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科学实验室:延展人类奇思妙想

2018-02-05 09:31 来源:科技日报

  1953年,美国芝加哥大学的研究生米勒和导师尤列做了一个震动世界的实验。他们在长颈瓶里装上温水,水蒸气飘进一个有甲烷、氨气和氢气的烧瓶,那里频频闪动电火花。接着气体被冷凝成液体,流回温水瓶。一周后发现:水里有多种氨基酸、糖类和脂类。这个实验模拟了原始海洋如何孕育生命。

  谁也没见过早期的地球,但因为有了实验室,奇思妙想得以延展,笼罩真相的帷幕得以揭开一角。

  最早的科学实验室,描绘在一幅6世纪罗马书籍的版画上。版画画的是古希腊的毕达哥拉斯坐在椅子上,用小锤敲一串悬挂起来的铃铛。书上说,毕达哥拉斯听到金属工人敲击器皿,有了一个假想。他用铃铛证明:物体本身,而非敲击力度决定音调的高低。

  古代很少有专门的设备,模拟一种简单和极端的大自然。中世纪后期,现代意义的实验室才有了雏形。伦敦科学博物馆的彼得·莫里斯说:“化学是第一个实验室科学。”1556年阿格里科拉的名著《冶金学》中的插图,描绘了一种化学实验室的雏形:两位工人给熔炉添柴,一屋的冶炼用具,有个研究员坐在桌旁,使用砝码和天平。

  观察精心设计的人工装置,比观察自然更有益于增进知识,大概是17世纪被意识到的。托里拆利将水银倒入玻璃管,让管子口朝下竖立在水银槽里,管子里出现了真空。尽管矿工们早就知道,抽水机将水提高10米左右就无法继续,但托里拆利的创举首次让人们相信:伽利略说的“大气的重量”是可以测量的;“真空”是有的。

  意大利科学的花骨朵,百年后在英国盛开。18世纪的英国涌现出大量“自然哲学家”,他们在家庭实验室里消闲度日,摆弄着新出现的各种科学玩具——制造真空的气泵、分离空气的气槽、显微镜、压力计、扭秤、温度计、电堆……化学实验室摆满了扭成各种形状的玻璃器,样品齐整的橱柜和大小熔炉。

  中国科学院大学的科学史学者柯遵科认为,实验室的兴起,首先是因为科学本身越来越复杂。富兰克林和他的同代人还要亲自做实验;随着仪器增多,富人们甚至得雇用助手了。

  英国伟人建立了启蒙时代最有名的实验室——瓦特和合伙人博尔特建造的索霍实验室(Soho),尝试从热气球到雕刻机的各种实验,招待慕名而来的各国访客,它附属于蒸汽机工厂,但主要是满足科学圈同仁的好奇心。

  在新生的电磁学、热力学和辐射研究时代,剑桥大学19世纪后期建立的卡文迪什实验室独领风骚。中科院自然科学史所的研究员阎康年说,在卡文迪什,研究员、实验员和技工紧密结合,推动了从个人到集体的科学的转变。

  1932年,第一台加速器——高压倍加器在卡文迪什制成,需要几组人配合, 由此开创了大科学时代。卡文迪什1940年代发展到固定研究人员40人,研究生和访问学者400多人,分为几个组系,各成系统,各配车间、工人和计算机房,这种组织模式被今天世界各大科研机构采用。

  实验室一开始是私人拥有,往往是富二代,后来则由政府出资。德国人走在这一浪潮的前列。比如柏林大学物理实验室本来是马格努设在自己家里的,后来被国立大学收编。一战前,德国科学借助大量新建立的实验室赶上英法,化肥和化学武器从德国实验室里流出。社科院科技哲学研究室的段伟文研究员说,德国政府投资实验室,主要源于十九、二十世纪之交的国家民族体制。

  美国政府也热心于投资国家实验室,段伟文说,这主要源于二战和冷战时期的国防与安全需求。迄今,由美国联邦政府主办或资助的国家级实验室有720所,其中大型综合性的有100所左右。

  如果毕达哥拉斯看到今天实验室的庞大规模,手里的敲锤一定会掉到地上。CERN(欧洲核子研究中心)实验室有13000名工作人员,它在2015年的一篇论文有5154位作者;CERN有6个大对撞机,其中LHC的隧道近百公里长;CERN每年花掉的钱,折合成黄金有20吨,都化作了科学论文。

(责任编辑:王蔚)

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