浅谈机遇与科学发现_由有心栽花花不发_无心插柳柳成荫想开去.doc

浅谈机遇与科学发现由有心栽花花不发 ,无心插柳柳成荫想开去冯秀芳1 ,2 ,戴世强1(11 上海大学 上海市应用数学和力学研究所 ,上海 200072 ;21 宁夏大学 数学计算机学院 ,宁夏 750021)摘 要 :大量科技史料表明 ,在影响科学发现的众多因素中 ,机遇一直都扮演着一个不可忽视的角色 。通过回顾罗素发现孤立波 、冯 卡门解决卡门涡列问题以及伦琴捕捉到 X 射线等科学史 上的生动事例 ,试图探讨科学工作者在作出重大的科学发现时机遇对他们的重要性及其影响 ,并揭 示了机遇这看似偶然的因素中所蕴涵的必然性 。关键词 :科学发现 ;机遇 ;孤立波 ;卡门涡列 ; X 射线中图分类号 : G304 ; G3061 0文献标识码 : A人们常用“有心栽花花不发 ,无心插柳柳成荫”来比喻一直苦苦追求的目标没有实现 ,却因机遇的 因素而有了意外的收获 ,这种现象在科学领域中屡 见不鲜 ,如 X 射线 、青霉素 、细菌染色的发现等等 。 的确在科学史上不少最重要的和最革命性的发现都 是缘于这样或那样的机遇 ,由此得到的科学发现 ,很 多次地改变了科学发展的进程 。科学的发展历史就是人类不断地揭开客观世界 内部奥秘的历史 ,在源源的历史长河中 ,正是科学家 们的一个个重大的科学发现揭开了客观世界的神秘 的面纱 ,人们借助于此认识世界 ,改造世界 。回顾人 类的发展历程 ,许多重大的科学发现都极大地影响 了人类的生活 。医学和生物科学方面的发现使人类 对一些疑难病症有了新认识 ,从而摆脱了某些疾病 的困扰 ,如对疟疾的 征服 、牛 痘 对天 花的 预防 作 用 等 。物理学方面的科学发现使人类认识到了许多自 然界的神奇之处 ,例如电子中子的发现 。在科学研 究的领域做出伟大的科学发现 ,需要有坚实深厚的 科学知识基础 ,锲而不舍坚忍不拔的科学精神 ,严密 敏捷的思维能力 ,但正如达尔文有一次半认真地说 : “大自然是一有机会就会说谎”。有时尽管具备了条 件 ,仅仅因为这样或那样的偶然因素 ,有人为人类作出了巨大的贡献从而名垂青史 ,而有人却与伟大的发现失之交臂 ,抱憾终身 。周光召院士曾说 “: 科学发现的时机一旦成熟 ,发现就成为必然的 ,在世界上 由哪一位科学家发现则是偶然的 。”影响科学发现的 偶然因素很多 ,机遇便是其中之一 。下面我们就科 学史上得益于机遇而有所发现的事例 ,浅谈机遇这 一可遇而不可求的因素在进行科学研究的过程中的影响 。1事例一在 1834 年 8 月 ,年仅 26 岁的英国科学家 、造船工程师罗素 (J . S. Ru ssell ,1808 - 1882) 在勘察爱丁堡到格拉斯哥的运河河道时 ,因观察到了一个奇怪 的现象而做出了他人生最大的发现 。随着时间的推 移 ,罗素在其它方面所做的贡献可能都已被人们慢 慢淡忘 ,唯有孤立波的发现至今为人们所称道 。现 在孤立波被公认为是二十世纪最伟大的发现之一 , 并且孤立波理论已经成为近代物理学基本理论的重 要组成 ,它在空间物理 、受控热核聚变技术 、等离子 体物理以及非线性光学等领域得到了广泛的应用 , 特别是光纤通信技术中 ,占有举足轻重的地位 。罗 素曾在他的报告中生动地描述了当时的情形 1 “: 当 时 ,我正在观看沿不宽的水道由两匹马牵引迅速向前的一只小船的运动 。当小船骤然停止时 ,水道中收稿日期 : 2005204220基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 10342004)687第 6 期冯秀芳等 :浅谈机遇与科学发现为小船所推动的一大堆水却并不停止 ,水积聚在船头前面猛烈地涌动着 ,然后水浪突然呈现出一个很 大的 、孤立的凸起 ,那是一个滚圆而光滑 、周界分明 的水堆 。它以巨大的速度向前滚动 ,而将小船留在 它后面 。这一水堆沿着水道继续行进并没有明显地 改变其形状或降低其速度 。我骑马紧跟 ,并追上了 它 ,它仍保持其原来 的 大约 30 英尺 长 、1 英 尺至 1 英尺半的高度的外形以大约每小时 8 英里或 9 英里 的速度滚滚向前 。渐渐地它的高度下降 。当我追赶 一 、二英里后在水道的弯曲处它不见了 。这样 , 在1834 年的 8 月 ,这是我第一次有机会见到这样一个 独一无二的美丽的现象 。”看到这个现象 ,罗素马上 意识到 ,他所观察到的这个水包决不是普通的水波 。 罗素将他发现的这种奇特的波包称为孤立波 ,并在 其后半生专门从事孤立波的研究 。他用大水槽模拟 运河 ,并模拟当时情形给水以适当的推动 ,再现了他 所发现的孤立波 。罗素认为孤立波应是流体力学的 一个解 ,并试图找到这种解 ,但没有成功 。10 年后 , 在英国科学促进协会第 14 届会议上 ,他发表了一篇 题为论水波的论文 ,但是他的同事们以及科学界 的权威们对罗素的结果都表示反对和怀疑 ,甚至连 斯托克斯 ( G. G. Sto ke s , 1819 - 1903 ) 也 对静 止 水 面上能存在不变形的行波提出质疑 ,因为大家都知 道水面受到激扰后会出现四散的水波 ,但波纹很快 就会消失 , 不可能传到很远的地方 。直到 50 年以 后 ,即 1895 年 , 数 学 家 柯 脱 维 格 ( D . J . Ko r t ewe g ,1848 - 1941 ) 和 他 的 学 生 德 弗 里 斯 ( G. de V rie s ,1866 - 1934) 在小振幅与长波的假定下导出了著名 的浅水波 KdV 方程 ,并给出了一个类似于罗素孤立 波的解析解 , 即孤立 波解 , 孤 立 波的 存在 才得 到 承 认 。1982 年是罗素逝世 100 周年 ,人们在罗素首次 发现孤立波的运河河边树起了一座罗素像纪念碑 ,用来纪念他的这一不寻常的发现 。来最大限度地减少型面阻力 。事实上 ,冯 卡门在意大利波罗纳博物馆 ,曾看到一幅画着圣 克里斯 多夫掮着幼年耶稣涉水过河的油画 ,他注意到在圣克里斯多夫的脚后跟后面画有一排涡流 ,这说明 在很早以前有人已经对涡流进行过观察和记录了 , 但真正揭开这个奥秘的人却是推后很多年的冯 卡 门 。他当时在哥廷根大学师从流体力学大师普朗特 (L . Pra ndt l ,1875 - 1953) 研究材料力学 。“虽然我 思考涡流问题由来已久 ,但实际推动我着手研究的 是实验室里一件偶然事情 。那时普朗特正专心致志 测定在稳定流体的水流中圆柱体表面各点的压力 , 他派一名跟他读博士学位的学 生希 门茨 做 测量 工 作 。不幸 ,希门茨发现测出的压力总有波动 。不管 做得多么仔细 ,水流总是波动不止 ,压力一直无法稳 定 。一开始就连普朗特都以为压力波动是因试棒表 面粗糙引起的 。于是 ,希门茨将试棒磨了又磨 ,量了 又量 ,直到把试棒磨得滚圆为止 。尽管如此 ,通过试 棒的水流依旧顽 固 地波 动着 , 使 试棒 不 停地 晃动 。 这时 ,有人就提出波动可能是水槽本身不对称引起 的 。于是希门茨对水槽进行精确磨削和测定 ,将它 牢牢地固定住 。结果 ,这一番改进还是解决不了问 题 。每天早上我上 班经 过 实验 室总 要停 下 来问 一 声 : 希门茨先生 , 还晃动吗 ?, 他总是失望地回答 说 : 唉 ,还是一个劲地晃啊 。记得星期五那一天 ,我 也憋不住了 。到了周末 ,我就下定决心来探索晃动 原因 , ,因为我有种预感 ,觉得用数学可能揭开 这个奥秘 。 2 其后的几天里冯 卡门全身心地投入 了这项工作 ,到了周一的时候他心里明白自己已经 解决了一个重要的理论问题 。后来实验结果也证明 了他的理论计算的正确性 。他的结果通过两篇论文 的形式刊登在哥廷根科学院学报上公布于众 ,尽管 后来有人声称在冯 卡门之前 就已 经在 研 究涡 流 了 ,但是谁都明白“科学发现必 须成 为最 初 的发 现 人 ,成为第二位就没有什么太大的价值 。在科学上只有第一 ,没有第二 。”2事例二冯 卡门 ( T.1963) 是航vo n Kr mn , 1881 - 3 3事例三空航天领域最杰出的一位元老 ,早在 1911 年他在哥廷根求学期间就因发现了“卡门涡列 而享誉国际 空气动力学界 。涡列的发现使得以前许多令人迷惑 不解的现象都可以解释清楚了 。例如大烟囱 、潜望 镜 、以及其他细长物体在中等风速下的颤振都是由 于其尾流中交变涡流引起的 。其次涡列理论也是飞 机 、船舶和赛车设计的理论基础 ,因为只有了解了涡列的结构以后 ,科技人员才能明白怎样利用流线形在公元前 3 世纪 ,人们就已开始掌握有关电的知 识 。后 来 在 富 兰 克 林 ( B . Fra n kli n , 1706 -1790) 、伏 特 ( A . Volt a 1745 - 1827 ) 、安 培 ( A . M . A mp e re ,1775 - 1836) 、法拉第 ( M . Fa ra day 1791 -1867) 等许多科学家的努力下 ,大部分的电知识已经 系统化了 。1643 年意大利的物理学家托里拆利 ( E.To r ricelli ,1608 - 1647) 证明了真空的存在 , 人们便688太 原 理 工 大 学 学 报第 36 卷又把真空和电联系在一起研究 。科学家们发现将放电管抽空 ,用各种不同的气体充入放电管 ,再通过从 感应圈来的高压电荷 ,就会显出各种美丽的颜色 ,并 且当高压电荷通过放电管的时候 ,阴极一端会出现 放射现象 。这种射线能使空气具有导电能力 ,并能 使几种荧光盐产生发光效应 ,还能使照相底片变黑 。 这种实验非常有趣 ,许多著名的科学家都在一次又 一次地重复观察这种暗室里的神秘闪光 。可是重大 科学发现的幸运光环只落在了一个人的头上 ,这个 人就是德国物理学家伦琴 ( W. C. Rb nt ge n , 1845 -1923) 。1895 年 11 月 8 日 ,伦琴在自己的实验室里 重复前人所做过的有关阴极射线的试验 ,突然在离 放电管的不远处一个小工作台上出现一丝闪烁的微 光 ,就好像是一道微弱的电火花 ,放电管是用黑纸包 着的 ,荧光屏也没有竖起 ,怎么会出现荧光呢 ? 他重 复做放电实验 ,神秘的荧光又出现了 ,随着感应圈的 起伏放电 ,忽如夜空深处飘来一小团淡绿色的云朵 , 在躲躲闪闪地运动 。伦琴非常兴奋 ,借着一支火柴 微弱的光 ,他发现这个神秘的光线是由工作台上的 亚铂氰化钡小屏上发出来的 。对这个现象似乎只有 一种解释 :从放电管发射出来的某种东西会在放在 远处的荧光屏上发生效应 ,这个距离甚至比他观察 过的用装有薄铝窗的雷纳特放电管作阴极射线试验 的距离还远得多 。在当时这种阴极射线的种种性质 已经 被 希 托 夫 (J . W. Hit to rf , 1824 - 1914 ) 、赫 兹 ( H . R. He rtz , 1857 - 1894) 和勒纳德 ( P. E. A . L e2 na r d ,1862 - 1947) 等科学工作者一个接一个地探讨 过 ,当伦琴发现自己得出的结论与有关阴极射线的 一般知识相矛盾 ,尤其是与自己的经验相矛盾 ,他并不盲从而是专心致志地想要解释这种奇怪的现象 。 经过连续 6 个星期废寝忘食的研究工作 ,伦琴确信 这是一种还没有被人们认识的新射线 ,它的本质一 时还不清楚 ,故取名 X 射线 。这一伟大的发现激 励了十九世纪九十年代后期的物理学家 ,使得许多 发现接踵而至 ,如电子 、放射性 、镭等 ,也给伦琴带来 了诺贝尔物理学奖的荣誉 ,永远铭刻在了科学史的 丰碑上 。其实早在 1876 年就有科学家与 X 射线的发现 擦肩而 过 。英 国 的 科 学 家 克 鲁 克 斯 ( W. Croo ke s ,1832 - 1919) 在研究放电管时就发现 ,放在实验装置 附近的一个没有打开的照相底片变得模糊不清了 , 他以为底片的质 量有 问 题 , 还去 生产 厂 家退 了货 。 美国 费 城 的 古 斯 比 德 ( A . W. Goo dsp eed , 1860 -1943) 还曾经在 1890 年 2 月 22 日无意中拍了一张X 射线照片 。他把它扔到了废相片堆中 ,直到 5 年以后伦琴宣布他的发现的时候才从旧相片堆中重新 找出来加以研究 。勒纳德 ( P. E. A . L e na r d ,1862 -1947) 也错过了发现 X 射线的机会 。在伦琴公布其 发现的前两年 ,勒纳德就清楚地指出 ,他得到的射线 能产生感光效应 ,他还得到一个与伦琴几乎完全相 同的阴影照片 ,可是 ,勒纳德并没有认识到这一事实的真正意义 。 5 结语4以上的例子仅仅是科海中的沧海一粟 。也许有人会觉得这些做出科学发现的科学工作者的运气太 好 ;诚然 ,机遇无疑是存在的 ,但是在感慨他们幸运 的同时我们应该清醒地认识到这种偶然事件所致重 大发现中蕴含的必然性 。正如贝弗里奇所说 “: 巴斯 德的名言道出了事情的真谛 :在观察的领域中 , 机 遇只偏爱那种有准备的头脑 。真正起作用的是对 机遇观察的解释 。机遇只起提供机会的作用 ,必须 由科学家去认出机会 ,抓住不放 。” 4 。机遇对每个 人都是公平的 ,但是要从纷繁的大千世界识别她并 俘获她的“芳心”需要具备良好的科学素养 。当伦琴 获得诺贝尔物理学奖时柏林科学院致他的贺词也体 现了这一点 “: 科学史告诉我们 ,在每一项科学发现 中 ,功劳和幸运独特地结合在一起 ; 在这种情况下 , 许多外行人也许认为幸运是主要的因素 。但是 ,了 解您的创造个性特点的人将会懂得 ,正是您 ,一位摆 脱了一切成见的 、把完善的实验艺术和最高的科学 诚意及注意力结合起来的研究者 ,应当得到做出这 一伟大发现的幸福 。”首先是对意外情况的敏感性 。一个成功的科学 工作者应该对每一意外事件或观测现象予以注意 , 并对那些在他看来大有希望者进行研究 。对意外的 情况缺乏敏感性都会在不知不 觉中 放过 偶 然的 机 会 ,与机遇女神擦肩而过 。克鲁克斯 、古斯比德错失 了发现 X 射线的良机就是很好的例证 。格雷格说 得好 “: 人们猜想 :对大自然最细微的溢出常轨举动 十分注意 ,并从中得益 ,这种罕见的才能是否就是最 优秀研究头脑的奥秘 ,是否就是为什么有些人能出 色地利用表面上微不足道的偶然事件而取得显著成 果的奥秘 。这种注 意的 背 后则 是始 终不 懈 的敏 感 性 。” 6 其次是科学诚意 。这里所说的科学的诚意是指做出科学发现过程中所需要的 实事 求是 的 科学 态 度 ,坚忍不拔 、努力探索的科学精神 。从上面的例子689第 6 期冯秀芳等 :浅谈机遇与科学发现我们可以看到罗素观察到孤立波的现象后 ,在他的后半生专门从事孤立波的研究 ,并且花了大量的时 间在自己的实验室重现了这一美丽而又独特的水波 后 ,才在他观察到孤立波十年后提交了关于孤立波 的论文 。伦琴在观察到来自放电管的情况不明的发 射现象后 ,接连几个星期都在紧张地工作 、做实验 , 希望能确定这种射线的性质 ,甚至吃睡都不离开实 验室 。冯 卡门亦是如此 ,就像他所说的 “, 我相信 , 当你头脑里有一个科学问题急于解决时 ,就会象妇 女照料自己的孩子一样 ,没日没夜地干下去 ,在解决 问题的思路理清之前 ,决不肯从座椅上站起来 。”,正 是凭着这种不达目的决不罢休的劲头 ,最后他们都 成功地为科学史上增添了灿烂的一笔 。最后是深厚的知识基础 。任何一项科学发现都 不是科学家凭空想象得出的 ,都必须以一定的相关 知识做基础 。一个没有足够准备知识的人搞科学研 究就像一个不会爬树又没有工具的人 ,只能眼睁睁 看着果子高悬枝头 ,却无法摘到它 。罗素在研究孤立波的时候 ,他早已是是个水利工程师了 ,不仅具备了相当的流体力学知识 ,而且有很好的试验能力 ,这些都是研究和重现孤立波所需要的必要条件 。伦琴 在发现 X 射线时是弗赖堡大学的物理学教授 ,并且 已经在自己的学术领域发表了 17 篇高质量的论文 。 冯 卡门在上大学时就发现自己更热衷于科学理论 和逻辑思维方面的问题 ,他非常喜欢读书 ,很少参加 社会活动 。当他得到匈牙利科学院的留德奖学金后 来到哥廷根大学留学 ,那里自由民主的学术气氛 、风 格迥异的大师如普朗特 (L . Pra ndt l , 1875 - 1953) 、 希尔 伯 特 ( D . hil ber t , 1862 - 1943 ) 、克 莱 因 ( F . klei n ,1848 - 1925) 都深深地影响了他 ,为他以后的 成就奠定了深厚的基础 。由上看到只有自身的条件 积累到足够的程度才能有科学发现的可能性 ,因为 “科学来不得半点虚假 ”。所以“有心栽花”时所花 费的功夫全然在“插柳”时得到了体现 ,如果不是“栽 花”练就的本领 , 又怎能获得“柳成荫”的丰 硕成 果呢 ? 所以看似是“无心”的插柳 ,其实用的是之前栽花时所用的心啊 。参考文献 :周光坰 , 严宗毅 , 许世雄 ,等. 流体力学 ( 第二版 ,下册) M . 北京 :高等教育出版社 ,2003 .冯 卡门 , 李 爱特生. 冯 卡门 航空与航天时代的科学奇才 M . 曹开成译. 上海 :上海科学技术出版社 ,1991 . W I B 贝弗里奇. 科学研究的艺术 M . 北京 :科学出版社 ,1979 .奥托 格拉塞尔. 伦琴 M . 北京 : 原子能出版社 ,1980 .张巨青. 科学研究的艺术 科学方法导论 M . 湖北 :湖北人民出版社 ,1988 .A Gregg. The f urt herance of medical re sea rch M . New Haven : Yale U ni ver sit y Pre ss ,1945 . 1 2 3 4 5 6 Discussion a bout Sc ient if ic Discovery an d Opportun ityU ne xp ect e d di sco ve r y o nl y follo we d goo d se n satio n a nd ha