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世界科技全景百卷书: 前赴后继
布鲁诺被烧死的消息传出以后，在当时的文明世界——大学里激起振荡。大学生中间议论纷纷，有的拍手称快，有的忿忿不平，引起争吵，打开群架，甚至拔剑格斗。也有曲涌到当时在英国威尼斯帕多瓦大学执教的伽利略教授屋里倾吐衷肠。伽利略这个“日心说”的信奉者，对布鲁诺的殉难感到万分愤慨。 火刑固然可以烧毁勇士的身躯，但却不能禁灭科学的真理。伽利略决心踏着哥白尼的足迹，在轰击禁区的坎坷征途上继续前进。 1610年初，意大利威尼斯的居民处于骚动之中，他们聚集在“圣马可”广场上，眼望着大教堂钟楼上的一根奇怪的管子。人们交头接耳地议论说，通过这根管子可以看见往日所看不见的景物。这根管子就是伽利略创制的第一架天文望远镜。 通过望远镜，伽利略观察到月亮的表面上有起伏不平的“山脉”和“海洋”，这就驳斥了天上星球完美无缺的神话；观察到木星有四颗卫星，如同月亮围绕地球转一样，这就驳斥了只有地球是一切天体的中心的谎言；观察到金星呈现时盈时缺的现象，这就证明了较小的天体绕着较大的天体公转是自然规律……。所有这些发现，都对地心说是一个沉重的打击，而为哥白尼学说提供了确凿证据。 然而，证据愈是确凿，教会的忿恨就愈是炽烈，他们觉得伽利略的发现太可怕了，伽利略是在煽动顺民们背弃对《圣经》的信仰。因此，基督教会终于伸出铁爪，准备封住伽利略的嘴。 宗教裁判所的法庭发出警告，伽利略必须放弃哥白尼学说，不得为他辩护，否则将受到监禁处分。 教会的告诫并没有能阻止伽利略的科学活动，1632年，伽利略在佛罗伦萨出版了题为《关于托勒密和哥白尼两种世界体系的对话》，以更为巧妙的方式宣传哥白尼的学说，这件事使罗马教庭大为震怒。1633年2月，教皇命令把年近古稀的伽利略送到罗马。宗教裁判所对枷利略进行了多次的审讯，强迫他放弃“邪说”。这时，许多朋友都要求伽利略退让一下，他的女儿舍勒斯特也写了许多痛哭流涕的信来哀求他。然而，伽利略不但没有低头，反而坚定地说：“悔改？！要我悔恨什么？难道叫我把真理隐藏起来……！” 1633年6月21日清晨，伽利略被带进了宗教裁判所的拷问室，直到三天之后他才被放了出来。宗教裁判所判他终身监禁，伽利略被迫在叛决书上签了字。可是，在他站起来之后，依然喊到：“但是，地球依然在转着！” 伽利略被监禁后，教会并没有停止对他的迫害，他们强迫他每周作一次忏悔仪式，派特务监视他的行动，不准他接见家属和朋友，使这位风烛残年的老人失去所有的自由。伽利略在教会的长期折磨下，终于双目失明。1642年1月8日，伟大的伽利略离开了人间。 法国著名作家巴尔扎克说过：“创造发明吧，那么你就必然受到迫害，像罪犯一样丧生；依样画葫芦吧，那么你就像个傻瓜一样过着幸福的生活。”这句话反映顾了部分史实。 不过，历史证明，科学真理终究是不可抗拒的。伽利略300多年的沉冤，在1980年终于得到平反昭雪，这的确是一件寓意深刻的事情。 1979年11月10日，意大利罗马教皇，在一次公开集会上，正式承认枷利略在17世纪30年代受到教会的审判是不公正的。1980年10月，教皇又在梵蒂冈举行的世界主教会议上，提出重新审理这一冤案。 教皇宣布之后，一些世界著名的科学家组成了一个委员40会。委员会由意大利国家核物理研究院院长吉基齐教授任主席。六名成员全部由诺贝尔奖金获得者组成。他们是：美籍华人杨振宁、丁肇中，日本学者江崎，巴基斯坦的萨拉姆，澳大利亚的艾克来，以色列的魏格纳。委员会的任务是：“研究科学同宗教信仰的关系，伽利略案件的科学方面及伽利略学说对现代科学思想的贡献”。 烤不毁的真理 17世纪的西欧医学界，盖伦学说占据着绝对统治的地位。盖伦认为，人的血液是从肝脏中得到一种“自然”的精神，从左心房得到一种“活”的精神，从脑筋里得到一种“动物”的精神。动脉和静脉之间没有任何联系。人的整个机体是由“灵魂鼓动起来的”，而肉体只不过是“灵魂的工具”而已。盖伦的这种说法正合教会的口味，因而盖伦被基督教会奉为“医学之父”，他的学说被视为不容置疑的“绝对真理”。 塞尔维特并没有被禁区所束缚，他经过十年的医学实践和对解剖学的深入钻研，发表了他的名著——《基督徒的复兴》，大胆地对盖伦的学说提出了疑义，并在人类医学史上，第一次发现了心脏与肺部之间的血液小循环。塞尔维特指出：由右心室出来的血液通过肺动脉而进入肺部，再经过肺静脉流入左心房。血液在肺部放出“焦味、煤烟和尘埃”，重新恢复鲜红的颜色，被洗清的血液又回到心脏，再沿着动脉和毛细血管散布到全身。 塞尔维特明确地提出“灵魂本身就是血液”的观点，这就意味着灵魂并不是永存的，它将随肉体的死亡而消失。这一观点不仅推翻了盖伦的愚昧的旧医学观点，而且把斗争的锋芒直指神圣不可侵犯的基督教会，因此，残酷的迫害降临在塞尔维特的身上。 1553年1月，塞尔维特化名发表的《基督教的复兴》一书传到了日内瓦，很快就落到了曾和塞尔维特保持多年通讯联系的论敌、新教派的首领加尔文手中。狡猾的加尔文在这部著作的末尾，看见MSV的字样，立即猜到这是米盖尔·塞尔维特·维里涅夫的缩写字母，于是塞尔维特就被加尔文告发，送进了宗教裁判所的监狱。 教会以死刑来威胁，强迫塞尔维特放弃他的“异端邪说”，然而，塞尔维特坚定地回答说：“我相信自己的言行都是公正的，我不怕死，你们只会用诽谤来反驳我的学说，但是举不出有份量的论证。……我知道我将为自己的学说为真理而死，但这并不会减少我的勇气。” 1553年10月23日，在塞尔维特拒绝放弃自己观点以后，被教会送上了火刑场，在烧死前还把他活活地烤了两个钟头。在这同时，还烧毁了塞尔维特的全部著作。伟大的实验 鸡胚胎的研究 亚里斯多德于公元前384年生在斯塔吉拉 （希腊在小亚细亚的一个殖民地）。他的父亲是个医生，是当地同业公会的会员。亚里斯多德很小就成了孤儿，是一个亲戚把他抚养成人的。看来，亚里斯多德可能在幼年时期就从他父亲那里获得了医学和生物学的某些知识。 亚里斯多德18岁进入雅典的柏拉图学院。在那里他一直学习到公元前347年柏拉图逝世为止。看来他在很年轻的时候就解剖过一些什么动物。他在这个时期的生活轶事说明，他具有时髦的风度、聪明的才智和严厉的性格，并因此而引起过旁人的嫉妒和不满。柏拉图死后，他就离开雅典，去到阿塔纽斯，一个小王国。这里的统治者赫尔米亚斯召集了一批柏拉图学派的学者。亚里斯多德到这里不久，就和赫尔米亚斯的养女佩西娅丝结婚了。结婚后生了一女孩，取名叫她妈妈的名字。亚里斯多德的妻子不久去逝，以后他就和一个名叫赫佩丽丝的女人建立了家庭。虽然他们没有正式结婚，但他们终身住在一起，并有一个儿子名叫尼可马可斯；亚里斯多德曾为他的儿子写过一篇修身明理的文章 《尼可马可斯行为准则》，一直流传至今。 亚里斯多德在阿塔纽斯呆了三年，然后就搬到了列斯波斯岛上的米提林居住。就在那里，他进行了大量的生物学研究工作。大约在公元前343、342年，亚里斯多德应聘当过马其顿国王菲利蒲的儿子亚历山大的私人教师。八年后，他回到了雅典，并建立了自己的学校和图书馆。学校像科学院，而图书馆则起着相当于现代大学的作用，只不过没有现代这么正规的组织罢了。 公元前322年，亚里斯多德由于感情上和马期顿人不合，退隐到查尔西斯。他曾经说过，他不想给雅典人以机会，像毁掉苏格拉底那样，再毁掉一个哲学家。不久，他就在查尔西斯与世长辞了。 亚里斯多德和达尔文一样，是最伟大的生物学家之一。是他最早对生物进行了系统观察，并写下了关于各种生物的详细著作，如我们所知的 《动物发展史》。在这里介绍的第一个实验，就是他做的。这个实验奠定了后来一切胚胎研究的基础。这个实验好就好在它对问题研究的系统性，以及根据研究结果提出问题的敏锐性。 动植物生长的天性问题，在亚里士多德以前的希腊思想家就曾进行过深入的考虑。一个新的动物或植物是怎样产生出来的呢？看来它并不是由与母体根本不同的材料构成，它不断变化成长，结构很快就变得相互协调，十分精良。这种结构是按预先的计划形成 （先成说）的呢，还是随生长的不同阶段一步步形成 （后成说）的呢？这个问题至今还未完全解决。很久以来，人们就想知道生长过程，到了公元前345年，亚里斯多德只不过是古往先驱者有关学说的继承人。 亚里斯多德以前流传下来的唯一有价值的医学著作就是《希波克拉底文集》。不管其中的文章是谁写成的，作者都有一个明确的思想，就是可以用非人类动物的胚胎作比较，来了解人类婴儿的生长过程。在一篇名为《关于婴儿的天性》文章中，以非常明白的语言说道；“用二十多个鸡蛋由两只或三只母鸡进行孵化，从孵化的第二天起，每天取一个鸡蛋解剖检查，你将发现，一切情况都和我所说过的一样。就此推广而论，禽类的发育过程可以比作人类婴儿的发育过程。”看来，文章评论家们都认为，该文章并未说明其作者实际上真正进了他所说的考察。这个任务留给了亚里斯多德，下面就是他考察鸡胚胎发育过程的描述。 亚里斯多德写道：“如前面说过，所有的禽类都是卵生，其方式相同，但孵化周期长短不一。就普通的鸡而言，三天三夜之后，便显露出了最初的胚胎迹象。较大的禽类，时间则稍长一些；较小的禽类，稍短一些。这时，蛋黄上升到鸡蛋的尖头一端，鸡蛋的基本组成部分就此固定下来，得到孵化。心脏最初好像一个血点，出现在蛋白之中。这个血点具有生命，在不停地跳动。随着孵化过程，从中伸出两条血管，每条血管带有外皮，延展形成带血丝的薄膜。其中一层血管薄膜包裹住蛋黄。再稍后便可分辨出鸡身，有眼睛，像两个鼓泡，向外突起。眼睛呈此种状态，要延续相当长一段时间，然后才慢慢缩小，塌陷下去。起初，身体下肢不如上肢明显。从心脏伸出的两条血管，一条连通外膜，另一条像脐带通向蛋黄。鸡的生命元素在蛋白之中，营养物质通过脐带从蛋黄中摄取。 “鸡蛋孵化十天后，其中小鸡的各个部分都明显可见了。头部比其他部分显得还大一些，而眼睛又比头还大，但不十分清楚。如果这时把眼睛取出来，可以看到它比豌豆粒还大，呈黑色。如果把眼的外膜剥开，里面全是发凉的白色液体，在阳光下闪闪发光，没有什么固体物质。头部和眼睛的情况大致如此。一些较大的内部器官，也可看出，如可以看清胃和肠子的分布。从心脏伸出的血管，这时已能看出是和脐带相连的，从脐带引出一对血管，一条通往包裹蛋黄的膜（这时蛋黄已变成流体，或者说比一般蛋黄要稀），另一条通往外膜，此外膜包住包小鸡的膜和包蛋黄的膜，以及二者之间的液体 （随着小鸡的发育，一部分蛋黄逐渐上升，另一部分则逐渐下降，中间则出现一些白色液体。蛋白质处在下面部分蛋黄之下，如此直至消耗殆尽）。到了第十天，蛋白质都处在最外面，量已减少，发粘变硬，呈蜡黄色。 “小鸡各个组成部分的位置排列如下：首先，最外层是外膜（不是指蛋壳膜，而是指蛋壳膜里面的那层膜）；外膜里是蛋白质液体，小鸡和包住小鸡的膜 （这层膜把小鸡和液体隔开）；然后是蛋黄和包住蛋黄的膜 （有一条血管通到这层膜，另一条血管遇到外膜）。这就是说，由一层带着类似血清的薄膜包住整个组织，另一层膜只包住胚胎，使胚胎和蛋白质液体隔开，还有一层只包住蛋黄，由心脏大血管引出的脐带与之相通的膜。这样，胚胎与蛋白和蛋黄两种液体都有膜隔开）。 “在差不多第20天，如果打开鸡蛋，触动一下其中的小鸡，它就会动弹，并发出啾啾叫声。它已准备出世了，只要一过20天，就会破壳而出。它在壳里把头搁在靠右侧右腿上，用翅膀盖着头。这时还可清楚看到蛋壳膜里那层类似胎衣包住小鸡连着脐带的外膜，整个小鸡还在里面，同时，也可看到另一层类似胎衣，包住蛋黄连着另一根脐带的膜。如前所述，两根脐带都与心脏大血管相连。这时，通往外膜的那根脐带已开始萎缩，并与小鸡脱开；而包住蛋黄那层膜则紧贴在小肠上。这时大量蛋黄已进入小鸡体内，在胃中有黄色沉积物。大约也就在这个时候，小鸡开始向外胎衣方向排泄废物，在胃里也有废物；外面的废物是白色的，胃里的废物也是白色的。蛋黄逐步减少，最后全部用完，进入小鸡体内（如果在孵化十天后，打开鸡蛋，还可在与小肠连接处发现一点蛋黄）。通过上述过程，小鸡发育成长，睡觉、惊醒，动一动，睁开眼，啾啾叫，心脏不断频频跳，充满生命的活力、禽类卵生的胚胎的发育过程就是如此。” 毫无疑问，在亚里斯多德之后，人们对胚胎学的兴趣依然存在。不仅如此，更多的学者还开展了更广泛的观察实验。不过，亚历山大时期各学派流传下来的有关科学著作很少。中世纪的欧洲所知道的古希腊科学是通过阿拉伯学者学来的，是阿拉伯学者发扬光大了古代科学。虽说伽林和阿维森纳的著作是医学和生物学的最重要来源，但绝大部分中世纪科学的最终来源仍然是亚里斯多德。后来的新著作一般都是评述亚里斯多德著作，中世纪的胚胎学更是如此，都只不过是亚里斯多德《动物发展史》的翻版。 继承亚里斯多德生物学传统的一篇最成熟的著作《人体在子宫中的形成过程》是罗马人盖尔斯大约在1276年写成的。这篇著作从理论上探讨了父母在生殖过程中的作用，详细说明了胎儿的发育过程，把亚里斯多德关于禽类胚胎的发言过程扩大到了人类胚胎发育过程。盖尔斯著作受到广泛批评，这显示了中世纪胚胎学知识有所增加。据胡森指出，当时弗利·詹姆斯和加博·托马斯批评盖尔斯，说他关于胎膜的论述，援引的不是亚里斯多德的原著，而是阿拉伯著作。 主要问题在于三个胎膜的位置、作用和发育顺序。看来很明显，盖尔斯之所以受到批评，是由于他进行了某些解剖研究和引用了新的权威著作。胎膜的发育顺序也许并不是什么重要问题，但它与先成说和后成说的长期论战有关，由来已久的这一论战一直可以回溯到古希腊科学的萌芽时期。 盖尔斯在引述伽林的著作时，不得不提供出比亚里斯多德原著更丰富更详细的原始材料。这并不是胚胎学革命，而只是后继者对先驱者论述的修正，是传统智慧的进一步发挥。1604年，法布利西在自己的著作《胎儿的形成》中，描述了亚里斯多德曾记载过的许多构造，也讨论了盖尔斯所遇到的麻烦问题，一致同意，胎膜具有保护胎儿和储存废物的双重作用。大家知道，胎儿的发育过程，可以通过血管的发展情况来进行更好的研究。法布利西就曾对脐带的血液系统作了更详细的论述，这是对建设中的知识大厦添砖加瓦。 读了亚里斯多德的论述，一定会感觉到：一是叙事清楚，说清楚了所观察的各个主要环节；二是重点明确，抓住了整个过程的主要生物学原理，就是蛋白和蛋黄的作用。亚里斯多德把鸡胚胎的胎膜与哺乳动物的胎膜相比较，这实际上说明，他已把胚胎观察从一个物种推广到了另一个物种。 然而，从什么意义上说这种观察研究是一种实验呢？在导言中，我已把实验研究分成两类：一种是考察某种事物或某种自然过程；另一种是通过积极干预，排除干扰，专门对特殊效应进行实验研究。古希腊科学大都富于实际考察和理论探索。利用孵化中的鸡蛋，进行有计划的连续考察，为我们提供了研究方法的一种范例，它包含着某种积极的干预和设计。亚里斯多德不是消极等待小鸡的发育成长，最后出现在他的面前，而是按希波克拉底建议的聪明办法，积极干预了自然过程。 消化的过程 威廉·博蒙特是一个农民的儿子，1785年生于康乃狄克州的勒贝龙。1806年，他想外出历险，骑着一匹马，带了一把砍刀、一桶果汁和100块钱离开了家乡。1807年，他在纽约州的抢普伦找到了一个安生立命的职业，当了一个中学的校长。在该校期间，他广泛阅读了医学及其他科学书籍。1810年，他自愿到佛蒙特州的圣·奥尔班斯跟钱德勒大夫当学徒。两年后他取得了自己开业的执照。1812年，在英美战争中，他参加了美国军队，一直服役到1815年。此后，一直到1820年，他都在宾夕法尼亚州的匹兹堡开业行医。然后，他接受军方的委托，重新加入了军队，分配到密西根地区的麦肯纳克要塞工作。在那里，有一个军队雇员因事故受伤，博蒙特在医治其伤口过程中进行了实验，也就是这里要介绍的消化过程实验。 看来，博蒙特乐于在军队工作，在军队的不同岗位上，一直工作到1839年。在这些年，他所进行的消化的化学过程实验研究，使他赢得了国际声誉，特别是在德国，他对诸如约翰斯、缪勒尔等都产生了很大影响。 他在军队工作的最后一个地方是在圣·路易斯。在那里他离开军队，再度自行开业行医。1853年，他不幸坠马，严重受伤，随后感染而死亡。 在19世纪以前，关于消化的研究卓有成效者，要算范赫尔蒙特。他是一个法兰德斯 （位处比利时西部法国北部交界地区）医生，医术精良，富有创见，又有实验能力，善于用实验检验和证明自己的消化理论。他的大部分著作都收集在一本命名特殊但又非常普及的书中。这本书叫《粮食的物理学》，其英译本出版于1662年。他像别的优秀科学家一样，在接受某种理论之前，总是先消除其中明显错误的东西。在范赫尔蒙特时期，绝大多数人都认为，消化就好像是由胃产生热量把吃下去的东西煮熟而已。他则用一种很简单的观察说明，就把这种普遍错误之见推翻了。他说：“在鱼的胃里并没有热量，可是消化能力并不比热血动物差。”也就是说，冷血动物和热血动物消化食物是一样好。 范赫尔蒙特第一个使用碱性处方治疗消化不良，这是他考察胃酸的结果。他说：“我曾多次伸出我的舌头，让一只驯化的麻雀来吃，麻雀想尽可能把我的舌头吞下去，这样就使我的舌头尖感觉到麻雀喉咙里有强烈的酸味。由此我明白了，为什么麻雀那样贪食，为什么它消化那么快。”但是，为消化食物，只是酸还不够。他用醋不能溶解肉来证明这一点。他说，除酸外，还需要各种发酵剂。不同发酵剂对食物的作用不同。一物降一物。范赫尔蒙特关于发酵剂的概念，与现在我们所说的酵素差不多。他知道十二指肠内有碱性溶液。他不仅认为十二指肠和胃里有各种发酵剂，而且还认为各种发酵剂有各种不同的作用。每个地方都有天然酒精在燃烧，煮熟食物，滋养身体。 在范赫尔蒙特之后，直至威廉·博蒙特这段时间内，关于消化的研究，几乎没有取得什么新进展。这反映了范赫尔蒙特关于消化概念的先进性，与生物化学中的其他落后概念大不相同。范赫尔蒙特不仅基本上确立了现代的酵素概念，而且还提出了疾病“侵害”论。他是细菌学鼻祖。他认为，由于外面的微生物侵入体内，利用人体的生命过程，使其自己得到生存和发展，并排出毒性废物伤害人体，这是一般疾病的直接原因。范赫尔蒙特历来就受到医学界的敬仰和尊重。 1822年6月6日，军队雇佣的一名搬运工兼勤杂工，名叫阿列克赛·圣马丁，因滑膛枪走火而打伤了腹部。圣马丁是法国籍加拿大人，年仅18岁，身体很结实。他被送到外科医生博蒙特诊所时，伤势十分严重，枪弹从腹部穿入胃里，从穿孔“流出了当天早饭吃下去的东西”。想必圣马丁的身体确实很好，要不然在他伤口感染发烧时，就经受不了再“放血18～20盎斯”。据博蒙特说：“放血可以减少动脉活动，缓和病情。” 圣马丁的伤口开始逐渐痊愈，但胃里停不住东西，不得不穿紧身衣，使食物保留在胃里，不致漏出来。博蒙特在报告中说：“我用尽了一切可能的办法，花了八九个月的时间，想使伤口愈合，但都没有成功。于是我认为根本就不可能愈合了，便放弃了治疗。”经过18个月，沿伤口边缘长成了一层皱皱巴巴的外膜，塞满伤口，并稍向外突起。这样就不再需要外部加以限制约束，食物就可以停留在胃里了。这是一个“阀门”，很容易用手指压开。这时，博蒙特好像突然明白，圣马丁及其特别异样的伤口是个理想的“实验室”，可以用来进行消化的实验研究。圣马丁非常能吃苦耐劳。博蒙特说，在他利用圣马丁进行实验研究过程中，圣马丁一般很健康，积极锻炼身体，保持充沛精力。他俩结成的特殊伙伴关系，保持了长达九年之久，只间或中断，如圣马丁回加拿大去结婚和暂时更换工作等。1883年，博蒙特指出：“在最近四个月，圣马丁虽然不断接受一系列胃消化实验，但他仍保持着旺盛的精力。” 实验研究工作分两部分进行，一部分是研究各种食物在胃内的自然消化过程，称为体内实验；另一部分是将胃液抽出，研究它对各种食物的作用情况，称为试管或容器实验。圣马丁和博蒙特配合进行的全部工作，可以看成是个大实验，有系统地改变消化条件，以便发现正常消化功能的决定因素。但也可看成是一系列独立的小实验，由这些小实验的结果共同组成一个完整概念。 抽取胃液并不费事，只要让被实验者左侧躺下，压开伤口“阀门”，通入一根橡皮管，然后转身使导管向下，胃液就会自动流出来。十二指肠液也能进行体外研究，只要用手压一压十二指肠区，油黄的胆汁就可通过导管流出。如果胃里尚残存有正在消化的食物，用手托起胃的下部，也可以挤出来。 主要是研究消化的速度、温度以及有利于消化的化学条件。在实验过程中，博蒙特发现，由于胃壁受伤，稍有饮食不当，就会出现病状，他指出： “饮食不当很容易显示出胃壁受伤的病状，但很少有其他症状或特殊感觉。”圣马丁有时比较放纵自己，饮食不当，引起胃内温度少许波动。博蒙特为便于比较胃的自然消化和相应温度下的试管消化，把实验结果汇集成表。 人为消化时，胃液和被消化物的比例一般按一盎斯胃液对一特拉姆被消化物计算。放试管的水槽要经常搅动，使尽可能保持温度均匀，使接近于100°F。 在体外进行的一次典型的消化实验，其记录如下：“二月七日上午8点30分，将20喱煮熟的鳍鱼肉放入了特拉姆胃液之中浸泡；到下午1点30分，胃液中浸泡的鳕鱼肉几乎全部溶解，尚未溶解的仅4喱。溶液不透明，白色，近乎牛奶。到下午2点，鳕鱼肉全部溶解。” 在体内也进行了上百次实验，一次典型实验的记录如下：“9点钟吃早饭，吃的食品为面包、香肠和咖啡，坚持锻炼，11点30分，胃已排空2／3，天气情况与往常相似，气温 29°F；检查时发现胃在作明显的收缩—扩张运动；12点30分，胃已全部排空。” 虽然这些实验的结果是直接对各种食物的消化时间和条件提供了很好的说明，但博蒙特本人及其同时代的人都认为，这些实验还与自古以来的一场重要的理论争论有关，主要争论问题就是：“胃液是否是一种化学溶剂？”有一种理论认为，在生物器官中存在着某种特殊生命力，消化过程就是靠它才有别于腐烂变质过程。而博蒙特却利用圣马丁的胃穿孔，以实验表明消化是一个独立过程。不管是在体内胃里，还是在体外的玻璃容器里，只要保证一定的胃液和相应的温度就行。博蒙特还把胃液密封保存在一个罐子里，经过数年后，再拿出来进行实验，结果表明它仍然具有消化食物的能力。所以胃液不仅是一种浸泡食物的辅助剂，而且也像范赫尔蒙特曾经说过的一样，它是具有特殊能力的消化液。 博蒙特在总结对病人进行多年研究的结果时说：“我想，整个实验结果可以证明，胃液不像至今某些人还以为的那样，是一种“惰性水”，其实它是一种最普通的天然溶剂，它能溶解各种食物，即使是坚硬的骨头也经不住它溶解。它在胃外具有在胃里完全一样的消化作用，这只要慢慢搅动恒温水槽，保证试管具有和胃里相应的平均温度，即大约100°F，就可以得到证明。足够的证据使我得出结论：胃液对食物的作用纯粹是一个化学变化过程”。 虽然是偶然的机会为博蒙特提供了一个到处活动的“实验设备”，但他仍然使实验深入细致地说明了所研究问题的各个要点。这个实验是系统地研究问题的典范。虽然实验用的只是一个人的胃，但科学家们从不怀疑博蒙特的实验结果适用于整个人类。为什么呢？因为人们并不怀疑人和人的胃是大致相同的，是可以用一个人的胃代替其他人的胃进行实验的。 博蒙特开始和结束的人类生理学的这一章，并没有达到尽善尽美的程度。其中包含的化学反应，在当时还不可能进行详细的研究。即使在19世纪技术范围内可能解决的，有关认识消化过程的一个重要问题，博蒙特也尚未触及到。这就是关于消化发酵剂是如何产生的？是因为食物出现在胃里而促使它流出来的吗？ 1889年，巴甫洛夫终于证明胃分泌的刺激是通过神经系统进行的。他把一支狗的胃切一个口子，通入一根漏管，接到胃的入口，这样使狗吞下的食物全都能过漏管漏掉，而不进到胃里。可是事实表明，当狗开始吃东西后，胃就开始进行分泌，继续吃，就继续分泌。既然食物没有进到胃里，那么引起分泌的刺激就必然是神经系统的作用。 但后来又逐渐明白，这种机制还未考虑到消化道和与胃相连的其他器官的分泌。1902年，乌·姆·贝利斯和埃·赫·斯塔林首先明确指出了荷尔蒙激素的作用。他们用狗作了实验，把狗的一段小肠和消化道其他部分切开，以便对这段小肠单独作刺激实验。切开时，只切断神经系统，仍保留动脉流通。当他们把稀盐酸点滴到和消化系统保持完全联系的十二指肠时，立即出现了胰腺的分泌。当他们对切断了神经联系的一段小肠进行同样的实验时，也出现同样的反应。可是这段小肠，除了有血管与整个血液循环系统联系外，与其他部分并无联系，所以必然有一种化学物质，在肠壁受到稀盐酸刺激时便分泌出来，通过血液循环系统带到胰脏，促使胰腺分泌。他们把这种化学物质称为分泌物。后来他们还从肠壁提取出了这种物质样品，注射到血液中，这样，虽然没有稀盐酸刺激，胰腺也照样产生分泌。 磁场概念的诞生 罗伯特·诺尔曼大约生于1550年。关于他的早年生活和家庭境遇，情况不明，只知道他当过领航员，在海上漂泊了18～20年，那时，他可能是住在塞维尔。对于他的了解，主要是通过他的工作。他曾经在巴勒斯那里当过仪器制造工。诺尔曼是一个有经验的领航员，对当时导航仪器和技术的缺点十分清楚。罗盘是当时最重要的导航仪器，诺尔曼的发明创造也就是围绕罗盘的航海应用进行的。人们早已知道，磁针所指示的北极和实际的北极有偏差，并认为这是一种有规律性的反应，可用来确定经度。但是从多年的海上生活，特别在穆斯科维航线上的商船航行考验中，诺尔曼认识到比例偏差理论是错误的。后来他发现了磁倾角，磁针不仅指向北极，而且还有规律地向下倾斜。他把这种现象称为“下倾”。诺尔曼认为倾斜度可能与测量位置的纬度成比例，可利用这种比例关系设计一种测量仪器。结果他发明了把磁针装在水平转轴L沿垂直刻度盘转动的磁倾角测定圆，诺尔曼把关于磁倾角的发现发表在自己的著作《新引力》一书中，该书于1581年，由巴拉德在伦敦出版。 有人给诺尔曼献过赞美诗，他的书也就以几行磁石赞美诗开头，其形式是磁石向装饰用的宝石发出挑战： 我虽是磁石但能导航， 你虽是宝石但难过印度洋； 你若没有我帮忙， 你的光彩再好，也只能在地下埋藏。 除此外，书中还有其他几节这样的赞美诗。 1590年出版了从德文翻译成英文的《海员的安全哨兵》，这是一本从欧洲大陆渡海的导航手册，是第一本印有木刻版海岸图的英文书，其开头也有一首诗，评论领航员的辛勤工作： 领航员在桅杆顶上辛勤院望， 凝视着指南针指引的前进方向； 这不是对世人的不朽教诲？ 这下是对发明者的最高奖赏？ 诺尔曼曾经在离伦敦不远的拉德克的一所房子住过，他在那里出售过他制造的航海仪。但详细情况无从知道，根据推测，他大约逝世于1600年。正是在这一年，吉尔伯特《论磁》一书出版，大大发展了诺尔曼的发明和发现。 在这里要介绍的实验是认识磁场的第一步。但是正如我们的许多研究一样，最有说服力的重要实验也只是一系列发现的一个组成部分，也只是对一组类似现象的多次考察的一次考察。所以，研究计划有可能来自于研究过程中一个意外的小小事件的结果。 诺尔曼生动地叙述了他偶然发现磁倾角的过程。早先他就注意到，即使是他自己精心设计制作的罗盘，其平滑转动的磁针也不单是指向北极，而巨还向下倾，如我们现在所说的还具有磁倾角。这种效应需要在结构上加以补偿，所以他不得不在南端放一些小铁片，消除北端的下倾，以达到平衡。但是除了这种表面现象外，他并没有考虑作进一步的深入研究。然而有一天，当他装配好一套精心制成的磁针和转轴后，他发现磁针倾斜得特别厉害。于是他开始把磁针指北一端切短，他写道：“到最后，我切得太短了，以致于毁坏了我苦心制作的磁针。因此，我生气了，决心全力以赴，研究这种效应。” 第一步是要设计一个倾角测量装置，以便能够系统测量这种效应。于是他把磁针装在水平转动轴上，使其转动，使倾斜效应充分显露出来，并测出强弱程度。 但是，这种效应是磁化还是磁石的其他作用引起的呢？显然，最大可能是磁针指北一端在磁化时从磁石上吸附了“灰尘或增重物质”。诺尔曼为这个想法，设计了一个简单的实验，把一些铁屑放在天平称盘里，用不带磁性的铅码加以平衡。然后把铁屑磁化，结果很明显，他说：“你将发现，它们并不比磁化前重。至于说，如果磁针北端从磁石上吸附了增重物质，那么南端也一样，也应该从磁石另一端吸附了增重物质，所以这不会是引起倾斜效应的原因。”这里有两个问题要解决。“用什么方法能产生这种效应？”“是哪一极（南极或北极）产生这种效应？” 在诺尔曼之前，人们以为，磁针指向北极是由于有一个“吸力点”存在一端。但是，如果能证明没有吸引力或拉力存在，它吸引磁针的指北一端。但是，如果能证明那么吸力点也就随之不存在。可是磁针明明是指向一点，于是就只好把这一点叫做“吸力点”。人们可以说，这只不过是个名称问题，但名称的选取却带来一定的理论意义。如果这一点是代表吸引力原点，那么就可以预料，吸引磁针的吸引力原点和磁针之间必然存在着相应的作用力；如果这一点代表的是某种介质的结构特性，那么就没有什么吸引力存在。 为了解决这个问题，诺尔曼设计的实验十分别致，饶有情趣 （下面会看到，从现代观点看，并没有解决问题），他写道：“现在为了证明吸力点不存在，可以取二英寸多长的一小段铁丝或钢丝，穿上一小块瓶塞用软木。软木大小，估计要能使铁丝或钢丝浮在水面上，也就是要用这块软木把铁丝或钢悬浮在水中。 然后把一个酒杯，或汤碗、或茶杯、或其他容器，装满清水，放在平稳而且避风的地方。接着仔细把铁丝上的软木一点一点地削去，直至能使铁丝保持在水面之下2～3英寸的位置为止，让铁丝与水面平行，两头不高不低，如同平衡的天平横梁一样。 然后再把铁丝从水中拿出来，不必去掉软木，将其一端接触磁石的南极，另一端接触磁石的北极，接着再重新放入水中，于是你将立刻看到，它自动绕其中心旋转，表现出前面所说的倾斜效应，悬浮在水中，不下沉到水底。按理说，如果存在着吸引力，那么因为水的下部比上部离吸引力原点要近，磁针就应该在吸引力作用下沉到水底。” 这样看来，地球或者说天体并没有从自己的北极散发出吸引力来吸引磁针北端或整个磁针。诺尔曼认为，应该把磁针指北的能力完全归于“磁石及磁石所赋予磁针的特性”。诺尔曼和吉尔伯特都没有想到的另一种假说，即认为存在着吸引力和排斥力，其强弱随着原点的距离变化而变化；磁针为了保持和地球两极发出的吸引力和排斥力的平衡，就不得不指向地球的北极。这种更复杂的力学理论，大约在250年以后才发现，并成为安培和法拉第的争论焦点。作为文艺复兴时期的两个磁学学者，诺尔曼和吉尔伯特，幸好没有想到这种磁学理论。 诺尔曼及其稍后的吉尔伯特都应用力场的发现来解释说明地磁问题。力场概念已成为现代物理学关于电、电磁和引力的基本概念。 诺尔曼曾说：“我的意见是，如果能用一种方法看见磁力特性的话，它一定是围绕磁石的一个相当大的球形体，其死点在磁石的中心，这也是这种特性的中心。” 虽然这种意见具有先见之明，但很不全面。诺尔曼把磁场特性仅归属于磁石，而对地球却只字未提。吉尔伯特完成了这一步，他在1600年出版的《论磁》一书中，重申诺尔曼实验，证明磁针指北或倾斜都不能用引力来解释（他就是这样认为的），但他指出，只是磁石和磁针具有磁场特性还不够，地球也是一个磁体，也具有磁场，甚至可能是最终磁场。吉尔伯特把磁场特性称为球形特性或磁力球。他从诺尔曼实验得出进一步结论说：“再则，方向也不决定于吸引力，而决定于地球整个力的分布”，是一种球形特性使磁针处于特定的方向。 吉尔伯特用磁石做成地球模型，并利用这种模型表明磁倾角随纬度变化而变化。这种导航思想比诺尔曼导航思想更正确更先进，因为诺尔曼没有用地球磁场来说明问题。 下面就是吉尔伯特在磁场概念诞生时所说的原话：“磁体的球形特性就是磁体的磁力倾泻出磁体，在表面上扩散，隆起成球形。……我们不是说这种磁力形式或磁力球存在于空气、水或其他非磁性介质中，……磁体通过磁力球影响其他磁体，甚至像固体磁石一样激发其他磁体的磁性。” 还有两步尚待完成，但在以后的150年中，比较忽略了磁和电的研究。怎样实现诺尔曼的梦想，让人能看见磁力和磁力球呢？现在任何一个小学生都知道，只要把一些铁屑撒在受磁体作用的纸上，就会立刻看到在磁体上面呈现出球形磁力线。这种方法和对磁力线特性的进一步研究应功于法拉第。 诺尔曼和吉尔伯特两人都认为磁场与物质无关。但法拉第却成功地用实验证明了这样的事实：转动磁铁棒能产生感应电流。这只要磁铁棒转动，而与其相关的磁场不动。因为电流只有在导体与磁力线作相对运动，即我们现在说的“切割”磁力线时，才能产生。所以，即使磁铁棒和其周围存在着另外的磁场，如果二者相对静止，也不会产生感应电流。 同时，法拉第还证明，只是接通或关掉电磁铁，也会产生感应电流。好像是导线通电时，所产生的磁场就传播出来，而关掉电流时，它就收了回去。法拉第通过探测电磁体附近导体产生的感应电流，揭示出这种效应。没有电流，即使有时有电流，在导体中也不会产生感应电流。而每当通电和关电时，导体中就出现感应电流。这些以及其他一些效应使法拉第，也使其他的人深信不疑，磁场是实际存在的。可能只是由于人们的感觉能力限制，使人们不能像感觉土地和水那样直接感觉磁场。 “酒杯”实验充满着实验理论。西奥多里克和亚里斯多德的观察实验，是直接用观察实验结果来证实自己的研究设想；而诺尔曼实验则依靠更复杂的逻辑，他用实验结果来驳斥原有的引力假说，同时说明新产生的磁场概念。在这个实验中，除了实验科学的实证法或归纳法外，还增加了第二第三方面，即反证法和说明解释法。同时，由于用磁场概念说明的这种效应，还可以用更成熟的引力理论来解释，这就会提醒人们注意，不要以为每个有效的说明就一定是对某一现象的原因的正确认识，不然的话，就有犯错误的危险。 植物的液体循环 1677年斯蒂芬·赫尔斯出生在肯特郡别克斯波恩的一个富裕家庭。1697年他进入剑桥本特学院读书。当时在剑桥能够学到的专业多种多样，他和他的朋友威廉·斯塔克利一起对自然史和生物学进行了广泛学习，同时对气体和液体的流体力学也很感兴趣。从有关资料看来，他的科学活动主要是研究气体和液体的流体力学在生命过程中的作用。 赫尔斯曾担任剑桥本特学院的学院委员，一直到1709年，在那以后他成为特丁顿的牧师，并以此渡过了他的余生。虽然确认是哈维发现了人和动物的血液循环，但他不过是对有关假说提供了必要的理论证明。而赫尔斯用马、狗和青蛙长时间进行了一系列残酷的实验，考察了血管系统各方面的情况，绘制出血管系统的图表，还考察了各部分血液的特定压力以及流动的流体力学条件。他的工作明确地解决了哈维遗留的许多重大问题，在当时就引起了一般公众的注意。托马斯·特文宁在他的一首地方记事诗《船》里就曾写道： 绿色的特丁顿清静明朗， 是从事科学研究的好地方； 优秀牧师赫尔斯在这里， 解剖过狗、马和青蛙， 还用天平称过水汽的重量。 他以探索大自然奥秘为快乐， 也不时为此而烦恼、 徨。 虽然当时已经开始了反对残害运动的动物，但这个运动的主要人物阿列克山得·波普，赫尔斯的邻居，却成了赫尔斯的亲密朋友。 大约在1724年，赫尔斯开始进行系统研究，勾画出了植物生理学的基本轮廓。他不仅进行了植物体液循环的研究，而且更重要的是他还研究了植物和其所处环境之间的交换和影响。他说明了被植物根部吸收的水分是怎样输送到叶子，又怎样散发掉的。他对植物的生长过程也感兴趣，并说明了植物各部分是怎样按比例生长的。在赫尔斯还未从事研究工作的前几年，梅奥曾说明过呼吸、燃烧和空气之间的关系，赫尔斯对这个问题作了进一步研究。 1722年，赫尔斯被选为皇家学会会员，1727年被选为议会议员，成为一个显赫人物，当了乔治亚殖民区的托管官员，是公共卫生监督委员会的常务委员，负责检查诸如皇家海军的卫生状况以及施行所谓特别疗法的效果。他对空气的兴趣导致提倡通风，对空气不流通的狭小空间，如舰上住室、牢房、医院病房等进行通风，增加新鲜空气，曾是他一时的急务。他发明了各种通风装置，其中大多数都被采用。他逝世于1761年，这时他仍然是特丁顿的牧师。 古代植物学主要受到亚里斯多德的学生西奥菲拉底著作的支配和影响。绝大部分是记述和分类工作。根据植物的一般形状，把它们分为诸如草本植物、灌木和树木，或者按其药用性质进行分类。这种分类一直沿用到整个中世纪，事实证明是实际可行的。西奥菲拉底对植物和环境的关系也进行了某些研究，并按习性进行了分类，但在这方面大为逊色，只能起到寻找特殊草药的指南作用。就我们所知，在古代并没有进行植物生理学和解剖学方面的研究。 17世纪中期，显微镜的发展才为现代基础研究工作提供了可能性。罗伯特·虎克，就是为波义耳当过助手的那个虎克，对植物进行了仔细的显微镜观察，他首先认识到细胞是生物的最基本单位。内赫米亚·格鲁又把这种研究工作大大推进了一步，对植物进行了详细解剖，画出了精制的解剖图。 用显微镜观察的最重要发现是发现植物具有网状管路系统，从根部到茎干、枝叶都有管路相通，其中有些充满液体，有些充满空气。鉴于这种事实，格鲁开始想到在植物体内可能有类似动物体内的循环系统。随着这一想法产生了许多问题，经常在他脑海里跳跃闪烁。例如，在植物体内是不是也有一个像动物体内那样的封闭循环系统呢？是什么力量促使植物液流动的呢？植物各部分的生命机能和这个循环系统有什么关系呢？而赫尔斯就是为了回答这些问题而进行了一系列重大实验。 大约在1670年，马尔皮格赫已经说明了植物生命过程的基本理论。他抓住了两个要点，其一就是说从树根到树叶一定有一个向上的液体运动，把水分输送到全身。马尔皮格赫认为构成植物体的最基本元素是在树叶中制成的，因此，他的第二个要点就是在植物体内一定有一个向下的运动，把营养物质输送到各个需要的地方。他也领会到这一过程会导致营养物质的储备。由于许多植物是把营养物质储备在根部相连的块茎里，所以营养循环一定是回到根部，即水分循环的出发处。所有这些都只是一种推想，还需要实验证明。做出这样的证明也就是赫尔斯的贡献。 这里介绍的主要实验是一系列有关的辅助实验发展的顶点。首先需要弄清楚，水分从根部输送到叶子，是根部产生的压力输送呢？还是叶子产生的抽吸作用呢？ 赫尔斯说道：“7月27日（1716年），我把一段苹果树枝绑在一根管于的一端，从另一端装满水，然后把整个树枝浸入容器的水中。” “开始两小时，管子里的水下降了6英寸 （水充入树枝的输液管路）。当天晚上又下降了6英寸，……到第三天晨，我把树枝从水中取出，连同管 1子一起挂在空气中，在12小时之内，它吸收了27 英寸的水分。”于是赫 2尔斯结论说：实验表明树枝有很大的呼吸能力，植物液体循环的原动力是叶面水分蒸发，而不是根部水分的压力。但是，实验并没有说明这一过程具体是怎样发生的。 从叶面蒸发的是水吗？把树枝装入密封容器中，收集树枝散发的液体，可以证明，其绝大部分是水。 好，现在该谈主要实验了，即树液是怎样运动的？是类似动物的血液循环呢？还是像潮汐一样起落呢？赫尔斯通过两个完美的实验，一下子就解决了这个问题。循环论者曾假设说，树液是通过树干内部上升，而通过树于外层下降。 赫尔斯在8月20日（1716年）说道：“在下午1点，我将一段苹果树枝，用弯铅管固定在管子上，但在这之先，我已把某一处的树皮和上一年轮的木质按环状切去了3英寸长，然后将管子装满水，管子长22英尺，直径为1／2英寸。另外，在树枝下部把树皮和上一年轮的木质切去，切成一个12英寸长的缺口。从这个缺口可以看到水抽吸得很畅通，其速度为1／2英寸／分。半小时后，我就清楚看到缺口的下部比先前湿了，而上部仍然是干的。” 所以，赫尔斯继续说道：“水分上升一定是通里层木质，因为上一年轮木质已被环切掉了三寸长，水分已不可能通过它上升；另外，如果树液是通过上一年轮木质层及其与树皮之间的通道自然下降的话 （有许多人这样认为），那末切口的上部就应该湿润。但正好相反，湿润的是下部而不是上部。”这样看来，树液必定是通过树干内层上升，同时也通过上一年轮木质层和树皮上升，切口下部湿润就是证明。所以，并不存在树液循环，至少并不存在严格意义上的完全的循环。如果存在着循环，那除非是某一部分某一方向的运动已被系统中另一部分另一方向的相对运动所补偿掉了。 这个结论还有更强有力的进一步证明，就是看植物一天吸收和蒸发多少水分。赫尔斯表明，按体积作相对比较，向日葵散发水分比人快17倍。如果存在循环的话，那就一定非常快。但并没有这种快速运动的任何迹象。 但是，正如许多天才实验家证明，“确实有树液从顶部回到根部”。赫尔斯也发现了这一现象。但这并不证明是循环运动，而倒更证明是潮汐起落。 在赫尔斯进行了一系列 （上面只介绍了其中个别精彩片段）独具匠心的实验之后，后继者在长达100年之久，对植物生理学几乎没有增添什么新内容。这样说完全不过分。当然这一时期，也有某些贡献。虽然赫尔斯实验几乎完全澄清了植物水分系统的问题，但还遗留下植物和大气交换问题。梅奥 （第一个明确区分大气气体的科学家）和赫尔斯都怀疑，植物是不是也从大气中吸取一定的营养。赫尔斯早就把植物的气体交换区别为营养交换和呼吸交换。但是他没有正确理解梅奥所发现的空气中的一个成分，即氧气，被生命过程吸收了。赫尔斯以为呼吸和燃烧过的空气，之所以减少了五分之一的体积，是因为被呼吸和燃烧过的空气失去了相应的弹性，而不是相应的物质被吸收了。由于赫尔斯犯了这种错误，所以他的理论未能正确区别气体的营养交换和呼吸交换。到1779年，德意志医生英根豪斯明确指出，植物的生命过程中有两个截然不同的呼吸循环：一个和动物的呼吸循环一样，吸人氧气，排出二氧化碳；另一个则把二氧化碳当作气体食物吸入，而排出氧气。到了大约1840年，空气气体化学已十分明确地区分出氧、氮和二氧化碳，对它们的化学性质也全部进行了研究。1840年走完了最后一步，鲍森考尔特表明了植物不是从空气中，而是从它赖以生长的土壤中获取氮养分。 印遗的条件 康拉德生于1903年11月7日，他是国际上有名的整形外科医生阿道夫·洛伦茨的二儿子。阿道夫·洛伦茨发明了有效治疗先天性股骨脱臼的治疗方法，通过国际行医，他变得很富有。康拉德·洛伦茨的童年大部分时间是在阿登堡的农村渡过的。那个地方在多瑙河畔，离维也纳不远，有他父亲建造的宽敞房屋。像他那样一个小孩，拥有各种动物：鸭子呀，鱼呀，狗呀等等。特别是在阁楼上养的一群穴鸟，其飞翔生活为他的第一篇科学论文提供了原始材料。他11岁时进入了维也纳的斯科登中学。第一次世界大战期间，城乡交通越来越困难，洛伦茨一家只好搬到城里宿舍居住。 阿道夫·洛伦茨很想让康拉德继承他的医道，所以在1922年就把康拉德送到纽约的哥伦比亚大学医学预科班学习。但小洛伦茨不喜欢呆在那儿，不久就返回家了。后来他进入了维也纳大学医学系学解剖学，但他不是为了行医作准备，而是作为理论科学学习。这段时间他受到亲密朋友本纳德·赫尔曼的很大影响，使他对自然史发生了兴趣。1927年，洛伦茨发表了自己的第一篇学术论文《对穴鸟的观察》。一年后，他获得了医学博士学位。 洛伦茨不去行医当医生，而到解剖系当了助教。这时，他认识了第一个系统研究天然动物行为的学者奥斯加尔·海因罗茨，有许多资料说明，洛伦茨向他学到了许多东西。1933年，洛伦茨获得了动物学博土学位，随即便转入动物学系工作。他的主要科学工作是在1926～1938年间完成的。虽然后来他还在积极从事研究工作，但他的重大发现却是在那12年里做出的。 洛伦茨对多瑙河一向情深，极感兴趣。1930年他专门买了一只船，以便练习航行，不怕困难地坚持数年努力，终于通过了在多瑞河上的船泊导航考试。他是在1930年和他从小就认识的玛加莱西·格布哈德结婚的。 第二次世界大战完全打断了他的科学研究工作。他的传记作者阿列克·尼斯贝特说，他在政治上比较幼稚，深深卷入了战争，还不认识纳粹制度的本性。由于他在医学上的专长，被抽调作了军医。1941年开始在波兰服役，然后从那里调往东线，最后在1944年被苏军俘获。他过了三年的俘虏生活，大部时间住在前苏联的亚美尼亚。 战后，由于占领国的强力管制，德国和奥地利的科学研究都受到严重阻碍。一直到1948年，在哥廷根才成立了马克斯·普朗克研究所，负责管理该研究所的科学协会大力支持了洛伦茨的工作。洛伦茨利用他在阿登堡的家作为附属研究所和野外工作站。1951年，在巴伦·冯·罗伯格的赞助下，作为专门研究动物生态学的马克斯·普朗克研究所在巴德尔建立了，以后迁到西维森。1962年，洛伦茨担任了该所所长。 1974年，洛伦茨和尼科。廷伯根以及奥托·冯·弗里希共同获得了诺贝尔奖金。 很久以来，在天然环境中过着原始生活的野生动物就是博物学家们的研究对象，不过一般是进行业余研究。直到达尔文才为天然动物的习性研究理出了科学的头绪。他抓住了动物生态学的中心内容，应把动物的习性看成是动物适应环境的一个方面，它和动物的身体构造或生理过程同样重要。他并得出了结论：动物的习性必然被遗传和被自然选择。达尔文以后有些停滞不前。后来在美国又重新引起科学家们的兴趣。通过长期熟悉动物生活的自然环境，就能够理解动物。第一个提出这种思想的人就是美国生物学家魏特曼。他主张用达尔文学说解释动物的习性。他和他的学生们，其中包括有影响的威勒，对各类动物进行了很好研究。洛伦茨自己说，他的最大成就来自魏特曼和他自己的导师奥斯加尔·海因罗茨。 但是达尔文的最初察觉却被大多数心理学家忽视了。某些动物，具体如灵长类动物和老鼠，曾被用来作为实验对象，把它们关在笼子里，试图发现其行为基本特点和刺檄引起的条件反射过程，但毫无结果，因为整个实验计划的设计是错误的。可是错误还得到维护，说什么只有脱离开自然环境的研究才可能取得进展。 把动物的习性研究由人为条件下转到天然环境中进行自然观察，即开创动物学的新学科动物生态学，是从德国开始的。然而很快就传到了英国，与英国传统的博物学和野生动物习性观察结合起来。但这一领域的中心人物却仍然是德国的洛伦茨。 如果达尔文是正确的话，那么就应该有被自然选择的习性，即严密准确并适于物种繁衍的行为链。最初的动物生态学就是研究区分这些习性，证明习性不是学会的，找出具体方法使某一习性结合另一习性以利于繁衍。这可以用小鸟出世后从窝里清除蛋壳的习性的例子来说明。新打开的蛋壳洁白明亮，很容易吸引侵害者到来。把窝筑在易于暴露的地方的多数鸟类，都有清除蛋壳的习性；而把窝筑在隐蔽不易受到侵害的地方的鸟类，则没有这种习性的神经机能的遗传。 为了使一种习性起作用，单是通过行动后果而操纵反射链运动的遗传神经机能还不够，还必须要有相应的刺激来触发。问题在于：认识相应刺激的能力和受到刺激后习性就起作用的能力是否是一道遗传呢？结果证明，二者是无关的，“只是有时候才有关”。许多鸟类的幼雏，在它们成长过程中如果不让接触其同类，它们也就不认识其同类。 长嘴涉水鸟的幼雏孵出来时，发育阶段较高，具有“先天系统”，能认识鸟妈妈，只要鸟妈妈一出现在面前，它们就表现出相应的行为，例如伸嘴去呷接食物；不需要任何学习和训练，只要一见到人就会自己逃跑。实验证明，每一个成鸟的特点很重要，通过分别模拟每个成鸟的特点幼鸟就会作出相应反应，证明它们能辨认出来。这种鸟以及与这种相类似的鸟，其认识习性相关的事物的能力和表现出相应习性的能力，一定是先天的或遗传的。 然而大多数鸟类的发展情况与此不同。在动物生态学界，灰雁的事例是很有名的，它生动说明另一种发展类型。如果幼灰雁完全由人工喂养，那么它们的行为习性就倾向于人。它们似乎是把在它们发展过程中某一适当时机发生在它们面前的无论是什么东西就作为原始对象印遗下来。首先对这种印遗现象做出观察记录的是奥斯加尔·海因罗茨。他注意到，虽然小鸭刚孵出时见人就逃跑躲藏，但小鹅却呆呆地盯着人不动，即使人去碰它也不反抗。这样由人工喂养的幼鹅并不表现出认识成鹅是其同类的倾向，而把人当做其父母。有如海因罗茨指出，刚刚破壳而出的小鹅，第一次睁开眼睛“带着高度准确的印遗事物的注意力”，印遗下第一眼见到的东西，作为其父母的形象。 洛伦茨的贡献是对印遗现象发生的条件进行了系统的实验考察。他最初的发现就使印遗的基本概念变得鲜明突出了。通过几种鸟进行比较，结果证明：“某一种事物只能在鸟的生命进程中某一相当固定时期才能被印遗”。 “印遗一经发生，并且印遗时期（其长短随种类不同而异）已过去，相应的反应就不会遗忘”。从而得出两个非常重要的理论结论：与一般动物学设想相反，动物必定有一种先天趋势以填补其本能结构上的空缺 （指引导某一行为的相应事物）；但更为重要的是不应把印遗看成是一种学习，否则就大错特错了。学习事物的特点是可能被遗忘或者记错，与其他事物相混淆，而作为动物本能行为目标，一旦印遗以后，就再也不会改变其相应的行为，这种相应的行为方式也就成为其生命要求的一部分，如食来就张口。 这里要介绍的主要实验是想确定动物的所有本能习性是仅仅通过一种事物一次就印遗的呢？还是每一个习性各有相应的印遗时机呢？如果是后者，那么每个习性就分别有相应的客观对象，种类不同，客观对象也不同，只有在适当的时机，相应的对象出现在周围，才能发生印遗现象。实验研究的对象是洛伦茨在阿登堡家中养的一大群穴鸟的一只幼雏。这只幼雏从小就与其他穴鸟分开，单独由人工喂养。这样它的本能习性要么是先天的，要么就是人使其印遗下来的。但有两种习性例外，一种就是成群飞翔的习性，由冠头乌鸦使其印遗的。当这只幼穴鸟处于能印遗成群飞行时，第一次让它认识相应类型的飞鸟，使其能印遗了成群飞行。即使它进一步成长并生活在穴鸟之中，它还是每天要飞到乌鸦群里去，同乌鸦一起度过它的时光。这一点至少可以肯定一种习性所相应的印遗对象和印遗时机是不相干的。但是当这只穴鸟处于印遗生殖习性时期时，让它生活在其他穴鸟之中，它就和其他穴鸟交配。这样，这只穴鸟是和其他穴鸟一起交配，但和乌鸦在一起飞行，和人在一起吃食。穴鸟必须在自己生命进程的不同时期才能印遗生殖习性和飞行习性。一般穴鸟飞行、交配和吃食都是和其他穴鸟在一起，但这个实验中的穴鸟却提供，其各主要生活习性是通过不同对象在不同时间印遗下来的。这说明，必然有一个时间顺序，在相应的时间发生相应的印遗。但是这里还遗留下一个关于照料幼雏的习性问题。被用来进行实验的这只穴鸟，当它第一次碰到 （洛伦茨说是突然碰到）一只刚长出羽毛的幼穴鸟时，它就收养了这只幼穴鸟，并完全按照其同类具有的特定方式，带领和喂养。要知道，这是它第一次看到幼穴鸟，在这之先没有发生类似的印遗现象。所以可以得出结论：穴鸟不仅具有需要一定对象在一定时机完成印遗的习性，而且也具有先天遗传下来的习性。 最后一个重要问题，如果一只幼鸟被某一适当的对象完成了某一习性的印遗，这某一适当对象可以说是其同类的代表，那么该幼鸟铭记住的是一类呢？还是单独一个呢？答案有点复杂。洛伦茨发现，虽然一只鸟已把某一个人印遗为自己的代理父母，但随其性本能的发育，并继续和人们生活在一起，它也会把其他人认作父母。看来控制印遗过程的天然机制比较复杂。最初认识父母，姑且这么说，选择的是在周围最先看到的东西，不管是人或是鸟。但在后来收留配偶时，则似乎只印遗一个固定的具体形象。 和洛伦茨、弗里希一起获得诺贝尔奖金的廷伯根对各种动物的行为方式，进行了进一步的研究，而且在行为的神经心理学方面比洛伦茨作得更深入细致。廷伯根的一个较早的学生麦克法兰把这种研究更向前推进了一步，他用系统理论的概念和方法说明了各种行为方式的神经机制。但正如廷柏根坚持的一样，行为方式的保持一定符合达尔文主义，即是说，器官的行为适应环境，利于繁衍。 政治偏见深深埋藏于行为习性是由学习而来的主张之中。这种心照不宣的信念统治着早期对动物习性的实验工作，难以摆脱。但英国和欧洲传统的动物生态学家一直坚持天然习性假说。这不仅导致理论改良，而且也促使为检验理论而进行广泛的观察实验。似乎没有多大疑问，可以说，在这期间，洛伦茨和廷伯根的基本思想经受住了时间的考验。 近年来，到动物栖息地去理解动物生活这样一种研究方法，已扩展到灵长类动物的研究，具体说就是对黑猩猩的研究。另外，也对狮子、大猩猩和其他大型动物进行了详细研究。 随着分析了解动物生活的科学的发展进步，专门描写人和动物生活异同的附属文学也繁荣起来。大多数这类半普及性的著作都倾向于人也是按先天的时间顺序来表露其各种习性的，甚至提出说，也可以用适当的对象让人类婴儿形成某种印遗。动物生态学普及推广家，如罗伯特·阿德里，所提出的论据一般都是从比较人和动物行为某些方面的相似性得出的推测。这些推测已被建立在对人类遥远过去想象描写的基础之上，认为人类现在的习性就是从那遥远的过去流传下来的。 并不是落伦茨发现了印遗现象，但他的实验观察对两个对立的假说作出了判断，结论就是：各种不同习性相应对象的印遗过程只能在适当的时间里发生。 改进化学测量 琼斯·雅各布·柏济力阿斯于1779年出生在瑞典的奥斯特戈特兰。他的父亲是一位教师，还在柏济力阿斯小时候就死了。柏济力阿斯的母亲改嫁，但不久也死了。柏济力阿斯只得由他母亲的姐姐弗罗拉大姨收养。当她和一个再婚的男人结婚后，这孩子就不受欢迎了，只好把他送给一个叔叔去抚养。柏济力阿斯12岁时被送到林可宾念书，在那里他得到私人辅导，对他有极大的帮助，这时他对博物学产生了极大兴趣。但他在学校学习有许多困难，他本来应该是一个奋发向上的学生，但他并没有这样做。可能是根据校方的意思，他不得不离开了学校。在1796年，他在乌普萨拉开始学医。他很幸运，跟一位优秀教师和著名的化学家 （他发现了钛）埃克布格学了一段时间的化学。 他的叔叔帮助他解决了经济困难，让他跟一个药剂师当学徒，后来又跟一个矿泉疗养院的医生当学徒。在这段时间，他学习了定量分析技术，因为需要知道矿泉水中所含的矿物成分，以便登广告，宣传矿泉治疗的奥妙。这时他对医学特别感兴趣，他在这段时间所写的博士论文就是关于电疗法的研究，论述了电在医学中的应用。1800年他成为斯德哥尔摩外科教授的助手，但是同时他也和一位年轻的矿业主魏特森格共同进行一系列化学研究。1805年他被任命为斯德哥尔摩东区的“穷人医生”。显然他在这段时间仍继续进行着化学研究。1807年他成为卡罗林斯卡医学院的化学教授。他在这个岗位上的第一项研究工作是关于矿石的成分问题，但很快就转到了无机化学分析。他建立了严格的崭新的化学实验标准，改变了当时的化学研究方法。1832年，由于瑞典教育委员会不同意学院和完全大学享有同等地位，他辞去了学院教授职务。他在晚年，1835年，才和伊丽莎白·玻平斯结婚。这时他已享有很高的国际声望，在他的婚礼上，他被封为男爵。虽然他的名声很大，荣耀无比，但他在老年郁郁不乐，他曾说：“天知道，一旦老了会发生什么事！你工作呀，工作呀，忙碌一生，干了许多大事，可能总结结果是什么也没有。”他逝世于1848年。 化学研究在1810年开始感到了实验方法中的严重缺陷。道尔顿天才地从非常不准确的实验数据中初步归纳出了元素的结合是原子和原子的化合。考虑到各种元素原子的重量各不相同而形成如下假说：组成一定化合物的各元素成分之间存在着一定的简单的重量比例关系。当时对这个问题的分析推理形式大致如下：如果氢氧化钠是由包含一个钠原子，一个氢原子和一个氧原子构成的原子团组成，其中钠原子重量为氢原子重量的23偌，氧原子重量为氢原子重量的16倍，那么凡是氢氧化钠样品，所得其钠、氧、氢的原子重量比例关系就应该是23∶16∶1。接着对大量化合物进行分析比较，猜出其组成元素的原子量，再把分解化合物所得的每一种元素的重量除以相应的原子量，就能找出该化合物最基本的原子团结构的化合成分。后来把这种最基本的化合物原子团称为“分子”。例如，硫的原子量是氢原子量的34借，在分析硫化氢样品中得出氢的重量为0.04克，与其相化合的硫的重量为0.68克，于是0.04/1∶0.68/34=2∶1，这就是硫化氢中氢原子和硫原子的组成比例。 柏济力阿斯想尽量摆脱当时使用的化学分析法的缺陷和不准确性。他开始给军事学院和医学院的学生编写化学教科书。当他试图把现存的有关定量分析的数据整理出一个系统或顺序时，发现这些数据不仅是紊乱的，简直是相互矛盾的。把结果和各种化合物相对照时，矛盾百出。按道尔顿创立的原子论，化合元素之间的关系有严格的要求，如果已知一定重量的A元素和一定重量的B元素相化合，同样，它又和一定重量的C元素相化合，那么B元素和C元素如果化合在一起，其重量比例关系也应该是一定的，或者是它们分别和A元素化合时的比例一样，或者是那些重量的整倍数，因为这里要考虑到B元素和C元素相化合时，与它们分别和A元素化合时的原子数有可能不相同。但是，如上所述，柏济力阿斯发现，不可能把这些重量的测量结果和假说的要求相一致起来。这样就促使他开始考虑测量的精确性问题。大约就在1810年，他意识到化学的进步要求有一种新型的化学实验，即十分精确进行测量的实验，只有通过这种实验，关于化合物的原子成分的假说才能被证明可信。他经过十年专心致志的努力，终于达到了这个目的。 首先用原子论解释化学的道尔顿，以及开创定量分析化学化沃拉斯教授都相信化合物元素的重量比是整数关系，例如为1∶1，1∶2或者3∶2等等。这可直接从原子论得出，根据假说，化合物中各元素的原子量是不同的但是恒定的。柏济力阿斯熟悉上述这些英国化学家的著作，也知道盖—吕萨克关于气体合成的成功证明，按容积的整数比例，用两个单位容积的氢和一个单位容积的氧化合而得到水。要知道，我们现在所熟悉的原子和分子的区别，在当时还没有说明。考虑到氢氧气体这种容积关系，柏济力阿斯相信，永久气体，即没有被液化的气体的相同容积，在同样的温度和压力下，包含着相同数目的原子。所以在化学研究中发现化合体积和重量之间的整数比。这种观念后来以更精确的形式结合在化学理论中，成为亚弗加德罗假说。虽然后来表明这种观念是不完善的，但它却是柏济力阿斯达到目的的理论基础，使他能够预见化合元素重量的整数比，阐明有关“正确测量”的思想。 当测量得出了符合原子理论要求的整数比，才可以认为测量是正确的。柏济力阿斯在自传中写道：“我不得不使用各种方法进行无数次的反复分析，以便找到一种方法，它能给出最肯定最正确的结果。”即与原子理论相符合的结果。柏济力阿斯并不是发现了元素的化合是按照整数比，而是假设元素就是按照这种方式化合的，然后通过不断改进和完善自己的实验方法和实验技术，直至得出和理论相符合的结果为止。 他成功的秘密是精益求精的完美主义。他曾说：“最初，我的希望没有成功，因为我还缺乏关于精度要求的经验，也缺乏怎样才能达更高精度的经验。”他对这种困难的回答是密切注意实验中的细节问题，把实验设备设计得尽可能完善，使实验过程中避免化合物质的损失。要求纯度的化合反应中使用的容器口必须带唇，使倒出的溶液最后一滴也能滴下来。过滤纸不仅要符合没有灰尘的标准，而且建议，在使用前将它浸湿，以避免溶解于溶液中的化合物质被纸纤维少量吸收掉。此外，操作必须细心准确，这包括观察实验中大量的细节问题，如果稍有疏忽，往往就会前功尽弃，毁掉几个星期的辛勤工作。 原子量的确定取决两件事，首先需要知道化合物中各种元素的相应的原子数，例如，锌氧化物，是ZnO，ZnO或是ZnO等等。其次需要知道化合物 2 2中各种元素的化合当量。既知道氧化锌中的锌和氧的化合当量，又知道氧化锌是一个锌原子和一个氧原子所组成，那么各元素的化合当量也就是各元素的原子量。所有各种元素的原子量与氧原子量相比较得出的结果就是它们的标准原子量。 柏济力阿斯得出精确原子量的基本方法利用的是氧化物来取得结果。因为所用的这些氧化物比较普通，而且还比英国喜欢用的氢化物更容易操作些。但是氢化物应用得也相当普遍，所以柏济力阿斯给出的最后结果，既按氧的标准，也按氢的标准。可以用一定量的金属和氧化合成一定量的氧化物，也可以用一定量的氧化物还原成一定量的金属和氧。柏济力阿斯所选用的具体方法取决于操作简便和所得误差小。 推算很简单，化合比就是： 氧化物的重量 金属的重量 如果原子数量比已从其他的分析比较知道了，那么计算原子量比就更容易，例如，氧化物所包含的是两个氧原子和一个金属原子，那上述比就必须再除以2。 柏济力阿斯曾介绍过他是如何找出氯相对于氢和氧的原子量的。他在他的《化学论文集》第五卷中说道：“我是通过如下实验来确定氯原子量的： （1）从100份干蒸馏无水氯酸钾得出38.15份氧，并剩下60.85份氯化钾（经四次测量，结果相符）；（2）从100份氯化钾可以得到192.4份氯化银；（3）从100份银可以得到132.175份氯化银。如果假设氯酸是由2Cl和5O组成，那么由上述数据得到1个氯原子量为221.36；如果按盖—萨克获得的密度计算，氯原子则为220（相对于氧原子量计算）；如果按氢原子量为标准计算，则为17.735。” 这一段文字说明，推理很简单，但操作必须仔细。为了最终获得氯元素相对于氧元素的原子量，不得不进行多次不同的测定，每次都要尽可能准确。柏济力阿斯的结果和现代的测定结果十分吻合，但它只是现代值的一半，原因在于标准氢的计算方法不同。没有区分原子和分子之前，自然是把氢作为单原子气体。如果认为氢的最终粒子是原子，氢H就是单一的。我们现在知道，氢是以分子H形式存在的，是两个原子，所以当时把2H=1来作为标准 2了，柏济力阿斯就是这样做的。现代经过修正得出氯原子相对于氢原子的原子量为35.47。 从科学方法的角度来看，值得重视的是柏济力阿斯对“集中”采样法的贡献。实验的采样有两种方法：一种是用大量的样品进行实验，然后通过平均结果找出典型特性，这叫做“扩大”采样法；另一种是只选取一个或少数几个样品，认为它们是典型的，用它们实验所得的特性就能代表相似样品的特性，这称为“集中”采样法。关于柏济力阿斯，正如麦卡内汶所说：“看来，对于他来说，选择适当的分析方法比整天重复进行测量要重要得多，他很少重复测量，一旦完成测量后，他不是准备去重复检验，而是准备为它的可靠性进行辩解。” 到1818年，柏济力阿斯已准备好公布他已知道的45～49种元素的原子量。他后来的一生还是继续为改善和扩大这些成果而努力。 柏济力阿斯不仅是一个优秀的实验家，而且他还象戴维一样发展了化学电学理论，使这种理论具有更精确的形式。他说：“原子包含着两种不同的电荷，分别在不同的电极处产生出来，其中一种起着主要作用。化合就是不同元素粒子带电极性不同而相互作用的结果，所以所有的化合物都是由两部分组成，其每一部分的带电性质不同，互相吸引而结合在一起。反之，所有的化合物都可分解成两个带相反电荷的元素组成部分。” 这是一种强有力的理论，与无机化合物情况非常一致。但是利伯格发现，氯原子能够在有机化合物中一个个地取代氢原子，这使柏济力阿斯理论暂时受到冷遇（但却使利伯格受到柏济力阿斯的长期冷遇）。如果氢是带正电的，在另一种化合物中取代它位置的任何元素的原子，按柏济力阿斯理论，应该也是带正电荷，因为它需要和组成部分所带的负电荷保持平衡。氯能够取代许多碳氢化合中的氢，这一事实看起来与柏济力阿斯理论是直接抵触的。 最后，还必须提一提，柏济力阿斯所编写的化学年鉴总结评述了整个欧洲在27年中化学的进展，对后来化学发展和化学工作者产生了广泛的影响。 柏济力阿斯的方法是依靠测量的精确性，有了这种精确性，他才能够推断出化合物中原子量的比例关系，但他也能利用更直接的方法来检验某些元素的原子量。后来杜龙和佩蒂特改进了这种检验技术。他们在考察道尔顿关于所有气体的原子热容量与原子大小有关的想法时，发现按这种假说应得的结果与实际结果相差很大。在此工作过程中他们发现了一个重要关系，就是原子量和比热的关系 （比热就是单位质量的温度升高一度所需的热量），后来证明，这种关系只适用于固体物质，成为原子的热定理，并弄明白了每种物质的原子量和它的比热的乘积是一个常数。他们还在雷格诺尔特的帮助下检验了柏济力阿斯的结果，发现有些数字应加倍，有些应减半，例如，银和硫的原子量就有这样的错误。虽然他们的定理的确能在一定程度上直接检验柏济力阿斯的结果，但遗憾的是也有例外，并不能作为完全可靠的指南。随着化学知识的增长原子和分子的区别明确了，加上测量技术的进步，在19世纪弄清了绝大多数异常的问题，但为什么赢得的原子量不完全是整数？还有待进一步解释。 1886年，克鲁克斯第一次提出了某些元素可能是由更基本物质组成的混合物，这些更基本物质的原子质量，如普劳特提出的那样是和氧原子质量成整数倍数的。但这种想法一直到阿斯登发明摄像仪才被证明。阿斯登发展了汤姆生研究电子物理特性的电磁场设备，使其能够分离与电荷相同但质量不同的原子。以前这样的原子，例如说氖原子，都认为是同样的原子。产生紊乱的原因就在于原子的化学性能主要取决于它们的电子，而几乎不取决于它们的质量。偶数原子，即具有偶数电子的原子元素倾向形成两种同位素，每种同位素的原子量都只是接近整数。柏济力阿斯仔细计算出的原子量是这些同位素的混合原子量。自然界中所发现的各种元素是由不同比例的同位素所组成的。这就是为什么像柏济力阿斯那样精细的人所得出的氯原子量也还是一个带小数点的数35.47（按现代的氢原子标准计算）。 在上述实验中，我们看到了测量技术的改进过程是根据一种“正确结果”的想法来进行的。没有怎样才是正确的这种概念，就不可有正确或不正确的判断。柏济力阿斯只有在原子理论的指导下才能预见和修正他的实验结果。 物质的波动性和第三量子数 1888年，奥托·斯特恩出生在德国的西里西亚省的斯赫劳。他的父亲是一个买卖兴隆的粮食商兼磨坊主。家境富裕大大有利于斯特恩从事科学事业。他是家中五个孩中最大的一个。他的中小学教育是在布列斯劳 （现在在波兰境内）完成的。从1906年开始，他以当时时髦的方式遍游德国各个大学，同时在弗雷堡、慕尼黑和布列斯劳也做一些工作。他是一个无忧无虑的，无所牵挂的年轻人，比当时德国的绝大多数大学生都自由。他随心所欲从事一些与其事业并无直接关系的工作。由于他对热力学感兴趣，促使他回到了布列斯劳，因为那里有一所重点研究热力学的物理化学学校。就是在那里，于1912年他获得了物理学博士学位。 在这一年，他开始受到爱因斯坦的影响。他和爱因斯坦一起到布拉格工作， 1913年又一起迁到苏黎克。斯特恩对爱因斯坦的分子研究比相对论更感兴趣。1914年，他和马克斯·博恩相识，并开始在一起工作。就在这一年，他被批准为无薪俸的大学讲师。 第一次世界大战期间，斯特恩虽在军队服役，但仍继续着他的科学研究工作。他在波兰当了一段时间的气象员，到战争最后一年他被抽调到柏林的纳恩斯特实验室工作。 战后，他发明了分子束方法，研究自由原子，模拟光线。在这里要介绍的原子束实验是他证明物质波动性的基础。在古典物理学中，物质被认为纯粹是微粒。1923年，他搬到汉堡，建立了自己的实验室，更多更新的设备使他有可能进一步发展他的分子束方法，最后真正证明了物质的波动性。 面临纳粹制度的威胁，斯特恩于1933年离开德国，迁居到美国，在卡内基研究所工作。他和被希特勒赶出的某些德国人不一样，虽然离开了祖国，但从未停止过工作。1943年，他荣获诺贝尔奖金。1946年，他在加利弗尼亚州的伯克莱退休，1969年，在该地逝世。 斯特恩从他自己发明的分子束设备的发现与其埋头所检验的假说问题有关。这些假说与传统的物理学背道而驰。尼尔斯·博尔在卢瑟福证明原子核形式的启示下，发展了原子的电子理论。如果原子的正电荷和绝大部分质量都集中在小小的原子中心或原子核内，那么便可假设原子的其余部分质量和相应平衡的负电荷就应该分布在原子核的周围。自然就会把电子看成很小的带电体，并可想象它们像行星一样绕原子核旋转。这种概念提出了一系列从属概念和问题。如果说电子有轨道，那么这些轨道在空间又是怎样分布的呢？如果说电子是沿着那些轨道旋转的，那么其角动量，即旋转的原动力又是什么呢？如果轨道位于一个或几个平面之内，像太阳系的行星轨道一样，那么这些平面的相互关系又是怎样的呢？最后，如果电子是能够绕自轴旋转的小小带电体，那么它们自旋的方向又是怎样的呢？ 博尔提出，炽热的气体和固体放射出光可以解释为是电子改变了自己的轨道，并在改变轨道过程中释放出能量，这些能量就等于放射的光的能量。但是在早些时候就已经知道，白炽的物质所发射出的光似乎并不具有连续的光谱，而是个别波长的光谱。为解释这种现象，博尔提出，电子只能机械地具有某几个可能的轨道，这几个可能的轨道数被称为“基本量子”数n=l，2，3……。量子一词的意思是指当电子从一个固定轨道跃迁到另一轨道时，以一定波长的光线形式所放射的不连续的一束束能量。 原于现象的进一步研究表明，还应该存在着第二量子数。电子似乎不只有某一个角动量，而且还以某几个固定速度沿轨道旋转。原子的这一结构特性就以字母L来代表。L和n可以相互联系起来，因为所允许的角动量只能以从0到n—L之间的整数来代表。 行星运动的其他主要特性，轨道平面的方向和自转方向，是不是也能从电子运动中得出呢？能不能弄清楚电子轨道只能在几个固定的平面之内呢？是不是也能弄明白电子自旋是量子化的呢？为表示这些可能的特性，又提出了两个量子数，一个是m，代表电子的“空间量子化”，即代表电子轨道平面和某一固定平面，如外面强加的磁场，所形成的几个允许的角度。第四量子数s代表电子只能绕某一固定轴顺时针或反时针旋转，后来被称为“上旋”或“下旋”。看来电子的所有性质用这四个量子数都能代表了。 这些量子数是把电子运动当做粒子运动来考虑，看一看传统力学原理需要做什么改变，才能符合它们的特性。但是早已表明，电子束遇到障碍时，表现出了特别奇怪的性状，它们既有波动的干涉效应，也有波动的绕射现象。这种特性使当时的标准物理学发生另一个根本的改变，寻找某种可能的方法，把粒子特性和波动特性综合起来。德布罗格利提出，传统物理学中两个单独的，毫不相关的特性应该统一起来，使它们可以转换，于是他把波的波长和粒子的质量m，速度v，用以下公式联系起来了。 λ=h／mv 此处，h—普兰克常数。这个关系式是不是不仅适用于电子，而且也适用于原子、炮弹、行星等等而普遍成立呢？很明显，斯特恩分子束可能是检验这种想法的一种好方法。如果一束分子能够产生绕射现象，那么德布罗格利原理就将具有更大的意义，而成为一个普遍的物理学定理。所以分子束被用来检验这种想法。 从物理学发展的前后关系中可以看出，斯特恩实验所具有的重大意义，但是还不止此，它还说明实验研究中的另一个有趣问题，就是某些技术设备具有提供一系列问题的巨大能力，而在发明这种设备的时候，往往没有想到它会具有这样的能力。 斯特恩—格罗克设备主要由三个可以拆换的分设备组成：一个是获取等速分子 （或原子）束设备，另一个是产生陡变磁场设备，第三个是用金属晶体作成的格棚绕射靶，如果德布罗格利所决定的特性关系是正确的话，原子束波就会发生绕射。 为获取适当的原子束，斯特恩及他的助手格罗克利用一个小坩埚，装上相应的样品，进行高温加热。坩埚开有一小缝通真空室，在高温推动下，样品物质的原子从缝中逸出就形成原子束，不过其中的原子具有不同的能量或速度。为获取等速的原子，阻止其他速度的原子，他们采用了费泽奥测光速的办法。问题在于原子的速度很高。如果两个槽轮装配在同一轴上，让它们各自向相反的方向转动，那么就只有那些正好在一个槽取代另一个槽的时间内越过两轮之间距离的原子才能顺利通过。这样通过的原子就具有大致相等的速度。 他们的智慧也表现在他们发明的第二个设备，即高强度磁场设备中。因为原子束通过磁场很快，为了产生和辨别出通过时有什么效应，例如说，由于空间量子化的神秘特性而使原子束分裂，磁场必须强而集中。为此他们把一个极做成像刀刃一样，另一极做成尖槽形，让原子束沿着这样狭窄的缝隙通过，就能产生最大效应。 他们用以探测原子束绕射的设备，没有新的特殊性，使用的是埃尔萨塞发明的电子绕射基本技术。这种技术由戴维森和杰默在1927年进行了改进，所以当斯特恩在1929年与斯特曼合作研究原子绕射问题时，就直接借用了这种技术。他们用锂晶作为绕射靶，用一个小室收集绕射的氦原子，绕射原子的数量通过测定小室的瞬时压力变化来确定。 所有这些方法一旦被想出来，设备也建立起来，实验本身就非常简单了。这反映了实验家的聪明才智。因为运动的电荷会产生磁场，而轨道电子是一种电荷，并且根据原子理论它们在不断运动着，所以它们应该产生各自的磁场。如果每个原子的所有电子的轨道仅在量子理论可能允许的一个平面内，那么每个原子的磁场就与该平面相关。于是，当有一个外磁场影响这些原子时，它们就会随其内磁场的情况对那个外磁场取一定方向。 如果存在如我前面说过的空间量子化，那么我们所想象的原子这样的小磁体的取向就不会是任意的，例如说“全是顺时针方向”，在斯特恩所研究的具体情况下，它们相对外磁场取两个不同角度。这和按第三量子数计算结果相符。每一个取向相对应于一个可能的电子轨道平面。 如果关掉外磁场再看原子束的图像，在照片上就只能看到模糊的单影；但是如果打开外磁场，原子束就立即分裂成两半：一些原子随其相应的量子化情况走一条路，另一些原子也随其相应的量子化情况走另一条路。这就是斯特恩所发现的现象。 物质波动性的证明也很直截了当。埃尔萨塞，戴维森和杰默已经用实验表明，电子能够绕射。很明显，这证明电子具有某种波动性，但这还只是一种特例，还不能作为一般物质都具有波动性的证据。毫无疑问，电子在一种情况下具有物质粒子特性，在另一种情况下，又具有波动特性。但氦原子是一种比较重的普通物质原子，如果它们也表明出绕射效应，那么德布罗格利关于物质都具有波动性的定律就更加牢固地建立了。 为了进行这种实验，他们把设备作了重新安排。原子束发生设备和一对开槽轮仍用来保证获得等速原子束，另外再安装上锂晶靶，原子绕射探测器。如果原子束像粒子流一样机械反射，那它就会像皮球碰到挡板一样反弹回来，反射角就大致等于入射角。但是如果它像波一样绕射，那么就会像绕射波前一样有绕射原子散布。这里再次表示出，斯特恩所设计的实验，是直截了当回答问题。 毫不奇怪，虽然前一两代物理学家几乎不能理解这些实验，但斯特恩和埃斯特曼却正好找到了他们所预料的结果，收集绕射散布原子的小集气罐的压力变化形式，升到某一顶点，正好说明氦原子束具有波动特性。 分子束实验法像斯特恩的学生又有学生一样在连续不断的发展。设备更加完善，出现了测量各种物质的原子束效应的新方法，但是不管又做出了多少出色的工作，这个领域的主要成就仍然是其奠基者斯特恩所取得的。 即使是汤姆生和卢瑟福所做的关于亚原子粒子特性的一系列令人信服的证明，也可能被新概念推翻。德布罗格利定律普遍适用于所有物质，就是比较重的整个原子也可能产生波动效应。发现这种效应所产生的结果和影响，目前还没有全部吸收到关于自然科学的哲学思想中来。实践的考验 |
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