受自然的啟示做出的重大科學發(fā)現(xiàn)︱科學史
日本著名的化學家福井謙一說：“大自然深不可測，在科學的自然認識中，對科學創(chuàng)新最有影響的，就是直接地、如實地認識自然。整天和復雜而單純的大自然打交道的科學工作者，若不靠這種認識方法，就不可能創(chuàng)造出推進科學前進的理論和新的科學法則。”
在科學史上，一些科學家“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，威爾遜設計了一套設備，使水蒸氣冷凝來形成云霧。當時許多人認為，要使水蒸氣凝結成霧珠，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電離子為核心而凝結成霧珠。
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。這證明了自己的設想：霧珠凝結是能以離子為核心形成的。
威爾遜嘗試用自己的設備來探測帶電粒子的徑跡。經過反復實驗，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)，當帶電粒子通過時，蒸氣沿粒子軌道凝結，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意義是再清楚不過的了。
1920年，美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)，短波長的電磁輻射（X光）射入物質被散射后，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。
康普頓引入了量子的概念解釋：一個X光量子與物質中的自由電子碰撞以后，光量子的一部分能量和動量轉移到電子上面，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獎。
他的摯友、物理學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，為認識物質開辟了新的道路，并取得重要的成果”榮獲這一年度的諾貝爾物理學獎。
拉曼
1931年，印度物理學家拉曼（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，為認識物質開辟了新的道路，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？”這個問題產生了強烈的興趣。
英國物理學家瑞利研究過天空和海洋的顏色，他認為太陽光經大氣分子散射后，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、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為某種“熒光”現(xiàn)象。
拉曼和他的助手們想方設法把這種微弱的“二次射線”分離出來。
經過長期的努力，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，經過綠色濾色鏡以后并未完全消失，還能觀察到一些相當黯淡的光線，可以斷定這種光線應不同于入射的藍光，他們猜想，是不是由于樣品中含有某些雜質激發(fā)出來的呢？
經過反復的實驗，樣品中有雜質的可能性被排除了。因為在80多種不同的、經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。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”，其產生的新譜線被稱為“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，所有的設備加起來，也不過數(shù)十美元。就憑這些簡陋和廉價的設備發(fā)現(xiàn)了微弱的拉曼效應，這不能不說是一個奇跡。
拉曼的發(fā)現(xiàn)是繼20世紀20年代康普頓效應之后，對光量子論的又一個有力的實驗證明。它在研究物質的化學成分和分子結構方面有重要的應用：
“自組織現(xiàn)象”與耗散結構理論的建立
眾所周知，事物的運動變化是有方向的?？藙谛匏固岢隽酥臒峒耪f，他根據(jù)熱力學第二定律認為，宇宙中的各種能量相互轉化，一切運動都將轉化為熱運動，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、化學等無生命世界是否也存在這種自組織現(xiàn)象？
他在物理學領域內找到了自組織現(xiàn)象。激光的產生就是典型的事例。
半導體激光器在光泵還沒工作的時候，介質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。
他在化學反應系統(tǒng)中也找到了例證。在所謂的“化學振蕩反應”中，某幾個組分或中間產物的濃度會發(fā)生周期性的變化，類似于鐘表的周期性，這類反應又叫“化學鐘”。
最典型的是蘇聯(lián)化學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（BZ反應）：以金屬鈰作催化劑，當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、化學振蕩等是物理、化學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“耗散結構”的概念和耗散結構理論。
從1968年起，普里戈金為闡明耗散結構的特點及其形成條件進行了艱苦的研究工作。
他對化學振蕩反應進行了數(shù)學處理，闡明了化學振蕩反應產生的條件，建立起三分子模型來具體分析化學中的耗散結構。
耗散結構理論認為一個系統(tǒng)要形成有序結構的要求是：
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)內外環(huán)境之間要有物質、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生相干效應與協(xié)調動作，使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行颉?/span>
3. 系統(tǒng)內存在反饋機制，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)同產生出宏觀秩序。
4. 漲落是產生有序狀態(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)生質變，形成有序的結構。
普里戈金的耗散結構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領域，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的其他領域、適用于研究社會現(xiàn)象。
這一理論不僅是改變科學本身的一個杠桿，而且也是迫使我們重新考察科學的目標、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構理論上的杰出成就獲得諾貝爾化學獎。
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)科學家做出了奇妙的發(fā)現(xiàn)：
我們要向這些卓有成就的科學家學習，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導，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、適應自然、調節(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人文學院教授
-本文選自《世界科學》雜志2020年第2期“科學史專欄”-
