哪些重大科学发现，来自生活的启示 ︱ 科学史-凯发k8一触即发

撰文 | 陈敬全（东华大学人文学院教授）

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英国进化论者赫胥黎认为，生活常识与科学并不对立。他说：“完整化了的常识就是科学。”在日常生活中处处有科学道理，积累起来的生活经验是科学认识的重要源泉。在科学史上，一些重大的科学发现得益于在生活中得到的启示。

格拉泽 / 格拉泽在调试气泡室

气泡室是探索物质结构的新型探测仪，它是美国物理学家格拉泽（d. a. glaser，1926—2013）在1952年发明的，他由于该项重大的发明荣获了1960年的诺贝尔物理学奖。

在格拉泽发明气泡室以前，人们用威尔逊云室来探测微观粒子的运动轨迹。威尔逊云室的反应速度较慢，无法显示速度极快的高能带电粒子的轨迹。在20世纪40年代，能量高达20～30gev的电子加速器已经建成，产生的高能粒子具有极快的速度，用威尔逊云室观察它们运动的全过程，已经是力不从心了。

格拉泽决心通过更有效的手段去追踪高能粒子。奇妙的是，格拉泽从啤酒的泡沫得到了启发。他看到啤酒瓶里一些粗糙突起的玻璃刺的周围特别容易起气泡，联想起带电粒子是不是能在液体中产生气泡？

实验证明，在一些过热液体（温度高于标准大气压下的沸点的液体）中，如果有带电粒子穿过，能使它周围的液体被气化，从而在粒子经过的路径上显示出一连串的气泡。

1952年，格拉泽采用乙醚作为液体试制成第一个气泡室，当乙醚处在过热温度并突然减小外部压强时，来自钴60放射源或来自宇宙射线的高能粒子触发乙醚使之局部沸腾，用快速的摄影机拍摄得到的底片，可以清晰地显示出由于局部沸腾形成的气泡所构成的清晰的径迹。

在成功地观察到第一批径迹后，他又用不同物质的液态进行实验，发现最实用的是液态氢和液态氙，液态氢提供了一个简单的靶子，而液态氙则能作为一个具有高原子序数的靶子。

气泡室用液体介质取代了云室中的气体介质，这使得气泡室的性能远远超过了云室。因为液体的密度远远大于气体，所以高能粒子在液体中的行程远远小于在气体之中，大约是在气体中行程的1‰，由此，要观察高能粒子的全过程，气泡室尺寸可以变得很小。

一个高能粒子在液体介质中的行程通常为10厘米数量级，如果用云室观察它的全过程，要求云室的长度为100米，这显然是难以办到的。

气泡室克服了威尔逊云室的缺陷，使观察高能粒子的全过程成为可能。它还具有循环快、反应灵敏、直观性好，粒子的作用顶端点看得见，多重效率高、有效空间大和观察精度高等特点，它所搜集的各种信息量是云室的1 000倍左右。之后，在研究高能粒子的实验中，气泡室基本取代了威尔逊云室。

1969年，美籍意大利生物学家卢里亚（s.e.luria，1912—1991）因为在噬菌体细胞内增殖过程的研究中，找到了细菌自发变异的有力证据，与美籍德国物理学家、微生物学家德尔布吕克（m.delbruck， 1906—1981）等人共享这一年度的诺贝尔医学和生理学奖。

1938年，卢里亚选择了噬菌体作为辐射诱导基因突变的研究对象。1940年他来到美国，与德尔布吕克一起进行研究。

卢里亚发现，将噬菌体去感染某种敏感细菌，绝大多数的细菌被杀死，有极少数的细菌大难不死，形成“菌落”，从这些菌落培养出来的细菌再也不会被那些噬菌体感染。

卢里亚猜想，这些抗噬菌体细菌的产生可能是由于基因的突变而引起的，他想建立起抗噬菌体细菌的突变模式。他试着做了几个实验，但是没有一个成功。

1943年2月，卢里亚参加了一场舞会。他正好站在一部吃角子的老虎机前面，前来玩老虎机想碰运气中奖的人络绎不绝。

谁都知道，中奖是一个随机事件，中大奖的概率极小。不料他的一个同事却得了个大奖，卢里亚看他得意扬扬的样子，突然间悟出了一个道理,老虎机和细菌的突变之间有相当的关联性：细菌的突变机会也类似于老虎机的中奖机会；两者都是随机的，并且是不均匀分布的。

卢里亚 / 德尔布吕克

卢里亚这样推理：如按照拉马克的理论，细菌对噬菌体的抗性是受噬菌体的存在这一诱导而产生的，那么当噬菌体不存在时，细菌中就不会出现这一性状；当噬菌体与细菌接触时，其中少数幸运的细菌就会产生这一性状，这些细菌在整个群落中的分布虽说是少量的，但肯定是均匀的，也就是说，不会有“大奖”产生。

而按照达尔文主义的观点，细菌对噬菌体的抗性如果是通过基因突变自发产生的，那么即使在噬菌体还未与细菌接触时，这种突变就已客观存在了，只是无法检测到而已。

假设在细菌繁殖到第五代时加入噬菌体，结果会如何呢? 

若一个细菌在第一代时就产生了突变，那当它繁殖到第五代时，就已长成了一个颇具规模的菌落。当这个菌落接触到噬菌体时，它自然是具有抵抗力的，这就是一个“大奖”；以此类推，还可能会有一些“小奖”。“小奖”的产生是由于基因突变发生的时间较迟，还来不及长成一个大的菌落。

两种情况的区别在于抗性产生的时间不同。

第一种情况是在接触噬菌体后抗性同时产生，所以其后代分布是均匀的；第二种情况抗性的产生是不同时的、随机的。突变出现得越早，菌落长得越大，表现为一个“大奖”；突变出现晚的菌落就是一些“小奖”。

卢里亚再也无心留恋舞会，匆匆回家。

第二天一早他就去做实验。实验结果相当漂亮，抗性菌落的出现确实是不均匀分布的，偶尔会有“大奖”产生！这表明细菌的突变也是随机的、自发的，遵循达尔文进化论的模式，与环境的诱导无关。

拉马克理论再次被攻破了，细菌从此成为遗传学舞台上的主角。

卢里亚把自己的发现告诉了德尔布吕克，后者很快提出了一种处理细菌变异速度的数学模型。

1943年，他们共同发表论文，指出了在同一种培养基里，同时存在抗噬菌体的细菌和对噬菌体敏感的细菌，这是自发的细菌变异所致。

他们不但确定了细菌变异的存在，而且确定了细菌变异速度的方法，借由分析一系列独立细菌族群中的突变的数目就可以相当精确地估计细菌在短暂的生涯中，发生某一突变的概率，这种方法在以后被称为“波动测试法”，他们的发现在遗传学界引起了极大的反响。

1965年的诺贝尔物理学奖颁发给了朝永振一郎、施温格和费曼三人，以表彰他们在量子电动力学方面的基础性工作。自从20世纪20年代创立了量子力学后，许多理论物理学家开始了建立量子电动力学的工作，经过不懈的努力，到20世纪60年代成熟的理论体系建立起来了。

费曼 / 费曼名著《量子电动力学讲义》

美国物理学家费曼（r. p. feynman，1918—1988）在这方面的最大贡献，是提出了费曼图解法、费曼规则和路径积分法。

费曼图是他在处理量子场论时提出的一种方法，描述粒子之间的相互作用，直观地表示粒子散射、反应和转化等过程。使用费曼图可以方便地计算出一个反应过程的跃迁概率。费曼图使量子场论的计算形象化、条理化和简明化，深受同行的欢迎。

费曼规则是指量子系统概率的叠加与经典的规则不同，不是概率的直接叠加，而是概率幅的叠加（费曼晚年根据这一规则提出了量子计算机的设想）。

路径积分方法是他以概率振幅叠加的基本假设为出发点，运用作用量的表达形式，即对从一个空间一时间点到另一个空间另一时间点的所有可能路径的振幅求和的方法。这是继矩阵力学和波动力学这两种基本的数学程式之后出现的第三种新的表述方式，它与前两种等价。路径积分法为量子力学的解释指出了一条避免累赘而易于理解的途径，它在量子力学内的作用不甚显著，但用到量子电动力学时优越性很突出。

费曼热爱科学，酷爱生活。

‍‍‍‍‍他的生活充满了离奇有趣的经历，他在巴西参加过桑巴乐队；

他会击拍印第安人的邦戈鼓，为芭蕾舞剧团的表演伴奏；

他喜欢绘画，举办过个人画展。‍‍‍‍‍

留心观察生活培养了他敏锐的洞察力和形象思维的能力，他善于从生活中的一些小事中得到启发，喜欢在生活中找一些实用的例子，给自己出难题。他说自己在量子电动力学方面的工作曾经受到了生活中一个转盘子游戏的启发。

‍有一个星期天，我在食堂旁边看见一个傻小子把一个盘子抛到空中。当盘子在空中上升时，它震荡起来，我注意到盘上的康奈尔大学校徽图案随之旋转，且明显地转动比震荡速度快。

我穷极无聊，开始计算旋转盘子的运动。我发现当角度很小时，徽章的转动是震动速度的两倍——2:1。这产生出一个复杂的方程！

然后我想，根据力学或动力学，是否可能用一种更基本的方法弄清为什么它是2:1？最后我解出了带质量的粒子的运动，以及所有加速度如何平衡以使它得出2:1。

后来我到了我的朋友汉斯那儿，给他讲那些加速度，他说：“费曼，那是相当有趣的，但是它很重要吗？您为什么研究它？”

“哼!”我说，“一点也不重要。我做它恰恰是好玩。”他的反应并没有使我气馁，我坚定了自己喜欢物理并做我想做的事情的想法。

我继续算振动方程。然后考虑在相对论中电子如何开始进入轨道运动，接着就有电动力学中的狄拉克方程，而后是量子电动力学。‍

在费曼的一生中，这不是唯一的特例。他相信，艰难深奥的理论物理学并不远离生活，生活中处处有“好玩”的物理学，人们可以从玩中得到启发，科学与生活一样，处处充满“玩”的乐趣。

俄国文学家别林斯基说：“人的生活像广阔的海洋一样深，在它未经测量的深度中，保存着无数的奇迹。”

深入到生活中去，做一个有心人，仔细观察生活，我们能发现生活中保存着的奇迹，从中得到启示，碰撞出智慧的火花。

达尔文的儿子在谈到他父亲时说：“他有一种捕捉例外情况的特殊天性。多数人在遇到表面上微不足道又与当前研究没有关系的事情时，几乎不自觉地以一种未经认真考虑的解释将它忽略过去……他抓住了的恰恰是这些情况，并以此作为研究的起点。”

留心观察生活培养了达尔文敏锐的洞察力和形象思维的能力，他从同一物种细微的区别中接受了物种发生变异的事实，追究物种发生变异的原因导致他创立了生物进化论。

要从生活中得到启发，必须热爱生活，提高感受生活的能力。达尔文说：“不要因为长期埋头科学而失去对生活、对美、对诗意的感受能力。”

一些有伟大创造成就的人，善于感受生活，他们对于生活中的新鲜事，充满了好奇心。

爱因斯坦在孩提时代，对父亲给他买的一件特殊的玩具——指南针感到惊奇，多么神奇的自然力在起作用啊！在30年后，对神奇的自然力的追究导致他对统一场的执着追求。爱因斯坦在晚年，看到会发出悦耳叫声的玩具鸟，还像顽童一样爱不释手，要弄清楚它的奥妙。

好奇心是最好的向导和老师，对生活中新鲜事物的好奇引导许多人在科学研究和技术发明上做出了杰出的贡献。