由生活的啟示導(dǎo)致的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

陳敬全

英國進(jìn)化論者赫胥黎認(rèn)為，生活常識與科學(xué)并不對立。他說：“完整化了的常識就是科學(xué)。”在日常生活中處處有科學(xué)道理，積累起來的生活經(jīng)驗是科學(xué)認(rèn)識的重要源泉。在科學(xué)史上，一些重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)得益于在生活中得到的啟示。

格拉澤

格拉澤在調(diào)試氣泡室

啤酒的氣泡與氣泡室的發(fā)明

氣泡室是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型探測儀，它是美國物理學(xué)家格拉澤（D.A.Glaser，1926—2013）在1952年發(fā)明的，他由于該項重大的發(fā)明榮獲了1960年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在格拉澤發(fā)明氣泡室以前，人們用威爾遜云室來探測微觀粒子的運(yùn)動軌跡。威爾遜云室的反應(yīng)速度較慢，無法顯示速度極快的高能帶電粒子的軌跡。在20世紀(jì)40年代，能量高達(dá)20～30Gev的電子加速器已經(jīng)建成，產(chǎn)生的高能粒子具有極快的速度，用威爾遜云室觀察它們運(yùn)動的全過程，已經(jīng)是力不從心了。格拉澤決心通過更有效的手段去追蹤高能粒子。

奇妙的是，格拉澤從啤酒的泡沫得到了啟發(fā)。他看到啤酒瓶里一些粗糙突起的玻璃刺的周圍特別容易起氣泡，聯(lián)想起帶電粒子是不是能在液體中產(chǎn)生氣泡？實(shí)驗證明，在一些過熱液體（溫度高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)的液體）中，如果有帶電粒子穿過，能使它周圍的液體被氣化，從而在粒子經(jīng)過的路徑上顯示出一連串的氣泡。

1952年，格拉澤采用乙醚作為液體試制成第一個氣泡室，當(dāng)乙醚處在過熱溫度并突然減小外部壓強(qiáng)時，來自鈷60放射源或來自宇宙射線的高能粒子觸發(fā)乙醚使之局部沸騰，用快速的攝影機(jī)拍攝得到的底片，可以清晰地顯示出由于局部沸騰形成的氣泡所構(gòu)成的清晰的徑跡。在成功地觀察到第一批徑跡后，他又用不同物質(zhì)的液態(tài)進(jìn)行實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)最實(shí)用的是液態(tài)氫和液態(tài)氙，液態(tài)氫提供了一個簡單的靶子，而液態(tài)氙則能作為一個具有高原子序數(shù)的靶子。

氣泡室用液體介質(zhì)取代了云室中的氣體介質(zhì)，這使得氣泡室的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了云室。因為液體的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，所以高能粒子在液體中的行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在氣體之中，大約是在氣體中行程的1‰，由此，要觀察高能粒子的全過程，氣泡室尺寸可以變得很小。一個高能粒子在液體介質(zhì)中的行程通常為10厘米數(shù)量級，如果用云室觀察它的全過程，要求云室的長度為100米，這顯然是難以辦到的。氣泡室克服了威爾遜云室的缺陷，使觀察高能粒子的全過程成為可能。它還具有循環(huán)快、反應(yīng)靈敏、直觀性好，粒子的作用頂端點(diǎn)看得見，多重效率高、有效空間大和觀察精度高等特點(diǎn)，它所搜集的各種信息量是云室的1 000倍左右。之后，在研究高能粒子的實(shí)驗中，氣泡室基本取代了威爾遜云室。

老虎機(jī)與細(xì)菌自發(fā)變異的發(fā)現(xiàn)

1969年，美籍意大利生物學(xué)家盧里亞（S.E.Luria，1912—1991）因為在噬菌體細(xì)胞內(nèi)增殖過程的研究中，找到了細(xì)菌自發(fā)變異的有力證據(jù)，與美籍德國物理學(xué)家、微生物學(xué)家德爾布呂克（M.Delbruck， 1906—1981）等人共享這一年度的諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。

1938年，盧里亞選擇了噬菌體作為輻射誘導(dǎo)基因突變的研究對象。1940他來到美國，與德爾布呂克一起進(jìn)行研究。噬菌體是一種病毒，它侵入細(xì)菌的細(xì)胞后，迅速繁殖，結(jié)果使細(xì)菌的細(xì)胞破裂，釋放出大量同樣的噬菌體，它們又去攻擊其他的細(xì)菌。盧里亞發(fā)現(xiàn)，將噬菌體去感染某種敏感細(xì)菌，絕大多數(shù)的細(xì)菌被殺死，有極少數(shù)的細(xì)菌大難不死，形成“菌落”，從這些菌落培養(yǎng)出來的細(xì)菌再也不會被那些噬菌體感染。盧里亞猜想，這些抗噬菌體細(xì)菌的產(chǎn)生可能是由于基因的突變而引起的，他想建立起抗噬菌體細(xì)菌的突變模式。他試著做了幾個實(shí)驗，但是沒有一個成功。

1943年2月，盧里亞參加了一場舞會。他正好站在一部吃角子的老虎機(jī)前面，前來玩老虎機(jī)想碰運(yùn)氣中獎的人絡(luò)繹不絕。誰都知道，中獎是一個隨機(jī)事件，中大獎的概率極小。不料他的一個同事卻得了個大獎，盧里亞看他得意揚(yáng)揚(yáng)的樣子，突然間悟出了一個道理,老虎機(jī)和細(xì)菌的突變之間有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)性：細(xì)菌的突變機(jī)會也類似于老虎機(jī)的中獎機(jī)會；兩者都是隨機(jī)的，并且是不均勻分布的。

盧里亞這樣推理：如按照拉馬克的理論，細(xì)菌對噬菌體的抗性是受噬菌體的存在這一誘導(dǎo)而產(chǎn)生的，那么當(dāng)噬菌體不存在時，細(xì)菌中就不會出現(xiàn)這一性狀；當(dāng)噬菌體與細(xì)菌接觸時，其中少數(shù)幸運(yùn)的細(xì)菌就會產(chǎn)生這一性狀，這些細(xì)菌在整個群落中的分布雖說是少量的，但肯定是均勻的，也就是說，不會有“大獎”產(chǎn)生。

而按照達(dá)爾文主義的觀點(diǎn)，細(xì)菌對噬菌體的抗性如果是通過基因突變自發(fā)產(chǎn)生的，那么即使在噬菌體還未與細(xì)菌接觸時，這種突變就已客觀存在了，只是無法檢測到而已。假設(shè)在細(xì)菌繁殖到第五代時加入噬菌體，結(jié)果會如何呢? 若一個細(xì)菌在第一代時就產(chǎn)生了突變，那當(dāng)它繁殖到第五代時，就已長成了一個頗具規(guī)模的菌落。當(dāng)這個菌落接觸到噬菌體時，它自然是具有抵抗力的，這就是一個“大獎”；以此類推，還可能會有一些“小獎”?！靶—劇钡漠a(chǎn)生是由于基因突變發(fā)生的時間較遲，還來不及長成一個大的菌落。兩種情況的區(qū)別在于抗性產(chǎn)生的時間不同。第一種情況是在接觸噬菌體后抗性同時產(chǎn)生，所以其后代分布是均勻的；第二種情況抗性的產(chǎn)生是不同時的、隨機(jī)的。突變出現(xiàn)得越早，菌落長得越大，表現(xiàn)為一個“大獎”；突變出現(xiàn)晚的菌落就是一些“小獎”。

盧里亞再也無心留戀舞會，匆匆回家。第二天一早他就去做實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果相當(dāng)漂亮，抗性菌落的出現(xiàn)確實(shí)是不均勻分布的，偶爾會有“大獎”產(chǎn)生！這表明細(xì)菌的突變也是隨機(jī)的、自發(fā)的，遵循達(dá)爾文進(jìn)化論的模式，與環(huán)境的誘導(dǎo)無關(guān)。拉馬克理論再次被攻破了，細(xì)菌從此成為遺傳學(xué)舞臺上的主角。

盧里亞把自己的發(fā)現(xiàn)告訴了德爾布呂克，后者很快提出了一種處理細(xì)菌變異速度的數(shù)學(xué)模型。1943年，他們共同發(fā)表論文，指出了在同一種培養(yǎng)基里，同時存在抗噬菌體的細(xì)菌和對噬菌體敏感的細(xì)菌，這是自發(fā)的細(xì)菌變異所致。他們不但確定了細(xì)菌變異的存在，而且確定了細(xì)菌變異速度的方法，借由分析一系列獨(dú)立細(xì)菌族群中的突變的數(shù)目就可以相當(dāng)精確地估計細(xì)菌在短暫的生涯中，發(fā)生某一突變的概率，這種方法在以后被稱為“波動測試法”，他們的發(fā)現(xiàn)在遺傳學(xué)界引起了極大的反響。

盧里亞

德爾布呂克

轉(zhuǎn)盤子的游戲和量子電動力學(xué)的建立

1965年的諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了朝永振一郎、施溫格和費(fèi)曼三人，以表彰他們在量子電動力學(xué)方面的基礎(chǔ)性工作。自從20世紀(jì)20年代創(chuàng)立了量子力學(xué)后，許多理論物理學(xué)家開始了建立量子電動力學(xué)的工作，經(jīng)過不懈的努力，到20世紀(jì)60年代成熟的理論體系建立起來了。

費(fèi)曼

費(fèi)曼名著《量子電動力學(xué)講義》

美國物理學(xué)家費(fèi)曼（R.P.Feynman，1918—1988）在這方面的最大貢獻(xiàn)，是提出了費(fèi)曼圖解法、費(fèi)曼規(guī)則和路徑積分法。費(fèi)曼圖是他在處理量子場論時提出的一種方法，描述粒子之間的相互作用，直觀地表示粒子散射、反應(yīng)和轉(zhuǎn)化等過程。使用費(fèi)曼圖可以方便地計算出一個反應(yīng)過程的躍遷概率。費(fèi)曼圖使量子場論的計算形象化、條理化和簡明化，深受同行的歡迎。費(fèi)曼規(guī)則是指量子系統(tǒng)概率的疊加與經(jīng)典的規(guī)則不同，不是概率的直接疊加，而是概率幅的疊加（費(fèi)曼晚年根據(jù)這一規(guī)則提出了量子計算機(jī)的設(shè)想）。路徑積分方法是他以概率振幅疊加的基本假設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用作用量的表達(dá)形式，即對從一個空間一時間點(diǎn)到另一個空間另一時間點(diǎn)的所有可能路徑的振幅求和的方法。這是繼矩陣力學(xué)和波動力學(xué)這兩種基本的數(shù)學(xué)程式之后出現(xiàn)的第三種新的表述方式，它與前兩種等價。路徑積分法為量子力學(xué)的解釋指出了一條避免累贅而易于理解的途徑，它在量子力學(xué)內(nèi)的作用不甚顯著，但用到量子電動力學(xué)時優(yōu)越性很突出。

費(fèi)曼熱愛科學(xué)，酷愛生活。他的生活充滿了離奇有趣的經(jīng)歷，他在巴西參加過桑巴樂隊；他會擊拍印第安人的邦戈鼓，為芭蕾舞劇團(tuán)的表演伴奏；他喜歡繪畫，舉辦過個人畫展。留心觀察生活培養(yǎng)了他敏銳的洞察力和形象思維的能力，他善于從生活中的一些小事中得到啟發(fā)，喜歡在生活中找一些實(shí)用的例子，給自己出難題。他說自己在量子電動力學(xué)方面的工作曾經(jīng)受到了生活中一個轉(zhuǎn)盤子游戲的啟發(fā)。

有一個星期天，我在食堂旁邊看見一個傻小子把一個盤子拋到空中。當(dāng)盤子在空中上升時，它震蕩起來，我注意到盤上的康奈爾大學(xué)?；請D案隨之旋轉(zhuǎn)，且明顯地轉(zhuǎn)動比震蕩速度快。 我窮極無聊，開始計算旋轉(zhuǎn)盤子的運(yùn)動。我發(fā)現(xiàn)當(dāng)角度很小時，徽章的轉(zhuǎn)動是震動速度的兩倍——2∶1。這產(chǎn)生出一個復(fù)雜的方程！然后我想，根據(jù)力學(xué)或動力學(xué)，是否可能用一種更基本的方法弄清為什么它是2∶1？最后我解出了帶質(zhì)量的粒子的運(yùn)動，以及所有加速度如何平衡以使它得出2∶1。后來我到了我的朋友漢斯那兒，給他講那些加速度，他說：“費(fèi)曼，那是相當(dāng)有趣的，但是它很重要嗎？您為什么研究它？”“哼!”我說，“一點(diǎn)也不重要。我做它恰恰是好玩。”他的反應(yīng)并沒有使我氣餒，我堅定了自己喜歡物理并做我想做的事情的想法。

我繼續(xù)算振動方程。然后考慮在相對論中電子如何開始進(jìn)入軌道運(yùn)動，接著就有電動力學(xué)中的狄拉克方程，而后是量子電動力學(xué)。

在費(fèi)曼的一生中，這不是唯一的特例。他相信，艱難深奧的理論物理學(xué)并不遠(yuǎn)離生活，生活中處處有“好玩”的物理學(xué)，人們可以從玩中得到啟發(fā)，科學(xué)與生活一樣，處處充滿“玩”的樂趣。

善于發(fā)現(xiàn)在廣闊的生活中保存的無數(shù)奇跡

在日常生活中得到啟發(fā)而導(dǎo)致重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的案例還真不少。帕斯卡聽見盤子叮當(dāng)響，由此發(fā)現(xiàn)了聲音的振動原理；歐拉為解決哥尼斯堡城居民散步中遇到的“七橋難題”，創(chuàng)立了拓?fù)鋵W(xué)；斯莫利從搭積木的游戲得到靈感，構(gòu)建了C60分子的球形結(jié)構(gòu)模型，等等。

俄國文學(xué)家別林斯基說：“人的生活像廣闊的海洋一樣深，在它未經(jīng)測量的深度中，保存著無數(shù)的奇跡?！鄙钊氲缴钪腥ィ鲆粋€有心人，仔細(xì)觀察生活，我們能發(fā)現(xiàn)生活中保存著的奇跡，從中得到啟示，碰撞出智慧的火花。達(dá)爾文的兒子在談到他父親時說：“他有一種捕捉例外情況的特殊天性。多數(shù)人在遇到表面上微不足道又與當(dāng)前研究沒有關(guān)系的事情時，幾乎不自覺地以一種未經(jīng)認(rèn)真考慮的解釋將它忽略過去……他抓住了的恰恰是這些情況，并以此作為研究的起點(diǎn)?！绷粜挠^察生活培養(yǎng)了達(dá)爾文敏銳的洞察力和形象思維的能力，他從同一物種細(xì)微的區(qū)別中接受了物種發(fā)生變異的事實(shí)，追究物種發(fā)生變異的原因?qū)е滤麆?chuàng)立了生物進(jìn)化論。

要從生活中得到啟發(fā)，必須熱愛生活，提高感受生活的能力。達(dá)爾文說：“不要因為長期埋頭科學(xué)而失去對生活、對美、對詩意的感受能力。”一些有偉大創(chuàng)造成就的人，善于感受生活，他們對于生活中的新鮮事，充滿了好奇心。愛因斯坦在孩提時代，對父親給他買的一件特殊的玩具——指南針感到驚奇，多么神奇的自然力在起作用?。≡?0年后，對神奇的自然力的追究導(dǎo)致他對統(tǒng)一場的執(zhí)著追求。愛因斯坦在晚年，看到會發(fā)出悅耳叫聲的玩具鳥，還像頑童一樣愛不釋手，要弄清楚它的奧妙。好奇心是最好的向?qū)Ш屠蠋?，對生活中新鮮事物的好奇引導(dǎo)許多人在科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)明上做出了杰出的貢獻(xiàn)。