科学史的破坏性误读，本文主要内容关键词为：误读论文,破坏性论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031
文献标识码：A
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在19世纪末，应该说，当时物理学中最“红”的前沿当属电子的发现(J.J.Thomdson,1897)和E.Rutherford对α射线、β射线的发现(1899)，这正是粒子物理学的开端。他们二人都曾（先后）担任著名的卡文迪许实验室的主任，而卡文迪许实验室当时正是全世界物理学家们最向往的地方之一。
独具慧眼的W.汤姆森，在他的那次著名讲演（《19世纪的乌云笼罩着热和光的动力学理论》，1890年4月27日英国皇家学会的“星期五晚间讲演”）中却惟独指出：迈克尔逊实验和黑体辐射规律才是当时物理学天空中的主要的“两朵乌云”。以后也正是由这两朵乌云而诞生了相对论与量子论。
实际上应该注意到，当时在欧洲工业革命开始的二百多年中，社会结构中有两个领域发展得很快，它们就是热机工业和光学机械工业，电气工业的发展也已开始。1774-1784年，英国的瓦特，在物理学家的帮助下，发明并完善了蒸汽机，1804年，蒸汽机逐渐成了火车，轮船、纺织机械等主要动力源，以后又用于火力发电。而到了1860年，又发明了内燃机，并且以极快的速度推广应用于过去用蒸汽机的所有领域，后来又用于汽车、飞机等。而早在17世纪，或更早，在欧洲，即已发明了望远镜，显微镜和照像机，在1846年，德国的蔡斯即开办了工厂，成批生产光学玻璃和光学仪器。到了1897年，人们已能制造直径达40吋的天体望远镜，光学机械技术已发展到很高的水平。同年，德国西门子公司完成改组，成为德国最大的电器公司。在美国，1882年即建起了发电厂。电器工业在全世界迅速发展，而粒子研究对这种发展则影响甚微。与此伴随着的则是牛顿力学和热力学的发展并趋于完善。当然，与内燃机出现的同时，1855-1864年，麦克斯韦在法拉第工作的基础上建立起完整的经典电动力学的基本理论。正是在这样的经济背景下，在这么一个很完整的经典物理学的基础上才能发现那两朵“乌云”。所以，W.Thomson说的这两朵“乌云”正是发源于热机工业、光学机械工业和电器工业这三个当时的经济结构中的生长点之上，伴随着这种社会经济发展的物理学的理论与测量技术当时已高度发展，也就是说，两朵“乌云”的发现和以后科学的进一步发展正是以当时社会经济形态的发展状况为主导的。在很多科学史著作中都比较忽视了这一点，而过分强调个别科学家的作用，似乎有欠真实。这实际上是对科学史的片面误读，一种破坏性误读。而被我们忽视了的，则是唯物史观！
不过，唯物史观也重视科学的先进思想对科学乃至社会经济形态的变化所起的积极作用，不重视这一点，同样也是错误的。例如，我们应该明确：正是由那两朵乌云而诞生的相对论和量子论才有了我们在20世纪的物质文明、经济形态，才会有今天的原子能、半导体、电脑、激光等现代技术。
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研究科学史中的经验和教训主要还是为了解决在今天，在21世纪之初，我们所面临的问题。我们现在正在热烈讨论21世纪的科学，技术的发展趋势，以便找到科学和技术进一步发展的突破口，以及21世纪应把人力物力财力主要应投入什么经济领域。
作者认为杨振宁教授的《21世纪的科学技术》的报告讲得很好。他在报告中讲了20世纪后半的主要技术发展，那就是：半导体与计算机技术、生物技术。应该说，这两大高新技术领域正是我们今天，21世纪初的发展最为迅速的两个经济生长点，它们已形成今天最具发展潜力的两个经济领域。如果我们要寻找今天科学发展的突破口，按照20世纪初人类的成功经验，是否也应从这两大技术经济领域的背景上去找？如果我们抛开这一切，而直接从遥远的天体上去寻找地球上工业经济发展的方向，是否显得有点滑稽？
实际上，在信息技术和生物技术这两大领域的发展中所提出的大量科学难题，很多都是超出了当前物理学家们的视野之外的。如果我们说物理学是科学观念结构中的“最后的观念结构”，则理应承认，在这两大领域的上空，人们感到了有成片的“乌云”存在着。
半导体技术，生物技术，以及材料科学的一个共同理论基础就是晶体和分子结构与分类的理论。这种理论的发展已有近二百年的历史。到1869年加多林提出晶体32点群理论和1890年费多罗夫等人提出230空间群理论，它已发展得相当好。但直到1912年发现了X射线后，实验才完全证实了上述理论。不过这理论中一直存在着一个疑难，要想从理论上概括所有230个空间群，需要左手和右手两重三维空间背景，或两重四维时空。而这种两重的时空结构已是一种最简单的多宇宙结构了！它不可能从牛顿时空理论和相对论中推导出来。可以说，它是从19世纪末即已存在物理学天空中的另一朵“乌云”。
顺便说说，严格的数学推引，实际上只能得到219个晶体空间群，但其中有11个群，各有其对映群，若定义其中的一个群的群元，用左手三维空间坐标系，则对其对映群，定义群元时，则用右手空间坐标系，因为它们各自代表生理功能和物理性质不同的晶体，所以费多罗夫认定它们是不同的两个群，于是219+11=230个群。也就是说，早在1890年，晶体学家们即已知道，空间宇称反演是不守恒的！看来物理学家们长时间地忽视了这一点。这可以算是19世纪末期物理天空中的“第三朵乌云”。如果有人在20世纪末，眼前还看不到这朵乌云，那他们的眼力可是差得很了！
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半导体与计算机技术的发展，其基础理论之一，即晶体结构论，已如上述。从对称性的观点看，很多无机晶体具有高度对称性。而半导体锗、硅、砷化镓等晶体具有金刚石结构，而金刚石结构的对称性则远低于具高对称性的无机晶体！如果我们令某种平移群T和一对称元素的集合｛A、B、C……｝的积定义一个晶体的对称群，则具有高度对称的无机晶体，集合｛A、B、C……｝一般成群，而金刚石结构的集合｛A、B、C……｝中包含螺旋位移或平移反映对称操作，这时集合｛A、B、C……｝不成群！我们可以把这看成是对称性的某种降低，而正是这种降低了对称性的半导体晶体，可以用来制造具有某种智能的集成电路芯片，并组成电脑。这一点的基础方面似乎具有物理学的重大意义。
我们还可以看到，现代计算机的总体结构是所谓、冯·诺依曼结构，其总体图形是二维的，并且在中央处理器与存储器之间的“瓶颈”通道是一维的。这似乎正是在集成电路中使得平面技术迅速发展的基本原因。也就是说，我们的电脑的微观结构是二维的。
这种二维结构的集成电路的集成度进一步提高时，将会遇到所谓“串话”困难。所以集成电路中的布线在进一步减少线宽和线间距时是有局限的。于是有人想到了分子电路，也就是用某种具有电开关功能的分子作电路的单元，将它们连接起来去完成硅集成电路块所承担的类似任务。
人们还知道，不论如何，人脑是用生物大分子构成的，而生物分子都是三维的和不对称的，且具有明确固定的手征性。如果以生物大分子做成电路，显然比平面集成电路具有大得多的潜在可能性。并且出现了真正人脑仿真的可能。不过在这里，我们应该注意到，我们已经是在谈论三维电脑芯片的时空特征了！我们看到，生物分子的“对称性”又远低于硅、锗了！
我们知道，维纳发展控制论的一个最高理想，也是当今电脑科学工作者的最高理想，就是建构自繁殖机与学习机。也就是说，建构某种“活”的机器，“活的电脑”。于是生物芯片走到了现代高技术的中心来了！这一步，对微电子学工作者来说，早在70年代就想到了，只是一直还没有设计理论。到了80年代，才有越来越多的科学家认识到了它的巨大应用价值和理论意义。
杨振宁教授曾正确指出：20世纪物理学发展的主旋律之一就是对称性，而在生物芯片这里，则是明显的不对称性、手征性，或者说是对对称性的彻底破坏！李政道教授从1983年就开始讲，他认为当今物理学中有四个很大的谜，其中一个就是：“理论的对称和大自然的不对称”。在这一点上，他从93年起就和微电子学工作者和生物技术工作者想到一起来了。当然，他讲的另一个大谜就是夸克是否存在的谜。
在1982年一位前苏联科学家就曾说过：“在（已有的）物理学概念中，不对称是纯属否定的东西。如果你问物理学家：‘什么是不对称？’，他就会嘟嘟哝哝含糊其词地说：‘不对称那就是……失去对称的时候……’。每当在他面前出现明显的不对称时，他就会进行研究和考察，从而达到一个‘新阶段’，在那里，消失了的对称又会重新出现。……生命向科学提出了一个新课题：建立一个新的，向组织性、不对称性发展的倾向的规律，一种新的科学方法。”而这种科学方法在分子生物学中一直还没找到，在物理学中也没有，这需要我们共同去探寻。
作者认为，可能正是在这里，我们可以找到生物学以及物理学进一步发展的突破口。也正是随着这种看法，作者受教育部和中科院（武汉数学物理所和病毒所）的派遣，于1981年1月出访美国。并且独力发展了复合时空论。于1982年访问归来时，提出了发展生物芯片技术以及中医技术的访问报告，并发表了我国头一篇关于生物芯片时空特征的论文（见《科技导报》，（广州版），1986，第1期，P57）。
复合时空就是舍去相对论中的恒等变换假设，于是自然得出16个完全平权的Lorentz变换群（它们中的每一个的特征行列式皆等于±1）。如果说其中一个表征爱因斯坦时空，则理应存在着共16个爱因斯坦时空。这是一种全新的多宇宙理论。其中的三个参数α[,1]、α[,2]、α[,3]，正好可以取代粒子分类的SU(3)对称理论中的三个夸克，该理论已于1999年发表在T.Gill等主编的《Fundamental Open Problems in Sciencesat the End of the Millennium》(Hadronic Press,1999)，并已被收入美国国会图书馆的公开数据库。愿和大家交流。这种理论本是根源于作者的本行知识框架内，即晶体结构知识和电脑芯片结构设计的知识，它们直接与半导体、计算机技术和生物芯片技术相关。也就是说，正与当今的两大高新技术领域，即信息技术和生物技术的发展密切相关。
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生物技术的迅速发展是近20年的事，它现在已有超过信息技术而成为世界经济和科学发展中的最亮的生长点的可能，而生物技术是以生命科学为基础的。但在生命科学中的一个基本问题就是，什么是生命？巴斯德曾经指出，生命的基本特征就是生物分子的旋光性；而手征性，chirality，这个词，正是由W.Thomson于1893年创造的！看来他在注意到物理天空的那两朵“乌云”之前，他也注意到分子的手征性这个大谜。他说：“任何几何结构，或者点集，如果其镜像结构存在，但却不能设法使之与原结构重合，则称它是手征的，并说它具有手征性”。可以看出，他当时已知道，这个事实也是超出了物理学理论框架之外的！直到现在，生物技术和分子生物学迅速发展的今天，我们愈来愈感到它的严重性，因为不只是经典物理学，就是相对论和量子论也拿它没办法！在这里我们看到了人类理智的一个悲剧就是对对称性过分追求的失败。一旦对称高度地实现，生命也就消失了！涉及生命本质的另一关键难题就是，遗传密码为什么有4个？可以说，这也是一个大的谜。还有人要发展量子生物学以解决在分子生物学中的一些基本问题，但一直不大成功，又有人想以热力学理论来研究生命，但结果也并不理想。这是为什么？至今也无人讲得清楚。这些实际上都是生命现象留在物理学天空中的一些“乌云”。
生物技术中的一个很重大的领域就是天然药物的研究与开发，所以中医药学走进了现代生物技术的中心。很多国外的药物公司和实验室都在争相研究各种中药的化学成分和它们的治病的机理。有人曾经说，在各种中药中，大约含有2万多种蛋白质。但是这种研究只能算是整个中医药学的一部分。而在我国，几千年来已发展了相当高水平的中医药学体系。
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20世纪科技的一个重要理论基础就是量子力学，很多学者都已讨论了它如何促成了各种20世纪科技的大发展。不过，它自身的发展却并不是一帆风顺，其中一个障碍就是时空问题。
早在量子力学发展的初期，人们就已知道它与相对论不相协调。玻尔曾经说过，粒子的量子行为好像是超越了时空框架的一种效应。特别是在后来的量子场论中，总是出现很多发散积分。虽然可以用重整化技术把它们消去，但狄拉克于1975年曾经说过，重整化技术只不过是“人为的规则”，是绕过了实质问题，是不可信的。所以，W.Thomson所说的19世纪末物理学天空中的那两朵“乌云”，并没有因相对论和量子论的诞生而消失！这里常常存在着误解。
也同是在1975年，海森堡对粒子物理学的发展也发表了一个看法，他说：“现在全世界许许多多物理学家都在想尽各种办法去寻找夸克，假如它真的存在，那么就应该早被找到了”。因为夸克模型是1964年提出的，到1975年，已找了11年！1980年作者即曾指出夸克可能不存在，1996年曾为此与人展开了一场论战。1999年，作者和R.M.Santili教授又一次指出：“实在的”夸克是不存在的；同年8月，在斯坦福召开的国际高能物理学会议上，基本上否定了夸克概念（见2000年6月20日纽约时报，G.Johnson文章）；2001年2月14日科技日报以《科学家发现背离标准模型的现象——创建30年之久的粒子物理理论受到严重挑战》为题，说：“美国布鲁克海文国家实验室的科学家最近与美国、俄罗斯、日本和德国等国的11个研究机构的同行们一道，通过对μ介子所进行的一项长达3年多的实验所得结果初步计算分析后发现，实验结果与粒子物理理论标准模型的预言相去甚远。若该实验现象今后获得进一步的证实，标准模型在粒子物理理论中的统治地位将不复存在”。
其实，1964年，与夸克模型提出的同一年，还有一个重要进展，就是贝尔不等式的提出。1964-1982年，人们做了一系列实验，结果证明：以相对论为基础的因果律不对！这大出人们的预料，波普就曾写道“我不得不承认，这些实验结果使人大吃一惊。当我第一次听说克劳瑟和希莫尼想检验贝尔不等式时，我希望得出的结果能够反驳量子理论。但看来我的预期错了”。莫尔卡诺夫则指出：“这是20世纪的第三次风暴，或狂飙。它似乎必然会使我们的时间和空间的观念发生根本变化。”
收稿日期：2001-11-11