文明的代價——始料不及的發明

趙致真

科學發明無疑是人類最重要的心智活動。只有通過發明，科學的“點子”才能真正“物化”，變成實在而管用的東西并造福人類。歷史上的許多發明家受到緬懷和崇敬，他們的故事代代流傳，但我們很少聽到一個叫米奇里的人。有史學家稱他為“20世紀最聲名狼藉的發明家”，這個評價也許稍欠忠厚和公允。平心而論，我們今天生活中的不少便利，還得益于米奇里的貢獻；但人類面臨的幾項重大環境災難，卻要丁一卯二歸咎于米奇里的“鼓搗”和“折騰”。

乙基汽油功罪錄

如果說“需要乃發明之母”，那么20世紀20年代的美國汽車工業便處在最迫切呼喚發明的生長期。米奇里的老板凱特林1912年發明了汽車的馬達點火，讓用戶擺脫了搖把啟動的費力和危險，令婦女和老人都能成為汽車一族。那時還有個突出的難題，便是氣缸運行中經常發生的“爆震”，即火花塞把壓縮混合氣體點燃后，缸內遠處油氣因高溫高壓而在火焰到達前便自行燃燒產生“逆火”，與“主火焰”相沖撞造成燃燒室壓力失常，并爆出刺耳的金屬敲擊聲。發動機是汽車的“心臟”，這種頻發性“早搏”帶來了功率下降、耗油增加和機械損害。工業界用“辛烷值”作為燃料的“爆震”指標，將極少“爆震”的異辛烷的辛烷值設定為100，極易“爆震”的正庚烷的辛烷值設定為0。燃料的辛烷值越高，抗“爆震”能力就越強。而當年汽油的辛烷值最多達到40，克服“爆震”成為汽車行業發展的當務之急。正是在這樣的時刻，凱特林把繁難使命交給了得意門徒米奇里。

出身發明之家和發明之鄉的米奇里果然不負眾望。他把一臺單缸發動機裝上透明的石英窗口，通過快速照相研究“爆震”中火焰傳播失序的機理。他在反復挫折中逐漸揚棄愛迪生誤打誤撞的“試錯法”，改用以門捷列夫元素周期表為指南的“獵狐法”，沿著碘、硅、鍺、錫等元素逐步逼近目標。1921年12月9日，米奇里終于找到一種提高汽油辛烷值的理想添加劑—四乙基鉛。它廉價、易得、無嗅，10加侖汽油中放進不到1盎司四乙基鉛便能完全消除“爆震”。四乙基鉛一時被譽為“上帝的禮物”。

1923年2月2日，四乙基鉛汽油第一次在俄亥俄州戴頓加油站對公眾出售。次年8月，由通用汽車公司和標準石油公司合資開辦的乙基汽油公司成立，杜邦公司也加入合作，米奇里擔任副總裁。含鉛汽油從此大規模涌向市場，該公司也很快躋身美國前10名化學工業巨頭。“爆震”的消除也帶來汽車銷量激增，讓美國更快成為“車輪上的國家”。據凱特林后來宣稱，含鉛汽油2桶頂3桶用，問世25年來至少為美國節省了10億桶油，相當于進口石油總量。第二次世界大戰中，美國飛機和汽車使用辛烷值為100的含鉛汽油取得巨大的軍事優勢，杜立特B-25轟炸機空襲東京和艾諾拉·蓋重型轟炸機在廣島投下原子彈，都靠100號含鉛汽油“給力”。英國石油部長勞埃德說：“沒有100號汽油，我們不可能贏得戰爭。”米奇里也被尊為當之無愧的國家英雄。

但鉛的毒性自古為人所知。當鉛進入體內后便會“魚目混珠”，被誤當作鈣、鐵、鋅吸收并沉積在骨骼中，造成永久性血液疾病、智力損傷和行為異常，并導致社會犯罪率增加。1924年10月30日，標準石油公司新澤西工廠5名工人因鉛中毒死亡，至少35人被送往醫院搶救，《紐約時報》在頭版進行報道。接著又發生杜邦公司新澤西工廠6人死亡。1925年5月，美國衛生局為此召開會議并組織專家組調查，四乙基鉛汽油一度被迫暫停生產。

米奇里無疑比誰都更清楚四乙基鉛的危險，他自己曾經嚴重中毒，并于1923年到邁阿密長時間療養，但他卻在記者招待會上裝模作樣把四乙基鉛汽油倒在手心，并拿過瓶子放在鼻下，從容不迫地嗅聞1分鐘之久。這種“奮不顧身”的作秀迷惑了不少公眾。特別老謀深算的是，1924年米奇里聘請了辛辛那提大學生理學教授克霍擔任乙基汽油公司首席健康顧問，此后又在辛辛那提大學成立了以克霍為主任的應用生理學實驗室，通用公司、杜邦公司和乙基汽油公司贊助全部經費。這是美國第一家企業背景的大學實驗室。

克霍成了四乙基鉛汽油最忠實的代言人和辯護士。他提出鉛在人體存在純屬自然，可謂“回歸亞當”，還制定出了血鉛含量的標準。在美國衛生局召開的聽證會上，克霍對指控乙基汽油的科學家們說“拿數據來”，這句話成了著名的“克霍范例”。可是，關于四乙基鉛汽油研究的所有數據卻完全由克霍一手壟斷。美國衛生局專家委員會經過7個月的調查，最后結論是：“沒有充分理由禁止使用四乙基鉛汽油。”有了克霍這種健康專家拍胸擔保，又有了美國衛生局綠燈放行，再把令人生畏的“鉛”字從商標上刻意隱去，“乙基汽油”便成了公眾的“放心油”，終于以排山倒海之勢席卷天下了。

一位和汽車工業八竿子打不著的地質學家帕特森，此時正在潛心研究地球年齡。當半衰期為44.68億年的鈾238和半衰期為7.04億年的鈾235分別衰變為鉛206和鉛207時，便能通過兩個衰變鏈計算出所在巖層的生成時間，這被稱為“鈾鉛測年法”。帕特森發現，只分析鉛206和鉛207的比例，就能得到測量結果，首創了更為精確的“鉛鉛測年法”。1953年，帕特森對撞擊出巴林杰隕石坑的代亞布羅峽谷隕石標本進行分析，1956年1月23日發表了著名的論文—《隕星和地球的年齡》，確定地球年齡為45.5億年（±7000萬年），而不是先前公認的33億年。從此人類準確知道了地球“母親”的“高壽”。帕特森一直對巖石標本中鉛元素的巨大誤差心存疑慮。接下來帕特森開始追蹤大洋沉積的地質年代，發現地面環境中的鉛含量比海底高出80倍。1970年進一步研究格陵蘭和南極大陸冰芯，檢測出大氣中鉛含量比一個世紀前增加了百倍。帕特森再接再厲，化驗了1600年前的秘魯人骨骼，證明現代人骨骼中鉛含量是古人的700～1200倍，而骨中鈣和鋇的含量不變。對地球環境的憂慮和對人類健康的關切，驅使帕特森走出“象牙之塔”，徹底改變了此后的職業生涯，成為反對鉛污染的主將和旗手。

1970年，美國環境保護局發布了空氣清潔法令，開始對機動車尾氣排放做出規定。1973年確定逐步淘汰含鉛汽油的環境政策。乙基汽油公司曾在1974年對環境保護局提起訴訟并占據上風，但公眾覺醒終于勢不可擋，法律開始認同在環境問題中無須“拿數據來”的“預警原則”。與此同時，取代含鉛汽油的異構化、烷基化等技術不斷出現，汽車廠商開始大批設計生產無鉛汽油發動機。1986年，美國市場98%的汽油已經不再含鉛，世界各國先后出臺了限制和禁止含鉛汽油的法令。雖然亡羊補牢，畢竟覆水難收，僅20世紀70年代的美國，每年要向環境排放20萬噸鉛。后世人雖不認識米奇里，但卻必須為他帶來的環境債務“買單”。

氟利昂的“無心之過”

米奇里還有一項重大發明，雖然是無心之過，卻也捅下了“天大”的婁子，那便是今天婦孺皆知的氟利昂。

冷凍技術是在一戰后迅速成為熱門行業的，當時的制冷劑阿摩尼亞、氯甲烷和二氧化硫等不僅有毒而且易燃，制冷設備也非常笨重、昂貴和危險，極大影響了普及和使用。1929年5月15日，美國克利夫蘭醫院制冷系統氯甲烷泄漏引起爆炸，造成125人死亡。身為通用公司研究所主任的凱特林決定主攻制冷劑的改進，他再次把重任交給正在研究合成橡膠輪胎的米奇里。

比起花5年時間發現四乙基鉛功效的艱苦歷程，米奇里尋找制冷劑可謂馬到成功。他靠著對元素周期表橫排豎列的通曉和推究，從已有制冷劑的化學結構出發，很快把目標鎖定為鹵族元素中氟的有機化合物。經過有限的幾次實驗，僅3天功夫就逮住了二氯二氟甲烷，后來杜邦公司給它取了個商業名字氟利昂。

在1930年4月召開的美國化學會年會上，米奇里深吸了一口氟利昂氣體再緩緩吐向燃燒的蠟燭，火焰瞬時熄滅，再次用現身說法來證明氟利昂無毒和不可燃。氟利昂化學性能十分穩定，沸點為-29.8℃，確實是壓縮制冷最理想的工質。

通用公司和杜邦公司立即合資成立動力化學公司并任命米奇里為副總裁。世界制冷行業從此進入了“井噴期”，不僅千萬臺電冰箱進入尋常百姓家，解除了食品保鮮的困擾，而且為藥物和疫苗生產、貯存和運輸提供了可靠的“冷鏈”，挽救了無數生命。空調則打破地域和季節限制，實現了小環境的“同此涼熱”。氟利昂對人類生產、生活各層面的改變是難以估量的。

氟利昂的另一項大用場卻遠非凱特林和米奇里所能預期。由于無毒、無嗅、無味、無腐蝕和不燃燒，常溫下只需施加很小的壓力就能液化，因此氟利昂成為最佳的氣霧噴射劑，比聽裝啤酒還安全簡便。無論涂料、發膠、香水、皮鞋油、清潔劑、除臭劑、防蛀劑、殺蟲劑……五花八門的物品爭相選用氟利昂作為噴灑的動力和載體。人們戲稱生活已經進入了摩登的“按鈕世界”。

1970年，愛爾蘭科學家洛夫洛克對氟利昂究竟去了哪里感到困惑。洛夫洛克曾提出生命和環境自我調控和共同演化的“蓋亞理論”，他用自制儀器四處測量，發現大氣中氟利昂竟無處不在。洛夫洛克又專程赴南極追尋氟利昂的蹤跡，并于1972年在科學會議上發表了觀測結果，首次引起廣泛關注。美國加州大學化學教授羅蘭德決定和學生莫利納共同展開研究。他們通過整合化學知識和建立數學模型，進行了精確演算和模擬實驗，最終推導出一個不寒而栗的結論：地球將面臨“塌天之禍”！

在地球大氣圈20～50千米高處的同溫層中，紫外線的光解作用使氧氣和臭氧保持著動態平衡。臭氧只占空氣總量的千萬分之三，如果置于標準大氣壓下只有3毫米。但這個“蟬翼之薄”的臭氧層卻是我們“得天獨厚”的保護傘，能吸收99%的短波紫外線，讓地球上萬物蒼生免遭傷害。人類釋放到環境中的氟利昂分子會在大氣中游蕩40～150年，雖然比重大于二氧化碳，卻能靠著大氣運動擴散到同溫層，并被紫外線打開化合鍵釋放出氯離子，和臭氧反應生成一氧化氯和氧氣。接著一氧化氯再和氧離子結合生成氧氣使氯原子“脫身”。如此循環往復，一個氯原子足以催化破壞10萬個臭氧分子。1974年6月28日，羅蘭德和莫利納在《自然》雜志發表論文《同溫層因氟利昂而沉陷——氯原子對臭氧的破壞》，向全球正式拉響了緊急警報。

這對于化工界來說無異于“禍從天降”，氟利昂產業僅在美國就價值80億美元，直接雇傭60萬員工，相關勞動崗位達140萬。1975年6月30日，占美國氟利昂生產總量一半的杜邦公司在《紐約時報》刊登整版廣告，揚言對氟利昂的指控缺乏科學依據。同年，美國化工制造業協會委托世界頂級的公關公司，策劃了邀請英國帝國學院著名大氣污染專家斯考諾到美國進行為期6周的旅游。斯考諾在電視上發表演說，指責羅蘭德和莫利納是“末日預言者”，宣稱“大氣具有足夠的承受力自我凈化”，然而卻沒有拿出一篇科學論文。1975年，高空氣球和飛機都在同溫層探測到氟利昂。大氣化學家安德森1976年捕捉到同溫層的氯離子和一氧化氯離子，將氟利昂破壞臭氧活動抓了個“現行”。不過，真正令天下嘩然的鐵證，是一位默默無聞的英國氣象學家法曼提出的。

法曼在南極哈雷灣株守著一臺老舊的多布森光譜儀，坐了28年“世界最冷的板凳”，忠實記錄著來自天空紫外線的數據。1982年記錄顯示短波紫外線急劇增強，說明臭氧層明顯稀薄。1984年9～10月法曼用更新的設備在哈雷灣和其西北1000千米處的阿根廷島分別測量，記錄均顯示臭氧層已經損失40%。向來低調謹慎的法曼得出結論，南極臭氧層出現了巨大的“空洞”！就這樣，一個最冷僻的科學哨所做出了最驚心動魄的發現。1985年5月16日，《自然》雜志刊登了法曼的論文。1985年8月布拉格會議上，疏忽多年的美國國家航空航天局（NASA）展示了第一張南極臭氧空洞衛星圖像，“塌陷”面積超過了美國領土。氟利昂的“彌天大罪”被再次坐實并讓人過目難忘了。

1987年9月16日，24個國家簽署了“蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書”。隨著新的“災情”被接踵發現以及人們對氟利昂的認識不斷加深，蒙特利爾議定書的修正案一次次更加嚴格和緊迫。杜邦等化工巨頭們與其說良心發現，毋寧說懼怕皮膚癌、白內障患者增加帶來的索賠和起訴。如今全世界196個國家已先后參加締約，聯合國前秘書長安南稱之為“史上最成功的國際協議”。按照時間表，發達國家和發展中國家分別于2030年和2040年前徹底禁絕氟利昂的生產和消費。空中積蓄的氟利昂將和我們長期共存，臭氧層的“愈合康復”至少要等到2050年以后了。

大氣的鉛污染和臭氧層破壞這兩場浩劫，居然都戲劇性地起源于米奇里一人，歷史上大約找不到第二個類似的傳奇案例。米奇里生前獲得過美國幾乎所有的化學獎，臨終前仍擔任美國化學會主席。他1940年患上小兒麻痹癥，1944年11月2日，被自己設計的從床上移動到輪椅的繩索滑輪裝置勒死，終年55歲。恩師凱特林在為米奇里寫的傳記中深情地說：“米奇里用辛勤、豐富和創造性的一生，為世界留下了偉大的遺產。”環境歷史學家麥克尼爾則說，米奇里是“地球上有史以來對大氣破壞最嚴重的個體生物”。米奇里是否料及含鉛汽油的危害程度姑且弗論，他和同儕確實做夢也沒想到氟利昂會和臭氧層扯上瓜葛。科學家該如何面對自己的歷史責任和社會擔當，米奇里的“悲劇”值得永遠銘記和深思。