中国科学院自然科学史研究所(中国科学院自然科学史研究所关晓武)




中国科学院自然科学史研究所,中国科学院自然科学史研究所关晓武

从1901年首次颁发,诺贝尔奖已经走过了119年的岁月,截止至2019年,诺贝尔奖共授予了919位个人和24个团体,而获得诺贝尔自然科学奖的科学家也有380多位,但是真正获得诺贝尔自然科学奖的中国科学家仅有屠呦呦一人,而丁肇中、杨振宁等人在获奖之时都是华裔,那为什么中国获得诺贝尔自然科学奖的这么少呢?

基础积累较薄弱

中国和西方相比,在基础研究上的积累非常薄弱,这是一个不争的事实,从文艺复兴开始,西方也开始了科学复兴之路。16世纪,伽利略率先把实验引进力学,他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律,不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点,更创立了研究自然科学的新方法,在自然科学的发展中起了重大作用 ,改变了人类对物质运动和宇宙的认识。对在人类思想解放和文明发展可以说作出了划时代的贡献,自此之后,欧洲的科学发展开始慢慢勃发。

而到了后来,牛顿的《自然哲学的数学原理》发表,这本书被誉为物理学的圣经,它总结了近代天体力学和地面力学的成就,为经典力学规定了一套基本概念,提出了力学的三大定律和万有引力定律,从而使经典力学成为一个完整的理论体系。该书意味着经典力学的成熟,其中所建立的经典力学的理论体系成为近代科学的标准尺度。

在化学领域,和牛顿同时代的“化学之父”波义耳发表了《怀疑派化学家》,确立了一门新的学科——科学。这本书出版于1661年,被认为是近代化学诞生的元年。

科学的发展离不开数学的推动,19世纪魏尔斯特拉斯发起了“分析算术化”运动,戴德金、康托尔包括魏尔斯特拉斯都提出了自己的实数理论。这标志着实数的定义及其完备性的确立,这样长期以来围绕着实数概念的逻辑循环得以彻底消除。

完备的实数体系的建立,给数学分析提供了严密性,把牛顿创立的微积分及其推广从对几何概念、运动和直觉了解的完全依赖中解放出来。

它既不依赖几何的含义,又避免用极限来定义无理数的逻辑错误。有了这些定义做基础,微积分中关于极限的基本定理的推导,才不会有理论上的循环。导数和积分从而可以直接在这些定义上建立起来,免去任何与感性认识联系的性质。几何概念是不能给出充分明白和精确的,这在微积分发展的漫长岁月的过程中已经被证明。因此,必要的严格性只有通过数的概念,并且在割断数的概念与几何量观念的联系之后才能完全达到。

而实数体系的建立以及微积分的完善也促进了物理学的大发展大繁荣,物理问题的表达一般都是用微分方程的形式。也迎来了科学的大发展大繁荣时代,一直持续了整整 200 多年,直到 20 世纪上个月,这 200 多年里,涌现了无数著名的数学家、科学家。他们把微积分应用于天文学、力学、光学、热学等各个领域,并获得了丰硕的成果。

所以西方在基础研究上已经有将近500年的历史,他们构建了现代文明的框架,这个我们是不能否认的。即使是日本,进行由上而下、具有资本主义性质的全盘西化与现代化改革运动—明治维新,也有超过150年的历史。

但中国真正进行科学理论研究即使从1898年京师大学堂成立,也才不过201年的历史,而且那个时候国家的环境以及清政府对科学的态度,都无法支持科学研究的进行,后来清政府灭亡,又经历了将近40年的战乱。当然,这在动乱期间,中国有许多科学家也取得了非常伟大的成就,比如彭桓武、何泽慧、王淦昌等人。

1937年北平吴大猷饶毓泰郑华炽

中国其实成系统地进行科学研究其实要从78年恢复高考开始,那个时候中国教育学科体系建设和发展得到进一步完善,国家也开始进一步大规模科研投入,所以只有短短40年。为什么不算前三十年呢?因为那个时候因为国家建设发展的需要,更加重视实验物理,以解决实际问题为主。

马中骐论文答辩现场

1982年2月6日,我国举行首次博士论文答辩,现场录像,答辩者是马中骐。其论文答辩委员会由五位学部委员(相当于中科院院士)、两位顶尖教授组成,“两弹一星”元勋彭桓武担任答辩委员会主席。此后,中国再也没有如此高规格的论文答辩委员会,这也标示着中国当时对于高等人才的重视,也标志着中国在人才培养与投入上正式走上轨道。

中国早期重视实验物理,以解决实际问题为主

新中国成立后,中国百废待兴,工业基础几乎为0,在这样的情况下,大批归国的科学家纷纷转型实验物理研究,以解决实际问题为主。

在新中国成立的时候,中国的科研设施除了北平研究院有一个原子学研究所,中央研究院物理研究所内也设有核物理部分之外,就再也没有了。而且当时的工作条件、人员情况,而且说十分薄弱。

当时北平研究院原子学研究所就只有归国的钱三强、何泽慧、彭桓武再加上一名助理员、一名事务员,总共就五个人。

赵忠尧、钱三强、何泽慧

在经费拮据、人员不足、手段落后和社会动乱无常的困难条件下,中国科学研究的两大致命弱点:一是缺乏计划性,谁也没有长期准备;二是彼此缺乏了解,互不联系,难于进行集体合作。

1949年11月,中国科学院成立后,提出要使科学能够真正服务于国家的工业、农业、国防建设、保健和人民的文化生活,从而确立了解决实际问题的发展导向。

黄祖洽与何泽慧,彭桓武在一起

在这样的发展导向下,中国科学院近代物理研究所成立,这个时候李四光发现了铀,所以便开始大力发展原子能。

原本从事从事的统计物理学、热力学研究的王承书,毅然转型研究高能物理,在从苏联学习培训回国的火车上,她用时七天七夜把美国最新出版的关于热核聚变的书籍翻译了出来,因此研究清楚了热核聚变的理论基础和方法。并参与建设了我国最初的三个等离子体实验装置。

50年代钱三强更是领导建成中国第一个重水型原子反应堆和第一台回旋加速器,以及一批重要仪器设备。

也正是因为当时的环境,我国的堆物理、堆工程技术、钎化学放射生物学、放射性同位素制备、高能加速器技术、受控热核聚变等科研工作在当时都取得了不小的进展,但是在理论物理研究、理论数学领域都发展地相对薄弱。

猜猜他是谁

也正是基于这样的导向,1953年我国第一根无缝钢管在鞍钢无缝钢管厂压制成功。无缝钢管是航天、地质、石油、机械等工业行业必须的基础材料,1954年7月,新中国第一架飞机“初教-5”研制成功,

1958年中国第一台计算机研制成功,1965年结晶牛胰岛素研制成功,当然最重要的还是取得了两弹一星等瞩目成就,有力保障了国家安全。

东方红卫星

意识问题

这是一个非常重要的原因,我们肯定诺贝尔的含金量,能够获得诺贝尔的都是取得了非常卓越的成就,但是苏联从1917年到1991年共74年的时间里,也才获得过9次诺贝尔自然科学奖。要知道,苏联前身的沙俄在基础研究上是有深厚的积累的。在彼得大帝一世的时候,沙俄就开始规划建立科学院。

彼得堡科学院成立之后,彼得一世向全世界网罗人才,当时一流的科学家都受到了彼得一世的邀请函。

最终学者艾勒、数学家伯努利和德国博物学家格麦以及数学四大天王之一的欧拉都在彼得堡科学院工作,他们的到来,在俄罗斯这块科学荒地上播撒了知识的种子,促进了俄罗斯基础教育的发展,传播了欧美的先进科学知识,也为俄罗斯培育了一大批人才。

但是苏联也才获得9次诺贝尔自然科学奖,你就可以看出西方对我们的态度了。像以下我国的科学家完全是可以获得诺贝尔自然科学奖的。

以两弹元勋王淦昌为例,1942年1月,美国《物理评论》发表了王淦昌的这篇《关于探测中微子的一个建议》,这篇论文中提出的通过轻原子核俘获K壳层电子释放中微子时产生的反冲中微子的创造性实验方法揭开了研究中微子的实质性一步,他还具体建议用Be7的K俘获过程作研究,并且指出:“测量放射性原子的反冲能量或动量是获得中微子存在的证据的唯一希望。”

美国物理学家艾伦看到论文之后,立马进行了实验,艾伦测到了Li7的反冲能,实验结果肯定了王淦昌的构想,并发表了论文《一个中微子存在的实验证据》。这个实验首次证实了中微子的存在,轰动了整个物理学界。“阿伦—王淦昌实验“被《美国物理现代评论》誉为国际物理学重大成就之一。

1946 年,王淦昌又在美国《物理评论》杂志上发表了《建议探测中微子的几种方法》,在论文里又提出了三种验证中微子的方法,除此之外,王淦昌还提出了通过裂变检测中微子的全新思路,这是在之前科学界从未有人提出过的构想,这为中微子的研究打开了全新思路。

美国莱因斯和柯万就是在王淦昌的构想上进行实验,通过裂变探测中微子获得了诺贝尔奖,后来美国戴维斯也根据王淦昌的构想发现太阳中微子失踪,获2002年诺贝尔奖。

中微子这个神奇的“幽灵粒子”已经让 9 位科学家捧得了诺奖桂冠。分别是 1988 年因发现中微子束方式,以及通过发现子中微子证明了轻子的对偶结构获奖的莱得曼、施瓦茨、施泰因贝格尔,1995年因发现中微子获奖的弗雷德里克·莱因斯以及发现 T 轻子的马丁·佩尔,2002 年因为在“探测宇宙中微子”领域做出的先驱性贡献的小柴昌俊、戴维斯以及2015年因发现中微子振荡现象,表明中微子拥有质量获奖的梶田隆章、麦克唐纳。但就是没有王淦昌。

很多人说诺贝尔奖重视创新,王淦昌先生提出了3种中微子探测方法,并且其提出的理论更是首次证实了中微子的存在。可是却并没有获得诺奖。

1960年,王淦昌在100亿电子伏质子同步稳相加速器上做实验时发现了反西格玛负超子。反西格玛负超子的发现,在当时引起了巨大轰动。世界各国的报纸纷纷刊登关于这个发现的详细报道,“王淦昌”成了新闻导语中的主题词之一。关于反西格玛负超子发现的意义,当时,科学家认为“其科学上的意义仅次于正电子和反质子的发现”。王淦昌还是没有获得诺奖。

除此之外,薛其坤团队经过近5年的研究,从拓扑绝缘体材料生长初期的成功,再到后期克服实验中的重重难关,薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否,还要看一个标志性实验数据——在零磁场中,能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。

他们生长测量了1000多个样品。最终,他们利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温运输测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

在关于霍尔效应的研究中,冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖,而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫斩获2010年的诺贝尔物理学奖。就是没有薛其坤。

另外还有发现中微子振荡的王贻芳、独立发现了概率更小的铀“四分裂”现象的何泽慧。最让人恶心的还要属这个,赵忠尧第一次发现了正电子的存在,也是人类物理学史上第一个发现反物质的科学家。但是他的诺奖被安德逊窃取了。安德逊利用赵忠尧的实验方法在两年后正电子径迹,获得了诺贝尔奖,安德逊本人都承认了,可是西方科学界却没有任何反映。

另外,还有一个重要原因是,诺贝尔科学奖往往都是在研究成果诞生几十年,得到了科学界公认之后才会获得,而中国真正进行大规模的科学研究还是要等到78年以后。才短短40年的时间。

所以。我们一定要认识到一个观点,那就是获得诺贝尔奖的科学家很厉害,但是不代表没有获得诺贝尔就不行。中国如今每年大学以上毕业生900多万,拥有全世界最多的高等教育人才。我们可以慢慢努力,用最后的结果向世界宣告,我们的科研成绩!

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