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战后一位日本研究生的经历

1983年科学出版社出版的《流动的固体》,是日本流变学家中川鹤太郎写的极其小巧的科普书。32开的书总共只有151页!同时代日本还有一本差不多薄的书叫《相对论浅说——宇宙时代的常识》。我是初三的时候才从中学的图书馆里找到这本毫不起眼、破破烂烂的旧书的,当时我就惊叹于相对论能够用这么小的篇幅讲明白,而且看完了之后发现还真讲得特别明白。作为一个搞化学的人,我的相对论水平基本上就是那个小书的水平,却觉得够用了。遗憾的是,量子力学方面没有类似这样的小书,现在我不得不从又厚又艰深的教科书啃起。唯一带有一点科普味的可能要算费曼物理学讲义的第三卷了。

说回到《流动的固体》这本书,作者在序言里谈到了他在战后进行流变学研究的事情,我觉得读起来很有意思:

战争不久结束了,我从军队又回到了大学的研究室。在确定研究题目的时候,我感到当初那个毕业研究题目——“泡”的问题——现在对我来说有点复杂了,太困难了。我请求老师给我另外一个题目。当时老师给我的题目就决定了我后来的研究方向。这本书所讲的内容就是我在这方面所作的工作。老师给我的题目叫作“液体的拔丝性质”。所谓“拔丝性质”,用普通的话来就是“纳豆和蛋清为什么能拉成丝”的问题。

虽然说从老师那里接受题目后高高兴兴地回来了,可是仔细一想,这个“丝”的复杂程度并不亚于那个“泡”。拔丝性质当然是物质的一种性质,但是要弄清楚它的形成原因,必须测量其它一些性质。我想测量一下表面张力。可是,关于这个问题,德国的一位叫奥普林的学者曾经说过,拔丝性质与表面张力无关。看来,与拔丝性质最可能有关系的是粘滞性。我们知道,糊状的粘性液体容易拔丝,可是奥普林对此也作过详细的研究,并且认为,与拔丝性质有关的不仅仅是粘滞性,而是粘滞性加上“某种性质”。这个“某种性质”是什么呢?以奥普林为首的几位学者当时认为,这个“某种性质”也许是像弹簧那样的伸缩性或者象橡胶那样的拉伸性(即弹性)。“液体有弹性吗?”这个问题在当时还只是一种设想,因为那里还没有测量过拔丝液体的弹性。

感想:这段话提到的“液体弹性”的提出,其实就是“粘弹性”(viscoelasticity)概念的提出,是一件具有划时代意义的事情。这个词成了超过一个世纪以来一大批流变学研究者的饭碗,成就化纤和橡塑制造工业。

爱好实验的我总是喜欢用手做点什么或测量点什么。我决定制作一个能测量拔丝性质的实验装置。

当时是处于战争刚刚结束的时候,吃的东西很缺乏,当然也买不到实验用的电动机之类的东西。即使能弄到手,怎奈研究室内几乎每天停电。因此,最可靠的办法是利用地球引力来作实验装置的动力。于是我作了这样一个实验装置:……

……用重力作为动力,停电也就无关紧要了。……

感想:这是一段让我感到十分敬佩的,尤其是省略掉的关于他的装置的具体设计的一段。我也阅读了跨越粘弹性研究历史的大量研究论文,深知粘弹性的研究是伴随着测试仪器的进步而进步的。然而无论哪件仪器设计,动力装置和感应装置都是必不可缺的核心部件。该书的作者、年轻时代的中川鹤太郎在物质如此缺乏的年代仍然倒腾出了有效的实验仪器,这种智慧和精神实在是经典的科学家精神。现在仪器厂商服务到家,这样鲜明的创造行为很难看到了。现在很多研究者,尤其是中国的研究者,不重视仪器的改造和设计。殊不知大量科学革命恰恰是新仪器和新手段的使用所引发的,远的就如放大镜的发明使人们既看到细胞又看到了月球表面;近的如光速测定的迈克耳逊-莫雷实验,直接结束了“以太”论,为相对论打开了大门。

怎样测量拔丝液体的粘滞性和弹性呢?关于液体的粘滞性的测量方法,作为一个化学工作者,我是知道的。但是,液体有弹性吗?如果说有,怎样测量它呢?如果是测量固体的弹性,那么只要查阅一下物理学和机械力学的参考书就可解决问题,例如测量一下大体受力时弯曲多少,伸长多少就可以了。但是现在需要测量的是“流动液体的弹性”。

正在困难当头之际,我在岩波书店出版的一本《科学》杂志上看到了东京大学理学部地球物理学系的久山多美男先生写的一篇“粘弹性系数的新测量方法”的简短报告。这是战争结束的第二年,即1946年的事。报告中讲到,这个方法不仅可以测量粘性液体的粘滞性,而且可以测量它的弹性。初次看到“粘弹性”这个名词还觉得新鲜。我想,久山先生也许是在日语中首次使用这个名词的人了。用地球物理学家想出的测量方法来研究”拔丝性质“这个化学问题,对于我这个学习物理化学并专门从事物理性质研究的人来说,确实是件愉快的事。当时对于物体的流动与形变性质作过专门研究的化学家几乎还没有。关于这方面的知识我也是开始学习,同时制作了前面讲的那套测量装置,对拔丝液体的粘滞性和弹性进行了测量,研究了粘弹性与拔丝性质之间的关系,作了拔丝性质的研究。

感想:我国又是谁第一次提出“粘弹性”这个中文词的呢?莫非是于同隐?“粘弹性”原来还是源于地质学的吗?我原本是知道地质学也使用“粘弹性概念的,但一直以为它借用自流变学,而不是相反。看来,地质上的“粘弹性”同样有趣。

与今天相比,在那个时代科研工作者要获得一篇两篇的相关论文,是多么费劲,又是多么认真对待!从中川鹤太郎描述他看到的《科学》杂志那一段的字里行间就能体会到了。如今,我们查找一篇文献有着这么多的途径,人却反而懒了。不过,如今垃圾化文也多了,一篇论文也不值得花太多的时间,现在动不动要浏览的往往就是上百篇的论文,像中川说的那样“困难之际在某书局看到《科学》杂志的一篇简报”这种事情,也许只属于他那个时代了。

原子论

在西方文化,一般认为原子论源于德谟克利特(Democritus,约460BC-约370BC)的学说。我国的学者也很喜欢说墨翟(479BC-381BC)提出了原子论,这样就“人有我有”,引以为豪了。事实上,在世界观层面上的原子论,只是认为万物最终会达到一个不可再分的极限,也就是说,是离散的。它的对立观点就是万物是连续的,可无限细分的。谁只要是世上第一个涉及到这个问题,有50%的机会他会是原子论者,这有啥难的。

正如墨翟在哲学上很难跟其他诸子处于同一地位一样,德谟克利特的原子论也不是什么主流。后来的亚里士多德(Aristotle,384BC-322BC)就在自己的著作里反对了原子论,其前提是“大自然厌恶真空”,而在原子论观点的自然推论是,原子与原子之间的空间是真空:既然万物都是原子组成,那原子与原子之间如果有任何东西,它必然属于“万物”。关于“大自然厌恶真空”的准确理解,建议大家参考我以前的一篇关于真空文章

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俄罗斯近代化学发展的启示

在有机化学的教科书和文献中充斥着德国人的名字,例如在那厚厚的一本“人名反应”里。李比希(Justus von Liebig)、本生(Robert Wihelm Bunsen)、埃伦迈尔(Emil Erlenmeyer)、柯尔柏(Adolph Wilhelm Hermann Kolbe)、拜尔( Adolf von Baeyer), 凯库勒(Friedrich August Kekulé)、 霍夫曼(August Wilhelm von Hofmann)等人开枝散叶,派生至今天大部分英语国家的化学研究人员,他们的名字自然更多地得到了“传唱”。但我们是否会忽视俄罗斯化学家在化学史中的地位?当然,大家都知道门捷列夫,学习有机化学的也不会不知道查依采夫(Saytzeff)规则、马氏规则(Markovniko)、甚至法伏尔斯基重排(Favorskii) 或者泽林斯基(Zelinsky)-斯塔德尼可夫(Stadnikoff)合成法。 但可能相当一部分人可能会以为Belstein(Belstein有机化学手册)、Kishner(有个Wolff-Kishner-黄鸣龙反应)还有Wagner(有个Wagner-Meer-wein重排)是德国名字,毕竟“长”得的确很像。

更加说明问题的应该是学术期刊和实验室。现在大家经常查阅的化学文献基本上都来自英国、德国和美国。英国的皇家化学学院和美国的化学学会旗下的期刊就已经很有代表性了,至于德国期刊大家应该会知道影响因子居高不下的Angewandte Chemie。其实现在叫European Journal of Inorganic Chemistry实际上就是以前的Chemische Berichte,老德国化学期刊还有还有Liebigs Annalen等等。说到这个李比希——Liebig,还不得不提到他首创的公共实验室以及相应的理论加实验的化学教育理念(这在今天看来简直是不言而喻的),很多著名化学家学生时期都在Liebigs的实验室干过活。学术期刊和实验室,是近代化学体制的两个重要方面。

chemical society

右图:第一届俄罗斯自然学家和物理学家(这个翻译只是字面,并不是当时的意义)大会于1868年1月在圣彼德堡举行,图为当时的成员。这次会议做出了一个重要决定——成立俄罗斯化学学会。图中以从左到右的顺序,站立的一排依次是Vreden, F. R.、Lachinov, P.A.、Schmidt, G. A.、Shuliachenko, A. P.、Borodin, A. P.、Menshutkin, N. A.、Sokovnin, N.、Beilstein, F. F.、Lisenko, K. I.、Mendeleev, D. I.、Savchenkov, F. N.;坐着的依次是Richter, V. Y.、Kovalevskii, S. I.、Nechaev, N. P.、Markovnikov, V. V.Voskresenskii, A. A.、Il’enkov, P. A.、Alekseev, P. P.、Engel’gardt, A. H.。其中大家可能会认识的都划了线。这其中许多是在西欧留过学的年轻科学家,有的名字会在下文中提到。

俄罗斯的近代化学发展,一般介绍的较少,我找到了一些资料,看了一下还挺有收获。我向大家推荐这一个:N. Brooks; Russian Chemistry in the 1850s: A failed Attempt at Institutionalization; Annals of Science 1995, 52, 577-589。这篇文章关注的是只是俄罗斯化学起步阶段的一个小插曲:N. N. Sokolov和A. N. Engel’gardt创办了当时第一个公共实验室和摆书店里公开销售的化学期刊,并视实验室和学术期刊为学科近代体制化(institutionalization)的某种象征。然而这两位年轻化学家创办的实验室和期刊因为现实的原因,只维持了三年,但却哺育了一大部分新一代的年轻化学家。这段小历史所折射的,恰恰是俄罗斯化学发展的一个起飞阶段。有趣的是这段历史跟我国现在的状况有很多类似之处,可以说是相映成趣。

历史上国立科学院的成立往往可以作为一个国家科学发展的近代化的标志。彼德大帝在临终前创办了俄罗斯的国立的科学院Imperial Russian Academy of Sciences。但是一开始科学院里的学者主要是德国或西欧其他国家人。俄罗斯本土近代化学的起步,靠的是一批出国留学的年轻一代,有点类似我们中国人说的“海归”,尽管从俄罗斯到西欧不用过海。我国第一个留学生是容闳,俄罗斯的类似角色是Nikolai Zinin(是他最先发现了用硫化氢把硝基苯还原成苯胺的反应,这个待会还会提到)。N. Zinin在国内已经拿到了kandidat学位(相当于今天的硕士与博士之间的水平),并在喀山大学教化学。为了弥补他与他所要教学任务不相称的化学知识,他被派往西欧向当时的著名化学家学习进修。其中就包括在吉森大学的Liebig实验室学习过,凭靠这段国外的经验,他回国后以优异的成绩获得了最高学位Dr. Khim.。受这一成功的案例的启示,一大批年轻化学家相继出国留学,这里面的就包括Butlerov(师从Erlenmeyer、Kekulé和Wurtz)、Borodin、Mendeleev(就是门捷列夫,这两个人去了法国和意大利)、Menshutkin(师从Strecker、Kolbde和Wurtz)。随后出国的的有机化学家就还有Zaitsev(师从Kolbe和Wurtz)、Markovnikov(就是马氏规则那个人,师从Kolbe)、Zelinskii(就是泽林斯基,师从Kolbe和Wurtz和Meyer)等等。自然,这些现在很眼熟的名字,当时回国后马上成为了俄罗斯近代化学发展的中坚力量。他们学习了当时最前沿的理论、当时最先进的实验室干过活,更重要的是学习了从事研究的方法学。他们把这些理论、实验室制度和研究能力带回了俄罗斯,使得俄罗斯的高等化学能够独立地在国内延续和发展。

这些历史背景并没有在前面推荐的文章里明显介绍,该篇文章主要关注的是N. N. Sokolov和A. N. Engel’gardt在俄罗斯创办实验室和化学期刊的前前后后。Sokolov在Liebig实验室待过,因此他抱着极大的热情,希望能在俄罗斯办一个像Liebig那样的实验室。而在当时,俄罗斯只要极个别的化学实验室都在大学里面,房间破料,设备陈旧。化学家Borodin回忆说:

borodin quote

由于Engel’gardt家境富裕,他们新建立的实验室购置了一些新设备。这个开放实验室接受过P. P. Alekseev、V. V. Bek、A. A. Verigo、还有上面说的抱怨原来实验室差劲的Borodin等大量年轻化学家或者化学学生。有了这么一个忙碌的实验室,自然要找个地方发表实验结果。于是Sokolov和Engel’gardt就创办了一个叫Khimicheskii zhurnal(对应的英文就是Chemistry Journal)的化学期刊,并自任编辑。就该期刊的定位,他们说:

journal interest

同时,这个期刊除了收录俄罗斯化学家的原创工作之外,还会选登一些国外化学论文的摘要,尽量能够翻译成俄文。为了实现传播化学科学的宗旨,这个Khimicheskii zhurnal期刊,可以在书店里购买到,而当时的学术期刊都是很小众的产物,只在编辑的办公室里卖,而且要先加入预订的名单中。

前段时间,科学网博客社区之中曾经掀起过一场关于“创办我国自己的高档次期刊”的讨论,所围绕的问题无非是我国的母语——中文与国际默认的交流语言——英语之间的矛盾,以及中文期刊的受关注程度、引用率等问题。以上关于N. N. Sokolov和A. N. Engel’gardt创办期刊的故事至少可以告诉我们几条经验,在语言上立足母语,同时花费专门的精力引介和翻译国外优秀工作;同时要积极主动地推广。

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上图:门捷列夫手迹。

同时俄罗斯在十九世纪的近代化学发展也印证了科技落后国家为什么要重视吸引和善待留学人员,也清晰地说明了留学人员的价值到底是什么——将国外先进的科研和培养理念引进国内。现在我国已经有很多“重点实验室”,它们的占地面积和仪器设备都能达到世界一流的水平,但是管理理念和培养效果差强人意。当然,一下子将国外实验室的严格高要求直接复制到中国是不可能的,不要说一下子不可能,由于国内研究生和国外研究生的种种差别,这样的引入既不可能是直接复制,也不可能一蹴而就。但是最主要的问题是当前我国的制度和学术环境还有各种各样不必要的甚至是无中生有的制肘,愚蠢的行政干预到处可见,离“学者治学”理想状态还很远,这样一方面吸引不了真正有水平和抱负的人才回国,回了国的人才也发挥不了他们的潜力。俄罗斯从Zinnin第一个出国留学到二十世纪初本国化学家百花齐放的状况之间大概半个世纪。在二十一世纪的今天,科学对社会的重要作用早就是不言而喻的事实,我们国家的化学发展到出现如门捷列夫那样的世界大师,再花五十年够不够呢?