鲍海飞
何时会有重大的科学发现和认知 精选
2022-2-23 12:37
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何时会有重大的科学发现和认知

鲍海飞 2022-2-23

有许多看似意想不到的发明和发现,拓展了人类的视野,改变了人类对自然的认知。比如早期,望远镜和显微镜的发明和发现,把人类的视野一下子扩展到无边浩瀚的宇宙和那数不清极其微小的世界中。而正是人类的好奇心和思考力,才让人类不断发现和参悟自然。我们的世界原来是如此神奇,充满了魔幻,那些看似平凡的物质,一花一草、一石一木,它们都已经经历了多少亿年的光阴,分解、组合、消失又重生。是思想者和实践者,他们提着一盏智慧的灯火,带领着我们走在一条不断认知大自然奥秘的过程。他们的思想启迪着我们。何时会孕育出那些重大的发现、发明和科学认知呢?
    当人类对根本问题认知遭遇困境时,有可能孕育出重大发现。

19世纪甚至更早,物质的构成和运动是人们研究和关注的重点,对于是否存在‘原子’这样的问题,一直争论不休。因为它太实在小,无法用眼睛和仪器来看到。如何验证‘原子’是否真实存在,是当时的一个主要难题,人们无从下手,只能猜测,而布朗运动的研究打开了人类认识原子世界的大门。

1827年,一个苏格兰植物学家,罗伯特布朗Robert Brown1773–1858)在1828-1829年间发表了他的基于悬浮在液体中的花粉、灰尘颗粒、炭黑颗粒的运动行为,布朗运动是微观客体在液体(流体)中的一种无规则运动,是尺寸在微米量级的颗粒受到大量的尺寸在纳米量级颗粒的分子连续撞击的结果! 布朗运动就此揭开了人们对微观世界、尤其是随机运动的研究和认识。此时,距离伦琴发现X-射线1895年还有近70年,距离卢瑟福的原子散射实验1911年也有近90年。

        19世纪,‘原子时代’的到来,为我们揭开科学研究的新篇章,理论与实验的结合走向了一个新的研究起点。1905年,爱因斯坦和和斯莫卢霍夫斯基(Marian Smoluchowski ,1906)从理论上间接证实了原子和分子的存在。爱因斯坦从‘随机行走’或‘醉汉行走’模型出发,认为环境中水分子对花粉颗粒连续碰撞是布朗运动的根源。这些分子来源于不同方向,具有不同的脉冲作用力。爱因斯坦认为只有通过布朗运动观察,才能揭示分子的实际尺寸和确定阿伏加德罗常数,并由此验证分子的动力学理论。1908年,·巴蒂斯特·皮兰(Jean Baptiste Perrin)等人从实验上验证了爱因斯坦的理论和模型。

再后来,是汤姆逊和卢瑟福等人提出了原子模型,居里夫人等人发现了原子的放射性,尤其是卢瑟福的放射性原子轰击实验,恰是进一步验证了原子的颗粒性、微小性,以及原子核内在结构的问题。直至现代,扫描电镜、透射电镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等设备的发明,都在致力于原子的确认和表征上。微观世界的大门终于被一点一点撬开了。

 

当一种发现或范式不能被新的物理规律所适用和嵌套时,会产生深刻的思想认知。

我们的时空究竟是怎样的?物质的运动是否都遵循经典的牛顿力学?物质的运动是决对的还是相对的?是否有一个绝对静止的坐标系或者中心?我们的世界是否处于一个曾经被称之为‘以太’的物质中?这些问题一直是人们研究的中心。

几百年来,伽利略和牛顿的力学和绝对时空观一直统治着物质的运动运行规律。天体的运行规律都遵从牛顿的惯性力学。牛顿力学适应于低速的运动物体,适应于我们的三维几何空间,其速度等变量满足线性叠加等规律。只要初始条件给定,那么物体(质点)在空间中任一点轨迹都是可预测和确定的。更重要的是,牛顿定律的方程满足伽利略变换,也就是在不同惯性参照坐标系下,牛顿定律的作用力方程形式保持不变。

1865年,应是被人们铭记的一年。这一年,现代理论物理学的理论支柱‘麦克斯韦方程’被建立。电磁学经过奥斯特、赫兹、洛伦兹等人几十年的发展,麦克斯韦从理论上总结和建立了电磁相互作用的关系方程,方程中直接导出了电磁波不依赖于任何介质而以光速传递。这进一步否定了‘以太’的存在。这不能不让人感到震撼!但更奇怪的是,当人们试图将伽利略变换套用到麦克斯韦方程时,人们发现麦克斯韦方程无法满足伽利略变换。但却满足洛伦兹变换,这让我们看到了不同于常规的时空和时空观。

1887的一个光学试验,一槌定音,‘以太’的确不存在。在麦克斯韦等人的建议下,迈克耳逊-莫雷进行了光速测量实验((Michelson-Morley Experiment),即利用光学干涉的方法试图验证以太的存在而失败。实验发现,光沿任何方向传播的速度都相同,这直接否定了所谓假定‘以太’的存在。爱因斯坦的关于四维时空、弯曲时空和引力的相对论由此诞生。20世纪初,相对论的产生改变了人类对运动、宇宙的认知,是人类思想的一次巨大变革。

量子力学的产生也有类似的背景和问题。微观粒子的行为是否能够用已经建立的经典理论来描述?1900年,普朗克根据黑体辐射现象,也就是光子与物质相互作用下的辐射、吸收强度分布与温度和频率的关系,揭示出了微观粒子具有量子属性,而不是像宏观物体所表现出的光滑和连续的属性,这无疑揭开了人类认识微观世界的一个新篇章。此后的几十年,在爱因斯坦、德布罗意、海森堡、巴尔默、波尔、薛定谔等人的努力下,发现和洞悉了微观世界不同于宏观物体所具有的许多特性,如光电效应、光与物质的波粒二像性、测不准原理、氢原子的线谱系、量子隧穿等。衍射试验证明粒子行为的复杂性,不能够用牛顿力学来描述,粒子在空间中某一位置处出现只能用几率来描述!微观粒子的行为只能用薛定谔方程来描述。这一情形的出现,恰否定了经典力学‘轨道’的决定论。微观粒子的相互作用和规律,充满了更多的复杂性、趣味性和变数。

 

 当已有技术面临某些缺陷、短板、瓶颈、壁垒和迫切需求的背景时,会孕育新的发明和创造。

在人类所有的发明创造中,20世纪中期的晶体管和集成电路(IC,Integrated circuit)的发明,是人类创造史中最富传奇的一个篇章,也是改变人类历史进程和人类认识活动的一个重要里程。没有IC就没有今天的信息时代。是什么在推动半导体工业技术的迅速发展呢?

20世纪初,人们已经研制出了电子管用在计算机和通讯中。这种电子管的外壳是由玻璃制成的,因此它的尺寸大、易碎、易产生热量,这样它就不安全、功耗大,其可靠性就不高,而维护成本很高。电子元器件的失效和可靠性问题一直是人们最关注的问题,这涉及到跨越大西洋海底电缆的通讯等问题。能否有长寿命、可靠性高、替代真空电子管的元件?

1945年,贝尔实验室的一个项目负责人,科利(Mervin Kelly)敏锐地意识到了该问题,他于是召集了战后的科学家,包括理论物理、化学、机械和电子工程类科学家,从事固体中电子输运和放大等研究。这就包括了著名的于1956年因发明了半导体晶体管获得了诺贝尔奖的肖克莱、巴丁(John Bardeen,1908-1991)和布拉顿(Walter H.Brattain,1902-1987)等人。晶体管具有固体属性,制造的器件体积小且功耗低,速度更快,其优越性显而易见。在锗、硅晶体管上能够实现对电子流动的控制,起到开关和放大作用,通过适当组合可制备出具有逻辑功能结构器件,这成为现代电子信息技术的基础。其后,还有许多科学家,包括摩尔定律的创始人摩尔等人前仆后继致力于硅上集成电路的研究,才造就了今天集成电路的辉煌。

由于kelly的洞察力、组织力和领导力,以及他的前瞻性,将科学带到一个人类史无前例的征程之中。他被认为是:“我们国家和世界上最重要的科学管理者”,“他的许多赋予的华盛顿的使命为国家安全保障做出重要贡献”。

 

当理论和实验出现‘不可调和’时,就有可能孕育出新理论、新思想的诞生

无论是当人类对根本问题的认知需要刨根问底时,还是当一种范式不能满足新的物理规律时,以至于现有技术存在某些缺陷、短板需要改造升级时,都有可能会孕育新的发明和创造。根本上,当理论和实验出现‘不可调和’时,当理想和现实存在差距时,就有可能催生孕育出新理论、新思想。科学的重大发明和发现过程,首先是一种思想和构想,然后设法通过某种理论和试验途径去验证这一想法。我们都知道,高速行驶的列车上,手机信号的发射和接收总不是很好,这涉及到高速运动物体与电磁波相互作用的问题。如果能够有有效的方法和理论,那么就有可能突破解决这一难题。电磁波的基本理论是基于麦克斯韦方程,而麦克斯韦方程中本身就没有速度项这一固有缺陷,因此,许多涉及到动体无线电信号的发射与接收问题就难以解释。近来有报道(2022年),中科院北京纳米能源所首席科学家王中林改进了麦克斯韦方程,将速度项引入其中,从而成功将电磁场理论推广到运动介质的情形,奠定了运动介质电动力学的理论基础,这无疑对解决高速运动物体与电磁波相互作用、散射电磁波探测和目标特征精确提取等问题,了通信系统中的一个极为关键的问题。如果是这样的话,那么这无疑是人类科学史上的一大进展和突破。

 

 回首科学历史的长河,群星闪耀,人类在攀登一座又一座高山,跨越一条又一条河流。科学发现和认知的过程是从0到0.1,0.2的过程,是许许多多人前赴后继的结果。第一个人提出了原理性的、概念性的东西,第二个人则实现了某种技术和功能的突破,第三个人则另辟蹊径,提出了高效的方法和便捷的途径,第四个人则改进了技术手段提高了精度、产率和可靠性,就这样,从埋下种子到孕育出小苗,到长大开花,乃至春色满园。

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