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了解與預測在科學上的體現

105/01/30 瀏覽次數 3189
自古以來,我們的祖先不斷地尋求自然的真相,渴望能預知未來,但是由於歷史條件和科學水平的限制,得到的只是猜測和幻想。自從科學有了進展之後,人們不斷揭示出自然的奧祕,逐步認識和掌握自然發展的規律。至此,科學的預言才成為事實,給科學事業的發展帶來深遠的影響。

必須指出的是「了解和預測是一體的兩面」。若能真正了解科學事物的本質,就能正確地預測這事物在未來的發展行為。反之,若能正確地預測事物的各種行為表現,就表示對事物的本身有某種程度的真正了解。

就舉幾個科學實例來闡明「了解與預測是一體的兩面」的概念在科學進展上是多麼重要。

哈雷彗星回來了

晴朗的夜晚,滿天星斗,好像是鑲嵌在夜幕上的的無數銀燈,閃爍發光。有時,在寂靜的夜空中,突然出現一位形狀奇特的「不速之客」,猶如一把倒掛的掃帚高懸天際,這就是「彗星」,也有人形象地稱它為「掃帚星」。由於彗星形貌古怪,平日少見,因此在過去科學還不發達的時代,人們懷著恐懼不安的心情,把它看做是不祥之兆,稱它為「妖星」、「災星」。隨著天文學的不斷發展,人們逐步地認識它、了解它,發現彗星並不什麼神祕的東西,它也是太陽系大家族的一個普通成員。

首先得到人們的注視和研究的彗星是「哈雷彗星」,它是第一顆被科學的預言證實的著名彗星。但是,在17世紀的歐洲,人們還把彗星的出現視為一種奇怪而神祕的現象,不相信彗星的規律是可以探知的。

英國科學家牛頓(Sir Isaac Newton, 1643-1727)反對這種毫無科學根據的偏見,指出彗星的運行軌道可以用「萬有引力」定律來求得。英國天文學家哈雷(Edmond Halley, 1656-1742)根據牛頓的這一論斷,研究1682年出現的大彗星。哈雷注意到這顆大彗星的軌道和1607年、1531年所觀察到的彗星非常相似,使他有理由推斷這3顆彗星實際上是同一顆彗星的3次重現。

哈雷利用「牛頓力學」詳細計算這顆彗星的運行軌道後,指出:這一顆大彗星是以76年左右的時間為周期,沿著一個很扁長的橢圓軌道繞日運行。哈雷還根據計算結果事先預言:這一大彗星將在1758年底或1759年初再度回來。雖然1742年哈雷過世,法國數學家克羅雷(Alexis Claude de Clairault, 1713-1765)根據木星和土星對這顆彗星的「擾動」影響,做了進一步彗星軌道的計算,指出這顆彗星再度回來的時間是1759年4月分,誤差在1個月左右。

這顆彗星到底會不會回來呢?天文學家都急切地等待著。1759年3月10日,比預測的日期提前1個月,這顆彗星按照科學的預言又回來了,而且它在預定的星座之間經過,人們用肉眼就看見了它,哈雷的科學預言得到了驗證。為了紀念和表彰他的研究成果,這顆彗星便命名為「哈雷彗星」。

用科學的方法預知哈雷彗星的回歸,開闢了彗星天文學的新紀元。這不但證明了「牛頓力學」原理的正確性,以及「天體力學」方法的可靠性,而且充分顯示了科學的力量:了解和預測是一體的兩面,事實證明科學的預言是完全能夠實現的。

正像天文學家預言的那樣,哈雷彗星每隔76年左右的時間跑到太陽的身旁一次。自從1759年之後,哈雷彗星曾於1835年、1910年、1986年又3次重來。目前哈雷彗星距離我們還很遠很遠,待到2062年2月,我們又可再次和「哈雷彗星」見面了。

預言尚未發現的元素

1661年英國化學家波耳(Robert Boyle, 1627-1691)發表了題為《懷疑派的化學家》的著作,第一次確立了化學元素的概念。自此之後,自然界的元素就一個接一個地相繼發現,到了1800年,人們共發現了28種化學元素。19世紀,隨著生產的迅速發展,發現的化學元素更多了,在當時的報刊雜誌上,接二連三地報導發現元素的消息。僅在19世紀的頭50年,就發現了27種化學元素。到了1868年,當時人們已發現了63種化學元素。

新元素的發現不僅給化學家帶來了很大的鼓舞,這些各不相同、紛紜複雜的元素也給人們帶來探索自然的勇氣和力量。這六十多種元素有的是液體,有的是固體或氣體;有的閃發著金屬的光芒,有的散發著刺鼻的惡味;有的柔軟,有的堅硬;有的輕,有的重……化學家面對著這些五光十色的元素,感到迷惑不解,好像迷失在茂密的叢林中。

化學元素之間有沒有規律可尋呢?年輕的蘇俄化學家門德列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)決心揭開這個祕密,他閱讀了大量的化學書籍,總結了許多化學家的經驗教訓,前後花了差不多20年的功夫,終於在1868年發現了「元素周期律」,把化學元素從雜亂無章的迷宮中分門別類地理出了一個頭緒。

「元素周期律」揭開了這樣一個很重要的規律:元素的性質隨著原子量的增加而呈周期性的變化。也就是說,按照原子量增加的次序把所有的元素排列起來,每經過一定的間隔就一定會有化學性質相似的元素出現。門德列夫根據這個原則,把當時已經知道的63種元素製成了一張表,定名為「元素周期表」。

這時,難題產生了。已經發現的元素固然可以按照周期排列,可是那些尚未發現的元素怎麼辦呢?這些元素應該放在周期表的什麼位置呢?門德列夫根據這個「元素周期表」,大膽而巧妙地解決了這個難題,他毫不躊躇地在周期表中留出許多空位,並以十分肯定的口氣宣布:屬於這些空位的元素將來一定會被發現。不僅如此,他還根據元素周期律推算了這些空位中元素的原子量,預言了尚未發現的元素的性質。

1871年門德列夫發表了一篇介紹未知元素的論文,他根據周期表大膽地預言了3種未知元素的性質。這3種元素當時稱為「似硼」、「似鋁」、「似矽」,它們的性質分別類似於當時已知的硼(B)、鋁(Al )、矽(Si )3種元素。這件事在當時看來簡直是一種狂妄的行為,有人甚至不屑地說:「這只不過是臆想一些不存在的元素罷了!」

然而,科學事實做了強而有力的回答。1875年法國科學家布瓦博德朗(Lecoq de Boisbaudran, 1838-1912)在巴黎發現了一種新元素,命名為「鎵」(Ga)。它是門德列夫5年前預言的元素–「似鋁」。當時,門德列夫雖然並沒有看到這種新元素,但是他果斷地寫信給布瓦博德朗,說明「鎵」的比重應該是水的6倍。幾天之後,巴黎寄來了一封回信說門德列夫錯了,「鎵」的比重不是6,而是4.7。

比重不對,是門德列夫的預言錯了嗎?還是布瓦博德朗測錯了呢?門德列夫堅信自己是正確的,立即又寫信說「鎵」就是我預言的「似鋁」,它的原子量接近68,比重應該是5.9上下,不是4.7,請再試驗一下,也許您那塊物質還不純……布瓦博德朗是一位求實的科學家,他決心做一次試驗,他十分小心提純了所得到的物質,重新測定了「鎵」的比重,發現「鎵」的比重正如門德列夫所預言的那樣,果然是5.96。「鎵」的發現及其比重的改正,使門德列夫的科學預言獲得第一次成功的驗證。

這是不是巧合呢?不是的。在發現了「鎵」後的4年,也就是1879年,瑞典科學家尼爾遜(Lars Fredrik Nilson, 1840-1899)發現了「鈧」(Sc)元素,它就是門德列夫預言的「似硼」。1886年法國化學家文克勒(Clemens Alexander Winkler, 1838-1904)發現了「鍺」(Ge),它就是門德列夫預言的「似矽」。這種元素的性質竟和門德列夫15年前的預言非常吻合。文克勒以十分敬佩的心情寫信給門德列夫:「我通知您,您天才的研究又獲得新的勝利,我向您致以崇高的敬意。」

門德列夫關於新元素的預言,雄辯地說明科學理論的巨大力量,人們只要掌握了客觀事物的規律,就能揭示自然的奧祕,做出正確的科學預言,推動科學事業向前發展。了解和預測真是一體的兩面。

新華夏系沉降帶有石油

在過去,中國被戴上了「貧油」的帽子,一些外國的專家、權威曾大肆鼓吹「中國沒有石油」的謬論,竭力叫嚷:「中國大部分地區幾乎沒有石油蘊藏的可能。」中國真的沒有石油資源嗎?石油都埋在外國的地下嗎?不!中國有豐富的石油資源。中國地質學家李四光(1889-1971)根據「地質力學」的原理,明確指出:在中國「新華夏系」的沉降帶埋藏著豐富的石油,提出了中國石油資源的科學預言。

什麼是「新華夏沉降帶」?那裡為什麼有豐富的石油資源呢?李四光運用「地質力學」理論研究中國和東亞地區的地質構造做了科學回答。在中國東部和東南部以至東亞瀕臨太平洋地區,有兩個方向排列的規模巨大構造帶,一個走向北東,一個走向北略偏東,一個較老,一個較新。由於中國古稱「華夏」,因此李四光把年代較老,走向北東的構造帶稱為「華夏系」,而把年代較新,走向北略偏東的構造帶稱為「新華夏系」。

「新華夏系」構造體系是由於中生代以來亞洲大陸相對太平洋向南扭動時所形成的,由三條隆起帶和三條沉降帶組成。人們知道:油田的形成必須有二個條件,一個是「生油條件」,也就是必須有生油的岩層,這是「物質條件」;二是「儲油條件」,必須有一個空間讓它們匯集在一起,這是「構造條件」。具備這二個條件的地質構造,必然是一個盆地環境,而且這個盆地要慢慢下降,周圍要逐漸上升。

中國「新華夏系」構造體系是以一個相對隆起,一個相對沉降的形式出現的成對共生的構造,有利於造成良好的成油環境。加上在中國「新華夏系」中有許多東西方向構造體系的干擾和疊加而隔開的盆地,這些盆地就成了理想的「成油盆地」。

因此,早在1950年代,李四光就根據「地質力學」指出,中國有3條主要的石油遠景地帶;東面的黃海、東海、台灣海峽和南海,是一條石油遠景帶;中間的松遼平原、渤海、華北平原、江漢平原和北部灣是第二條石油遠景帶;西面的呼倫貝爾、陝甘寧盆地和四川盆地是第三條石油遠景地帶。

但是,在這麼長大的石油遠景地帶上,到哪裡鑽井噴油呢?李四光又根據「地質力學」的分析,指出在盆地中受到過地應力的作用而發生扭動的地方定能找到豐富的石油。

後來事實證明:真的在「新華夏系」的第二沉降帶上發現了油田,黃海、東海、南海的石油遠景出現了曙光。雖然在中國大陸所採得的這些石油,經實驗證明含蠟質太高,且至今一直未能有效地把雜質完全濾除,而多少降低了這些石油的經濟用途。雖是如此,李四光提出的中國「新華夏系」沉降帶具有豐富石油資源的科學預言,再度體現了「了解與預測是一體的兩面」的事實。

三重態卡冰分子的預測

我們都知道世界上可用的能源很多,但各有其優缺點。像是石油能源,會有匱乏的一天;像是核能,有輻射傷害的疑慮;像是太陽能,雖然乾淨,但到目前為止,卻一直有關鍵技術無法突破,以至於有成本居高不下的困難。

這使得科學家想到,根據物理的電磁原理:電可生磁,磁可生電,而且已知「多重態」(multiplicity state)的分子具有磁性,是否可用這樣的化學磁性分子產生電力能源呢?

根據物理「量子力學」的解釋,大自然中具有多重態的分子並不多。氧氣(O2)是個很好的例子,因為氧氣的基本態(ground state)是「三重態」(triplet state),而氧氣的第一激發態(the first excited state)是「單重態」(singlet state)。雖然氧氣屬於多重態分子的一種,且到處唾手可得,但是氧氣太活潑,容易和各種金屬形成氧化物(或說是「生銹」),導致大幅降低用氧氣發電的可行性。

科學家又想到:可以用CH2的carbene(稱「卡冰」)分子啊!因為它的基本態就是「三重態」,屬於「多重態」分子,不正好可以拿來發展電能嗎?

「卡冰」最早是由德國化學家布希納(Eduard Buchner, 1860-1917)在1903年提出的,當時他做乙酸乙酯和甲基苯的化學反應,這個反應的最後產物是三角環丙烷,於是布希納推測在整個反應過程中,必然有「卡冰」的中間產物。後來在1912年,德國化學家施陶丁格(Hermann Staudinger, 1881-1965)又做了一個化學實驗,他使乙烯和雙氧甲烷作用,也得到了三角環丙烷產物。於是他也同樣推測:「卡冰」分子必然在整個反應過程中扮演重要角色。

其實,從上述實驗結果就可推知:「卡冰」分子是個不穩定的活潑分子,它的生存期太短,約只有 10-3~10-2 秒。這麼短命的分子可以想見:偵測儀器很難檢測出「卡冰」分子的存在,更不用說測量「卡冰」分子的內在性質(如鍵長及鍵角)。因此,長久以來,「卡冰」分子一直被認為的確存在,且它的基本態是屬於「單重態」。這是因為CH2(卡冰)的第一個光譜學實驗觀測結果認為「卡冰」分子是一個基本態為「單重態」,且幾何結構為直線型的分子。

雖是如此,根據化學「鍵結理論」的推論,「卡冰」分子在「單重態」的幾何結構應是彎曲型,C–H鍵長:1.09Å,而H–C–H鍵角是102°。反之,「卡冰」分子在「三重態」的幾何結構是較接近直線型,C–H鍵1.06Å,又H–C–H鍵角是136°。

一直又過了五十多年,科學家用大型電腦精確計算「卡冰」分子的幾何結構及其基本態,發現CH2應是一個基本態是「三重態」,且幾何形狀是較偏直線型(180°)的彎曲型分子。實驗化學家根據這一理論結果,又再次重新檢視CH2分子的性質。實驗結果證明:電腦理論計算的結果是正確的。這是化學歷史上第一次電腦理論計算結果引導實驗化學家重新檢查原本自以為正確的實驗結果,且最後的實驗結果確認先前的電腦理論計算預測是對的。

雖然到目前為止,仍無法使「三重態」CH2分子穩定以供人類使用(如發展電能),但CH2分子從理論推演到實驗證實,整個實例再次說明「了解與預測是一體的兩面」。
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