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真理之战促进科学

幸而在伟大的科学家中,更多的还是一心追求真理,不在意名利、也不掺杂私人情感的伟人。他们之间的战争,虽然也是激烈非凡,但是却给科学界注入了新的活力,为科学的发展做出了不朽的贡献。

大胆假设,小心求证——一条青蛙腿引发的革命

意大利动物学家伽伐尼(1737~1798)与意大利物理学家伏打(1745~1827,电压单位“伏特”就是为了纪念他而命名的)长达10年的“蛙腿之争”,由于二人在事实面前都敢于做出大胆假设,而在面对对方的质疑与挑战时,都没有轻易放弃自己的观点,反而是用严谨的实验小心求证,最终成就了一场“双赢”的战争。

1786年的一天,伽伐尼和自己的妻子兼助手在实验室解剖青蛙。他将青蛙剥去皮后,放置在一旁的金属板上,伽伐尼的妻子拿着解剖刀过来,没想到当解剖刀刚一触及蛙腿时,青蛙的腿就剧烈地抽动了一下!妻子惊讶的叫声引起了伽伐尼的注意,他重复了几次试验,结果都是一样,令他大为疑惑。

没过几天,他又偶然发现了一个现象——当自己将一只解剖后的青蛙用铜钩子挂在铁栏杆上时,青蛙的腿部肌肉又剧烈抽动了两下。这两个奇妙的现象令伽伐尼大感兴趣,他创造了各种不同的环境来模拟实验,当排除了气候、雷电等一系列“外力”因素之后,伽伐尼的脑海中形成了一个大胆的猜想:很可能是青蛙的肌肉和神经分别带着相反的电荷,一旦有良好的导电体将二者连通,便会产生“生物电”。

1792年,伽伐尼将这一成果发表在一本科学杂志上,并将论文打印后发给了自己的数十名好友。他所没有想到的是,接到论文的其中一位好友伏打,竟对自己的结论提出了异议。

伏打自然不会平白无故地质疑自己的好友,事实上,在作为物理学家,伏打刚看完论文的时候有一种醍醐灌顶的感觉,他马上到自己的实验室里进行这一实验,想要亲眼见识一下好友所说的生物电。可是在实验过程中,他却发现了伽伐尼实验中的一个致命伤——如果将挂青蛙腿的钩子由铜换成铁的,青蛙腿也不会再出现抽搐现象了。与此同时,他还意外地发现,只要把两种不同的金属导体连结起来,不仅被它们接触到的青蛙腿会抽动,其它物体,比如人的舌头或眼睛,也能有明显的电流感。

据此,伏打推测,并非青蛙身体内部贮存的生物电,而应该是铜钩和铁栏杆这两种不同的金属的接触导致了青蛙腿的抽搐。经过多次实验论证,1793年,伏打发表了自己关于“金属电”的论证报告。他首先赞扬了伽伏尼的意外发现,同时表示在蛙腿实验中,蛙腿的神经抽动是被动的,而真正激发电流的还是金属。

这篇论文并没有说服伽伐尼,为了证实自己所说的生物电真实存在,他摒弃了所有的金属道具,只用青蛙本身进行实验,用青蛙的神经碰触它的腿部肌肉,结果,仍然看到青蛙大腿在剧烈抽动。

这个实验有力地回击了伏打的观点,不过伏打也并不就此放弃自己的观点,他坚信,即使生物电真的存在,也不代表金属电不存在。于是他靠着自己的毅力与想象力,成功地研制出著名的伏打电堆(就是电池组),从而证明了金属电的存在,并开创了电学发展的新时代。

一条蛙腿竟然引发了电学界的革命,这与伽伐尼与伏打的大胆假设与小心求证是分不开的。虽然二人在同一问题上的意见相左,但是两人从来都不曾批评或打压对手,只是本着科学的态度,在对方提出质疑时,尽力完善自己假说的不足之处,这才造就了自己非同常人的成就。

为真理争论——爱因斯坦推动量子力学发展

说起科学界真正的巅峰之战,大概要数爱因斯坦与玻尔的论战了。无论是论战双方的才华与其在科学界的地位,还是这场论战本身的持续之久、意义之深远,在科学史上都是绝无仅有的。

这场战争的起源于两位科学家对量子理论不确定性的不同认识。爱因斯坦认为,量子理论中的海森堡测不准原理违背了物理学的确定性原则,他说:“上帝不掷骰子!”而玻尔却对此不以为然,他认为量子力学充满非连续性与不确定性,因此经典力学中的连续性与严格因果关系必须被放弃。

两位科学巨匠在这一问题上都不肯做出半点让步。最终还是爱因斯坦没有忍住,对玻尔发动了第一轮进攻。1927年的索尔维会议上,集聚了物理学界的精英人物。闭幕式时,玻尔发表了其对“互补原理”的演讲,一直安静倾听的爱因斯坦终于打破了沉默,以自己研究过的一个关于α射线粒子的例子温和地表达了对量子学派理论的质疑。之后的几天里,爱因斯坦与玻尔几乎是在不断“对战”中度过,往往爱因斯坦在早餐时提出一个巧妙的实验构思意图难倒玻尔,玻尔便会在晚饭时给出完美的解答。虽然直到会议结束,两人谁也没有说服对方,但是从情势上看,似乎玻尔还是略胜一筹。

两年之后,玻尔发表了一篇论文,表示爱因斯坦的相对论最终会为自己的量子力学打败经典力学提供佐证。爱因斯坦被这论文气得不轻,提前做足准备,想在第二回合的交手中打得玻尔心服口服。

一年后的第六届索尔维会议上,有备而来的爱因斯坦利用著名的“光子盒”实验向玻尔下了挑战书。“光子盒”实验简单说来就是有一个在一侧开了小洞的盒子,其中装有一定量的辐射物质,在洞口安装有一个挡板,盒内放置了一个可以控制挡板开关的时钟。这个实验是将小盒挂在弹簧秤上,在时钟控制挡板打开的瞬间,便能确定光子逃逸的时间,同时通过弹簧秤指数的变化能够获得光子的质量,然后利用公式E=mc^2便能确定能量的损失。这个实验中的时间和空间都能被准确测量,不符合玻尔等人坚持的“测不准定理”。

玻尔当时便被问住了,他回到房间后冥思苦想,却怎么也找不出反驳爱因斯坦的方法。不过玻尔却没有气馁,整整一个晚上都在思索如何用自己掌握的知识来应对爱因斯坦的挑战。功夫不负有心人,在黎明来临时,玻尔竟然发现,爱因斯坦的相对论正是解答这一问题最好的武器。

如果小盒中的光子跑出,小盒的总质量自然会减轻,因此其位置会发生上移。根据广义相对论,若时钟沿重力方向发生位移,它的快慢则会发生变化,因此光子脱离小盒的时间是无法准确测量的,这也就证明了“测不准原理”的正确性。

爱因斯坦还是没有被说服,他认为玻尔是在取巧,在理论上还值得商榷。不过通过这件事,爱因斯坦也大方地承认了量子力学的解释不存在逻辑上的缺陷,从此他们的战场转移到了寻找量子力学的不完备性上。

如果说玻尔是对量子力学做出最大贡献的科学家,那么第二功臣的位置绝对属于爱因斯坦。正是由于爱因斯坦坚持不懈的“挑毛病”,玻尔等量子力学的支持者才有了动力去不断思考研究,间接导致了量子力学的快速发展。

回头是岸——霍金消逝的黑洞悖论

坐在轮椅上的巨人,英国剑桥大学理论物理学教授斯蒂芬·霍金是当今最伟大的科学家之一。他的一生都在不停地战争,与病魔战争、与科学战争,也与自己战争。当他在30年前提出著名的“黑洞悖论”时,激起了美国理论物理学家雷纳德·萨斯金为代表的量子物理学派的激烈反对,而霍金虽然输了争论,却战胜了自己,获得了对手最大的尊敬。

在1976年时,霍金声称自己通过计算得出结论:黑洞一旦形成,就会开始向外辐射能量,但是这种辐射中并不包含黑洞内部物质的“信息”。最终黑洞将会因为质量丧失殆尽而消失,而黑洞内部的信息也就会不知去向。这就是有名的“黑洞悖论”。

这一观点刚一提出,就遭到了量子物理学派的激烈反对,因为根据量子物理学的观点,像黑洞这样质量巨大的物体所包含的信息是不可能完全丧失的。霍金对此观点不以为然,他说黑洞所产生的巨大万有引力场在某种程度上破坏了量子物理中理论的存在基础,因此在黑洞中有关量子力学的规律是不同的。

雷纳德·萨斯金教授和自己的伙伴们为了反驳霍金的这一观点,开始了夜以继日的工作,他们经过严密的计算和一次又一次的推演,终于通过弦理论找到了黑洞可以保留并藏有信息的强有力的证据。

虽然在之前的数十年中,反对霍金“黑洞悖论”的声音一直未曾平息过,但是霍金却一直坚持着自己的立场。但是当萨斯金教授等人将证据摆放在霍金眼前时,霍金陷入了一阵沉默。是不见棺材不落泪、一条道走到黑,还是及时转身、承认自己的错误,这对一个身负盛名的科学家来说,确实是一个两难的选择。然而霍金并没犹豫太久。

2004上霍金当众公开承认自己在黑洞问题上的错误,7月21日,他发表一篇论文,提出自己的新观点——黑洞并非像之前人们所想象的一样,会吞噬一切物质,只进不出,而是会在漫长的时间中让其中一些信息逃逸出来。

霍金这一表态,结束了长达30年的一场论战。这场战争的结果虽然是以霍金的失败收场,但是却给科学界带去了更大的震撼,这种敢于承认错误的态度令多少同行为之赞叹。萨斯金教授说,“霍金贡献了一个独特和重要的科学视角”,的确,如果没有霍金的问题,量子物理学派也就不会在这一问题上有所发现,而霍金本人更是在发现问题后,经过反复思考,提出了新的科学假想,令人无法不去钦佩他的勇气与智慧。

科学家的战争是没有硝烟的战争,战争的胜利者往往是能够用宽容的眼光看待新思想、新事物的一方。为了名利相互倾轧只会压缩想象力的空间,造成科学的倒退与滞后,而为了追求真理,敢于否定自己,承认对手的举动却能加速科学的进程。精于研究、勤于思考、善于想象、乐于自省,这样的科学家在战争中必将立于不败之地。

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