在科學(xué)思想指引下做出的重大發(fā)現(xiàn)

陳敬全

科學(xué)思想是對(duì)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)理論的凝練和升華，是在更高層次上對(duì)科學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步抽象和概括，把“理論的表述”變成“觀念的表述”。典型的科學(xué)思想有演化思想、守恒思想、對(duì)稱思想、系統(tǒng)思想、極限思想、互補(bǔ)思想等等。

科學(xué)思想指引科學(xué)工作者有效地開展科學(xué)研究并取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

演化思想與地質(zhì)進(jìn)化論的提出

18世紀(jì)以來，地質(zhì)學(xué)取得了進(jìn)展。但是在不少方面，還禁錮在神學(xué)的陰影之下。如關(guān)于巖石成因的“水成說”，就借用了《圣經(jīng)》中的“大洪水”之說。英國(guó)地質(zhì)學(xué)家赫頓提出巖石成因的“火成論”，展開了地質(zhì)學(xué)史上著名的“水火之爭(zhēng)”。受神學(xué)禁錮的還有“災(zāi)變論”。法國(guó)生物學(xué)家居維葉觀察到不同的地層含有不同的古生物種屬，而且不存在過渡的種屬，他認(rèn)為地層中物種的變化起于突然、瞬間的災(zāi)變，災(zāi)變的原因用自然力是難以解釋的，他推出最后一次大災(zāi)變發(fā)生在五六千年前，這與《圣經(jīng)》中記載的上帝約在公元前4004年創(chuàng)造出人類相符。居維葉的災(zāi)變論受到了教會(huì)的吹捧，并在地質(zhì)學(xué)中頗有影響。

英國(guó)學(xué)者賴爾（Sir C.Lyel，1797—1875）對(duì)地質(zhì)學(xué)饒有興趣，他讀了赫頓關(guān)于地球的理論。赫頓反對(duì)把神學(xué)帶入地質(zhì)學(xué)，使賴爾對(duì)災(zāi)變論產(chǎn)生了懷疑。賴爾注重地質(zhì)考察，他的足跡遍及英國(guó)、法國(guó)、瑞士、意大利、德國(guó)和斯堪的納維亞半島等地。他觀察到了許多正在進(jìn)行的地質(zhì)作用，認(rèn)識(shí)到地球是演化的和變化著的，而變化的原因是自然界本身。在1818年，他看到巴納斯河河水泛濫后河岸被沖刷后形成了150英尺（約45.72 m）高的直立懸崖。見證了大西洋的海浪在巖石中沖出缺口后，他相信這樣的破壞作用，在幾千年之后，會(huì)把島嶼分割成孤立的巖石群。1823年，他考察了巴黎盆地的化石，考察地層之間的相互關(guān)系，加深了對(duì)災(zāi)變論的懷疑。1827年，賴爾讀了生物學(xué)家拉馬克的《動(dòng)物哲學(xué)》，受到了拉馬克動(dòng)物進(jìn)化論思想的深刻影響，他逐步形成了地質(zhì)漸變論的思想。

1830年，賴爾的著作《地質(zhì)學(xué)原理》第一卷出版。書中體現(xiàn)了他在地質(zhì)學(xué)研究上的開拓性成果。在緒言中他開宗明義地指出“地質(zhì)學(xué)不能與創(chuàng)世論相提并論”，勇敢地向神學(xué)和災(zāi)變論提出挑戰(zhàn)。

賴爾確立了地質(zhì)進(jìn)化的科學(xué)概念。他指出，地球是不斷地運(yùn)動(dòng)和變化的，引起這種運(yùn)動(dòng)和變化的各種因素，從地質(zhì)學(xué)的角度來看是微不足道的，但其長(zhǎng)期累積的結(jié)果則是驚人的。賴爾認(rèn)為，災(zāi)變論的一個(gè)重要失誤是忽略了地質(zhì)事件的時(shí)間因素，就像金字塔，如果一個(gè)人不具有歷史事件的時(shí)間概念，以為它是幾天之內(nèi)造成的，那就只能歸因于超人的作用。同樣，侵蝕地貌的形成，若排除了漫長(zhǎng)地質(zhì)年代的時(shí)間因素，也就只能歸結(jié)為超自然力的作用。賴爾引入了“緩慢的地質(zhì)作用”的概念，主張從長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)和變化的累積的觀點(diǎn)來分析地質(zhì)演變過程。比如，針對(duì)災(zāi)變論者認(rèn)為在地球大變革時(shí)有過火山集中大量噴發(fā)的觀點(diǎn)，他說“每一個(gè)火成巖層，都是由許多次連續(xù)噴發(fā)或流溢的火山物質(zhì)所組成，所以關(guān)于地下熱力所形成的古代巖石的知識(shí)愈擴(kuò)大，我們愈不得不承認(rèn)它們是無數(shù)次噴發(fā)的總結(jié)果，而每次噴發(fā)的強(qiáng)烈程度，可能與現(xiàn)時(shí)在火山區(qū)域所經(jīng)驗(yàn)的相仿”。他認(rèn)為，自然界是屢經(jīng)變化的舞臺(tái)，而且至今還是一個(gè)緩慢的、但是永不停息的變動(dòng)物體。

賴爾

賴爾著《地質(zhì)學(xué)原理》

賴爾概括出地質(zhì)研究的科學(xué)方法，這就是著名的“現(xiàn)在是了解過去的鑰匙”法則，或稱之為“將今論古”法則。赫頓曾提出“自然法則是始終一致”的觀點(diǎn)：在地球的一切變化過程中，自然法則是不變的。河流和巖石，海洋和大陸，都經(jīng)歷了各種變化，但支配那些變化的規(guī)律始終是相同的。賴爾十分贊同赫頓的觀點(diǎn)。他根據(jù)大量事實(shí)指出，“現(xiàn)在在地球表面和地面以下的作用力的種類和程度，可能與遠(yuǎn)古時(shí)期造成地質(zhì)變化的作用力完全相同”。既然作用于地球的各種自然力古今一致，那么人們就可以根據(jù)現(xiàn)在仍然在起作用的自然力推論過去，解釋地質(zhì)歷史時(shí)期的各種地質(zhì)作用和地質(zhì)現(xiàn)象，運(yùn)用類比推理與歸納推理的方法來恢復(fù)地球過去的歷史，揭示自然的奧秘。賴爾為地質(zhì)學(xué)的研究提供了一種毫不神秘、現(xiàn)實(shí)主義的有用手段。

賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》揭開了地質(zhì)學(xué)研究的新篇章。恩格斯高度評(píng)價(jià)他的貢獻(xiàn)：“只有賴爾第一次把理性引入了地質(zhì)學(xué)中，用一種漸進(jìn)作用代替了造物主一時(shí)興發(fā)的突然革命?！?/p>

守恒思想與中微子的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家在探索β衰變時(shí)遇到了麻煩，重元素的β衰變是原子核中的中子衰變形成的。按當(dāng)時(shí)流行的看法，中子衰變的產(chǎn)物只有電子和質(zhì)子，但在理論上很難說得過去。首先是由于中子、質(zhì)子和電子的自旋都是1/2，如果衰變后真的只有電子和質(zhì)子，那么根據(jù)角動(dòng)量相加法則，不存在角動(dòng)量為1/2的態(tài)，也就是無法保持角動(dòng)量守恒；其次，根據(jù)能量守恒定律，β衰變后產(chǎn)生的電子和質(zhì)子都應(yīng)該具有確定數(shù)值的能量，但事實(shí)上β衰變時(shí)放射出的電子的能量是連續(xù)分布的，也即有一寬闊的連續(xù)譜，不過有一個(gè)上限。

一種可能的解釋是，β粒子在從它們?cè)瓉硭诘姆派湫晕镔|(zhì)中逸出時(shí)受到連續(xù)分布的能量損失。為此，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的埃利斯和伍斯特設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)：把放射性物質(zhì)所發(fā)射的β射線全部吸收到一塊鋁板中，然后仔細(xì)測(cè)量由此產(chǎn)生的熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)β粒子所釋放的總能量恰好等于連續(xù)譜中電子的平均能量，這證明電子在物質(zhì)中沒有損失能量。

一些物理學(xué)家，包括丹麥著名物理學(xué)家玻爾在內(nèi)都認(rèn)為，β衰變的困難表明：一種更新的動(dòng)力學(xué)、更新的時(shí)空概念，才能適用于核的尺度內(nèi)。他們估計(jì)，在這個(gè)尺度內(nèi)，電動(dòng)力學(xué)甚至狹義相對(duì)論揭示的規(guī)律可能都不再適用。為了擺脫困難，人們提出了各種猜測(cè)，做好了應(yīng)對(duì)意外事件的思想準(zhǔn)備。

泡利

費(fèi)米

1930年底，奧地利物理學(xué)家泡利（W.E.Pauli，1900—1958）大膽提出存在一個(gè)新的中性粒子的建議，他把它幽默地表達(dá)為“孤注一擲的措施”和“一棵救命的稻草”。泡利假設(shè)，在β衰變中，除放出β粒子外，同時(shí)還放出一種質(zhì)量很小的中性粒子（后來稱為中微子），這樣，原子核衰變能量就由電子、中微子和反沖核三者分配。由于原子核質(zhì)量很大，所以反沖核能量就很小，可以忽略，主要只由中微子和電子參與能量的分配，這就解釋了β能譜連續(xù)分布的特點(diǎn)，同時(shí)也解決了β衰變中的角動(dòng)量守恒問題。

1931年，在羅馬的一次會(huì)議上，泡利與玻爾等人就β衰變問題進(jìn)行討論。泡利的想法遭到了玻爾的極力反對(duì)，玻爾認(rèn)為能量守恒只在統(tǒng)計(jì)意義上成立，在核這樣的尺度內(nèi)，守恒定律可能不再成立。而泡利則堅(jiān)信，在每一個(gè)單獨(dú)的基本過程中，能量守恒都是嚴(yán)格成立的，但是在發(fā)射電子的同時(shí)，還有一種更為彌散的輻射，它由一種新粒子組成。

泡利的想法得到了意大利物理學(xué)家費(fèi)米（E.Fermi，1901—1954）的贊同。費(fèi)米以量子力學(xué)為依據(jù)，在泡利中微子假說的基礎(chǔ)上，于1934年提出了完整的關(guān)于β衰變的理論，這個(gè)理論彌補(bǔ)了泡利中微子假說的不足，能夠定量解釋?duì)履茏V各個(gè)細(xì)節(jié)以及β衰變的各種規(guī)律。費(fèi)米認(rèn)為：電子和中微子是在原子核衰變的過程中產(chǎn)生并發(fā)射出來的，核子可看作是β衰變場(chǎng)的源泉，β衰變有著比其他類型長(zhǎng)得多的壽命。他指出，自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用，β衰變就是核內(nèi)一個(gè)中子通過弱相互作用衰變成一個(gè)電子、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中微子的過程。

1956年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了中微子的存在。盡管這是在泡利和費(fèi)米做出預(yù)言20多年之后，但中微子卻成為新的物理學(xué)觀念中的一個(gè)新型粒子，這就開辟了弱相互作用研究的全新領(lǐng)域。弱相互作用的特點(diǎn)常與物理學(xué)家的愿望相反，連玻爾在以后也不得不承認(rèn)，不能再宣稱“有關(guān)（懷疑）能量守恒的想法了”。

在1957年蘇黎世一次會(huì)議上，泡利在回顧解決β衰變的主要困難時(shí)說：“試圖在不放棄能量守恒的前提下，把核的自旋和統(tǒng)計(jì)性問題與β的連續(xù)譜聯(lián)系起來，于是設(shè)想有一種新的中性粒子的出現(xiàn)?！彼麍?jiān)信一切物理變化和過程都遵循能量守恒定律這個(gè)大前提，從而樹立起信心：β衰變既然是物理現(xiàn)象和過程，它也必然遵循能量守恒定律。泡利找到了進(jìn)一步研究的方向，追尋虧損了的那一部分能量的去向，終于獲得了重大發(fā)現(xiàn)。人們都說，中微子的發(fā)現(xiàn)是泡利在守恒思想的指引下，成功應(yīng)用了演繹推理方法，這是很有道理的。

對(duì)稱思想與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立

20世紀(jì)中期，遺傳學(xué)進(jìn)展如火如荼。染色體已被確定為是基因的載體，其化學(xué)成分有蛋白質(zhì)和DNA兩種，這兩者中究竟哪個(gè)是基因的載體?不少生物學(xué)權(quán)威人士認(rèn)為，蛋白質(zhì)是基因的載體，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)含有20種氨基酸，而DNA只含有4種核苷酸（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶），顯然前者的變化機(jī)會(huì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過后者，這符合基因的多樣性。

美國(guó)生物學(xué)家沃森（J.D.Watson，1928—）堅(jiān)信基因的載體一定是DNA，因?yàn)樵?0世紀(jì)40年代，有人就通過細(xì)菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了起轉(zhuǎn)化作用的遺傳物質(zhì)是DNA。要揭示DNA的三維結(jié)構(gòu)，必須通過X射線衍射的方法。沃森來到英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。在這里，他結(jié)識(shí)了克里克（F.H.C.Crick，1916—2004）?？死锟耸菍W(xué)物理的，他認(rèn)真讀過奧地利著名物理學(xué)家薛定諤的著作《生命是什么？》。書中明確指出，物理學(xué)和化學(xué)的規(guī)律同樣適用于生物學(xué)一些基本問題的研究。薛定諤對(duì)于染色體決定生物體的遺傳性狀做了設(shè)想，并用量子力學(xué)中的“躍遷”來解釋基因突變，這吸引克里克投身到生命科學(xué)的研究領(lǐng)域。

沃森

克里克

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

他們從倫敦國(guó)王學(xué)院的女物理化學(xué)家和晶體學(xué)家富蘭克林和她的同事威爾金斯那里獲得了許多精致的DNA的X射線衍射圖片，這些圖片提供了具有權(quán)威性的最新資料。

1952年5月，他們得知了美國(guó)生物化學(xué)家查伽夫的最新發(fā)現(xiàn)，即在DNA中4種核苷酸的數(shù)量和相對(duì)比例在不同的物種中很不相同。但是，其中腺嘌呤的量始終等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量始終等于胞嘧啶的量。這為他們的研究提供了一條重要的線索。

沃森和克里克著手建立DNA的結(jié)構(gòu)模型。他們遇到了不少挫折，一開始，他們對(duì)圖片經(jīng)過分析后，判斷模型是由三股鏈纏繞而成的，這與其他人的判斷一致。但他們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)錯(cuò)誤的判斷，它與已知的數(shù)據(jù)不相吻合。作為生物學(xué)家的沃森突然想到：在生物界中，“成雙配對(duì)”是較為普遍的現(xiàn)象。既然如此，生物體的微觀構(gòu)造也應(yīng)體現(xiàn)出這一特征。這促成他們拋棄了三鏈結(jié)構(gòu)模型，大膽提出了雙鏈模型。

如果DNA果真是由雙鏈組成的，緊接著就會(huì)有一個(gè)堿基配對(duì)問題。最初沃森提出了一個(gè)同類堿基配對(duì)的設(shè)想，亦即嘌呤與嘌呤配對(duì)，嘧啶與嘧啶配對(duì)。然而，這一方案僅存在12個(gè)小時(shí)，有人就指出了其不符合結(jié)構(gòu)化學(xué)的原理。按照堿基的天然構(gòu)型，腺嘌呤只能與胸腺嘧啶，鳥嘌呤只能與胞嘧啶緊密結(jié)合，這些配對(duì)堿基之間的結(jié)合力是由氫鍵提供的。這也恰好與查伽夫的發(fā)現(xiàn)相吻合。沃森和克里克猛然悟出了其中的深刻意義：DNA雙螺旋模型就是由這樣的互補(bǔ)堿基配對(duì)而成，雙環(huán)結(jié)構(gòu)的堿基嘌呤總是和單環(huán)結(jié)構(gòu)的堿基嘧啶相配對(duì)，所以兩股鏈的走向剛好相反。

1953年4月，沃森和克里克最終得出了DNA分子的立體模型，它猶如一條扭曲的梯狀長(zhǎng)鏈，每對(duì)互補(bǔ)的堿基構(gòu)成階梯，糖和磷酸則構(gòu)成兩側(cè)的扶梯。兩條鏈?zhǔn)侨彳浀?，自然地取氫鍵螺旋形態(tài)，在上面攜帶著生命的信息。這個(gè)模型很快得到了科學(xué)界的認(rèn)同，它不但能與已知的資料極好地吻合，而且還揭示了復(fù)制過程何以可能：在DNA雙鏈中，每一個(gè)堿基通過與另一個(gè)互補(bǔ)堿基的配對(duì)，DNA鏈就精確地復(fù)制了自身。又由于氫鍵是一個(gè)弱鍵，DNA雙鏈就很容易從中間斷開，一分為二。這正是基因復(fù)制的奧秘，也是遺傳的奧秘!

沃森和克里克能最先摘得成功的桂冠是幸運(yùn)的，與其他高手相比，他們是初出茅廬的新手，但他們有別人不及的優(yōu)勢(shì)：他們的合作體現(xiàn)了生物學(xué)與物理學(xué)的完美結(jié)合，現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展離不開數(shù)理化知識(shí)的鋪墊；而沃森具有的生物學(xué)直覺起了關(guān)鍵作用，“成雙配對(duì)”的對(duì)稱思想引領(lǐng)他們突破了三鏈的思維定式，最終建立起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。沃森、克里克和威爾金斯榮獲1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

科學(xué)思想是科學(xué)工作者必備的素質(zhì)

科學(xué)思想在自然科學(xué)研究中的地位和作用備受關(guān)注，科學(xué)思想應(yīng)該是科學(xué)工作者必備的科學(xué)素質(zhì)已成為一種共識(shí)。

科學(xué)思想溝通了各門自然科學(xué)。各門科學(xué)的具體研究對(duì)象雖然有差別，但是只要某個(gè)學(xué)科對(duì)于自然界的某些方面提供了規(guī)律性的東西，那么其理論思想就往往超出該學(xué)科自身的認(rèn)識(shí)范圍，對(duì)其他學(xué)科的發(fā)展起指導(dǎo)作用并產(chǎn)生影響?？茖W(xué)思想在一定條件下還可以轉(zhuǎn)化為科學(xué)方法，從而具有更廣泛的認(rèn)識(shí)意義。例如，20世紀(jì)40年代創(chuàng)建的系統(tǒng)科學(xué)理論，可以與相對(duì)論、量子力學(xué)相媲美，系統(tǒng)科學(xué)思想轉(zhuǎn)化為一整套系統(tǒng)科學(xué)方法，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了十分重大的作用。

科學(xué)思想來源于科學(xué)知識(shí)和科學(xué)理論，但又有別于科學(xué)知識(shí)或理論，蘊(yùn)含著更深刻的思想內(nèi)涵，相對(duì)于科學(xué)工作者的規(guī)范而言，它比科學(xué)知識(shí)或理論更具有普遍性和廣域性，不僅規(guī)范著科學(xué)工作者的科學(xué)研究實(shí)踐活動(dòng)，也規(guī)范著他們的思維方式和行為方式。

科學(xué)工作者學(xué)習(xí)科學(xué)思想可以看成是對(duì)科學(xué)探索的再探索，對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身的再發(fā)現(xiàn)。有了這種再探索和再發(fā)現(xiàn)，科學(xué)的理論成果會(huì)進(jìn)一步升華，科學(xué)認(rèn)識(shí)的水準(zhǔn)會(huì)達(dá)到更高的境界。愛因斯坦勉勵(lì)人們努力探究科學(xué)思想，認(rèn)為這是很有意義和魅力的。他指出，通?！翱茖W(xué)結(jié)論幾乎總是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動(dòng)過程，也很難達(dá)到清楚地理解全部情況”，然而“根據(jù)原始論文來追蹤理論（思想）的形成過程卻始終具有一種特殊的魅力”。