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牛顿的苹果:科学中的意外发现

来源:《科技中国》2018年第七期p94-97

日期:2018-07-11

  文/张九庆(中国科学技术发展战略研究院)

  我静坐在一棵苹果树下,

  期待果实落下砸中脑袋。

  牛顿过来拍醒我的梦幻,

  手里拿着一摞演算稿纸。

  这是我在题名为《我在科学史中游历》诗中的四句,表明了我对牛顿苹果故事的基本看法:牛顿发现万有引力定律,是他辛勤演算出来的,而不是苹果砸出来的。

  一、牛顿苹果的故事

  虽然牛顿苹果的故事早已经家喻户晓了,但是每一个试图谈科学史的人都会重述这个经典的传说,这个因为偶然事件引发科学发现的极佳例子。

  这个传说最早来源于威廉斯图·司徒克雷。司徒克雷比牛顿年少45岁,是牛顿的崇拜者。他用心收集了牛顿的逸闻趣事,也和晚年的牛顿成了忘年交,两人交谈甚欢,司徒克雷仔细记录了两人的谈话。牛顿去世后,司徒克雷撰写了纪念长文《牛顿回想录》,不过这篇文章并没有在他生前出版。在《回想录》中,司徒克雷写道:

  “晚饭后,天气暖和,只有我们两个人到花园中,在几株苹果树的阴影下喝茶。除了其他的话题,他告诉我,在过去,正是在相同的情景下,重力的概念进入他的头脑。它是由一个苹果落地引起的,当时他正坐着沉思默想。为什么苹果总是垂直地摔在地上,他自己思量。为什么它不斜着跑或者向上跑,而总是跑向地球的中心呢?的确,原因是地球吸引苹果。”

  估计是司徒克雷把这个故事告诉了牛顿的外甥女康迪特,因为她当时打算写一本牛顿传记。法国著名作家伏尔泰又从康迪特那里听到了这个故事,通过《牛顿哲学研究》一书进行了更为广泛的传播。

  牛顿的家乡在伍尔索普。1665年,因为一场瘟疫,牛顿离开剑桥大学回到家乡。苹果园在房子的西边,是牛顿走出房间散步和休息的地方。据说牛顿观察过的这棵苹果树活了150多年,在1820年被一场大风刮倒。它的后代至今还在伍尔索普庄园里同样的位置繁衍生长,原本是向游人开放的,人们可以走近观察。来参观的人越来越多,园主只好用栅栏将这棵树圈护了起来。牛顿苹果的后代还生长在剑桥大学三一学院的门口,甚至被移栽到了中国的天津大学校园里。

  二、更多的意外幸运发现

  1.阿基米德的浴缸

  显然,从时间上来看,阿基米德的浴缸故事比牛顿的苹果故事更为久远。古希腊科学家阿基米德在洗澡时发现了浮力定律。相传国王让工匠做了一顶王冠,但他疑心工匠从中做了手脚,用其他金属代替了黄金。当时人们已经知道纯金的比重了,王冠的重量容易测定,但王冠的体积却难以测量,这个难题交给了阿基米德。

  思考了很久,阿基米德也无计可施。有一天他在家里洗澡,当他走进装满水的浴缸时,看到水往外溢出,突然有了想法:可以通过测定王冠放入水中后排出的水量来测定王冠的体积。他兴奋地跳出浴缸,裸体跑到了街上,大声喊着希腊语“尤里卡”,意思是“我找到了”。

  阿基米德由此进一步研究,发现了浮力定律:一个物体在液体中得到的浮力,等于它所排出的液体的重量。

  2.凯库勒的蛇

  苯分子的表达式在1840年已经被德国化学家知晓,但苯分子的具体结构却成为当时的难解之谜,吸引了很多化学家,包括德国著名有机化学家弗里德里希·凯库勒。一天,凯库勒绞尽脑汁仍无济于事,在疲倦之中进入了半睡眠状态,做了科学史上一个美妙的梦。他在梦中看见了众多的原子在不停地跳来跳去,排成了像蛇一样的长链交织缠绕和扭动。凯库勒仅仅是看见碳原子像蛇一样的长链,这在当时并不奇怪,因为化学家们已经知道有机物分子中碳原子会形成长长的碳链,大概属于他日有所思夜有所梦的自然结果。突然,蛇咬住了自己的尾巴,形成了一个圆环状,在凯库勒的眼前不停地旋转。

  凯库勒从梦中惊醒,来自蛇的启发使他提出了苯的六边形环状结构。这一结构能很好地解释苯分子的许多特性,逐渐得到了化学家的认可。

  3.伦琴的荧光

  伦琴是研究阴极射线的,这是那时物理学家的热门课题。1895年11月8日,伦琴依旧像往常一样,把放电管用黑纸包裹严实,把实验室的灯光全部关掉,做他已经准备好的实验。一个偶然的事情发生了。在离开放电管外一米的地方有一块荧光屏上,突然发出了闪光。已有的研究表明,阴极射线主要在放电管里穿行,阴极射线离开放电管后能量会快速损失,射线也就观察不到了。也就是说阴极射线不可能到达荧光屏上引起闪光的。这一偶然现象激发了伦琴的好奇心,他想要弄清楚引起荧光屏发光的东西到底是什么。他把荧光屏移到远处,继续观察,仍然能观察到荧光屏会随着放电管的放电过程而发光。他在放电管和荧光屏之间放置不同的物品,比如书本、木板、铝片等,发现能观察到荧光屏不同的发光效果。伦琴意识到放电管里可能发出了一种别人过去从未观察到的、区别于阴极射线的某种特殊射线,它具有特别强的的穿透力。伦琴通过进一步研究,反复比对它和阴极射线的行为,在1895年底以《一种新射线(初步通信)》为题,将他的发现提交给维尔茨堡物理学医学学会秘书处。他把这种新射线命名为x射线,意为他尚未了解这一射线的本质。

  4.弗莱明的霉斑

  亚历山大弗莱明是英国圣玛丽医院细菌部的研究人员。弗莱明有两个重大的发现,都和偶然现象紧密相连。在1921年11月,他患了感冒,依然在实验室里做实验。一不小心,他把一点鼻涕流进了培养皿中,结果器皿中的细菌团得到溶解,原本不透明的细菌液体变成了透明的液体。他猜想鼻涕中有特殊物质,于是继续将新鲜鼻涕滴入悬浊的细菌液体,观察实验结果。结果,他发现了一种溶菌酶,这是存在于眼泪、鼻涕和唾液中的一种自然抗菌物。虽然溶菌酶的医药作用不大,这也使得弗莱明开始在今后留意不含毒素的抗菌物质。

  机会来了,1928年9月的一个早上,又一个偶然现象引起了弗莱明的注意。当时他正在对金黄色葡萄球菌、链状球菌、炭疽菌、大肠杆菌等进行研究。弗莱明每天都要观察各种器皿中的菌体发现了什么变化。结果他在一个葡萄球菌培养皿中发现了本不应该出现的霉斑,因为每一个存放菌体的培养器皿都是经过消毒清洗干净的。仔细观察霉斑,弗莱明发现了霉斑周围的葡萄球菌被溶解了。联想到自己发现溶菌酶的事实,弗莱明判定霉斑中存在某种抑制或者杀死葡萄球菌生长的物质。通过继续研究,弗莱明发现霉斑的提取物不但能杀死葡萄球菌,还能杀死链球菌、肺炎球菌等更多细菌。遗憾的是,这种霉斑的提取物也就是含有青霉素的过滤液是极其不稳定的,几周后就失去了效力。弗莱明无法对青霉素进行分离和提纯,他的这一发现并没有在当时引起更多人的关注。

  5.斯宾塞的巧克力

  如果你喜欢吃巧克力,裤兜里装上几粒巧克力是再正常不过的。如果有的时候,裤兜里的巧克力变软了,你可能会以为是太阳光照射或者体温导致的。1945年,美国雷声公司的一位工程师珀西·斯宾塞在做室内实验的过程中就遇到了类似的情况。他在排除了导致巧克力融化是来自体温或者外部直接的高温的原因后,把真正原因锁定在雷达装置上的磁控管。这种磁控管能释放一种微波能量,使得巧克力中的分子运动起来,导致巧克力融化。于是,斯宾塞制作了一套能释放微波能量的、一面开口的金属箱子。食品放进箱子后,启动电源,食物温度迅速上升,这样世界上的第一台原型微波炉就诞生了。斯宾塞很快申请了两项发明专利,分别在1950年和1952年获得授权。

  6.辉瑞公司的万艾可

  万艾可的发明被说成是著名药物公司辉瑞的偶然运气的典型故事,会进入类似世界十大偶然发现的排名榜中。

  辉瑞公司原本是要开发一种能治疗心绞痛的新药品。药品的一个重要成分是硝酸甘油,其医疗作用和效果早在诺贝尔研究炸药(其中一种重要成分也是硝酸甘油)时就为人知晓了,但它的作用机理困惑了医生很长时间。直到1980年代,其基本原理才被三位美国科学家罗伯·佛契哥特、路易斯·路伊格纳洛和费瑞·慕拉德破解,即血管内一氧化氮气体能够扩张血管平滑肌从而使血管舒张,含有硝酸甘油的药物会促进一氧化氮的释放,从而能够治疗一些与血管内一氧化氮供应不足导致的相关疾病。这一发现使得三人获得了1998年的诺贝尔生理医学奖。

  利用一氧化氮的作用原理,辉瑞公司开发出的这种新药品未能出现令人满意的疗效,算是一个临床失败的产品。但是研究人员得到了一些意想不到的副作用的报告,报告称这种药品对临床测试人员的性生活有改善。于是研究人员立即转而研究这种药品对阴茎海绵体平滑肌作用的研究,生产出了能治疗勃起功能障碍的药片万艾可。

  三、偶然发现在科技进步中的作用

  无论故事多么精彩和神奇,把一项伟大的科学发现或者技术发明主要归因为运气、偶然发现或者灵感一现,都是把科研过程看得过于简单,有误导读者的嫌疑。偶然发现往往是科学家在名声确立后讲的故事,比如他们会在回忆录、在诺贝尔奖颁奖典礼的演说中提及。这样的故事既可能为科学发现增加神秘感:机会是一种稍纵即逝的东西,有没有把握机会的能力是那些功名成就的科学家与那些默默无闻的科学家之间难以逾越的鸿沟;也为科学家增加亲切感和可信度:科学过程不是一成不变的枯燥无味,科学发现也没有固定的模式,科学家也会与常人一样,在模糊黑暗中摸索,在不可预测的环境中冲撞,承认运气在科学发现中所起的作用是巨大的。

  科学发现不会承认创意、灵感、偶然发现的优先权,科学家也很难量化述它们对发现的作用。科学家通过在学术论文、著作上完整表达和精确描述其观察、数据、逻辑推理和结论,来展现科研过程,接受同行评议,获得学术声誉。

  1.牛顿苹果的成熟

  偶然发现如果出现在科研的开端,没有后续持久的努力研究,偶然发现也就是昙花一现,不会给科学史留下深刻的印象。牛顿的苹果出现在1665年,那一年在西方历史上被称为牛顿的奇迹年,因为他产生了在数学、物理和天文学上伟大创造的灵感。随后的十几年中,牛顿的科研成就主要体现在数学和光学上。而他对引力的研究,虽然可以追溯到早期对天体圆形轨道计算上来,而他真正开始在引力研究上下功夫是在1679年,也就是说在他观察到苹果落地后的15年,在与另一位物理学家胡克之间的竞争中胜出,确定了自己在万有引力研究中的名声。尽管胡克可能早就知道了引力与距离、质量上的初步关系,但牛顿的高超数学能力和哲学思维能力使得他为完整地确立万有引力定律,做出了两大贡献:第一是给出了万有引力定律的正确的数学表达式,第二是这个表达式不仅适合于所有天体,还适合于地面上的一切物体,地球上的重力和物体间的引力在本质上是同一种力。更进一步地,在1685年,也就是在他观察到苹果落地后的第20年,牛顿开始撰写他的科学巨著《自然哲学之数学原理》,并在1687年正式出版。

  2.伦琴在X射线发现之前

  偶然发现如果出现在科研的后期,那是因为之前积累了太多的知识,偶然发现如同一个快速触发器,将已经上膛的子弹提前发射了出来。这是伦琴能发现X射线的重要原因。在19世纪的后期,好几位科学家在研究阴极射线的过程中,都与X射线的发现擦肩而过。比如,1887年克鲁克斯在实验室里发现过照相底片发黑的现象,他简单地把底片发黑的原因归于底片的质量不佳,直接把底片退还给厂家,而不是因为他把底片放得离放电管太近造成的。至此,人们不能把底片放得离电管太近作为一种实验常识。1890年美国物理学家古德斯比在做实验时,无意中得到了一种物体的照片,他也没有留心这张照片,而是随手扔进了废旧照片中。等到伦琴报告了新射线,他才想起这张被他扔掉的照片其实就是X射线所致。德国物理学家勒纳德曾研究不同物质对阴极射线的吸收效应,也曾发现阴极射线能使荧光物质发光、能使照片变黑的现象,但他习惯性地把发光原因归于阴极射线。伦琴发现X射线这一年已经50岁了,是一个严谨的实验物理学家,对于实验仪器的制作、流程的安排和数据的观察都积累了丰富的经验,对阴极射线也是了如指掌。当新现象偶然出现在伦琴眼前的时候,他抓住了机会,并迅速展开了精确的实验,成就了X射线这一伟大的科学发现。

  3.弗洛里和钱恩的青霉素

  如果没有牛津大学在青霉素研究中继续的脚步,弗莱明的偶然发现将被埋没在众多的科技论文中,弗莱明也只是个不起眼的研究人员。霍华德·弗洛里和厄恩斯特·钱恩是牛津大学从事病理研究工作的科学家,两人在1938年重新发现了弗莱明论文的价值,接过了弗莱明放弃的挑战,即要研究得到稳定结构的、更高纯度的青霉素的方法,实用的医学价值不在他们早期预定的研究目标中。提纯工作繁重艰难,进展缓慢。二次世界大战的爆发后,伤员的感染控制急需大量的抗感染类药物。他们把时间和经历用在了寻找青霉素的医学价值上。他们是幸运的,1940年发现了青霉素在老鼠身上体现了不同寻常的抗链球菌感染的能力,1941年发现了青霉素对感染链球菌和葡萄糖菌的儿童的治疗效果,其结果都发表在学术刊物《柳叶刀》上。美国在1941年12月宣布对德国和意大利参战,美国科学家也加入了对抗菌用青霉素的提纯与研究之中。1943年,青霉素开始进入工业化生产和大规模的临床应用。1945年,弗莱明、弗洛里和钱恩三人因为发现青霉素及其临床效用获得诺贝尔生理医学奖。

  4.微波炉的产业化

  对于生活领域的发明产品,如果不能将最初的发明模型产业化,使商品具有廉价、耐用、方便、安全等特点,那么这项技术发明也不能算是成功的。微波炉作为一种现代家庭必备的厨具,能够又快又方便地加热和烹饪食品,是在斯宾塞之后企业研发的结果。

  雷声公司意识到了斯宾塞偶然发现的微波能加热食品具有巨大的商业价值,便立即组织一批工程师将其商业化和产业化,1947年制成了世界上第一台商用微波炉(当时被称为雷达炉,因为斯宾塞的发明灵感来自于雷达装置),并在一年内申请了11项与微波炉相关的专利。不过,当时的微波炉个头庞大,安装麻烦,耗电多,售价高,而且存在微波逸出伤人的巨大隐患,因此微波炉应用范围有限。随后美国泰盘公司和雷声公司合作研发出新的风冷式磁控管,第一次使微波炉的体积、重量和价格大幅度下降。再后来,美国阿曼纳公司的工程师对微波炉进了更大胆的改造,又加上新型的控制程序,可调整烹饪程序和速度,微波炉变得更加小巧且效率更高。

  5.万艾可的研发与市场

  现代药物的研发与进入市场是一个投入多、风险大的事业,要经历漫长和艰难的历程。辉瑞公司从1990年正式开始研制这种名叫万艾可的新药,以治疗心绞痛。1991年,一批健康的自愿者加入到临床实验中,以测试药物的安全性以及药物在人体中的新陈代谢情况。在10多天的试验中,一些男性自愿者报告在服用了药物后,勃起的频率更多了。辉瑞公司一边继续治疗心绞痛的研究,一边转而研究使用万艾可治疗勃起功能障碍(ED)的可能性。

  当时研究转向是需要很大的勇气的,一方面是仍不能确定这种药物对治疗勃起功能障碍是否真的有效;第二是勃起功能障碍通常被认为是男性心理问题造成的,而不需要药物治疗,因此即使开发了药物,市场也非常小;三是辉瑞公司可以把研发投入到市场可预测、更容易成功的新药物。好在研发经理做出了正确的选择,为研发小组提供了两年的资助,以开发药物并进行临床实验。在1993年到1996年的双盲测试、安慰剂控制的临床实验中,研究团队成功地为万艾可招募到足够多的自愿者,万艾可也被证明具有良好的治疗勃起功能障碍的效果,公司也申请了发明专利。

  1996年后,万艾可在产品生产和市场开拓方面存在巨大的风险:许可申请的等待、市场大小的不确定、广告宣传中性话题的不受欢迎、如何把处方药变成非处方药。好在一切都很顺利,万艾可在1998年获得了许可批准,当年销售额度就接近8亿美元,1999年超过10亿美元。

  四、谁来给偶然发现机会

  关于偶然发现、灵感这类难以在科学论文中呈现出来的东西,在科学发现、技术发明中究竟起到多大的作用,也许可以相信著名科学家留给大家的著名论断,比如“机会只留给有准备的大脑”“天才就是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水”。在漫长的科研生涯中,偶然发现是一个重要的因素,可能是科学研究的拉力,也可能是科学研究的推力,还可能是催化剂。科学研究属于创造性的活动,既需要严密的逻辑推理、精致的实验,也需要直觉、想象、超越常识的洞察力。

  而这种偶然发现的机会似乎因为现代科学的发展,而变得越来越少。早期的科研活动主要受个人好奇心驱使,许多发现者不是专业的科学家,他们可以随心所欲地开展研究。随着科学研究的职业化,科学家隶属于每个研究机构,他的研究兴趣受限于研究机构的总体目标。随着研究经费的增加,科学家需要向政府、基金资助机构、企业等申请科研经费,其研究目标要能完整体现在项目申请书之中,这些项目申请书又要经过严苛的同行评议,一些冒风险、逆众意的项目往往得不到资助。而且通过同行评议的项目,其资金使用被限定了范围。甚至现在的教育理念也存在问题,对直觉、想象力的培养让位于常规的应试教育和快速答题技巧。很多机构对科学家的评价采取的是量化的考核和升迁的方式,如果他在多少年内没有发表足够多的学术论文,他就得不到岗位提升而被赶走。

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