臺灣化學教育

2019國際元素週期表年(IYPT)：

煉金術經濟學──從商業活動來看現代化學的誕生

蔡文潔^1、戴桓青² 

福建農林大學傳媒系／實踐大學管理學院創意產業博士班¹

國立台灣大學化學系^2*

[email protected]²

中世紀歐洲的煉金術，其實就是現代化學的前身。在16-17世紀，鍊金術逐漸催生出現代化學。可惜的是，鍊金術在數百年來長期被污名化，連帶煉金術士這類化學從業人員也被誤解。假如我們從商業活動的角度去還原煉金術士的職業性質，會發現他們其實主要是藥劑師與藥房主人，是當時有限科技水平下的實業家，不只是江湖術士。從這樣的觀點出發，我們才能客觀地了解鍊金術的價值與成就。

　　化學的起源，來自於古代文明對於物質本質的思考。古代中國人認為有金木水火土五類元素。古代希臘人則認為土、空氣、水與火是基本元素。到了十六世紀，瑞士人帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus, 1493–1541)認為，基本的元素有三類：硫、汞與鹽。物質的本質到底是什麼，一直都是科學與自然哲學中最基本的核心問題。

　　人類所接觸到的第一個元素，應該是碳。自從人類在一百萬年前懂得用火之後，就有能力焚燒木材製造木炭。木炭的燃燒溫度遠高於木材，達到攝氏1100度，因此有助於各項冶金技術，也造就了煉金術的開端。而人類用化學方法所製造出的第一個元素則是磷。在1669年，德國煉金術士亨尼格·布蘭德(Hennig Brand)利用曲頸玻璃瓶將尿液加熱濃縮，最後竟然得到了白磷。白磷接觸氧氣會發出微弱的冷光，也很容易自燃。如此神秘的元素竟然來自動物體液，開啟了人類研究生物體的化學組成的興趣。當化學實驗技術進步到足以發現新元素的時候，也是注重實證主義的現代化學觀念開始發展之際。

　　一般認為，現代化學起源於英國人勞勃•波以耳(Robert Boyle, 1627-1691)所出版的《懷疑的化學家》(The Sceptical Chymist, 1661)。他所質疑的是中世紀化學那些偏向神祕主義的理論、隱晦的密碼符號與缺乏重現性的秘方。波以耳提倡的是可重現的實驗方法與邏輯辯論(Sutton, 2011)。在那之前的古代化學，被稱為alchemy，中文翻譯為「煉金術」。從十七世紀開始，煉金術漸漸過渡到現代化學，到了十九世紀初，英國人道耳頓所提出的原子說與測得的原子量被科學界接受之後，現代化學正式開展，煉金術也就消失無蹤了。

　　對於今日的科學家來說，alchemy代表一種神祕、過時、錯誤的歷史遺跡，被視為一個”dirty word”。但筆者認為，不論是alchemy還是煉金術，這些名詞本身都長期被科學家與大眾誤解。

　　英文的alchemy（中古拉丁文的alkymia）來自於阿拉伯文al-kimiya，其中”al-“是定冠詞，例如”al jazera”代表”the island”。阿拉伯文kimiya來自希臘文khemia，是冶煉金屬的技術，也是化學的代名詞。英文chemist的字源也是中古拉丁文的alchimista。因此alchemy與chemistry的字源是完全一致的，都是古希臘的化學。用alchemy來貶低十七世紀以前的古代化學，卻用chemistry來表揚波以耳乃至道耳頓以後的近代化學，這種二分法本身就是不科學也不符合歷史的。其實alchemy就是化學，而且中世紀化學家的許多貢獻是不可抹滅的，其觀念就算不正確也有部份是有趣的。

　　中世紀歐洲煉金術最為人詬病的地方，就是在尋找賢者之石(philosopher’s stone)，而提煉賢者之石的密方又用隱晦的密碼編寫，無人能懂也無人複製成功。傳說中的賢者之石，可以將便宜的金屬變成貴重金屬，也可以變出治百病抗老化的神藥。賢者之石固然不存在，但今日的科學家不也試圖將便宜的石墨轉換為高價值的鑽石、碳六十（1996年諾貝爾獎）與石墨烯（2010年諾貝爾獎），並且不斷地提出尋找抗老化藥物的研究計畫（儘管從未有成功案例）？在中世紀不了解化學基本原理的情況下，化學家就已經知道化學知識的應用層面在於材料科學與藥物開發。化學的原理在十七世紀到二十世紀，有了爆炸性的發展，但是二十一世紀的化學逐漸在基本原理上難以取得太多突破，於是化學界重新將研究重點放在材料科學與生物醫藥的應用，不是又回到了歷史的原點？這也證明古代化學家的真知灼見。

　　在煉金術的觀點中，最純粹的金屬是黃金，而其他的金屬都是黃金摻雜了各種雜質所形成的。只要經過適當的純化，縱使步驟複雜，最後都可以回收部分的黃金。以現代的化學元素觀點當然知道這是錯誤的。但是大部分的金屬在自然界也不以元素態存在，需要純化才能獲得，因此純化的邏輯觀念本身並沒有錯。而且阿拉伯的煉金術士也在十三世紀發明了能溶解黃金的王水，至今仍被應用於極高純度黃金的純化。

　　事實上，帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus)早在16世紀初，已經提出人體的本質是一種化學系統。他認為煉金術的真正目的並非冶煉黃金，而是要製造有益人體健康的醫藥品。他認為藥物皆有毒，重點是劑量，因此被視為藥物化學與毒理學之父。當時具備化學專業的人士(alchemist)，較少在從事冶金工作，更多是藥劑師（pharmacist或druggist，也常被稱為apothecary）。若要真正了解煉金術的本質，我們必須了解藥劑師(apothecary)這個職業在做什麼。可惜的是，很少科學史著作對於藥劑師(apothecary)的職業本質與商業經營有充分的描述，使得大眾對於這些古代的化學從業人員產生了錯誤印象。

　　Alchemy這個字被汙名化，可以從牛頓(1642-1736)的經歷看出。牛頓曾在劍橋大學擔任盧卡遜(Lucasian)講座(1669-1696)，講授數學與物理，但是也私下研究煉金術，希望能用粒子碰撞的力學來解釋化學反應。之後他遷居倫敦，利用化學專業擔任真正與冶金技術有關的皇家造幣廠的管理人與局長職位(1696-1727)。由此看來，牛頓從事化學專業的時間比物理教授還久，但是卻鮮少人提起牛頓也是化學家，可見煉金術被汙名化的嚴重程度。事實上，牛頓在皇家造幣局提交了非常重要的化學檢驗報告，揭露了各國金幣的實際黃金純度（如圖一），免得英國商人與外國交易時被蒙騙，是了解十八世紀國際貨幣價值的權威文獻(Newman, 1975; Newton 1896)。此外，他還偽裝成顧客，到酒吧裡去蒐集黑市流通的偽幣證據，親自起訴鑄造偽幣的人，樂於扮演化學柯南偵探。　

圖一、牛頓對於各國金幣所提出的檢驗報告 (Newton, 1896)（由Google Books數位化）

　　如果回到十六與十七世紀，一個非學院派、以藥劑師為業的化學家，到底平日如何謀生呢？而筆者為何又會在科研項目裡接觸這個問題呢？這都要從義大利的巴洛克名琴說起（見圖二）。

圖二、左為阿馬悌(Andrea Amati)1570年小提琴，右為史特拉底瓦里(Antonio Stradivari) 1722年小提琴（圖片來源：奇美博物館）。

　　如果說有那一項東西，是幾百年前的古代人做得比現在好，而現代人還得每天使用古董來發揮實用效果，做不出更好的替代品，那肯定就是義大利的古董小提琴了。三百年前在義大利克里蒙納(Cremona)小鎮，住了兩位天才製琴師：安東尼奧•史特拉底瓦里(Antonio Stradivari, 1644-1737)與耶穌•瓜奈里(Giuseppe Guarneri “del Gesù”, 1698-1744)。時至今日，大部分的世界頂尖的小提琴家仍每天使用這兩位老大師的名琴來練習與演奏，生怕失去手中的名琴就失去自己的藝術靈魂，無法在現代提琴中找到替代品。

　　史特拉底瓦里小提琴的塗漆美麗得無與倫比，音色又甜美明亮，三百年來無人能複製。他到底有什麼秘密，在歐美已經辯論了兩百多年，是文化史上一大謎團。美國德州農工大學的Joseph Nagyvary教授首先提出，史特拉底瓦里的塗漆與木材，都藏有化學秘密，是與當地的藥劑師合作的結果(Nagyvary 1978)。那麼，克里蒙納小鎮上的藥劑師（煉金術士兼化學家），又是怎樣的一種職業？

　　　Apothecary這個字，源自於希臘文的apothēkē，原意是顧店的人，通常指的是藥房與藥房的主人。想要了解藥房的生意，首先需做市場調查。在臺灣與日本的城市裡，滿街可見便利商店，其密度是每兩千居民有一家。在十六世紀下半葉，克里蒙納的居民是四萬，卻有三十七家藥房（義大利文speziali），比便利商店的密度還高，可見生意很好。藥房的老闆，主要是具備化學知識的藥劑師。Apothecary賣的不只是藥物，還有化妝品、香料、油漆、顏料、糖果等等加工製品。於是醫師在裡面給人看病當場抓藥，理髮師也在裡面攬客理髮做美容，畫家要選顏料，工人要找油漆，小孩要買糖果，全都聚在店裡，連街頭巷尾的八卦議論也少不了，自然是生意興隆。這樣的商業模式不只有零售（見圖三），還兼批發與製造，有自己的倉庫與工作坊（見圖四）。

圖三(左)、1500年左右的歐洲藥房(An apothecary’s shop, Castello di Issogne, atrium, Valle d’Aosta)（圖片來源：Web Gallery of Art）

圖四(右)、荷蘭畫家Pieter Bruegel the Elder (1525-1569) 所繪製的鍊金術士工作坊(The Alchemist)（Wikimedia公眾領域圖片）

　　有些藥房的帳冊顯示，光是各種精油、樹脂就囤積了幾噸。將樹脂加工得到松香、塗漆、松節油等產品，都牽涉到加熱與易燃物，稍不慎就會引起火災，當然得由藥劑師化學家親自監督。史特拉底瓦里不會在自己家裡煮樹脂做塗漆，過於危險，也沒有閒功夫自己研磨顏料，塗漆所需的各種原料自然是向藥房購買。藥房的零售項目包山包海，不可能都是自己製造，所以每個藥劑師有自己擅長製造的產品類別與外部貨源，必須互相交換批貨。所以不僅扮演藥劑師，當時的化學家更懂得製造、批發與零售，還要應付顧客與街頭巷尾，相當忙碌。這跟傳統上所想像，躲在小房間裡秘密煉丹寫著秘密符號的煉金術士，相當不一樣。藥劑師的核心謀生技能就是將各種植物與礦物轉化為日常商品的化學知識，他們就是古代的化學從業人員。

　　一旦了解城市裡的化學家如何賺錢謀生，煉金術也沒有那麼神秘了。史特拉底瓦里在城裡轉幾圈，就有幾十位的化學家可以幫忙他開發新的材料技術，製作更精美更好聽的小提琴。透過化學分析技術，科學家已經在史特拉底瓦里的塗漆中找出二十多種成份，都是當時藥房經常販賣的商品(Tai, 2009)。反過來說，史特拉底瓦里是一位鮮少離開倫巴第區域的土生土長居民，也無從取得藥房沒有販售的特殊原物料。但是同樣的原物料，透過不同的準備工序與工藝技巧，仍有可能創造出無與倫比的塗漆效果。　

　　小提琴使用數百年必有破損，有嚴重缺損的木料必須被刮除，以新的木材黏上補實，才不會越破越嚴重。修復過程中所移除的木料，成為科學研究的絕佳機會。透過與奇美博物館及國外專家的合作，我們取得了史特拉底瓦里名琴的木材，並發現鋁、鉀、鈉等元素異常增加。因此我們推測史特拉底瓦里習慣用明礬（硫酸鉀鋁）與食鹽（氯化鈉）來處理木材 (Tai 2017)。鋁離子的作用可能是與木材纖維形成配位鍵達成化學交聯。而氯化鈉的作用可能是在冬天乾冷的天氣維持濕度避免乾裂。事實上，用明礬與食鹽處理木材，都是古羅馬時代就知道的技術，而且帕拉塞爾蘇斯曾指出，將木材泡明礬，可以有如石頭般硬化保存的效果 (Waite 2005)。

　　我們注意到，第一位將阿拉伯文的煉金術書籍翻譯成拉丁文的歐洲學者，就是來自於克里蒙納的學者吉拉德(Gerard of Cremona)。在十二世紀他翻譯了阿拉伯名著《論明礬與鹽》（拉丁文De aluminibus et salibus；英文On Alums and Salts）(Cremona, 1929)，也因此史特拉底瓦里會使用明礬與食鹽來處理木材是有其歷史脈絡的，而耶穌•瓜奈里的木材的含鋁量甚至更高。克里蒙納作為鍊金術知識的發源地，也一度擁有全歐洲最高的磚造鐘塔，其藥房行業的發達並不是意外。而阿瑪悌(Andrea Amati, c. 1505-1577)在克里蒙納發明了小提琴，成為史上第一位製琴大師，傳承到十八世紀，形成了高級訂製樂器產業聚落。因此，克里蒙納名琴不只是天才與巧合，更可視為化學與製琴兩個產業的合作結果。事實上，歌劇的發明人蒙台威爾第(Claudio Monteverdi)不但出生於克里蒙納，業餘也喜歡研究鍊金術，還從威尼斯訂製玻璃實驗器皿(Monteverdi 1980)。由此可見，在克里蒙納，煉金術與音樂的結合並不奇特。　

　　木材，是地球上蘊藏量最多的有機物質，也是儲存碳元素最重要的機制。木材是高度複雜的複合材料，一般生物難以消化其中的養分，其化學結構與分子排列仍有許多未知的謎題。後代製琴師一向以為史特拉底瓦里所使用的雲杉與楓木，只是自然風乾的木材。直到科學家進行了元素分析實驗(Nagyvary, 1978; Tai, 2017)，才發現它們經過了多種礦物質的處理，形成了一種有機－無機奈米複合材料。史特拉底瓦里名琴是煉金術結合頂尖工藝與天才創作所留給我們的珍貴文化遺產，也讓我們重新地認識到古代化學技術的價值。就算我們利用多種現代化學的光譜與同步輻射技術，都無法明確了解史特拉底瓦里木材內部的原子分子排列情形。

　　由以上的歷史回顧可知，16-18世紀的煉金術，超越了一般所想像的江湖術士與騙人的玄學。更精準地說，16-18世紀的鍊金術應該稱為現代早期(early modern period)的化學，鍊金術士應該稱為現代早期的化學家，代表性的人物包含牛頓。牛頓將鍊金的技術應用於精準的黃金定量分析，對於國際金融與貿易有重大貢獻。而學院以外的現代早期化學家，擅於經營藥房生意，是涉足製造、批發與零售的實業家。在克里蒙納的現代早期化學家，更協助了製琴大師創造出難以被超越的名琴，其中的材料秘密仍有待現代科學家來發掘。在紀念元素週期表150周年的今天，我們應該記得現代早期化學家的卓越貢獻，而不只是他們無法從鉛與銅之中提煉出黃金的失敗案例。

　　其實古代的化學與人類的文明進展與經濟活動息息相關，其中仍有等待我們去發掘的許多秘密。例如油畫的發明人揚·范·艾克(Jan van Eyck, 1390-1441)，他的油畫筆觸比起十六世紀以後的油畫都精細。這是因為他在乾性油之中添加了特殊的樹脂，造成流動性不一樣。他的配方在十六世紀失傳以後，就無法創造出類似的精細筆觸效果。至今我們既不瞭解其秘方也無法複製，利用現代質譜分析也一籌莫展，只能測出含有萜烯類化合物，無法知道樹脂的種類與調和方式。油畫發明的秘密，還有待未來的有志青年挺身而出，解開這個六百年前重大秘密。

　　飲水思源。當我們慶祝門得列夫的元素週期表150周年，紀念現代化學在原子與元素學說上取得重大突破時，也不應該忘記，古代的化學家也曾經過數千年的積累，在技術上不斷創新突破，為人類的物質文明打下基礎。在古代化學領域中，甚至有一些超越現代科技的成就，值得我們去深思與探討。

n  參考資料

1.          Cremona, G. O., & Steele, R. (1929). Practical Chemistry in the Twelfth Century Rasis de aluminibus et salibus. Isis, 12(1), 10-46.

2.          Monteverdi, C. (1980). The Letters of Claudio Monteverdi. Cambridge University Press.

3.          Nagyvary, J. (1978). History and interpretation of chemical knowledge available to violin makers. Journal of he Violin Society of America, 4(3-4), 147-176.

4.          Nagyvary, J., Guillemette, R. N., & Spiegelman, C. H. (2009). Mineral preservatives in the wood of Stradivari and Guarneri. PloS one, 4(1), e4245.

5.          Newton, I. (1896). Sir Isaac Newton’s Mint Reports. Select Tracts and Documents Illustrative of English Monetary History, 1626-1730.

6.          Newman, E. G. V. (1975). The gold metallurgy of Isaac Newton. Gold Bulletin, 8(3), 90-95.

7.          Sutton, M. (2011). Doubts and paradoxes. Chemistry World, 8(4), 46-49.

8.          Tai, H. C. (2009). Stradivari’s Varnish: A review of scientific findings—Part II. Journal of the Violin Society of America, 22, 1-31.

9.          Tai, H. C., Li, G. C., Huang, S. J., Jhu, C. R., Chung, J. H., Wang, B. Y., … & Chan, J. C. C. (2017). Chemical distinctions between Stradivari’s maple and modern tonewood. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(1), 27-32.

10.      Waite, A. E. (2005). The Hermetic and Alchemical Writings of Paracelsus the Great. Kessinger Publishing.