浅谈足球烯发现的偶然性与必然性.doc

浅谈足球烯发现的偶然性与必然性1985年英国萨塞克斯大学(University of Sussex)的波谱学家H.W.Kroto与美国莱斯大 学(Rice University)两名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，发现碳元素可以形成由60个或70个 碳原子构成的有笼状结构的C60和C70分子1，这一发现引起 科学界特别是物理学和化学界的强烈反响，成为本世纪后半叶的重大科学发现之一。11年后，三位科 学家因为发现C60并提出其分子结构模型而荣获1996年诺贝尔化学奖。 回顾C60的发现过程，应当承认，确有偶然性的一面，但从人类的认识规律和科学技术发 展背景分析，C60的发现又有着历史的必然性。1C60发现的偶然性 Kroto是英国萨塞克斯大学的波谱学家，而Smalley和Curl都是美国莱斯大学的教授。 1984年春天，Kroto和Curl参加了在美国德克萨斯州奥斯汀举行的分子结构会议。会议期间， Curl向Kroto介绍了Smalley和他的学生共同设计的激光超声团簇发生器。Kroto对这套装置十 分感兴趣，想利用它开展一些工作。三位科学家之间的合作就这样偶然开始了。 1985年9月初，Kroto在Smalley的两名研究生的帮助下，开始了关于富碳蒸气中碳链形成的可能性的 研究。他们在惰性气体环境下，用高功率的激光照射石墨表面，照射释放出来的由碳原子构成的碎片 等离子体被氦气流携带通过末端为一喷嘴的杯形集结区，进入一真空室。在杯形集结区内，碎片离子 经气相的热碰撞反应成为新的碳原子簇。这些新生成的碳原子簇随氦气进入真空室，并在那里由于气 体的膨胀而被迅速冷却下来。随后，所有产物进入一个与上述实验装置相连接的飞行时间质谱仪。在 质谱仪上，所形成的含有不同碳原子个数的原子簇及其丰度可以被检测出来。9月4日，令人意想不到 的事情发生了。研究小组在质谱仪上观察到质量较大的碳原子簇所含的碳原子个数均是偶数，其中分 子质量数落在720处的质谱峰信号最强，它恰好对应一个由60个碳原子组成的分子，另外一个相当于 C70分子的质谱峰清晰地出现在分子质量数840处2。通过改变实验条件， 他们用Smalley的装置产生的C60是其它任何碳原子簇的40倍。这些实验结果使研究小组 确信C60可以非常稳定地存在。在发现C60和C70之后， 确定它们的分子结构就成了当务之急。在热烈的讨论中，Kroto联想起1967年加拿大蒙特利尔万国博 览会中美国展览馆是由五边形和六边形拼接构成的短程线圆顶建筑。Kroto将这一想法告诉小组其他 成员。Smalley经过尝试，终于用20个正六边形和12个正五边形拼成一个60个顶点的C60分 子结构模型。C60分子就以短程线圈顶结构的设计者巴克明斯特*富勒(Buckminster Fuller)的名字命名，称为Buckminsterfullerene简称富勒烯(Fullerene)。C60分子结构 模型的提出使C60研究小组把握住了实验中的意外结果，为整个C60的发现过 程划上了圆满的句号。从C60的发现不难看出，偶然性在科学研究中起着提供机 遇的重要作用。对于否定科学研究中偶然性的观点，恩格斯曾经批判道：“必然的东西被说成是唯一 在科学上值得注意的东西，而偶然的东西被说成是对科学无足轻重的东西这样一来，一切科学都 完结了，因为科学正是要研究我们所不知道的东西。”3在科学史上， 象C60这样由偶然发现导致科学技术重大进步的例子不胜枚举。伽瓦尼从仪器导线偶然碰 到青蛙腿而使之颤动发现了生物电，揭开了电化学的序幕4。维勒在制备氰酸铵时偶 然得到了一种白色结晶，经过几年艰苦努力，终于证实这种完全由无机物合成的白色晶体就是尿素。 这一发现动摇了当时盛行的有机物只能由生命体合成的“生命力论”的基础，开辟了有机合成化学的 新领域4。此外，酚醛树脂和聚四氟乙烯的合成，橡胶加工中硫化技术的发明等无不 是始于偶然。为什么科学实验有着很强的目的性和计划性而实验的结果却常常出现意外和偶 然?众所周知，科学研究是人类对未知世界和未知规律的探索。虽然每一次科学探索都是基于已经掌握 的知识和规律，并且有着既定的目标和周密的研究计划，但是科学研究中主体的认识水平和客体的未 知因素决定了实验结果往往会出呼研究者的意料之外。C60发现的偶然性也正是上述两种 因素综合作用的结果。一方面，在1985年以前，人类对碳元素单质的认识只停留在金刚石和石墨两种 同素异形体上，从这种固有的观念出发，C60的出现当然是个意外。另一方面，科学研究 中客体的未知因素又导致偶然现象可以在自然状态下出现，也可以在人为干预下出现；可以在无意识 的干预下出现，也可以在有意识地干预下出现，而C60就是在人们无意识地干预下出现的 。因此可以说科学探索中的偶然性是科学研究的本征特性之一。它提供了科学发展的重要契机。 C60的发现再次给我们以启示：把握住这一契机，把无意识的干预变为有意识的干预，认 识到“干预”的存在，即发现或找到过去的科学经验中未曾施加过的人为或自然因素，很可能导致科 学技术的突破。2C60发现的必然性任何科学发现的偶然性背后，都隐藏着 必然性，C60的发现也不例外。2.1科学研究的客观现象本身就是偶然性 和必然性的统一偶然性是事物发展过程中可以出现，也可以不出现，可以这样出 现，也可以那样出现的趋势，它是由事物外部的或事物内部次要的、非本质的原因即非根本矛盾引起 的。但是当条件或研究对象、研究要求发生改变时，原来看上去是次要的、潜在的因素可能变得重要 和明显起来。必然性是事物发展过程中一定要发生的不可避免的趋势，它是由事物内在的本质的原因 即根本矛盾引起的。必然性要通过大量的偶然性表现出来，而偶然性又以必然性为基础，它的背后隐 藏着必然性。化学史上通过研究偶然现象，找到引发它的客观条件，并自觉地将偶然现象转化为必然 现象，从而揭示客观规律的例子很多。微生物学家弗莱明在研究葡萄球菌时发现，意外掉入葡萄球菌 培养基的灰尘引入了霉菌，而霉菌对葡萄球菌有很强的抑制作用。经过多次重复实验和深入研究，弗 莱明终于找到了隐藏在这一偶然现象背后的必然性，即青霉素有极强的抗菌作用，从而使人类在与病 菌的斗争中前进了一大步4。C60的发现也是如此。C60研究 小组最初选择了能够产生C60和C70的实验条件完全是偶然巧合，因为开始时 他们的研究兴趣与C60和C70无关，而且在实验进行之前，他们根本不知道存 在C60和C70分子。因此C60的出现完全出呼意料。然而一旦确定 了这种实验条件，碳元素的性质决定了C60的出现又是必然的。正是这种必然性决定了在 科学研究中必须遵从“相同实验条件下实验现象可重复”的根本原则。其实Kroto等观察到的 C60和C70的质谱峰并非科学家与C60的第一次相遇。在1984年， E.A.Rohlfing等人就已经用相似的方法观察到C60和C70的质谱峰 5，只不过Rohlfing没有把握住机遇，错过了由偶然发现揭示事物必然规律的大好时 机。2.2C60的发现是人类认识水平发展的必然结果 从人类认识水平的发展来看，C60的发现也有其历史的必然性。首先，人类在物理、化 学方面特别是与碳元素有关的化学领域中所取得的成就为C60的发现奠定了知识基础。 金刚石和石墨是人们早已熟悉的碳单质。虽然在1985年以前，科学家不知道除了金刚石和石墨外碳元素还存在稳定的富勒烯单质家族，但是科学家们却深深懂得石墨和金刚石外观和物理性质的差异是由于碳原子排列结构不同造成的。同素异形体的概念也早已植根于化学家的头脑中。难怪在多次观察到C60的质谱峰后，Smalley兴奋地说：“看来我们和碳的第三种同素异形体相遇了。”对于碳的第三种同素异形体的存在，日本著名科学家小泽1970年就预测：“碳的第三种同素异形体应该是自然界中普遍存在的物质。”最近发现星际物质的吸收光谱中有些谱带可以与 C60或C70的吸收谱带相关联。小泽三十年前的预言很可能成为现实。另外对于C60分子结构的可能性，早在1965年美国迈阿密大学的H.P.Schultz就进行了数学模型上的探讨6。可以说整个科学界的思维在C60还未在实验中出现之前就已经接触到它了，因为科学发展水平已经提供了这种物质存在在科学上合理的基础。其次，C60的发现可以说是人类科学思维方法的必然结果。尤其是创造性思维在这里起到了极为重要的作用。所谓创造性思维是指在思维过程中不仅基于现有的知识，而且还要有批判的头脑，思想上不受现有的知识的束缚，敢于大胆想象，敢于创新。十九世纪中叶，人们已经熟知烃类的直链和支链结构，但对苯的分子结构却无法说明。德国化学家凯库勒大胆想象，从开链结构的园囿中解放出来，提出了单双键交替的封闭式苯环结构，这一分子结构的新概念不仅丰富了化学理论，而且成为有机化学发展史上的一座里程碑7。站在今天的角度回顾过去，可以看到当时的化学家不仅了解了苯的化学性质，而且已经确定了苯的化学式为C6H6，因此我们认为即使凯库勒没有提出苯的分子结构，苯环结构的确立也是当时科学发现的必然结果。事实上，科学史上几乎每一项重大的理论成就在酝酿中时，往往都有不止一个科学家在思考它，有时是以不同的方式，有时甚至思考方式都十分接近。这是由科学本身的客观性决定的。科学界早已认识到创造性思维的重要作用，因此在培养科学家的教育机制中，创造性思维方法和创造能力的培养是非常值得重视的。西方的科学教育特别重视创造精神的培养和个性的发挥，这可能也是Kroto发现C60的因素之一。在强调创造性思维的重要性的同时，我们不应忘记逻辑思维是科学思维的基石，创造性思维的结果总是有待证实，仍旧需要实践和严格的科学推理的检验。C60笼状封闭立体结构的确定正是这两种思维方式科学结系谋厝徊铩roto等在提出C60结构假说前曾经有过两个基本模型，一个是所谓“扁平着陆舱模型”，另一个是“封闭笼状结构”模型2。虽然两个模型都包含了创造性思维的成分，但很显然前者更多地受到石墨中碳原子排列结构的影响。由于当时研究小组无法得到足够量的 C60产品，不可能用其它实验方法确定哪种模型是正确的。因此，逻辑思维和科学推理就成了必须使用的检验方法。C60质谱信号是其它任何碳原子簇的40倍，这表明C60 具有超常的稳定性，所以在C60的分子结构中不应有悬挂键。“扁平着陆舱”模型难以满足这一要求，因而被自然地排除了。2.3C60的发现是科学技术水平发展的必然结果先进的仪器设备和现代化的实验手段在物质条件上为C60的发现提供了保障。仪器设备是人类视觉、听觉和触觉的延伸，是人类为自己建造的更精巧的手。激光技术和质谱仪是C60发现过程中的两大功臣。前者保证了C60的产生，后者则是人们 “看到”C60的眼睛。而象这样的实验手段甚至对于任何物理或化学专业的毕业生来说都不再陌生，对于物理学家和化学家则更是司空见惯。因此现代化的实验手段和先进的仪器设备的广泛使用，为C60在特定条件下的必然出现提供了土壤。从当今仪器设备所提供的物质技术条件来看，C60封闭笼状结构的提出也是必然的。90年W.Kratschmer等人用X-射线和电子衍射等方法证明了C60分子是笼状结构8。同年Kroto等用13C核磁共振技术证明，C60具有高度的对称性，所有60个碳原子所处的化学环境完全相同 9。而美国加州大学劳伦斯伯克利实验室的化学家J.M.Hawkins巧妙地用两个锇原子夹住C60分子，得到了C60的X-射线衍射图，证实C60的原子排列符合笼状结构10。所有这一切都表明，即使Kroto等在发现C60时没有能够给出正确的分子结构，科学家们也完全可以从测定C60分子结构的各种实验结果中推测出正确的分子结构。3C60的发现对我们的启示 C60的发现过程给我们以深刻启示：一方面，科学研究中总要伴随着偶然现象，因此科学工作者要重视研究中出现的意外情况，要有分析判断造成偶然现象原因的能力。法国生物学家巴斯德曾说：“在观察的领域中，机遇只偏爱那些有准备的头脑。”偶然