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科学研究与科学创新 一、几个创新案例 1、一个曾被遗忘的创新案例 汤佩松和王竹溪对植物细胞水分关系研 究的创新贡献 1940年8月9日，美国物理化学杂志 （Journal of Physical Chemistry）编辑部 收到寄自中国的一篇来稿，地址是中国 昆明国立清华大学生理学实验室和物理 系，作者为汤佩松和王竹溪。 他们所寄论文的标题是： 离体活细胞水分关系的热力学论述（ Thermodynamic formulation of water relation in an isolated living cell）。 这篇论文未经修改被发表在1941年出版的 物理化学杂志第45卷第2期上。 次年，论文的摘要被收入美国生物学文 摘杂志（Biological Abstracts，1942， 16：2758） 论文发表后没有什么反响。 据说是生理学家看不大懂，而能看懂的物 理化学家却认为该理论与他们的专业没有 什么关系。于是，这篇文章就有意无意地 被遗忘了。 其实这篇文章解决了当时描述植物细胞中 水分运动的一个极为关键的问题。 从热力学理论来说，水是向低处流的， 但水在植物体中却是向高处流的。 为解释这一反常现象，20世纪70年代以 来，植物细胞中水分运动的问题成为探 讨的重要课题。 植物细胞如何与外界交换水分，先后出 现过三种描述植物细胞吸水、排水规律 的理论解释。 第一种是“渗透压”解释。 第二种是“吸水力”解释。 第三种是“水势”解释。 1966年后，确立了建立在热力学基础上 的关于植物细胞吸水、排水的水势概念 体系。 这一概念体系的基本要点是： 采用水的化学势 来描述植物细胞与周 围环境中的含水状态，称之为水势； 水的化学势通过与溶液处于平衡的蒸汽 中的水汽分压测量； 据热力学化学平衡原理，水势梯度 就 自然地确定了植物细胞环境水分流动方 向与限度。 从以上概念体系出发，A，B两种溶液水 分运动的方向由它们的水势之差 决定，称为水势判据。 按照这一解释： 0，水分由A溶液流向B溶液； 0，水分由B溶液流向A溶液； =0， A，B溶液水分平衡。 这种解释具有明显的优越性： 1、将植物细胞吸水、排水现象的解释建 立在普遍适用的热力学基础上，概念清 晰，免除了混乱； 2、适用范围扩展了，可以统一描述和分 析土壤-植物-大气系统各部分的水分状态 和流动规律。 斯拉特尔（R.O.Slatyer）、 泰勒（S.A.Taylor ） 在1960年首先提出用水的化学势描写植物 含水状态，用水势梯度描写植物细胞水分运 动的趋向和限度， 和克拉麦（P.J.Kramer），则是水势描述体 系的最后完善者和确定者（1966）。 1984年和1985年，Kramer相继在美国植 物学会的新闻通讯和专业杂志上写文章介 绍汤佩松和王竹溪1941年的论文， 并表示“但愿这篇短文可以在某些程度上 ，弥补我们长期忽略汤、王关于细胞水分 关系热力学先驱性论文的遗憾” 汤佩松和王竹溪1941年论文确实已经包含 了1966年完成的植物-环境体系水分运动 关系水势概念描述体系的几乎全部内容。 这个创新案例有两点值得注意： 1、汤佩松是生物学家；王竹溪是物理学家 。 学科交叉是这一创新的特点。 2、西南联大的学术氛围 西南联大的生活艰苦 学术创造性的高涨 2、体液调节的发现 人们发现了一些用神经调节所不能解释的 生命现象。 1849年德国哥丁根的伯索德，把公鸡的睾 丸摘掉，过一段时间，见其雄性性征明显 消失：鸡冠变小，不能啼呜。把这只公鸡 自身的睾丸重新植回其腹腔，就可使雄性 性征免于消退。 这一实验是很有意义的，因为重新植入的睾 丸与神经系统没有联系。用反射学说是说不 通的。 但不知为什么，这件有意义的工作他没有进 一步做下去。 1894年，俄国科学家道林斯基（Dolinski ）发现：用相当于胃酸酸度（pH值0.9- 1.5）的盐酸注入狗的上段小肠时，会引 起胰液的分泌。 上述现象解释：盐酸刺激了小肠的感受器 ，通过传入神经作用神经中枢，再通过传 出神经去作用胰腺这个效应器，从而引起 了胰液的分泌。 问题是按照这种说法，下列的现象就不好 解释了：这个反应用阿托品（副交感神经 的阻断剂）作用后仍会出现。 一位法国人的实验：干脆把实验动物一段 小肠游离出来，把肠袢的神经全部切断， 这段小肠只通过动脉和静脉与身体联系。 可当把盐酸再注入这样处理的小肠后，仍 能引起胰液的分泌。 在这些事实面前，实验者们仍坚持用神经 调节的理论去解释；认为是一种“局部分 泌反射”，一定有某种神经在起作用，小 肠上的神经是难以切干净的。 1902年，英国的生理学家贝利斯（Williamm Bayliss）和斯塔林（Emest HStarling） 大胆地跳出了这个调节观念的圈子。 新的假设：在盐酸的作用下。小肠组织本身 产生了一种物质，这种物质随着血液循环运 送到胰腺，引起胰腺的分泌。 他们把条狗的一段小肠剪下来，将其可 能分泌物质的粘膜层刮下来，加上盐酸再 磨碎，进行过滤后做成了含有这种分泌物 质的提取液，注射到同条狗的血管中。 结果，这条狗的胰液大量地分泌。 他们发现了能刺激胰液分泌的物质，就取 名为促胰液素。 促胰液素的发现不仅是找到了一种物质， 而且找到了一种调节机制的新概念和新领 域，即发现了机体内存在着一个与神经调 节相并存的体液性调节机制。 机体活动还存在着个通过化学物质的传 递进行器官活动调节的方式。 1905年，贝利斯和斯塔林将这类化学信使 取了一个名字，叫“激素”。 不久，另一学者彭德（Pende）使用了“ 内分泌”（也源于希腊文）这个名称。内 分泌学就这样诞生了。 值得认真思考的是： 为什么道林斯基发现了“用相当于胃酸酸 度的盐酸注入狗的上段小肠时，会引起胰 液的分泌”这一现象，但没能进一步提出 存在“体液调节”； 倒是两位英国生理学家贝利斯和斯塔林重 复了俄国人的实验，而提出了存在“体液 调节”的新机制和新领域呢？。 有两点： 1、历史文献的重要作用 伯索德把自己的见解写进了书中；贝利 斯和斯塔林读到了巴甫洛夫实验室的有 关论文。 2、“跳出”传统观念是关键 放弃“神经调节”，才能建立“体液调节”。 3、稀有气体的发现 英国物理学瑞利在测定氮气的密度时 发现： 从空气中分离出来的氮气密度为每升 1.2572克； 从化合物中分离出来的氮气密度为每 升1.2508克。 卡文迪什在一个空气容器中，用起电机激 发空气使氮氧化，结果不论激发的时间多 长，总有一些气体残存（容器中留下一个 小气泡）。 瑞利重复了卡文迪什的实验，得到的是同 样的结果，并得出结论：大气中还有一种 新的组成物。 拉姆塞用化学方法也得到了这种残存物， 并用分光镜来检查，发现它的光谱中有橙 色和绿色的明线，这是已知气体所没有的 。 瑞利和拉姆塞相信这种残存物是一种新的 气体元素。 这个气体元素取名为“Argon”，即氩，含 有“懒惰”、“迟钝”的意思。 稀有气体的发现曾一度给化学家带来了许 多的惊奇和困惑： 其一，当人们普遍认为对空气的研究早已 详尽无遗时，但却万万没有想到在大家自 以为最熟悉的空气中竟隐藏着一整族的未 知元素。是自然界有意捉弄我们，还是人 们的认识上出了问题? 其二；氩的发现曾给元素周期系带来严重 威胁，它的原子量、单原子分子、零价及 化学惰性都给确定其在周期表中的位置带 来很大困难。 其三，稀有气体的化学惰性更是令化学家 感到惊讶和迷惑。 化学家们又陆续对发现的氦、氖、氪、氙等 元素，也逐一使它们与各种化学试剂作用， 但均末发现有任何化学反应发生。 稀有气体元素不能生成热力学稳定化合物 的结论给科学家人为地划定了一个禁区， 致使绝大多数化学家不愿再涉猎这一被认 为是荒凉贫瘠的不毛之地，关于稀有气体 化学性质的研究被忽略了。 1932年，苏联的阿因托波夫（AR Antropoff）曾报道，他在液体空气冷却器 内，用放电法使氪与氯、溴反应，制得了 较氯易挥发的暗红色物质，并认为是氪的 卤化物。 但当有人采用他的方法重复实验时却未获 成功。 1933年，美国著名化学家鲍林（LPauling ）通过对离子半径的计算，曾预言可以制 得六氟化氙（ ）、六氟化氪（ ）、 氙酸及其盐。 扬斯特（DMYounst）用紫外线照射 和放电法试图合成氟化氙和氯化氙，均 未成功。他在放电法合成氟化氙的实验 中将氟和氙按一定比例混合后，在铜电 极间施以30 000伏的电压，进行火花放电 ，但未能检验出氟化氙的生成。 到了1961年，鲍林也否定了自己原来的预言 ，认为“氙在化学上是完全不反应的，它无 论如何都不能生成通常含有共价键或离子键 化合物的能力”。 历史的发展颇具戏剧性，就在鲍林否定其 预言的第二年，第一个稀有气体化合物 六氟合铂酸氙（ ）竟奇迹般地出现了 。 英国年轻化学家巴特列特（NBartlett， 1933）一直从事无机氟化学的研究。 1962年，巴特列特用 与等摩尔氧气在室 温条件下混合反应，得到了一种深红色固 体，经实验确认此化合物的化学式为 ，其反应方程式为： 巴特列特善于联想类比和推理。他考虑到 的第一电离能是1 1757千焦摩尔，氙 的第一电离能是1 1755千焦摩尔，比氧 分子的第一电离能还略低，既然 可以被 氧化，那么氙也应能被 氧化。 他同时还计算了晶格能，若生成 其晶 格能只比 小4184千焦/摩尔。这说明 一旦 生成，也应能稳定存在。 巴特列特仿照合成 的方法，将 的 蒸气与等摩尔的氙混合，在室温下得到 了一种橙黄色固体 ： 这样，具有历史意义的第一个含有化学 键的“隋性”气体化合物诞生了，震动 了整个化学界。持续70年之久的关于稀 有气体在化学上完全惰性的传统说法， 从实践上被推翻了。 有两点： 1、拘泥传统观念是创新的大敌 稀有气体在化学上完全惰性的传统说法已 有70年之久；鲍林否定了自己的预言；巴 特列特年轻29岁。 2、正确理论的指导作用 巴特列特从逻辑上推导出生成 的可能性。 “理论要靠实验结果来丰富和发展，实验 要有理论作指导” 唐敖庆 这几个案例说明科学家们的认识经历了 极其复杂和曲折的过程。 其一，过分拘泥于传统观念，把一定历 史条件下的科学认识视为不可逾越的金 科玉律，必然要走进形而上学和教条主 义的迷宫。在传统观念的束缚下，先入 为主的偏见常常成为一种桎梏，堵塞了 科学家创造的思想路线，阻碍了科学认 识的发展。 其二，科学创造是一个长期积累的过程 ，许多发现都是科学家在长期科学实践 中追求对自然认识的完满性，在主观、 客观条件成熟时做出来的。 其三，传统的科学认识是时代的产物，是 我们认识发展的前提和起点，但决不是认 识的终结。当传统认识发展到一定阶段就 可能成为科学进一步发展的阻力，使人们 在思维方法上产生一种维护旧规范的惰性 ，阻碍人们对事物深层规律的认识。 二、关于创新的障碍思维定势 故事：欧提勒士与老师普罗秦歌打官司 欧提勒士向当时著名的辩者普罗秦歌学 法律。 师生订有合同：毕业时欧氏付给老师一 半学费，另一半学费由欧氏第一次出庭 打赢官司时付清。 普氏向法庭起诉，要求欧氏付另一半学费 ，并向欧氏提出： “如果你打赢这场官司，那么按照合同， 你应付给我另一半学费；如果这次官司你 打输了，那么按照法庭判决，你也应付我 另一半学费。总之，不论这次官司你打赢 还是打输，都得给我另一半学费。” 欧氏针锋相对，回敬他的老师： “如果我打赢这场官司，那么按照法庭 判决，我不必给你另一半学费；如果这 次官司我打输了，那么按照合同，我也 不必给你另一半学费。也就是说，不管 打赢或打输这场官司，我都不必给你另 一半学费。” 一个问题只有一个答案吗？ 一个关于语文课内容的测试： 测试题目：花儿为什么会开放？ 对象：高中二年级的学生 回答几乎是异口同声：“天气暖和了。” 对象：幼儿园小朋友 回答是百花齐放的： “花儿睡醒了，想看看太阳。” “花儿一伸懒腰，把花朵顶开了。” “花儿想跟小朋友比一比，看看哪一个穿的 衣服更漂亮。” “花儿也有耳朵，它想出来听听小朋友在唱 什么歌。” “花儿想看看，有没有小朋友把它摘走。” 对一个事物只能从一个角度去认识吗？ 根据句子意思写成语： “思想一致，共同努力”， “齐心协力”，错，答案是“同心协 力”； “刻画描摹得非常逼真” “栩栩如生”， 错，答案是“惟妙惟 肖”。 教育在让人学会实事求是的同时，也在扼 杀想象力。 思维定势是什么东西？ 思维定势是主体认识活动的一种准备状 态，即把新的认识纳入旧有的思路的待 发状态。 在这种待发状态下，一旦相关的刺激出 现，主体就会把对刺激的认识活动拉入 旧有的思路。 思维定势怎么形成的？ 已有的经验和既有的知识 制约着主体认识活动的框架 思维定势既是一定时期思维活动的总结， 又是进行新的思维的起点； 既是人们继承前人知识的重要依据，更是 创造性思维得以产生的重要依据。 “扬弃”某种固定的思维定势以实现理论的 跃进和革命性的观念变革。 人们容易在思维定势的作用下教条地搬用 以往的经验，妨碍创造性思维的形成。 三、什么样的方法论是好的？ n介绍： 美国的一位科学哲学家费耶阿本德（ Paul Feyerabend，1924-1994）的一个 观点 他在1975年出版了一本著作： 反对方法：无政府主义知识论（ Against Method：Outline of an Anarchistic Theory of Knowledge） 他认为在哲学中有两种传统： 历史的经验的传统 抽象的理论的传统 什么是历史的经验的传统？ 有三者的关系：权威、经验和认识，这三 者的关系应该受一些规则的指导： 阅读他人写的东西，但不要太信赖它们 ，尊敬你的先驱，但不要做他们的奴隶； 要重视使用专业经验积累的知识和技能 ，但不要满足而要改进它们； 根据与做出断言。 什么是抽象的理论的传统？ 它的规则是： 排除偏见； 注重经验； 使你的思想与经验一致，或者从经验 中引出思想。 这些规则受到了批判，于是人们又试图 找到新的规则。 费耶阿本德认为，20世纪以来人们把注 意力集中于理性探索工具，从逻辑上看 方法论的精致性增加了，但是却越来越 远离正在进行的科学研究过程。 他从反对经验主义、理性主义的一元方法 论，走向了非理性主义的认识论与方法论 无政府主义的认识论。 所谓“无政府主义”指的是什么呢？ 是指科学不是按某种固定的模子发展的 。 他的反理性态度： 科学没有“纯事实”，进入我们知识的 “事实”已经包含着一定的看法和思想 。 而思想和发明它们的精神一样复杂、混 乱、充满错误、引人入胜。 不过今天的教育却把科学弄得又枯燥又 单调，仿佛一个人的宗教、形而上学、 幽默感与他的科学创造性毫无联系，好 象一个人的科学见解的信仰和文化背景 无关，这种教育容易抑制人的想象力。 他引用了列宁话来说明他的观点： “一般历史，特别是革命的历史，总是 比最优秀的历史学家和最优秀的方法 论家