美国加州理工学院物理学和化学教授艾哈迈德·泽维尔“因为在飞秒光谱学研究中作出杰出的贡献”,获得1999年诺贝尔化学奖。泽维尔没有忘记自己的祖国,他一直拥有埃及和美国双重国籍。因此,这是埃及人第一次获得诺贝尔科学奖。

艾哈迈德·泽维尔从事的是什么研究?他是在研究中观察原子在化学反应中如何运动。他用激光闪光照相机拍摄到100万亿分之一秒内化学反应中原子化学键断裂和形成的过程。他创立了飞秒化学。他的成果已运用在原子控制上,而如果可以控制原子,人类就可以控制物质。

这里要向大家介绍的,是泽维尔关于论文数量和影响力的一席话。他说:

科学不是以数量来衡量的,而是以影响力来衡量的。有些学者发表了成千上万的论文,但是没有一篇有分量的,他在学术领域的贡献可以说小之又小。

艾哈迈德·泽维尔的意见无疑是正确的。我想到一个例子。克里克和沃森于1953年发表的论文《脱氧核糖核酸的分子结构》,印在《自然》杂志上只有一页,却披露了“20世纪生物学中最重要的发现”。就是这只有一页纸的论文,让克里克和沃森获得了1962年度诺贝尔生理学或医学奖。克里克和沃森的成功,不在论文的数量,而是影响力。

2009年12月3日,《〈自然〉百年科学经典》首发式在国家科学图书馆举行。《自然》杂志引以为傲的是,他们发表过许多有巨大影响力的论文。这里仅举大家熟悉的一些重要论文:

1925年发表《南方古猿非洲种:南非的人猿》,论文标志着关于人类进化的现代观点的出现。

1927年发表《镍单晶对电子的散射》,论文首次表明,物质(本文中指的是电子)具有波动性。

1932年发表《可能存在中子》,论文中描述的实验导致作者假设原子核中存在一种新的电荷为零的基本粒子(中子)。

1953年发表《脱氧核糖核酸的分子结构》,论文披露DNA双螺旋结构被发现,标志现代分子生物学的建立。

1973年发表《磁共振成像的原理》,论文描述了这一技术的一般原理。磁共振成像已经成为当今医学的重要检查设备。

1985年发表《C60:巴基敏斯特富勒烯》,论文披露科学家发现一种新的碳单质——碳60。

1985年发表《南极地区臭氧总量的大量缺失揭示CIOx-NOx的季节性相互作用》,论文披露南极上空臭氧层越来越“稀薄”。

1996年发表《从培养细胞系通过核转移获得的克隆羊》,论文激起世界范围的兴趣和关注,引发对于克隆的伦理学争论。

2000年发表《从宇宙微波背景辐射的高分辨率图得出一个扁平的宇宙》,论文提供了第一幅关于宇宙微波背景辐射“温度”微小变化的详细的宇宙图。

2001年发表《人类基因组的初步测序和分析》,论文公布了人类基因组计划的主要发现。

正是这些振聋发聩的成果,让《自然》杂志拥有很高的“影响因子”。正是这些振聋发聩的成果,说明:

科学的真理不应在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的。这本书就是宇宙,就是自然本身,人们必须去读它。——伽利略(意大利)

正是这些振聋发聩的成果,说明科学研究成果来自创新的思想、变革的观念,而不是来自模仿:

从来没有一个人由于模仿而变得伟大。——(英)约翰逊

正是这些振聋发聩的成果,说明科学研究成果来自创新的思想、变革的观念,而不是来自“在一块木板上寻找最薄的地方”“钻洞”:

我不能忍受这样的科学家,他们在一块木板上寻找最薄的地方,不费力气地在上面钻了很多洞。他们为数众多的科学论文就是这么来的。——爱因斯坦

纵向思维是在挖深同一个洞,横向思维是在试着在别处挖洞。——爱德华·德·波诺

“我们全部的尊严就在于思想”

科学大师历来把科学思想、科学观念放在最重要的位置。爱因斯坦认为,在科学历史的研究与写作中,科学观念的发展历史被忽略了。他所感兴趣的,并不是资料的历史——什么时候、什么人干这个,等等——而是对观念发展的追踪。比如,去了解牛顿想的什么,以及他为什么要干某些事,那是重要的。他说:“我们都同意,向这样的问题挑战,该是一位高明的科学史家的主要动力。”

有人告诉爱因斯坦,迈克尔孙—莫雷装置的一些部分已经遗失,甚至连实验地点也无法确定。听了这些话,爱因斯坦耸了耸肩,然后说:“物理学家不要像古籍收藏家那样去做收集和保藏工作,但是思想确是具有永存价值的东西。”

帕斯卡指出,人之所以伟大,是因为有思想。“人只不过是一根苇草,是自然界最脆弱的东西;但他是一根能思想的苇草。”帕斯卡说:“我们全部的尊严就在于思想。正是由于它而不是由于我们所无法填充的空间和时间,我们才必须提高自己。因此,我们要努力好好地思想;这就是道德的原则。”帕斯卡说,由于思想,人便可以“囊括宇宙”:

能思想的苇草——我应该追求自己的尊严,绝不是求之于空间,而是求之于自己思想的规定,我占有多少土地都不会有用;由于空间,宇宙便囊括了我并吞没了我,有如一个质点;由于思想,我却囊括了宇宙。

帕斯卡的这番话,让我想到苏轼的“超然物外,无往不乐”:

物非有大小也,自其内而观之,未有不高且大者也。……予之无所往而不乐者,盖游于物之外也。

帕斯卡的这番话,还让我想到爱因斯坦的名句:想象力概括一切。他还说,想象力是科学研究中的实在因素。

物理学家汤姆孙说,导致科学发现的最重要的因素,是观念的转变。历史上的科学革命,首先是来自思想上的革命、观念上的革命。

仅从前面我们择要例举的这些《自然》杂志论文,我们就隐约发现许多诺贝尔奖获得者的身影:戴维森(1937年诺贝尔物理学奖)、查德威克(1935年诺贝尔物理学奖)、克里克、沃森(1962年诺贝尔生理学或医学奖)、克罗托、柯尔、斯莫利(1996年诺贝尔化学奖)、劳特布尔、曼斯菲尔德(2003年诺贝尔生理学或医学奖)、马瑟、斯穆特(2006年诺贝尔物理学奖)。他们的成功,在于他们的研究工作有思想,有创新思维。理解他们的成果,就是欣赏他们的思想:

戴维森的实验说明:电子不仅具有粒子性,还具有波动性;

查德威克用实验发现:原子核里不仅有带正电荷的质子,而且有电荷为零的中子;

克里克、沃森的DNA双螺旋结构说明,在分子水平上遗传信息是怎样存储和传递的;

克罗托、柯尔、斯莫利在金刚石、石墨之外,发现一种新形式的碳单质,——由60个碳原子构成空心的球形壳层结构;

劳特布尔、曼斯菲尔德的工作,在医学成像领域,又增加一种有力的工具:磁共振技术。磁共振成像技术成为重要的医学诊断工具、外科手术工具、脑与认知科学研究的工具,它是自发现伦琴射线以来医学成像领域最伟大的成就;

马瑟、斯穆特的发现,使宇宙论这曾经的假说,一跃成为精密科学。

欣赏这些诺贝尔科学奖获得者带来的观念变革,我们不禁欢呼:这是思想盛宴的享受,精彩绝伦、酣畅淋漓!

让我们结识他们当中的几位科学家,享受他们“情理之中,意料之外”的思路。

1985年,摆在克罗托、柯尔、斯莫利面前的问题是:60个碳原子如何搭接成稳定的分子?克罗托喜欢观察、欣赏各色建筑,他想到了1967年蒙特利尔万国博览会的美国馆。他依稀记得,建筑师巴基敏斯特·富勒设计的美国馆,是个圆穹顶形建筑,是由许多正六边形和正五边形搭接成的。科学家又想到,由60个碳原子构成空心的球形壳层结构,是一种完美的对称结构。对称性意味着稳定。好,就把C60命名为“巴基敏斯特富勒烯”!

建筑师巴基敏斯特·富勒是一位思想者,他说:

有时候我想我们是孤独的,有时候我又不这么想。不论在哪种情形,思想总是摇摆不定。——富勒

2006年诺贝尔物理学奖获得者斯穆特,在谈论宇宙创生遗留下来的宇宙背景辐射温度微小起伏的时候,这样说道:

如果你是信教的,那么,这就像是在看着上帝。——斯穆特

为什么斯穆特说“这就像是在看着上帝”?

“大爆炸”发生以后,宇宙温度不断下降。经过30万年,温度下降到3000度。在这个温度以下,电子运动速度大大降低,质子就可以将电子俘获,形成中性的氢原子。氢原子里电子与质子的距离极近,原子之间的空间变得空空荡荡,光子就可以不受阻挡地向前运动。这就是说,大爆炸以后30万年,物质与辐射分开了,宇宙变得透明了。于是,斯穆特等科学家探测到宇宙背景辐射温度微小起伏的图象。虽然这些辐射在发出的时候,宇宙的温度是3000度,而现在这个辐射温度已经下降到微波波段,但是,我们现在看到的宇宙背景辐射温度微小起伏的图象,仍然是宇宙最早的模样。我们看着这宇宙“创生”之初最早的“相片”,不就“像是在看着上帝”吗?

于是我们懂得了爱因斯坦的说法:

我们面对的重大问题,无法在我们制造出这些问题时的思考层次上解决。——爱因斯坦

头脑会因为一个新思想而伸展,再也不会回到它原来的层面。——奥利弗·温德尔·霍姆斯

现实生活中,有人不假思考,有人不会思考。对于不假思考的人,苏联的柳比谢夫进言:“没有时间思索的科学家,那是一个毫无指望的科学家;他如果不能改变自己日常生活制度,挤出足够的时间去思考,那他最好放弃科学。”对于不会思考的人,苏联的克柳切夫斯基指出他们的问题是不会逆向思维或发散思维:“会思考的人的思想急速转变,不会思想的人晕头转向。”

创新型社会呼唤创新型人才、有思想的人:

要是没有能独立思考和独立判断的有创造能力的个人,社会的向上发展就不可想象。——爱因斯坦

在学习、思考、探索、创造中,人们将会成长为具有创造思想的人。“一旦你能说出你自己思考的,而不是别人为你想好的东西,那就说明你正在成为一个了不起的人。”([法]巴里)那时,人们会感受到“思考是人类最大的乐趣。”([德]布莱希特)

“求学问,需学问;只学答,非学问”

思考是人类的乐趣,思想是人类的尊严。达芬奇这位文艺复兴时期的“两栖大师”就是一位享受思考之趣、拥有思想之尊的人物。阅读下面这段内心独白,我们才知道这位伟大的画家,在科学方面的思考何其广泛、何其深入!

我在乡间漫步,寻求一些我所不能理解的事物的答案。为什么在高山的顶部会存在贝壳和珊瑚,以及一般生长在海中的植物和水草?为什么雷声比导致它产生的东西持续的时间长?为什么闪电在产生之时我们可以立即看到,而雷声要过一段时间才可以听到?石头落到水面上时,那一圈圈波纹是如何形成的?为什么鸟儿可以在空中停留?在我的一生中我一直在考虑这些问题和其他的一些奇怪的现象。——达芬奇

科学研究是从提出问题开始的。许多大科学家都有这样的论述:

在科学研究中,首先要能够发现好的、重大的问题,只有找对了方向,才能不断发现、解决一系列重要的问题。而要找到好的问题,不仅需要丰富的学识,更关系到一个人的观念和文化的品味。——丘成桐

提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题,新的可能性,从新的角度去看旧的问题,却需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。——艾·爱因斯坦、利·英费尔德

诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比的故事,在美国流传很广,下面是“拉比故事”的一个版本:

有人问诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比:“为什么你成了科学家,而不是像邻家其他移民后裔的孩子一样成了大夫、律师或者商人?”他的回答是:“我母亲无意中使我成了科学家。放学后,布鲁克林区的每个犹太母亲都会问孩子:‘嘿,今天学了点什么?’但是我母亲不会这样,她会说:‘伊西多,今天,你有没有提个好问题?’正是这种区别——提好的问题——使我成了科学家。”——唐纳德·威尔逊

拉比是怎样的一个科学家?他于1898年出生于奥地利,移居美国后加入美国国籍,1988年在纽约逝世,享年90岁。拉比1929年至1967年在哥伦比亚大学工作将近40年。1937年,他发明了用分子束磁共振的方法测定原子核磁矩。后来,人们把它称作“拉比方法”。为了感谢拉比为哥伦比亚大学带来巨大荣誉,1974年,哥伦比亚大学普平实验室树立一尊拉比半身塑像。“拉比方法”为后来发展起来的磁共振成像技术奠定了基础。

诺贝尔物理学奖获得者阿诺·A·彭齐亚斯也十分欣赏拉比故事。彭齐亚斯有这样一段话:

无论什么年龄的学生都应当培养一种自由的、不拘一格的好问精神。珍尼·特·拉比就是用这种精神来激励她的儿子的。今天,你提过什么有用的问题吗?——阿诺·A·彭齐亚斯

我认识的每一个儿童似乎生来就是有好奇心的,小孩子喜欢摆弄他们能够触到的每一件物品。从他们学会说话的那一时刻开始,就经常问各种问题。不幸的是,一旦他们开始上学,提问题的次数就减少了——除非他们得到了伊萨克·伊沙德·拉比曾经得到过的那种激励。我个人认为,有一个充分发展的、好探问的习惯,是很好地应用技术的开端。——阿诺·A·彭齐亚斯

阿诺·A·彭齐亚斯是怎样一个人?原来,彭齐亚斯是一位射电天文学家。1965年,他在美国贝尔实验室与科学家威尔逊在进行实验时发现,天线总是接收到一种本底噪声的干扰,以致听筒总有连续不断的“丝丝声”,干扰了通信的正常进行。奇怪的是,那噪声一年四季都有,日日夜夜都有,任何方向都有。噪声是怎么引起的?他们设想了许多可能的原因,并一一加以排除。他们甚至怀疑,是天线上有一堆鸟粪在作怪。但是,把这种“白色介质”除掉之后,噪声依然存在。彭齐亚斯和威尔逊找不到引起噪声的真正原因,就打电话给普林斯顿大学的迪克请教。

普林斯顿大学的迪克小组,多年来一直在寻找宇宙大爆炸遗留的余波——宇宙微波背景。得知彭齐亚斯和威尔逊发现的这种现象,迪克小组迅速证实,这就是他们苦苦寻觅许多年的宇宙微波背景!迪克还把伽莫夫预言的5K修正为3K。

1978年,彭齐亚斯和威尔逊因“发现宇宙微波背景辐射”,分享了诺贝尔物理学奖的一半(另外一半,颁发给苏联低温物理学家卡皮查)。人们打趣道,他们是“铲除了一堆鸟粪,发现了一把黄金。”当然,历史也不会忘记迪克小组的贡献。

3K宇宙背景辐射的发现,印证了伽莫夫的预言。这是热大爆炸宇宙学取得的一个重大胜利。科学家进而思考这样一个问题:在大爆炸过程中什么时候、为什么会发生物质结团的现象?为什么本来非常均匀的“宇宙汤”,竟然演变成今日这个物质分布极不均匀的宇宙?

1970年代,美国的约翰·马瑟在做博士后研究工作时,就提出利用卫星研究宇宙背景辐射的设想。他终盼到1989年11月18日,美国发射了宇宙背景探索者卫星COBE。1992年4月23日,当时就职于美国加州大学劳伦斯·伯克利分校的乔治·斯穆特宣布,利用宇宙背景探索者卫星发现宇宙背景辐射温度存在微小的起伏,温度起伏的相对值大约是十万分之零点五。这个数据与宇宙结构形成的理论大体一致。“宇宙结构形成”理论计算告诉人们,为了形成今天存在的星系和恒星,微波背景辐射的温度,必须有微小的起伏,起伏大约是十万分之一度。宇宙背景辐射温度存在微小的起伏,就意味着在宇宙早期,物质的分布并不均匀。物质密度高的区域,对周围物质的吸引力大,能够把周围物质吸引过来,使得这个区域的物质密度变得更高,最终形成恒星和星系。2006年,乔治·斯穆特和约翰·马瑟荣获诺贝尔物理学奖。COBE是宇宙学发展成精密科学的里程碑。

从磁共振成像技术,我们谈到爱提问的物理学家拉比;从宇宙背景辐射,我们谈到思想者的彭齐亚斯和威尔逊、斯穆特和马瑟;从C60的发现,我们谈到了爱智者克罗托、柯尔、斯莫利和巴基敏斯特·富勒。他们有什么共同之处?他们或者获得了诺贝尔科学奖,或者有极高的学术和社会声望,他们大都是著名的《自然》杂志的作者,他们用自己的成就证实了下面的哲言:

求学问,需学问;只学答,非学问。——李政道

“求学问,需学问;只学答,非学问。”这是李政道先生给中国科技馆的题词,是送给中国青少年的珍贵礼物,是从学习的角度谈教育的箴言,还是关于科技创新的至理名言。

问号是开启任何一门科学的钥匙。——巴甫洛夫

科学始终是不公道的。它不提出十个问题,也就永远不能解决一个问题。——(英)萧伯纳

唯一愚蠢的问题是你不问问题。——发明家保尔·麦克克里德

没有大胆的猜测,就作不出伟大的发现。——牛顿

不是我聪明,而是我和问题周旋得比较久。——爱因斯坦

像牛顿或爱因斯坦这一类的天才成为天才的原因是:他们问很明白、很天真的问题,结果是,这类问题的答案却是惊天动地的。爱因斯坦是能问极为简单的问题的人。——数学家、文学家Jacob Bronowski

我国古代的思想家提倡“审问博学、慎思明辨、笃行求知”,留下许多发人深省的名句。

子贡问曰:“孔文子何以谓之‘文’也?”子曰:“敏而好学,不耻下问。是以谓之‘文’也。”

子入太庙,每事问。或曰:“孰谓鄹人之子知礼乎?入太庙,每事问。”子闻之,曰:“是礼也。”

学校所教非慎思明辨之学,乃记问之学。记问之学不足为人师,《礼记》早已说过。——林语堂《论读书》(1930年代在复旦大学等的演讲)

博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。——《中庸》

不学不成,不问不知。——王充

中国古人也重视“思”。孔子说:“学而不思则罔,思而不学则殆。”王夫之说:“学非有碍于思,而学愈博则思愈远;思正有助于学,而思之困则学必勤。”(《四书训义》)