從富蘭克林精神看2010年諾貝爾物理、化學(xué)獎(jiǎng)

張 昱

（山東大學(xué)哲學(xué)與社會(huì)發(fā)展學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

一 富蘭克林精神的內(nèi)涵

“如何測(cè)量油膜的厚度”？對(duì)于學(xué)習(xí)普通物理課程的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們會(huì)建議首先使用X射線衍射儀。盡管X射線衍射方法原則上適用于解決這類問(wèn)題，但由于油膜分子層極薄，只有很少的分子會(huì)和入射的X射線發(fā)生作用，所以油膜分子層僅能給出微弱的物理信號(hào)。假如要增強(qiáng)信號(hào)，則可以使用功率強(qiáng)勁的同步加速X射線衍射儀，可是普通實(shí)驗(yàn)室并不配備如此貴重的儀器。然而，早在200多年前，著名科學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin）就已經(jīng)設(shè)計(jì)了測(cè)試油膜厚度的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)方案。富蘭克林在微風(fēng)拂動(dòng)的時(shí)候，走到方池塘邊，輕輕地向水中倒了一勺橄欖油，他一邊傾倒橄欖油一邊觀察水面是否變得平靜，這是由于漂在水面上的油膜的黏滯阻力作用有助于平息水面的波紋。當(dāng)他看到整個(gè)池塘的水面都平靜時(shí)，他停止傾倒橄欖油并測(cè)量出橄欖油的體積和池塘水面的面積，將二者相除得到了的油膜厚度，它約為幾個(gè)納米。這個(gè)結(jié)果與通過(guò)現(xiàn)代精密儀器的測(cè)量結(jié)果處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)之中。

在已有的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)條件下，科學(xué)家憑借自身的科學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備與邏輯分析能力，實(shí)施了在良好實(shí)驗(yàn)條件中都無(wú)法操作的實(shí)驗(yàn)，我們將這種實(shí)驗(yàn)稱為“富蘭克林實(shí)驗(yàn)”。從科學(xué)史來(lái)看，科學(xué)家運(yùn)用富蘭克林實(shí)驗(yàn)解決了許多具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)難題。例如，獲得高純度的單晶硅是信息工業(yè)發(fā)展的急切需求。一般的，提高單一化學(xué)物質(zhì)純度的簡(jiǎn)易方法是溶液結(jié)晶法，可是高純度單晶硅的結(jié)晶對(duì)周圍環(huán)境的壓力、濕度極為敏感。為此，一些大公司專門配備潔凈實(shí)驗(yàn)室以操作單晶硅的結(jié)晶。然而，某科學(xué)家卻利用極為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)條件獲得了高級(jí)潔凈實(shí)驗(yàn)室也無(wú)法獲得的最純凈的單晶硅，他是這樣做的：清晨，在野外反復(fù)進(jìn)行單晶硅的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)?，清晨時(shí)的較低氣壓以及野外的較少的空氣塵埃非常有利于單晶硅的結(jié)晶。

可見(jiàn)，富蘭克林在實(shí)施“富蘭克林實(shí)驗(yàn)”時(shí)完美地表現(xiàn)了某種科學(xué)精神，可稱之為富蘭克林精神（Franklin’s spirit），即科學(xué)家利用相對(duì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)條件很好地解決了某個(gè)具體科學(xué)問(wèn)題而體現(xiàn)出的科學(xué)精神。獲得1991年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的法國(guó)科學(xué)家德熱納（Pierre-Gilles de Gennes）被譽(yù)為“當(dāng)代牛頓”，他用終其一生的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)生動(dòng)地詮釋了科學(xué)精神的真諦，他認(rèn)為富蘭克林精神是科學(xué)精神的典型代表。［1］

科學(xué)哲學(xué)家巴什拉（Gaston Bachelard）深入探討了科學(xué)精神的形成，他認(rèn)為“昭示科學(xué)精神的首要任務(wù)，就是使表現(xiàn)幾何化，即描繪自然現(xiàn)象，對(duì)經(jīng)驗(yàn)過(guò)程中的決定性事件作有序的排列”［2］。巴什拉認(rèn)為科學(xué)家應(yīng)當(dāng)將抽象化（abstraction）視為科學(xué)精神的正常和富有成果的方法。此處的抽象化是指，科學(xué)家在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)之前，在他的大腦中預(yù)先形成了與理論相關(guān)的抽象圖式。依此看來(lái)，富蘭克林精神完好地體現(xiàn)了科學(xué)精神的本質(zhì)，因?yàn)楦惶m克林精神同樣將抽象化視為其第一出發(fā)點(diǎn)。同時(shí)，富蘭克林精神在科學(xué)實(shí)踐中延伸了其抽象化的內(nèi)涵，指引著研究者進(jìn)一步尋求實(shí)驗(yàn)中的“簡(jiǎn)單性”（simplicity）。毋庸置疑，這種簡(jiǎn)單性的價(jià)值不亞于經(jīng)常評(píng)價(jià)科學(xué)理論價(jià)值所使用的簡(jiǎn)單性。

進(jìn)一步，可以將富蘭克林精神劃分成兩類：（1）狹義富蘭克林精神，指的是科學(xué)家在解決某一具體問(wèn)題時(shí)所體現(xiàn)出的富蘭克林精神；（2）廣義富蘭克林精神，它指科學(xué)家以富蘭克林精神的實(shí)質(zhì)建立起一種科學(xué)方法論進(jìn)而解決科學(xué)中的問(wèn)題?？茖W(xué)家以富蘭克林精神作為科學(xué)方法論，在應(yīng)對(duì)具體科學(xué)問(wèn)題時(shí)，通常經(jīng)過(guò)如下思考程序：首先，他要明確所需解決的是具體實(shí)驗(yàn)問(wèn)題而不是科學(xué)理論問(wèn)題。其次，他將擬解決的難題與以前經(jīng)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行類比，類比過(guò)程恰好體現(xiàn)了科學(xué)精神中的抽象化實(shí)質(zhì)，也表明了科學(xué)家熟知隱藏于同類現(xiàn)象背后的相似理論。例如，富蘭克林將橄欖油倒入池塘并觀察油膜是否剛好完全鋪展整個(gè)水面時(shí)，他之前一定知道覆蓋油膜的水面將變得平靜的現(xiàn)象，這點(diǎn)恰好是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。再如，科學(xué)家在實(shí)施單晶硅結(jié)晶實(shí)驗(yàn)之前，他肯定熟悉提純單晶硅的諸種實(shí)驗(yàn)條件。最后，科學(xué)家充分利用自然界中的便利條件而不是通過(guò)先進(jìn)的精密儀器來(lái)實(shí)施實(shí)驗(yàn)，表現(xiàn)了他們的“思維經(jīng)濟(jì)”?？茖W(xué)哲學(xué)家馬赫（IrnstMach）認(rèn)為“思維經(jīng)濟(jì)”是研究科學(xué)的必備思維方式。

富蘭克林精神從解決具體科學(xué)難題時(shí)的科學(xué)精神，演變成為一種先進(jìn)的科學(xué)方法論。這深刻地表明，富蘭克林精神揭示出了科學(xué)發(fā)現(xiàn)邏輯的本質(zhì)，它將為解答科學(xué)中的重大問(wèn)題提供更為廣闊的方法論視角。進(jìn)一步，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與化學(xué)獎(jiǎng)更是凸顯了富蘭克林精神的方法論意義。

二 獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)的原因探析

2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家?？耍≧ichard F.Heck）、根岸英一（ねぎしえいいち）、鈴木章（Akira Suzuki），其獲獎(jiǎng)理由是創(chuàng)立了“有機(jī)合成中鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)”的研究。眾所周知，碳原子的化學(xué)反應(yīng)活性非常小，所以碳原子與碳原子之間基本上不會(huì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，化學(xué)家起初使用的方法是活化碳原子以增大其反應(yīng)活性，但這類方法只可以適用于制造單個(gè)分子。這是因?yàn)?，在合成較為復(fù)雜的分子時(shí)，活化了的碳原子會(huì)與很多其他分子競(jìng)相作用，往往得到諸多不必要的副產(chǎn)物。然而，鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)徹底解決了這個(gè)難題。無(wú)論是在Heck反應(yīng)、Negishi反應(yīng)還是在Suzuki反應(yīng)中，均不需要直接活化碳原子，取而代之的是，將多個(gè)碳原子聚集于一個(gè)鈀原子周圍，碳原子于是彼此接近進(jìn)而有效引發(fā)了碳原子間的化學(xué)反應(yīng)。鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)保障了碳-碳原子之間的化學(xué)反應(yīng)具有精準(zhǔn)的方向、優(yōu)良的選擇性、可觀的產(chǎn)率。實(shí)施鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)不僅可以直接從簡(jiǎn)單小分子高效率高產(chǎn)率地構(gòu)建出復(fù)雜分子，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求也不苛刻。

其實(shí)，鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的研究策略并不是空穴來(lái)風(fēng)。幾百年以來(lái)，化學(xué)家一直夢(mèng)想在接近于自然條件下能夠快捷、有效地合成出各類復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者夏普利斯（K.B.Sharpless）提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”（Click Chemistry）的科學(xué)概念。［3］“點(diǎn)擊化學(xué)”指的是直接將簡(jiǎn)單小分子一次性地、高產(chǎn)率地合成出復(fù)雜分子的化學(xué)反應(yīng)。“點(diǎn)擊化學(xué)”中的反應(yīng)物廉價(jià)易得，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件沒(méi)有過(guò)高的要求，不需要特殊的合成儀器設(shè)備如無(wú)水無(wú)氧設(shè)備等，它充分利用反應(yīng)物自身的“特殊條件”制備出目標(biāo)產(chǎn)物。在一般的合成實(shí)驗(yàn)室中，科研人員都可以輕松地操作這類化學(xué)實(shí)驗(yàn)，但類似的基礎(chǔ)化學(xué)理論研究卻對(duì)科研人員的專業(yè)知識(shí)與科學(xué)素養(yǎng)都提出了更高的要求。或許可以說(shuō)，“鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)”是“點(diǎn)擊化學(xué)”概念在具體化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的精彩案例。

不管是“鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)”還是“點(diǎn)擊化學(xué)”概念，它們的反應(yīng)條件都需要仔細(xì)探索、不斷試錯(cuò)，一般結(jié)果總朝向令人滿意的方面發(fā)展。這類實(shí)驗(yàn)易于操作，所以它們將會(huì)具有更大的后續(xù)研究?jī)r(jià)值。這些都從根本上表明，一方面，鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的研究策略與提倡“在相對(duì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)條件很好地解決了某個(gè)具體科學(xué)問(wèn)題”的富蘭克林精神不謀而合；另一方面，鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)體現(xiàn)出的實(shí)用價(jià)值比在極端條件中的化學(xué)反應(yīng)要大得多。

2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的海姆（Andre Geim）與諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)給出的獲獎(jiǎng)理由是他們二人“在二維空間材料石墨烯（graphene）方面的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”。石墨烯的原意是“單層的石墨片”，它是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。而當(dāng)今科學(xué)界的另一研究熱點(diǎn)——碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)。從分子結(jié)構(gòu)上看，石墨烯僅是由單個(gè)的碳原子層構(gòu)成，它是真正意義上的二維晶體結(jié)構(gòu)。從物理性質(zhì)上來(lái)看，石墨烯具有卓越的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率，以及高強(qiáng)度、剛度等。

2004年，海姆和諾沃肖洛夫報(bào)道了如何通過(guò)簡(jiǎn)單的剝離手段得到石墨烯［4］。他們無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了制備石墨烯的新途徑：第一步，用外力敲擊石墨，使其分離成較小的碎片；第二步，再?gòu)男∷槠刑魭霰容^薄的石墨薄片；最后，用普通的塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)，猛地用力撕開(kāi)膠帶，薄片也隨之分裂為兩片。反復(fù)實(shí)施這一過(guò)程，就能得到越來(lái)越薄的石墨薄片。十分自然地，其中有的石墨薄片樣品僅由單層碳原子所構(gòu)成。這樣一來(lái)，他們就成功制備出了石墨烯。

無(wú)獨(dú)有偶。科學(xué)家采用石墨蒸發(fā)方法得到微量的富勒烯（Fullerene，由60個(gè)碳原子組成的足球狀分子），之后他們使用了多種實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了富勒烯的分子結(jié)構(gòu)并以此成就榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。富勒烯是除活性炭和石墨之外的一種新型的碳的同素異形體。對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)家而言，如何大量制備富勒烯是擺在他們面前的頭等難題。幸運(yùn)的是，通過(guò)假設(shè)活性炭、石墨與富勒烯均來(lái)源于同一化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家很快在普通炭灰中找到了富勒烯，并由此發(fā)明了高收率的、廉價(jià)的合成富勒烯的方法。［5］可以說(shuō)，石墨烯研究的初始階段是受到富勒烯相關(guān)研究的啟發(fā)而蓬勃發(fā)展起來(lái)的。

不難看出，無(wú)論是在通過(guò)剝離方法得到石墨烯，還是在炭灰中找到大量富勒烯的過(guò)程中，科學(xué)家使用的手法都是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，他們利用簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)條件解決了重大的科學(xué)難題。不言而喻，在此過(guò)程中，這些科學(xué)家都有意識(shí)或者潛意識(shí)地運(yùn)用了富蘭克林精神。

所以說(shuō)，無(wú)論面對(duì)具體實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，還是作為科學(xué)方法論，富蘭克林精神都極大地促進(jìn)了科學(xué)的進(jìn)步。從2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)的授予可以看出，獲獎(jiǎng)?wù)叨加行У剡\(yùn)用了富蘭克林精神。但是，在中國(guó)的自然科學(xué)研究領(lǐng)域，至今仍無(wú)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。所以，對(duì)中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，大力提倡科學(xué)中的富蘭克林精神將顯得更為重要：其一，從中國(guó)科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，目前中國(guó)的科技資金投入難以與歐美大國(guó)抗衡。在此形勢(shì)下，科研人員倘若能夠自覺(jué)運(yùn)用富蘭克林精神進(jìn)行科學(xué)研究，將有效地彌補(bǔ)由于資金不足而引發(fā)的不利局面，如實(shí)驗(yàn)儀器跟不上世界前沿水平。其二，從中國(guó)科學(xué)發(fā)展的遠(yuǎn)景來(lái)看，富蘭克林精神或許可以為未來(lái)的科學(xué)家從事科學(xué)研究提供一定的科學(xué)精神支持與切實(shí)可行的科學(xué)方法論。

［1］德熱納.軟物質(zhì)與硬科學(xué)［M］.盧定偉，等譯.長(zhǎng)沙：湖南教育出版社，2000：77-81.

［2］巴什拉.科學(xué)精神的形成［M］.錢培鑫，譯.南京：江蘇教育出版社，2006：1-8.

［3］Kolb，H.C.Finn，M.G.and Sharpless K.B.Click Chemistry：Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions［J］.Angewandte Chemie International Edition，2001（40）：2004-2021.

［4］Novoselov，K.S.et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］.Science，2004（306）：666-669.

［5］吉 姆.完美的對(duì)稱——富勒烯的意外發(fā)現(xiàn)［M］.李 濤，等譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?999：202.