受自然的启示做出的重大科学发现︱科学史

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日本著名的化学家福井谦一说:“大自然深不可测,在科学的自然认识中,对科学创新最有影响的,就是直接地、如实地认识自然。整天和复杂而单纯的大自然打交道的科学工作者,若不靠这种认识方法,就不可能创造出推进科学前进的理论和新的科学法则。”


在科学史上,一些科学家“直接、如实地认识自然”,受到自然现象的启发,做出了重大的科学发现。



模拟云雾形成与云雾室的发明


1932年,美国物理学家安德森利用云雾室发现了正电子,引起了轰动。


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云雾室是英国物理学家威尔逊(C. T. R. Wilson,1869—1959)发明的。1894年,他在苏格兰群山的最高峰尼维斯峰天文观察站工作。


太阳照射山上的云雾时,呈现的奇妙的光学现象使他着迷。


他说:“特别是太阳周围的彩环(日晕)以及山顶和人在云雾上的影子周围呈现的彩环(光轮),使我产生了极大的兴趣。我想在实验室里模拟这些现象。”


1895年,威尔逊设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾。当时许多人认为,要使水蒸气凝结成雾珠,必须以尘埃为核心。


威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现,当水蒸气饱和超过一定的限度也能形成云雾。他想,除了尘埃外,水蒸气或许能以大气中导电离子为核心而凝结成雾珠。


威尔逊用伦琴刚发现不久的X射线照射云室,出现了云雾;他又用铀射线、紫外线照射,也出现了云雾。这证明了自己的设想:雾珠凝结是能以离子为核心形成的。 


他经过多年的研究总结出,当无尘空气的体积膨胀比为1.25时,负离子开始成为凝聚核心;当膨胀比为1.28时,负离子全部成为凝聚核心。对于正离子来说,膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心,膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心。


威尔逊尝试用自己的设备来探测带电粒子的径迹。经过反复实验,在1911年他研制出了云雾室:利用蒸气绝热膨胀,温度降低,达到饱和状态,当带电粒子通过时,蒸气沿粒子轨道凝结,从而显示粒子径迹。


利用其电离密度还可以测量粒子的能量和速度。在1912年,他为云室增设了拍摄装置,以拍到清晰地显示带电粒子径迹的照片。


威尔逊用云雾室拍摄到了α射线径迹的相片。他把照片给著名的物理学家布拉格看,布拉格格外惊讶:照片上α射线的径迹与自己先前按想象绘制的径迹竟然十分吻合!云雾室所具有的科学意义是再清楚不过的了。


1920年,美国物理学家康普顿发现,短波长的电磁辐射(X光)射入物质被散射后,在散射波中除了原波长的波以外,还出现了波长增大的波,这种散射现象在以后被称为康普顿效应。


康普顿引入了量子的概念解释:一个X光量子与物质中的自由电子碰撞以后,光量子的一部分能量和动量转移到电子上面,其能量减小,频率变小,也即增大了波长而改变方向飞开。


他的解释遭到了一些守旧的物理学家的反对。


然而在1923年,威尔逊用云雾室证明了反冲电子的存在并显示了其径迹,有力地证实了康普顿的解释。


威尔逊云雾室对粒子物理学的发展起了重大作用,除正电子外,μ介子(μ+、μ-)、Κ0、Λ等粒子都是通过拍摄它们在云雾室中的径迹而发现的。


1927年,威尔逊与康普顿分享了该年度的诺贝尔物理学奖。


他的挚友、物理学家布莱克特这样评价他:


“作为当代最伟大的科学家之一,他对工作的专注是来自他对自然世界的热爱,来自他对自然世界的瑰丽壮美的喜悦。”



大海的颜色和拉曼散射的发现


1931年,印度物理学家拉曼(C. V. Raman,1888—1970)由于“在气体散射方面所作的卓越研究和发现以他的名字命名的拉曼效应,为认识物质开辟了新的道路,并取得重要的成果”荣获这一年度的诺贝尔物理学奖。


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拉曼


1931年,印度物理学家拉曼(C. V. Raman,1888—1970)由于“在气体散射方面所作的卓越研究和发现以他的名字命名的拉曼效应,为认识物质开辟了新的道路,并取得重要的成果”荣获这一年度的诺贝尔物理学奖。


拉曼做出重大的发现,是受到大海颜色的启发。


1921年,拉曼访问英国后搭船回国。途经地中海,蔚蓝色的海水使他赏心悦目,他突然对“海水为什么是蓝的?”这个问题产生了强烈的兴趣。


英国物理学家瑞利研究过天空和海洋的颜色,他认为太阳光经大气分子散射后,红色光大部分被接收,剩下的大多是蓝色光,所以天空一般呈蓝色。他认为海水本身没有颜色,之所以呈蓝色,是因为它反射了天空的颜色。


拉曼认为瑞利对海水颜色的解释很牵强。


他返回加尔各答后,立刻开始了这个课题的研究,通过观察光线穿过纯净水、冰块等材料的散射情况证实了:


与大气分子散射阳光使天空呈蓝色的机理相同,海水呈现蓝色也是水分子将太阳光散射的缘故。


拉曼和他的助手对光线的散射现象进行深入的研究,他们观察可见光被多种物质、特别是一些液体散射的情况,意外地观察到一种较通常的散射光的波长有微弱变化的“二次射线”,他们把这种微弱的射线归结为某种“荧光”现象。


拉曼和他的助手们想方设法把这种微弱的“二次射线”分离出来。


经过长期的努力,他们终于找到了分离的方法:用定日镜把阳光引入实验室,经聚合后入射到实验样品上,在入射和出射光路中分别放置一对互补滤色镜。


他们发现,穿过样品的蓝色散射光,经过绿色滤色镜以后并未完全消失,还能观察到一些相当黯淡的光线,可以断定这种光线应不同于入射的蓝光,他们猜想,是不是由于样品中含有某些杂质激发出来的呢?


经过反复的实验,样品中有杂质的可能性被排除了。因为在80多种不同的、经过精心提纯的液体中无一例外都存在同样的现象,尤其是在丙三醇样品的实验中,这种现象十分明显,最后的出射线甚至被极化了,成了完全不同于自然光的偏振光,这就说明了原来以为是荧光的射线实际上是一种特殊的二次辐射,并且这是一种普遍的效应。拉曼他们把它称为“分子散射”。


1928年3月,拉曼报告了自己的发现,他利用光量子论对“分子散射”做了解释——入射光量子与散射物质的分子发生碰撞:


如果是弹性碰撞,光量子的能量和动量不变,散射光的频率与入射光一致;
如是非弹性碰撞,就能观察到“二次射线”:分子若吸收了光量子的能量,则散射光的频率变小,波长变长;分子若把能量转移给光量子,则散射光频率增大、波长变短。


拉曼发现的“分子散射”被称为“拉曼效应”,其产生的新谱线被称为“拉曼光谱”。


拉曼是用简单的仪器做出惊人的发现的,他用自然光作光源,以人眼作检波器,分光计和滤色镜都是老式的,所有的设备加起来,也不过数十美元。就凭这些简陋和廉价的设备发现了微弱的拉曼效应,这不能不说是一个奇迹。


拉曼的发现是继20世纪20年代康普顿效应之后,对光量子论的又一个有力的实验证明。它在研究物质的化学成分和分子结构方面有重要的应用:


在以前,分子振动能谱和转动能谱的测量,是通过红外区的吸收来进行的,这必须应用昂贵的实验装备,而利用拉曼的新发现和简单廉价的设备,就可以把红外区的分子能谱移到可见光区来进行观测,从而使一般的实验室都可以进行分子能谱方面的研究,这当然受到了光谱学家们的欢迎。


“自组织现象”与耗散结构理论的建立


众所周知,事物的运动变化是有方向的。克劳修斯提出了著名的热寂说,他根据热力学第二定律认为,宇宙中的各种能量相互转化,一切运动都将转化为热运动,朝熵增、无序的方向发展,最后达到热平衡而归于死寂,他描绘了世界退化的图景。


然而我们又看到了相反的图景:在自然界中,生物的演化是从无序向有序、简单到复杂、低级到高级的方向进行;人类社会也是从原始社会到奴隶社会再向更高级、更有序的形态发展的。


比利时学者普里戈金(I. Prigogine,1917—2003)注意到物理世界和生命世界在演化方面存在的悖论,他思考,能不能消除这一悖论、在两个不同的世界的演化方面找到统一的规律?


普里戈金从自然界生物的“自组织现象”得到了启示。白蚁群体表现出的社会行为就是一种自组织现象。


一个白蚁群体有百万之众,各白蚁作杂乱的随机运动,但整个蚁群的编排队形规则整齐。蜂群的自组织现象也十分显著,千万个蜜蜂在看似无序的飞行中却能相互协同,建造出一个个完美无缺的正六边形的蜂巢。


微小生物能实施有效的分工和协同,自发地组成庞大的有序的社会。


这些自组织现象表明,生物系统可以不受热力学第二定律的制约,朝熵减、有序的方向发展。普里戈金努力寻找在物理、化学等无生命世界是否也存在这种自组织现象?


他在物理学领域内找到了自组织现象。激光的产生就是典型的事例。


半导体激光器在光泵还没工作的时候,介质中的各个活性原子彼此独立地发出光波,光的频率、相位等都是无规则的,这种光被称为自然光;但当用光泵向系统输送能量并超过临界值时,各个活性原子被组织起来,以统一的频率和相位协同发出单色性、方向性和相干性极好的高强度激光。  

 

他在化学反应系统中也找到了例证。在所谓的“化学振荡反应”中,某几个组分或中间产物的浓度会发生周期性的变化,类似于钟表的周期性,这类反应又叫“化学钟”。


最典型的是苏联化学家贝洛索夫和扎鲍廷斯基在1959年发现的均相振荡反应(BZ反应):以金属铈作催化剂,当柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时,溶液在无色和淡黄色两种状态间进行着规则的周期振荡。   


普里戈金认为,激光、化学振荡等是物理、化学无生命世界中的自组织现象,它们揭示了一个新的高级组织是怎样从原来是相对无序、低组织程度的世界中自发地产生出来的。


他指出,要维持自组织的稳定存在,必须不断地对系统做功,即不断地耗散能量,他提出了“耗散结构”的概念和耗散结构理论。


从1968年起,普里戈金为阐明耗散结构的特点及其形成条件进行了艰苦的研究工作。


他对化学振荡反应进行了数学处理,阐明了化学振荡反应产生的条件,建立起三分子模型来具体分析化学中的耗散结构。


耗散结构理论认为一个系统要形成有序结构的要求是:


1. 系统必须处于远离热平衡的状态,必须是一个开放系统,即系统内外环境之间要有物质、能量和信息的交换和流通。

2. 系统各要素之间存在非线性的相互作用,这种相互作用可以使各要素之间产生相干效应与协调动作,使系统从杂乱无章变为井然有序。

3. 系统内存在反馈机制,负反馈往往使系统的变化减弱,而正反馈使系统的变化放大和加剧,加速系统自组织的过程,使要素协同产生出宏观秩序。

4. 涨落是产生有序状态的必要条件。涨落是随机的,小的涨落会被衰减,而在临界点附近,涨落可能会被放大,形成巨涨落,推动系统发生质变,形成有序的结构。


普里戈金的耗散结构理论消除了宇宙在演化方面存在的悖论。


这一理论不仅仅适用于化学领域,由于它的研究对象是开放系统中的自组织现象,而宇宙中各种物质系统,不论是有生命的还是无生命的,甚至是人类社会,无一不是跟周围环境相互依存和相互作用的开放系统,所以也适用于自然科学的其他领域、适用于研究社会现象。


这一理论不仅是改变科学本身的一个杠杆,而且也是迫使我们重新考察科学的目标、认识论和世界观的一个杠杆。


1977年,普里戈金由于在建立耗散结构理论上的杰出成就获得诺贝尔化学奖。


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深切感受大自然的无比深奥和美妙


受自然的启示做出重大发现的事例还真不少。


伽利略悟出了“大自然这本书是用数学写的”,用数学和实验的方法得出了自由落体定律。
牛顿从苹果掉地联想起月亮为什么不掉地的问题,发现了万有引力定律。


又如,自然界普遍存在的对称现象启发科学家做出了奇妙的发现:


麦克斯韦相信电和磁具有对称性,预言电磁波的存在;
克里克用对称方法破解了生物大分子的双螺旋结构,等等。
福井谦一说,是大自然把他引向了化学王国,化学的复杂性是大自然的一种奥妙。他孜孜不倦地探索化学理论,建立起化学反应的前线轨道理论,荣获1981年诺贝尔化学奖。


我们要向这些卓有成就的科学家学习,贴近大自然,投身到大自然的怀抱中去,与大自然亲密接触和自由交往,亲身体验并感受到大自然的无比深奥和美妙,从自然的启示中享受到无穷的情趣,从而激发起对自然现象的浓厚兴趣,迈出探索自然奥秘的步伐,树立起攀登自然科学高峰的信心。


仔细观察自然是发现的开端,是认识事物奥秘的向导,我们要注意观察自然界的各种事物、各种现象,注意大自然偶然疏忽留下的破绽,通过对这些蛛丝马迹的观察,追根寻源,让大自然袒露出各种深藏的秘密。我们要以大自然为师,以自然之道来认识自然、适应自然、调节自然、改造和利用自然,推动人类社会日新月异、不断向前发展。







本文作者陈敬全是东华大学人文学院教授






-本文选自《世界科学》杂志2020年第2期“科学史专栏”-


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