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两位诺奖得主的悲惨人生

两位诺奖得主的悲惨人生
2022年10月24日 20:37 新浪网 作者 石头科普工作室

  历史证明,即使你的发明拯救了上亿的人口,你也不能活得很滋润。

  什么发明可以拯救那么多人呢?

  很简单,化肥,准确的说,是氮肥

  弗里茨·哈伯卡尔·博施就是实现工业氮肥的两个诺贝尔奖得主。

  Food crisis

  粮食危机

  让我们把时间回到十九世纪末。1898年,这一年,英国科学院院长威廉·克鲁克斯给出了一个惊人的预测——如果保持当下的人口增长速度,人类将在 20世纪30 年代左右的某个时间开始大量死于饥饿。

  人口增加,土地有限;地球上只有这么多耕地。人口继续增加,耕种和重新耕种的土壤将慢慢失去肥力,必然会出现大规模饥饿。

  在最开始的时候,各个国家还能靠着鸟粪度过,但是现在购买鸟粪的法子已经行不通了,鸟粪越来越少,而人口越来越多,鸟粪的价格甚至堪比黄金!事实上,为了争夺有肥沃鸟粪的土壤,欧美各国之间已经展开了不少的战争。但是鸟粪毕竟是有限的,在克鲁克斯的演讲发表的时候,大家都已经知道仅靠争夺鸟粪来维持粮食生产已经是不可能的了。

  克鲁克斯说,答案只有一个——合成大量的肥料。世界上没有足够的天然肥料来满足即将到来的 20 世纪的需求,我们必须找到某种方法来制造更多的人工肥料来满足人类的需求。

  “我相信,通过实验室,”他说,“我们可以。”

  Attempts by predecessors

  前辈的尝试

  虽然这个反应看上去及其简单,但是如果你有高中化学知识,你就应该能看出来问题——氮气是三键,破坏三键是一件很困难的事情。在自然界中,只有两种途径可以破坏氮气的三键——第一个就是闪电,闪电短时间内释放的巨大能量能够让一些氮气分子分解成氮的自由基,这些自由基又很快地和氧气发生反应生成二氧化氮;第二种就是生物固氮,最有名的就是根瘤菌,但是这种方法效率实在太慢了,根本不能满足快速增长的人口。

  就像大部分的实验,一般都有前浪的尝试,用氮气合成氨这个实验也不例外。早在1811年,德国化学家希尔德布莱特就尝试用高压来破坏氮气,但没有成功。随后的将近一百年里,也有不少的科学家尝试用高温高压的方法来固定氮,但是效果微乎其微。值得一提的是后面弗里茨·哈伯的撕逼对象瓦尔特·能斯特的导师奥斯特瓦尔德也做过相似的实验,他用高温高压和铁作为催化剂来发生反应,本来都要申请专利了,但是后来卡尔·博施指了实验的致命缺点——奥斯特瓦尔德所用的铁里面本生就含有硝酸铁,而硝酸铁在高温高压下会和氢气反应生成氨气,所以这压根不是氮气和氢气反应,也就是说奥斯特瓦尔德的实验是废品。

  奥斯特瓦尔德这位大佬都失败了,很多人都怀疑通过氮气氢气合成氨气的可能性。但是弗里茨·哈伯不服,他已经在这个问题上花费了五年的青春了,他认为他找到方法了。

  From the lab to the factory

  实验室到工厂

  每当一个被众人怀疑的反应发表的时候,总是少不了撕逼的。哈伯的发现也不例外。我们来介绍一下质疑哈伯的撕逼对象——瓦尔·能斯特。他是发现热力学第三定律的大佬,在哈伯还在大学做研究的时候,他已经在物理化学学界比较有名了。当时的他看到了哈伯的报告,虽然只报告了很少的氨气产出,但是根据他的理论,这个产出应该更少,所以他写信给哈伯,说哈伯的实验数据有偏差,并会在下一次的学术会上提出矫正他的错误。

  哈伯觉得这是奇耻大辱。因此,他重新做了实验,这次的实验用了比能斯特高的高压环境,数据比之前的测量稍微低了一点,但最后的产出比能斯特的数据要高出很多。在学术会上,能斯特讽刺到:“如果哈伯的数据和实验是准确的,那会是非常有潜力的发现,甚至可能用在工业上,只可惜他是错的。”

  接受这个撕逼挑战后,哈伯重新调整了他的实验。之前的实验产出率都不高,为了打脸能斯特,哈伯需要更好的实验结果。他开始尝试新的金属催化剂——常用的金属已经试的差不多了,基本上对氨气的产能都没有很大的提升。于是他趁着自己职务的方便(在一个电灯厂做技术咨询),用了更稀有的金属,包括铂,铀,锇,最后确定了锇能产出最高的产量。这个发现足以让这个行业所有的人感到振奋。这时哈伯的金主巴斯夫(BASF)派了卡尔·博施来让这个过程工业化。哈伯的机器并不大,但是如果想要工业化,一个适用于工业的大机器就会急剧增加工程难度。接下来的几个月,卡尔·博施和他的团队就努力的解决这个问题。

  其中最大的问题就是,他们想要的尺寸的反应室内壁在反应中会裂开,他们尝试了各种不同的方法来阻止这个开裂,但是效果微乎其微。最终,卡尔·博施有了一个大胆的想法:他们一直认为内壁应该是一层,用来承受高温高压,以及阻止氢气和不锈钢发生反应(氢气和不锈钢中的碳原子反应使得不锈钢变得更脆),但是如果有两层的话问题就可以迎刃而解了。一层用来当炮灰,让氢气和它发生反应,另一层承担高温高压。

  第二个问题就是要解决金属催化剂——在实验室里,铂,铀,锇这些极其稀有的金属你确实可以用,毕竟研究用不了多少金属。但是放在工业里,这个成本就不可能实现了。团队里面另一个人也恰好是金属催化剂方面的专家,他尝试了各种合金以后,发现不锈钢中混入一点铝的氧化物,能作为锇的替代品。

  这个时候,哈伯几乎在团队里没有作用了,不过他并不难过,因为这个发明,他已经找到了新的他更向往的去处——重回学术界,当教授,当科学会的领导。不过讽刺的是,这个科学协会的名字叫作KWI,将来会成为迫害犹太人的科学协会之一,而哈伯本人就是犹太人。

  不过那都是后话,现在的哈伯是绝对的爱国者。第一次世界大战开始的时候,作为KWI的项目人之一,他和他的团队开始了制作氯气和其他有毒气体的实验,而德国就是第一个使用化学武器的国家。他可能有过伦理上的考量,但是按照他的说法——“如果我不做的话,别的国家也会有人做的”。而他的妻子克莱尔,也是一个化学家,因为他的爱好战争和对婚姻的失望,在得知了化学武器的投放后,克莱尔选择了开枪自杀。

  The end of Harper

  哈伯的结局

  作为一个狂热的爱国者,同时也是一个犹太人,再结合一下时代背景,基本可以猜到哈伯的结局不会太好。一战之后的萧条,让哈伯发了疯的想要找到赚钱的方式来还上国家欠的钱——当然,这些尝试都没有成功。不久以后,纳粹上台,哈伯以还算体面的方式被开除了所有的职位,这摧毁了他的心理底线还有经济支柱。一个爱国者最后在各个地方辗转,因为他在一战的事迹,很多国家都对他的身份有所顾忌,最后他以一个英国人的身份死在了英国。

  The end of Carl Bosch

  卡尔·博施的结局

  卡尔·博施的结局也并不好多。

  即使你不是犹太人,即使你是个万里无一的人才,如果你得罪了希特勒,你也照样完蛋。卡尔就是那个倒霉蛋。

  在希特勒没上台的时候,他花了很多钱去支持反对希特勒党派上台的报社,当然,效果不是很好,希特勒照样上台了。

  总之,这位老兄非常看不惯希特勒的种族歧视,他认为人的高低贵贱就是需要看才能,这个信念让他从一个普通小厂的儿子,晋升到了全国最大的化学公司的技术总负责人。

  不过现实总是非常魔幻的,它不管你的才能,也不管你的信念。在屡次抗议了希特勒的做法以后,公司为了迎合纳粹政府,在1937年把卡尔正式开除了。要知道,高温高压的合成氨已经为巴斯夫公司带来了前所未有的利润,但是卡尔被公司背叛了。跟哈伯一样,他的信仰也已经崩塌了——他是诺贝尔奖得主,他有着崇高的理想,但是依旧被魔幻的现实打败了。卡尔最后几年在抑郁和酗酒中度过,这个改变了世界的诺贝尔奖得主在1940年死去。

  顺带一提,二战时很多在巴斯夫中工作的科学家在二战以后被判为战犯,在网络上搜索他们的名字的时候,词条里面除了说是德国科学家,紧跟着就是二战战犯。

  参考文献

  Hager, Thomas. The Alchemy of Air: A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler. Broadway Books, 2008. 

  Smil, Vaclav. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT, 2004. 

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卡尔
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