足球烯發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性

淺談足球烯發(fā)現(xiàn)的偶然性與必然性1985年英國薩塞克斯大學(UniversityofSussex)的波譜學家與美國萊斯大學(RiceUniversity)兩名教授和合作研究，發(fā)現(xiàn)碳元素可以形成由60個或70個碳原子構成的有籠狀結構的C60和C70分子，這一發(fā)現(xiàn)引起科學界特別是物理學和化學界的強烈反響，成為本世紀后半葉的重大科學發(fā)現(xiàn)之一。11年后，三位科學家因為發(fā)現(xiàn)C60并提出其分子結構模型而榮獲1996年諾貝爾化學獎。回顧C60的發(fā)現(xiàn)過程，應當承認，確有偶然性的一面，但從人類的認識規(guī)律和科學技術發(fā)展背景分析，C60的發(fā)現(xiàn)又有著歷史的必然性。1C60發(fā)現(xiàn)的偶然性Kroto是英國薩塞克斯大學的波譜學家，而Smalley和Curl都是美國萊斯大學的教授。1984年春天，Kroto和Curl參加了在美國德克薩斯州奧斯汀舉行的分子結構會議。會議期間，Curl向Kroto介紹了Smalley和他的學生共同設計的激光超聲團簇發(fā)生器。Kroto對這套裝置十分感興趣，想利用它開展一些工作。三位科學家之間的合作就這樣偶然開始了。1985年9月初，Kroto在Smalley的兩名研究生的幫助下，開始了關于富碳蒸氣中碳鏈形成的可能性的研究。他們在惰性氣體環(huán)境下，用高功率的激光照射石墨表面，照射釋放出來的由碳原子構成的碎片等離子體被氦氣流攜帶通過末端為一噴嘴的杯形集結區(qū)，進入一真空室。在杯形集結區(qū)內，碎片離子經(jīng)氣相的熱碰撞反應成為新的碳原子簇。這些新生成的碳原子簇隨氦氣進入真空室，并在那里由于氣體的膨脹而被迅速冷卻下來。隨后，所有產(chǎn)物進入一個與上述實驗裝置相連接的飛行時間質譜儀。在質譜儀上，所形成的含有不同碳原子個數(shù)的原子簇及其豐度可以被檢測出來。9月4日，令人意想不到的事情發(fā)生了。研究小組在質譜儀上觀察到質量較大的碳原子簇所含的碳原子個數(shù)均是偶數(shù)，其中分子質量數(shù)落在720處的質譜峰信號最強，它恰好對應一個由60個碳原子組成的分子，另外一個相當于C70分子的質譜峰清晰地出現(xiàn)在分子質量數(shù)840處。通過改變實驗條件，他們用Smalley的裝置產(chǎn)生的C60是其它任何碳原子簇的40倍。這些實驗結果使研究小組確信C60可以非常穩(wěn)定地存在。在發(fā)現(xiàn)C60和C70之后，確定它們的分子結構就成了當務之急。在熱烈的討論中，Kroto聯(lián)想起1967年加拿大蒙特利爾萬國博覽會中美國展覽館是由五邊形和六邊形拼接構成的短程線圓頂建筑。Kroto將這一想法告訴小組其他成員。Smalley經(jīng)過嘗試，終于用20個正六邊形和12個正五邊形拼成一個60個頂點的C60分子結構模型。C60分子就以短程線圈頂結構的設計者巴克明斯特*富勒(BuckminsterFuller)的名字命名，稱為Buckminsterfullerene簡稱富勒烯(Fullerene)。C60分子結構模型的提出使C60研究小組把握住了實驗中的意外結果，為整個C60的發(fā)現(xiàn)過程劃上了圓滿的句號。從C60的發(fā)現(xiàn)不難看出，偶然性在科學研究中起著提供機遇的重要作用。對于否定科學研究中偶然性的觀點，恩格斯曾經(jīng)批判道：“必然的東西被說成是唯一在科學上值得注意的東西，而偶然的東西被說成是對科學無足輕重的東西……這樣一來，一切科學都完結了，因為科學正是要研究我們所不知道的東西。”在科學史上，象C60這樣由偶然發(fā)現(xiàn)導致科學技術重大進步的例子不勝枚舉。伽瓦尼從儀器導線偶然碰到青蛙腿而使之顫動發(fā)現(xiàn)了生物電，揭開了電化學的序幕。維勒在制備氰酸銨時偶然得到了一種白色結晶，經(jīng)過幾年艱苦努力，終于證實這種完全由無機物合成的白色晶體就是尿素。這一發(fā)現(xiàn)動搖了當時盛行的有機物只能由生命體合成的“生命力論”的基礎，開辟了有機合成化學的新領域。此外，酚醛樹脂和聚四氟乙烯的合成，橡膠加工中硫化技術的發(fā)明等無不是始于偶然。為什么科學實驗有著很強的目的性和計劃性而實驗的結果卻常常出現(xiàn)意外和偶然?眾所周知，科學研究是人類對未知世界和未知規(guī)律的探索。雖然每一次科學探索都是基于已經(jīng)掌握的知識和規(guī)律，并且有著既定的目標和周密的研究計劃，但是科學研究中主體的認識水平和客體的未知因素決定了實驗結果往往會出呼研究者的意料之外。C60發(fā)現(xiàn)的偶然性也正是上述兩種因素綜合作用的結果。一方面，在1985年以前，人類對碳元素單質的認識只停留在金剛石和石墨兩種同素異形體上，從這種固有的觀念出發(fā)，C60的出現(xiàn)當然是個意外。另一方面，科學研究中客體的未知因素又導致偶然現(xiàn)象可以在自然狀態(tài)下出現(xiàn)，也可以在人為干預下出現(xiàn)；可以在無意識的干預下出現(xiàn)，也可以在有意識地干預下出現(xiàn)，而C60就是在人們無意識地干預下出現(xiàn)的。因此可以說科學探索中的偶然性是科學研究的本征特性之一。它提供了科學發(fā)展的重要契機。C60的發(fā)現(xiàn)再次給我們以啟示：把握住這一契機，把無意識的干預變?yōu)橛幸庾R的干預，認識到“干預”的存在，即發(fā)現(xiàn)或找到過去的科學經(jīng)驗中未曾施加過的人為或自然因素，很可能導致科學技術的突破。2C60發(fā)現(xiàn)的必然性任何科學發(fā)現(xiàn)的偶然性背后，都隱藏著必然性，C60的發(fā)現(xiàn)也不例外?？茖W研究的客觀現(xiàn)象本身就是偶然性和必然性的統(tǒng)一偶然性是事物發(fā)展過程中可以出現(xiàn)，也可以不出現(xiàn)，可以這樣出現(xiàn)，也可以那樣出現(xiàn)的趨勢，它是由事物外部的或事物內部次要的、非本質的原因即非根本矛盾引起的。但是當條件或研究對象、研究要求發(fā)生改變時，原來看上去是次要的、潛在的因素可能變得重要和明顯起來。必然性是事物發(fā)展過程中一定要發(fā)生的不可避免的趨勢，它是由事物內在的本質的原因即根本矛盾引起的。必然性要通過大量的偶然性表現(xiàn)出來，而偶然性又以必然性為基礎，它的背后隱藏著必然性?；瘜W史上通過研究偶然現(xiàn)象，找到引發(fā)它的客觀條件，并自覺地將偶然現(xiàn)象轉化為必然現(xiàn)象，從而揭示客觀規(guī)律的例子很多。微生物學家弗萊明在研究葡萄球菌時發(fā)現(xiàn)，意外掉入葡萄球菌培養(yǎng)基的灰塵引入了霉菌，而霉菌對葡萄球菌有很強的抑制作用。經(jīng)過多次重復實驗和深入研究，弗萊明終于找到了隱藏在這一偶然現(xiàn)象背后的必然性，即青霉素有極強的抗菌作用，從而使人類在與病菌的斗爭中前進了一大步。C60的發(fā)現(xiàn)也是如此。C60研究小組最初選擇了能夠產(chǎn)生C60和C70的實驗條件完全是偶然巧合，因為開始時他們的研究興趣與C60和C70無關，而且在實驗進行之前，他們根本不知道存在C60和C70分子。因此C60的出現(xiàn)完全出呼意料。然而一旦確定了這種實驗條件，碳元素的性質決定了C60的出現(xiàn)又是必然的。正是這種必然性決定了在科學研究中必須遵從“相同實驗條件下實驗現(xiàn)象可重復”的根本原則。其實Kroto等觀察到的C60和C70的質譜峰并非科學家與C60的第一次相遇。在1984年，等人就已經(jīng)用相似的方法觀察到C60和C70的質譜峰，只不過Rohlfing沒有把握住機遇，錯過了由偶然發(fā)現(xiàn)揭示事物必然規(guī)律的大好時機。C60的發(fā)現(xiàn)是人類認識水平發(fā)展的必然結果從人類認識水平的發(fā)展來看，C60的發(fā)現(xiàn)也有其歷史的必然性。首先，人類在物理、化學方面特別是與碳元素有關的化學領域中所取得的成就為C60的發(fā)現(xiàn)奠定了知識基礎。金剛石和石墨是人們早已熟悉的碳單質。雖然在1985年以前，科學家不知道除了金剛石和石墨外碳元素還存在穩(wěn)定的富勒烯單質家族，但是科學家們卻深深懂得石墨和金剛石外觀和物理性質的差異是由于碳原子排列結構不同造成的。同素異形體的概念也早已植根于化學家的頭腦中。難怪在多次觀察到C60的質譜峰后，Smalley興奮地說：“看來我們和碳的第三種同素異形體相遇了。”對于碳的第三種同素異形體的存在，日本著名科學家小澤1970年就預測：“碳的第三種同素異形體應該是自然界中普遍存在的物質。”最近發(fā)現(xiàn)星際物質的吸收光譜中有些譜帶可以與C60或C70的吸收譜帶相關聯(lián)。小澤三十年前的預言很可能成為現(xiàn)實。另外對于C60分子結構的可能性，早在1965年美國邁阿密大學的就進行了數(shù)學模型上的探討?？梢哉f整個科學界的思維在C60還未在實驗中出現(xiàn)之前就已經(jīng)接觸到它了，因為科學發(fā)展水平已經(jīng)提供了這種物質存在在科學上合理的基礎。其次，C60的發(fā)現(xiàn)可以說是人類科學思維方法的必然結果。尤其是創(chuàng)造性思維在這里起到了極為重要的作用。所謂創(chuàng)造性思維是指在思維過程中不僅基于現(xiàn)有的知識，而且還要有批判的頭腦，思想上不受現(xiàn)有的知識的束縛，敢于大膽想象，敢于創(chuàng)新。十九世紀中葉，人們已經(jīng)熟知烴類的直鏈和支鏈結構，但對苯的分子結構卻無法說明。德國化學家凱庫勒大膽想象，從開鏈結構的園囿中解放出來，提出了單雙鍵交替的封閉式苯環(huán)結構，這一分子結構的新概念不僅豐富了化學理論，而且成為有機化學發(fā)展史上的一座里程碑。站在今天的角度回顧過去，可以看到當時的化學家不僅了解了苯的化學性質，而且已經(jīng)確定了苯的化學式為C6H6，因此我們認為即使凱庫勒沒有提出苯的分子結構，苯環(huán)結構的確立也是當時科學發(fā)現(xiàn)的必然結果。事實上，科學史上幾乎每一項重大的理論成就在醞釀中時，往往都有不止一個科學家在思考它，有時是以不同的方式，有時甚至思考方式都十分接近。這是由科學本身的客觀性決定的?？茖W界早已認識到創(chuàng)造性思維的重要作用，因此在培養(yǎng)科學家的教育機制中，創(chuàng)造性思維方法和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)是非常值得重視的。西方的科學教育特別重視創(chuàng)造精神的培養(yǎng)和個性的發(fā)揮，這可能也是Kroto發(fā)現(xiàn)C60的因素之一。在強調創(chuàng)造性思維的重要性的同時，我們不應忘記邏輯思維是科學思維的基石，創(chuàng)造性思維的結果總是有待證實，仍舊需要實踐和嚴格的科學推理的檢驗。C60籠狀封閉立體結構的確定正是這兩種思維方式的科學結晶。roto等在提出C60結構假說前曾經(jīng)有過兩個基本模型，一個是所謂“扁平著陸艙模型”，另一個是“封閉籠狀結構”模型。雖然兩個模型都包含了創(chuàng)造性思維的成分，但很顯然前者更多地受到石墨中碳原子排列結構的影響。由于當時研究小組無法得到足夠量的C60產(chǎn)品，不可能用其它實驗方法確定哪種模型是正確的。因此，邏輯思維和科學推理就成了必須使用的檢驗方法。C60質譜信號是其它任何碳原子簇的40倍，這表明C60具有超常的穩(wěn)定性，所以在C60的分子結構中不應有懸掛鍵。“扁平著陸艙”模型難以滿足這一要求，因而被自然地排除了。C60的發(fā)現(xiàn)是科學技術水平發(fā)展的必然結果先進的儀器設備和現(xiàn)代化的實驗手段在物質條件上為C60的發(fā)現(xiàn)提供了保障。儀器設備是人類視覺、聽覺和觸覺的延伸，是人類為自己建造的更精巧的手。激光技術和質譜儀是C60發(fā)現(xiàn)過程中的兩大功臣。前者保證了C60的產(chǎn)生，后者則是人們“看到”C60的眼睛。而像這樣的實驗手段甚至對于任何物理或化學專業(yè)的畢業(yè)生來說都不再陌生，對于物理學家和化學家則更是司空見慣。因此現(xiàn)代化的實驗手段和先進的儀器設備的廣泛使用，為C60在特定條件下的必然出現(xiàn)提供了土壤。從當今儀器設備所提供的物質技術條件來看，C60封閉籠狀結構的提出也是必然的。90年等人用X-射線和電子衍射等方法證明了C60分子是籠狀結構。同年Kroto等用13C核磁共振技術證明，C60具有高度的對稱性，所有60個碳原子所處的化學環(huán)境完全相同。而美國加州大學勞倫斯伯克利實驗室的化學家巧妙地用兩個鋨原子夾住C60分子，得到了C60的X-射線衍射圖，證實C60的原子排列符合籠狀結構。所有這一切都表明，即使Kroto等在發(fā)現(xiàn)C60時沒有能夠給出正確的分子結構，科學家們也完全可以從測定C60分子結構的各種實驗結果中推測出正確的分子結構。3C60的發(fā)現(xiàn)對我們的啟示C60的發(fā)現(xiàn)過程給我們以深刻啟示：一方面，科學研究中總要伴隨著偶然現(xiàn)象，因此科學工作者要重視研究中出現(xiàn)的意外情況，要有分析判斷造成偶然現(xiàn)象原因的能力。法國生物學家巴斯德曾說：“在觀察的領域中，機遇只偏愛那些有準備的頭腦。”偶然現(xiàn)象為科學發(fā)現(xiàn)提