受自然的啟示做出的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)︱科學(xué)史
日本著名的化學(xué)家福井謙一說：“大自然深不可測，在科學(xué)的自然認識中，對科學(xué)創(chuàng)新最有影響的，就是直接地、如實地認識自然。整天和復(fù)雜而單純的大自然打交道的科學(xué)工作者，若不靠這種認識方法，就不可能創(chuàng)造出推進科學(xué)前進的理論和新的科學(xué)法則。”
在科學(xué)史上，一些科學(xué)家“直接、如實地認識自然”，受到自然現(xiàn)象的啟發(fā)，做出了重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
模擬云霧形成與云霧室的發(fā)明
1932年，美國物理學(xué)家安德森利用云霧室發(fā)現(xiàn)了正電子，引起了轟動。
云霧室是英國物理學(xué)家威爾遜（C. T. R. Wilson，1869—1959）發(fā)明的。1894年，他在蘇格蘭群山的最高峰尼維斯峰天文觀察站工作。
太陽照射山上的云霧時，呈現(xiàn)的奇妙的光學(xué)現(xiàn)象使他著迷。
他說：“特別是太陽周圍的彩環(huán)（日暈）以及山頂和人在云霧上的影子周圍呈現(xiàn)的彩環(huán)（光輪），使我產(chǎn)生了極大的興趣。我想在實驗室里模擬這些現(xiàn)象?！?/span>
1895年，威爾遜設(shè)計了一套設(shè)備，使水蒸氣冷凝來形成云霧。當(dāng)時許多人認為，要使水蒸氣凝結(jié)成霧珠，必須以塵埃為核心。
威爾遜仔細除去儀器中的塵埃后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水蒸氣飽和超過一定的限度也能形成云霧。他想，除了塵埃外，水蒸氣或許能以大氣中導(dǎo)電離子為核心而凝結(jié)成霧珠。
威爾遜用倫琴剛發(fā)現(xiàn)不久的X射線照射云室，出現(xiàn)了云霧；他又用鈾射線、紫外線照射，也出現(xiàn)了云霧。這證明了自己的設(shè)想：霧珠凝結(jié)是能以離子為核心形成的。
威爾遜嘗試用自己的設(shè)備來探測帶電粒子的徑跡。經(jīng)過反復(fù)實驗，在1911年他研制出了云霧室：利用蒸氣絕熱膨脹，溫度降低，達到飽和狀態(tài)，當(dāng)帶電粒子通過時，蒸氣沿粒子軌道凝結(jié)，從而顯示粒子徑跡。
利用其電離密度還可以測量粒子的能量和速度。在1912年，他為云室增設(shè)了拍攝裝置，以拍到清晰地顯示帶電粒子徑跡的照片。
威爾遜用云霧室拍攝到了α射線徑跡的相片。他把照片給著名的物理學(xué)家布拉格看，布拉格格外驚訝：照片上α射線的徑跡與自己先前按想象繪制的徑跡竟然十分吻合！云霧室所具有的科學(xué)意義是再清楚不過的了。
1920年，美國物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)，短波長的電磁輻射（X光）射入物質(zhì)被散射后，在散射波中除了原波長的波以外，還出現(xiàn)了波長增大的波，這種散射現(xiàn)象在以后被稱為康普頓效應(yīng)。
康普頓引入了量子的概念解釋：一個X光量子與物質(zhì)中的自由電子碰撞以后，光量子的一部分能量和動量轉(zhuǎn)移到電子上面，其能量減小，頻率變小，也即增大了波長而改變方向飛開。
他的解釋遭到了一些守舊的物理學(xué)家的反對。
然而在1923年，威爾遜用云霧室證明了反沖電子的存在并顯示了其徑跡，有力地證實了康普頓的解釋。
威爾遜云霧室對粒子物理學(xué)的發(fā)展起了重大作用，除正電子外，μ介子（μ+、μ-）、Κ0、Λ等粒子都是通過拍攝它們在云霧室中的徑跡而發(fā)現(xiàn)的。
1927年，威爾遜與康普頓分享了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
他的摯友、物理學(xué)家布萊克特這樣評價他：
大海的顏色和拉曼散射的發(fā)現(xiàn)
1931年，印度物理學(xué)家拉曼（C. V. Raman，1888—1970）由于“在氣體散射方面所作的卓越研究和發(fā)現(xiàn)以他的名字命名的拉曼效應(yīng)，為認識物質(zhì)開辟了新的道路，并取得重要的成果”榮獲這一年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
拉曼
1931年，印度物理學(xué)家拉曼（C. V. Raman，1888—1970）由于“在氣體散射方面所作的卓越研究和發(fā)現(xiàn)以他的名字命名的拉曼效應(yīng)，為認識物質(zhì)開辟了新的道路，并取得重要的成果”榮獲這一年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
拉曼做出重大的發(fā)現(xiàn)，是受到大海顏色的啟發(fā)。
1921年，拉曼訪問英國后搭船回國。途經(jīng)地中海，蔚藍色的海水使他賞心悅目，他突然對“海水為什么是藍的？”這個問題產(chǎn)生了強烈的興趣。
英國物理學(xué)家瑞利研究過天空和海洋的顏色，他認為太陽光經(jīng)大氣分子散射后，紅色光大部分被接收，剩下的大多是藍色光，所以天空一般呈藍色。他認為海水本身沒有顏色，之所以呈藍色，是因為它反射了天空的顏色。
拉曼認為瑞利對海水顏色的解釋很牽強。
他返回加爾各答后，立刻開始了這個課題的研究，通過觀察光線穿過純凈水、冰塊等材料的散射情況證實了：
拉曼和他的助手對光線的散射現(xiàn)象進行深入的研究，他們觀察可見光被多種物質(zhì)、特別是一些液體散射的情況，意外地觀察到一種較通常的散射光的波長有微弱變化的“二次射線”，他們把這種微弱的射線歸結(jié)為某種“熒光”現(xiàn)象。
拉曼和他的助手們想方設(shè)法把這種微弱的“二次射線”分離出來。
經(jīng)過長期的努力，他們終于找到了分離的方法：用定日鏡把陽光引入實驗室，經(jīng)聚合后入射到實驗樣品上，在入射和出射光路中分別放置一對互補濾色鏡。
他們發(fā)現(xiàn)，穿過樣品的藍色散射光，經(jīng)過綠色濾色鏡以后并未完全消失，還能觀察到一些相當(dāng)黯淡的光線，可以斷定這種光線應(yīng)不同于入射的藍光，他們猜想，是不是由于樣品中含有某些雜質(zhì)激發(fā)出來的呢？
經(jīng)過反復(fù)的實驗，樣品中有雜質(zhì)的可能性被排除了。因為在80多種不同的、經(jīng)過精心提純的液體中無一例外都存在同樣的現(xiàn)象，尤其是在丙三醇樣品的實驗中，這種現(xiàn)象十分明顯，最后的出射線甚至被極化了，成了完全不同于自然光的偏振光，這就說明了原來以為是熒光的射線實際上是一種特殊的二次輻射，并且這是一種普遍的效應(yīng)。拉曼他們把它稱為“分子散射”。
1928年3月，拉曼報告了自己的發(fā)現(xiàn)，他利用光量子論對“分子散射”做了解釋——入射光量子與散射物質(zhì)的分子發(fā)生碰撞：
拉曼發(fā)現(xiàn)的“分子散射”被稱為“拉曼效應(yīng)”，其產(chǎn)生的新譜線被稱為“拉曼光譜”。
拉曼是用簡單的儀器做出驚人的發(fā)現(xiàn)的，他用自然光作光源，以人眼作檢波器，分光計和濾色鏡都是老式的，所有的設(shè)備加起來，也不過數(shù)十美元。就憑這些簡陋和廉價的設(shè)備發(fā)現(xiàn)了微弱的拉曼效應(yīng)，這不能不說是一個奇跡。
拉曼的發(fā)現(xiàn)是繼20世紀20年代康普頓效應(yīng)之后，對光量子論的又一個有力的實驗證明。它在研究物質(zhì)的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)方面有重要的應(yīng)用：
“自組織現(xiàn)象”與耗散結(jié)構(gòu)理論的建立
眾所周知，事物的運動變化是有方向的。克勞修斯提出了著名的熱寂說，他根據(jù)熱力學(xué)第二定律認為，宇宙中的各種能量相互轉(zhuǎn)化，一切運動都將轉(zhuǎn)化為熱運動，朝熵增、無序的方向發(fā)展，最后達到熱平衡而歸于死寂，他描繪了世界退化的圖景。
然而我們又看到了相反的圖景：在自然界中，生物的演化是從無序向有序、簡單到復(fù)雜、低級到高級的方向進行；人類社會也是從原始社會到奴隸社會再向更高級、更有序的形態(tài)發(fā)展的。
比利時學(xué)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論，他思考，能不能消除這一悖論、在兩個不同的世界的演化方面找到統(tǒng)一的規(guī)律？
普里戈金從自然界生物的“自組織現(xiàn)象”得到了啟示。白蟻群體表現(xiàn)出的社會行為就是一種自組織現(xiàn)象。
微小生物能實施有效的分工和協(xié)同，自發(fā)地組成龐大的有序的社會。
這些自組織現(xiàn)象表明，生物系統(tǒng)可以不受熱力學(xué)第二定律的制約，朝熵減、有序的方向發(fā)展。普里戈金努力尋找在物理、化學(xué)等無生命世界是否也存在這種自組織現(xiàn)象？
他在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)找到了自組織現(xiàn)象。激光的產(chǎn)生就是典型的事例。
半導(dǎo)體激光器在光泵還沒工作的時候，介質(zhì)中的各個活性原子彼此獨立地發(fā)出光波，光的頻率、相位等都是無規(guī)則的，這種光被稱為自然光；但當(dāng)用光泵向系統(tǒng)輸送能量并超過臨界值時，各個活性原子被組織起來，以統(tǒng)一的頻率和相位協(xié)同發(fā)出單色性、方向性和相干性極好的高強度激光。
他在化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中也找到了例證。在所謂的“化學(xué)振蕩反應(yīng)”中，某幾個組分或中間產(chǎn)物的濃度會發(fā)生周期性的變化，類似于鐘表的周期性，這類反應(yīng)又叫“化學(xué)鐘”。
最典型的是蘇聯(lián)化學(xué)家貝洛索夫和扎鮑廷斯基在1959年發(fā)現(xiàn)的均相振蕩反應(yīng)（BZ反應(yīng)）：以金屬鈰作催化劑，當(dāng)檸檬酸在酸性條件下被溴酸鉀氧化時，溶液在無色和淡黃色兩種狀態(tài)間進行著規(guī)則的周期振蕩。
普里戈金認為，激光、化學(xué)振蕩等是物理、化學(xué)無生命世界中的自組織現(xiàn)象，它們揭示了一個新的高級組織是怎樣從原來是相對無序、低組織程度的世界中自發(fā)地產(chǎn)生出來的。
他指出，要維持自組織的穩(wěn)定存在，必須不斷地對系統(tǒng)做功，即不斷地耗散能量，他提出了“耗散結(jié)構(gòu)”的概念和耗散結(jié)構(gòu)理論。
從1968年起，普里戈金為闡明耗散結(jié)構(gòu)的特點及其形成條件進行了艱苦的研究工作。
他對化學(xué)振蕩反應(yīng)進行了數(shù)學(xué)處理，闡明了化學(xué)振蕩反應(yīng)產(chǎn)生的條件，建立起三分子模型來具體分析化學(xué)中的耗散結(jié)構(gòu)。
耗散結(jié)構(gòu)理論認為一個系統(tǒng)要形成有序結(jié)構(gòu)的要求是：
1. 系統(tǒng)必須處于遠離熱平衡的狀態(tài)，必須是一個開放系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境之間要有物質(zhì)、能量和信息的交換和流通。
2. 系統(tǒng)各要素之間存在非線性的相互作用，這種相互作用可以使各要素之間產(chǎn)生相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動作，使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行颉?/span>
3. 系統(tǒng)內(nèi)存在反饋機制，負反饋往往使系統(tǒng)的變化減弱，而正反饋使系統(tǒng)的變化放大和加劇，加速系統(tǒng)自組織的過程，使要素協(xié)同產(chǎn)生出宏觀秩序。
4. 漲落是產(chǎn)生有序狀態(tài)的必要條件。漲落是隨機的，小的漲落會被衰減，而在臨界點附近，漲落可能會被放大，形成巨漲落，推動系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變，形成有序的結(jié)構(gòu)。
普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論消除了宇宙在演化方面存在的悖論。
這一理論不僅僅適用于化學(xué)領(lǐng)域，由于它的研究對象是開放系統(tǒng)中的自組織現(xiàn)象，而宇宙中各種物質(zhì)系統(tǒng)，不論是有生命的還是無生命的，甚至是人類社會，無一不是跟周圍環(huán)境相互依存和相互作用的開放系統(tǒng)，所以也適用于自然科學(xué)的其他領(lǐng)域、適用于研究社會現(xiàn)象。
這一理論不僅是改變科學(xué)本身的一個杠桿，而且也是迫使我們重新考察科學(xué)的目標、認識論和世界觀的一個杠桿。
1977年，普里戈金由于在建立耗散結(jié)構(gòu)理論上的杰出成就獲得諾貝爾化學(xué)獎。
深切感受大自然的無比深奧和美妙
受自然的啟示做出重大發(fā)現(xiàn)的事例還真不少。
又如，自然界普遍存在的對稱現(xiàn)象啟發(fā)科學(xué)家做出了奇妙的發(fā)現(xiàn)：
我們要向這些卓有成就的科學(xué)家學(xué)習(xí)，貼近大自然，投身到大自然的懷抱中去，與大自然親密接觸和自由交往，親身體驗并感受到大自然的無比深奧和美妙，從自然的啟示中享受到無窮的情趣，從而激發(fā)起對自然現(xiàn)象的濃厚興趣，邁出探索自然奧秘的步伐，樹立起攀登自然科學(xué)高峰的信心。
仔細觀察自然是發(fā)現(xiàn)的開端，是認識事物奧秘的向?qū)?，我們要注意觀察自然界的各種事物、各種現(xiàn)象，注意大自然偶然疏忽留下的破綻，通過對這些蛛絲馬跡的觀察，追根尋源，讓大自然袒露出各種深藏的秘密。我們要以大自然為師，以自然之道來認識自然、適應(yīng)自然、調(diào)節(jié)自然、改造和利用自然，推動人類社會日新月異、不斷向前發(fā)展。
本文作者陳敬全是東華大學(xué)人文學(xué)院教授
-本文選自《世界科學(xué)》雜志2020年第2期“科學(xué)史專欄”-
