世界重启：大灾变后，如何快速再造人类文明

我们经常会听人说起工业革命和那些机械装置的奇妙创新，减小了人类劳动强度的同时，也极大地加速了18世纪社会的进步和转型。然而对于向先进社会的转变而言，发明新的化学方法，大规模合成对于社会运行来说至关重要的酸、碱、溶剂和其他物质，重要性并不亚于自动化的纺纱机和织布机以及制造轰隆运转的发动机。

本书中提到过的很多重要必需品，都需要用同样的反应剂来促使采自环境的原材料转变成需要的货物和产品。随着复原过程中人口规模一代代地增长，我们介绍过的原始方法将无法满足对这些重要物质的需求，因而有着阻碍进一步发展的危险。

在这里，我们将关注两种物质的制造。如今已成为发达世界的西方，在历史上曾经悲惨地受到这两种物质的制约：18世纪晚期的苏打和19世纪晚期的硝酸盐。到了后末日时代，保证这两种物质的充足供应，也会不可避免地成为社会的必备能力。那么，一个恢复中的社会该如何解放自己，不再受困于从灰烬中提取苏打或者从粪便中提取硝酸盐的窘境呢？让我们从大规模合成苏打开始讲起，在我们的历史上，这种能力标志着工业化学的开端。

我们已经介绍过，纯碱（碳酸钠）是一种至关重要的化合物，全社会很多种生产活动都会使用到它。作为一种不可替代的熔剂，它可以熔化沙子制造玻璃（当今全世界超过一半的碳酸钠产量都被用于制作玻璃），被转化为火碱（氢氧化钠）之后，在制作肥皂以及分离造纸用的植物纤维的工艺中，也是核心化学反应的最佳助力剂。玻璃、肥皂和纸是文明的支柱，自从中世纪以来，我们就在依赖一种廉价而且能够持续供应的碱来制造这些物资。

传统上，人们使用的碱是木材燃烧后提取的草碱，到了18世纪，欧洲大部分地区的森林都已经遭到了砍伐，这就意味着草碱必须从北美洲、俄罗斯和斯堪的纳维亚半岛进口。不过对很多应用而言，纯碱更加合适一点（用纯碱制造的火碱是一种远比苛性钾更强的水解剂）。在西班牙，人们焚烧当地的钾猪毛菜提取纯碱，在苏格兰和爱尔兰的沿海则是焚烧被暴风雨冲刷上岸的海带。碳酸钠还可以从埃及干湖床的矿物泡碱沉积物中开采。然而到了18世纪后半叶，随着欧洲人口和经济的增长，对苏打的需求开始超过了这些自然资源的供应能力，而这样的情形也将注定发生在重建的社会中。普通海盐和纯碱在化学上是亲戚^[5] ，那么你能否将一种从本质上讲无穷无尽的物资，转化为具有重要经济价值的商品呢？

法国化学家尼古拉斯·吕布兰（Nicolas Leblanc）在18世纪开发出了一个简单的两步操作方法。这个方法是用盐和硫酸反应，然后把生成物与粉碎的石灰石和木炭或者煤炭混合，在火炉中烘烤到大约1000℃，形成一种黑色的灰状物质。你所感兴趣的碳酸钠是溶于水的，所以可以采用从海藻灰烬中提取它的方法，将它浸泡出来。然而，尽管吕布兰的这个方法可以很容易地把盐变成苏打，使你不必再受到燃烧植物或者矿物储量的限制，但它其实非常低效，而且会生成有毒废料。^[6] 所以在理想情况下，重启中的文明应该会希望越过这个简单却浪费的方法，直接采纳更加高效的体系。

氨碱法略微复杂一点，但是巧妙地采用了氨来形成闭环：它使用的试剂在体系中是循环的，最大限度地减少了那些造成浪费的副产品，也减少了污染。氨碱法的核心化学反应是这样的：当一种叫作碳酸氢铵的物质被加入浓盐水中后，碳酸氢离子就会被置换到钠离子上，结合成碳酸氢钠（和制作烘培食物时用的发酵剂是一样的），而碳酸氢钠只需要加热就可以变成纯碱。实现这个过程的第一步，是让浓盐水流经两座塔，将氨气和二氧化碳分别通入两座塔，溶解到浓盐水中，并结合生成关键的碳酸氢铵。与盐发生的置换反应生成碳酸氢钠，这个产物不溶于盐水，因而会形成有待采集的沉淀。氨是这一步骤的重要原料，因为它保持着盐水的碱性，从而确保了苏打的碳酸氢化物无法溶解，干净利落地把这两种盐分离开来。

这一起始步骤用到的二氧化碳，是在熔炉中烘烤石灰石制得的（我们在“物资”一章中介绍过如何为制作砂浆和混凝土烧制石灰，其方法与此完全一致）。苏打被提取出来后，烘烤留下的生石灰被加入盐溶液中，重新生成了一开始通入的氨，可被再次使用。所以总体上来说，氨碱法只消耗氯化钠和石灰石，除了有价值的苏打，还会生成氯化钙这种副产品。在冬天，氯化钙可以撒在路面上做除冰剂。这一优雅的自维持系统，仅仅利用了相当简单的原始化学步骤，就实现了重要的氨的再利用，到今天仍然是全世界苏打的主要来源（除了美国，因为怀俄明州在20世纪30年代发现了大型碳酸钠矿藏）。对于复原中的文明来说，氨碱法提供了一个绝佳的机会，可以避免采用那些效率偏低，而且会产生有毒污染物的苏打制取法。

氨碱法把来源丰富的元素纳（普通食盐）转化为重要的碱性化合物苏打。但是用不了多久，不断发展的文明就会遇到另一种重要物资供应有限的问题。如今维系着我们所有人生存的一项基本化学生产过程与元素氮有关，并涉及将一种普普通通的低廉物质不可思议地转化成具有极高价值的产品。

就每天直接影响到的人数而言，20世纪最重大的技术进步不是飞机、抗生素、电子计算机或者核能的发明，而是一种有臭味的卑微化学物质的合成方法：氨。我们在本书中已经看到，氨和与之有关（因此可以用化学方法相互转换）的含氮化合物硝酸及硝酸盐，是支撑文明发展的化学基石。在肥料和炸药的制造过程中，硝酸盐都是不可或缺的原料，但是到了19世纪快要结束的时候，工业化世界发生了硝酸盐短缺。需求开始超过了供给，美国和欧洲国家不仅要忧虑保障军队弹药的问题，更要担心如何提供足够的食物来养活人们这一基础性问题。

几千年来，人类对人口膨胀的应对，仅仅是开发更多可供开垦的土地。然而一旦可用土地达到了极限，喂饱增加人口的唯一方法，就成了提高单位面积的产量，就像我们在“农业”一章中讲到的，粪肥还田和种植豆类都是高效的方法。然而等人口到达了某个极限——或可称之为“满员人口”——文明便遇到了一个无法避免的困难。你无法让牲口生产出更多的粪便，因为动物本来就是用土地上生长的植物喂养的，而且你也不能用更多的土地种植豆科植物，因为那样就会减少谷物的种植面积。你遇到了有机农业的承载能力极限问题。

唯一可依赖的方案是，从农业循环外部引入氮。在19世纪，西方农业严重依赖进口鸟粪和从智利沙漠中开采的硝石。但是这些资源很快便消耗殆尽了，1898年英国科学促进会主席威廉·克鲁克斯爵士（Sir William Crookes）警告称，“我们正在支取地球的资本，而我们的汇票并不会永远得到兑现”（今天的我们最好能听从这一警告，因为我们的文明对原油和其他自然资源的贪婪胃口，差不多快要耗尽它们了）。我们留下的世界里，这些天然的硝酸盐矿藏都将不复存在，成熟的后末日文明将很快遭遇到这个障碍。

这颗星球的大气里富含氮气——你吸进的每口气中差不多有80％是氮气——但它也是极不活泼的。两个氮原子以一个三价键紧紧结合在一起，事实上，氮气是已知最不活泼的双原子物质。这使它很难被转化为可被利用的形式——也就是“固化”它。到了19世纪末，人类已经很清楚，找到固氮的方法对于文明的发展本身来说至关重要——化学出手拯救人类的时候到了。

一种叫作哈珀-波西法的解决方案于1909年被发现后，至今仍在被使用。表面看来，这个方法似乎非常简单。原料仅仅是地球大气层中最普遍的元素氮和宇宙中最丰足的元素氢，二者在反应炉中以一比三的比例结合形成NH3 ——氨。氮气可以直接从空气中获取，今天氢气以甲烷为原料制取，但也可以用电解水的方法获得。让氮参与化合，需要先撕开把两个原子紧密结合在一起的坚韧化学键，而这需要一种催化剂。铁的一种多孔形态，加上氢氧化钾（也就是我们在参见此处 提到的草碱）作为助触媒，可以提升其效率，很好地促进这个反应的发生。当然，反应永远不会彻底完成，因此气体需要先经过冷却，把预期的产品凝结成氨雨后，才能被导出并存储，而尚未反应的气体再被反复循环经过反应器，直到差不多所有气体都被成功转变。不过，和很多事情一样，魔鬼存在于细节当中，哈珀-波西法实际上相当难以实施。

很多化学反应从根本上来说是单向的：就像是单行道，反应物经过它们重组成产品。比如在一根燃烧的蜡烛当中，蜡的碳氢化合物分子在燃烧过程中氧化成水和二氧化碳，但是反向的转化绝不会自然发生。但是，有一些化学过程是可逆反应，相向的两种转变可以同时发生。“反应物”变成“产品”，同时两者也在交换身份。氮氢混合物与氨之间的转化就是这样一种可逆过程，为了让天平朝想要的化合物倾斜，你需要小心控制反应炉里的条件。要想制造氨，这意味着反应要在高温（大约450℃）和高压（大约200个标准大气压）下进行。这些反应器和管道需要承受的极端条件是哈珀-波西法难以实施的原因。我们介绍过其他需要火炉热量的化学过程——比如制造玻璃或冶炼金属，但是固氮的实施是一种远比那些重要过程伟大的高级工程学壮举。如果你在后末日社会无法回收到合适的反应容器，就需要学习如何建造工业级压力容器。

让氮和氢结合生成氨只是第一步。一旦氮被固化，就需要将它转化为一种用途更加普遍的化学物质：硝酸。氨在高温转换器中被氧化——这种转换器不仅仅是一个炉子，更是一个以铂铑合金为催化剂，将氨气本身作为燃料燃烧的容器。汽车排气管内为了减少污染排放而加装的触媒转化器里使用的也是铂铑合金，所以这种催化剂相对比较容易回收。生成的二氧化氮接下来被水吸收生成硝酸。

这两种产品——氨和硝酸——都不能直接倒入农田帮助作物生长：前者碱性太大，后者酸性太大。但是当两者简单地混合起来，就会中和生成硝酸铵，这是一种绝佳的肥料，因为它包含了双倍剂量的可利用的氮。我们在“医药”一章中还曾经介绍过，硝酸铵在医学领域也很有用，因为它会分解释放出麻醉剂氧化氮。而且，它还是一种强氧化剂，因此可以用来制造炸药。^[7] 所以，对一个已经发展成工业文明的后末日社会来说，哈珀-波西法将使你不必只能靠收集牲畜或鸟类粪便、浸泡木头灰烬或者挖掘硝石矿藏来满足至关重要的硝酸盐供应，而是让你能够开采大气中实际上无穷无尽的氮储备。

如今，哈珀-波西法每年生产出大约一亿吨氨，用这些氨制成的肥料维持着全世界三分之一的人口——大约二十三亿副辘辘饥肠要靠这种化学反应填饱。由于我们吃下的食物中的原材料都被用来组建我们的细胞，所以我们体内大约一半的蛋白质，都是用我们这个物种以自己掌握的技术固化的氮制造的。从某种意义上来说，我们都是一定程度上的工业制品。

1. 在19世纪后半叶，法国皇帝拿破仑三世在他举办的一次宴会上，采用了铝制而非银制餐具来取悦他最尊贵的来宾。离奇的是，铝是地球上最普遍的金属，同时也是最宝贵的金属。然而随着人们开发出合适的熔剂，并采用电解法进行大规模生产，曾经有着服务于帝王宴会之尊荣的铝，如今沦落到被制成饮料罐被千百万人任意丢弃。
2. 从20世纪30年代，我们开始更进一步往周期表底部的行中填入自然界并不存在，而是用技术手段制造出的元素——这些元素的原子核里塞了太多的质子和中子，因此极度不稳定，被制造出来之后，几乎立刻会在放射性爆发中重新分崩离析。因此在我们自己的历史上，我们不仅合成出了新材料——玻璃之类的非金属烧制品或者钢合金等金属混合物——或者有机聚合塑料那样的新型分子，还学会了如何转变元素本身，实现了炼金术士们的梦想。只要专注努力，跟随我们脚步的文明也会实现同样的壮举。
3. 哪怕是在很久以后，你仍然可以用照相机证明我们这个技术发达的文明曾经存在过。

   朝天赤道（与天极成90度夹角的区域：见“时间与地点”一章）附近的夜空拍一张照片，由于地球的自转，曝光一到两分钟就会把所有的星星拍成弧形的线条。但是偶尔你会发现非常奇特的东西：一点都没有被拉成线条的光点。这些看上去在天空中静止不动的物体移动的速率，恰好和地球的旋转相同，显然是被有意以这样的设置安置在地球周围的人造物体。它们是同步轨道卫星，运行在赤道上空轨道周期正好等于一天的特殊高度上。这样的卫星会固定在地球上某一点的上空，因此是合适的通信中继。它们的轨道也是稳定的，在我们的城市与其他造物都已经化作齑粉，葬于地下很久之后，它们仍旧会在一尘不染的太空环境中，充当我们这个技术文明的纪念碑。只要你知道如何做，就很容易看到它们。

4. 既然我们讲到了与银有关的化学知识，有必要提一下银的另一种重要功能：制造镜子，除却满足虚荣心之外，镜子还是高性能望远镜或者导航用六分仪不可或缺的重要组件。碱性的氨溶液（见“物资”一章）与硝酸银和少许糖混合，涂抹在一块干净玻璃的背面。糖把银还原成纯金属，从而直接在玻璃表面沉积下亮光闪闪的薄涂层。
5. 在现代系统命名法中，我们会说普通海盐（氯化钠）和苏打灰（碳酸钠）是同一种碱基（氢氧化钠，也就是俗称的火碱）生成的盐。
6. 在19世纪早期，这些副产品被作为有毒垃圾直接排放掉：黑色灰烬状不溶于水的硫化钙堆放在苏打工厂周围的田地里，高高的烟筒里喷涌出氯化氢的云雾，对周围的植物造成了巨大的破坏。1863年，英国通过了《制碱法》，禁止氯化氢的排放——这是现代第一次针对空气污染的立法。苏打生产企业的直接反应是在烟筒中淋水除掉这种可溶性气体，然后把生成的盐酸直接排进最近的河流，巧妙地避开了立法，把空气污染变成了水污染！
7. 为了制造俄克拉何马城的大爆炸，蒂摩西·麦克威把超过两吨硝酸铵化肥塞进一辆客车后面。世界上最大的非核爆炸之一发生在1947年，当时一次火灾造成一艘装着超过两千吨这种化合物的船在得克萨斯市港口内爆炸。