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医学诺贝尔之路(1907):未被遗忘的拓荒者
songshuhui 2011-9-8 22:55
赵承渊 发表于 2011-08-15 12:30 1902年,罗纳德•罗斯(Ronald Ross)凭借对疟疾传播机理的发现摘走了第二届诺贝尔医学和生理学奖,这无疑是对罗斯本人忘我工作和辛勤付出的最好嘉奖。不过,平心而论,罗斯能够取得如此成就,显然是“站在了巨人的肩上”,而且他脚下的巨人还不止一位。除了前面曾经提到过的“热带医学之父” 帕特里克•曼森(Patrick Manson)教授之外,法国人拉弗兰也功不可没。 查尔斯•路易斯•阿方斯•拉弗兰(Charles Louis Alphonse Laveran,又译作拉韦朗、拉弗朗)1845年6月18日出生于法国巴黎的一个医学世家,他的父亲和祖父均是医生。18岁时拉弗兰立志追随父亲的从医之路,申请了斯特拉斯堡公共卫生学院并在那里学习了4年。22岁时拉弗兰如愿以偿成为了一名住院医师。1878年他被派往阿尔及利亚,非洲众多的疟疾患者很自然地使拉弗兰将研究重心转向了这种法国并不常见的传染病。 拉弗兰对众多因疟疾而死亡的患者进行了细致的尸检,并很快在死者血液中发现了黑色颗粒。不过,这个发现并不值得兴奋——在那之前,已经有许多研究者描述了同样的发现,只是当时人们还不能确定这种黑色颗粒是不是疟疾患者独有,没能把这种现象与致病病原体联系起来。拉弗兰显然对这种现状并不满意,他决心把这件事彻底弄清楚。在进行了更深入的研究后,拉弗兰终于发现这些颗粒体大小可变,能自由运动,行为酷似某种寄生虫。然而拉弗兰十分谨慎,并不急于公布自己的发现,直到1882年他在意大利的疟疾患者体内发现了同样的病原体后才最终确认这些黑色的小东西就是导致疟疾的罪魁祸首。1884年,拉弗兰发表了《发热疟疾的治疗》(raité des fièvres palustres),文中以480份病例资料为基础详细阐述了这种寄生虫在体内变化、增殖和侵袭的过程。大名鼎鼎的“疟原虫”终于浮出了水面。 可是,学术界却质疑拉弗兰的发现。原来,早在1879年,Klebs和Tommasi Crudeli就已经宣称他们在疟疾流行区的土壤和饮水中发现了疟疾的病原体“疟疾芽孢杆菌”。此后,又有许多意大利学者发表论文肯定了“疟疾芽孢杆菌”的存在,此其一;其二,拉弗兰报告的疟原虫是一种人们从来没有见过的寄生虫,大家对这种致病单细胞真核生物完全一无所知。在病原微生物学飞速发展的十九世纪后期,大批致病微生物被发现:结核病、肺炎、伤寒、白喉、破伤风、炭疽、霍乱……这些致命疾病的病原体无一例外均是细菌。于是,当学者们面对疟疾时,理所当然地认为疟疾大概也是某种细菌感染的产物。在这种环境下,学术界倾向于“疟疾芽孢杆菌”也就毫不奇怪了。疟原虫独特的表现与已知的病原微生物毫无相似之处,人们甚至不知道如何分类它。 不过随着观察和染色技术的进步,人们在不同的动物体内发现了若干种细胞内寄生的原生动物,这些动物与疟原虫的特征类似;另外,拉弗兰的疟原虫在大部分疟疾流行区都获得了证实。到了1889年,主流学术界基本上已经肯定了拉弗兰的发现,认为疟原虫的确为疟疾的病原。而此时的拉弗兰已经在研究疟原虫人体外的生活史。这个过程更为艰难:拉弗兰穷尽办法检测了疟疾病区的土壤,饮水和空气,却始终找不到疟原虫的踪迹。不过这些一无所获的努力也并非毫无价值——这至少意味着疟原虫在人体外并非简单存在于自然环境中。这时,曼森教授关于丝虫病的发现给了拉弗兰相当的提示:既然丝虫可以在蚊虫体内发育,那么疟原虫也可能存在类似的发育阶段。这一想法在多个场合被拉弗兰提及,直到1897年罗斯在疟蚊体内发现了疟原虫的卵囊并据此摘得了诺贝尔奖。 疟原虫的发现使科学家寻找致病生物的范围明显扩大了。到1890年,已经有一系列致病原生动物被发现,其中以锥虫最为出名。在非洲、亚洲和南美洲,锥虫引起了多种动物疫病和人畜共患疾病,最具代表性的就是冈比亚锥虫和罗德西亚锥虫引起的非洲昏睡病(sleeping-sickness)。多位科学家为发现致病原生动物做出了重要贡献,不过拉弗兰仍然是这其中最出色的一位。他比其他学者研究得更加深入,大大拓宽了人类对此类寄生虫形态、生物和病理学行为的认识。他将人工感染的实验动物带回巴黎的实验室进行研究,观察锥虫在大鼠、鱼类、鸟类和爬行动物体内的活动。拉弗兰描述的锥虫种类多达近30种,实际上,整个锥虫属的发现都要归功于他。拉弗兰撰写的专著已经成为原虫病理学方面的权威性著作。 27年间,拉弗兰从未停止过对致病原虫的科学探索。他的工作开拓了人们对致病生物的认识,将细菌之外的单细胞寄生虫带进了人们的视野。特别是在早期那种简陋原始的设备条件下,拉弗兰仍然能够不受固有思维的影响,坚持自己关于原虫的发现,这是非常难能可贵的。疟原虫的发现和其后对疟原虫传播途径的猜想对罗斯的诺贝尔奖更是产生了直接的推动作用,这样的贡献当然不能被遗忘。1907年,就在罗斯获奖之后的5年,诺贝尔奖评委会将第七次诺贝尔生理学和医学奖授予拉弗兰,以表彰他在致病原虫研究领域的杰出贡献。
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医学诺贝尔之路(1906):颁奖典礼上的争论
songshuhui 2011-9-4 20:51
赵承渊 发表于 2011-08-03 05:12 1839年,德国动物学家施万(TheodorSchwann,又译为雪旺、施旺)发表了著名的《关于动植物结构和生长一致性的显微研究》,标志着细胞学说的创立。在前人的工作基础上,施万论断:有机体是由细胞构成的,细胞是有机体生命活动和构造的基本单位。由于有大量翔实的动植物研究报告作为证据支撑,细胞学说迅速被全世界接受,并被誉为十九世纪最伟大的三大发现之一。不过,这一理论在应用于人类的时候却遇到了困难。在十九世纪,尽管人们发现人体内大多数器官和组织都有明确的细胞结构,但是有一个极为重要的部分却始终令人摸不着头脑:那就是神经系统。在中枢神经系统,人们一开始只是观察到了大量的纤维结构,早期的显微镜虽然也能观察到某些细胞,但是这些细胞与纤维组织究竟是如何联系的仍旧是个谜。当时有学者不禁哀叹:“关于脑结构的精细解剖就如同一本上了7层封条的书,并且…这部书是用象形文字撰写的……” 好在悲观情绪没有维持太久。随着显微镜的改进和观察技术的提高,到了1860年,人们已经认识到之前在中枢神经系统中观察到的纤维结构是由一些细胞的突起构成的。不过,关于神经细胞之间的联系人们仍然众说纷纭:神经细胞之间到底是相互独立的还是相互融合的?脑的工作形式究竟是怎样的?对于前一个问题的回答代表了学界的两种意见:如果神经细胞之间是相互独立的,那么细胞之间又是以何种形式传递信号的呢?在当时,这种形式(例如突触)仍属未知;如果神经细胞之间是相互融合的,那么这将意味着整个神经系统是一个巨大的网络,神经细胞胞体将只负责提供支持和营养,脑将作为一个整体来实现它的功能。 上述两种意见各自拥有自己的支持者。然而在当时,第二种意见,也被称为网状理论还是占据了主流——至少它看上去更加合理,也不需要研究什么“未知的形式”去完善理论。不过,科学还是要强调实证,不管是哪派猜想,都缺乏过硬的证据来支持自己的观点,双方为此争论不休,谁也说服不了谁。于是,解决问题的关键就落在如何对神经系统进行细致认真的观察上了:毕竟眼见为实,这也是终结争论的最佳方式。 可是事情绝非想象的那般容易。由于神经组织很难被染色,因此对神经系统的观察一直处于停滞不前的状态之中。这时,我们的第一位主人公登场了:他的名字叫卡米洛·高尔基(Camillo Golgi),意大利人,当时是一位住院医师。在业余时间,高尔基喜欢在一处由厨房改造的空间里做实验。他将硝酸银与重铬酸钾混合,制备出重铬酸银,并将后者用于组织染色。这种银染法对神经的穿透能力更强。高尔基发现,虽然大多数神经组织的染色效果仍然不好,但少数神经纤维和细胞在重铬酸银的作用下显示得非常清晰(后来人们才知道这是由于某些神经缺乏髓鞘)。高尔基将自己的发现发表了,不过反响却平平,原因是高尔基染色法的可靠性和可重复性都不能令人满意。高尔基为此相当沮丧,尽管他用这种方法发现了著名的细胞器“高尔基体”,但他仍然毅然决然地离开了神经组织学这一伤心领域,转向对疟疾的研究,并很快发现了间日疟和四日疟的病原体。这些发现终于使他名声显赫,当然这都是后话了。 高尔基染色法沉寂了大约5年,直到被另一位天才的科学家、西班牙人圣地亚哥·雷蒙·卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal)再次捡起。说来有趣,卡哈尔致力于组织学研究也可能并非出于个人热忱,而是经济原因。由于卡哈尔收入微薄,实验用的所有器材都需要自掏腰包,而组织学研究相对而言投入较少——只需一台过得去的显微镜就能开张了。卡哈尔认真研究了高尔基染色法,并对其加以改进使之更为可靠。更可贵的是,卡哈尔拥有非常出色的绘画才能,这使得他的研究结果富有表现力。 对于神经系统的结构,卡哈尔坚定地站在反对网状理论的一边。事实上,卡哈尔也是后来被公认的“神经元理论”的主要代表人物。今天,神经元理论已经被广泛接受,但在当时,网状理论却更加受欢迎。一百多年前,神经元理论的主张主要为: 1、神经元是中枢神经系统的生理单位,神经元是一个独立实体; 2、树突和轴突自神经细胞胞体伸展而出;神经细胞胞体负责支持与营养; 3、神经冲动的传导方向是自树突到胞体再到轴突,一般是单向的; 4、神经细胞之间存在生理不连续;神经冲动可以单向跨越这些不连续,并在神经元之间进行级联传导。 卡哈尔致力于观察视网膜神经细胞之间的联系。尽管当时视网膜细胞已经被充分认识,但这些细胞的排列及其缘由仍然不甚清楚。卡哈尔使得这些神经结构变得清晰且易于理解:既然视锥和视杆细胞传递的信息相互隔离,那么那种认为神经细胞相互融合成为一大网络的见解显然站不住脚。过硬的事实使得神经元理论开始赢得尊敬。不过,发明了神经染色法的高尔基却是个网状理论的支持者。 1906年,瑞典卡罗琳斯卡医学院将诺贝尔医学和生理学奖授予在神经组织学领域做出重要贡献的高尔基和卡哈尔。不过,两人学术上的分歧并未因此弥合。在颁奖典礼现场,获奖者要发表演说以阐述自己在该领域所做的工作。高尔基首先发言,他以脑部受损后功能的恢复以及脑组织强大一致的信息整合能力为依据再次申明了自己对网状理论的支持。 而卡哈尔则说:“的确,如果神经中枢是由运动神经……和感觉神经相互融合并连续组成的网络,那么事情会变得非常方便、经济和易于分析。不幸的是,大自然似乎无视了我们智力上对方便和一致的需求,而往往乐于表现出复杂性和多样性。” 本文内容来源:Ronald S. Fishman. The Nobel Prize of 1906. ARCH OPHTHALMOL. 2007;(125):690-694
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一意孤行的伯乐
热度 1 songshuhui 2011-8-29 12:07
科学松鼠会 发表于 2011-08-02 05:52 作者: 饶毅博士 ( 北京大学终身讲席教授、生命科学学院院长) 前篇请见 《 孟德尔:孤独的天才(上) 》《 孟德尔:孤独的天才(下) 》 西谚云:有才方识天才,庸才仅见自己 (talent recognizes genius, mediocrity recognizes only itself)。 多一些慧眼识英才的伯乐,可以使更多有特长和潜质的青年获得成长的条件,得到发挥的机会。也激励更多老师和资源掌握者做好的伯乐。 这里讲一个幕后英雄的故事,由于他有才、识才、惜才、爱才,使划时代的科学发现成为可能: 他不是科学家,却能抓住关键的科学问题; 他不在学术界,却能判断雇员的智力水平; 他不顾他人评价不同,坚决相信自己的判断; 他不顾自己资源有限,长期支持一人的研究。 没有他,很可能就没有作为科学家的孟德尔,也就不可能于1866年在学术机构以外诞生遗传学。 我在《孤独的天才》中介绍了孟德尔及其研究,可以看到:在科学界,孟德尔是孤独的。 就孟德尔的研究而言,其个人才能是必需,但非充分。因为,实验科学到一定阶段和规模,除个人的热情和才能以外,常常还需要其他条件。 那么,没有家庭背景和条件的孟德尔,是怎么成长为科学家的?如何能持续十年开展科学研究? 原来,虽然孟德尔在科学界的大环境没得到支持,但是,他在赖以生存和工作的局部环境中却获得了坚定的支持。 孟德尔做出重要发现,在研究中以其才能为主,运气成分不多。本文说明,他一生最大的运气,不是科学研究过程本身,而是碰到了伯乐。 欣赏和支持孟德尔的人不止一位。但是,给予孟德尔最有力、最持久、最重要支持的,是修道院的道长纳泊(František Cyril Napp, 1792-1867)。 修道院道长纳泊 修道院的智力环境 纳泊于1821年到奥匈帝国的布鲁恩(Brünn,现捷克Brno)的圣汤玛斯修道院(the Abbey of St. Thomas)。这是一个天主教奥古斯丁教派的修道院。1824年,纳泊任道长,直至1867年去世。孟德尔(1822-1884)一生的遗传学研究最主要的事情时期(1854-1864)皆在纳泊任内。 布鲁恩离维也纳一百多公里,当时纺织工业发达,对羊毛很有需求,对水果也有较大需求。当地动物和植物育种协会活动频繁,交流讨论频繁。协会记录显示,当地学者进行了许多育种实验,从改善品种的现实需要涉及基本科学问题。 纳泊的能干使修道院收入较好。其中,育羊是修道院重要的经济来源。但是,纳泊和当地动植物育种教授的密切联系,超出了实际应用的需求。 1870年,孟德尔自己任道长时指出:“修道院从来都认为培育所有方向的科学是首要任务之一。”这至少反映了他对前任纳泊时期修道院工作实质的认识和评价,也表明他有意愿继续此传统。 修道院不仅环境优美,而且有较好的图书馆。 纳泊吸引并支持有智力追求的神父,在人数不多的修道院形成了一个有智力追求的群体,有革命家、作家、数学家、哲学家、语言学家、作曲和指挥家(Pavel ,1820-1885)。修道院的厨娘Luise Ondrakova后来都出版了烹饪书。也许可以说,纳泊主持的修道院给家庭经济状况不好的人提供了智力追求的环境。 纳泊给修道院神父们提供智力环境,并非毫无阻力。他是布鲁恩当地教会第二号人物,顶头上司是布鲁恩教区主教Anton Ernst von Schaffgotsch (1804 - 1870),他们多次发生冲突。1854年Schaffgotsch主教受布拉格红衣主教委托巡视各修道院。他视察圣汤玛斯修道院后,非常不满纳泊过多外面的兼职、修道院其他神父过多参与科学和教育而忽略传教。他给上级的报告认为圣汤玛斯修道院无可挽救,建议撤销。因为纳泊已当选为终身道长,Schaffgotsch主教建议给他退休养老金,其他神父个案处理。 现在可以找到Schaffgotsch主教的报告:1855年底,布拉格红衣主教将它转交给了罗马教廷。我们不知道罗马教廷和布拉格红衣主教如何决定,也不知道纳泊如何应付,只知道圣汤玛斯修道院没有被关闭。 如果1855年关闭了修道院,那么孟德尔到哪有饭吃?他刚刚开始的实验命运如何?就都比较难说了。 纳泊爱才 人不可能十全十美,可能有性格问题,或其他问题,有才华的人也不例外。但纳泊看中人才后,看其主流,不怕其他人非议,保护他们。 在孟德尔之前,纳泊就支持过其他人。1830年,纳泊请数学家、修士Aurelius Thaler(1796-1843)在修道院建植物园,栽培稀有植物。孟德尔入修道院时,Thaler已去世三个月,但其植物园还在。当时由Franz Matouš Klácel (1808-1882)打理。 Klácel是纳泊1827年招聘来修道院的。Klácel爱好广泛,从哲学、诗词、写作、植物到社会活动,他是修道院的两位捷克人之一(纳泊和孟德尔都是日耳曼人),鼓吹捷克独立。他曾任当地哲学教授,很受学生欢迎。1844年,Klácel因为讲黑格尔哲学而被保守的势力剥夺教授资格。纳泊帮他伸冤未果,就让他在修道院管图书馆。1848年革命活动失败后,Klácel曾鼓动包括孟德尔在内的6位神父签名要求允许他们自由教学,也没成功。1868年,孟德尔当选道长后帮助Klácel获批准移民美国,Klácel到美国后做报纸编辑、出版商、作家,再也没做神父。 Klácel对植物感兴趣,做过植物实验,也经常和孟德尔讨论,内容包括达尔文理论发表以前的进化论雏形和后来的达尔文学说。 纳泊也曾鼓励Tomás Bratránek (1815 - 1884)继续深造,送他到大学攻读博士学位。Bratránek 也对植物感兴趣。Bratránek 到外地做教授后,继续和孟德尔等保持通讯联系。 孟德尔做研究的关键期间,纳泊、Klácel和等人形成相互支持、相互刺激的智力环境。 有深刻科学见解的神父 纳泊本人有浓厚的智力兴趣,不限于神学和哲学,也包括历史和农业。他担任过园艺协会会长、育羊协会成员。孟德尔加入的自然史学会,是农学会的分支,而纳泊曾任农学会的副会长。纳泊支持人工育种,知道杂交对实际应用的重要性。纳泊在学会刊物上发表过作物、水果和昆虫的文章。 纳泊不仅吸引一批有才华的人,提供物质保证和智力环境,而且在科学方面,他自己对于有相当深刻的见解。1836年,孟德尔年仅14岁,尚未进修道院,纳泊就曾在育种讨论会上提出:遗传就是关于动物的内在组织影响外在型式,应该研究。 1837年,纳泊在总结学会讨论时明确提出:应该讨论的问题不是培育的过程,而是遗传了什么、怎么遗传的。 这实际是遗传学的核心问题:神父纳泊,定义了尚未诞生的遗传学。 纳泊对孟德尔的超常支持 1843年孟德尔的老师将他推荐给纳泊,纳泊后来对孟德尔的支持可以说是到了一意孤行的程度。 而且,虽然纳泊去世前一年看到了孟德尔的研究结果,但他并未看到学术界对孟德尔理论的认同。不仅他没看到,孟德尔本人也没看到。因此,说纳泊对孟德尔的支持是至死不渝,并非夸张。 1845年至1848年,孟德尔在神学院学习,其中也学了科学和农业技术。 1849年,27岁的孟德尔正式行教时间不长,纳泊就致信布鲁恩教区主教Schaffgotsch:孟德尔学科学非常勤奋,但很不合适做传教的神父。原因是他造访病人或有痛苦的人时,发生不可克服的羞涩。他这个问题导致他自己危险地生病。Schaffgotsch并不喜支持孟德尔,但纳泊说孟德尔适合教书,Schaffgotsch让步。修道院的募捐理论上是支持传教的,神父的首要任务是传教,不传教还可以吃修道院的饭,没有道长的庇护恐怕做不到。 孟德尔先到布鲁恩城外的Znaim教中学,为暂时不能上课的老师代课,同事学生都说他教得好。原来他的羞涩只在“传教”,不在教书。只教了几个月,老师回来了,不用他再代。纳泊又把孟德尔送到布鲁恩一所学校,又代了几个月课。 总不能永远代课。彼时奥匈帝国正式教师已需证书。孟德尔于1850年申请考教师证书,但没考过动物学和地质学部分。考官笑话他不知道动物学名,全部用德文口语。这个缺陷,可能在孟德尔1866年论文中还有痕迹。他对于自己选用的豌豆,具体是何种属、学名是什么,不是非常确定,如果有现代心理医生,也许会猜他写论文时的犹豫和他以前考教师证书时说不出学名的关系。 有个考题问动物和人的关系,意思是生物学关系,孟德尔举例说:猫是能吃老鼠的有用动物,有漂亮的毛发。后来孟德尔的崇拜者看到他的答卷都觉得很可笑。幸运的是,考官客气地说:孟德尔不缺勤奋和才能,如果有机会到能接触更多信息的地方强化一下,可能会合适。 孟德尔第一次考中学教师资格考试没通过后,纳泊给主考老师之一Andreas von Baumgartner(1793-1865)写信,问为什么孟德尔没过。von Baumgartner说孟德尔自学到这个程度就不错,要是到大学进修一下更好。 Andreas von Baumgartner 于是纳泊送孟德尔到维也纳大学进修。Schaffgotsch主教批准是有条件的:孟德尔在维也纳生活得像个神父,意思是得住在修道院。但维也纳的修道院没有房间给孟德尔。纳泊仍坚持送孟德尔去,不怕他受大城市腐败的影响。纳泊也曾说:我会不惜经费使他得到进一步训练。 1851年到1853年,孟德尔在维也纳大学的两年学了物理、数学、植物、动物和显微镜。他修的70多个学分中,一半是物理和数学。第一学期全部学物理。第一位物理学老师是多普勒效应的发现者Christian Doppler (1803-1853),孟德尔注册了Doppler两个学期的物理,可能因为他学得较好,做过物理实验的助教。多普勒病逝后,物理老师是Andreas von Ettingshausen (1796-1878)也是数学家,1826年曾出版《组合数学》一书。孟德尔在维也纳大学的第四个学期修了Ettingshausen的“物理仪器应用和高等数学物理”,也就学了组合分析。这为孟德尔研究遗传提供了需要的数学,使孟德尔成为用数学成功研究生物的先驱。 Christian Doppler 维也纳大学教孟德尔的生物老师有Edward Fenzl (1808-1979)和Franz Unger(1800-1870)。Fenzl教的是保守陈旧的植物学,认为有超出物理化学原理的活力推动一切生物。Unger是开明的老师,讲新思想、新进展,他讲了达尔文以前的朴素进化思想,也介绍了Mattias Jakob Schleiden(1804-1881)的“科学植物学”,以Schleiden、Theodor Schwan(1810-1882)和Rudolf Virchow(1821-1902)等创立的“细胞学说”理解植物,认为植物整个都由细胞组成。Unger提出一个花粉细胞和一个卵细胞结合后长成植物个体,这部分内容对孟德尔做研究和分析结果有直接意义。经Unger推荐,孟德尔念过其他科学家的植物杂交实验论文。1866年,孟德尔在论文中引用的Josef Klreuter(1733-1806)和Karl Friedrich von Grtner (1772-1850),他都在维也纳时学过。孟德尔也学了显微镜,为他日后的植物杂交提供了实验操作训练。 从理论到实验,孟德尔都获得了良好的科学训练。所以,虽然他后来不在教育和科研机构工作,他从事科学研究,不仅有扎实的基础,而且遵循科研规律。所以,和爱因斯坦一样,孟德尔也不是自立规矩的所谓“民间科学家”。 可是,孟德尔第二次还是没考到教师证书。与第一次考试不同,第二次考试没留下记录。一个说法是孟德尔考试怯场。另有个说法是孟德尔和Fenzl发生冲突,孟德尔回修道院做研究也是为了证明自己对,Fenzl错。这个故事很好听,但并无证据。 孟德尔的再次不第,并没有让纳泊怀疑自己的眼光,也没有动摇他支持孟德尔的决心。孟德尔终生都没能取得正式教师资格,但是,纳泊继续让孟德尔做代课老师,孟德尔到了布鲁恩实科中学(Brünn Realschule)。中学校长Josef Auspitz (1812-1889)也很支持孟德尔,让他无证教了14年的物理和自然史。Auspitz还可能很早认识到孟德尔发现遗传规律的重要性。 对于其他人(包括彼时的专家、教授)相当不认可、两次考试失败的孟德尔,纳泊的支持非但没有减少,反而变本加厉:1854年,他增加对孟德尔的支持,不仅精神支持,而且物质支持。孟德尔做实验需要暖房,纳泊就出资修建。 1848年Klácel积极参与革命活动后,将修道院的植物园交给孟德尔。为了做遗传实验,孟德尔需要暖房。这相对于一个不大的修道院来说,是很大的一笔开支。1854年,孟德尔刚从维也纳大学回来不久,纳泊开始给他盖暖房,1855年交付使用。用这个暖房和一个露天的场地,孟德尔通过长年的研究奠定了遗传学基础。 虽然在科学界,没人支持、接受孟德尔,但在小小的修道院里,却有纳泊道长一如既往、尽心竭力地为他提供着强有力的支持。 纳泊自始自终全力支持孟德尔:孟德尔没钱吃饭,纳泊收他进修道院;孟德尔喜欢科学,纳泊就让他不用传教;孟德尔没有教师资格,纳泊就让他代课;孟德尔没有考过证书,纳泊让他去大学进修;孟德尔需要研究条件,纳泊就给他盖暖房。 纳泊去世前两年,孟德尔宣读了研究结果。纳泊知道孟德尔的结果和理论。他也许理解孟德尔工作的伟大,也许并不那么理解,但正是他一如既往、尽心竭力的支持成就了孟德尔,造就了这位超越时代的天才,催生了遗传学,奠定了现代生命科学的一个主要支柱。 纳泊成为对生命科学起过最重要作用的伯乐,也许是世界上最有成效的伯乐之一。 作者注:感谢朱作言老师提供的2002年9月摄修道院和孟德尔实验园地遗址照片。 参考资料: http://www.mendelweb.org/ Henig RM (2000). The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius of Gregor Mendel, the Father of Genetics. Houghton Mifflin, Boston. Iltis H (1924). Gregor Johann Mendel. Leben, Werk und Wirkung. Springer, Berlin. English translation by Eden and Cedar Paul (1932), W.W. Norton Company, Inc. New York. Mawer S (2006). Gregor Mendel: planting the seeds of genetics. Abrams NY, Fields Museum, Chicago. Orel V (1973). The scientific milieu in Brno during the era of Mendel's research. Journal of Heredity 64:314-318. Orel V (1996). Gregor Mendel the first geneticist. Oxford University Press. Orel V and Wood RJ (2000). Essence and origin of Mendel’s discovery. C.R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences 323:1037-1041. Orel V (2009). The “useful questions of heredity” before Mendel. Journal of Heredity 100: 421-423. Peaslee MH and Orel V (2002). Contributions of the Members of the Augustinian Monastery in Brno, Focusing on F. M. Klácel, Philosopher and Teacher, and J. G. Mendel, Father of Genetics. 20th SVU World Congress, American University, Washington, D.C. http://www.upt.pitt.edu/upt_peaslee/svu_2000.htm Weiling F (1991). Historical study: Johan Gregor Mendel (1822-1884). American Journal of Medical Genetics 40:1-25. 本文已发表于2010年10月《科学文化评论》
个人分类: 八卦|1791 次阅读|1 个评论
一意孤行的伯乐
songshuhui 2011-8-20 10:58
科学松鼠会 发表于 2011-08-02 05:52 作者: 饶毅博士 ( 北京大学终身讲席教授、生命科学学院院长) 前篇请见 《 孟德尔:孤独的天才(上) 》《 孟德尔:孤独的天才(下) 》 西谚云:有才方识天才,庸才仅见自己 (talent recognizes genius, mediocrity recognizes only itself)。 多一些慧眼识英才的伯乐,可以使更多有特长和潜质的青年获得成长的条件,得到发挥的机会。也激励更多老师和资源掌握者做好的伯乐。 这里讲一个幕后英雄的故事,由于他有才、识才、惜才、爱才,使划时代的科学发现成为可能: 他不是科学家,却能抓住关键的科学问题; 他不在学术界,却能判断雇员的智力水平; 他不顾他人评价不同,坚决相信自己的判断; 他不顾自己资源有限,长期支持一人的研究。 没有他,很可能就没有作为科学家的孟德尔,也就不可能于1866年在学术机构以外诞生遗传学。 我在《孤独的天才》中介绍了孟德尔及其研究,可以看到:在科学界,孟德尔是孤独的。 就孟德尔的研究而言,其个人才能是必需,但非充分。因为,实验科学到一定阶段和规模,除个人的热情和才能以外,常常还需要其他条件。 那么,没有家庭背景和条件的孟德尔,是怎么成长为科学家的?如何能持续十年开展科学研究? 原来,虽然孟德尔在科学界的大环境没得到支持,但是,他在赖以生存和工作的局部环境中却获得了坚定的支持。 孟德尔做出重要发现,在研究中以其才能为主,运气成分不多。本文说明,他一生最大的运气,不是科学研究过程本身,而是碰到了伯乐。 欣赏和支持孟德尔的人不止一位。但是,给予孟德尔最有力、最持久、最重要支持的,是修道院的道长纳泊(František Cyril Napp, 1792-1867)。 修道院道长纳泊 修道院的智力环境 纳泊于1821年到奥匈帝国的布鲁恩(Brünn,现捷克Brno)的圣汤玛斯修道院(the Abbey of St. Thomas)。这是一个天主教奥古斯丁教派的修道院。1824年,纳泊任道长,直至1867年去世。孟德尔(1822-1884)一生的遗传学研究最主要的事情时期(1854-1864)皆在纳泊任内。 布鲁恩离维也纳一百多公里,当时纺织工业发达,对羊毛很有需求,对水果也有较大需求。当地动物和植物育种协会活动频繁,交流讨论频繁。协会记录显示,当地学者进行了许多育种实验,从改善品种的现实需要涉及基本科学问题。 纳泊的能干使修道院收入较好。其中,育羊是修道院重要的经济来源。但是,纳泊和当地动植物育种教授的密切联系,超出了实际应用的需求。 1870年,孟德尔自己任道长时指出:“修道院从来都认为培育所有方向的科学是首要任务之一。”这至少反映了他对前任纳泊时期修道院工作实质的认识和评价,也表明他有意愿继续此传统。 修道院不仅环境优美,而且有较好的图书馆。 纳泊吸引并支持有智力追求的神父,在人数不多的修道院形成了一个有智力追求的群体,有革命家、作家、数学家、哲学家、语言学家、作曲和指挥家(Pavel ,1820-1885)。修道院的厨娘Luise Ondrakova后来都出版了烹饪书。也许可以说,纳泊主持的修道院给家庭经济状况不好的人提供了智力追求的环境。 纳泊给修道院神父们提供智力环境,并非毫无阻力。他是布鲁恩当地教会第二号人物,顶头上司是布鲁恩教区主教Anton Ernst von Schaffgotsch (1804 - 1870),他们多次发生冲突。1854年Schaffgotsch主教受布拉格红衣主教委托巡视各修道院。他视察圣汤玛斯修道院后,非常不满纳泊过多外面的兼职、修道院其他神父过多参与科学和教育而忽略传教。他给上级的报告认为圣汤玛斯修道院无可挽救,建议撤销。因为纳泊已当选为终身道长,Schaffgotsch主教建议给他退休养老金,其他神父个案处理。 现在可以找到Schaffgotsch主教的报告:1855年底,布拉格红衣主教将它转交给了罗马教廷。我们不知道罗马教廷和布拉格红衣主教如何决定,也不知道纳泊如何应付,只知道圣汤玛斯修道院没有被关闭。 如果1855年关闭了修道院,那么孟德尔到哪有饭吃?他刚刚开始的实验命运如何?就都比较难说了。 纳泊爱才 人不可能十全十美,可能有性格问题,或其他问题,有才华的人也不例外。但纳泊看中人才后,看其主流,不怕其他人非议,保护他们。 在孟德尔之前,纳泊就支持过其他人。1830年,纳泊请数学家、修士Aurelius Thaler(1796-1843)在修道院建植物园,栽培稀有植物。孟德尔入修道院时,Thaler已去世三个月,但其植物园还在。当时由Franz Matouš Klácel (1808-1882)打理。 Klácel是纳泊1827年招聘来修道院的。Klácel爱好广泛,从哲学、诗词、写作、植物到社会活动,他是修道院的两位捷克人之一(纳泊和孟德尔都是日耳曼人),鼓吹捷克独立。他曾任当地哲学教授,很受学生欢迎。1844年,Klácel因为讲黑格尔哲学而被保守的势力剥夺教授资格。纳泊帮他伸冤未果,就让他在修道院管图书馆。1848年革命活动失败后,Klácel曾鼓动包括孟德尔在内的6位神父签名要求允许他们自由教学,也没成功。1868年,孟德尔当选道长后帮助Klácel获批准移民美国,Klácel到美国后做报纸编辑、出版商、作家,再也没做神父。 Klácel对植物感兴趣,做过植物实验,也经常和孟德尔讨论,内容包括达尔文理论发表以前的进化论雏形和后来的达尔文学说。 纳泊也曾鼓励Tomás Bratránek (1815 - 1884)继续深造,送他到大学攻读博士学位。Bratránek 也对植物感兴趣。Bratránek 到外地做教授后,继续和孟德尔等保持通讯联系。 孟德尔做研究的关键期间,纳泊、Klácel和等人形成相互支持、相互刺激的智力环境。 有深刻科学见解的神父 纳泊本人有浓厚的智力兴趣,不限于神学和哲学,也包括历史和农业。他担任过园艺协会会长、育羊协会成员。孟德尔加入的自然史学会,是农学会的分支,而纳泊曾任农学会的副会长。纳泊支持人工育种,知道杂交对实际应用的重要性。纳泊在学会刊物上发表过作物、水果和昆虫的文章。 纳泊不仅吸引一批有才华的人,提供物质保证和智力环境,而且在科学方面,他自己对于有相当深刻的见解。1836年,孟德尔年仅14岁,尚未进修道院,纳泊就曾在育种讨论会上提出:遗传就是关于动物的内在组织影响外在型式,应该研究。 1837年,纳泊在总结学会讨论时明确提出:应该讨论的问题不是培育的过程,而是遗传了什么、怎么遗传的。 这实际是遗传学的核心问题:神父纳泊,定义了尚未诞生的遗传学。 纳泊对孟德尔的超常支持 1843年孟德尔的老师将他推荐给纳泊,纳泊后来对孟德尔的支持可以说是到了一意孤行的程度。 而且,虽然纳泊去世前一年看到了孟德尔的研究结果,但他并未看到学术界对孟德尔理论的认同。不仅他没看到,孟德尔本人也没看到。因此,说纳泊对孟德尔的支持是至死不渝,并非夸张。 1845年至1848年,孟德尔在神学院学习,其中也学了科学和农业技术。 1849年,27岁的孟德尔正式行教时间不长,纳泊就致信布鲁恩教区主教Schaffgotsch:孟德尔学科学非常勤奋,但很不合适做传教的神父。原因是他造访病人或有痛苦的人时,发生不可克服的羞涩。他这个问题导致他自己危险地生病。Schaffgotsch并不喜支持孟德尔,但纳泊说孟德尔适合教书,Schaffgotsch让步。修道院的募捐理论上是支持传教的,神父的首要任务是传教,不传教还可以吃修道院的饭,没有道长的庇护恐怕做不到。 孟德尔先到布鲁恩城外的Znaim教中学,为暂时不能上课的老师代课,同事学生都说他教得好。原来他的羞涩只在“传教”,不在教书。只教了几个月,老师回来了,不用他再代。纳泊又把孟德尔送到布鲁恩一所学校,又代了几个月课。 总不能永远代课。彼时奥匈帝国正式教师已需证书。孟德尔于1850年申请考教师证书,但没考过动物学和地质学部分。考官笑话他不知道动物学名,全部用德文口语。这个缺陷,可能在孟德尔1866年论文中还有痕迹。他对于自己选用的豌豆,具体是何种属、学名是什么,不是非常确定,如果有现代心理医生,也许会猜他写论文时的犹豫和他以前考教师证书时说不出学名的关系。 有个考题问动物和人的关系,意思是生物学关系,孟德尔举例说:猫是能吃老鼠的有用动物,有漂亮的毛发。后来孟德尔的崇拜者看到他的答卷都觉得很可笑。幸运的是,考官客气地说:孟德尔不缺勤奋和才能,如果有机会到能接触更多信息的地方强化一下,可能会合适。 孟德尔第一次考中学教师资格考试没通过后,纳泊给主考老师之一Andreas von Baumgartner(1793-1865)写信,问为什么孟德尔没过。von Baumgartner说孟德尔自学到这个程度就不错,要是到大学进修一下更好。 Andreas von Baumgartner 于是纳泊送孟德尔到维也纳大学进修。Schaffgotsch主教批准是有条件的:孟德尔在维也纳生活得像个神父,意思是得住在修道院。但维也纳的修道院没有房间给孟德尔。纳泊仍坚持送孟德尔去,不怕他受大城市腐败的影响。纳泊也曾说:我会不惜经费使他得到进一步训练。 1851年到1853年,孟德尔在维也纳大学的两年学了物理、数学、植物、动物和显微镜。他修的70多个学分中,一半是物理和数学。第一学期全部学物理。第一位物理学老师是多普勒效应的发现者Christian Doppler (1803-1853),孟德尔注册了Doppler两个学期的物理,可能因为他学得较好,做过物理实验的助教。多普勒病逝后,物理老师是Andreas von Ettingshausen (1796-1878)也是数学家,1826年曾出版《组合数学》一书。孟德尔在维也纳大学的第四个学期修了Ettingshausen的“物理仪器应用和高等数学物理”,也就学了组合分析。这为孟德尔研究遗传提供了需要的数学,使孟德尔成为用数学成功研究生物的先驱。 Christian Doppler 维也纳大学教孟德尔的生物老师有Edward Fenzl (1808-1979)和Franz Unger(1800-1870)。Fenzl教的是保守陈旧的植物学,认为有超出物理化学原理的活力推动一切生物。Unger是开明的老师,讲新思想、新进展,他讲了达尔文以前的朴素进化思想,也介绍了Mattias Jakob Schleiden(1804-1881)的“科学植物学”,以Schleiden、Theodor Schwan(1810-1882)和Rudolf Virchow(1821-1902)等创立的“细胞学说”理解植物,认为植物整个都由细胞组成。Unger提出一个花粉细胞和一个卵细胞结合后长成植物个体,这部分内容对孟德尔做研究和分析结果有直接意义。经Unger推荐,孟德尔念过其他科学家的植物杂交实验论文。1866年,孟德尔在论文中引用的Josef Kölreuter(1733-1806)和Karl Friedrich von Gärtner (1772-1850),他都在维也纳时学过。孟德尔也学了显微镜,为他日后的植物杂交提供了实验操作训练。 从理论到实验,孟德尔都获得了良好的科学训练。所以,虽然他后来不在教育和科研机构工作,他从事科学研究,不仅有扎实的基础,而且遵循科研规律。所以,和爱因斯坦一样,孟德尔也不是自立规矩的所谓“民间科学家”。 可是,孟德尔第二次还是没考到教师证书。与第一次考试不同,第二次考试没留下记录。一个说法是孟德尔考试怯场。另有个说法是孟德尔和Fenzl发生冲突,孟德尔回修道院做研究也是为了证明自己对,Fenzl错。这个故事很好听,但并无证据。 孟德尔的再次不第,并没有让纳泊怀疑自己的眼光,也没有动摇他支持孟德尔的决心。孟德尔终生都没能取得正式教师资格,但是,纳泊继续让孟德尔做代课老师,孟德尔到了布鲁恩实科中学(Brünn Realschule)。中学校长Josef Auspitz (1812-1889)也很支持孟德尔,让他无证教了14年的物理和自然史。Auspitz还可能很早认识到孟德尔发现遗传规律的重要性。 对于其他人(包括彼时的专家、教授)相当不认可、两次考试失败的孟德尔,纳泊的支持非但没有减少,反而变本加厉:1854年,他增加对孟德尔的支持,不仅精神支持,而且物质支持。孟德尔做实验需要暖房,纳泊就出资修建。 1848年Klácel积极参与革命活动后,将修道院的植物园交给孟德尔。为了做遗传实验,孟德尔需要暖房。这相对于一个不大的修道院来说,是很大的一笔开支。1854年,孟德尔刚从维也纳大学回来不久,纳泊开始给他盖暖房,1855年交付使用。用这个暖房和一个露天的场地,孟德尔通过长年的研究奠定了遗传学基础。 虽然在科学界,没人支持、接受孟德尔,但在小小的修道院里,却有纳泊道长一如既往、尽心竭力地为他提供着强有力的支持。 纳泊自始自终全力支持孟德尔:孟德尔没钱吃饭,纳泊收他进修道院;孟德尔喜欢科学,纳泊就让他不用传教;孟德尔没有教师资格,纳泊就让他代课;孟德尔没有考过证书,纳泊让他去大学进修;孟德尔需要研究条件,纳泊就给他盖暖房。 纳泊去世前两年,孟德尔宣读了研究结果。纳泊知道孟德尔的结果和理论。他也许理解孟德尔工作的伟大,也许并不那么理解,但正是他一如既往、尽心竭力的支持成就了孟德尔,造就了这位超越时代的天才,催生了遗传学,奠定了现代生命科学的一个主要支柱。 纳泊成为对生命科学起过最重要作用的伯乐,也许是世界上最有成效的伯乐之一。 作者注:感谢朱作言老师提供的2002年9月摄修道院和孟德尔实验园地遗址照片。 参考资料: http://www.mendelweb.org/ Henig RM (2000). The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius of Gregor Mendel, the Father of Genetics. Houghton Mifflin, Boston. Iltis H (1924). Gregor Johann Mendel. Leben, Werk und Wirkung. Springer, Berlin. English translation by Eden and Cedar Paul (1932), W.W. Norton Company, Inc. New York. Mawer S (2006). Gregor Mendel: planting the seeds of genetics. Abrams NY, Fields Museum, Chicago. Orel V (1973). The scientific milieu in Brno during the era of Mendel's research. Journal of Heredity 64:314-318. Orel V (1996). Gregor Mendel the first geneticist. Oxford University Press. Orel V and Wood RJ (2000). Essence and origin of Mendel’s discovery. C.R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences 323:1037-1041. Orel V (2009). The “useful questions of heredity” before Mendel. Journal of Heredity 100: 421-423. Peaslee MH and Orel V (2002). Contributions of the Members of the Augustinian Monastery in Brno, Focusing on F. M. Klácel, Philosopher and Teacher, and J. G. Mendel, Father of Genetics. 20th SVU World Congress, American University, Washington, D.C. http://www.upt.pitt.edu/upt_peaslee/svu_2000.htm Weiling F (1991). Historical study: Johan Gregor Mendel (1822-1884). American Journal of Medical Genetics 40:1-25. 本文已发表于2010年10月《科学文化评论》
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孟德尔:孤独的天才(下)
songshuhui 2011-8-20 10:52
科学松鼠会 发表于 2011-07-22 05:04 作者:饶毅博士 ( 北京大学终身讲席教授、生命科学学院院长) 孟德尔的生前身后 孟德尔出生地德文称Heinzendorf,捷克称Hyncice,现在捷克境内,当时属于奥匈帝国。孟德尔的父亲是佃农,每周四天料理自家的田地,三天给一位女伯爵干农活。命运似乎注定了孟德尔不得不子承父业,终其一生在农田中度过,但当地的神父Johann A.E. Schreiber (1769-1850)鼓励孟德尔的父母让他多受教育。孟德尔自己也要与命运抗争,并得到姐妹的支持。孟德尔后来为报答妹妹的支持,资助了她的孩子读书。 1850年4月17日,他为了考教师证以第三人称写过一个自我简介,清楚地说明了他的情况、心境和决心,信的大意是: …小学后,1834年他上中学。4年后,接连不断的灾难 ,使他父母完全不能支持他学业所需的费用。因此,16岁的他落入不得不完全自己支持自己的可悲境地。所以,他一边给人做家教,一边上学。1840年中学毕业时,首要问题是取得必要的生活来源。因此,他曾多次试图做家庭教师,由于没有朋友和推荐,未果。失去希望和焦虑的痛苦、未来前景的悲观,彼时对他有强烈影响,导致生病,被迫和父母待了一年。次年,他努力后得以做私人教师,以支持学业。通过极大努力后,他成功地修完两年的哲学。他意识到无法这样继续下去,所以在学完哲学后,他觉得非得进入一个生命驿站,能让自己脱离痛苦的生存挣扎。他的境况决定了他的职业选择。 1843年,他要求并得以进入布鲁诺的圣汤玛斯修道院。从此,他的物质境况彻底改变。有物质生活的舒适后,他重新获得勇气和力量。他满心欢喜和集中精力学习经典。空余时间忙于修道院一个小型植物和矿物收藏。有机会接触后,他对自然科学的特别爱好更加深化。…虽然缺乏口头教育,而且当时教学方法特别困难,从此他却更依附于自然研究。他努力通过自学和接受有经验者的教诲,来弥补自己的缺陷。1845年,他到布鲁诺哲学学院听了农业、园艺和葡萄种植课程。…他很乐意代课,倾力以容易理解的方式教学生,并非无成效… 他坦陈入修道院不是为了宗教信仰,而是经济原因。这一重要的人生选择中他权衡的不是神圣与世俗,而是智力追求与成家育子的权利。为了头脑,他舍弃了生殖权。对于血气方刚的青年,并非容易,而需要很大的决心。孟德尔的决定也和中国传统的一种说法(也是当代相当一部分华人的想法)不同:这些人读书是为了颜如玉,而孟德尔为了智力追求放弃颜如玉。 1843年,不满21岁的孟德尔进入布鲁恩(Brünn,现称Brno)的圣汤玛斯修道院(the Abbey of St. Thomas),并于1847年25岁成为神父。孟德尔原名Johann,入修道院后加Gregor教名。 到修道院后,他同时做过代课老师。那时,中学老师已需要证书。孟德尔第一次教师资格考试没通过,被送到维也纳大学去学习,这加强了他的科学背景。孟德尔曾再考教师资格,还是没能通过,而且,估计两次都是没过生物学,所以后来只能做代课老师,在当地的实科中学(Brünn Realschule)教了14年低年级物理学和自然史。他一直以实验物理学家自称,而不说是生物学家。 孟德尔积极参与学术活动。他长期研究气象,曾任国家气象和地磁研究所布鲁恩站长,1862年提交布鲁恩地区15年气象总结。他一生中参与了八个科学学会、二十六个非科学协会。1861年,孟德尔在任课的中学和一百多人共同创立当地的自然史学会。1865年2月8号和3月8号两个星期三的晚上,在布鲁恩自然科学学会,孟德尔宣读了豌豆研究结果。当地小报对孟德尔演讲有报道,但未能引起国际科学界的注意。 1866年论文发表后,孟德尔将40份抽印本寄给国际上的科学家,后人找到了13份的下落,传说达尔文处有,并未证实。发表文章的杂志有120本在世界主要图书馆。 1868年,修道院院长去世后,孟德尔经过两轮选举后当选院长。他再不用教书,但其他工作依旧繁重,他还是尽量做了研究。他用了多种植物做遗传实验。留下的纸片表明在去世前三年,他还在想有关豌豆的遗传问题。1865年到1878年,他记录了14年的地下水位。1870年,他加入养蜂协会,1877年报告对蜜蜂飞行和产蜜量的四年观察。他曾研究苹果和梨的抗病性。在一些协会刊物中,他以M和GM笔名写过一些短篇。 孟德尔生活丰富。他的政治观点偏自由派,与自己的教会背景矛盾。而他支持的自由派掌政时,出台的税收政策却对他的修道院很不利。政府为缓和与他争论曾安排他任银行副董事长和董事长。但他持续十年坚决反对税收,造成他晚年生活很大的苦恼。他在政治上左右碰壁。 1884年1月6日,孟德尔去世。他生前要求尸检,结果表明他肾炎并发心脏病。有位年轻的神父将其诗化,称孟德尔是心给伤了。孟德尔自己是乐天派,年纪大的时候回顾自己一生满意多于不满意。 园艺协会刊物讣告称:“他的植物杂交实验开创了新时代”。 猜想讣告作者是刊物主编Josef Auspitz(1812-1889),他曾任实科中学校长,支持孟德尔无证代课14年,是孟德尔的重要支持者和欣赏者之一。 但是,讣告的溢美之辞远非共识。 据他的朋友Gustav von Niessl (1839-1919)说,孟德尔生前相信“我的时代会到来”。确实如此。但是,要等他去世16年、理论公布34年以后。 1900年声称重新发现孟德尔的三位科学家,后来有争议,其中de Vries的第一篇论文不提孟德尔,后来可能因为隐瞒不住曾借鉴孟德尔的事实(包括难以解释如果他没有读过孟德尔,为什么他第一篇文章用了孟德尔的dominant和recessive两个词)以后,在第二篇论文中说是重新发现孟德尔。von Tschermak可能不懂孟德尔也说自己重新发现了孟德尔,所以史学家认为不能算。有趣的是,von Tschermak的外公 Edward Fenzl是维也纳大学教孟德尔的生物老师之一,不仅教学保守,也可能是没让孟德尔第二次考到教师证书的考官之一。 孟德尔“造假”案溯源 除了有人说孟德尔不懂自己发现了什么以外,对于孟德尔最大的冤枉是说他编造了实验结果。 英国统计学家和遗传学家费舍尔(1890-1962)于1936年首先发难,他对孟德尔的实验数据进行统计分析后,断定孟德尔的数据过于接近理想数据。轻一点说,孟德尔可能有我们不知道的助手,在做了前两年实验导致孟德尔有理论后,助手为了满足孟德尔的理论而在后面几年给孟德尔提供他喜欢的数据。重一点说就很难听:“多数——如果不是所有——的实验结果都伪造了,以期贴切地符合孟德尔的预期”。以后每过一些年,就有人小聪明地又发现孟德尔的“问题”。 反击孟德尔造假说法的文章也不断。最近一篇较好的反击是2007年哈佛大学Hartl 和Fairbanks 发表于《遗传》杂志的文章。 我认为,给孟德尔伸冤的首要理由是:他无需造假。科学对于他来说不能带来利益。他如果造假,最对不起的是放弃生育人权、十几年如一日做研究的他自己。 其次,孟德尔时代没有统计学。统计学是几十年以后发明的。孟德尔只需分析数量关系,无需检验统计显著性。那时不知道应该做多少次实验、收集多少数据后才应该停止实验。可能是孟德尔收集到觉得差不多的就时候停止,所以数据会接近预计。孟德尔也在论文中明确说过,有一次实验漂移较远,他重复了实验后,数据更接近预计。 孟德尔的行为证明他不是造假和隐瞒不利结果的人。他曾努力使怀疑自己工作重要性的Nägeli相信自己发现的规律。但即使这种情况下,他也没隐瞒自己发现了有悖于自己理论的现象。他把自己的豌豆种子给了Nägeli和其他人,希望他们验证自己的结果。1870年7月3日,孟德尔致Nägeli信说:我观察到山柳菊的杂交行为与豌豆的正好相反。但我认为山柳菊是个别现象,而豌豆中发现的是更高的、更根本的规律,因为去年我做了另外四种植物其杂交后代行为都和豌豆一样。 孟德尔不仅在给Nägeli的信说明了山柳菊的结果,而且将结果在1869年发表了。后来多年认为,有两种遗传方式,一种是“豌豆式”(符合经典孟德尔学说),一种是“山柳菊式”(不符合孟德尔学说)。虽然以后也发现这些生物其实都符合孟德尔学说,造成困惑是因为山柳菊是单性遗传,但当时孟德尔以为山柳菊与豌豆不同。如果孟德尔造假,或选择只符合自己理论的结果,那么他就无需在已经公开自己的理论后,将只有他自己知道的山柳菊的结果直接告诉一位不愿接受自己理论的人,而且发表第二篇生物学论文,公布与第一篇的矛盾。 孟德尔的精神遗产 孟德尔以天生的才能、青年的果断和壮年的坚持,在困难中成长,以放弃获得条件,在失败中得机遇,最终在有限的环境做出了超越时代的发现。 孟德尔的成就,一百多年来催生了多个现代科学学科。首先是直接导致遗传学诞生,而对于同时期诞生的进化论,孟德尔可能隐约知道自己工作的意义,虽然遗传学和进化论结合于1930年代。二十世纪遗传学与生物化学结合,并与微生物、生物物理学交叉,在1950年代又催生了分子生物学。1970年代诞生的重组DNA技术,全面改观了生命科学:分子生物学深入到从医学到农业各个领域,带来多个学科的变革,人类遗传学、基因组学、生物信息学是其直接传承。 在应用上,遗传学带来了二十世纪绿色革命,对于解决全人类食物起了很大作用。遗传学通过分子生物学和重组DNA技术,带来生物技术产业。现代遗传学为个体化医学奠定了必不可少的基础,虽然我们今天还远未达到个体化医学的远景。 孟德尔的发现,对于科学和人类,今后长期还将有深远影响。 最后的问题是:既然孟德尔不受科学家重视,不为科学界所认同,那么,他怎么能获得做研究的条件? 这个问题,背后有一个更加鲜为人知的故事:欲知后事如何,请听下回分解…… 注: 感谢龙漫远、白书农、饶广远的帮助。 孟德尔用“杂交”一词,是现代意义的cross(动物可译成“交配”、植物“授粉”),而非后来科学家重新定义的“杂交”,即 不同种或不同品系之间的交配。孟德尔文章中多半都是同种植物的交配,并非物种或品系间的交配。“杂交”一词今天在中国学生和老师中仍未严格使用,部分原因可能是学孟德尔理论时听惯了杂交一词。 本文中斜体都是孟德尔原文的着重强调。 孟德尔的论文中用了“对照实验”(control)一词。每个在野外做的实验,他都在暖房中也做了,证明野外实验未因昆虫或外源花粉等环境因素所干扰,结果可信,他才采用。 孟德尔用花粉细胞来表示精细胞。现在知道花粉中包含2或3个细胞。参与受精的是其中的两个精细胞。 孟德尔在结语中说花粉细胞和卵细胞结合成单个细胞后,“同化和形成多个新细胞”。现在看来“同化”是错误的,限于当时对发育的误解。全部细胞都来源于受精卵分裂、增值,并不发生同化母体细胞参与子代发育。 本文参考了以下文献,尽量摒弃不可靠的传说。 http://www.mendelweb.org/ Corcos A and Monaghan F (1985). Role of de Vries in the recovery of Mendel's work. I. Was de Vries really an independent discoverer of Mendel? Journal of Heredity 76:187-90. Corcos AF and Monaghan FV (1987). "Correns, an independent discoverer of Mendelism? I. An historical/critical note". Journal of Heredity 78: 330. Corcos AF, Monaghan FV, Weber MC (1993). Gregor Mendel's Experiments on Plant Hybrids: A Guided Study, Rutgers University Press. Darwin C (1859). On the Origin of Species by Means of Natural Selection. John Murray, London, England. Darwin CR (1862). On the two forms, or dimorphic condition, in the species of Primula, and on their remarkable sexual relations. Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London (Botany) 6: 77-96. Darwin C (1868). The variation of animals and plants under domestication. John Murray, London. Darwin CR (1876). The effects of cross and self fertilisation in the vegetable kingdom. John Murray, London. Darwin CR (1877). The different forms of flowers on plants of the same species. John Murray, London. Fisher RA (1936). Has Mendel’s work been rediscovered? Ann. Sci. 1: 115–137. Hartl DL, Fairbanks DJ (2007). On the alleged falsification of Mendel’s data. Genetics 175: 975–979. Henig RM (2000). The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius of Gregor Mendel, the Father of Genetics. Houghton Mifflin, Boston. (此书有些资料,但作者对科学的理解有局限,貌似不偏不倚的态度而有误解,也编了一些想象的内容) Howard JC (2009). Why didn't Darwin discover Mendel's laws? Journal of Biology 8:15. Iltis H (1924). Gregor Johann Mendel. Leben, Werk und Wirkung. Springer, Berlin. English translation by Eden and Cedar Paul (1932), W.W. Norton Company, Inc. New York. Mawer S (2006). Gregor Mendel: planting the seeds of genetics. Abrams NY, Fields Museum, Chicago. Mendel G (1866). Versuche über Pflanzen-Hybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines, Abhandlungen, Brünn 4:3-47,英译本见Experiments in Plant Hybridization in Genetics: readings from Scientific American pp. 8-17. W.H. Freeman and Company, San Francisco-USA. Mendel G (1869). Ueber einige aus künstlichen Befruchtung gewonnenen Hieracium-Bastarde. Verhandlungen des Naturforschenden Vereines, Abhandlungen, Brünn 8:26–31. (English translation: ‘‘On Hieracium hybrids obtained by artificial fertilisation.’’, Bateson, W., 1902 Mendel’s Principles of Heredity: A Defense. Cambridge University Press, Cambridge, UK) Mendel G (1950). Gregor Mendel’s Letters to Carl Nägeli. Genetics 35: 1–29. 见Gregor Mendel’s letters to Carl Nägeli (1866-1873) (Translated by Leonie Kellen Piternick and George Piternick) http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/holdings/m/gm-let.pdf Monaghan F and Corcos A (1986) Tschermak: a non-discoverer of Mendelism. I. An historical note. Journal of Heredity 77:468-9. Morgan TH (1909). What are “factors” in Mendelian explanations? American Breeders Association Reports 5:365-369. Nogler GA (2006). The lesser-known Mendel: his experiments on Hieracium. Genetics 172:1-6. Orel V (1996). Gregor Mendel the first geneticist. Oxford University Press. Weiling F (1991). Historical study: Johan Gregor Mendel (1822-1884). American Journal of Medical Genetics 40:1-25. 根据几次讲课录音,2010年十一假期整理、扩充。发表于2010年10月《科学文化评论》
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医学诺贝尔之路(1905):最好的礼物
songshuhui 2011-7-4 09:15
赵承渊 发表于 2011-06-23 14:12 1872年12月11日,刚刚29岁的罗伯特•科赫(Heinrich Hermann Robert Koch)收到了他一生最好的生日礼物——一台精美的显微镜。为了这件礼物,他的妻子艾米(Emmy)几乎花掉了所有的积蓄。然而后来的事实证明,这笔花费完全物有所值:科赫凭借这台显微镜做出了举世瞩目的成就,他的发现和贡献极大地改变了医学,同时也改变了世界。 此时的科赫刚刚从普法战争战场归来,经过考试在一个名叫Wollstein的小镇谋取到一个医官的职位。在诊治患者的同时,科赫开始将他简陋的办公室改造为一个实验室。这台显微镜就是这个实验室最昂贵的设备。当时,可怕的炭疽病已经为人们所初步认识:早在十年前就有学者提出炭疽可能是某种细菌造成的。年轻的科赫经过一丝不苟的体外实验和动物实验,确认了炭疽病的病原:炭疽杆菌。然而科赫并没有就此止步,他开始尝试在牛血中培养这种细菌并最终获得成功。这使他弄清了炭疽杆菌的生活史。1876年,科赫关于炭疽病的论文发表了。 次年,科赫发表了另一篇有关炭疽芽胞杆菌的论文。在这篇论文里,科赫首次介绍了由他首创的固体培养基。这种培养细菌的方法一直沿用到今天。科赫同时发明了染色法,从此,细菌在显微镜下显示得更加清晰。充满干劲的科赫还改装了他的显微镜,将显微镜与照相镜头结合起来,这样他就可以轻松地保留镜下所见。这些发明创造为细菌学的发展起到了极大的推动作用。 1881年,年轻有为的科赫已经成为德意志帝国的政府卫生顾问。同年,科赫提出了著名的科赫法则——这些影响深远的规则至今仍可看作病原生物学领域的金科玉律。如果某种病原微生物是某种感染性疾病的病因,那么它必须同时满足以下四个条件: 第一,这种微生物必须能够在患病动物组织内找到,而未患病的动物体内则找不到;第二,从患病动物体内分离的这种微生物能够在体外被纯化和培养;第三,经培养的微生物被转移至健康动物后,动物将表现出感染的征象;第四,受感染的健康动物体内又能分离出这种微生物。 科赫法则的提出体现了科赫严谨的治学思想,同时也是病原生物学诞生的标志。 1882年,依据自己提出的法则,科赫宣布发现了结核病的病原体:结核分枝杆菌。这一次,科赫引起了更大的轰动。十九世纪的结核病非常流行,在欧洲,每七个人中就有一人死于结核。关于结核病病因的猜测从未间断过,也从未有一种猜想受到公认。科赫的发现以其无可辩驳的严密逻辑征服了听众,征服了医学界。不过,科赫关于结核的研究并未就此深入下去——受到邀请,科赫作为一个代表团的领袖赴埃及调查发生在那里的霍乱疫情。不久,科赫就发现了霍乱的病原霍乱弧菌。不过,由于注射霍乱弧菌未能在健康动物身上引发霍乱,不符合科赫法则,因此科赫并未立即确认自己的发现,直到他发现霍乱是通过饮用水传播之后才公布。科赫同时提出,改善公共卫生状况是遏制霍乱疫情的关键手段。 科赫的出色工作得到了极高的赞誉。不过很快他就遭受了人生的波折。由于自大地宣称结核菌素能够预防结核病,大批民众奔向科赫寻求这种神药。然而,尽管结核菌素在实验室表现出不俗的效果,但应用于人体后发生了不少严重反应。迫于压力,科赫不得不含糊其辞地公布了结核菌素的细节,这使得他遭受了更多的批评。不过,德国政府并未放弃科赫,反而成立了一个以他为领导的研究所:普鲁士皇家传染病研究所。今天,这个研究所已经成为德国的CDC,拥有200多名科学家,担负着德国公众传染病预防和监控的重任。 担任研究所领导者期间,科赫继续在传染病领域做出贡献。他远赴非洲,研究疟疾以及多种发热性疾病的病原体。终其一生,科赫为科学知识宝库添加了近50种医治人类或动物疾病的方法。他的学生在白喉、伤寒、鼠疫等烈性传染病的研究领域也取得了非凡的成就。1905年,从非洲返回后,凭借他关于结核病的研究和发现,科赫当之无愧地收获了当年的诺贝尔生理学及医学奖。 晚年的科赫继续致力于结核病的防治工作。1910年4月9日,在柏林科学院结束了一场关于结核病的讲座之后,罗伯特•科赫心脏病突然发作。5月27日,这位德国科学巨匠溘然长逝,享年67岁。科赫逝世后,普鲁士皇家传染病研究所更名为罗伯特•科赫研究所(Robert Koch Institute,RKI),并保留这个名称至今。在他逝世时,身边还摆放着他那台心爱的显微镜。显微镜是科赫最好的生日礼物,而罗伯特•科赫本人的成就,则是全人类最好的礼物。
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傅兰雅—一位在中国传播西学的大师
热度 13 武际可 2011-7-4 08:52
傅兰雅—一位在中国传播西学的大师 在近代中国史书上,似乎西方传教士中好人不多。他们不是做特务为帝国主义收集中国的情报,就是宣传西方的价值观,或者名之为文化侵略。其实这种笼统的不分青红皂白的看问题的方法是有害无益的。义和团见洋人就杀,就是这种是非观的必然结果。他们的用心是可以理解的,不过可不一定正确。 其实在传教士中,也有不少对中国十分友好的,或者说是全心全意为中国人着想的。傅兰雅( J.Fryer , 1839 — 1928 )就是一位。 让我们来介绍傅兰雅 的情况。傅兰雅,是来自英国的一位传教士。 1861 年 7 月从英国到达香港,在英国一所教会学校任校长。 1863 年,为了进一步学习汉语,他辞去了香港的工作,到北京担任同文馆的英文教习。后来又到上海的一所教会学校任教师。工作之余他还担任《上海新报》的编辑,介绍一些西学。从 1868 年,傅兰雅到上海江南制造局任译员,这位传教士便以在华推行西方科学知识为主要事业,他 1896 年离开中国到美国定居,其间 28 年他为在中国传播西方科学技术呕心沥血。他的主要贡献是: 翻译了大量西方科学著作,一生共译书 129 种之多,遍及基础科学、应用技术、军事、社会科学各方面,其中也包括力学,当时称为重学。 1876 年,他创办了中国第一份科学普及杂志《格致汇编》。 1877 年,傅兰雅参与创办了中国第一家科技书店,益智书会。 1879 年,傅兰雅担任益智书会的总编辑。至 1890 年,该书会编印和审定了 98 种适合作为教科书的书籍,傅兰雅编写的有《格致须知》、《格致图说》等普及科学技术的教科书 42 种,其中包括《重学须知》和《力学须知》,这些教科书在中国早期颁行的新学制的学校中影响很大,有许多被新学校采用为教科书。益智书会在中国约近 40 座城市有代销点,出版和销售的书籍达千余种,数十万册。傅兰雅参与创办中国第一所科学普及学校:格致书院。 1896 年,由于妻、子到美国定居,傅兰雅到美国在伯克利大学任东方语言文学教授, 1902 年任系主任。 1913 年退休, 1928 年逝世。即使是在美国工作期间,傅兰雅仍心系中国,多次重访中国,介绍和帮助中国的留美学生。 1911 年他捐银 6 万两,建立上海盲童学校,这是中国的第一所正式的盲童学校。 1915 年,他在美国家中与前来参加博览会的黄炎培带有深情地说:“我几十年生活,全靠中国人民养我,我必须想一办法报答中国人民。”他办的盲童学校,并且安排儿子在美国学习盲童教育,然后派来中国教学。傅兰雅,这是一位把毕生的精力贡献给中国人民的科学技术事业的西洋人。他就是一位真诚把现代科学技术送上门来的西洋人。 傅兰雅尽管把一生的精力贡献给中国人民的科学技术事业,但是由于中国的传统势力太强,进步太慢。所以也有他的苦恼。甲午战争失败之后,他说:“外国的武器,外国的操练,外国的兵舰都已试用过了,可是都没有用处,因为没有现成的、合适的人员来使用它们。这种人是无法用金钱购买的,他们必须先接受训练和进行教育。……不难看出,中国最大的需要,是道德和精神的复兴,智力的复兴次之。只有智力的开发而不伴随道德的或精神的成就,决不能满足中国永久的需要,甚至也不能帮助她从容应付目前的危急。” 傅兰雅的话是他在华 30 多年的深切体会。其实从明末起到 20 世纪初的 200 多年的发展,也体现了这种情况。
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漫谈涂布流动
热度 3 zdwang 2011-6-28 08:13
漫谈涂布流动
漫谈涂布流动 王 振 东 当您在观看电影时,您知道正在欣赏的电影拷贝(正片)以及拍摄电影时所用的胶片(负片)是怎样制造出来,流体力学在它们的生产制造过程中起着什么样的作用吗?当您使用相机拍照得到漂亮的彩色照片时,您知道彩色胶片的底片(负片)和相纸(正片)是怎样生产出来,流体力学在其生产制造过程中有着怎样关键的作用吗?现在数码相机己十分流行,但扩印成照片时,仍需要使用相纸(正片)。本文将简要介绍从1824年以来,在感光材料发展180多年的历史过程中,流体力学曾经和正在起着的关键作用。 让我们先从感光材料产生和发展的历史谈起: 1824年法国物理学家 Nicephore Niepce 在一块玻璃板上涂上一层含银盐的化合物,经光照得到了图像。 1839年 Niepce 的同事向巴黎科学院做了在烈日下较长时问曝光而得银汞齐正像的实验。 1841年 英国科学家 Tabolt 宣布一种含 Agl (碘化银)纸基感光材可得负像,再由负像使另一感光材料感光即可得到正像,曝光时间己可缩短,但图像尚不太清楚。 1851年 出现珂罗酊(即硝棉胶)湿板照相法,可得以玻璃板为基底的照相底片。 1871年 发明溴化银明胶干板。 1876年 找到对所有光敏感的乳剂。 1887年 以硝酸纤维素酯薄膜代替玻璃的感光软片,使照相机工业得到迅速发展。 1951年 出现不易燃烧的三醋酸纤维素酯片基。 2O世纪70年代 发明绦纶片基,使片基强度得到提高。 从这段历史可以看到,感光材料的产生和发展过程,一方面是发现和逐步完善能对所有光线敏感的乳剂,另一方面是发明能够将乳剂涂布上去的片基、并逐步使片基做到既安全又有高强度。 在中国,直到20世纪60年代,去照相馆照相片,有时还能拿到以玻璃为基底的照相底片,笔者就还保留有1965年在座落天津劝业场旁著名的中国照相馆所得的玻璃照相底片。那个时候在电影拷贝的胶片盒上,常常见到显著标有“安全胶片”字样,就是指盒中胶片是三醋酸纤维素酯片基的,不易燃烧。以区别这之前的电影拷贝胶片,由于是硝酸纤维素酯片基的,容易燃烧,不安全。现在我们所使用的电影胶片拷贝己都是绦纶片基的了,既安全,强度也高,片盒上已不再需标明安全胶片。 感光材料工业的产品为彩色胶片、黑白胶片、相纸(包括冲洗和打印用的相纸)、X光胶片、磁带等信息记录材料。感光材料的生产过程,先是分头制造感光材料乳剂和片基,再将感光材料乳剂涂布到片基上,经干燥后再进行裁切、整理、包装,即可成为产品。流体力学的作用就体现在将感光材料乳剂涂布到片基上,形成感光材料的过程中,感光材料的涂布流动是指将感光材料乳剂涂布到片基上的流体运动过程。 感光材料涂布流动的工程目的,是要求能将乳剂在片基上涂得:(1)快,(2)薄,(3)匀,(4)高 黏 度,(5)(有时需要)同时多层。涂得快,才能生产效率高。涂得薄,才能使感光后的胶片或相纸较容易显影和定影、加快冲洗扩印的速度。涂得匀,才能使涂布宽度为1米多的胶片,经裁切得到的各条宽35mm的胶片性能一致,同一条胶片的前后性能也一致;只有性能一致,才能在同样的冲洗条件下得到统一的效果。乳剂高 黏 度是为涂得快时,能干得快,以降低对干燥设备和条件的要求。同时涂布多层,是为适应信息记录材料(如彩色胶片)结构的需要(下面会进一步介绍)。这5个要求实际上就是感光材料生产对涂布技术在数量和质量上的具体要求,流体力学应用得好不好,就要看能否保证这些要求的同时实现。 在感光材料工业发展的历史上,对软片基笫一个成功的涂布方式是浸涂(Dip Coating)。 浸涂是将片基 浸入所要涂的 黏 性液体中再拉出,从而使片基涂上槽中的 黏 性液体,如图1所示。在涂布槽内放有需涂布的 黏 性流体,浸涂的方式基本上有2种类型,一种为通常的简单浸涂(图1a),另一种为对辊涂布(Roll Coating)(图1b),多加一个转动的辊子,是为了压一下,使涂得更薄些。德国阿克发(Agfa)胶片公司20世纪30年代的浸涂技术代表了这一技术的成熟。 浸涂的速度快了,涂布的厚度就要加大,这个道理易从生话中的小事情联想到。以前去商店买油的时候,没有像现在商店用的计量机械,售货员是用小提勺来打油的。操作的时候不能提得太快,因为只有将提勺往上提得慢些,才能使提勺外壁带上的油(也就是浸涂在外壁上的油)再流回些到油桶内,如果提得太快则会有蚀本的可能。所以浸涂的速度不能太快,否则涂布厚度也难降低。实际上,浸涂的速度最快也只能到每分钟30米左右。 现代彩色胶片是一种多层结构,如图3所示,其涂层的总厚度在干燥后只有几微米。这么多层的乳剂怎么才能涂布上去呢?如果用浸涂的办法,一次只能涂一层乳剂,干了后卷起来,再放开才能去涂另一层乳剂。而每一层又都很薄,在片基卷放的过程中,无论怎样小心,也很难保证没有划伤,而划伤就会形成胶片的弊病。而且这样做生产效率也太低。于是逼迫人们运用流体力学原理去寻找新的涂布方法,来解决彩色胶片的涂布技术问题。 20世纪50年代末,美国柯达(Kodak)胶片公司的两位工程师提出了用坡流涂布(Slide Coating)方式(图4是3层坡流涂布的示意图)来解决彩色胶片的涂布技术问题。他们的创意是让多层 黏 性液体在斜面上形成严格的层流,然后一起涂布到片基上,再一齐进行干燥,以形成需要的多层结构彩色胶片。柯达胶片公司到20世纪60年代后期,已使这一涂布技术基本成熟,并以坡流涂布技术垄断了当时世界彩色胶片生产的四分之三以上。逼得世界上一些胶片公司处境艰难,要么花大价钱购买其专利,并接受苛刻条件让其控制;要么几家公司合并,商量对策,以求生存。像前面提到的阿克发公司就走上了后一条路。 层流和湍流是 黏 性流体运动的两种基本形态,这两种形态的流动在物理图象上有着重大差别。层流的流体质点象是排列成队一样地向前运动,所以层流的流线层次分明。而湍流的流体质点运动则是杂乱无章。层流在一定条件下要过渡到湍流状态。有关层流向湍流过渡的理论目前还不够成熟,但是已经知道,层流向湍流的过渡是与流动中受到扰动分不开的。在感光材料的涂布过程中,液体供料泵的压力波动、涂布机的微小振动、甚至操作人员的行动等,都有可能给坡流面上的乳剂层流施加扰动。理想的坡流涂布必须保持乳剂作严格的定常层流流动。能否做到这一点,就要看乳剂受到扰动后,扰动能不能很快地衰减,使流动恢复到原来的状态后再干燥固化。这就是液体沿斜面向下流动时的层流稳定性问题。 随着感光化学对乳剂的成份和结构怎样更好地还原彩色研究的发展,认为彩色底片(负片)涂层的结构最好要有14层之多,从而对涂布技术提出了更高的要求:同时涂更多层,而且每层要涂得更薄,以使干燥后总厚度仍是几微米。生产效率也要进一步提高,即希望要涂得更快。促使人们再从流体力学上动脑筋。美国柯达胶片公司又提出了落帘涂布(Curtain Coating)技术:让坡流面上形成的多层乳剂层流,一齐落帘而下,再一齐涂布到片基上(图6是3层落帘涂布的示意图)。 当甲乙两列高速奔驰的列车速度相同时,两列车的相对速度为零,一个人从甲列车的车门能很容易地迈步走进正对着的乙列车车门。在太空中,宇宙飞船与空间站的对接,宇航员在飞船与空间站间的出入,也是同一原理。多层乳剂层流的落帘,作为自由落体而下,在重力的作用下,进一步拉薄了,也加快了速度,只要片基的速度相应快,使相遇时相对速度是零,也就很容易涂上去了。可以相信流体力学一定能为感光材料工业提供更好的涂布技术,为人们提供更多更好的消费品。 参考文献 1、 王振东,化工中的流体力学,见教育部工程力学专业教学指导委员会编《力学与工程技术的进步》,140一146页,北京:高等教育出版社,2001 2、 刘旦初,化学与人类(第二版),上海:复旦大学出版社,2000 (刊登于《力学与实践》 2003年25卷4期 )
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记忆传承,信息永生(九)
songshuhui 2011-5-31 00:04
猛犸 发表于 2011-05-05 13:13 听从内心的声音 20世纪30年代中期,英国、美国和法国几乎同时发明了雷达。这种技术在几年后席卷世界的战争浪潮中,为早期的同盟国赢得了一些喘息时间,并且最终破灭了第三帝国称霸世界的梦想。 虽然雷达的原理早在20世纪初就已经被解释了出来,但是30年代的雷达并不能让人满意。所有的物体都会反射电磁波,无论它是一架敌机还是一棵果树。要快速地分辨出敌机来并不容易,工程师们需要想办法把那些固定物体的回波消除掉才行。 那个时期人们尝试了多种办法,“延迟线”的概念也就此诞生。延迟线能够把电信号转化成声音或者震动,过一段时间再将其恢复成电信号。这样,不同时间的信号就可以进行比较,以此过滤掉固定物体的回波。一个还在读大学的小伙子设计了水银延迟线,利用管子里的水银传递振动,很受军方的欢迎。几年后,这种设备被用在了早期的电子计算机上,成了最早的内存。 虽然朋友们喜欢叫他“普莱斯”,但是这位小伙子的全名有点长:小约翰·亚当·普莱斯伯·埃克特。他是一个白手起家的地产商的儿子,1919年出生于费城,一生中最重要的时光也都在宾夕法尼亚度过。 虽然埃克特从小就喜欢自己动手设计和制作些特别的东西,但是他的父亲约翰·埃克特却和许多第一代富人一样,希望自己的儿子能进商学院。老埃克特夫妇对这个独子十分不放心——可能是因为这孩子十五岁的时候做了个遥控炸弹的缘故。总之,在小埃克特已经被500公里以外的麻省理工学院录取的情况下,老埃克特竟然用假装付不起学费的办法,把他送进了就在家门口的宾夕法尼亚大学沃顿商学院。 小埃克特在沃顿商学院过得不怎么开心,特别是在他发现麻省理工学院的学费并不是那么贵的时候。他想转系,但是物理系人数已满,只好转到莫尔电气工程学院。勉强熬过第一学年之后,小埃克特像是终于觉醒了一般,很快进入了创造力爆发的状态,水银延迟线就是这时候的发明。 1941年,他大学毕业,打算继续读研究生;在那个无所事事的暑假,他参加了一个为军方服务的电子工程培训班,并且遇到了命中注定的那个人。 天才的工程师 约翰·莫奇利博士比埃克特大12岁,是附近的乌尔辛纳斯学院物理系主任,也是这个培训班的学员。两人很快就熟络了起来,然后发现制造一台全自动化高速计算的电子计算机,是两人的共同兴趣。 暑假过完,莫奇利就到摩尔学院申请了一份教职。两人商议的结果,是1942年8月份的一份建议书,建议军方开始设计和建造一台电子计算机。这份只有5页的建议书在删改了几次之后终于得到了批准,在埃克特24岁生日那天,这个名为ENIAC的项目正式通过。两个月后,合同签署完成,军方投资40万美元,由研究生一年级的埃克特担任总工程师。 在参考了爱荷华州立大学的约翰·阿塔纳索夫的一些设计之后,ENIAC项目于1946年成功结束。在制造ENIAC的过程中,埃克特和莫奇利已经开始和冯·诺依曼一起讨论如何改进设计,但是在1945年,在冯·诺依曼发表的那篇关于计算机结构的著名文章上,却没有埃克特和莫奇利的名字。 这篇文章让埃克特和莫奇利与冯·诺依曼的关系变得很糟。埃克特认为冯·诺依曼剽窃了他关于程序存储的想法却只署上自己的名字;而冯·诺依曼则认为这不过是为了绕开军队保密政策的一个权宜之计而已,完全不值得大惊小怪。到底谁是谁非依然在争论,不过无论如何,今天的计算机还是被叫做“冯·诺依曼机”。 1949年八月,EDVAC终于制造完成。这台全称为“离散变量自动电子计算机”的机器,使用二进制方式存储和运算,使用水银延迟线做为内存,所使用的电子管数量只有ENIAC的三分之一左右,性能却比ENIAC好得多。也就是在那一年,埃克特在无线电工程师学会会刊上发表了一篇论文,认为使用水银延迟线做为电子计算机的存储器件,能够让电子计算机的频率达到上兆赫兹。 1950年,埃克特和莫奇利创建的计算机公司被生产打字机起家,但是因为生产军火而发家的雷明顿·兰德公司收购,并且很快推出了最早的商用计算机UNIAC I;后来又经过几次公司购并,最终成为了优利系统公司。而埃克特一直在这家公司任职,直到1989年退休之后,也依然担任着公司的顾问。 他在家乡平静地走完了人生的最后几年,获得了包括计算机先驱奖在内的无数荣誉,于1995年去世。 2002年,小约翰·普莱斯伯·埃克特以其一生的87项专利为资质,入选美国发明家名人堂,和历史上那些著名的发明家们一起受人瞻仰。这时候,家用计算机已经进入了奔腾时代,内存已经开始以百兆为单位来衡量了。
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科学家前辈的金玉良言
wrc218 2010-10-2 22:20
读后感 Scientist:Four golden lessons Steven Weinberg Nature 426 , 389 (27 November 2003) | :10.1038/426389a :10.1038/426389a http://www.nature.com/nature/journal/v426/n6965/full/426389a.html When I received my undergraduate degree about a hundred years ago the physics literature seemed to me a vast, unexplored ocean, every part of which I had to chart before beginning any research of my own. How could I do anything without knowing everything that had already been done? Fortunately, in my first year of graduate school, I had the good luck to fall into the hands of senior physicists who insisted, over my anxious objections, that I must start doing research, and pick up what I needed to know as I went along. It was sink or swim . To my surprise, I found that this works. I managed to get a quick PhD though when I got it I knew almost nothing about physics. But I did learn one big thing: that no one knows everything, and you don't have to. 1. 没有任何人无所不知,所以你没有必要试图知道所有的知识。这样,就能保持一个平和的心态。当然有远大的理想和目标很重要,但更重要的是从眼前是事情出发,做自己能做的,这样会更有成就感。 Another lesson to be learned, to continue using my oceanographic metaphor, is that while you are swimming and not sinking you should aim for rough water. When I was teaching at the Massachusetts Institute of Technology in the late 1960s, a student told me that he wanted to go into general relativity rather than the area I was working on, elementary particle physics, because the principles of the former were well known, while the latter seemed like a mess to him. It struck me that he had just given a perfectly good reason for doing the opposite. Particle physics was an area where creative work could still be done. It really was a mess in the 1960s, but since that time the work of many theoretical and experimental physicists has been able to sort it out, and put everything (well, almost everything) together in a beautiful theory known as the standard model. My advice is to go for the messes that's where the action is . 2. 科学研究不能随波逐流,而应对有勇气去探索新的事务、新的困难和新的挑战,因为这些新的问题或者挑战正是取得新突破的出发点。敢于尝试新课题、敢于探索新领域。 My third piece of advice is probably the hardest to take. It is to forgive yourself for wasting time . Students are only asked to solve problems that their professors (unless unusually cruel) know to be solvable. In addition, it doesn't matter if the problems are scientifically important they have to be solved to pass the course. But in the real world, it's very hard to know which problems are important, and you never know whether at a given moment in history a problem is solvable. At the beginning of the twentieth century, several leading physicists, including Lorentz and Abraham, were trying to work out a theory of the electron. This was partly in order to understand why all attempts to detect effects of Earth's motion through the ether had failed. We now know that they were working on the wrong problem. At that time, no one could have developed a successful theory of the electron, because quantum mechanics had not yet been discovered. It took the genius of Albert Einstein in 1905 to realize that the right problem on which to work was the effect of motion on measurements of space and time. This led him to the special theory of relativity. As you will never be sure which are the right problems to work on, most of the time that you spend in the laboratory or at your desk will be wasted. If you want to be creative, then you will have to get used to spending most of your time not being creative, to being becalmed on the ocean of scientific knowledge. 3. 不要担心自己浪费时间。当你在探索新事物或者新课题的时候,肯定有些工作是表面看来的无用功或者失败,但正是这些无用功和失败为你真正的创新奠定了基础或者积累了创新必备的经验。为了真正的创新,你不得不花费很多时间在日常工作中,只要你在朝着某个方向前进,肯定会有收获,但是前进的方向肯定不是笔直的,不管路线如何,你肯定会达到某个地方,发现某些新东西。因此,在披荆前行的时候,心态平和,真正达到空处湛静的境界,这也是人生的一种追求吧。 Finally, learn something about the history of science , or at a minimum the history of your own branch of science. The least important reason for this is that the history may actually be of some use to you in your own scientific work. For instance, now and then scientists are hampered by believing one of the over-simplified models of science that have been proposed by philosophers from Francis Bacon to Thomas Kuhn and Karl Popper. The best antidote to the philosophy of science is a knowledge of the history of science. More importantly, the history of science can make your work seem more worthwhile to you. As a scientist, you're probably not going to get rich. Your friends and relatives probably won't understand what you're doing. And if you work in a field like elementary particle physics, you won't even have the satisfaction of doing something that is immediately useful. But you can get great satisfaction by recognizing that your work in science is a part of history. Look back 100 years, to 1903. How important is it now who was Prime Minister of Great Britain in 1903, or President of the United States? What stands out as really important is that at McGill University, Ernest Rutherford and Frederick Soddy were working out the nature of radioactivity. This work (of course!) had practical applications, but much more important were its cultural implications. The understanding of radioactivity allowed physicists to explain how the Sun and Earth's cores could still be hot after millions of years. In this way, it removed the last scientific objection to what many geologists and paleontologists thought was the great age of the Earth and the Sun. After this, Christians and Jews either had to give up belief in the literal truth of the Bible or resign themselves to intellectual irrelevance. This was just one step in a sequence of steps from Galileo through Newton and Darwin to the present that, time after time, has weakened the hold of religious dogmatism. Reading any newspaper nowadays is enough to show you that this work is not yet complete. But it is civilizing work, of which scientists are able to feel proud. 4. 了解一些科技史或者本领域的历史。以古鉴今,史以明志。能让自己看清楚,自己所处的历史中的位置和作用。更能把握一些大的方向和原则。前人的有些研究方法更可借鉴。在很多方面,我们和前人之间是相同的或者相似的。不同的是时代变迁后事物或者社会的表象,但很多共同的处事或者解决问题的思路或者办法,前人比我们更高明,或者至少是可以借鉴的。
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中国科学思想史与科技史、思想史和哲学史的几个连结点
kexuechuanbo 2010-9-10 22:43
中国科学思想史与科技史、思想史和哲学史的几个连结点 中国科学思想史与科技史、思想史和哲学史的几个连结点
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冯·卡门与卡门涡街
热度 4 zdwang 2010-9-2 06:47
冯·卡门与卡门涡街
冯·卡门与卡门涡街 王振东 美国宇航局2009年5月公布了自1959年8月14日拍摄第一张卫星照片以来,所选出的50年十佳地球卫星照片,排为十佳照片第一张的是“冯·卡门涡街”,从而引起了人们对冯·卡门和卡门涡街的兴趣和关注。 冯·卡门(TheodorevonKármán 1881—1963 )是美藉匈牙利裔力学家,近代力学的奠基人之一,是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀,以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街, 如水流过桥墩,风吹过 高层楼厦、电视 塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。 卡门涡街的图片十分漂亮,有时可当作为艺术品来欣赏。 50年十佳地球卫星照片的第一名 美国宇航局2009年5月公布所选出的50年十佳地球卫星照片,排在十佳第一张的照片是 “陆地卫星7 号 ”2007年拍摄 的以下 这张图片 ,它展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向,这正是“冯·卡门涡街”。当风或者洋流被岛屿挡住去路时,会出现这种图形。此图片中的这些卡门涡街,是当风吹过太平洋北部向东运行过程中,遇到阿留申群岛时形成的。 实际上,也还有另外一些卫星拍摄到了很清晰的卡门涡街照片。 2009年2月24日,来自北方的冷空气(可能是来自格陵兰的重力风)遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气,在扬曼因(JanMayen)岛附近上空形成了一排排的积云。扬曼因岛阻碍了风的行进 , 对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样,吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉,然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处,当冷空气从岩石表面刮过时,形成 了 一连串螺旋状的涡旋, 这也正是 卡门涡街。在图片的左上角,可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片 是 由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。 还有两张卫星拍摄的照片,也很清楚地看到了卡门涡街,它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。 这些卫星拍摄的卡门涡街照片,引起了人们对 冯·卡门和 卡门涡街进一步了解的兴趣。 航空航天时代的科学奇才 冯 冯 ·卡门1881年5月11日出生于 布达佩斯 。他父亲是历史悠久的布达佩斯彼得·派斯马克大学的教育学教 冯 ·卡门1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯,父亲是布达佩斯大学的教育学教授, 对冯·卡门的成长有很好的影响。 冯·卡门6岁时就能对5位数的乘法略一思索就报出答案来。父亲对冯·卡门最大的帮助和培养是启发他对知识的好奇心。    1898 年11月,16岁的冯 · 卡门进了皇家约瑟夫大学。他的独立思考的能力,主要是在大学里向唐纳 · 班基教授学的,他的第一 16岁 的 冯·卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院(布达佩斯工学院的前身),他的第一 篇论文是在班基 教授 指导下完成的。这篇论文分析了发动机的一种常见故障 —— 进、排气阀门的振动和噪音,1902年冯·卡门以优异的成绩大学毕业。    1906年去德国哥廷根(Gttingen)大学求学,在普朗特(LudwigPrandtl1875-1953)教授的指导下,完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文,于1908年获得博士学位。 哥廷根大学高雅的学术气氛使他着迷,在普朗特和D.希尔伯特、F.克莱因等科学大师的影响下,打下了雄厚的基础。后来有一次在观看欧洲飞行表演时,引起了对飞机的兴趣,从而开始悉心研究空气动力学,冯·卡门的注意力逐渐转移到了航空科学上来。 第一次世界大战期间,冯·卡门应召为奥匈帝国服务4年。战后曾任匈牙利苏维埃共和国教育部大学副部长。以后他又回到德国亚琛工学院任教,担任亚琛空气动力学研究所所长。 1929年底起定居美国,任加州理工学院古根海姆空气动力学实验室主任。他使这所学院成为当时流体力学的研究中心和培训基地,并解决了航空工程许多技术问题。他还用力学方法解决了水埧裂缝、风车发电、天文台大型反射望远镜的转动等工程问题。他主持筹建美国喷气工程公司(后发展为喷气总公司),指导一批青年科学家从事火箭技术研究,最后建立了美国火箭技术中心 —— 喷气推进实验室,这是美国第一个从事远程导弹、空间探索的研究单位,有很多重要的研究成果。 冯·卡门被誉为“航空航天时代的科学奇才”,他在很多方面发挥了无可争辩的天才作用。航空学和宇航学上一些最光辉的理论、概念以他的名字来命名,月球上也有一个以冯·卡门命名的陨石坑。除理论研究外,航空史上引人注目的那些里程碑,如齐柏林飞艇、风洞、滑翔机和火箭 —— 可以说20世纪一切实际飞行和模拟飞行的成功都跟他有着密切的关系。 冯·卡门先后作为德国亚琛工学院空气动力学研究所和美国加州理工学院古根海姆空气动力学实验室的领导,带领了两代科学家和工程师进入了科学技术的前沿领域,为航空和航天工程奠定了坚实的科学基础。他讲课条理分明,富有想象力,教学效果极好。冯·卡门培育出了大批杰出的人才,他的学生遍及五大洲,被誉称为“卡门科班”。 1963年2月18日上午,为了表彰冯·卡门对科学、技术和教育事业的杰出贡献,美国肯尼迪总统授予他美国第一枚科学勋章。按计划,肯尼迪总统要亲自向冯·卡门颁发勋章。当总统及其随从一到,来自世界各地的友人就向授勋地点拥去。双脚患关节炎的81岁高龄的冯·卡门,摇摇晃晃走到台阶前时,好像由于疼痛难忍,突然停下来。这时,肯尼迪总统迅速赶上去一把将他扶住。冯·卡门抬起头来朝这位年轻的总统看看,然后把扶他的手轻轻推开。“总统先生,”他微微一笑说,“走下坡路是不用扶的,只有向上爬的时候才需要拉一把。” 晚年时光,他依然留恋并与德国亚琛空气动力学研究所保持着密切的关系。1963年5月6日,冯·卡门在德国亚琛病逝。 为了纪念冯·卡门,他的祖国匈牙利于1992年8月3日发行了一枚纪念他的邮票;1992年8月31日,美国也发行了一枚冯·卡门的纪念邮票。 冯·卡门的主要著作有:《空气动力学的发展》(有中译本)、《工程中的数学方法》(和毕奥合著,有中译本),《风及未来》(和艾德生合著)。他的科学论文汇编为《卡门论文集》,共4卷。 卡门涡街的研究 故事 冯·卡门 1911 年时在哥廷根大学当助教 时, 普朗特教授当时的研究兴趣,主要集中在边界层问题上。普朗特交给 其 博士生哈依门兹( KarlHiemenz )的任务,是设计一个水槽,使能观察到圆柱体后面的流动分裂,用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。哈依门兹做好了水槽,但出乎意外的是在进行实验时,发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。 哈依门兹报告这一情况后,普朗特 告 诉他: “ 显然,你的圆柱体不够圆 ” 。可是,当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后,水流还是在继续摆动。普朗特又说: “ 水槽可能不对称 ” 。哈依门兹又细心地调整水槽,但仍不能解决问题。 冯 · 卡门当時所做的课题与哈依门兹的 课题 并没有关系, 但 他每天早上进实验室时 , 总要 关心地 跑过去问: “ 哈依门兹先生,现在流动稳定了没有? ” 哈依门兹非常懊丧地回答: “ 始终在摆动 ” 。 这时冯 · 卡门想,这个水流在摆动 的 现象一定会有内在原因。在一个周末,冯 · 卡门用粗略的运算方法,试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动,其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置,看看计算出来会有什么样的结果。冯 · 卡门得到的结论是:如果是对称的排列,那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远;而对于反对称的排列,虽然也得到同样的结果,但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对,这涡旋却停留在它原来位置的附近,并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。 星期一上班时,冯 · 卡门向普朗特教授报告了他的计算结果,并问普朗特对这一现象的看法如何?普朗特说, “ 这里面有些道理,写下来罢,我把你的论文提交到学院去 ” 。冯 · 卡门后来回忆时写道: “ 这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后,我觉得,我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后,计算完毕,我写出了第二篇论文。有人问我: ‘ 你为什么在三个星期内提出两篇论文呢?一定有一篇是错的罢 ’ 。其实并没有错,我只是先得出个粗略的近似,然后再把它细致化,基本上结果是一样的;只是得到的临界比的数值并不完全相同 ” 。 冯 · 卡门是针对哈依门兹的水槽实验 出现的问题 ,进行涡旋排列的研究的。后来人们由于冯 · 卡门对其机理详细而又成功的研究,将它冠上了卡门的姓氏,称为卡门涡街。 冯 · 卡门自己后来在书中写道: “ 我并不宣称,这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前,大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利 Bologna 教堂中的一张图画。图上画着 St.Christopher 抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面,画上了交错的涡旋。 ” 冯 · 卡门还说,在他之前,有一位英国科学家马洛克( HenryReginaldArnulptMallock1851-1933 )也已观察到障碍物后面交错的涡旋,并拍摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳( HenryBénard1874-1939 )也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要 是 考察了黏性液体和胶悬溶液中的涡旋,并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。 冯 · 卡门认为他在 1911-1912 年,对这一问题研究的贡献主要是二个方面:一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列,且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定;二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。 卡门涡街对建筑安全的重要作用 美国 塔科玛峡谷桥( TacomaNarrowBridge )风毁事故的惨痛教训,使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。 1940 年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费 640 万美元,建造了一座主跨度 853.4 米的悬索桥。建成 4 个月后,于同年 11 月 7 日碰到了一场风速为 19 米 / 秒的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近 9 米),直到桥面倾斜到 45 度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程,它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时,惊异地发现:从 1818 年到 19 世纪末,由风引起的桥梁振动己至少毁坏了 11 座悬索桥。 第二次世界大战结束后,人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始,就有二种不同的意见在进行争论。 — 部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振;而以冯 · 卡门为代表的流体力学家认为,塔科玛桥的主梁有着钝头的 H 型断面,和流线型的机翼不同,存在着明显的涡旋脱落,应该用涡激共振机理来解释。冯 · 卡门 1954 年在《空气动力学的发展》一书中写道:塔科玛海峽大桥的毁坏,是由周期性涡旋的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构,采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸,这些平钣引起了涡旋的发放,使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象,是振动与涡旋发放发生共振而引起的。 20 世纪 60 年代,经过计算和实验,证明了冯 · 卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故,是一定流速的流体流经边墙时,产生了卡门涡街;涡 旋 的交替发放,会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力,迫使桥梁产生振动,当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时,就会发生共振,造成破坏。 卡门涡街不仅在圆柱后出现,也可在其他形状的物体后形成,例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动,往往与卡门涡街有关。因此,现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验,以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解,北京、天津的电视发射塔,上海的东方明珠电视塔在建造前,都在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。 参考文献 1.TheodorevonK á rm á n , Aerodynamics : SelectedTopicsintheLightoftheirHistoricalDevelopment , CornellUniversityPress , 1954 ; 中译本:江可宗译,空气动力学的发展,上海:上海科学技术出版社, 1962 2 . 周光坰、严宗毅、许世雄、章克本,流体力学(第二版),北京:高等教育出版社, 2000 3. 王振东,漫谈卡门涡街及其应用, 力学与实践,2006,28(1):88-90 4.中国大百科全书出版社编辑部,中国大百科全书:力学卷 , 北京: 中国大百科全书出版社,1985 5.王振东,冯 · 卡门与卡门涡街,自然杂志,2010,32(4):243 — 245
个人分类: 力学趣谈|28356 次阅读|11 个评论
与台湾学者议论佛郎机火铳课题
热度 1 gl6866 2010-4-30 15:49
按:终于和台湾学者周维强联系上了。果真是专家,对明代的火器史有很深的见解。很欣赏他的博士论文竟能做九年之久。而我们的博士则只能是三年,了不起拖上个一年半载。现在就业压力大,有的也就拖着不毕业。前不久,有一个报我的博士后的小伙子也是从2003年到2009年才博士毕业,中途有数年功夫给老板打工。真是什么现象都有啊! 刘:Thu, Mar 18, 2010 at 11:42 AM 很高兴在Windows Live找到您。我叫刘钢是中国社会科学院哲学所的研究员。二十年前吧, 我在翻译李约瑟的《中国科技史》时,也曾对佛朗机铳的问题进行过一些粗浅的研究。但后来由于各种因素,基本就把这个研究问题搁置一 边,但毕竟还是有这个情结,所以也就一直留意相关的研究进展。现在发现您现在是这方面的专家。希望我们能成为朋友。我尤其对您的论文:《明代佛郎机铳研究 》感兴趣。如有可能, 是否能赠送我一册?因为我在网上实在无法找到。登录国立清华大学的网页也只见到一个摘要。 周:Thu, Mar 18, 2010 at 8:30 PM 来函敬悉一切。 拙文草成于十多年前,且十分粗疏,承蒙谬赞,十分汗颜。 在清华攻读博士时,曾经把一个环节作了仔细的研究,在台北的东吴历史学报发了一篇《佛郎机铳与宸濠之叛》,有一点小发现。惟该刊的编 辑不甚专业。 之后就暂时放下,以明代战车研究作为课题,花了九年,写完了博士论文。其间没再去管佛郎机铳的相关研究。 因为有此遗憾,我在毕业后,即一年多前,重新写了一个计划,名称改为:佛郎机铳在中国,准备重新研究此一课题。并顺利得到澳门文化局的资助。 目前此一研究工作已经完成古籍方面的史料采撷,档案史料的方面,因工作就是管理宫中和军机档,故还有约一两个月的工作时程即可完成。 该计划的研究已经完成了百分之三十,在史料上至少有翻两倍的增加,因此容我保留旧作,等我一年半后完成研究,再奉上拙作,敬请批评指教。 刘: Thu, Mar 18, 2010 at 9:57 PM 很高兴收到您的回函,并衷心为您获得澳门文化局的资助,我相信您的佛郎机在中国计划一定会是非常精彩的。我也曾经到过澳门,在葡人的纪念像与之合影,也算是一种纪念吧。 我当年之所以对佛郎机(breech loader)感兴趣,是因为我翻译李书时,在翻检资料过程中,发现有些漏洞。于是我就花了一年多的时间进行了一些研究。并 成就一文提交给中国科学院自然科学史所的《自然科学史研究》。那时正是林文照先生任该刊的主编,而我的那篇文字正好与他的那篇佛郎机火铳初传中国的年代考而发的,他的那篇文章正好与宸濠之变有关,根据我对史料和地方志的研究,得出与林先生不同的结论。没想到该刊并没有发表我的文章,也没有给我任何答复。后来我来北京读博士,见到林文照 先生,他对说我的文章还是要发的。可是我却淡定地说,那都是很久以前的事情了。因为,我那时已经在哲学所工作了,佛郎机的事情之于我只是个情结罢了,过去了。今天见到您能对此问题更深入的研究下去,我深表高兴。希 望您的工作会取得更好的结果。 周:Thu, Mar 18, 2010 at 10:15 PM 谢谢回复,容我稍藏私,但也稍作分享。 关于佛郎机铳的问题,确实是个值得研究的课题,但却得大量的耙梳史料,得力于数据库,以及我花了一些时间在台北的国家图书馆的善本书室和汉学研究中心翻阅纸烧本古籍,终于拼出了一些图像。 王守仁是佛郎机铳传播的推手之一,材料不少。其次,透过西方水下考古材料,我也得到了一些收获。 我在北京中国科学院科学史所访问过一年(2003-2004),与刘钝,韩琦教授等人很熟。 我看过林文照的文章后,就知道有不少材料被忽视了。林文照和王兆春对于佛郎机铳的研究虽然是先驱者,但在文献基础上,都不怎么重视一 手史料,使得格局颇有局限,大题小作。 台湾的史学训练重视大量翻阅史籍,档案。业师黄一农教授也重视数据库的运用,因此在掌握史料上有一些优势。 我还是认为,史料拼图工作十分重要。 如不嫌弃,拟寄呈《佛郎机铳与宸濠之叛》一文,此文虽被编辑搞砸,但论证还算清晰,不嫌弃的话,我可以尽快发去。 刘:Thu, Mar 18, 2010 at 11:27 PM 希望尽快见到您的大作《佛郎机铳与宸濠之叛》。我之所以感兴趣是想看看您的结论与林先生的结论有什么不同,和我的有什么不同。我就是见到您曾在科学史所的访学工作后才知道您的功力的。林先生的文章,的确如您所言,不重视一手数据,而且我 认为就连一些基本的二手数据也未看全。我当年在武汉工作,并非从事自然科学史研究。所以,我的那篇文章也是我的习作,就权当是我的硕 士论文了吧。我没有读过硕士,因为大陆当时的政策允许有中级职称的人报考博士学位。我就报考了哲学所的博士,现在从事信息哲学的研究 工作,也还是可以吧。希望您将来再来大陆时,我们面晤,或许还能找到一些共同语言呢。本来今秋有个机会赴台,除了开会之外,我主要希望去您们那里寻觅您的 硕士论文,但是单位不同意出资助,所以也只有作罢。
个人分类: 科研备忘|4832 次阅读|5 个评论
展示科技传承与创新的史诗——介绍影视系列片《世博会的科学传奇》
热度 2 武际可 2010-4-23 21:30
展示科技传承与创新的史诗 介绍影视系列片《世博会的科学传奇》 盼望已久的上海世博会终于来临了。世博会为我们展示当今文化、科学技术和社会环境发展的现状。它会给我们人类社会发展的一个生动的横断面。 俗话说,外行看热闹,内行看门道。世博会展现的风格各异的建筑、日新月异的新发明、新技术和多姿多彩的表演,会吸引来熙熙攘攘数以千万计的旅游参观者的人流。 然而,对于一个科学家、科普作家或者一个科技爱好者来说,对世博会意义的领略,自然会深入到科学精神的发展、科学技术怎样改造了人类社会、继承与创新的关系以及人类社会的未来等等诸多问题的思考与遐想。 从 1851 年英国伦敦第一届世界博览会到现今,这 160 年中,人类经受了产业革命、科学革命。这 160 年也是人类社会发生最伟大变化的时代。这些飞速变化,在大致每过 4 年举行一届的世博会上,不能不留下足迹。因之,以上海世博会为契机,透过历届世博会的展品来追溯人类社会的发展和现代科学技术发展的轨迹,就是科学家,特别是科普工作者不可推卸的责任。 为了迎接上海世博会,著名的科普作家赵致真先生领导的科技之光团队又推出一个 20 集的系列影视片《世博会的科学传奇》。我们记得,为了迎接 2008 年北京奥运会,他们曾经花了近两年的时间,推出了一个系列片《科技与奥运》。那个系列片给人留下了深刻的印象。随后,他们便没有停歇地投入了《世博会的科学传奇》的制作。 然而,这个《世博会的科学传奇》的难度,远远超过《科技与奥运》。首先是世博会的主题要比奥运会主题更为广阔和普遍,后者只是涉及体育运动有关的行业,所牵涉到的学科主要是力学和物理,而世博会的主题牵涉到整个人类社会的所有方面,因之制作《世博会的科学传奇》会遇到选题的困难,在与人类社会发展有关的众多方面,选什么题目和题材来表现世博会就要体现制片人的智慧了;其次,由于体育运动是为更广大群众所熟悉,其普及程度远远大于世博会,所以编辑和制作《科技与奥运》在收集资料上相对容易,而世博会有关的资料收集就要困难得多,在资料收集面前,要使系列片做得丰满而又翔实,就要体现制片人的坚韧不拔的毅力。 这两方面的困难,经过一年多的努力都顺利克服。在选题方面,题目紧紧围绕世博会的科技这个主题,进而从两个方面加以展开,一是充分揭示科学技术和人文精神和社会发展的紧密关系,二是全面阐述科学技术的传承和创新的关系。在资料方面,他们收集的资料,包括文字和影像资料达 1000G 之多,他们阅读了百本以上的原著。 正由于此,这个系列片既体现了他们的睿智又体现了他们坚忍不拔的毅力,所以我看到这个系列片后的感觉是: 如果说参观上海世博会能够给我们看到人类文明在当今的一个剖面,那么这个系列片给我们一个人类文明的纵向发展过程,给我们一个全景的历史画卷。系列片挑选了与我们生活密切相关的主要方面:建筑、发动机、火车、航海、发电、通讯、汽车、录音、电影、飞行、航天和环境等这些主要的领域,对其中历史变化和关键性的事件以及前因后果进行介绍和分析。使我们能够获得一个一百多年来它们发展的完整的概念。 其次,人类分工的近代发展,在人类文化中形成科学文化和人文文化的分裂,搞科学技术的不大关心科学技术对社会的作用,而搞社会科学的,大多是科学技术的门外汉;在这个系列片中,我们丝毫不会有这种分裂的感觉,我们会看到一项科学技术的成果怎样改变人类社会,而人类社会又会怎样促进或阻碍科学技术的发展。例如在讲到汽车时,不只是介绍汽车的技术方面,还顺带介绍福特汽车公司,为生产普及型汽车的努力和为提高生产效率而实行的流水作业装配线的改革,所引起的社会变革。所以能够做到这点,就是由于赵致真先生是文科出身而对科学技术有强烈的兴趣和追求,在他们这个团队中还集中了一批理科出身的优秀人才,所以在进行科学普及的作品中既充满了人文情怀又在科学上能准确无误,可以说这已经形成了他们这个团队多年来的一个特色。 第三,最近一些年,在一些科学家对科学精神的阐述中,给人们一种错觉,似乎科学技术的本质就是创新,而把传承置之度外。于是学校里重科研而轻教学,研究人员重写论文而放松对已有成果的学习和吸收。这个系列片,在阐释科学精神时是全面的,并且把科学技术的传承提到应有的高度。他们在介绍以上所述的每一个领域的进步,每一样革新都是在继承前人成就的基础上,对其中的某一方面进行改进。飞跃是由无数的积累组成的。 最后,系列片以优美的文字、翔实的史料、精美的画面、深入浅出的解说和动画引人入胜,欣赏它的过程会引发你更进一步的思考,本身也是一种很好的享受。 总之,我认为这是一部多年来难得看到的好的科普片。 据悉,这个系列片将从 2010 年 4 月 26 日开始,在中央电视台第 4 套、 9 套和武汉电视台播出。我相信大家看了以后会有我同样的感觉。遗憾的是,据悉播出时间是安排在中午一点半,这实在是一个很坏的时间。对于这样好的一部科普片,有的人听说安排的这种时间,有点愤慨。在胡总书记天天讲科学发展观的今天,科学普及在中央台大概仍然是一点地位也没有的。赵本山比科学重要多了。 以下是《世博会的科学传奇》 20 集的内容提要: 第一集 一切始于世博会 世博会的肇始、发展和世博会理念的不断演变与重新定位;世博会对人类文明的标记和推动作用;科技发展和进步是历届世博会最核心的精华。 第二集 凝固的乐章(上) 首届伦敦世博会水晶宫、巴黎世博会埃菲尔铁塔、美国纽约自由女神;钢筋水泥和电梯的问世;芝加哥白城建筑对后世的影响。 第三集 凝固的乐章(下) 历届世博会标志性建筑。从泰龙佩利球到原子塔、宇宙针和太阳塔;从柯布西耶到密斯。世博会场馆留下了建筑史的奇迹。 第四集 蒸汽机凯歌 蒸汽机是早期科技力量的象征和工业革命的引擎。世博会上的瓦特蒸汽机、考利斯蒸汽机和克鲁梭汽锤。蒸汽机在各领域的应用带来的巨大的社会变革。 第五集 铁轮滚滚 200 年(上) 从英国早期铁路到轨距之争;从横贯美国的大铁路到西伯利亚大铁路;从詹尼挂钩到空气刹车,世博会上火车的发展映射了文明的进程。 第六集 铁轮滚滚 200 年(下) 为辛普伦隧道开通而举办的世博会;东方快车传奇;从蒸汽机车到内燃机、电气化机车;动车组和磁悬浮列车原理;世博会展现了火车的光明前景。 第七集 大海航行(上) 哥伦布的航线和麦哲伦的远征;达伽马的探索和库克船长的功勋;郑和下西洋的壮举及其历史启迪。航海和地理大发现是近代文明的开端和多届世博会的主题。 第八集 大海航行(下) 苏伊士运河的兴建和巴拿马运河的开通;螺旋桨如何取代明轮;大东方号的传奇;现代航运的变迁。世博会记录了近代人类航海的历程。 第九集 电改变世界 电灯的发明和爱迪生的贡献,芝加哥世博会和直流、交流之战;发电机、电动机、蓄电池的演进,荧光灯和碘钨灯的问世。爱迪生和特斯拉的恩怨。 第十集 百年传播(上) 伦敦世博会上惠斯通的磁针电报和莫尔斯电码;贝尔电话和泼尼快递的荣耀。大西洋海底电缆的屡败屡战;电话和打字机对妇女解放的特殊意义。 第十一集 百年传播(下) 跨美长途电话的架设成功;无线电和马可尼的贡献;广播、电视成为新兴媒体;半导体问世;光纤、通讯卫星和互联网将世界变成地球村。 第十二集 汽车神话 早期的蒸汽机车和世博会上的本茨、戴姆勒汽车;法国领先和英国落伍的原因;福特和底特律三巨头的故事;日本汽车的崛起和汽车工业的战国时代。 第十三集 留住声像 爱迪生唱筒和柏林纳唱片的对决;世博会上早期的银版照相、火绵胶湿版照相、干版照相;赛璐珞的发明和柯达胶卷问世;数码技术的席卷天下。 第十四集 漫话电影 麦布里奇的奔马爱迪生的西洋镜和鲁米埃的电影院;梅里埃的月球旅行和好莱坞的兴起。世博会见证了电影走过的有声、彩色、宽银幕、 IMAX 历程。 第十五集 人类的翅膀(上) 蒙特高尔夫兄弟和查理的气球;安德鲁乘坐气球北极探险,皮卡德伉俪同温层飞行。圣路易斯世博会飞艇比赛。意大利、英国、美国飞艇竞争,齐柏林飞艇的辉煌和灾难。 第十六集 人类的翅膀(下) 凯莱为重于空气的飞行器奠定理论基石。李林塔尔的滑翔机;兰利的失败和莱特兄弟蒙受不公并将飞机送往英国博物馆的奥秘;林德伯格、休斯和早期蓝天巾帼的传奇。 第十七集 太空探秘(上) 两次世博会用天文望远镜开幕。折射、反射、折反射望远镜和射电望远镜的更新换代;美苏太空竞争和人造卫星、载人航天、宇宙空间站与阿波罗登月工程;美苏空间合作。 第十八集 太空探秘(下) 宇宙空间站的发展,航天飞机和内地行星、外地行星探测器;中国航天技术在世博会上备受瞩目。先驱者号的镀金铝板和旅行者号的金唱片成为宇宙飘瓶。 KEO 卫星时间仓。 第十九集 过去未来共斟酌 从恐龙时代到人类登场;对昨天的回顾和对明天的遐想;三次给 5000 年后子孙发送时间仓的故事动人心弦,世博会是向过去和未来极目眺望的制高点。 第二十集 环境和人 人类近百年最大的发现是对环境危机的发现。早期世博会上许多造福人类的发明成了破坏地球生态的肇因。与自然和谐相处是当代世博会的共识。
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《力学史杂谈》序言
zdwang 2009-11-24 07:24
《力学史杂谈》序言
王振东 一门学科的历史,无论对于了解这门学科的过去与现在,对于学科的教学、研究成果的正确评价,对于预测学科的发展、学科发展规划的制定,都非常重要。所以世界各国在各个学科的研究和教学中,都很重视该门学科历史的研究和教学。 力学是自然科学中最早精确化的学科。现代自然科学是从力学开始的,直到19世纪末,精确的自然科学主要就是力学。爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》中指出:“ 在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力,那么它的未来的路径是可以预言的,而且它的过去也是可以揭示的。例如所有行星的未来路径都是可以预知的,作用在它们之上的是只跟距离有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示着机械 观 可以无例外地应用于物理学的任何分支部门,所有的现象都可以用引力或斥力来解释,而这些力只与距离有关,并且作用于不变的粒子之间。 ” 20 世纪在力学理论的指导和支持下,取得的工程技术成就不胜枚举,如原子弹、氢弹、火箭和人造卫星、航天飞机、兵工武器、巨型轮船、深潜的潜艇、高速列车、海洋平台、高层抗震建筑、高水平的斜拉桥和吊桥、大型机械与微型精密机械等,都体现了力学的成果和贡献。另一方面,由力学现象研究在20世纪发现的混沌、分叉、分形,己成为标志自然科学最新发展的非线性科学的核心部分。周培源先生说:“力学是关于物质宏观运动规律的科学。”“只要自然界存在着机械运动,以及机械运动和其他各级运动形式的相互联系,力学就永远有无止境的研究课题,就永远有无限光辉的前景。” 武际可教授,在半个世纪的力学教学与研究中,对力学史也有较深入的研究,他所著的《力学史》(重庆出版社2000年1月出版)、《近代力学在中国的传播与发展》(高等教育出版社2005年11月出版),是多年来在北京大学力学专业对大学生和研究生开设力学史课程讲义的基础上,逐渐补充发展而成的两本专著,已经在国内产生了广泛的影响,不少高等学校己将它们选作为“力学史”课程的教学用书。 与此同时,武际可教授近廿年来还在《力学与实践》、《物理教学》等期刊,“凤凰卫视”的《世纪大讲堂》,有关的学术会议文集,以及在《科学网》、《天益网》等网络上陆续发表了三十多篇有关力学史研究方面的文章,现收集为《力学史杂谈》书出版。全书分为三部分:人物篇、事件篇和议论篇。人物篇和事件篇,涵盖了力学史上许多比较重要的人物和事件,每篇文章都有对历史事实认真的考据,和独到的见解。议论篇以史论今,对当前科学和力学发展的有关基本问题,认真提出了许多中肯的看法和建议。 力学基础课是大学理科和众多工程学科的必修课程,所以这些学科的大学生和研究生,适当了解力学学科的发展历史是很必要的。本书作为《大众力学丛书》的一种,对于从事数学、力学、天文、物理、工程技术、科学史等专业的学生、教师以及广大希望了解力学及其发展历史的读者是一本十分难得的好书。 (武际可,力学史杂谈,高等教育出版社,2009年10月出版)
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《力学史杂谈》作者的话
武际可 2009-10-30 08:26
《力学史杂谈》作者的话 1958 年,我留校作助教了。于是要为在一个相当时期作一个教员做思想准备。当时有一个朴素的感觉,教员的天职是教好课,而要教好课,除了对课程内容有透彻的理解外,还要有两个条件。这两个条件就是:一是要能够用通俗的语言把所教的东西讲给学生,二是要对所讲的东西的来龙去脉比较清楚。只有这样,所讲的课,才能引起学生的兴趣,教学才会达到预期的效果。而这两样我都不具备,我从小一直在学校里念书,除了课本上的东西外,涉猎很少。为此,我在不断熟悉所担任课程的内容外,便注意搜集和阅读有关的科普著作,学习其中把高深的道理用通俗的语言表达的技巧。另外就是特别留心搜集有关科学技术发展史方面的材料,准备了一个专门记载这些材料的本子。 如今退休了,课虽然不教了,但对科普和力学史这两项业余爱好却保留了下来。这本《力学史杂谈》就是由当初那些零零碎碎的科学技术史笔记整理而成的。 经过这许多年关注力学史,不能说没有一点体会。熟悉一点科学技术的历史,对教学的确有帮助。在对教材的取舍、教材的前后组织上,能够从发展的眼光来审视。而且在教学中,能够使学生了解问题的提出和解决的过程以及问题发展的历史必然性,使他们更深刻地了解所教内容的意义。 其实,熟悉科技史,所得到的好处远不只是教学上的获益。它使我放宽了视野,习惯于从整个社会需求与发展来看待教育与科学研究,认识科学技术和社会进步,包括和思想意识进步的关系。从而对小到一个教学小组和一个系和专业的管理、一项研究选题的取舍,大到有关科学和教育的各项实际政策和方针,都可以从发展的角度来理解和评价。于是便有时写一点对科普、科学中的伪科学、科技道德、科技水平的评定等方面的随笔。现在把它们结集出版,也许会对从事力学和工程教学的教师,对学习力学的学生,以及对力学史感兴趣的其他读者有点用处。 这本书收集的有四十多篇文章。这些文章分为三部分:人物篇、事件篇和议论篇。为了使这本书能够涵盖更多的历史上比较重要的人物和事件,有几篇文章是取材于我的另一本书《力学史》的个别章节。 天津大学王振东教授,为本书作序。特致谢意。 研究力学史,必须和这样那样的史料和文献打交道。我国的近代力学是从西方引进的,所以许多原始文献都是西文的。许多原始文献必须从国外图书馆复印。笔者感谢北大唐少强教授,北京理工大学魏丰博士,多次为笔者复印有关的文献。 该书由高等教育出版社出版,列入大众力学丛书 力学史杂谈内容提要 本书收集作者在近 20 年中陆续发表或尚未发表的 40 多篇文章和天津大学王振东教授的两篇文章。文章分为人物篇、事件篇和议论篇三部分。这些文章中概括了作者认为对力学发展乃至对整个科学发展比较重要而又普遍关心的课题。介绍了从阿基米德、伽利略、牛顿拉格朗日等科学家的生平与贡献,也介绍了我国著名的力学家,作者还对力学史上比较重要的事件,如守恒定律、梁和板的理论、永动机等事件的前前后后进行介绍。每篇文章中,作者有对历史事实的认真考据,有作者独到的见解。同时,涉及当前科学和力学发展有关的基本问题,作者也发表了一些议论。本书对科学史有兴趣的读者,对学习力学的学生和教师,都是一本难得的参考书。 力学史杂谈目录 大众力学丛书总序 王振东 教授序 人物篇 阿基米德 一位同现代科学相通的天才 打开近代科学之门的对话 ―― 介绍伽利略《关于两门新科学的对话》 8 分差异引起的革新 开普勒与开普勒三定律 伟人的阴暗面 牛顿的一些丑事 伯努利家族在力学上的贡献 一本没有图的力学书 拉格朗日和他的《分析力学》 两位著名的女数学力学家 几位大物理学家的力学贡献 庞加莱获奖反贴钱 ―― 混沌发现过程中的一个小插曲 近代中国几位著名的力学家 汉中教改十年 谨以此祝贺周培源教授九十寿辰 事件篇 力学教材的简单历史 漫话周期运动 天体的运行和乐器的发声 永动机漫谈 能量守恒定律的发现 《远西奇器图说》 一部伟大的科学启蒙著作 调速器的发明和研究 结构力学回顾与展望 经典力学发展的两条路径 人类飞起来前后 纪念莱特兄弟飞行成功 100 周年 什么是分岔 说 梁 说 板 说说风洞 以 太 汉语中 力学 一词考源 议论篇 科学实验与力学 力学家怎样看宇宙万物 力学同数学亲如手足 力学家之间的首创权之争 介绍朱照宣《牛顿原理三百年祭》一文 中国古代为什么没有力学 早期中国的力学是外国人送上门来的 作者的话
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钟表和力学的发展
武际可 2009-1-17 10:35
钟表和力学的发展 武际可 莎士比亚写的戏剧《朱利奥凯撒》的第二幕第二场中有一段对话: 凯:现在几点了? 布:凯撒,已敲过八点了。 其实在凯撒的时代(公元前一世纪)根本就还没有报时钟。能自动敲点报时的钟大约是那时代往后一千四百多年才发明的。莎翁以自己的生活经验写他之前一千六百多年的事,由于没有注意计时器的历史发展进程,因而闹出了笑话。犹如我们现在写莎翁打电话一样荒唐可笑。 在现代社会中,钟表不仅是科学技术中重要的计时手段,而且已经变成日常生活的必须品了。然而人类计时的发展是经过漫长的岁月的,本文就是要着重谈谈与钟表发展历史有关的一些问题。 计时手段的发展和力学的学科发展有着十分密切的联系。力学的发展依赖于计时,力学的发展又反过来促进计时的发展与革新。 我们常说,力学是研究物质机械运动的学科。所谓机械运动是物体在空间中、在时间过程中发生的位置变化。力学又可以分为动力学和静力学两个部门。 静力学是研究平衡的学问,和时间的关系不大,所以大约在 16 世纪,在较精密的计时装置发明之前,斯蒂芬( Simon Stivin,1548 - 1620 )以发现了力的平行四边形合成道理而宣告静力学的系统化。在他的《静力学》专著中只用到了几何学。 而动力学就不同了,它的确立必然要和精密的时间量度项联系。所以动力学的发展同精密计时手段的发展是相辅相成的。 为了说明精密计时同力学发展的关系,让我们首先观察一架现代的计时装置由哪些部分组成。拿任何钟表来说,它一般由三部分组成,这就是动力部分、传动部分和控制部分。 先从控制部分说起,它是计时器的心脏。它具有一个标准的运动装置,是一个标准的依时间均匀地直线运动或等时地周期运动装置。这部分提供计时系统运动的标准。同时还要有一个称为卡子(擒纵器)的机构,用来使系统的运动和标准的运动同步。 其次是传动部分,用以将标准运动的时间经过经过复杂的转换显示出来。例如打更、举旗、指针和文字显示等。 最后就是动力部分。这部分提供自动计时器的原动力或能源。 严格地说,这三部分都是和力学不可分的。从远古起它们就在发展并且积累了相当多的知识。 大约在中国的南宋时代,有一位学者薛季宣( 1134 - 1173 )总结当时的计时手段时说:晷漏有四,曰铜漏、曰香篆、曰表圭、曰辊弹。这段话被稍后的南宋学者王应麟摘录于《小学绀珠》中。这里晷漏是计时器的总称。所说的四种方式我们分别介绍如下。 铜漏是一种用来计时的贮水铜制容器。下部有孔,水不断泄漏。水位下降,指示水位的刻度便可以告诉你时刻。此类装置在古代西方与中国都有考古发现。最早出土的漏壶在埃及,大约成器于公元前 3400 年。其形状为顶端大底部小的截锥体。由于水位高时水流得快,低时流得慢,这样可以使水位大致保持均匀下降。中国出土最早的漏壶大约在西汉,之后一直到明代还在使用。古书上形容大臣们按时去早朝为待漏。漏壶后来也有以沙代水的,称为沙漏。 香篆是以点燃一种用木屑加胶制成的条状物(称为香)来计时的。中国最早用香作为祭祀与祷告的用品,即香烟缭绕,以达神明,以后才用以计时。看香燃烧的长度来确定时刻。用香还能制成一种闹钟。方法是在香的某个长度上系一段线,线的另一头系一小铜球,当香燃烧到系线处便将线烧断,这时小铜球便落在下面预置的盘中,发出响声。在西方虽然没有烧香一说,但古代有以燃烧蜡烛的长度来计时的办法。 圭表是测日影长度和角度的仪器。直立者为圭表,斜立者且底盘有分度者为日晷。它们是一切仪器中最为古老的。以测日影长度和角度定时间的办法起源很早,东西方都在距今约三四千年以前。 前面介绍的这三种计时办法,香篆和圭表都不准确。前者同是一根香,燃烧速度受气温气流的影响很大,何况不同的香燃烧速度有很大的不同。而后者因为影子的边界模糊不易测准,而且在阴天就失败。比较起来铜漏相对好一点。所以据《周礼》所记,中国古代从周朝开始就已经有专门掌管时刻的官职,如夏官掣壶氏等。一直到明末以后,漏壶才逐渐被现代钟表所代替。 以上三种计时方式还有一个共同的缺点就是观察不方便。铜漏的刻度是在壶的内壁,古时不像现在有玻璃器皿,观察刻度比较方便。怎样才能使漏壶的度量变为易于观察的标志,从汉到明的一前多年中,颇有人动过不少脑筋,通过十分复杂的机构以达到这一目的。这就是所谓辊弹,也就是现代钟表的前身。 最早的机械辊弹,要数东汉张衡( 78 - 139 )所造的浑象仪了。它利用漏壶流水来驱动,以一套复杂的齿轮系统传动使之均匀地绕极轴旋转,可以调整使其旋转速度和天球旋转速度大致一样。这样一来,昼夜星辰出没都可以实际显示出来,因此它又被称为水转浑天仪。不仅如此,它还可以表演月亮盈亏,所以实际上还相当于一架粗制的带日历的大钟。继张衡之后,三国时吴国的陆绩、葛衡,宋代的钱乐之,梁代的陶宏景,隋朝的耿询,唐代的高僧一行和梁令瓒,北宋的张思训,都做过浑天仪,而且每次都有所改进。 最为巧妙的是北宋人苏颂( 1020 - 1101 )于 1088 年设计制造的水运仪象台。它的构造在苏颂著的《新仪象法要》中描述得很详细。 50 年代我国学者王振铎等将它复原与北京历史博物馆陈列。西方类似的机械打点钟最早出现在 1335 年意大利米兰的一个教堂的钟楼。 现在让我们从前述的三部分来看钟表的发展。能源和传动,诚然都和力学有关,而钟表所用的能源大多是水和重锤的势能。传动部分是齿轮、链条或滑轮。这两部分虽然后来还有很大的改进,但为提高精密度,它们的改进尚不起关键作用。 至于控制部分,应当提到的是在苏颂的水运仪象台上,已经有了卡子(擒纵器)的机构。这是一件了不起的发明。它使传动和时间的标准运动――漏壶的状态严格同步,每漏满一个水斗,在它的控制下具有 36 个格子的枢轮严格转动一格。据西方学者李约瑟的考证,公元 725 年唐代高僧一行就发明了它,这早于西方类似的发明至少 600 年。西方在 1335 年米兰教堂的钟楼,还没有卡子,它的速度是靠传动末级的摩擦力来控制的。西方钟表的卡子大约是 1396 年在法国发明的。 然而,以上的原始钟表的精度还是十分可怜的。其根本原因是,不管是漏壶还是西方传动末级的摩擦力都不容易精确调整,误差很大。于是为寻求标准等时运动的重任便历史性地落在力学家的身上。 伽利略( 1564 - 1642 )是研究摆的运动的第一人。他在 17 岁时,作为比萨大学一年级的学生,对摆的振动发生了兴趣,经过反复实验得到了摆的小摆动周期与摆长成正比的结论,从而在理论上为钟表的核心装置――摆奠定了理论基础。这标志着一个新时代的开始。伽利略又是精确研究动力学的第一人,他对自由落体也和对摆的研究一样,同样标志着人类对动力学研究的开始。 1641 年,伽利略建议利用摆的等时性制造钟。但是他未能完成,一年后便逝世了。他的这项遗志便由他的儿子文生桥来继承。而文生桥工作慢慢吞吞, 8 年后于 1649 年才着手这项工作,不久也去世了。于是制造摆钟的任务便历史性地由荷兰学者惠更斯( 1629 - 1695 )担当了。 1657 年,年仅 27 岁由于发现土星光环而知名的年轻学者惠更斯完成了摆钟的设计。同年,荷兰的钟表匠制成了首架摆钟。次年,惠更斯出版了他的专著《摆钟》。在这本书中,惠更斯不仅详细描述了摆钟的机构,更重要的是发表了一系列关于单摆与动力学的重要研究结果。例如,惠更斯系统地研究了圆周运动,引进了向心力和向心加速度的概念。他在理论上论证了单摆的等时性并给出了其周期 的公式,其中 为摆长, 为重力加速度。随后,惠更斯又发现在大摆动时单摆的周期不再是常数,并给出了在大摆动时也有等周期的摆线理论。所以,我们可以毫不夸张地说,惠更斯在动力学研究上是伽利略的直接继承人。 摆钟的发明对钟表精度的改进是非常了不起的。在此之前,最好的钟一昼夜误差大约 15 分钟,而当时最好的摆钟可以调整到一昼夜误差不大于 10 秒。至此我们才可以说,我们确实有了研究地球上物体运动的精确计时装置。 谈到钟表的改进,还应当提到一位力学家,即英国学者胡克( 1635 - 1703 )。他于 1676 年发表了对于弹簧的研究结果,后人称之为胡克定律,即弹簧的伸出与外力成正比关系。胡克对弹簧研究的开创性的工作,使人们对弹簧了解得越来越多。随之而来的是出现了两项改进:一项是弹簧发条贮能器的改进,另一项是弹簧(或游丝)摆轮的发明。 1674 年惠更斯制成基于弹簧摆轮的钟表。有了这两项改进,钟表可以造得更为轻巧,例如,可以在颠簸环境下工作的钟和可以随身携带的怀表以及手表的出现。 1707 年,英国海军舰队发生了一次惨祸,有三只船失事,超过 2000 人死亡。原因是舰队的位置出了差错。 1714 年英国国会悬赏二万英镑:谁要是能够找到在海中精确测定经度的方法,他就可以得到这笔奖金。条件是到达西印度的 6 个星期的航行后,误差不得大于 30 英里。实际上,当时天文观测仪器已经可以十分精确地测定天上星球的位置了。对于船舶所在的纬度可以直接由观测星球得到。对于所在地的经度,由于星球在天上随时间在均匀地运动,所以问题归结于能否制造一架精确的可以携带的钟。这种钟称为天文钟。 技高一筹的钟表匠哈里森( 1693 - 1776 )于 1761 年以他改进的钟从伦敦到牙买加的 9 星期的航海旅程中时钟仅差 5 秒,从而赢得了国会的悬赏。 18 世纪时,欧洲钟表进入了市场,有了从教堂、航海、家庭摆设到个人佩戴等各式各样的钟表。之后钟表做得越来越精巧,可以戴在手腕上的手表也出现了。 迄今 200 多年间,钟表用于测量各种物理量。测量声速、光速、各种振动频率、周期、各种物体的运动以及体育运动。此外它还广泛地用于航海、航。各门学科和各门技术的发展无不得益于钟表的帮助。 从另一角度讲,钟表的发展和改进可以说揭开了现代技术的序幕。由于对于它的需求,需要加工大量的钟表另配件,于是产生了现代车床和现代金属加工技术。另一方面,钟表发展又为欧洲的现代技术发展培训了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特( 1736 - 1819 )、纺织机的发明者英国人阿克赖特( 1732 - 1792 )、以蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿( 1765 - 1848 )等,他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制作匠。 有一种流行的观点是很有道理的,即认为欧洲的近代科学技术的起源是古希腊的思辨传统与欧洲的手工业传统相结合的产物。前者是以达芬奇、伽利略、惠更斯与牛顿的动力学发展为代表,而后者便是以钟表工业的发展所培养起的一代新技术人才。 至于中国,在钟表方面虽曾有过光辉的历史,有最早的水转浑天仪、水转仪象台,有最早发明的卡子,然而由于这些设备与装置始终限于皇宫之内,没有走向市场,所以在宋以后,经元明两代兵荒马乱便渐渐失传了。 旧时中国各行各业都供奉一个行业的开山祖师爷,如,木工供鲁班、戏剧界供唐明皇、农民供神农士等。而旧时上海的钟表铺里供奉的祖师爷,不是张衡,也不是苏颂,却是一位虬髯戟张的洋人。那便是 1601 年向明万历皇帝进贡两架自鸣钟的意大利传教士利玛窦( 1552 - 1610 )。中国的钟表在中断了自己的历史传统后,不得不从此重新引进。利玛窦带来的钟还不是惠更斯的摆钟。利玛窦来中国后,与徐光启合作首译欧几里德的《几何原本》。随后又在他的建议下罗马教皇派懂自然科学的传教士源源东来。所以他不仅给中国人带来了钟表,而且可以说实是西学东渐的祖师爷。在他之后,明清两代皇帝不断从西方引进钟表新产品。康熙皇帝有一首《戏题自鸣钟》诗: 昼夜循环胜刻漏,绸缪婉转报时全,阴晴不改忠肠性,万里遥来二百年。 (此器至中国二百年矣)。 这里康熙皇帝认为自鸣钟胜过刻漏,而且他说传来中国已经二百年了,与通常由利玛窦携来之说不同。康熙皇帝是很重视吸收西方的科学技术的,仿效西方也很快。中国最早自己生产钟表是康熙三十年( 1691 年)的事。那是距惠更斯发明摆钟之后仅 30 年左右。早期的钟表也大半只供宫廷使用。至今在故宫钟表展室中陈列的那些豪华与精巧的洋人贡品与内府打造的钟表,便是那时期中外钟表历史的见证。 如前所述,钟表的发展同流行具有十分密切的关系。中国人较早认识清楚这种关系的是清代经学大师阮元( 1764 - 1849 )。他在《自鸣钟说》一文中叙述了自鸣钟的构造并特别强调其原理与力学有关。他说:西洋之制器也,其精者曰重学。重学者以重轻为学术,凡奇器皆出乎此。而作重学以为用也,曰轮、曰螺。是以自鸣钟之理则重学也,其用则轮也螺也。阮元这里所说的重学即现今的力学。这段话的基本意思发展了 1627 年(明天启七年)西人邓玉函和华人王征合译的《远西奇器图说》中能通此学(指重学)者,知机器之所以然的思想。遗憾的是,对阮元等的看法,理解的人很少。力学在中国的传播仍然很慢,至本世纪 20 年代,随着近代教育的兴起,才开始力学知识的普及与传播。 摆钟在人类文明史上立下了汗马功劳,独领风骚 300 年。在自然科学与技术的各个领域无一没有它的贡献。然而从 20 世纪 50 年代开始,钟表的心脏――摆,不得不让位于更精密的时标――石英晶体振动或原子振荡。说到这里,也许有人会以为摆钟退位了,力学似乎也退出了钟的历史舞台。其实不然。晶体振动与原子钟中的原子轨迹计算问题涉及更为复杂更精细的力学理论与计算。 如果说经过改进的摆钟,可以控制在每年误差在一秒以内,那么,美、德、加拿大等国以及随后于 1980 年我国研制成功的铯原子钟可以精确到三十万年误差不超过一秒,最近美国制成的原子钟精度可以达到一亿年误差不到一秒。 1952 年美国制成了第一块电子手表。 20 世纪 60 年代开始,石英表投入市场。目前在民用钟表中,机械摆钟已逐步让位给新的电子表了。
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能量守恒定律的发现
武际可 2008-10-28 09:01
能量守恒定律的发现 武际可 (北京大学退休教授) 摘要 能量守恒定律的定型,是经过一个漫长的过程的。本文简述了从活力的提出、活力死力的论战、热量和温度概念的区分、到能量概念的形成,最后简述了迈尔、焦耳和亥姆霍兹对能量守恒定律的最终表述和确立的过程。 关键词 能量 活力 能量守恒 迈尔 亥姆霍兹 焦耳 19 世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此,它的发现仍然是曲折艰苦的和激动人心的。了解能量守恒定律的发现过程,对于理解自然科学发展中理论的积累和形成是有益的。本文简要叙述能量守恒定律的发现过程。 1. 能量守恒定律发现的准备 能量守恒定律是联系机械能和热能的定律。不言而喻,在它发现之前人们必须对机械能和热能有较深入的研究。我们现在就这两方面来叙述。 活力与死力的论战 1644 年笛卡尔 ( Rene Descartes,1596 - 1650 ) 在他所著的《哲学原理》中讨论碰撞问题时引进了动量的概念,用以度量运动。 1687 年牛顿 (Isac Newton,1642 - 1727) 在他的《自然哲学的数学原理》中把动量的改变来度量力。与此不同的是莱布尼兹 ( Gottfried Wilhelm Leibniz,1646 - 1716 ) 在 1686 年的一篇论文中抨击笛卡尔,主张用质量乘速度的平方来度量运动,莱布尼兹称之为活力。把牛顿由动量所度量的力也称为死力。莱布尼兹的主张正好和 1669 年惠更斯关于碰撞问题研究的结论一致,该结论说两个物体相互碰撞时,它们的质量与速度平方乘积之和在碰撞前后保持不变。 从莱布尼兹挑起争论起,形成了以笛卡尔和莱布尼兹两大派的论争。这场论战延续了近半个世纪,许多学者都参加了论战,并且各有实验佐证。一直到 1743 年法国学者达朗贝尔 ( Jean le Rond d'Alembert,1717 - 1783 ) 在他的《论动力学》中说:对于量度一个力来说,用它给予一个受它作用而通过一定距离的物体的活力,或者用它给予受它作用一定时间的物体的动量同样都是合理的。在这里,达朗贝尔揭示了活力是按作用距离力的量度,而动量是按作用时间力的量度。这场争论终于尘埃落定了。活力才作为一个正式的力学名词为力学家们普遍接受。 活力虽然为力学家接受了,但是它与力的关系并没有弄清楚。一直到 1807 年英国学者托马斯杨( Thomas Young,1773,5,10 - 1829,5,10 )引进了能量的概念, 1831 年法国学者科里奥利 ( Gustave Gaspard Coriolis,1792 - 1843 )又 引进了力做功的概念,并且在活力前加了 1/2 系数称为动能,通过积分给出了功与动能的联系,即 1/2 mv 2 = f-ds 这个式子表示力做功转化为物体的动能。也就是说自然界的机械能是守恒的。 温度计的发明与潜热的发现 关于热的精确理论应当从制造温度计开始。从 17 世纪开始,在意大利有伽利略 ( Galilei Galileo,1564 - 1642 ) 等人开始制做温度计。但是由于采用的温标比较不方便,所以后人使用的很少。 比较早的实用温标是德国物理学家华伦海( Daniel Gabriel Fahrenheit , 1686-1736) 从 1714 年开始使用水银做温度计,并且不断改进,直到 1717 年大致确定了现在所称的华氏温标。直到华伦海去世后,科学家才正式确定华氏温标为:以水的沸点为 212 度,把 32 度定为水的冰点。所以这样规定,是要尽量使通常的温度避免取负值。 摄耳修斯像 瑞典天文学家 摄耳修斯 ( Anders Celsius , 1701-1744) 于 1742 年到 1743 年发明了摄氏温标,以标准状态下水的结冰温度为零度水的沸点为 100 度。摄氏温标在 1948 年被国际度量衡会议定为国际标准。 温度计的发明给热学的精确化准备了必要的条件,人们可以用它来测量各种不同条件下物质的温度变化。最早人们并没有把温度和热量区分开来,认为温度就是热量。 18 世纪 50 年代,英国科学家布莱克 (Joseph.Black , 17281799) 把 32F 的冰块与相等重量的 172F 的水相混合,结果发现,平均温度不是 102F ,而是 32F ,其效果只是冰块全部融化为水。 布莱克由此作出结论:冰在熔解时,需要吸收大量的热量,这些热量使冰变成水,但并不能引起温度的升高。他还猜想到,冰熔解时吸收的热量是一定的。为了弄清楚这个问题,他把实验反过来作,即观测水在凝固时是否也会放出一定的热量。他把摄氏零下 4 的过冷却的水不停地振荡,使一部分过冷却水凝固为冰,结果温度上升了;当过冷却水完全凝固时, 温度上升到摄氏零度,表明水在凝固时确实放出了热量。进一步的大量实验使布莱克发现,各种物质在发生物态变化(熔解、凝固、汽化、凝结)时,都有这种效应。他曾经用玻璃罩将盛有酒精的器皿罩住,把玻璃罩内的空气抽走,器皿中的酒精就迅速蒸发,结果在玻璃罩外壁上凝结了许多小水珠。这说明液体(酒精)蒸发 时要吸收大量的热,因而使玻璃罩冷却了,外壁上才凝结了水珠。 布莱克用一个很简单直观的办法来测定水汽化时所需要的热量。他用一个稳定的火来烧一千克零摄氏度的水,使水沸腾,然后继续烧火,直至水完全蒸发掉。他测出使沸腾的水完全蒸发所烧的时间,为使水由 0℃ 升温到沸腾所烧的时间的 4.5 倍,表明所供热量之比为 100∶450 。这个实验当然是很粗糙的,所测的数值也有很大的误差;现在的测定表明这个比值为 100∶539 。布莱克还用类似的方法测出,熔解一定量的冰所需要的热量,和把相同重量的水加热 140F 所需要的热量相等(相当于加热 77.8℃ 所需要的热量),这个数值也偏小了一点,正确的数值为 143F (相当于 80℃ ),但在当时,这种测量结果也是很难得的。 布莱克基于这些实验事实于 1760 年开始认识到热量与温度是两个不同的概念,进而在 1761 年他引入了 潜热 概念。 其后,法国科学家拉瓦锡 ( Antoine-Laurent de Lavoisier , 1743 - 1794 ) 与拉普拉斯( Pierre Simom Laplace,1749 - 1827 )合作在 1780 年提出了正确测量物质热容量的方法。由于热的精确度量的成熟, 1822 年法国学者傅里叶 ( Jean Baptiste Joseph Fourier , 1768 ~ 1830 ) 出版了他多年关于热学研究的总结著作《热的解析理论》。 热力机械的发明 从远古开始人类就认识到由机械运动可以产生热。无论东方和西方,古代都有钻木取火纪录,这就是把机械运动转变为热的早期实践。不过几千年中一直没有人想到机械能和热能的定量转换问题。直到美国人朗福德 (Rumford,Benjamin Thompson,Count , 1753-1814) 1798 年在慕尼黑注意到 , 当用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时 , 金属坯料象火一样发烫,必须不断用水来冷却。朗福德注意到 , 只要镗钻不停止 , 金属就不停地发热;如果把这些热都传给原金属 , 则足可以把它熔化。朗福德的结论是 , 镗具的机械运动转化为热 , 因此热则是一种运动形式,而不是以前人们认为的是一种物质。朗福德还试图计算一定量的机械能所产生的热量。这样朗福德首次给出一个我们现在称为热功当量的数值。不过他的数值太高。半个世纪以后 , 焦耳提供了正确值。 提到热能转变为机械能,最早应当提到的是亚力山大的希罗( Hero of Alexandria, 约公元 62 年前后)发明的蒸汽机。这项发明是一个空心球体上面连上两段弯管,当球内的水沸腾时,蒸汽通过管子喷出,这个球就迅速旋转,这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍而没有实际应用。 1712 年,英国人托马斯纽可曼( Thomas Newcomen,1663 - 1729 )发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞 , 在工作时 , 先把蒸汽导入汽缸 , 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水 , 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低,就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸,进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次,而且可以自动工作,使矿井的抽水工作大为便利,所以不仅英国人使用,在德国与法国也在使用。 瓦特 ( James Watt,1736 - 1819 ) 在 18 世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项,一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率,另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。 永动机的不可能 据说永动机的概念发端于印度,在公元 12 世纪传入欧洲。 据记载欧洲最早、 最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考( Villand de Honnecourt ) 的法国人提出来的。如图所示:轮子中央有一个转动轴,轮子边缘安装着 12 个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球。 随后,研究和发明永动机的人不断涌现。尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的,研究永动机的人还是前赴后继。 文艺复兴时期意大利伟大学者达 芬奇( Leonardo da vinc , 1452 - 1519 )曾经用不少精力研究永动机。可贵的是他最后得到了永动机不可能的结论。 与达 芬奇同时代还有一位名叫卡丹的意大利人( Jerome Cardan , 1501-1576 ),他以最早给出求解三次方程的根而出名,也认为永动机是不可能的。 关于永动机的不可能,还应当提到荷兰物理学家司提芬( Simon Stevin , 1548 1620 ) 。 16 世纪之前,在静力学中,人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题,以及把一个力分解为平行力系的问题,还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题,人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。通过巧妙的论证解决了这个问题。假如你把一根均匀的链条 ABC 放置在一个非对称的直立(无摩檫)的楔形体上,如图所示。这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动?如果会,往哪一边?司提芬想象把楔形体停在空中,在底部由 CDA 把链条连起来使之闭合,如图,最后解决了 这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的,把悬挂的部分和上部的链条连起来,斯提芬说:假如你认为楔形体上的链条不平衡,我就可以造出永动机。事实上如果链条会滑动,那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去;这显然是荒谬的,回答必然是链条不动。并且他由此得到了汇交三力平衡的条件。他觉得这一证明很妙,就把图 2 放在他的著作《数学备忘录( Hypomnemata Mathematica )》的扉页上,他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决,也标志着静力学的成熟。 随着对永动机不可能的认识,一些国家对永动机给出了限制。如 早在 1775 年法国科学院就決定不再刊载有关永动机的通訊。 1917 年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。 据英国专利局的助理评审员 F. Charlesworth 称:英国的第一个永动机专利是 1635 年,在 1617 年到 1903 年之间英国专利局就收到约 600 项永动机的专利申请。这还不包含利用重力原理之外的永动机专利申请。而美国在 1917 年之后还是有不少一时看不出奥妙的永动机方案被专利局接受。 2. 迈尔的发现与遭遇 在前面这些科学研究的基础上,机械能的度量和守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化、永动机的大量实践宣布为不可能。能量守恒定律的发现条件是逐渐成熟了。于是这项发现最早就由迈尔来开头。 迈尔( Julius Robert Mayer,1814 - 1878 )是德国的物理学家。大学时学医,但他并不喜欢当医生,他当过随船医生,工作比较清闲。 在西方大约从公元 4 世纪开始有一种大量放血的治疗方法。一次大约要放掉 12 到 13 盎司(约合 340 - 370 克,有一杯之多)的血,有的则一直放血放到病人感觉头晕为止。这种疗法的根据是,在古代的西方有一种所谓液体病理的理论,说人体含有多种液体,如血、痰、胆汁等。这些液体的过多或不足都会致病。放血的作用就是排除多余液体一种措施。中世纪西方的有钱人,特别是那些贵族上层人物、绅士们,还要在一年中定期放血,一般要在春秋各放血一次。放血另一种作用是使女人看上去更好看,这和西方当时的审美观有关,使她们既显得白皙,又不会因为害羞而满脸通红。所以西方的贵妇人也经常放血。迈尔作为一名医生,不用说也是经常使用放血疗法给人治病的。 大约是在 1840 年去爪哇的航行中,由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣。在泗水,当他为一些患病的水手放血时,他发现静脉的血比较鲜亮,起初他还误以为是切错了动脉。于是他思考,血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。这一现象促使迈尔思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实。从而得出结论,热和功是能够相互转化的。 他又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终,从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想机械功根本不可能产生于无。 在 1841 年 9 月 12 日 他给友人的信中最早提及了热功当量。他说:对于我的能用数学的可靠性来阐述的理论来说,极为重要的仍然是解决以下这个问题:某一重物(例如 100 磅 )必须举到地面上多高的地方,才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将 一磅 0 ℃ 的冰转化为 0 ℃ 的水所必要的热量。 1842 年 3 月,迈尔写了一篇短文《关于无机界的力的看法》寄给了《药剂学和化学编年史》的主编、德国化学家李比希( Justus von Liebig,1803 - 1873 ),李比希立即答应使用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说:人们发现,一重物从大约 365 米 高处下落所做的功,相当于把同重量的水从 0 ℃ 升到 1 ℃ 所需的热量。他的文章发表于 1842 年 5 月。 迈尔是最早进行热功当量实验的学者,在 1842 年,他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆,比较了马所做的功与纸浆的温升,给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来,显得粗糙,但是他深深认识到这个问题的重大意义,并且最早表述了能量守恒定律。他在 1842 年底给友人的信中说:我主观认为,表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证明:即一个在科学上得到普遍公认的定理:永动机的设计在理论上是绝对不可能的(这就是说,即使人们不考虑力学上的困难,比方说摩擦等等,人们也不可能成功地由思想上设计出来)。而我的断言可以全部被视为从这种不能原则中得出的纯结论。要是有人否认我的这个定理,那么我就能立即建造一部永动机。 迈尔的论文没有引起社会重视,为了补足第一篇论文没有计算、过于简要的缺点,他写了第二篇论文,结果如石沉大海,没有被采用。他论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能的最终源泉。 后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表,人们将能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳。而他的论文既早又系统,却不仅得不到承认,而且还招来了一些攻击文章。再加 1848 年,他祸不单行,两个孩子夭折、弟弟又因参加革命活动受牵连。 1849 年,迈尔从三楼跳下,从此成为重残,而后又被诊断为精神分裂,送入精神病院,医生们认为他经常谈论的那种新发现,是一种自大狂的精神病症状。 1858 年亥姆霍兹阅读了迈尔 1852 年的论文,并且承认迈尔早于自己影响很广的论文。克劳修斯也认为迈尔是守恒定律的发现者。克劳修斯把这一事实告诉了英国声学家丁铎尔( John Tyndall , 1820-1893 ),一直到 1862 年由于丁铎尔在伦敦皇家学会上系统介绍了他的工作,他的成就才得到社会公认。 1860 年迈尔的早期论文翻译成英文出版, 1870 年之迈尔被选为巴黎科学院的通讯成员,并且获得了彭赛列奖( Prix Poncelet )。之后迈尔的命运有很大的改善。 3. 亥姆霍兹与焦耳的工作 亥姆霍兹与他的的《论力的守恒》 亥姆霍兹( Hermann von Helmholtz,1821 - 1894 )出生在一个德国的穷教员家里, 中学毕业后在军队服役8年,取得公费进入在柏林的王家医学科学院。 1842 年亥姆霍兹获得了博士学位。 1845 年他参加了由年轻的学者组织的柏林物理学协会,之后他经常参加协会活动,除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问题。 1847 年 7 月 23 日 他向物理学协会作了题为《论力的守恒》的著名报告。报告后,他将文章交给《物理学编年史》的编辑,不料又和 6 年前迈尔的稿件一样的命运,编辑以没有实验事实而拒绝刊登。后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的出版社出版了。文章的结论与 1843 年焦耳的实验完全一致,很快就被人们称为自然界最高又最重要的原理。时间仅差数年,又由于有有名的出版社出版,他与迈尔的命运完全不同。后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的概念,采用势能代替弹力,以动能代替活力,使在力学中延续了近 200 年的概念上含混不清的情况得到改变。 关于亥姆霍兹值得介绍的是他在德国科学家发展中所起的组织作用。 1870 年,他的老师马格努斯( Heinrich Gustav Magnus,1802 - 1870 ),德国最早的物理研究所所长,逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹继任为所长。那时,德国的科学研究水平,比起英国与法国要落后得多。不久普法战争结束,德国从法国得到一大笔赔款,德国的经济状况有所改善,亥姆霍兹得到了 300 万马克的经费去筹建新的研究所,经过 5 年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引了大批优秀的年轻学者,而且它的研究课题同工业的发展紧密联系,后来形成德国科学研究的一个十分好的传统。在研究所的支持者中有德国的大企业家、大发明家西门子( Sir William Siemens,1823 - 1883 )他与亥姆霍兹是柏林物理协会的第一批会员,是老朋友。亥姆霍兹担任德国物理协会会长达数十年之久。被人称为德国物理的宰相。 焦耳的热功当量实验 焦耳( James Prescott Joule,1818 - 1889 )是一位英国富有的酿造商之子,他的经济条件可以提供他终生做研究工作。焦耳自幼身体虚弱,脊柱曾受过伤,因此他一心读书研究,他父亲为他提供了一个家庭实验室。 1835 年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿,受到过后者的指导,焦耳的成功主要是靠自学的。焦耳对数学的知识很少,他的研究主要是靠测量。 1840 年他经过多次测量通电的导体,发现电能可以转化为热能,并且得出一条定律:电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比。他将这一定律写成一篇论文《论伏打电生热》。 后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系, 1843 年他发表了论文《论水电解时产生的热》与《论电磁的热效应和热的机械值》。特别在后一篇论文中,焦耳在英国学术会议上宣称:自然界的能是不能毁灭的,那里消耗了机械能,总能得到相当的热,热只是能的一种形式。 此后焦耳不断改进测量方法,提高测量精度,最后得到了一个被称为热功当量的物理常数,焦耳当时测得的值是 423 . 9 千克 米 / 千卡。现在这个常数的值是 418 . 4 。后人为纪念他,在国际单位制中采用焦耳为热量的单位,取 1 卡= 4 . 184 焦耳。 4 . 小结 只有在功与能的概念变得清晰、热量于温度能够区分,同时对它们能够精确量度,也只有热力机械的走向实用为人们所熟悉,并且在大量永动机的失败条件下,能量守恒定律发现的条件才趋于成熟。 即使这样,人们对先知先觉者的理解也是相对缓慢的。迈尔的遭遇就说明这一点。 能量守恒定律至今仍然是力学乃至整个自然科学的重要定律。不过它仍然会发展。 1905 年爱因斯坦( Albert Einstein , 1879-1955 )发表了阐述侠义相对论的著名论文《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中揭示了质能守恒定律,即 在一个孤立系统内,所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变,称为质能守恒定律。 参考文献 〔 1 〕武际可,力学史,重庆出版社, 2000 〔 2 〕武际可,永动机漫谈,见《力学史与方法论论文集》,林业出版社, 2003 , p.4-104 英文标题: On the discovery of the energy conservative law
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科学实验与力学
武际可 2008-10-24 11:26
科学实验与力学 我国古代的学问家忠告人们说,学问之道,慎思之,明辩之。果然靠纯粹的思辩能够弄清楚人们的疑问么?这里举两则例子: 相剑者曰:白所以为坚也,黄所以为韧也,白黄杂则坚且韧,良剑也。难者曰:白所以不韧也,黄所以不坚也,黄白杂则不坚且不韧也。又柔则锩,坚则折,剑折且锩,焉得为利剑?(吕氏春秋) 孔子游,见小儿问辩,问其何故。一儿曰:我以日始出去人近,日中时远,日初出时如车轮,其中时如盘,盖此不为远者小而近者大乎?一儿曰:日初出苍苍凉凉,及其中时,如探汤,此不为近者热而远者凉乎?孔子不能决。两儿笑曰:孰谓汝多智乎?(列子) 显然,如此只靠论辩是无法正确回答问题的。 著名的德国数学家克罗内克尔( L. Kronecker , 1823 1891 )是这样来描述数学的:上帝创造了整数,其余一切都由人来安排。就是说,数学的整个知识,只要承认整数的性质,其余的都可以通过逻辑推演得到。在数学中,特别是在纯粹数学中流行的公理化的方法就是这种思想的发展。 实际上,从古代开始,由于一批在当时影响很大的学者过高的权威(如在西方的亚里斯多德、在东方的孔丘等),还由于宗教经典的影响,人们还逐渐形成了一种思维定式。人们误以为,一切知识是由那些经典的记载或权威们说过的话,再经过逻辑推演而得到的。这种思维定式被称为演绎法。不可否认,人们依靠这种方法是获得了不少重要的知识,如在欧几里德几何中,就主要是从很少的公理开始进行推演的。即使是直到今天,演绎法也仍然是一种认识事物的手段。 在 1900 年巴黎召开的世界数学家大会上,著名的德国数学家希尔伯特( D. Hilbert , 1862 1943 )提出了 23 个数学难题。人们说这 23 个难题左右了整个 20 世纪数学研究的主导方向。其中第六个难题是:物理公理的数学处理。他说:几何基础的研究提示了这样的问题:用同样的方法借助公理来研究那些在其中数学起重要作用的物理科学,首先是概率论和力学。就是说,他提出要像在几何学中应用公理那样来研究力学。不可否认,在 20 世纪,有一些研究者确实进行过这方面的努力,而且也取得了一些成绩。 单靠论辩不能解决问题。但是,能不能说演绎法是人们获得知识的唯一手段呢。特别,因为力学同数学有十分密切的关系,能不能就说力学也可以像纯粹数学一样只靠公理化的方法来推演呢?不能。(其实即使在纯粹数学中也不是只靠演绎法来研究的。) 纵观力学的发展历史,力学发展的重要阶段与重要的力学分支的建立都是和著名的实验相联系着的。或者说,力学本质上是一门观察和实验科学。 最早的实验,大约是一类被称为假想的实验。这种实验并不要求去实际地完成一个实验,而是通过逻辑上的推论使实验的结果与经验对照,从而得出合理的结论。这里我们来举两个著名的例子。 16 世纪之前,在静力学中,人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题,以及把一个力分解为平行力系的问题,还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题,人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。荷兰物理学家司提芬( Simon Stevin , 1548 1620 ) )通过巧妙的论证解决了这个问题。假如你把一根均匀的链条放置在一个非对称的直立(无摩檫)的楔形体上,如图所示。这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动?如果会,往哪一边?司提芬想象把楔形体停在空中,在底部把链条连起来使之闭合,最后解决了这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的,把悬挂的部分和上部的链条连起来,假如你认为楔形体上的链条会滑动,那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去;这显然是荒谬的,回答必然是链条不动。并且由此得到了三力平衡的条件。他觉得这一证明很妙,就把这张图放在他的著作《数学备忘录( Hypomnemata Mathematica )》的扉页上,他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决,也标志着静力学的成熟。 伽利略的最著名的 实验 是他对亚里士多德 ( Aristotle, 前 384 前 322 ) 关于重物比轻物下落快断言的驳斥。他想象一块重的石头和一个轻的球,用绳子绑在一起,然后从塔上扔下来。从逻辑上说,如果球下落得比石头慢,它必然会阻碍石头的正常下落而使它变慢。但是,另一方面,球和石头一起比单独的石头为重,因而应当下落的比石头自己为快。只有在它们二者以相同的速度下落的条件下,才可能避免这一和日常经验的矛盾。 日心说的确立又是和一系列的观察和实验分不开的。哥白尼是经过了 30 多年的观察和计算才构思得到日心说的体系的。之后伽利略制造望远镜,并把望远镜对准天空发现了木星的卫星和金星的月貌,给日心说以最有力的支持。第谷 20 多年的观测和开普勒近 10 年的计算,经过了两代人的连续努力,才确立了开普勒三定律,从而打破行星轨道是圆形的定式。但是,所有这些都还不能彻底击败地心说,因为还没有从根本上回答日心说的反对者提出的一个责难。这就是如果地球在运动的话,那么我们每时每刻都要生活在狂风之中;如果地球在运动的话,铅直抛上去的物体落下来就不会落在原地。这个责难牵涉到了力学的根本问题,日心说者必须回答而不能绕开。 伽利略在 1624 1630 年花了很大的精力写出了巨著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,并于 1632 年出版。书中是这样回答这个问题的: 设想把你和你的朋友关在船板下最大的房间里,里面招来一些蚊子、苍蝇以及诸如此类有翅膀的小动物。再拿一只盛满水的大桶,里面放一些鱼;再把一只瓶子挂起来,让它可以一滴一滴地把水滴出来,滴入下面放着的窄颈瓶子中。而当你把什么东西扔向你的朋友时,摘要他和你的距离保持一定,你向某个方向扔时,不必比向另一个方向要用更大的气力。如果你在跳远,你向各个方向会跳得同样远。尽管看到这一切细节,但是没有人怀疑,如果船上情况不变,当船以任意速度运动时这一切应当照常发生。只要运动是均匀的,不在任何方向发生摇摆,你不能辨别出上述这一切结果有丝毫变化,也不能靠其中任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动。 伽利略的这个精辟的回答,揭示了力学中的惯性原理。然而它也还是一组假想的实验。关于伽利略是否真正进行过这项实验,历史上有过许多争论,一直没有搞清。不过,在伽利略之后的确有人进行了有关的实验。法国科学家默森( Marin Mersenne , 1588 1648 )写信给一位经常跨越英吉利海峡的朋友,建议他做实验。这位朋友于 1634 年的一次航行中,安排了一个水手爬上桅杆扔重物,结果重物掉在桅杆的下方,从而证实了伽利略的结论。之后法国科学家伽森狄( Pierre Gassendi , 1592 1655 )于 1640 年安排了验证惯性原理的实验。这个实验是由骑马人和坐在马车中的人向空中抛石,并且互相投石块,由此人们可以看到抛出的石块跟随着马运动,从飞奔的马上掉下来的石块也是相对马直线下落的。此外他还安排了一次在三层桨战舰上的实验,在战舰全速前进时,不论从行船的桅杆顶部垂直丢下一块石头,还是从桅杆垂直向上抛出的石头都是掉在桅杆脚根,而不是掉在船尾。在他的实验报告中给出了船的速度并且详细描述了实验的细节。 古希腊的亚里斯多德关于运动有一个奇怪的论断,认为一个某种连续不断推动的问题,在周围介质逐渐变稀薄时,运动速度会越来越快,在真空中这个物体的速度会变为无穷大。由于亚里斯多德认为没有无穷大的速度,所以他就不承认有真空。所以他说:自然排斥真空。这种论断也像亚里斯多德的其他论断一样,被奉为神明。 德国人盖里克( Guericke, Otto von, 1602 -1686 )不相信亚里斯多德的这个论断。他不是靠争论,而靠实验来解决这个问题。他说:雄辩术、优雅的语言或争论的技巧,在自然科学的领域中是没有用处的。 1646 年,他当上了马德堡市的市长。他从 1650 年开始,自己投入巨资进行抽真空的实验。 1654 年,他当着德国皇帝和众多的议员公开表演了他的真空压力实验。他用两个直径约 1.2 英尺 的铜半球,边缘涂以油脂后对接为一个球。然后用他自制的真空泵把球内的空气抽出。这时由两个马队分别拉一个半球,直到马队增加到 16 匹马时,两个半球才被拉开。这个实验被称为马德堡半球的实验。它令人信服地说明真空以及真空压力的存在。 上面我们说明在静力学和动力学的基本原理的建立过程中,人们是借助于许多重要的实验的。对于连续介质力学,无论是弹性力学还是流体力学的确立,也都可以列出一系列重要的实验。 流体力学可以说是从法国力学家马略特( Edm Mariotte , 1620 1684 )关于管流阻力的实验开始的;黏性流体力学则是从玻尔达( Jean-Charles Borda , 1733 1799 )测量流体阻力开始的;雷诺关于管流的实验又使它发展到一个新的阶段;整个航空空气动力学是从测量运动物体的升力开始的;弹性力学则可以追 溯 到胡克的物体弹性实验。力学历史的发展过程说明,尽管在构成现代力学的知识体系中,理论部分占有很大的比例有时又似乎是自成系统的,但是归根结底,力学还是一门以实验为基础的科学。 在力学学科的发展过程中,可以把实验分为三类:一类是如上述对于建立一个新领域起开创作用的实验,后来发展起来的理论工作是从解释这类实验而产生的,如 1883 年雷诺关于管流转变为湍流的实验,导致后来一系列湍流理论的发展;第二类是验证性的实验,对于一类现象,先有了理论结果,后来再通过实验去验证理论的正确性,如 1798 年卡文迪什测定引力常数的实验;这两类实验是构筑整个力学学科大厦的基础。第三类实验是求解问题的实验,如在弹性力学的理论体系已经建立之后, 1850 年麦克斯韦尔发明的光弹性实验,在一定程度上也可以说,这类实验实际上是一种复杂的模拟计算装置。我们知道,流体力学中的纳维 斯托克斯方程是上世纪初得到的,它的许多解如涡旋、边界层、涡街、孤子等现象的解都是先从实验或观察得到模拟流动后才得到理论解的。 20 世纪 50 年代计算机来到了人间,到了 60 年代计算机大量应用于求解力学问题。大量专门用于计算力学问题的软件出现,研究利用计算机求解力学问题的新算法新格式大量涌现和推广应用。一门新的学科 计算力学出现了。如果说,在计算力学出现之前,研究力学的手段只有两个,即理论方法和实验方法,而在计算力学出现之后,出现了第三种方法,即数值计算的方法。然而,从更为一般的意义上讲,也可以将计算的方法看作一种特别的实验方法。如果我们已经有了关于一种问题的理论方案,一种办法是动手去作实验来验证理论,还有一种办法是给定一组数据去作一个特别的算例计算。计算结果可以和实际观察到的宏观现象对照,以验证理论正确与否。在这个意义上,计算力学的计算也可以称为一种数值实验。而上面我们说的第三类实验,即那种起模拟计算装置作用的实验,逐渐为计算力学取代。例如,目前平面光弹性大部分就已经为计算力学所取代。对于第一、二类实验,即开创性的实验和验证性的实验,计算力学可以在这些实验中发挥很大的作用,但是还不能从根本上取代,也许永远不能。 在力学学科中理论与实验的关系,是不可分离的。脱离实验的理论常常可以被实验所否定。例如曾经存在了数百年的以太的理论,在 19 世纪末为实验所否定;亚里斯多德关于落体的理论流传了一千多年,为伽利略的实验所否定。反过来说,没有理论指导的实验,也不能有深刻的结果。爱因斯坦说过,一个现象只有理解了才能观察到。关于自由落体的运动,虽然从有人类以来就是司空见惯的事情,只有在加速度的概念与理论形成后,对于落体的实验才产生了新的规律。同样只有在相对论的理论指导下,探索以太的众多实验结果才达到了统一和协调。 致谢 :本文受到国家自然科学基金 10172002 项目的资助,特致谢意。 刊登于 力学与实践 2004 年 02 期 p.78-80 英文标题: Scientific Experiment and Mechanics
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力学家怎样看宇宙万物
武际可 2008-8-15 20:38
力学家怎样看宇宙万物 摘要 : 从力学家的角度讨论了一些自然哲学问题 , 特别是关于确定论和随机论的问题 . 还讨论了人类对这些问题的认识是与求解的发展紧密相连的 . 关键词 : 力学史 , 确定论 , 随机论 , 求解 , 动力系统 自然科学的各门学科都分别研究自然界的一方面 , 如天文学研究解释天体、地质学研究地球内部的构造、生物学研究生命现象等 . 然而力学学科从它一开始便以整个宇宙间的一切事物为研究对象 . 这是因为宇宙间的一切事物都可以有机械运动 . 牛顿在总结前人成果的基础上建立了描述质点运动的方程 , 根据这一方程 , 如果知道质点所受的力 , 并且知道了质点的初始状态 ( 初始位置与速度 ), 就可以求解质点的运动 . 他并且用这一方法成功地解释了行星的运动 , 在 1687 年出版了他的巨著《自然哲学的数学原理》 . 在这本书中 , 牛顿踌躇满志地说 : 我把这部著作叫作哲学的数学原理 , 因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然力 , 而后用这些自然力来研究各种自然现象 . 在这里 , 虽然他把研究全部自然现象归结为研究自然力 . 可是仍然使他迷惑不解的是 : 万有引力只能使静止的行星引向太阳 , 使它横向绕日而行的初始速度是怎样产生的呢 ? 在 1892 年 1 月 17 日 , 牛顿致本特利先生的信中说 : 所以重力可以使行星运动 , 然而没有神的力量就决不能使它们做现在这样的绕太阳而转的圆周运动 . 因此 , 由于这个及其他原因 , 我不得不把我们这系统的结构归之于一个全智的主宰 . 尽管牛顿常说 : 我不需要假设 , 而在这里牛顿却引入了人们称为上帝的最初一棍子或上帝的第一推动的假定 . 法国学者拉普拉斯 (P.S. Laplace, 1749 年- 1827 年 ) 在数学和天体力学上作出了大的贡献 , 他最有名的著作是《天体力学》,曾被人们认为是经典力学的顶峰 . 他在 1812 年所著的《概率解析理论》一书的绪论中曾总结对世界的看法:如果有一种至高无上的智者能了解在一定时刻支配自然界的所有的力,了解自然界每个实体的各自位置和初始速度,并且他还有足够的能力去计算这些物体的运动,那么他就能毫无例外地从最大的天体到最小的原子的未来和过去都一目了然 . 拉普拉斯按照牛顿学说将世界一切的事物的状态归结于一个向量 x =( x 1 ,, x n ) 来描述 . 它的运动规律归结于一组微分方程的初值问题 d x/ d t = f ( x ), x ( 0 ) = x 0 这里 x 0 表示 x ( t ) 当 t = 0 时的初始状态 . 当知道了 x 0 与 f ( x ) 时 , 便可以求解 x ( t ) , 包括 t 0 ( 未来 ) 和 t 0 ( 过去 ). 拉普拉斯对世界的认识继承了牛顿的思想 , 并且将它提得更加明确 . 他的这个提法被认为是经典机械确定论最具代表性的表述 . 按照这个提法的优点是 , 他抛掉了牛顿关于上帝的假设 , 将一切归结于自然界自己在一定外力和一定初条件下的运动 . 传说他将天体力学奉献给拿破仑皇帝后 , 拿破仑曾问起 : 你为什么在书中不提上帝 , 拉普拉斯回答说 : 陛下 , 我不需要那种假设 . 然而按照这种观点 , 他却成了定命论 , 或被人们称之为确定论或宿命论的代表人物 . 按照这种学说 , 在一定规律支配下 , 初值就决定了过去未来一切 . 犹如算命先生说 , 一个人出生的年、月、日、时八字便可以决定他一生的荣辱贵贱 . 拉普拉斯所说的至高无上的智者被后人称为拉普拉斯妖 . 直至上一世纪末 , 似乎自然科学沿着正像牛顿和拉普拉斯所制定的路线在前进 . 例如赫姆霍兹 (H. Helmholz, 1821 年- 1894 年 ) 说 : 一切自然科学的最后目的 , 是把自身变成力学 . 凯尔文 (Kelvin, 1824 年- 1907 年 ) 说 : 我不能自满 , 除非我能把那种物质作出一个力学模型 . 在这种观点指引下 , 光学、电动力学、热力学 , 无不在经典力学预制的框架下构筑了起来,新的模型建立了,新的方程提出了 . 而这些方程与求解无非都可以归结于拉普拉斯所提的方程的特例 . 无怪乎在上一世纪末一大批著名的自然科学家自满地说 : 要知道理论物理学已经终结 , 微分方程已经确立 , 它们的解法已经制定 , 可借计算的只是个别的局部情况 . ( 普朗克的导师约利 (Jolly) 语 ), 未来的物理学将不得不在小数点后第六位去寻找 ( 凯尔文语 ). 然而事情并不是如此简单 . 自然规律也并不就是如此简明 . 客观世界毕竟比人们想象要复杂得多 . 事实上 , 早在牛顿与拉普拉斯之前 , 人们便曾发现了一类不能由初始条件完全决定的现象 . 在 1644 年 , 意大利科学家托利赛利 (Torricelli) 发现重力作用下 , 重心取最低时物体的平衡才是稳定的 . 例如一个放在大球顶上的小球 , 初速度为零 , 但它可以沿任何方向从球顶上滚落 . 这时 , 显然初位置与初速度都是确定的 , 可是却无法确定小球以后的行为 . 人们对这类不稳定现象虽然有所觉察 , 但还没有引起足够的注意 . 100 年之后 , 1744 年 , 欧拉 (Euler) 发现了弹性受压杆的分岔现象 . 一根笔直的圆截面杆在两端压力 作用下 , 起初杆是直的 , 当 逐渐增加到某一称为临界荷载的值时 , 杆可以发生弯曲 , 而弯曲的方向可以是任意的 . 这又一次说明初始条件无法确定杆后来的行为 . 欧拉的弹性杆虽然受到工程界的广泛注意 , 因为柱子受压是土木、造船等一系列结构工程常见的实际课题 . 但由于它是处理静力问题 , 也还没有引发人们哲理上的进一步思考 . 事情又过了 100 多年 , 法国数学家庞卡莱 (Poincare, 1854 年- 1912 年 ) 以哲学家的锐利目光抓住了这类问题 . 他在《科学与方法》一书 (1913 年出版 ) 中说到偶然性时对于拉普拉斯的确定论做了如下的注解 : 如果我们可以正确地了解自然定律及宇宙在初始时刻的状态 , 那么我们就能够正确地预言这个宇宙在后继时刻的状态 . 不过 , 即使自然定律对我们已无秘密可言 , 我们也只能近似地知道初始状态 . 如果情况容许我们以同样的近似度预见后继的状态 , 这就是我们所要求的一切 , 那我们便说该现象被预言到了 , 它受规律支配 . 但是情况并非如此 , 可以发生这样的情况 : 初始条件的微小差别 , 在最后的现象中产生了极大的差别 ; 前者的微小误差促成了后者的极大误差 . 庞卡莱这里描述的正是我们通常成语中说的失之毫厘 , 差之千里 . 他还举绕太阳运行的小行星为例说 , 如果它们相差平均每天超出千分之一秒 , 事实上 3 年将超出 1 秒 , 一万年超出一度 , 三四百万年将超出一个圆周 ! 庞卡莱并且风趣地推论说 : 在伦理学中 , 特别在历史学中 , 情况正相同 . 最大的偶然性是伟大人物的诞生 . 两个生殖细胞的相遇 , 不同性别的相遇纯粹出于偶然性 , . 只要使精子足以偏离十分之一毫米 , 拿破仑 (Napoleon) 就不会出生 , 欧洲大陆的命运就会改观 . 在庞卡莱对于拉普拉斯确定论的批评的同时 , 物理界得到了许多新的实验事实 , 使确定论无法解释 . 上一世纪末 , 1895 年伦琴发现了 X 射线 , 1897 年汤姆逊 (J.J.Thomson) 确定了电子的荷质比 , 确定了电子的存在 , 1899 年发现了铀放射的 , 射线是粒子 , 这些发现再加关于热辐射的研究 , 终于导致 1900 年德国物理学家普朗克 (M. Plank) 提出了量子论的假设 . 这些新事实说明经典力学原理不再适用 , 或按经典力学构架起来的经典物理不再适用了 . 于是在科学界引起了极大的震动 . 那时普遍流行着一种说法 : 确定论、机械论、经典力学的大厦崩塌了 , 物理学处于危机之中 . 量子力学的出现成功地解释了许多新的现象 , 如热辐射、原子构造等等 . 使传统确定论观念完全改观 . 他虽然也有方程 , 例如薛定锷方程 , 但方程的解却是一个随机分布 . 它只能提供这个物体 , 例如电子 , 在某一位置或某一速度的几率 . 可以说它是一种随机论 . 由于当时这个几率函数一般记为 ( 读为普赛 ). 它的物理意义颇不好理解 , 当时著名量子力学物理学家德拜的青年助手 W. 休克写了一首诗 : 先生有普赛 , 运算殊无碍 , 普赛究如何 ? 浑忘作交代 . 同样 , 由于关于几率函数的物理解释 , 在名人之间也展开了一场论争 . 一方是量子力学家马克斯玻恩为代表的哥本哈根学派 , 他们宣称量子力学不再描写自然界本身 , 而是描写我们关于自然界的知识 . 它表示只能这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率 , 而对于事物在两次测量之间的行为拒绝作具体的描述 . 站在对立面的以大物理学家爱因斯坦为代表 , 他在 1916 年 12 月 4 日写给马克斯玻恩的信中表示 : 量子力学是令人赞叹的 . 但我有一个心声告诉我 , 这还不是真正的天使 . 这个理论有很多成功的地方 , 但并没有使我们更接近上帝的奥秘 . 无论如何我相信上帝不是在掷骰子 . 上帝掷骰子是爱因斯坦对哥本哈根学派的精炼的形象概括 . 支持爱因斯坦的物理学家薛定锷在 1935 年还提出一个猫悖论对玻恩等加以责难 . 他设想在一个密闭的箱子里 , 有一只猫 , 箱中还有一根极细的线吊一个内盛剧毒氰化物的小瓶 . 又假设这根线强度极低 , 只要一个光子击中它 , 线就会断掉 , 玻璃瓶便会打碎 , 而猫必被毒死 . 想知道猫的死活 , 至少要用一粒光子去探测 , 设令一个光子射中线的几率为 50%. 这时描述猫的状态 ( 死或活 ) 的波函数就去告诉我们猫是半死半活 , 并不能回答猫究竟是死还是活 . 实际上这场争论从 20 年代开始一直延续到今天还在各不相让 . 这种长期的争论而不能达到共识 , 至少说明确定论在有些场合不灵了 , 但也并不能就说明随机论或量子论可以包打天下 . 今天我们虽然还没法判定争论双方的对错 , 但我们可以根据本世纪近百年来科学发展的某些新进展 , 对于争论的某些特点给予探讨 . 事实是 , 近代科学从产生到发展的 300 年来在力学和物理领域中活动的科学家 , 主要任务看来是在制造方程 , 如牛顿运动方程、弹性力学方程、 Maxwell 电磁方程、薛定锷方程、流体力学 N-S 方程等等 . 一类现象一个模型 , 一个模型一种方程 . 至于在有了方程之后的另一方面的工作 : 方程的求解 , 限于认识 , 也限于条件 , 人们多少有点瞧不起 , 不是认为很简单 , 就是解不动 , 太复杂不值得去费力气 . 在求解这方面 , 虽然经过了数百年 , 人们毕竟还没有走多远 . 最初的消息只能使人泄气 . 1829 年 , 人们称之为数学史上最年轻的天才和最愚蠢的死亡 ( 死于决斗 ) 者伽罗华 (1811 年- 1832 年 ) 在他 19 岁的时候 , 得到高于 5 次的代数方程不可能用公式求解的证明 . 同时 , 早在 17 、 18 世纪 , 人们又遇到了大量初等函数的积分 , 没法用已有的初等函数表示 , 例如 , 为求行星轨迹而计算椭圆弧长等问题 . 于是人们逐渐认识到一大批问题的精确求解为不可能 , 必须转而求近似解 . 但是只用手和纸去求一个复杂问题的近似解 , 谈何容易 . 于是 , 人们称之为数学史上的最后一位通才庞卡莱在上一世纪末 , 开辟了微分方程定性理论的研究方向 . 庞卡莱讨论了给了平面向量场 , 要求曲线使每一点与给定该点的向量相切的问题 . 他能够利用向量场的性质直接确定曲线的性质 , 如回答有没有周期解的问题 , 他特别讨论了奇点 ( 该点的向量为零向量 ) 邻近的曲线行为 . 不仅如此 , 他还于 1885 年在研究天体演化规律时 , 用定性方法预言了一个在引力作用下的球形流体团 , 当它旋转时 , 在一定的角速度下 , 可以有椭球和梨形两种运动状态 . 从而最早提出了物体运动分岔的概念 . 也正是基于对运动系统可能的分岔解的深 刻了解 , 庞卡莱才预言根据初条件不能一般地准确预言它以后运动的断言 . 庞卡莱对运动方程的解了解得虽然比前人深入了一步 , 但由于时代的局限性 , 他还只是研究平面上的微分方程 . 而且在他之后的近百年的发展中 , 人们也有一种错误的直觉 , 似乎对平面上微分方程的解曲线弄清楚了 , 对高维空间便也差不多了解清楚了 . 事实又大出意料之外 . 1963 年 , 美国的气象学家洛伦兹 (E.N. Lorenz), 将流体力学有温度的对流方程通过三角级数求解只取前 3 个未知数得到一个 3 个一阶联立方程 , 而且向量场除了两个二次项之外全是线性项 . 他借助于早期的电子计算机花了一二年的时间去求解 , 发现了解的奇怪性态 . 即是说发现了除周期解外 , 还有一种更为一般的围绕两个奇点来回绕的解 . 后人也把这种解称为奇怪吸引子 . 奇怪吸引子的发现是整个科学界的大事 . 它说明 , 300 年来 , 人们对动力学非线性方程解的行为了解得还是过于简单化了 . 所谓初值即可决定过去未来的一切 , 只不过是这种简单化了解的一个侧面而已 . 随后 , 从 60 年代起 , 人们又发现一类解 , 看上去方程的解是确定的 , 但在某些条件下 , 解的行为完全是随机的 . 这就是所谓的混沌解 . 经过了 100 多年研究而成效甚少的湍流现象也可以认为是一种混沌现象 . 早在 40 年代人们就曾猜测混沌是一种多次分岔的结果 . 近年来计算机的求解 , 更增 强了人们的这种信念 . 原来 , 人们对运动形态多样化的认识是逐步深化的 . 起初人们认识到一类系统 , 例如单摆 , 有很小的阻尼 , 不管初始条件怎样 , 它的运动都趋向一个极限 : 静止不动 . 相空间中这个与初始条件无关的极限点 , 便称为一个吸引子 . 后来发现吸引子可以是一个周期运动 . 例如一只上足了发条的表 , 只要发条还满 , 它总是进行周期运动 . 吸引子将运动限制在它邻近的有限空间内 ( 不到无限远去 ). 奇怪吸引子也是一类吸引子 . 而混沌是更为复杂的吸引子 . 浑沌运动的特点是无论初条件如何 , 随时间的增长 , 系统在相空间的轨迹始终在有限部分 , 而且还不重复 ( 若运动回复到原来经过的一点 , 便会形成周期运动 .) 也不趋于一点或一条线 . 所以它是十分复杂的运动 . 有人把混沌通俗地说成是差之毫厘 , 失之千里 , 这还有点不准确 . 从一点出发沿射线方向向无穷远运动 , 虽然初方向的任意小的偏差会在无穷远处造成任意大的误差 . 但这种运动还是十分简单的、规则的,它并不是混沌 . 一般认为在进入混沌运动之前必然有一个运动分岔的过程 . 从以上简要叙述可以看出 , 人类认识像混沌这样复杂的运动是颇为了不起的成功 . 从经典力学系统建立起 , 它是经过数百年摸索和寻求的产物 . 至此 , 人们对方程确定的解和求解的了解 , 是否已经可以心满意足了呢 , 我们还不能满足 . 大约是 1964 年 , 美国物理学家、 诺贝尔奖金获得者费曼 (L.S. Feynman) 在他的《物理讲义》中用简短而精炼的语言概括了这种人们对求解一无所知的情况,他说:我们已经写下了水流的方程 . 由实验的方法我们发现了一系列概念并用之去讨论近似解 ------ 涡街、湍流尾迹、边界层等 . 当我们有一个类似的方程 , 而且我们还不能对它做实验 , 我们希望即使以含糊的不能完全肯定的初等方式去解这些方程 , 去了解从这些方程能得出什么新的定性特点 . 例如 , 对于太阳 , 可看做由氢构成的球,无太阳黑子和硬块,也没有凸起与下凹 , 即使这样 , 我们也还没有找到求解办法 , 人类智慧觉醒的下一世纪 , 也许可能产生一个去了解这些方程定性含义的方法 . 而今天 , 我们还不能 . 至此 , 300 年来的历史至少可以告诉我们以下几点 : 第一 , 说经典力学的框架等于确定论、宿命论 , 无论是牛顿、拉普拉斯自己还是攻击他们的人 , 都是对运动的了解过分简单化了 . 因为近 30 年的研究表明 , 即使在经典力学运动方程中 , 便已包含了混沌解 , 包含了随机解 . 而这种简单化的根源是对于已有非线性方程解的复杂情况缺少认识所致 . 第二 , 对解的复杂性的认识 , 依赖于求解工具的改进 . 奇怪吸引子是在电子计算机帮助下得到的 . 可以这样说 , 电子计算机引起了对运动方程解的复杂性深入了解 . 可以想象人类智慧觉醒的下一世纪 , 也许预示着更为充分地应用电子计算机 . 第三 , 即使今天 , 我们拥有的对方程的求解手段 , 特别是对非线性方程的求解手段还是十分贫乏的 , 我们几乎还没有什么普遍有效的办法去应付任何非线性问题 . 看来 , 科学的任务不仅包含提出和修改模型 , 提出和修改方程 , 对于非线性问题 , 发展求解手段 , 了解方程解的定性性质 , 已成为发展自然科学另一方面的重要而紧迫的任务 . 第四 , 如果说从本世纪 20 年代开始的以爱因斯坦与玻恩为首的关于量子力学解释的争论 , 是关于客观世界中随机性和偶然性解释的分歧 , 那么 , 分岔受到人们注意以及混沌的发现 , 人们从中是否看到在分歧背后有可能达到新的统一的一线光明 . 就是说 , 在原先认为完全确定的方程中 , 一定条件下 , 人们得到了随机解 . 另一方面 , 在随机方程 ( 例如薛定锷方程 ) 在一定条件下趋于确定解 , 或者它是原先认为的确定问题的随机情形也未可知 . 现在 , 尽管有的作者在写文章中明确宣称自己拥护爱因斯坦或玻恩 , 但在他们的立论中 , 却都相互增 加了许多共同点 . 总之 , 我们面对的是认识世界的一切事物 , 只有当我们的模型愈精确 , 方程愈完善 , 对解的了解愈全面 , 在一定情形下 , 能求解充分精确 , 则我们对自然界的认识会愈深刻 . 从另一方面讲 , 历史的经验告诉我们 , 在没有对问题的解有足够了解之前 , 切不可说大话 , 对已经得到的结果应当审慎地推广 . 力学一方面是工程技术的基础 , 而另一方面 , 力学作为人类认识整个宇宙万物运动的工具 , 它的历史任务迄今还远没有完结 . 参考文献 塞耶 H.S.( 美 ) 编 . 牛顿自然哲学著作选 . 上海 : 上海人民出版社 , 1974 艾米里奥塞格莱 ( 意 ) 著 . 物理名人和物理发现 . 知识出版社 , 1986 伏恩瑞德尼克 ( 苏 ) 著 . 量子力学史话 . 北京 : 科学出版社 , 1979 詹姆斯格莱克 ( 美 ) 著 . 混沌 ------ 开创新科学 . 上海 : 上海译文出版社 , 1990 Feynman L S. Lectures on Physics, Vol.II, Addison-Wesley PublishingCompany, 1964 洛伦兹 E N( 美 ) 著 . 混沌的本质 . 北京 : 气象出版社 , 1997 李醒民著 . 激动人心的年代 . 成都 : 四川人民出版社 , 1984 最早刊于《力学与实践》 1998 年 20 卷第 5 期,第 74-77 页。
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