陳敬全

日本著名的化學(xué)家福井謙一說(shuō)：“大自然深不可測(cè)，在科學(xué)的自然認(rèn)識(shí)中，對(duì)科學(xué)創(chuàng)新最有影響的，就是直接地、如實(shí)地認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)方法，就不可能創(chuàng)造出推進(jìn)科學(xué)前進(jìn)的理論和新的科學(xué)法則?！痹诳茖W(xué)史上，一些科學(xué)家“直接、如實(shí)地認(rèn)識(shí)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(guó)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(dòng)。

威爾遜

威爾遜在1912年改進(jìn)過(guò)的云霧室

云霧室是英國(guó)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(yáng)照射山上的云霧時(shí)，呈現(xiàn)的奇妙的光學(xué)現(xiàn)象使他著迷。他說(shuō)：“特別是太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室里模擬這些現(xiàn)象?！?/p>

1895年，威爾遜設(shè)計(jì)了一套設(shè)備，使水蒸氣冷凝來(lái)形成云霧。當(dāng)時(shí)許多人認(rèn)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(xì)除去儀器中的塵埃后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水蒸氣飽和超過(guò)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。

他經(jīng)過(guò)多年的研究總結(jié)出，當(dāng)無(wú)塵空氣的體積膨脹比為1.25時(shí)，負(fù)離子開始成為凝聚核心；當(dāng)膨脹比為1.28時(shí)，負(fù)離子全部成為凝聚核心。對(duì)于正離子來(lái)說(shuō)，膨脹比為1.31時(shí)開始成為凝聚核心，膨脹比為1.35時(shí)全部成為凝聚核心。

威爾遜嘗試用自己的設(shè)備來(lái)探測(cè)帶電粒子的徑跡。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在1911年他研制出了云霧室：利用蒸氣絕熱膨脹，溫度降低，達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)帶電粒子通過(guò)時(shí)，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(cè)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(guò)的了。

1920年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)，短波長(zhǎng)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(zhǎng)的波以外，還出現(xiàn)了波長(zhǎng)增大的波，這種散射現(xiàn)象在以后被稱為康普頓效應(yīng)?？灯疹D引入了量子的概念解釋：一個(gè)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(dòng)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(zhǎng)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(duì)。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(shí)了康普頓的解釋。

威爾遜云霧室對(duì)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(guò)拍攝它們?cè)谠旗F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(jiǎng)。他的摯友、物理學(xué)家布萊克特這樣評(píng)價(jià)他：“作為當(dāng)代最偉大的科學(xué)家之一，他對(duì)工作的專注是來(lái)自他對(duì)自然世界的熱愛(ài)，來(lái)自他對(duì)自然世界的瑰麗壯美的喜悅?！?/p>

大海的顏色和拉曼散射的發(fā)現(xiàn)

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(rèn)識(shí)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(jiǎng)。

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(wèn)英國(guó)后搭船回國(guó)。途經(jīng)地中海，蔚藍(lán)色的海水使他賞心悅目，他突然對(duì)“海水為什么是藍(lán)的？”這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣。英國(guó)物理學(xué)家瑞利研究過(guò)天空和海洋的顏色，他認(rèn)為太陽(yáng)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(lán)色光，所以天空一般呈藍(lán)色。他認(rèn)為海水本身沒(méi)有顏色，之所以呈藍(lán)色，是因?yàn)樗瓷淞颂炜盏念伾?/p>

拉曼認(rèn)為瑞利對(duì)海水顏色的解釋很牽強(qiáng)。他返回加爾各答后，立刻開始了這個(gè)課題的研究，通過(guò)觀察光線穿過(guò)純凈水、冰塊等材料的散射情況證實(shí)了：與大氣分子散射陽(yáng)光使天空呈藍(lán)色的機(jī)理相同，海水呈現(xiàn)藍(lán)色也是水分子將太陽(yáng)光散射的緣故。

拉曼和他的助手對(duì)光線的散射現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究，他們觀察可見(jiàn)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(zhǎng)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(lái)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，他們終于找到了分離的方法：用定日鏡把陽(yáng)光引入實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)聚合后入射到實(shí)驗(yàn)樣品上，在入射和出射光路中分別放置一對(duì)互補(bǔ)濾色鏡，他們發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)樣品的藍(lán)色散射光，經(jīng)過(guò)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(lán)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(lái)的呢？

經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，樣品中有雜質(zhì)的可能性被排除了。因?yàn)樵?0多種不同的、經(jīng)過(guò)精心提純的液體中無(wú)一例外都存在同樣的現(xiàn)象，尤其是在丙三醇樣品的實(shí)驗(yàn)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(shuō)明了原來(lái)以為是熒光的射線實(shí)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(bào)告了自己的發(fā)現(xiàn)，他利用光量子論對(duì)“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，如果是彈性碰撞，光量子的能量和動(dòng)量不變，散射光的頻率與入射光一致。如是非彈性碰撞，就能觀察到“二次射線”：分子若吸收了光量子的能量，則散射光的頻率變小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)；分子若把能量轉(zhuǎn)移給光量子，則散射光頻率增大、波長(zhǎng)變短。

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(jiǎn)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(jì)和濾色鏡都是老式的，所有的設(shè)備加起來(lái)，也不過(guò)數(shù)十美元。就憑這些簡(jiǎn)陋和廉價(jià)的設(shè)備發(fā)現(xiàn)了微弱的拉曼效應(yīng)，這不能不說(shuō)是一個(gè)奇跡。

拉曼的發(fā)現(xiàn)是繼20世紀(jì)20年代康普頓效應(yīng)之后，對(duì)光量子論的又一個(gè)有力的實(shí)驗(yàn)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，在以前，分子振動(dòng)能譜和轉(zhuǎn)動(dòng)能譜的測(cè)量，是通過(guò)紅外區(qū)的吸收來(lái)進(jìn)行的，這必須應(yīng)用昂貴的實(shí)驗(yàn)裝備，而利用拉曼的新發(fā)現(xiàn)和簡(jiǎn)單廉價(jià)的設(shè)備，就可以把紅外區(qū)的分子能譜移到可見(jiàn)光區(qū)來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，從而使一般的實(shí)驗(yàn)室都可以進(jìn)行分子能譜方面的研究，這當(dāng)然受到了光譜學(xué)家們的歡迎。

“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(yùn)動(dòng)變化是有方向的?？藙谛匏固岢隽酥臒峒耪f(shuō)，他根據(jù)熱力學(xué)第二定律認(rèn)為，宇宙中的各種能量相互轉(zhuǎn)化，一切運(yùn)動(dòng)都將轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)，朝熵增、無(wú)序的方向發(fā)展，最后達(dá)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(wú)序向有序、簡(jiǎn)單到復(fù)雜、低級(jí)到高級(jí)的方向進(jìn)行；人類社會(huì)也是從原始社會(huì)到奴隸社會(huì)再向更高級(jí)、更有序的形態(tài)發(fā)展的。

比利時(shí)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(gè)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(huì)行為就是一種自組織現(xiàn)象。一個(gè)白蟻群體有百萬(wàn)之眾，各白蟻?zhàn)麟s亂的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)蟻群的編排隊(duì)形規(guī)則整齊。蜂群的自組織現(xiàn)象也十分顯著，千萬(wàn)個(gè)蜜蜂在看似無(wú)序的飛行中卻能相互協(xié)同，建造出一個(gè)個(gè)完美無(wú)缺的正六邊形的蜂巢。微小生物能實(shí)施有效的分工和協(xié)同，自發(fā)地組成龐大的有序的社會(huì)。

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(wú)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(méi)工作的時(shí)候，介質(zhì)中的各個(gè)活性原子彼此獨(dú)立地發(fā)出光波，光的頻率、相位等都是無(wú)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(guò)臨界值時(shí)，各個(gè)活性原子被組織起來(lái)，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(qiáng)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(gè)組分或中間產(chǎn)物的濃度會(huì)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(shí)，溶液在無(wú)色和淡黃色兩種狀態(tài)間進(jìn)行著規(guī)則的周期振蕩。

普里戈金認(rèn)為，激光、化學(xué)振蕩等是物理、化學(xué)無(wú)生命世界中的自組織現(xiàn)象，它們揭示了一個(gè)新的高級(jí)組織是怎樣從原來(lái)是相對(duì)無(wú)序、低組織程度的世界中自發(fā)地產(chǎn)生出來(lái)的。他指出，要維持自組織的穩(wěn)定存在，必須不斷地對(duì)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(diǎn)及其形成條件進(jìn)行了艱苦的研究工作。他對(duì)化學(xué)振蕩反應(yīng)進(jìn)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(lái)具體分析化學(xué)中的耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為一個(gè)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(yuǎn)離熱平衡的狀態(tài)，必須是一個(gè)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(dòng)作，使系統(tǒng)從雜亂無(wú)章變?yōu)榫挥行颉?.系統(tǒng)內(nèi)存在反饋機(jī)制，負(fù)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(guò)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(jī)的，小的漲落會(huì)被衰減，而在臨界點(diǎn)附近，漲落可能會(huì)被放大，形成巨漲落，推動(dòng)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(duì)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(wú)生命的，甚至是人類社會(huì)，無(wú)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(huì)現(xiàn)象。這一理論不僅是改變科學(xué)本身的一個(gè)杠桿，而且也是迫使我們重新考察科學(xué)的目標(biāo)、認(rèn)識(shí)論和世界觀的一個(gè)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(jiǎng)。

化學(xué)振蕩反應(yīng)

普里戈金

普里戈金的名著《從存在到演化》

深切感受大自然的無(wú)比深?yuàn)W和美妙

受自然的啟示做出重大發(fā)現(xiàn)的事例還真不少。伽利略悟出了“大自然這本書是用數(shù)學(xué)寫的”，用數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)的方法得出了自由落體定律。牛頓從蘋果掉地聯(lián)想起月亮為什么不掉地的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。又如，自然界普遍存在的對(duì)稱現(xiàn)象啟發(fā)科學(xué)家做出了奇妙的發(fā)現(xiàn)：麥克斯韋相信電和磁具有對(duì)稱性，預(yù)言電磁波的存在；克里克用對(duì)稱方法破解了生物大分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，等等。福井謙一說(shuō)，是大自然把他引向了化學(xué)王國(guó)，化學(xué)的復(fù)雜性是大自然的一種奧妙。他孜孜不倦地探索化學(xué)理論，建立起化學(xué)反應(yīng)的前線軌道理論，榮獲1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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(yàn)并感受到大自然的無(wú)比深?yuàn)W和美妙，從自然的啟示中享受到無(wú)窮的情趣，從而激發(fā)起對(duì)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(xì)觀察自然是發(fā)現(xiàn)的開端，是認(rèn)識(shí)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(guò)對(duì)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(lái)認(rèn)識(shí)自然、適應(yīng)自然、調(diào)節(jié)自然、改造和利用自然，推動(dòng)人類社會(huì)日新月異、不斷向前發(fā)展。