前言
你好，欢迎每天听本书。今天为你解读的书是《元素与人类文明》。
说起元素，大家肯定都不陌生，还知道很多元素的用处。比如，呼吸离不开氧元素，炼钢离不开铁元素，手机电池离不开锂元素。如果把人类文明比作一座大楼，那元素就是盖楼的砖块。换句话说，元素是人类文明发展进步的物质基础。
绝大多数时候，元素都和理工类知识联系在一起，但今天这本《元素与人类文明》不一样，它深入探讨了“元素”与“人类文明”的关系。这本书把金、铜、硅、碳、钛这五种元素作为主线，展现元素对文明发展的重要意义。通过这本书，我们会发现，每种元素都能折射出人类社会的不同侧面，比如，金折射的是人类的物质欲望，铜折射出经济的供需矛盾，硅折射了技术的变迁，碳折射了人类生活方式的改变，而钛则体现出人类不断追求卓越的努力。
这本书不仅能增进我们对这些元素的了解，还能帮助我们理解，为什么元素能推动文明的发展：不同元素就像不同的工具，为我们提供了解决问题的选项。从这个意义上说，文明进步的过程，其实就是人类更好地使用不同元素的过程。
本书作者是青年科普作家孙亚飞，他在清华大学化学系获得了博士学位，发表了超过百万字的科普作品。同时，他也是得到三门课程的主讲人。这些课程都与化学和材料学有关，感兴趣的朋友们可以去找来听一听。
好，话不多说，接下来我就通过三个部分，为你介绍这本书的主要内容。
第一，人类是如何逐渐认识元素的？
第二，金、铜、硅如何推动古代文明发展？
第三，硅、碳、钛如何推动现代文明进步？
第一部分
我们先来说说，人类是如何逐渐认识元素的？
自打文明诞生，人就没有停止过对世界的思考。古人发现，不管物体有多小，都能被分成更小的部分，那是不是存在物质的最小组成单位？这些最小组成单位之间，又有哪些规律呢？正因为有了对这些问题的思考，人才形成了最初的元素观。
在西方，亚里士多德总结前人的理论，提出了“四元素论”。他认为，世间万物都是由“土、气、水、火”这四种基本元素组成的。在古代中国，比较类似的元素理论是“五行学说”。这个学说认为，任何一个系统都是金、木、水、火、土这五种基本元素相互作用的结果。不管“四元素论”还是“五行学说”，都体现了古人对元素的朴素思考。
“四元素”理论被提出两千多年后，人们开始科学地认识元素。1803年，英国科学家约翰·道尔顿提出了原子和元素理论，他认为，原子是构成世界万物的本源，是不可分割的最小单位，大小、性质完全一样的原子，属于同一种“元素”。虽然在今天看来，这个理论存在错误，但在当时已经是非常超前的认知了。没过几年，意大利科学家阿伏伽德罗在原子的基础上，提出了分子的概念，进一步揭示了化学反应的本质，那就是：化学反应就是不同分子里的原子重新排列组合的过程，原子是反应过程中不变的最小单位，而分子则是保持特定化学性质的最小单位。
在原子和分子概念的基础上，科学家们开始着手确定元素的种类。到了1869年，人们发现的元素已经达到了63种。这时，很多科学家开始跃跃欲试，试图找到这些元素的分布规律，于是就出现了很多版本的元素周期表，比如，螺旋式周期表、表格式周期表等等，但这里面真正的集大成者，要数俄国化学家门捷列夫提出的版本。
门捷列夫不是第一个制作元素周期表的科学家，但他是第一个感知到元素分布规律，并成功预测出元素周期表里未知元素的人。他的预测，后来逐个应验，元素周期律的面纱正是从他手中揭开。由于时代的局限，门捷列夫对元素的理解只停留在元素周期律，而且，他排列元素的依据也不够科学，但这些都无法否定他古典元素理论最高峰的地位。自打门捷列夫之后，元素理论进入到了现代发展阶段，后世者在他的基础上，把人对元素的理解推向更深处。
最初，道尔顿提出原子理论时，人们很自然地认为，原子既然是不可分割的最小单位，那它肯定是一个实心小球。但1897年，英国一位科学家约瑟夫·汤姆生发现，原子并不是实心的，内部还有电子，于是他修正了实心小球的模型，提出了葡萄干面包模型。他认为，原子存在内部结构，电子就像面包里的葡萄干一样分布在原子内部。后来，他的学生卢瑟福通过实验发现，原子内部不仅不是实心的，而且还非常空旷，原子的主要质量都集中在体积很小的原子核里。所以在1911年，卢瑟福又提出了原子的行星模型，认为电子像行星围绕恒星旋转一样，会绕着原子核不断运动。
此后，卢瑟福又发现了质子，而他的学生查德威克发现了中子。至此，质子和中子构成原子核，原子核与核外电子共同组成原子的经典原子理论正式形成。而元素也被科学定义为，具有相同核内质子数的一类原子的总称。比如，原子核里有6个质子的原子就统称为碳元素。
随着量子力学的发展，后世的科学家们进一步修正了原子的结构模型。他们发现，电子并不会像行星一样绕着原子核转，而是会按概率随机出现在原子核附近的某个位置，电子的运动轨迹就像一朵包围在原子核外层的云雾。于是，科学家们提出了原子的电子云模型。至此，人们对元素和原子的认识终于走向完善。
人类认识元素的过程，其实可以用一句话来概括，那就是：大胆假设、小心求证。不管是四元素论、葡萄干面包模型，还是行星模型，都源自科学家们的大胆假设，而元素理论能够不断得到修改，直至最终完善，其实是无数次实验与观察求证的结果。人类认识元素的过程证明了，科学成果的获得不是一蹴而就的。
第二部分
回顾完人类认识元素的过程，接下来，就让我们先把目光投向古代，通过金、铜、硅这三种元素的例子，来看看它们是如何助力人类古代文明发展的？
马克思说过：金银天然不是货币，但货币天然是金银。这足以体现金银在人们心中不可替代的地位，其中最重要的恐怕就是黄金了。但你有没有想过，为啥黄金能不分国界地获得所有人的推崇？
根源来自黄金独特的物理化学性质。金是元素周期表上的第79号元素，特点非常鲜明。从化学性质上讲，金非常保守、稳定，很难跟其他元素发生化学反应，所以也就很难被腐蚀。在自然界中，金这种元素基本上都以闪亮的纯金状态存在。而其他金属元素中能做到这一点的寥寥无几，只有铂、银等少数几种。而且，绝大多数纯金属都是银白色的，如果是粉末状态的话，灰黑色居多，唯独黄金，不管是整块还是粉末，都能呈现出璀璨的金色。更重要的是，黄金在地壳中的含量实在是太少了，就算是金矿，一吨矿土里一般也就只有几克黄金，所以黄金也自带稀缺性。
一种物质既闪亮耀眼，又能长期保持稳定、不氧化不褪色，同时还很稀有，可想而知，这种物质会被视作珍宝。所以，所谓的“货币天然是金银”也就很容易理解了。在全世界范围内，黄金都是通用的文化符号，它体现了财富、尊贵和完美。比如，数学艺术领域的完美比例被称为黄金比例，体育领域的最高荣誉是金牌，古代帝王则把金色划归为皇家的专属颜色。
不过，黄金对人类古代文明的推动，可并没有止于装饰和符号，它还常常作为欲望的化身，不经意间改写人类的历史轨迹。
1510年，西班牙有个落魄贵族叫巴尔博亚，为了躲债违法乘船去往美洲。他本该因此被流放，但因为带领船员屠杀了一群印第安人，搜刮了土著的黄金，所以他被推举成殖民队伍的首领。黄金就是这么有魔力，它让巴尔博亚从罪人瞬间变成领袖。尝到甜头的巴尔博亚自然不会满足，为了找到更多的黄金，他开始费尽心思寻找传闻中的“黄金国”。在印第安人的指引下，他穿过巴拿马的山峦，最终发现了一片一望无际的大洋，虽然他最终没能发现黄金国，但在黄金的驱使下，欧洲人第一次穿越巴拿马地峡并发现了太平洋，自此，人类的环球旅行再也不是遥不可及的梦想。
然而，巴尔博亚的故事并没有一个好结局，没过几年，他就被自己曾经的亲信皮萨罗所刺杀。皮萨罗这么做并不是为了主持正义，而是为了获得更多黄金。在他的带领下，西班牙殖民者决定进攻美洲的印加帝国，他们在获得大量黄金后，处死了印加帝国的国王。但天道轮回，几年后，皮萨罗也被他昔日好友的部下杀害。
巴尔博亚和皮萨罗的宗主国西班牙，在美洲获得了大量黄金，一时间风头无两，但黄金的大量流入严重冲击了西班牙国内的金融系统。为了保护运送财富的商船，西班牙政府还得维持庞大的军费开支。最终，黄金没能让西班牙更加强大，反倒让它在内忧外患中，被英国击败，彻底失去了海上霸权。
你看，黄金作为欲望的化身，不仅给欧洲人带来探索未知世界的动力，也让无数人最终被欲望反噬，它对人类古代文明的影响无疑是多面的。如果说金元素带给了古代文明欲望与动力，那接下来要讲的铜元素，则为古代文明提供了生产生活中相当实用的物质基础。
说起对人类古代文明影响最大的元素，可能非铜莫属。与金相比，铜的化学性质要活泼得多。自然界中的铜矿基本都以化合态存在，因此，要想获得铜金属就得先进行冶炼。铜矿石的颜色往往是非常鲜艳的青色或红色，很吸引人的眼球，在炭火的烧灼下，有些铜矿石能直接分解产生金属铜。换句话说，铜的冶炼难度比较小。所以，我们就可以理解，为什么全球各个成熟文明的冶炼技术，基本上都是从炼铜技术开始。
不过，由于纯铜的质地比较柔软，容易变形，所以对古人来说，炼出来的铜金属一开始并不好用。后来，两河流域的居民们发现，把铜和锡混合到一起，可以获得青铜，它质地坚硬、实用性强，这时候，铜才真正开始发挥自己的影响力。除了青铜以外，铜和锌组成的黄铜，铜和镍组成的白铜，也都有各自的用途，充实了铜合金的使用范畴。这些铜合金不仅大幅提升了社会生产力，还促进了职业工匠的出现，继而造就了更大范围的社会分工，进一步推动古代文明的演进。
不过，铜对文明的影响可不只是体现在积极方面。铜曾经给古代中国带来过一个长久难题，那就是钱荒。顾名思义，就是市面上流通的钱太少，没有足够的钱来供大家使用。我们知道，钱太多会导致通货膨胀，所以反过来，钱荒本质上就是通货紧缩。那铜是怎样导致钱荒的呢？
回答这个问题要从唐朝说起。最初的钱荒发生在唐朝开元年间。此前，经过了初唐几十年的太平盛世，整个社会的商品生产空前繁荣，人们需要更多的钱来进行商品交换。然而，铜是古代中国货币的主要成分，铜的产量有限，货币的铸造量也就有限，当社会上流通的铜钱数量跟不上人们的需求时，钱荒就出现了。
可能会有人问，难道不能用其他金属来铸钱吗？古人不是没想过，但其他金属还真不行。比如，黄金白银这些贵金属本身产量就少，把它们作为货币，钱荒会更严重。而用铁的话，它的产量又过大，而且用铁铸币成本太低，很容易导致假币泛滥。在唐朝以前，铜矿的开采速度和社会经济的发展速度基本匹配，所以没有出现钱荒。但铜的产量毕竟有限，社会经济一旦快速发展，铜就会供不应求，钱荒的出现也就在所难免。
还有一个原因是，铜在生产生活中用途广泛，既可以用来造币，也可以制作器物，发生钱荒，铜供不应求时，它本身的价值会超过它作为货币的面值。这时候，人们会意识到，与其把铜钱花掉，不如把铜钱熔化用来制作其他器具，这样反而更加划算。于是，钱荒进一步加剧，原本就不畅通的货币流通变得更堵塞，社会经济的发展就会受到严重制约。
我们可以看到，铜元素对古代文明的影响相当复杂深远，相比之下，另一种元素更加单纯，它直接促进了古代中国的经济发展，还成就了日后中国的一个重要文化符号，这个元素就是硅。
在元素周期表中，硅排在第14位，最外层有4个电子，这种结构让硅有很强的包容性，能和很多其他原子形成稳定的四面体结构。在这些四面体中，每两个硅原子之间还可以插入一个氧原子，在结构不变的前提下，形成二氧化硅或者硅酸盐，也就是石头的主要成分。原始人在大约200万年前就开始制造石器工具，从这个角度来讲，硅是人类最早有意识使用的元素之一。而在古代中国，硅元素有着更重要的应用，那就是制造陶瓷。
陶瓷的原材料是黏土，黏土是一类富含有机质的硅酸盐，一旦受热就会变硬，这个特点让它可以用来制作各种器具，也就是陶器。在陶器的基础上，古人渐渐开始追求艺术性，对颜色有了偏好，他们发现，如果使用比较纯净的，只含有硅、氧、铝三种元素的高岭土作为原材料，烧制的陶器会呈现出干净的白色，如果烧制的温度达到1200℃，陶器的内部结构就会变得更加致密，表面会变得更加平滑有光泽，变成更加精致的瓷器。从这个角度来讲，硅元素成就了瓷器，也成就了古代中国的一个重要文化符号。
第三部分
刚才我们讨论了元素对古代文明的影响，可以看到，人类文明是在与元素的复杂互动中逐渐进步的。古代如此，现代又是什么样子的呢？接下来，就让我们把目光移到现代，继续通过三个元素的例子，看看硅、碳、钛是如何推动人类现代文明进步的？
没错，这部分我们讨论的第一种元素还是硅，因为它在人类文明发展过程中，扮演着承上启下的角色。它既是古代文明发展的载体，也是现代科技发展的基石。硅能做到这一点，还得归功于由它组成的一种物质——玻璃。
我们知道，玻璃的最大特点是透明，它为什么能呈现出透明状态？背后的具体机制比较复杂，简单来说就是，玻璃的主要组成元素是硅和氧，二者能形成一种特殊结构，这种结构不会吸收可见光，因此，光线就能穿透玻璃，让玻璃变得透明。透明这个特质给玻璃带来的用途可太多了，不仅能用来制作窗户，它还有着神奇的光学特性，比如，凸起的玻璃可以用来制作放大镜。后来的科学家们在放大镜的基础上，又陆续发明了显微镜和望远镜，借助这些新工具观察到了微观世界和浩瀚宇宙，从而大大推动了光学、生物学和天文学的发展。玻璃透明、耐酸碱的特点，也让它成为观察化学反应的最佳容器，在玻璃的帮助下，化学研究也得以迅速发展。
刚刚这些还不是硅元素的全部功劳，进入信息时代之后，硅元素更是大放异彩。今天我们用的太阳能电池板，就都是由硅晶体制造的。因为由纯硅组成的硅晶体，可以与光发生作用，激发出游离电子，再形成电流，达到发电的效果。同时，硅晶体也是出色的半导体，可以应用在电路的逻辑计算过程中，所以，它又成为今天我们制造各类芯片的必需材料。毫不夸张地说，人类的信息技术能有今天的发展，硅元素是头号功臣。
如果说硅元素为现代社会提供了科技发展的物质基础，那么接下来要说的碳元素，则为我们提供了现代的生活方式。
在元素周期表里，碳元素排行第6，它最外层有4个电子，和硅元素一样，可以与其他原子形成4个化学键。同时，因为碳原子的直径比较小，能和其他原子结合得更加结实，形成数量庞大的各类分子。含碳分子中，除了二氧化碳等少数几种外，绝大多数都被统称为有机物。有机物家族极其庞大，迄今为止，人们发现的有机分子已经超过1亿种，而其他一百多种元素构成的无机物分子，加起来也不过十几万种。正是这些种类众多的含碳有机分子，构成了现代生活方式赖以维持的基础。
碳元素对食物的意义不必多说，糖类、油脂和蛋白质这些食物的主要成分，都是在碳元素的基础上形成的，没有碳元素就不会有美食的存在。我们穿的衣服，材质几乎也都属于含碳有机物，不管是原始人用来遮羞的树皮兽皮、古人穿的棉麻丝毛，还是今天的涤纶、尼龙等新型材料，都是碳元素给我们的馈赠，要是没有碳，我们就真没什么可穿的了。
碳还通过燃烧自己，为我们的生活提供了宝贵的能量来源。现代生活处处离不开电，在很多国家，电力主要来自煤炭燃烧，而煤炭的主要构成元素是碳；不管是汽车、飞机还是轮船，都要靠石油产品来驱动，而石油的主要构成元素同样也是碳。碳元素的存在，为人类的现代文明注入了源源不断的动力。
不管是刚才的金、铜，还是硅、碳，人类认识、使用它们的时间都已经比较长了，相比之下，接下来要讨论的钛，还是人类的新朋友。
钛是一种性能优异的金属元素，享有“航天金属”“海洋金属”等美誉，人类利用钛的时间比较晚，直到二战结束后才开始大规模使用，这主要是因为钛的冶炼难度比较大。它在地壳中的含量并不少，在金属元素中仅次于铁、铝和镁。随着冶炼技术的成熟，钛很快就表现出了它无与伦比的性能。
1949年，借着二战期间飞机制造技术迅速发展的东风，英国人推出了第一款喷气式客机“彗星”。彗星客机的出现让航空旅行的速度大幅提升，人们原本以为这是一个划时代的产品，可接下来短短几年时间里，彗星客机接连发生了三次空中解体事故。这明显不是偶然，而是飞机本身存在严重的设计问题。
问题出在哪儿呢？经过排查，人们发现根源在于金属疲劳。所谓金属疲劳，其实是一种十分形象的描述，指的就是金属材料在经过长期使用之后，内部产生了一些微小的裂痕，导致强度下降的现象。金属疲劳其实很常见，比如，我们反复弯折一根铁丝，那铁丝就会在弯折处断开，这就是金属的疲劳效应。二战期间，飞机机身主要由钢材和铝材制造，由于铝的密度更小，能减轻飞机的重量、提高飞行速度，所以，设计师们在研制彗星客机时，使用了更高比例的铝材。但他们忽略了一个重要问题，那就是铝的抗金属疲劳能力比较差，遇到高温时更差。客机在高速飞行状态下，会持续面临严重的疲劳效应，所以，大量使用铝材的彗星客机，机身很容易达到疲劳极限，从而在空中解体。
既然找到了问题所在，那该如何解决它呢？这时候，钛合金进入了人们的视线，它完美地兼具了密度小、强度大、抗金属疲劳能力强这几大优势，仿佛天生就是为制造飞机而生的。因为出色的性能表现，从20世纪50年代开始，用钛量成了评价飞机先进性的重要标准。比如，1958年的波音707客机全机使用81千克的钛合金，1962年的波音727猛增到了590千克，但还不到机身比例的10%，1995年的波音777型客机的用钛量达到了近5900千克，占机身比例11%，而美国最先进的F-22战斗机，两台发动机就各用了5吨钛合金，全机的用钛量达到了41%。这足以体现出钛元素在航空工业中所占的重要地位。
钛不仅可以上九天揽月，也擅长下五洋捉鳖。钛是少数几种能抵御海水侵袭的金属，用钛合金制作的设备，在海水中长期浸泡也不会被腐蚀，因此，钛也被广泛应用在海水淡化、矿产开发、潜水器制造等多个领域。我国的“奋斗者”号深海探测器在2020年实现了万米深潜的目标，它的外壳主要就是由钛合金组成的。
除了刚才这些优势，钛合金还有着出色的生物相容性，由钛合金制成的骨骼材料植入人体后，能很好地和人体结合，极少出现免疫排斥反应。如今，人造钛合金器官已经相当普及，每年都有数百吨的钛，用来加工各类手术的植入体，近年来迅速发展的3D打印技术，更是让钛合金植入体的应用场景大大增加。
结语
到这里，《元素与人类文明》这本书的主要内容就讲得差不多了。
通过这本书，我们了解到，人类的文明史，其实也是人类认识元素、使用元素的进步史，不同元素曾给人类文明带来过不同的深远影响。金驱使过我们的原始欲望，让人发现新的天地；铜促进过古代社会的技术进步，为我们带来了更好用的器具和更普及的货币；硅通过不同的形态助推我们的文明，让瓷器和芯片成为古今的文化符号；碳为人类发展注入了源源不断的动力，方便了我们每个人的衣食住行；钛则帮助我们不断攀登技术的高峰，实现遥望已久的海天梦想。
回顾历史，元素与人类文明之间的交响乐精彩绝伦；展望未来，还有更多未知的旋律高潮值得我们期待。今天的人类已经发现了元素周期表上的前118号元素，同时，仍未停止对新元素的探索，已有的元素有何新用途？未知的元素又有何新性质？虽然这些问题的答案还不得而知，但可以肯定的是，元素与人类文明之间的联系，在未来只会愈发紧密。
