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諾貝爾獎與生活科技:權威與榮耀

諾貝爾先生設立獎項的本意,在於獎勵科學上重要的研究與創新,但是科學研究中怎樣的發現或發明才是最重要的?何人的創意是最新的?貢獻最多?
 
 
 
自 20 世紀初以來,諾貝爾獎的鼓勵在科學發展上扮演了重要的推手,由於每年頒發的獎項有限,使其具高知名度與權威性。得獎者除了獲得巨額獎金及崇高的學術地位之外,更伴隨著優渥的研究資源,這也是科學家汲汲追求這項榮耀的動力。但科學研究的本質到底為何?卻值得我們深思。

永無止盡的探索

為了解釋自然界的現象,從古至今,科學家努力架構出有組織、有系統的知識,希望用簡單的規則說明所有的現象。無論是東方或西方,科學的興起多起源於對自然本源的思考。早期東、西方對於自然哲學的理論有許多相似性,但後來由於雙方的發展不同,以致產生了完全不同的結果。

在《莊子‧天下》中,惠施曾說:「至大無外,謂之大一;至小無內,謂之小一。」意即物質世界在空間上往大的方向看,可以大到沒有邊際,稱為「大一」,小的方面則可以到無限小,稱為「小一」。

惠施又進一步說明:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭。」也就是說拿一支一尺長的木棍,每天對切拿去一半,天天如此重複,過了一萬年仍然可以繼續對分下去,這就是物質無限可分的觀念。墨家則採相反的論點,《墨經》中指出:有形的物體總是會分割到不能再分割的時候,稱為「端」,也可稱為物質的最小單位。

在西方世界中,古希臘時代就開始思索:物質是由什麼構成的?西元前 6 世紀,「萬物一元論」主張「宇宙萬物的根本原理只有一個」。在西元前 5  世紀時,古希臘學者德謨克利特(Democritus, BC460-371)創立了「原子論」,他主張物質由某種極小的粒子組成,並把它命名為「原子」。事實上,從文藝復興時代開始,西方的科學研究風氣日盛,人們仔細觀察了許多現象進行歸納、結論,然後提出新的理論及對未知的猜測。

但原子是組成物質最基本的粒子嗎?在X光、放射能發現後,科學家開始懷疑如果原子可以釋出放射線,不啻代表原子內應含有更微小的粒子。果不其然,湯姆生(J.J. Thomson, 1906 年諾貝爾物理學獎得主)在 1897 年發表了陰極射線的荷質比,並指出陰極射線是由比氫原子還小的「帶負電微粒」,即現今所稱的「電子」所組成。

之後,拉塞福在進行 α 射線大角度散射實驗時,又發現原子的內部應有一個核,至此原子結構的形貌大致確定。為了把原子分解得更細微,科學家仍繼續追求基本粒子的存在。但在一系列的研究過程中,原子的模型也就確認了。

就一般的想法,研究物質的基本構造時,最簡單的方法就是把它切成一塊塊後再進行觀察。問題是:當物質已經小到某一程度時,以傳統的方法根本找不到合適的工具繼續切割。除此之外,觀察的工具又是另一個瓶頸,當粒子小到比可見光波長還小時,人們就無法「看」到東西了。為了解決這些問題,科學家就發展出電子顯微鏡,雖然無法實際「看」到原子內部的結構,卻可以間接了解它。若再透過電腦的協助,具體的形象就呼之欲出了。

粒子物理實驗所用的工具是「粒子加速器」。早期科學家研究所用的迴旋加速器,是由勞倫斯(E.O. Lawrence)發明的,他自 1929 年開始建造迴旋加速器,並做了許多研究,且在 1939 年獲得諾貝爾獎。這種使帶電粒子在電場中因獲得能量而加速,再透過磁場來約束粒子運行軌道的加速器,可以讓電子的能量因不斷加速而增高。由於物質波變短了,因此可用來觀察更微小的目標物。

為了追尋基本粒子,各國又相繼設立粒子加速器。各實驗室果然也發現許多新的粒子,科學家又開始猜想這些粒子是否如同當初的原子模型一般,是由更小的粒子所組成的?1960 年代便有「夸克」(quark)模型及「部分子」(parton)模型的提出,以解釋質子、中子及其他粒子的組成結構。丁肇中先生在 1974 年發現了第 1 個夸克–J/Ψ 粒子,同時證明了另一種基本粒子「魅(charming)夸克」的存在,因此在兩年後獲頒諾貝爾物理獎。至今,基本粒子的探求研究仍持續進行中。

諾貝爾獎的影響

近百年來諾貝爾獎的鼓勵,在科學發展上扮演了重要的推手。諾貝爾先生設立這獎項的本意,在於獎勵科學上重要的研究與創新,但是科學研究中怎樣的發現或發明才是最重要的?何人的創意是最新的?貢獻最多?諾貝爾獎實質的意義又是什麼?它鼓勵人們創新發明,還是爭名奪利?這一連貫的疑問一直是諾貝爾獎受人爭議的地方。

事實上,科學的研究有優勢累積的效應。優秀的師徒傳承、高才育高才的模式是無可避免的現象,而優勢的累積包含研究經驗的傳承及思考方法的啟發。此外,著名且高水準的科學研究機構也是促成這種現象的重要因素。傑出的科學家在研究單位內具有舉足輕重的地位,通常有了著名科學家的進駐,便可把其他獨立研究的科學工作者,以及包含經濟資源的必要研究資源吸引過來。這樣的群聚效應提供年輕的科學工作者絕佳的學習環境,更因此創造了所謂的熱門科學研究主題與科學研究機構。

針對歷年諾貝爾獎獲獎的研究主題做一歸納,可尋出脈絡驗證上述說法。因為優勢累積效應及一般科學家的認知,科學研究中各個專門學科的發展其實是不平衡的,速度也有別。在物理學方面,從 19 世紀進入 20 世紀時有一重大的變革,使人類對於自然界的法則有了更新的認識與解釋,對於這一蟬蛻,諾貝爾物理學獎得主的研究與發現厥功至大。

除了上述原子模型的建立及基本粒子的探求外,量子理論及相對論的提出也具劃時代的意義。在 20 世紀物理學的發展史上,愛因斯坦的發現顛覆了古典物理的觀念。1905 年,他發表了 5 篇論著,其中包含狹義相對論及光電效應,使他榮獲 1921 年諾貝爾物理學獎的不是著名的相對論,而是光電效應。

光電效應的理論也頗具革命性,因為它打破了二百多年來「光是一種波動」的看法,而主張光是以量子或光子的狀態,把金屬板上的電子撞擊出來。愛因斯坦援用蒲朗克的「光量子論」解釋了這一現象,促成日後量子力學的建立。而他提出的相對論,也迫使人們從根本上改變對時間及空間的概念,因為在極高速、極遠距和極長的時間下,物體的行為與我們直觀的想像甚為不同。

從古典物理到量子力學、相對論的提出,現今仍繼續探尋著構成物質的最基本粒子、宇宙的起源及場的統一等理論,至於新能源的生產、奈米科技的發展,也都是量子革命的延續。

在化學方面,有機化合物的組成及生物化學是歷年來熱門的研究主題。其中 1953 年諾貝爾化學獎得主施陶丁格(Hermann Staudinger),為高分子物質的研究,例如橡膠和纖維素的結構,奠下基礎。他證明了長鏈結構高分子是由小分子的化學結合形成的,而不是簡單的物理集聚,並且探討了構成網狀結構聚合物的條件,以及確定了高分子黏度與分子量之間的關係。這些成就對於開發塑料有很重要的貢獻。

由於他的發現,使得現代生活中高分子的應用變得非常廣泛。爾後導電高分子的發現,更促成了光電高分子的發展,成了近年來當紅的應用科技。

科技發展的省思

1867 年,諾貝爾先生發明了威力強大而又安全的炸藥,他的發明立即獲得全世界的讚譽,也使得諾貝爾的炸藥生產工廠迅速蔓延到二十多個國家。安全烈性炸藥的發明,有力地推動了和平建設,例如山洞、道路的開闢,同時也帶給人類痛苦的戰爭災難。諾貝爾痛恨炸藥的發明被應用到違反他所嚮往的世界和平與公理的戰爭上,他曾憤恨地說:「我將發明一種更有力的武器,使戰爭的雙方在一秒鐘內被消滅……或者迫使他們恐懼地退出戰場。」

很不幸地,類似的矛盾一再重現!科學家們埋首研究準備解開基本粒子之謎時,發現利用中子撞擊原子核產生核鏈式裂變,會釋放出巨大的能量。在此同時,由美國政府支持及物理學家費米(1938 年諾貝爾物理學獎得主)的協助下,啟動了世界上第 1 座可控制式核反應堆。這個實驗的成功,讓人類在科學研究及能源的運用上邁入了新紀元,但也陷入了永無寧日的核武威脅中。

另一個大家熟知的例子:絨毛膜篩檢技術的發明,原是用來檢查胎兒的染色體是否正常,許多人卻利用它來打掉自己不想要的女嬰。在可以預見的未來,人類的基因全盤解譯之後,對遺傳疾病治療而言是一大福音,但在複製生物的議題上仍然有許多爭議。

許多孩子會問:科學研究與基礎科學的學習目的是什麼?為什麼要學這些東西?學了這些東西與我們的生活有什麼相關?遇到這樣的問題,不得不反問孩子們:科學的研究一定要與人類的生活相關,對人類的生活有幫助嗎?還是一定有其應用層面,或可協助人類控制自然?也許,科學研究的目的只在於滿足人類的好奇心吧!

科學的發現是僥倖和偶然的嗎?愛迪生曾說:「天才是九十九分的流汗和一分的靈感。」而愛因斯坦也說:「我相當清楚自己並沒有什麼特殊的才能。好奇、固執與忍耐,再加上自我批判,使我產生了我的觀念。」而從居禮夫人的不畏艱難與毅力,或可看到古往今來許多偉大科學家共同的人格特質。

科學研究已從依靠一位天才的時代,轉變成為團體活動的時代!這樣的現象在高能物理方面尤其明顯,以 1983 年《物理學報》(Physics Review Letters)刊出的發現弱玻子的論文為例,列名的研究人員就有 135 位之多,其中還包含了諾貝爾獎得主的名字。就這樣的大計畫,幾乎每位研究人員都分擔了窄小範圍的專業任務,很難明確分出每一個人對該研究的貢獻程度,更難確認貢獻的排名。

科學的研究已不同於 20 世紀的年代時,侖琴或居禮夫婦等人在狹小的空間,使用自製的儀器獨立實驗而做出偉大的成果。這樣的轉變及趨勢,也為諾貝爾科學類獎項的頒發提出了一道難題。

許多人常會問粒子物理的研究到底對人類生活有何幫助?或與我們的生活有何相關?其實基礎科學的研究是走在商業化技術之前,所有的儀器設備或軟體的設計等,都是從無到有,為了研究實驗目的而設計的。例如 www 的設計源頭便來自歐洲核子研究中心(CERN),而今卻成了全世界共享的通訊舞台!

相同地,加速器的建造與使用除了做為粒子物理研究的主要工具外,其中內含許多尖端科技的發明,也使科學研究對工業界、醫學界能有重要的影響。在功能強大的粒子加速器研究中,發展出醫學影像的診斷、平行電腦處理、超導磁鐵等科技,例如高能物理學家 Allan MacLeod Cormack 利用數學方法發展電腦斷層掃描(Computed Axial Tomography, CAT)掃描,而在 1979 年得到諾貝爾醫學獎。

在不同的科學領域中,透過科學家的研究,每天都可能有劃時代的發現或發明,但是科學研究的回餽是什麼?可以賺很多錢嗎?有更多的研究設備儀器、研究基金、研究人員或更響亮的名聲嗎?也許,科學研究的回餽只是更多的發現、更多的創造,以及更多的快樂!
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