在科學思想指引下做出的重大發現

陳敬全

科學思想是對科學知識和科學理論的凝練和升華，是在更高層次上對科學知識的進一步抽象和概括，把“理論的表述”變成“觀念的表述”。典型的科學思想有演化思想、守恒思想、對稱思想、系統思想、極限思想、互補思想等等。

科學思想指引科學工作者有效地開展科學研究并取得重大科學發現。

演化思想與地質進化論的提出

18世紀以來，地質學取得了進展。但是在不少方面，還禁錮在神學的陰影之下。如關于巖石成因的“水成說”，就借用了《圣經》中的“大洪水”之說。英國地質學家赫頓提出巖石成因的“火成論”，展開了地質學史上著名的“水火之爭”。受神學禁錮的還有“災變論”。法國生物學家居維葉觀察到不同的地層含有不同的古生物種屬，而且不存在過渡的種屬，他認為地層中物種的變化起于突然、瞬間的災變，災變的原因用自然力是難以解釋的，他推出最后一次大災變發生在五六千年前，這與《圣經》中記載的上帝約在公元前4004年創造出人類相符。居維葉的災變論受到了教會的吹捧，并在地質學中頗有影響。

英國學者賴爾（Sir C.Lyel，1797—1875）對地質學饒有興趣，他讀了赫頓關于地球的理論。赫頓反對把神學帶入地質學，使賴爾對災變論產生了懷疑。賴爾注重地質考察，他的足跡遍及英國、法國、瑞士、意大利、德國和斯堪的納維亞半島等地。他觀察到了許多正在進行的地質作用，認識到地球是演化的和變化著的，而變化的原因是自然界本身。在1818年，他看到巴納斯河河水泛濫后河岸被沖刷后形成了150英尺（約45.72 m）高的直立懸崖。見證了大西洋的海浪在巖石中沖出缺口后，他相信這樣的破壞作用，在幾千年之后，會把島嶼分割成孤立的巖石群。1823年，他考察了巴黎盆地的化石，考察地層之間的相互關系，加深了對災變論的懷疑。1827年，賴爾讀了生物學家拉馬克的《動物哲學》，受到了拉馬克動物進化論思想的深刻影響，他逐步形成了地質漸變論的思想。

1830年，賴爾的著作《地質學原理》第一卷出版。書中體現了他在地質學研究上的開拓性成果。在緒言中他開宗明義地指出“地質學不能與創世論相提并論”，勇敢地向神學和災變論提出挑戰。

賴爾確立了地質進化的科學概念。他指出，地球是不斷地運動和變化的，引起這種運動和變化的各種因素，從地質學的角度來看是微不足道的，但其長期累積的結果則是驚人的。賴爾認為，災變論的一個重要失誤是忽略了地質事件的時間因素，就像金字塔，如果一個人不具有歷史事件的時間概念，以為它是幾天之內造成的，那就只能歸因于超人的作用。同樣，侵蝕地貌的形成，若排除了漫長地質年代的時間因素，也就只能歸結為超自然力的作用。賴爾引入了“緩慢的地質作用”的概念，主張從長期運動和變化的累積的觀點來分析地質演變過程。比如，針對災變論者認為在地球大變革時有過火山集中大量噴發的觀點，他說“每一個火成巖層，都是由許多次連續噴發或流溢的火山物質所組成，所以關于地下熱力所形成的古代巖石的知識愈擴大，我們愈不得不承認它們是無數次噴發的總結果，而每次噴發的強烈程度，可能與現時在火山區域所經驗的相仿”。他認為，自然界是屢經變化的舞臺，而且至今還是一個緩慢的、但是永不停息的變動物體。

賴爾

賴爾著《地質學原理》

賴爾概括出地質研究的科學方法，這就是著名的“現在是了解過去的鑰匙”法則，或稱之為“將今論古”法則。赫頓曾提出“自然法則是始終一致”的觀點：在地球的一切變化過程中，自然法則是不變的。河流和巖石，海洋和大陸，都經歷了各種變化，但支配那些變化的規律始終是相同的。賴爾十分贊同赫頓的觀點。他根據大量事實指出，“現在在地球表面和地面以下的作用力的種類和程度，可能與遠古時期造成地質變化的作用力完全相同”。既然作用于地球的各種自然力古今一致，那么人們就可以根據現在仍然在起作用的自然力推論過去，解釋地質歷史時期的各種地質作用和地質現象，運用類比推理與歸納推理的方法來恢復地球過去的歷史，揭示自然的奧秘。賴爾為地質學的研究提供了一種毫不神秘、現實主義的有用手段。

賴爾的《地質學原理》揭開了地質學研究的新篇章。恩格斯高度評價他的貢獻：“只有賴爾第一次把理性引入了地質學中，用一種漸進作用代替了造物主一時興發的突然革命。”

守恒思想與中微子的發現

20世紀30年代，物理學家在探索β衰變時遇到了麻煩，重元素的β衰變是原子核中的中子衰變形成的。按當時流行的看法，中子衰變的產物只有電子和質子，但在理論上很難說得過去。首先是由于中子、質子和電子的自旋都是1/2，如果衰變后真的只有電子和質子，那么根據角動量相加法則，不存在角動量為1/2的態，也就是無法保持角動量守恒；其次，根據能量守恒定律，β衰變后產生的電子和質子都應該具有確定數值的能量，但事實上β衰變時放射出的電子的能量是連續分布的，也即有一寬闊的連續譜，不過有一個上限。

一種可能的解釋是，β粒子在從它們原來所在的放射性物質中逸出時受到連續分布的能量損失。為此，卡文迪許實驗室的埃利斯和伍斯特設計了一個精巧的實驗：把放射性物質所發射的β射線全部吸收到一塊鋁板中，然后仔細測量由此產生的熱量。實驗結果表明，每個β粒子所釋放的總能量恰好等于連續譜中電子的平均能量，這證明電子在物質中沒有損失能量。

一些物理學家，包括丹麥著名物理學家玻爾在內都認為，β衰變的困難表明：一種更新的動力學、更新的時空概念，才能適用于核的尺度內。他們估計，在這個尺度內，電動力學甚至狹義相對論揭示的規律可能都不再適用。為了擺脫困難，人們提出了各種猜測，做好了應對意外事件的思想準備。

泡利

費米

1930年底，奧地利物理學家泡利（W.E.Pauli，1900—1958）大膽提出存在一個新的中性粒子的建議，他把它幽默地表達為“孤注一擲的措施”和“一棵救命的稻草”。泡利假設，在β衰變中，除放出β粒子外，同時還放出一種質量很小的中性粒子（后來稱為中微子），這樣，原子核衰變能量就由電子、中微子和反沖核三者分配。由于原子核質量很大，所以反沖核能量就很小，可以忽略，主要只由中微子和電子參與能量的分配，這就解釋了β能譜連續分布的特點，同時也解決了β衰變中的角動量守恒問題。

1931年，在羅馬的一次會議上，泡利與玻爾等人就β衰變問題進行討論。泡利的想法遭到了玻爾的極力反對，玻爾認為能量守恒只在統計意義上成立，在核這樣的尺度內，守恒定律可能不再成立。而泡利則堅信，在每一個單獨的基本過程中，能量守恒都是嚴格成立的，但是在發射電子的同時，還有一種更為彌散的輻射，它由一種新粒子組成。

泡利的想法得到了意大利物理學家費米（E.Fermi，1901—1954）的贊同。費米以量子力學為依據，在泡利中微子假說的基礎上，于1934年提出了完整的關于β衰變的理論，這個理論彌補了泡利中微子假說的不足，能夠定量解釋β能譜各個細節以及β衰變的各種規律。費米認為：電子和中微子是在原子核衰變的過程中產生并發射出來的，核子可看作是β衰變場的源泉，β衰變有著比其他類型長得多的壽命。他指出，自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用，β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子的過程。

1956年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室證實了中微子的存在。盡管這是在泡利和費米做出預言20多年之后，但中微子卻成為新的物理學觀念中的一個新型粒子，這就開辟了弱相互作用研究的全新領域。弱相互作用的特點常與物理學家的愿望相反，連玻爾在以后也不得不承認，不能再宣稱“有關（懷疑）能量守恒的想法了”。

在1957年蘇黎世一次會議上，泡利在回顧解決β衰變的主要困難時說：“試圖在不放棄能量守恒的前提下，把核的自旋和統計性問題與β的連續譜聯系起來，于是設想有一種新的中性粒子的出現。”他堅信一切物理變化和過程都遵循能量守恒定律這個大前提，從而樹立起信心：β衰變既然是物理現象和過程，它也必然遵循能量守恒定律。泡利找到了進一步研究的方向，追尋虧損了的那一部分能量的去向，終于獲得了重大發現。人們都說，中微子的發現是泡利在守恒思想的指引下，成功應用了演繹推理方法，這是很有道理的。

對稱思想與DNA雙螺旋結構模型的建立

20世紀中期，遺傳學進展如火如荼。染色體已被確定為是基因的載體，其化學成分有蛋白質和DNA兩種，這兩者中究竟哪個是基因的載體?不少生物學權威人士認為，蛋白質是基因的載體，因為蛋白質含有20種氨基酸，而DNA只含有4種核苷酸（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶），顯然前者的變化機會要遠遠超過后者，這符合基因的多樣性。

美國生物學家沃森（J.D.Watson，1928—）堅信基因的載體一定是DNA，因為在20世紀40年代，有人就通過細菌的轉化實驗證明了起轉化作用的遺傳物質是DNA。要揭示DNA的三維結構，必須通過X射線衍射的方法。沃森來到英國劍橋大學卡文迪許實驗室學習。在這里，他結識了克里克（F.H.C.Crick，1916—2004）。克里克是學物理的，他認真讀過奧地利著名物理學家薛定諤的著作《生命是什么？》。書中明確指出，物理學和化學的規律同樣適用于生物學一些基本問題的研究。薛定諤對于染色體決定生物體的遺傳性狀做了設想，并用量子力學中的“躍遷”來解釋基因突變，這吸引克里克投身到生命科學的研究領域。

沃森

克里克

DNA雙螺旋結構模型

他們從倫敦國王學院的女物理化學家和晶體學家富蘭克林和她的同事威爾金斯那里獲得了許多精致的DNA的X射線衍射圖片，這些圖片提供了具有權威性的最新資料。

1952年5月，他們得知了美國生物化學家查伽夫的最新發現，即在DNA中4種核苷酸的數量和相對比例在不同的物種中很不相同。但是，其中腺嘌呤的量始終等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量始終等于胞嘧啶的量。這為他們的研究提供了一條重要的線索。

沃森和克里克著手建立DNA的結構模型。他們遇到了不少挫折，一開始，他們對圖片經過分析后，判斷模型是由三股鏈纏繞而成的，這與其他人的判斷一致。但他們發現這是一個錯誤的判斷，它與已知的數據不相吻合。作為生物學家的沃森突然想到：在生物界中，“成雙配對”是較為普遍的現象。既然如此，生物體的微觀構造也應體現出這一特征。這促成他們拋棄了三鏈結構模型，大膽提出了雙鏈模型。

如果DNA果真是由雙鏈組成的，緊接著就會有一個堿基配對問題。最初沃森提出了一個同類堿基配對的設想，亦即嘌呤與嘌呤配對，嘧啶與嘧啶配對。然而，這一方案僅存在12個小時，有人就指出了其不符合結構化學的原理。按照堿基的天然構型，腺嘌呤只能與胸腺嘧啶，鳥嘌呤只能與胞嘧啶緊密結合，這些配對堿基之間的結合力是由氫鍵提供的。這也恰好與查伽夫的發現相吻合。沃森和克里克猛然悟出了其中的深刻意義：DNA雙螺旋模型就是由這樣的互補堿基配對而成，雙環結構的堿基嘌呤總是和單環結構的堿基嘧啶相配對，所以兩股鏈的走向剛好相反。

1953年4月，沃森和克里克最終得出了DNA分子的立體模型，它猶如一條扭曲的梯狀長鏈，每對互補的堿基構成階梯，糖和磷酸則構成兩側的扶梯。兩條鏈是柔軟的，自然地取氫鍵螺旋形態，在上面攜帶著生命的信息。這個模型很快得到了科學界的認同，它不但能與已知的資料極好地吻合，而且還揭示了復制過程何以可能：在DNA雙鏈中，每一個堿基通過與另一個互補堿基的配對，DNA鏈就精確地復制了自身。又由于氫鍵是一個弱鍵，DNA雙鏈就很容易從中間斷開，一分為二。這正是基因復制的奧秘，也是遺傳的奧秘!

沃森和克里克能最先摘得成功的桂冠是幸運的，與其他高手相比，他們是初出茅廬的新手，但他們有別人不及的優勢：他們的合作體現了生物學與物理學的完美結合，現代生物學的發展離不開數理化知識的鋪墊；而沃森具有的生物學直覺起了關鍵作用，“成雙配對”的對稱思想引領他們突破了三鏈的思維定式，最終建立起DNA雙螺旋結構模型。沃森、克里克和威爾金斯榮獲1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。

科學思想是科學工作者必備的素質

科學思想在自然科學研究中的地位和作用備受關注，科學思想應該是科學工作者必備的科學素質已成為一種共識。

科學思想溝通了各門自然科學。各門科學的具體研究對象雖然有差別，但是只要某個學科對于自然界的某些方面提供了規律性的東西，那么其理論思想就往往超出該學科自身的認識范圍，對其他學科的發展起指導作用并產生影響。科學思想在一定條件下還可以轉化為科學方法，從而具有更廣泛的認識意義。例如，20世紀40年代創建的系統科學理論，可以與相對論、量子力學相媲美，系統科學思想轉化為一整套系統科學方法，對科學技術的發展起了十分重大的作用。

科學思想來源于科學知識和科學理論，但又有別于科學知識或理論，蘊含著更深刻的思想內涵，相對于科學工作者的規范而言，它比科學知識或理論更具有普遍性和廣域性，不僅規范著科學工作者的科學研究實踐活動，也規范著他們的思維方式和行為方式。

科學工作者學習科學思想可以看成是對科學探索的再探索，對科學發現本身的再發現。有了這種再探索和再發現，科學的理論成果會進一步升華，科學認識的水準會達到更高的境界。愛因斯坦勉勵人們努力探究科學思想，認為這是很有意義和魅力的。他指出，通常“科學結論幾乎總是以完成的形式出現在讀者面前，讀者體驗不到探索和發現的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達到清楚地理解全部情況”，然而“根據原始論文來追蹤理論（思想）的形成過程卻始終具有一種特殊的魅力”。