一個元素網站上查找「氧」，你可能得到的信息是：它的原子序數為8；它具有一種特定的電子構型以及在元素周期表中的位置；此外，它是一種反應活性很高的物質，化學式為O2，沸點為-183°C。負責運營化學資源網站meta-synthesis.com的化學家Mark Leach說，這是兩種完全不同數據的草率結合：前者對應的是帕內斯的「基本物質」（即一種抽象概念），後者對應於他的「簡單物質」（一種真實的物質）。這種雙重定義必然不好吧？
另外，在元素周期表中，這兩重定義被笨拙地混合在一起。我們可以把它想像成一張「基本物質」的表格——這和門捷列夫的看法差不多。但是，周期性這一概念指的又是真實物質的實際化學性質：化合物的化合價，電離能、金屬性等性質。Leach說：「如果基本物質只有原子序數這一種屬性，那麼我們就應該只有一個簡單的列表。元素周期表的周期結構又從哪裡來呢？「
在有些元素周期表的版本中，人們甚至還會加上一些用以展示元素的「簡單」物質形式的圖片，比如在碳的格子內放上鑽石或石墨。所以元素周期表是令人困惑的混搭，但這也許是不可避免的。《化學基礎》雜誌的科學哲學編輯Eric Scerri 說：「我們需要在基本屬性和簡單屬性之間做出明智的妥協才能構建出元素周期表。」
這不是一件小事。例如在《元素趣事9則》中提到的，第三族中釔下面的元素應該是鑭和錒，還是鑥和鐒，就是一個仍存在激烈爭論的問題。爭論的焦點在於，這張表應該反映電子構型等「基本」特徵，還是化學行為等可觀測特徵。一旦相對論效應（由於內殼層電子的極高速度）開始破壞人工製造的超重元素的化學周期性，這些論點就變得更加含糊不清。
5. 超重物質帶來的新麻煩
超重元素帶來的複雜性還不止這些。關於元素究竟是「物質」還是「概念」的困惑起源於這樣一個事實，那就是在過去，它既是「物質」也是「概念」。但是，當一種新元素只有少數幾個原子，而且其穩定時間還不到一秒時（就好比最新的一些人造元素那樣），那麼我們是否還能對它作出一樣的判斷？
如果元素是部分由其化學性質定義的，那麼，那些存在時間短到無法參與任何有意義的化學作用，以及在任何情況下都只是能作為高電荷離子、從未獲得過完整電子結構的元素，又該何去何從？換句話說，如果這些元素只存在一到兩毫秒，它們是什麼意義上的元素？我們可能永遠也無法把它們裝進瓶子里。
6. 化學 vs. 物理
思考化學元素的一種常見方法是將其看作是化學的「守恆量」。正如在物理學中，質量和能量可以相互轉換但永遠不會被消滅，化學的基本守恆定律就是元素是守恆的：化學反應結束時的碳元素永遠不會比反應開始時要少。
但是在放射化學中，一種元素可以衰變成另一種元素。這也導致從一開始，人們就對放射化學是否從根本上屬於化學的一部分爭論不休。當時，在諾貝爾獎組委會要為居里夫婦和盧瑟福等人頒獎時，就出現了到底該由物理學獎委員會還是化學獎委員會授予的爭論。而如今，居里和盧瑟福都已經被用來命名化學元素。
這種競爭從未結束，國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）和國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）之間的最新爭論是——誰應該宣布新元素的確認。物理學家認為，這些新的粒子都是用粒子加速器對原子進行的粉碎實驗而得到的，因此只有物理學家才具有專業的知識來判斷這些結果。但是化學家不願意讓另一群人來決定，哪些元素可以進入他們視若珍寶的元素周期表。
無論誰來裁決，這些新元素都不是可以掌控的。這就突出了新的問題——時間尺度的重要性。目前，仍待論證的一種說法是：任何持續時間超過核散射的典型時間尺度（約1-10秒）的原子核合併，都可以稱為形成了另一種元素。但是，以納秒為單位的結合真的可以稱之為元素嗎？還是僅僅是一種共振？
這就是為什麼Schwarz說，當我們談論元素時，我們也應該談論時間尺度。他感到疑惑的是，「元素」是否至少應該是理論上能夠形成分子的實體。他補充說：「化學是一門關於真實材料的科學，但對物理學家來說，原子核就是一種元素了。」與此同時，IUPAC最近宣布了超重元素的新標準——確認元素存在的時間尺度最小為1-14秒。
7. 化學需要哲學？
Scerri認為，元素的問題表明化學需要哲學。Ghibaudi說：「化學元素的問題與化學中的一些其他問題（比如物質和結構的概念）一樣，都會上升為哲學問題。因此，如果不依靠哲學的觀點，就無法理清這些問題。」
但如果這是一個經驗論無法解決的哲學問題，或許我們只能在帕內斯的「基本物質」和「簡單物質」之中選擇一個作為元素的定義？一些研究人員認為是這樣的。與此同時，Scerri認為，元素的性質不僅是雙重的，而且是三重的：對於元素的物質，重要的不只是元素材料本身的性質，還有元素的化合物的性質。畢竟在氯化鈉中，活性的灰色金屬和有毒的綠色氣體沒有留下任何痕迹——這簡直就是化學上的一個永恆的奇蹟。
8. 改變真的必要嗎？
為「簡單」和「基本」的定義引入一種獨特的命名法，使雙原子的氫分子不再被視為「氫元素」，這需要對根深蒂固的化學語言進行改革。
但是，也有化學家質疑我們是否有走這麼做的必要。法國巴黎狄德羅大學的Sarah Hijmans就認為，我們或許可以把「元素」這個詞看作是由這兩種定義所決定的。她說，在拉瓦錫的時代，分析定義是唯一的選擇，因為我們對於是什麼在基本層面上區分元素幾乎一無所知。漸漸地，天平向依據原子序數的「基本」定義傾斜。但顯然，經驗主義的「化學」觀點仍具有價值，正如周期表所展示的那樣。
或許問題在於這兩個方面是否真的存在衝突。在某種意義上，原子序數對化學家而言根本沒有什麼特別的意義，因為原子核在化學行為中幾乎沒有直接作用。質子的數量只是一個指標，它衡量著對化學重要的東西：電子的數量，以及它們的構型和能量。
但對於一個特定的原子序數，這些屬性是由量子力學的定律決定的，它們都是可以預測的。根據這些信息，我們原則上可以預測很多化學性質，比如元素會形成什麼樣的化合物。我們甚至可以預測某些元素的物理性質，比如同素異形體、熔點等等。那麼，元素的「基本」定義是否包含了元素中所有的「簡單」特徵，隨著我們計算能力的提升可以揭示出來？
但是，也許我們必須接受的是，元素的概念總會帶有一定的模糊性。這或許並沒有那麼糟糕。畢竟，化學家已經習慣了這一點，正如諾貝爾獎得主Roald Hoffmann指出的那樣，化學家永遠在使用一些沒有唯一精確定義的概念，比如電負性和離子半徑，而這並不會降低這些概念在該領域的價值。
模糊性對思想亦可產生特別的價值，或許關鍵不在於模糊本身，而是要確保這份模糊並非源自於單純的馬虎。
當我們在談論「什麼是元素」這一問題時，答案可能取決與於誰是我們談論的對象。就比如問題「碳是什麼」，對於不同的對象和不同的目的，碳可以是煤煙，可以是第6號元素，也可以是同位素的自然混合物，或者甲烷的組成成分……
編譯：烏鴉少年
[1]https://www.chemistryworld.com/features/what-is-an-element/3009827.article
[2] http://www.bristol.ac.uk/arts/events/2018/philosophy-of-chemistry-conference.html
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