近年来,关心我国科学进步的人常会这么问:“我们离诺贝尔奖有多远?”我们也常常听到各种答案。我也有一个答案,即:“远虽是远,但说近却也很近。”那么,“诺贝尔奖离我们会有多近?”
这里我们说的诺贝尔奖,是以它为象征、泛指自然科学(不包括工程技术)上“诺贝尔奖级”的成就,为的是讨论当前我们的科学综合实力与发达国家比,相距多远,或多近。
诺贝尔奖授予自然科学的重大发现和科学方法的重大发明,属最高层次的创造性智慧。然而诺贝尔奖并非凤毛麟角。自然科学方面获奖者每十年不下六七十人。其中有一些旷世奇才,但大部分则是一般的优秀学者;有一部分工作依靠昂贵的精良设备,但也有不少工作选择或设计了适用而且相对低廉的设备来完成。因此,要问今天我们离诺贝尔奖的远近,就要看选择什么为参照。下面让我们就这个话题,先介绍几则诺贝尔奖工作的故事。
1967年,英国剑桥大学的一位研究生贝尔,用她导师休伊什设计的一种测量“行星际闪烁”的射电望远镜,意外地发现了后来被称之“脉冲星”的奇异天体。她当时的研究任务是通过测量这种闪烁来估计射电天体,特别是“类星体”的角径。在“行星际空间”(也就是太阳系空间)中,太阳不断地向四周撒出一团团带电气体,使得穿过它的天体无线电波发生闪烁。闪烁的程度标志着这些天体射电角径的大小,从而可以借以探讨它们的远近以及一些基本的物理性质。
为了测量行星际闪烁,休伊什设计了一台专用射电望远镜,工作波长3.7米,天线占地达两个半足球场。贝尔和她的同伴们自己动手,花了两年时间建成了这个庞然巨物。天线的花费仅一万多英镑,在一位技工的主持下,一次性投产成功。
贝尔用她自己参与制造的设备,对全天所有可能测得着的射电天体进行系统地测量。1967年圣诞节假期前的一个夜晚,意外地取得了如今载入史册的天文发现。
贝尔以她的敏感和细致辨认出当夜观察到的一种既不同于闪烁也不是干扰的陌生事物,于是她把记录的速度加快,使时间坐标放大。在排除了一切其他可能之后,剑桥的天文学家们最终确定了这是一种奇特的天体,并称之为“脉冲星”,公之于世。脉冲星很快便被认定为此前30年根据恒星演化理论预言的中子星。
1932年,距中子的发现不及两年,苏联物理学家朗道以及在美国的天体物理学家兹维基和巴德,先后根据恒星演化理论指出,质量在一定范围的恒星到了演化末期,星体发生爆炸、内部猛烈坍塌会使物质中的质子和电子紧密挤压在一起,形成“中子”。这种状态下的中子星密度高达每立方厘米一千万吨!这一论断当时被看作一个合理但是难以验证的奇想。因为预测的中子星直径如此之小,表面发光面积不及太阳的万亿分之一,实在是太不容易探测了!
当时射电天文学尚未真正进入天文学家的视野。但是即使在20世纪60年代大型射电望远镜已经在南北两半球显示威力之际,谁也没有想到当时已经探测到的“射电源”中有一些就是中子星,直到CP1919以它奇特的脉冲星的形式暴露了自己的身份,并被贝尔发现。
中子星理论的提出超前于脉冲星的发现30余年,脉冲星的发现为它提供了一个决定性的验证,并由此确立了恒星演化模型作为当代天文学一大理论支柱的地位。与此同时,它以石破天惊之势引发了对极端致密物体——中子星、黑洞的探讨,为当代天体物理学(和物理学)的研究开辟了一个富有挑战性的崭新领域。由于这一成就,休伊什被授予1974年度诺贝尔物理学奖,而天文学界把这看作他们师生两人共享的荣誉,因为其中贝尔做出了同等重要的贡献。
1965年,美国两位年轻天文学家彭齐亚斯和威尔逊利用贝尔实验室6.1米喇叭抛物面天线进行射电源辐射定标。定标是一项非常细致的基础性工作,要求从观测结果中把混在射电源辐射中的“噪声”全部扣除掉。这些噪声来自接收机放大器系统、波导及其他器件、喇叭天线构件、地面辐射和天空背景,其中以接收机噪声和地面辐射为最难处理。
喇叭抛物面是贝尔实验室的工程师们自己发明、独特配置的,它有着屏蔽地面辐射的特性。同时,它配备的工作波长为7.3厘米的量子放大器是当时噪声最低的微波接收机。他们通过各种实验定出了上述各项噪声的估值。然而,当他们进入实测、把天线对向天空时,却发现记录下来的噪声比这些噪声估值的总和多出了几度。地面的“噪声温度”约为300K,没有噪声时应为0K。但不管对着哪个方向,这个小小的多余值都一样存在,而且都一般大小。他们反复检查研究,唯一可能性是存在着一种来历不明的、均匀布满宇宙空间的微波辐射。
这个辐射的两位发现者没有想到,当时离开他们实验地点不及50千米的普林斯顿大学中,一个研究团队根据“原始火球”的宇宙学理论,计算出了宇宙空间中应当充满一种各向同性的、微弱的微波辐射,并正在建造一台绝对测量辐射计来验证其存在。这一验证对于大爆炸宇宙学的确立起了决定性的作用,从而使人类对于宇宙起源的认识跨入一个新的里程。在这之后不久,经过相当曲折的信息传递,这两部分天文学家碰到一起,确定了这项重大天文发现的性质。彭齐亚斯和威尔逊为此获得了1978年度诺贝尔物理学奖。
英国苏塞克斯大学的波谱学家克罗托在研究星际空间暗星云波谱中发现了富含碳的分子。为了研究这种分子形成的机制,克罗托考虑在实验室里模拟它们产生的环节。他于1984年赴美参加学术会议时,到莱斯大学参观,认识了该校化学系系主任科尔和研究原子簇化学的斯莫利教授,观看了斯莫利设计的激光超团簇发生器和他们的实验。克罗托意识到这台仪器所做的正是他所考虑的富碳分子实验所需的。于是三位科学家合作,并在1985年8月到9月间共同进行了实验。他们用高功率激光轰击石墨,使石墨中的碳原子气化,然后用氦气流把气态碳原子送入真空室,迅速冷却后形成碳原子簇。经用质谱仪检测、解析后发现,实验的结果产生了含不同碳原子数的原子簇,其中相当于60个碳原子、质量数落在720处的信号最强,其次是相当于70个碳原子、质量数为840处的信号。这说明,C 60 和C 70 是非常稳定的原子簇分子。
碳原子有4个价电子,在自然界中各种碳链和碳环构成了多种分子的基本骨架。在这个实验之前,已知由单质碳构成的物质仅有金刚石和石墨,两者原子间成键方式的不同导致了截然不同的形态。金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子,而C 60 和C 70 则是新的一类同素异形体,具有固定的原子数。这样的分子应该具有什么样的结构?在当时这是耐人寻思的。出于机缘,他们联想到了加拿大蒙特利尔万国博览会的美国馆的圆顶,这是一种利用正五边形和正六边形拼接成的球壳形结构,是由美国建筑学家富勒设计的。克罗托他们受此启发,以20个正六边形和12个正五边形拼接出了C 60 的结构。这是一个中空的32面体,正好和一个足球的结构一模一样。这种结构被命名为“富勒烯”,有时亦称“足球烯”。
由于其特殊的结构和性质,富勒烯在超导、磁性、光学、催化、材料、生物等方面具有优异的技术性能,位居20世纪最有影响的发现的前列。克罗托、斯莫利和科尔为此被授予1996年度诺贝尔化学奖。
这三个故事中的科学成就无疑都是巨大的,无愧于当代最高科学水平。但是这些成就中的每一个均属“巧遇”,而这几位科学家当时的研究课题、学术水平都和优秀科学刊物中日常发表的优秀文章没有太大差别;在这之前,他们无论是研究生还是教授,在学术界都尚未知名。可以说,在我们国家今天的科学团队中,这样层次的人才和研究工作并不罕见。由此看来,诺贝尔奖离我们未必太远!
但为什么这样的人才还没有脱颖而出?
当然,我们故事里的这些人物的成功并不是偶然的。首先,他们和许多科学家一样,是勤奋的;其次,他们把握住了时机,具备的高科学素养(或天赋)得到了发挥的机遇;最后,他们开拓的实际上是一个富有机遇的领域。总的来说,他们获得诺贝尔奖的条件是“完备”的,可以表达为:
[科学成就]=[努力]·[素养]·[机遇]
其中努力包括了勤奋,素养包括了天赋,机遇包括了抓到机遇的机遇。这种描述比通常说的“天才加汗水”多了一个因素──机遇。
实际上,这种描述普适于一切大的成就。科学历史上虽然常常出现耀眼的奇才,但他们多数在做出可观的成就之前也是不知名的。他们同样也是凭借自己的素养,并把握住了机遇才取得成功。其中许多人在成长时期得益于求师交友的机遇还常常被传为佳话。
总成就的高低取决于种种机遇:包括国民最基本的谋生和受教育的机遇——“宏观机遇”,不同的人走进科学之前被发现和受引导的机遇——“入门机遇”,以及所有人进入科学之后自由探索、激励“火花”的机遇──“学术机遇”。
“宏观机遇”考虑大环境。爱因斯坦和陈独秀是同龄人,在他们的青少年时期,灾难深重而正临民族觉醒的中国大环境,相对于当时的西欧,有更多的机会产生杰出的革命家,而出现杰出科学家的机会则要少得多。这并不是因为那一时代的中国少年中值得造就的“科学苗子”比人家少,而是因为缺少适于“科学苗子”生长的土壤。是大环境阻碍了成才。这种全国性的大环境,以我国当时的积贫积弱为起点,转变起来需要时间。现在改革开放30多年过去,比起以往,许多大城市和富裕小城市进入“小康”,接受良好科学教育的人数前所未有地增多。大环境似乎已经向着诺贝尔奖的机遇靠近了一大截!
相对于“宏观机遇”,“入门机遇”属个人小环境。
从牛顿说起。1665年牛顿23岁,当年他发现了万有引力。同一时期他还通过实验发现了光的分光性质,非常可能也是在这一时期他发明了微积分。爱因斯坦的狭义相对论发表于1905年,同年他还发表了光电效应和布朗运动理论。这时他26岁。
科学史上二十来岁进入成就高潮的事例并不罕见。达尔文是在22—27岁的5年里进行他的环球考察的。在20世纪量子力学形成期,玻尔提出原子模型时是28岁,海森伯在25岁时提出测不准原理,泡利25岁发现不相容原理,狄拉克28岁提出反物质理论,李政道(和杨振宁一道)发现宇称不守恒时是30岁,沃森(和克里克一道)提出DNA双螺旋结构时是25岁……在本文前面的故事里,贝尔当时是一个研究生。
现在设想,一名科学家在二十来岁时作出了世界性的杰出贡献,这之前他需要几年时间“进入角色”地奋斗。而在这之前,还应当有一个找寻方向、充实自己、接触机遇的时期。对于一个大有可为的社会,这也正是为这些可造之材创造机会、引导方向、“因材扶植”的时机。可以容易地推算出,这个时机应当开始于十六七岁,正是落在高中时期。
这就是说,明日的杰出科学人才非常可能产生在今日有志于科学的优秀高中学生中。高中时期专科分流和个性化教育的分量随着学生年龄的增长而加重,对于志趣已明、禀赋已显、常规课程已难满足要求的学生,非常有必要普遍地为他们创造入科学之门的机遇,以提高人才被发现和得到造就的概率。为了做到这一点,一个自然的想法是接纳这些学生进入到第一线的科学环境中,去接触科研、求师交友。
在自然科学领域,具有优秀科学素质的人才能不能发挥才智,与“学术机遇”密切相关。影响这种机遇的因素,除经费、装备、智库等硬条件外,科研体制、学术风气等软条件同样十分重要。近一二十年来,随着经济能力的增长,我国自然科学研究的硬条件有了很大的改善,这显著提高了我们的科学实力。然而国际上的发展速度同样很快,缩短与他们之间的差距仍然是一个重大的策略性课题。这暂且不讨论。这里着重就软条件的影响说几点看法。
软条件往往不是绝对的。一个优秀的科学家能不能发挥他的洞察力和创造性以取得成功,就如雷伯所说的:“需要合适的人在合适的地方和合适的时间做合适的事。”这里我们讨论的合适的人是与前面故事里所说的那些科学家同样优秀的人,主观上,他可以做到的合适的事,应当是与那些科学家做到的同等水平的事;而他所需要的合适的时间和合适的地方,是一种带给他“学术机遇”的工作环境和管理政策,其标志为:
[自由与宽容]
自由:自然科学家面对未知世界,要运用洞察力以判明探索的方向,运用创造性以追求探索的目标。“运用之妙,存乎一心”,所以必须有一个自由发挥的空间。
宽容:探索含试错的性质,必须有一个宽容的环境。
自由和宽容都是相对的。对于任何人或任何事都有一个适度的相对于约束的自由和相对于问责的宽容。适度就是对于新手(为了后面的讨论,姑且称为“学生级”的人才)会多关照一些,传帮带,多约束一些;对于学术水平高的(“同事级”的人才),就会比较放手,按计划,看结果;对于杰出科学家(“老师级”人才),自由度就更大。
于是,问题现在就转成为对于不同学术等级的人才应掌握的自由和宽容的分寸。回答当然是“仁者见仁、智者见智”,需要更多的讨论。我结合本文的主题“诺贝尔科学奖离我们有多近?”罗列几条历年来对这种分寸掌握的感受,以就教于科学管理专家们。
本文故事里的科学家以及许多和他们类似的杰出人物(其中三分之二在30岁以前做出了重大成就),当时都尚未知名,工作上也都不依靠昂贵的装备或特殊的学术团体。按照他们的工作能力和事迹,如果把故事换成在今日中国的科学圈子里,应当说大多数的人和事都是有可能“重现”的。但是在现实中我们还没有出现30岁以下的人做出诺贝尔奖级的成果。落后的原因何在?
这里涉及的是尚未知名的、可能杰出的人物,属前面所说的“同事级”人才。在我国,目前这一级中比较年轻的在30—40岁。对于他们,目前国家自然科学基金等给予的支持是得力的。从人员素质、课题水平,到支持强度、项目数量等,较一些发达国家并不逊色。因此在重大科学成就上的落后,可能大部分要归咎于“学术机遇”上的差距。下面我将逐条列举一些这些年里感受比较多的事例,以助进一步的探讨。
①我们“同事级”人才的年龄平均比人家大了十岁,错过了杰出科研人才的“成就高潮”年龄段。这个问题是暂时的还是根本的?无论如何,希望前面所提的高中学生科研实践活动这一类的措施能够适当地跟上。
前面故事中的人物从事的研究探索都很单纯,相当于我们单纯执行国家基金协议。但是在我国,时时会有一些非学术的因素介入研究。历时数年的“全民皆商”曾给科研队伍带来不少失落感;SCI高潮的时候,本来是宏观统计的参考变成了人人“文章挂帅”的驱动力;有一些科学家曾丢失了对科学的忠诚和信念,有人甚至把一篇文章掰成几瓣来发表!
②“学生级”人才方面。前面在讨论“入门机遇”时强调了把注意力放到高中年龄段的重要性,但目前最大的问题仍然是“应试教育”和“应赛教育”的影响。像科研实践活动那样的试验,尽管可能发现一些“科学苗子”,但他们一旦备战高考,就一律变成了一个个无个性的角逐分数的考生了。进了大学好像一切又从新开始。诺贝尔奖的问题一半涉及基础,另一半则涉及精英。人们也许会问:“今天的华罗庚”被推荐给“今天的熊庆来”之后会怎么办?会问:我们什么时候能够有一代二十几岁的人登上科研舞台,开展他们追求诺贝尔奖级成果的探索?近年来,媒体经常报导各种各样的大学排行榜,我希望有人什么时候能够虚拟一个“今日的西南联大”,看看能否榜上有名。
③关于“老师级”人才。我国古代论人才的名言很多,其中之一是“你把他当老师看待,引来的就会是杰出的人才”。如果一个杰出人才在尚未成名时被你发现了,你最好能像刘备对诸葛亮那样把他当“老师级”人才请来工作,他就会安下心,一辈子与你一起搞国家的科学建设。
这里的一个问题是:怎么确定他是“诸葛亮”?当然必须有推荐、有审查、有考察。应当尽最大力量组织一个负责物色和审查“老师级”候选人才的团队,由顶级德高望重的科学家参加。一旦定下了就给予高度信任,最大程度地为他创造自由和宽容的学术环境。
万一没有看准怎么办?设想延请了十个“老师级”人才,其中有二三个是“诸葛亮”,这效果就已经非常好了。因为关键是“人才难得”(可以想一想燕昭王“千金市骏骨”的故事)。而且经过了那样高学术层次的审查,其余的七八人也绝不会是庸才。
(摘编自《塔里窥天——王绶琯院士自选诗文集》,《中国国家天文》2012年10月特刊。王绶琯,中国科学院院士,天文学家。)
听科学家做研究报告,有点像到剧院里看戏。假如你真要了解演员,不能光看前台,最好到后台,甚至到排练场去看看;同样,想要了解科学家的工作,要知道他们的成功之路,就要到实验室看他们失败的记录。尤其是涉及源头创新的重大科学问题,最初的各种想法多数都是错的,只有其中一个后来得到证实,才是对的。所以深入了解科学家,就要从他们的错误讲起。
你读过凡尔纳的《地心游记》吗?或者你看过前些年的3D电影《地心历险记》吗?在凡尔纳笔下,地心是空的,从火山爬进去,里面有海洋、有野兽,地心就像一个大山洞。可你别以为这就是法国科幻作家的空想,“地球空心说”的来头不小,真的是科学家提出来的,还不是一般的科学家,是位大科学家:他就是“哈雷彗星”那个哈雷,英国著名的天文学家,不但准确预测了彗星周期,而且对月球运动加速等做出了大量发现。哈雷主张“空心地球”,而其根据来自牛顿。1692年哈雷发表论文,提出地球是空心的,因为5年前牛顿发表的《自然哲学的数学原理》中,根据潮汐计算推出月球和地球的质量比是1∶27,经过体积折算,两者的密度比应该是9∶5,地球的密度几乎只有月球的一半,当然只能是空心的了。现在知道这些计算都不对,月球的质量只有地球的1/80,密度也只相当于地球的0.6。但是哈雷的说法在当时很有说服力。18世纪瑞士的大数学家欧拉也是位主张空心说的热心人,他认为从数学上讲,地球也只能是空心的。
“空心地球”里面是什么?那讨论就热闹了。意见并不一致:哈雷认为“空心地球”分成好几层,各层之间有大气圈隔开;欧拉认为不分层,地球的中心有个太阳。这就是说,不但地球表层有我们居住,地球里面也可以生活!
在20世纪之前,还没有人到过极地,因此1818年美国船长西姆斯认为南北两极都是个大窟窿,那里就是进入空心地球的通道,他提议筹款,要组织探险队去寻找这北极的空洞。恰好1846年在西伯利亚冰下发现一头完好无损的猛犸象,这立刻成了“空心地球”的证据:你看,它不就是刚从北极空洞里跑出来,活活冻死的吗?
今天看来十分可笑,地球内部的物质密度随着深度增大,“地球空心说”只能是种美丽的错误,可是直到20世纪初这些说法还在发酵。既然空心地球里有山有水有生物世界,两极又有大窟窿开口,那就不知道有多少似是而非的故事可以编制。比如说两极上空的极光,那就是从空心地球发射出来的光;再比如说地球的形状南北偏扁,就是因为两极都是窟窿;至于极地探索之所以不成功,也是因为南北极都是空洞,所以“探极”永远不可能实现。虽然后来探险家很快就到达了两极,使这类说法不攻自破,可是汇集这种种说法的《极地幻影》一书于1906年出版后经久不衰,成了“地球空心说”的经典著作。
与此同时,“地球空心说”也还有版本翻新。最为惊人的是一位美国教主提出的“翻转型”:他认为地球像一个空腔,当中有个太阳,人类并不是在地球的表面,而是生活在空心地球的内面。伪科学并不需证据,各种稀奇古怪的说法都会有人提出。比如有人想象地球内部有先进的人类社会,我们看到的飞碟就是从地球里面飞出来的,用不着追溯到外星球去。更有甚者,1947年有人相信希特勒并没有死,而是通过阿根廷从南极躲进了地球内部。凡是科学上稀奇古怪的想法,最容易从人类知识缺乏的弱点处产生,地球内部就是一例。
埃及金字塔永远是世界上最吸引游客的奇迹,神奇的是4000多年前的建筑技术。最大的胡夫金字塔,相当于40层的高楼,用230万块、每块2.5吨的巨石堆成,居然牢固地屹立了四五千年。你一定要问,那是些什么样的石头啊?
那都是石灰岩。如果你注意金字塔下地面的碎屑,就会找到一些石头风化剥蚀掉下来的小圆片,像硬币大小,那些石灰岩就是它们组成的。但那是什么?现在知道了,那是一种化石,叫作货币虫,拉丁文学名 Nummulites 。Nummus是货币,lithos是石头,名词本身并没有“化石”或者“虫”的意思。据说这是公元前5世纪古希腊的希罗多德来非洲看到这些小圆片时取的名字,这是位历史学家,不关心化石。确实,这些小圆片大小很像硬币,但是模样更像小扁豆(一种地中海地区至今常用的食品)。后来到了公元前25年,古罗马的历史学家斯特拉波来到金字塔,看到地上这些小圆片,认为就是石化了的小扁豆,说这就是当年建造金字塔的工人吃剩掉在地上的食物。
19世纪古生物学的发展,查明了货币虫的化石身份,因为这小圆片外面光滑,里面可有复杂的生物结构。它既不是钱币也不是扁豆,而是属于一类单细胞动物,叫有孔虫。有孔虫是海洋里一种最重要的单细胞动物,有的浮游在海洋上层,有的生活在海底,货币虫就是生活在海底的种类,而且是有孔虫里最大的一类,直径最大可以到十几厘米,像个烧饼。货币虫的生态有点像珊瑚,生活在热带浅海,身体里还有藻类共生,所以很容易分泌碳酸钙形成骨骼。
货币虫现在已经灭绝,但是它们的亲戚仍生活在现在的热带海区,往往和珊瑚礁一起,被称为“大有孔虫”。如果去日本冲绳旅游,最便宜的纪念品是装在小瓶里的“星砂”,也是一种大有孔虫。四五千万年前,地球上气候炎热,正是货币虫的黄金时代,它们在古地中海一带格外繁盛,所以在北非堆积了大量的石灰岩。建造金字塔就地取材,就选用了货币虫灰岩。当时的大洋里货币虫“走红”,不光在古地中海,2017年南海大洋钻探,在海面下面3000米的地层里也找到过货币虫,可见当时货币虫的分布范围扩展到了太平洋。
金字塔的石材从扁豆变成有孔虫,这就是科学。历史学家只看外形,像是扁豆;科学家还要看内部,发现切面里有那么多的房室,是大有孔虫。
科学家的两类错误:一类是研究过程里的失误,包括被否定的假说,或者不成功的实验;另一类是学术造假,蓄意欺骗。前一类可以说是科学研究过程中难以避免的失败,对科学家个人来说应当尽量避免,但是不应当被责备。特别是人类极少了解的研究对象,无论地球内部,还是天体起源之类,起初只能猜想,而且知识越少,假说越多。关键在于对待错误的态度。赫胥黎对深海黏液的处理就是个绝佳的例子,正因为第一时间主动承认错误,他赢得了更高的声誉。“君子之过也,如日月之食焉。过也,人皆见之;更也,人皆仰之。”子贡的古训,用在这里十分贴切。然而后面一类却完全不同,那就是欺世盗名的罪恶行为。当然里面也有差别,就像偷盗,既有屡犯的惯偷,也有偶尔失足的,应当区别对待。“卿本佳人,奈何做贼”,对于那种一念之差而犯了错误的,还是应该治病救人。格外可恨的是那种以科学作敲门砖,拿论文当化妆品的无耻之徒,学术界混不下去换个行当再混,科学界本来就不该让这类人入门。
值得深思的问题是促成科学作假的客观因素,是不是教育和政策上的失误,也在催生这些学术的败类。国外的教训让我们引以为戒,其实我们国内学术腐败也到了惊心动魄的程度,而更加需要注意的是整个学术界风气的败坏。随着科技投入的高速增长和科技队伍的急剧扩大,金钱的作用在学术界不适当地高涨,各类专家评审系统中非科学因素暴增,带来了科技界的“环境污染”。如果说社会上的环境治理的关键在于防堵污染源,科学界的“污染源”很大程度上正是我们科学界同仁自身。
对于科学界的精神建设,多年来我们没有少加注意,各种道德委员会、自律条例应有尽有。尽管对论文抄袭、成果作假的现象不能容忍,但学术风气的败坏却被认为是“人之常情”,大家视而不见,说起来也只是摇头叹气而已。毕竟道德建设是科学界内部的事情,如果在学术界有影响力的科学家们,能够站出来发声,而不是选择默认,更不是随波逐流,黄金时期的中国科学界,也有望建成精神环境的模范村。
科学不是靠加法发展起来的,科学发展主要靠“范式转移”,或者我们现在说的“源头创新”。知识的日积月累固然有用,但是量变代替不了质变,一部科学史就是一次次学术突破的积累。这种突破需要否定前人的认识——通常还是主流观点,于是就不可避免地引发争论。新学说开头一定处于弱势,需要通过学术斗争,使“多数服从少数”才能赢。如果只是单纯的学术争论那还好,一旦“多数”的后面还有背景,那么非科学因素的作用,就可能超越科学争论的力量,阻挡科学的前进。回顾现代科学最初的诞生,发生的就是科学家和教会的抗争。
关于地球年龄的争论要晚得多,发生在19世纪进化论出现之后。按照宗教的神创论,地球的年龄只能是上帝创造世界的日子,可是《圣经·创世记》并没有给出具体年份。17世纪50年代,爱尔兰大主教乌雪经过“考证”,撰文提出上帝创世是在公元前4004年10月23日星期天;亚当、夏娃被赶出伊甸园的时间,是公元前4004年11月1日星期二。其实,乌雪并不是做这类“考证”的第一人,希伯来文专家、剑桥大学校长莱特富特早在1644年就发表过上帝创世的日期,而且更加精准:“算”出是在早晨9点钟。当然,说地球只有6000年历史,和发展中的地质科学必然发生矛盾,比如18世纪法国科学家布丰就提出,地球年龄至少要有75000年才行。但是这类异议出入还不算太大,乌雪大主教说的年龄作为《圣经》的解读,直到19世纪以前并未动摇。
真正的争论是在19世纪:如果相信进化论,无论地球还是生物的演化都不可能是几千年的事,那又该有多久呢?受“进化论”“均变论”思想影响的地球科学界认为,地球总得有十亿年上下的历史。达尔文在《物种起源》里估计说,英国南部的地质过程要有三亿年左右才能完成。但是这种估计和物理学发生矛盾:根据康德-拉普拉斯的星云说,太阳系起源于高温、旋转的气体星云,地球是其冷却的产物。既然地球在形成之后只会越来越冷,最初的热量几千万年就该耗损完毕,因此地球的历史维持不了那么久。于是引发了一场地质学与物理学之间的争论。
引领物理学一方、从物理原理出发出来反对的不是别人,而是物理学泰斗开尔文勋爵(即威廉·汤姆孙)。此人的经历不同寻常:22岁当教授,42岁封爵士,66岁当英国皇家学会会长,我们用的绝对温度单位开尔文(K)就是纪念他的。根据冷却速率的计算,开尔文1862年提出地球年龄是9800万年,1897年又修改为2400万年。当时的物理学无法理解,会有“燃料”几千万年都烧不完的星球。现在知道地球的年龄有40多亿年,这么说,是不是物理学输给了地质学?不能那么说,因为当时还没有产生核物理学。
转折发生在世纪之交。1896年,即发现X射线之后的第二年,发现了铀的放射性,接着居里夫妇在1898年发现了新的放射性元素钋和镭,从而开拓了一门新的学科——放射化学。因为放射性元素的原子核衰变速率不同,有的要经过几十亿年方才衰变掉一半,因此放射性同位素就为测定遥远的地质年龄提供了依据。1904年英国的卢瑟福从铀矿物测得了5亿年的放射性年龄,从而证明地球历史十分久远,同时还说明元素衰变能够使地球内部加温,彻底否定了地球产生后会逐渐冷却的传统观念。17世纪的神学、19世纪的物理学和20世纪的地球化学,构成了地球年龄之争的三部曲。那么地球的年龄究竟是多少?这要看“地球形成”的定义怎么下。
地球上最老的岩石测得年龄是40亿年,但是矿物里的锆石年龄有43.7亿年,而最老的月岩有44亿年。总之,根据放射性元素的推断,地球的年龄应当有45亿—46亿年。
古话说“六十年风水轮流转”,如果这句话指的是气候,可能还真的有点道理。20世纪从60年代到80年代是个冷期,全世界气候偏冷,北冰洋的冰盖面积也最大,从1960年到现在的极端寒冷事件,80%都发生在这段时间里。今天的茶余饭后,人们谈论的是全球变暖;那时候可不同,谈论的都是全球变冷。除了天气冷之外,还有两个原因:一是“冷战”时期担心核战争会引来“核冬天”;二是地球每十万年发生一次冰期,按照计算,一次新的冰期即将降临。
先说“核冬天”。上了年岁的读者都还记得,在1991年苏联解体前,美苏之间可能发生的核战争是人类面临的最大威胁。核爆炸不仅会在当地造成大量的伤亡和破坏,爆炸产生的大量烟尘进入大气层,还会在全球造成异常寒冷的天气,这就是“核冬天”。当核武器在空中爆炸后,火球一触及地面,就会将地面上的岩石、土块汽化,它们将随着蘑菇云被带上天空,同时抽吸周围的空气,进一步将尘埃卷入烟云之中。腾升高空的浓重烟雾数月不散,将遮住阳光,使得白天暗若黄昏。这和火山爆发产生的效果相似,数以万吨计的火山灰升入高空,悬浮于空气之中经久不散,曾经使许多地方出现异常的“冬天”。
1983年,5位美国专家在《科学》杂志上发表研究报告,正式提出了“核冬天效应”的理论。他们用数学模型论证:假定美苏两国使用核武库40%的核武器(50亿吨当量)在北半球进行核战争,可以将9.6亿吨微尘和2.25亿吨黑烟掀入空中,黑色微粒还将被推向30千米高空,破坏臭氧层,使整个地球变成暗无天日的灰色世界,丧失宜居性。近年来的研究又进一步表明:即使是小型核战争也可能带来类似的全球性灾难。例如在南亚次大陆的城市工业区投放100枚核弹(不到全球总数的1%),就会产生足够的烟尘,导致全球农业瘫痪。当时的另一种担心是新冰期即将降临。回顾20世纪的气候变化,在20世纪70年代之前,已经经历了30年的缓慢降温。而20世纪70年代古气候学的重大进展,就是取得了冰期旋回的确证,科学家们认识到受地球运行轨道变化的推动,气候变化有着10万年的冰期旋回。冰期之后有一段变暖的时期,称为间冰期。间冰期一般延续一万年,而这次的间冰期已经过了一万年。因此按照冰期旋回学说,新的冰期可能正在降临。当时大家本来面对的就是“核冬天”的威胁,冰期降临的信息更是雪上加霜。1972年,在美国布朗大学举办了国际学术讨论会,题目就是“当前的间冰期:如何以及何时结束?”会后两位主席给尼克松总统写信,说“目前变冷的趋势如果继续下去,冰期时的温度有可能会在百年内降临”,建议总统赶紧设法应对。各大媒体和学报也纷纷响应,“如何应对冰期来临”在20世纪中晚期警钟长鸣。
和现在相比,当时关于气候变化的知识十分有限,但已经提出了人类活动影响气候的认识:矿物燃料放出CO 2 会使气候变暖,放出黑炭等气溶胶颗粒会使气候变冷。也有人推测:气溶胶屏蔽辐射量,可能就是当时全球变冷的原因。然而和现在最大的不同,在于对温室气体的态度:直到20世纪80年代,人们尚不认为温室效应会对人类社会构成威胁,相反,以为这是保护温暖环境、提高农业产量的好事情。著名的美国化学家布朗在1954年出版的《人类未来的挑战》专著中写道:“如果大气CO 2 增加到3倍,全球食品生产就会翻番。”因此他主张“以全球规模大量生产CO 2 ,并泵入大气”。为此“至少要烧掉5000亿吨煤,超过人类历史上烧掉的6倍。煤不够了,可以烧石灰来增加CO 2 ”。1956年,苏联学者建议在白令海峡建坝,将太平洋水泵入北冰洋,去融化北冰洋的海冰。
60年过去了,这些旧话听起来简直难以置信。现在学术界和媒体说的全都是“全球变暖”,决没有人还会唠叨“下次冰期来临”的威胁。与此相反,2002年《科学》杂志发表权威文章,说是天文计算的结果,本次间冰期比过去哪一次都长,不是一万年而是长达五万年,所以下次冰期该是四万年以后的事。学术界的这种基调变化,也会引起一些旁观者的不满。2001年,英美两国地质学会在爱丁堡联合举办“地球系统过程”国际大会,请英国皇家名誉教授布尔顿致开幕词。这位老先生说话很不客气:“你们30年前喊‘冰期降临’,如今又说‘全球变暖’,这让人们如何建立对科学家的信任?”
其实,气候为何变暖、新冰期何时来临,这类问题至今仍然争论不休。一种关于新冰期的振聋发聩之说,来自美国教授拉迪曼。依他的主张,地球气候自然周期的新冰期,在几千年前早已降临,只是因为人类活动排放温室气体,才使得间冰期能够延续至今。核心问题在于人类活动对地球表层产生影响从何时开始。他认为人类开始破坏森林、排放温室气体,不是现在而是在几千年前,在史前就已经开始。农耕开始的时候人少,但产生的影响不小,不能用今天的人均耕地面积去衡量几千年前土地利用的环境效应,否则结果当然就会低估早期人类活动的影响。
拉迪曼假说的根据来自极地的冰芯。冰芯里的气泡保留着结冰时候的古大气,可以说是大气的“化石”。从大气成分的变化看,进入新石器时代之后,随着农作物的种植和家畜的饲养,焚林和农作释放温室气体,造成大气CO 2 和CH 4 的浓度上升,两者分别在7000年前和5000年前就已经偏离了自然变化的趋势而开始上升。拉迪曼认为,按照地球轨道驱动的气候周期,5000年前,甚至8000年前,地球就应该进入冰期了,之所以现在还停留在间冰期,正是人为排放温室气体的结果。人类活动早已影响大气,而且随着社会发展而逐渐增强,绝不是从工业化时期方才开始,只是到现在才引起我们注意。人类活动影响的不仅是大气。我们现在呼吁“保护生物多样性”,其实史前人类早就造成了生物灭绝事件,这在热带岛屿最为明显。太平洋岛屿上考古遗迹的骨骼表明,当地演化产生的许多鸟类在人类上岛以后即行灭绝,尤其是热带树林里不能飞的鸟类。澳大利亚的巨鸟——一种重量超过100千克的走禽,在5万年前已经灭绝,看来就是史前人类到达澳大利亚后带来的恶果。
回顾60年来学术界主流观点的反复变化,令人唏嘘不已。科学家也是人,也有七情六欲,在科学判断中,也会出现赶时髦、随大溜的现象。可贵的是科学家的远见卓识,可以超越“主流”,提出事后才会得到证明的不同认识。这在我们眼前就不乏先例,60年前在一片“全球变冷”声中,就有过不同的声音。当时在格陵兰冰盖钻探的冰芯里,发现有几十年的天然气候周期。于是美国的布鲁克教授就一反当时的主流声音,1975年在《科学》上发文问道:“我们是不是在明显变暖的边缘?”他推测,20世纪40年代以来的变冷行将结束,不久就会出现几十年的增暖。果不其然,就在1975年之后出现了快速增温,20世纪80年代成为至当时为止测量记录中温度最高的10年。科学研究之所以有价值,就在于能够预见;而科学争论之所以有意义,就在于有人不跟风、不盲从。
宗教和科学一项最大的区别,在于对争论的态度。宗教的教义不容置疑,宗教的信条不容争论,而科学的历史就是在不断的争论中前进。世界上的几大宗教,基本教义两千年保持不变;而现代科学产生才几百年就脱缰腾飞,改变了整个人类社会,也改变了自身,其发展的机制就是不断的科技革命。科学鼓励怀疑、欢迎挑战,于是科学的历史就成了争论的历史。
一些十分有趣的争论,往往发生在意外的发现之后。无论是在深远地质时期的赤道海洋发现了冰碛石,还是在地中海海底下几千米的深处钻到了岩盐,这类发现挑战着我们的常识,也往往是科学突破的前兆,但是谜底的揭晓有时候可以跨越世纪。在谜底揭晓之前探索的长夜,对于科学家来说就是考验期,看你有没有足够的睿智和勇气,站到真理的一边。
但由于科学是文化的一部分,又因为科学有重大的社会和经济价值,科学争论常常会越出学术范畴,成为宗教或者政治斗争的一部分。前者如“地心说”与“日心说”之争,后者如当前对“全球变暖”和“碳外交”上的争论,都有意识形态或者利害关系的考虑,都可能使科学争论偏离学术轨道,甚至造成人身威胁。在这种超学术性的争论中,科学家采取的态度极其重要。
每逢重大的争论,科学家都会有“站队”的问题,从中也会折射出科学家的人格和水平,为坚持“日心说”献身的布鲁诺就是一例。如果说中世纪的教会离我们太远,那么苏联李森科的教训就在昨天。科学界里,有的人坚持真理,有的人明哲保身,有的人见风使舵,也有人助纣为虐。现代科学引进中国,早期靠教士后期靠留学生,都和意识形态脱不了干系,科学的争论也动辄卷入政治斗争。认真总结、反思,吸取百年来科学家们用血汗换来的经验教训,是当代人无可推诿的责任。
(摘编自《科坛趣话——科学、科学家与科学家精神》,上海科技教育出版社2022年10月出版。汪品先,中国科学院院士,海洋与地球科学专家,同济大学海洋与地球科学学院教授。)