从富兰克林精神看2010年诺贝尔物理、化学奖

张 昱

（山东大学哲学与社会发展学院，山东 济南 250100）

一 富兰克林精神的内涵

“如何测量油膜的厚度”？对于学习普通物理课程的大学生来说，他们会建议首先使用X射线衍射仪。尽管X射线衍射方法原则上适用于解决这类问题，但由于油膜分子层极薄，只有很少的分子会和入射的X射线发生作用，所以油膜分子层仅能给出微弱的物理信号。假如要增强信号，则可以使用功率强劲的同步加速X射线衍射仪，可是普通实验室并不配备如此贵重的仪器。然而，早在200多年前，著名科学家富兰克林（Benjamin Franklin）就已经设计了测试油膜厚度的简单实验方案。富兰克林在微风拂动的时候，走到方池塘边，轻轻地向水中倒了一勺橄榄油，他一边倾倒橄榄油一边观察水面是否变得平静，这是由于漂在水面上的油膜的黏滞阻力作用有助于平息水面的波纹。当他看到整个池塘的水面都平静时，他停止倾倒橄榄油并测量出橄榄油的体积和池塘水面的面积，将二者相除得到了的油膜厚度，它约为几个纳米。这个结果与通过现代精密仪器的测量结果处于同一个数量级之中。

在已有的简易实验条件下，科学家凭借自身的科学知识储备与逻辑分析能力，实施了在良好实验条件中都无法操作的实验，我们将这种实验称为“富兰克林实验”。从科学史来看，科学家运用富兰克林实验解决了许多具体的科学实验难题。例如，获得高纯度的单晶硅是信息工业发展的急切需求。一般的，提高单一化学物质纯度的简易方法是溶液结晶法，可是高纯度单晶硅的结晶对周围环境的压力、湿度极为敏感。为此，一些大公司专门配备洁净实验室以操作单晶硅的结晶。然而，某科学家却利用极为简单的实验条件获得了高级洁净实验室也无法获得的最纯净的单晶硅，他是这样做的：清晨，在野外反复进行单晶硅的结晶实验。这是因为，清晨时的较低气压以及野外的较少的空气尘埃非常有利于单晶硅的结晶。

可见，富兰克林在实施“富兰克林实验”时完美地表现了某种科学精神，可称之为富兰克林精神（Franklin’s spirit），即科学家利用相对简易的实验条件很好地解决了某个具体科学问题而体现出的科学精神。获得1991年诺贝尔物理学奖的法国科学家德热纳（Pierre-Gilles de Gennes）被誉为“当代牛顿”，他用终其一生的科学实践活动生动地诠释了科学精神的真谛，他认为富兰克林精神是科学精神的典型代表。［1］

科学哲学家巴什拉（Gaston Bachelard）深入探讨了科学精神的形成，他认为“昭示科学精神的首要任务，就是使表现几何化，即描绘自然现象，对经验过程中的决定性事件作有序的排列”［2］。巴什拉认为科学家应当将抽象化（abstraction）视为科学精神的正常和富有成果的方法。此处的抽象化是指，科学家在进行具体实验之前，在他的大脑中预先形成了与理论相关的抽象图式。依此看来，富兰克林精神完好地体现了科学精神的本质，因为富兰克林精神同样将抽象化视为其第一出发点。同时，富兰克林精神在科学实践中延伸了其抽象化的内涵，指引着研究者进一步寻求实验中的“简单性”（simplicity）。毋庸置疑，这种简单性的价值不亚于经常评价科学理论价值所使用的简单性。

进一步，可以将富兰克林精神划分成两类：（1）狭义富兰克林精神，指的是科学家在解决某一具体问题时所体现出的富兰克林精神；（2）广义富兰克林精神，它指科学家以富兰克林精神的实质建立起一种科学方法论进而解决科学中的问题。科学家以富兰克林精神作为科学方法论，在应对具体科学问题时，通常经过如下思考程序：首先，他要明确所需解决的是具体实验问题而不是科学理论问题。其次，他将拟解决的难题与以前经验中的现象进行类比，类比过程恰好体现了科学精神中的抽象化实质，也表明了科学家熟知隐藏于同类现象背后的相似理论。例如，富兰克林将橄榄油倒入池塘并观察油膜是否刚好完全铺展整个水面时，他之前一定知道覆盖油膜的水面将变得平静的现象，这点恰好是整个实验的关键。再如，科学家在实施单晶硅结晶实验之前，他肯定熟悉提纯单晶硅的诸种实验条件。最后，科学家充分利用自然界中的便利条件而不是通过先进的精密仪器来实施实验，表现了他们的“思维经济”。科学哲学家马赫（IrnstMach）认为“思维经济”是研究科学的必备思维方式。

富兰克林精神从解决具体科学难题时的科学精神，演变成为一种先进的科学方法论。这深刻地表明，富兰克林精神揭示出了科学发现逻辑的本质，它将为解答科学中的重大问题提供更为广阔的方法论视角。进一步，2010年诺贝尔物理学奖与化学奖更是凸显了富兰克林精神的方法论意义。

二 获得2010年诺贝尔奖的原因探析

2010年诺贝尔化学奖授予三位科学家海克（Richard F.Heck）、根岸英一（ねぎしえいいち）、铃木章（Akira Suzuki），其获奖理由是创立了“有机合成中钯催化交叉偶联反应”的研究。众所周知，碳原子的化学反应活性非常小，所以碳原子与碳原子之间基本上不会直接发生化学反应。因此，化学家起初使用的方法是活化碳原子以增大其反应活性，但这类方法只可以适用于制造单个分子。这是因为，在合成较为复杂的分子时，活化了的碳原子会与很多其他分子竞相作用，往往得到诸多不必要的副产物。然而，钯催化交叉偶联反应彻底解决了这个难题。无论是在Heck反应、Negishi反应还是在Suzuki反应中，均不需要直接活化碳原子，取而代之的是，将多个碳原子聚集于一个钯原子周围，碳原子于是彼此接近进而有效引发了碳原子间的化学反应。钯催化交叉偶联反应保障了碳-碳原子之间的化学反应具有精准的方向、优良的选择性、可观的产率。实施钯催化交叉偶联反应不仅可以直接从简单小分子高效率高产率地构建出复杂分子，而且对实验条件的要求也不苛刻。

其实，钯催化交叉偶联反应的研究策略并不是空穴来风。几百年以来，化学家一直梦想在接近于自然条件下能够快捷、有效地合成出各类复杂的化学物质。2001年诺贝尔化学奖获得者夏普利斯（K.B.Sharpless）提出了“点击化学”（Click Chemistry）的科学概念。［3］“点击化学”指的是直接将简单小分子一次性地、高产率地合成出复杂分子的化学反应。“点击化学”中的反应物廉价易得，对实验条件没有过高的要求，不需要特殊的合成仪器设备如无水无氧设备等，它充分利用反应物自身的“特殊条件”制备出目标产物。在一般的合成实验室中，科研人员都可以轻松地操作这类化学实验，但类似的基础化学理论研究却对科研人员的专业知识与科学素养都提出了更高的要求。或许可以说，“钯催化交叉偶联反应”是“点击化学”概念在具体化学领域内的精彩案例。

不管是“钯催化交叉偶联反应”还是“点击化学”概念，它们的反应条件都需要仔细探索、不断试错，一般结果总朝向令人满意的方面发展。这类实验易于操作，所以它们将会具有更大的后续研究价值。这些都从根本上表明，一方面，钯催化交叉偶联反应的研究策略与提倡“在相对简易的实验条件很好地解决了某个具体科学问题”的富兰克林精神不谋而合；另一方面，钯催化交叉偶联反应体现出的实用价值比在极端条件中的化学反应要大得多。

2010年诺贝尔物理学奖颁发给了英国曼彻斯特大学的海姆（Andre Geim）与诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。诺贝尔奖评审委员会给出的获奖理由是他们二人“在二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。石墨烯的原意是“单层的石墨片”，它是构成石墨的基本结构单元。而当今科学界的另一研究热点——碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构。从分子结构上看，石墨烯仅是由单个的碳原子层构成，它是真正意义上的二维晶体结构。从物理性质上来看，石墨烯具有卓越的电导率、热导率，以及高强度、刚度等。

2004年，海姆和诺沃肖洛夫报道了如何通过简单的剥离手段得到石墨烯［4］。他们无意中发现了制备石墨烯的新途径：第一步，用外力敲击石墨，使其分离成较小的碎片；第二步，再从小碎片中挑拣出比较薄的石墨薄片；最后，用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，猛地用力撕开胶带，薄片也随之分裂为两片。反复实施这一过程，就能得到越来越薄的石墨薄片。十分自然地，其中有的石墨薄片样品仅由单层碳原子所构成。这样一来，他们就成功制备出了石墨烯。

无独有偶。科学家采用石墨蒸发方法得到微量的富勒烯（Fullerene，由60个碳原子组成的足球状分子），之后他们使用了多种实验证据证实了富勒烯的分子结构并以此成就荣获1996年诺贝尔化学奖。富勒烯是除活性炭和石墨之外的一种新型的碳的同素异形体。对当时的科学家而言，如何大量制备富勒烯是摆在他们面前的头等难题。幸运的是，通过假设活性炭、石墨与富勒烯均来源于同一化学反应，科学家很快在普通炭灰中找到了富勒烯，并由此发明了高收率的、廉价的合成富勒烯的方法。［5］可以说，石墨烯研究的初始阶段是受到富勒烯相关研究的启发而蓬勃发展起来的。

不难看出，无论是在通过剥离方法得到石墨烯，还是在炭灰中找到大量富勒烯的过程中，科学家使用的手法都是相当简单的，他们利用简易的实验条件解决了重大的科学难题。不言而喻，在此过程中，这些科学家都有意识或者潜意识地运用了富兰克林精神。

所以说，无论面对具体实验问题，还是作为科学方法论，富兰克林精神都极大地促进了科学的进步。从2010年诺贝尔物理学奖、化学奖的授予可以看出，获奖者都有效地运用了富兰克林精神。但是，在中国的自然科学研究领域，至今仍无诺贝尔奖获得者。所以，对中国科学家来说，大力提倡科学中的富兰克林精神将显得更为重要：其一，从中国科学发展的现状来看，目前中国的科技资金投入难以与欧美大国抗衡。在此形势下，科研人员倘若能够自觉运用富兰克林精神进行科学研究，将有效地弥补由于资金不足而引发的不利局面，如实验仪器跟不上世界前沿水平。其二，从中国科学发展的远景来看，富兰克林精神或许可以为未来的科学家从事科学研究提供一定的科学精神支持与切实可行的科学方法论。

［1］德热纳.软物质与硬科学［M］.卢定伟，等译.长沙：湖南教育出版社，2000：77-81.

［2］巴什拉.科学精神的形成［M］.钱培鑫，译.南京：江苏教育出版社，2006：1-8.

［3］Kolb，H.C.Finn，M.G.and Sharpless K.B.Click Chemistry：Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions［J］.Angewandte Chemie International Edition，2001（40）：2004-2021.

［4］Novoselov，K.S.et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］.Science，2004（306）：666-669.

［5］吉 姆.完美的对称——富勒烯的意外发现［M］.李 涛，等译.上海：上海科技教育出版社，1999：202.