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魔鬼出没的世界 - 第23章 麦克斯韦和 “科学呆子”  [ 返回目录页 ]


  我们应该为满足人们对知识的好奇心而进行投资。
  罗纳德·里根1980年竞选演说
  没有任何事情比提高公众的科学和文化水平更值得我们去给予支持。在每一个国家,知识都是公众获得幸福的最坚实的基础。
  乔治·华盛顿1790年1月8日国会致词
  思维模式化种类繁多。种族群体思维模式化,各个国家的国民和宗教的思维模式化,性别和对男女优先权的认识模式化,对在一年中各个出生时间的看法模式化(太阳征兆占星术),对职业看法模式化。对这些模式化的最宽容的解释将其归咎于一种思维惰性:不是根据人的优点或缺点对人进行评价,而是将注意力集中于对人的零星信息,然后将这些零星信息归入到以前建立的数量本来就不多的认识框架中。
  这样做省去了思考的麻烦,但却造成了由于在许多问题上的深刻的偏见所付出的代价。思维懒惰也使人不与大多数人进行接触,思维方式与人的思维多样性格格不入。即便在许多情况下模式化的思维方式有效,但肯定在很多个别情况下是要失败的。人的类型呈钟形曲线。平均值上显示的是每种不同特性的人,而极特殊的少数人分布在曲线的两个极端。
  有些模式化的形成是没有控制各种变量,忘记了其它可能起作用的因素所造成的结果。例如,模式化的思维方式通常认为,在科学领域内几乎没有女性。很多男科学家对此态度十分明确:这种情况证明女性缺乏从事科学工作的能力。从气质上讲,科学不适合她们,对她们来说科学太难了,科学要求具有一种女性所不具有的才智,她们太容易感情用事而难以探求客观事物。你能想象得出有什么伟大的女理论物理学家吗?……等等诸如此类的言论。但从那以后,这种错误认识不攻自破。今天的女性已在科学的大多数领域占据了一席之地。在我所从事的天文和行星研究领域,女性近来异军突起,做出了一次又一次的发现,为天文学吹来了一股急切需要的清新空气。
  在本世纪五六十年代以及更早一些时候,所有的著名男科学家都那么权威性地宣称女性在智力上有缺欠,他们遗漏了什么信息呢?坦率地讲,是社会使妇女们不能进入科学领域,然后指责她们不能从事科学。他们混淆了原因和结果:
  你想成为天文学家吗?小姐?对不起。
  为什么你不能呢?因为你不合适。
  我们怎么知道你不合适?因为从来没有女人成为天文学家。
  如此直截了当,这些话听起来实在荒谬。偏见的计谋真是狡诈。受鄙视的群体被站不住脚的证据拒之门外,有时候他们的这种自信和蔑视使得我们中的一些人,包括一些受害者本人都未能分辨出这些自编自演的骗人把戏。
  对怀疑论者召开的会议作一个简单的观察,随便瞥一眼“超常现象科学研究委员会”成员的名单,你就会发现男性所占据的巨大优势。其他人宣称在妇女中有比男人多得多的人数相信占星术(在大多数“女人”的杂志中有用占星术算命的内容,而在“男人”的杂志中却基本没有) 水晶球算命 超感知觉等等。一些评论人员认为,男人特别具有怀疑精神。男人富有进取精神 竞争意识 勇于面对任何事情,而且思维严谨。他们说,女人很容易接受各种观点 看法容易取得一致 对于挑战常规知识缺乏兴趣。但是从我的经验来看,女科学家和她们的男性对手们一样具有敏锐的怀疑精神。这正是科学家素质的组成部分。这种对女性的批评如果确实存在的话,那么,它也是以一种司空见惯的拙劣的掩盖方式告诉世界:如果你不激励女人了解什么是怀疑精神,不教给她们怀疑论的基本观点和思维方法,那么,毫无疑问,女人是不可能具备怀疑精神的。打开大门让她们进来,她们也会和其他人一样具备怀疑精神。
  对职业形成模式化认识的各种职业中包括科学。科学家都是木讷的“书呆子”,社会交往笨拙,钻研晦涩难懂的问题,这些问题正常人不会有任何感兴趣之处(即使他们愿意花费所需要的时间),理智健全的人也不会去做这样的工作。你也可能对科学家们说:“过正常的生活吧!”
  我曾经要求一位我认识了11年的专家对“科学呆子”的当代特点进行一个详细的描述。我要强调的是,她仅仅是对她自己的感受进行叙述,她没有必要赞同传统的偏见。
  “呆子”们把皮带系在紧靠胸廓的下边。他们的短袖衫上配带的防护罩中插满令人敬畏的五颜六色的钢笔和铅笔。能编程的计算器装在一个特制皮套中。他们都戴着厚厚的眼镜,折断了的鼻梁架用邦迪胶带粘着。他们缺乏社会交往的基本技能,对这种技能的缺乏他们毫不在意 漠不关心。他们笑时,会发出一种哼鼻声。他们彼此用一种晦涩难懂的语言交谈。他们会抓住机会在除了体育课以外的所有课堂上赢得更多的赞扬。他们对普通人不屑一顾,普通人也嘲笑他们。许多“科学呆子”都叫类似诺曼的名字(诺曼征服就是一群高束皮带 穿着保护罩 拿着计算器 戴着破眼镜的“呆子”入侵英格兰)。男“呆子”多于女“呆子”,但是两者中都不少。“呆子”们从不约会。如果你是一个“呆子”,你就不会太潇洒,反之亦然。
  这当然是一种模式化的认识。也有许多科学家穿着典雅,举止风度也相当潇洒,很多人都渴望和他们约会,他们也不会怀揣计算器去参加社交活动。如果你邀请他们去你家做客,你不会想到他们是科学家。
  但是有的科学家或多或少的确适合这种模式。他们在社交方面相当笨拙。与掘土机驾驶员 时装设计师或者高速公路巡逻警察相比,科学家中的“呆子”比例会更高些。可能科学家比起酒吧男招待 外科医生或快餐厨师来更木讷。为什么会这样呢?也许在与他人交往中没有天赋的人就到那些无需与人打交道的事业,特别是数学和物理学中去寻求自己的天地;也许对艰深难题的刻苦研究需要太多的时间和精力,使得他们难有闲暇去学习社会处世方面的知识。或许两方面原因兼而有之。
  与人们心目中近乎疯癫的科学家形象一样,“呆子”科学家的模式化认识在我们这个社会也十分普遍。对科学家“书呆子”似的举止开一些善意的玩笑有什么不妥之处吗?不论什么原因,如果人们不喜欢人们心目中的“书呆子”科学家,那么,他们就不会更好地支持科学事业。为什么要资助怪人们去进行那些愚蠢而又令人费解的研究计划呢?我们所能够给予的答案是,科学之所以得到支持是因为科学为整个社会各阶层的人带来了特别的利益。这点,在本书的前面部分我已经谈到。因此,那些认为“呆子”有些令人讨厌的人,同时却又渴求科学成果。他们处于矛盾之中。一个吸引人的解决办法就是直接指导科学家的行为,不要只给他们钱,让他们用钱做一些稀奇古怪的事情,应该告诉他们我们需要的东西,如进行这个发明或进行那方面的研究。钱不要仅用来满足“呆子”们的好奇心,而要用来造福社会。这道理似乎很简单。
  我们遇到的麻烦是你不可能安排某人从事一项特定的发明,即使是花费多少并没有人反对,你也很难保证能够获得发明结果。没有对知识的整体了解,在你的头脑中就无法形成发明的思想。科学史告诉我们,一个人通常很难在某一个确定的方向中按社会的总体需要进行发明和创造。发明的想法可能会出自那些穷乡僻壤中的孤寂的年轻人的无聊遐想。它们甚至被其他科学家忽略或轻视,有时直到新一代的科学家成长起来,才发现这些新思想。激励大量的现实中的发明而抹杀了出于好奇心的研究经常得到适得其反的效果。
  假设:在上帝的恩赐之下,你成为大不列颠及北爱尔兰联合王国的维多利亚女王,也是在英帝国最为兴盛辉煌的年代中信仰的捍卫者。你的管辖领地延伸到这个星球的每一个角落。世界版图上到处可见英国的红舰队。你掌管着世界一流的技术力量。蒸汽机是在大不列颠得以完善的,这主要归功于苏格兰的工程师们,是他们在火车和蒸汽船方面所发挥的技术专长使英帝国紧密地连接为一体。
  假如1860年你有一个富有远见的想法,你的这个大胆的想法假如被儒勒·凡尔纳的出版商所驳回。你想有一种机器能传达你的声音,能将描绘帝国的辉煌图景传输到这个帝国的每个家庭。另外,声音和图像不是从管道或电线中传输出来的,而是以某种方式通过空气传播,这样,在工作中和在某一场地的人们就能马上收到旨在确保忠诚和职业道德的鼓舞性的致辞。福音也通过同样的方式传送到所有人的耳朵中。其它社会所需要的电器设备也可毫不费力地得到。
  这样,在总理的支持之下,你召集内阁 帝国司令部的全体参谋和帝国最杰出的科学家和工程师。你将拨款100万英镑并告诉他们,在1860年这是一笔大钱,如果他们需要更多的钱,尽管向你伸手,你并不在乎他们怎样做。啊,是的,这个工程叫做威斯敏斯特计划。
  通过这样大的投入可能会出现一些有用的发明——“派生物”。它们总是当你在技术上投入了大量资金的时候才会出现。但是威斯敏斯特计划几乎功亏一篑,为什么?因为基础性的科学工作还没有做。1860年电报已经存在了。但是,你可以想象在每个家庭安装电报设备需要花费多大的财力,只有用电报设备的人才能用莫尔斯电码滴滴哒哒地传递信息。但这并不是女王所要求的。她头脑中想的是收音机和电视机,但是这些东西还远远不可能出现。
  在现实世界中,发明收音机和电视机所需要的物理学来自一个没有人能预想到的方向。
  詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1831年出生于苏格兰的爱丁堡。两岁的时候,他发现能用一个镀锡铁皮将太阳光反照到家具上并使太阳光在墙壁上跳舞。当他的爸爸妈妈走过来时,他大声叫道:“快看太阳,我用铁皮抓住了它!”在童年时代,他深深地迷上了臭虫 蛹 石头 鲜花 镜片和机器。他的姑姑简后来回忆说:“回答不出那么小的孩子提出的那么多的问题真是有些让人下不来台。”
  他上学时很自然地被大家称做“小傻瓜”——英国英语中的“daft”(傻瓜——译注)一词是用来形容头脑有些呆痴的人。他是个十分英俊的小伙子,但他总是穿着随便,要舒适而不求样式。他的言谈举止中所带的苏格兰式的偏狭守旧也是他遭到讥笑的一个原因。特别是当他进入大学以后,就更经常地受到讥笑。此外,他还有一些与众不同的兴趣。
   麦克斯韦就是一个“呆子”。
  他与老师的关系比与同学的关系要好些。那时,他写过这样一首略带伤感的两行诗:
  岁月流逝,期盼的日子飞速而过。
  遭鞭挞的男孩将被指控犯罪。
  很多年过去了,在他1872年接受剑桥大学实验物理学教授一职的就任演说上,他还提到了这种“呆子”的模式:
  就在不久以前,那些献身于几何学的人,或者从事具有持续的应用价值科学研究的人,还被看成是不愿进行社会交往的人,他们被看成是必定会放弃人类利益的人。他们沉湎于来自生命世界的抽象之中,他们的所作所为沉没于对他们具有巨大吸引力的并给他们带来快乐的事情和肩负的责任之中。
  我怀疑“不久以前”是指麦克斯韦回忆他年轻时经历的说法,他接着说道:
  现在,从事科学的人已经不再被人们用敬畏的或怀疑的眼光看待。他们可能被看成已经与这个时代的物质精神达到某种和谐统一,他们形成了知识分子中超前的激进一派。
  我们生活的时代已经不再是对科学技术的益处持无拘无束的乐观态度的时代了。我们感觉到人们对科学的期望值在下降。今天的情况更像麦克斯韦所记得的他儿时的情况。
  他对天文学和物理学做出了巨大的贡献。他的贡献从令人信服地说明了土星环由微小粒子组成 固体的弹性特性,到现在所说的气体和统计力学中的分子运动论的基本原理。是他第一个显示了无数的微小分子各自处于永不停息的运动之中,不断地相互碰撞,并有弹性地弹跳,并非混乱无序,而是遵循着精确的统计定律。这种气体的特性是可预知和了解的(说明气体中分子运动速度的钟型曲线现在被称做麦克斯韦-玻耳兹曼分布率)。他提出了一种假想的物体,现在这种物体被称做“麦克斯韦妖”(Maxwell's demon),这个精灵的运动产生了一个难题留待现代信总理论和量子力学去解决。
  光的性质自古以来就是个难解之谜。它是一种粒子还是一种波,对这个问题长期存在着尖锐的争论。普遍的各种定义形成了一种定式:“光就是将黑暗照亮的东西。”麦克斯韦最伟大的贡献在于他确立了经典的电磁理论,电与磁的结合产生光。现在人们普遍承认的电磁波谱——各种电磁波按照波长或频率的顺序所组成的排列,其波段包括Y射线到X射线 紫外线 可见光 红外线以及无线电波,这一切都归功于麦克斯韦。有了他的发明,我们才会有收音机 电视和雷达。
  但是麦克斯韦所追求的并不是这些。他感兴趣的是电与磁之间相互转化的问题。我很想描述一下麦克斯韦所做的研究,但是他的历史成就是建立在高深的数学理论基础上的。在这么短短的几页内,我充其量只能给你们介绍一些皮毛。如果你不能完全理解我所说的东西,敬希原谅。如果我们不使用一点数学,我们就无法体味麦克斯韦所做的一切。
  “催眠术”的发明人麦斯迈认为他发现了一种磁流。“几乎与电流一样”,这种磁流可渗透到所有的物体之中。就这点来说,他的观点是错误的。我们现在知道其实并不存在什么特殊的磁流,所有的磁性——包括存在于条形磁铁或马蹄形磁铁中的磁性——都产生于运动中的电。丹麦物理学家汉斯·奥斯特曾做过一个小小的试验,电流通过线圈时引起了附近小磁针偏转 摇摆,而线圈和磁针实际上并没有连接。伟大的英国物理学家麦克尔·法拉第又做了一个曾获得高度评价的实验:通过切割磁力线的运动导致在附近的电线中产生了电流。变化的电流似乎可以产生磁而变化的磁似乎又可以产生电,这就是所谓的“电磁感应”。听起来似乎同魔术一样深不可测。
  法拉第指出磁体有一种看不见的力的“场”延伸到附近空间,离磁体越近这种场越强,离得越远,则越弱。你在一张纸上放一些小铁屑,然后在底下挥动一块磁铁,就会发现磁场的存在。同样,在干燥的天气梳理头发通常也会产生一种电场,这种电场在无法看到的状态下从你的头发中产生出来,它甚至能使小纸屑自己移动。
  我们现在已经知道,电线中的电是因为一种叫做电子的亚微观带电粒子随着对电场的反应发生移动而产生的。电线是由铜一类的材料制成,因为铜含有大量的不受原子束缚 可以移动的自由电子。然而,大多数物质与铜不同,比如木头,它们不是良导体,它们被称为绝缘体或“电介质”。在这些物质中,只有相对极少数的电子可以在外界电场或磁场的作用下自由移动,不足以产生电流。当然,电子也会发生一些移动或“移位”,电场越强,这种移位也越频繁。
  麦克斯韦设计了一种方法记载那个时代他对电和磁的认识,这种方法精确地总结了电线 电流 磁性的实验结果。最后得出了关于电和磁的行为的四个麦克斯韦方程式:
  ▽·E=ρ/ε0
  ▽·B=O
  ▽×E=-B
  ▽×B=μ0j+μ0ε0E
  真正地理解这些方程式需要到大学学习几年物理学。这些方程式是运用了数学的一个分支——矢量积分的方法而写出来的。用大写形式写的量是既有大小又有方向的量——矢量。一小时60英里不是一个矢量,但一小时60英里在1号高速公路上向正北方就是一个矢量。E和B分别代表电场和磁场。倒三角被称做“纳布拉”(因为它与古代中东的叫做纳布拉的坚琴很相似),它表示电场或磁场在三维空间的变化。纳布拉后面的“点乘”和“叉乘”表示两种不同的空间变化。
  E和B代表电场和磁场的时间变化率。j代表电流。小写的希腊字母ρ表示电荷体密度,ε0(念作“依普希隆零”)和μ0(念作“缪零”)不是变量,而是在其中测得的E和B的物质特性量。真空中的ε0和μ0是自然界的两个常量。
  考虑到有多种不同的量被聚合到这些方程式中,其简单明了令人吃惊。表达这些意思本来需要几页纸才行,但实际上并非如此。
  麦克斯韦方程组中的第一个方程式阐明了电场随距离的变化与电荷(如电子)密度的关系。距离越远电场越弱,但是电荷密度越大(也就是说在给定空间内电子数越多),电场就越强。
  第二个方程式告诉我们磁理论中没有类似的观点,因为麦斯迈所称的磁“量”(或称磁“单极子”)是不存在的:将一块磁铁锯成两半你也不可能得到一个孤立的“南”极和一个孤立的“北”极,每一块磁铁都有自己的“南”极和“北”极。
  第三个方程告诉我们变化的磁场如何产生电场。
  第四个方程所描述的正好相反,即变化的电场(或者说电流)如何产生磁场。
  这四个方程是几代人的实验室实验的结晶,这些实验主要是由法国和英国的科学家完成的。我这里只是粗略地 定性地描述一下,但方程式本身是精确地和定量地描述的。
  麦克斯韦接着又问了自己一个奇怪的问题:这些方程在没有介质的空间中 在真空中 在一个没有电荷也没有电流的地方是什么样的形式呢?我们很可能认为在真空中没有电场也没
  有磁场。然而,麦克斯韦认为真空中的电磁行为所具有的方程组形式应该是:
  ▽·E=0
  ▽·B=O
  ▽×E=-B
  ▽×B=μ0ε0E
  他将p设为零,表明没有电荷,他将j也设为零,表明没有电流。但是他没有去掉第四个方程式中的最后一项μ0ε0E,它表示绝缘体中微弱的位移电流。
  为什么没有去掉呢?从方程组中你可以看出,麦克斯韦的直觉保持了电场和磁场之间的对称性。他认为:即使是在真空状态下,在完全没有电的情况下,变化的磁场亦能够产生出电场,反过来也是如此。方程组代表着自然的属性,而麦克斯韦相信,自然是美丽而精致的。(用更技术些的语言表述,另外还有一个在真空中保留的位移电流,这里就略而不谈了。)这种部分地取决于“呆子”科学家的感觉而作出的判断,除了其他少数专业科学家外,几乎无人知晓,但它对我们的文明所做的贡献比十个近年来的总统和首相们的贡献还要大。
  简单地说,真空中的麦克斯韦方程组说明:(1)真空中没有电荷分布;(2)真空中没有磁单极子;(3)变化的磁场产生出电场;(4)反过来也成立。
  当麦克斯韦将方程组以这种形式表述时,他就很容易说明电场和磁场在空间中的传播就像波一样。更进一步的是,他还能计算出波速,也就是μ0和ε0的乘积的平方根的倒数。但是uo和Eo已经由实验测得。如果你把数字代进去,你会惊奇地发现,真空中的电场和磁场竟然以与已经测得的光速同等的速度传播。这种速度的如此一致,以至于不可能纯属巧合。电和磁突然不露声色地与光的属性紧密地结合到一起。
  既然现在已知光的行为就像波动一样而且是从电磁场中衍生出来的,麦克斯韦就将之称之“电磁的”。那些用电池和电线所做的不太清楚的实验都与太阳的亮度 与我们所看的方式以及是什么样的光有关。很多年以后,阿尔伯特·爱因斯坦反思麦克斯韦的发现时写道:“在这个世界上很少有人能够获得这种经历。”
  麦克斯韦自已被这些结论困扰着。真空的作用似乎就像电介质一样,他说它能够被“电极化”。生活在一个机械化时代,麦克斯韦总是感觉有责任为电磁波在纯真空中的传播提供某种机械模式。因此,他设想空间充满着一种叫做“以太”的神秘物质,它支撑并包含着随时间变化的电磁场,就像是一种振动但却看不见的极乐渗透在宇宙之中。以太的振动就是使光穿过它的原因,正如水波通过水来传播 声波通过空气传播。
  但是这种以太一定是一种非常奇特的物质。它非常稀薄,像幽灵一样,几乎没有确定的形状。太阳和月亮 行星和恒星在不减速和不被注意的情况下在它中间穿行。同时,它又必须十分坚固使得足以支持所有这些波以惊人的速度传播。
  “以太”一词表示出以一种散漫的形式静止存在。在使用上,英文中主要表示存在于以太中的比较惰性的物质。它与更现代意义上的“太空的” “空间外的”有某种类似的含义。在无线电广播的早期阶段,当人们说正在播出时,常用“通过空气”(on the air)一词来表达,他们头脑中所想的就是以太(俄语的用词在词源上更接近于“在以太中”, vefir)。但实际上无线电波更易在真空中传播,这是麦克斯韦的重要结论之一。无线电波的传播不需要空气。如果在空气中传播的话,反而有所阻碍。
  整个关于光和物质通过以太运动的思想引发了另外长达40年的研究,出现了爱因斯坦的狭义相对论,即E=mc2以及其它的一些重要成就。相对性以及得出有关理论的实验都表明了并没有以太在支持电磁波的传播,爱因斯坦在他的著名论文的摘录中阐明了这一结论,我在第二章中对他的这个理论已经进行了阐述。波是自行传播的。变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,它们依靠自己的力量而互相关联着。
  很多物理学家被这种“传播光的”以太的作用的被否定而感到深深的困扰,他们需要某种机械模式以使得整个“光在真空中传播”的概念变得合情合理 令人信服而且易于理解。但是这是一个为自己的理论寻找支持而出现的东西,是对我们面临的困难所作出的一个反应,它表明在探索的领域内,普通的感觉再也不管用了。物理学家理查德·费因曼这样描述道:
  今天,我们已经更深刻地理解了这些方程式本身,而不是那些用来推导出方程式的模式。我们可能只需问这些方程式是否正确。这可以通过实验来回答,无数的实验已经证实了麦克斯韦方程组。如果我们移走那些地建立这些方程时所使用的支架,我们发现麦克斯韦高大而宏伟的大厦依靠自己的力量仍高高耸立。
  但是这些穿透整个空间的随时间而变化的电场和磁场究竟是什么呢?意义何在?我们对于诸如接触 摇晃 推 拉的概念比起通过“场”神奇地移动一定距离之外的物体或者纯粹的抽象数学概念要感觉舒服得多。但是,正如费因曼所指出的,我们通过至少在日常生活中我们可以依赖固体的 可以感觉到的物理接触所获得的感觉,用来解释当你拿起切黄油的刀时它就到了你手中之类的问题,但这种感觉只是一种误解。物理接触意味着什么?当你拿起一把刀 推秋千,或者有节奏地拍打水床形成水波的时候,究竟发生了什么现象?当我们深入研究时,我们发现这里并没有什么物理接触。实际上,是你手上的电荷影响了刀 秋千或者水床中的电荷,反之亦然。不论日常经验或一般的感觉如何,这里其实只有电场的相互作用,并没有什么物体实际接触。
  没有哪个物理学家起初就对通常意义下的概念表示厌烦,并期望用某种只能被极少数高深的理论物理学家才能理解的数学抽象概念来代替它们。实际上,他们一开始也和我们大家一样,有着感觉舒服的 标准的 通常的概念。问题在于自然并不遵从人们的愿望。如果我们不再坚持我们认为自然应该怎样去行为的观点,而是以一种开放和接纳的思想去面对自然,我们就发现通常的感觉是错误的。为什么是错误的呢?因为我们关于自然规律的认识,不论是先天的还是学来的,都是在数百万年中当我们的祖先还过着群居的狩猎生活时所形成的。在这种情况下通常的感觉就是一种不可信赖的导引,因为狩猎的群居者不是靠对变化的电磁场的理解来指导自己的生活的。不了解麦克斯韦方程组也不会受到进化过程中的任何惩罚。但在我们今天的时代,情况就不同了。
  麦克斯韦方程组表明了快速变化的电场应能产生电磁波。1888年,德国物理学家海因里希·赫兹在实验中发现了一种新的辐射波——无线电波。七年以后,英国剑桥的科学家在1000米的距离之外传输了无线电信号。到1901年,意大利的马可尼用无线电波进行穿越大西洋的通讯。
  现代社会通过广播塔 微波转播和通讯卫星建立起来的经济 文化和政治上的广泛联系都直接产生于麦克斯韦在他的真空状态下的方程组中包含位移电流的判断。电视也是源自他的发现,它并不十分完美地指引着我们的生活并提供娱乐。雷达成为英国在二战时反击侵略和粉碎纳粹的战斗中的决定性因素(我们所认为的那个与社会总是感到不和谐的人的发明影响到未来,并且拯救了那些使他感到十分不舒服的人的后代)。飞机 船舶和宇宙飞船的控制与导航,射电天文学和探索外星智能以及电力和微电子工业的重要作用都要归功于麦克斯韦。
  另外,法拉第和麦克斯韦关于场的概念对于理解原子核 量子力学和物质的精细结构都具有重大的影响。他将电 磁 光统一成为一种连续的数学整体形式的思想促使后人为此作出了最后的尝试——有的获得了成功,有的还处于初试阶段——将物理世界的各个方面,包括引力和核力,统一为一个宏大的理论。我们可以毫无夸张地说,麦克斯韦引导我们进入了现代物理的时代。
  理查德·费因曼用下面的文字阐述了我们关于麦克斯韦的变化的电磁矢量的寂静的世界的观点:
  让我们尝试着想象一下电磁场在这个讲演厅的空间中是个什么样子。首先,这里有一个固定的磁场,它来自地球内部的流体——即地球本身固有的磁场。还有不规则的基本上属于静电场的场,它们可能是由于许多人在他们的椅子上挪动或将衣袖在椅子扶手上磨擦而产生的。还有一些通过电线中的振荡电流而产生的磁场,这些场以每秒60个周期的频率变化,与博尔德水坝的发电机同步。更有趣的是电磁场以更高的频率变化。比如,当光从窗户到地板,从一面墙到另一面墙时,就有以每秒18.6万英里的速度运动的电磁场的振荡。此外还有从温暖的前额传输到冰冷的黑板的红外波。我们还忘记了穿过这个房间的紫外光 X射线和无线电波。
  飞越这个房间的是携带着爵士乐队的音乐的电磁波。有很多波被一系列表达在世界其它地方所发生事件的场景的脉冲所调制,或者我们想象的阿斯匹林溶解在胃中的脉冲。为了证实这些波动的存在,只需打开电子设备将这些波动转化为声音和图像。
  如果我们更细致地分析那些甚至最小的振荡,就会发现那些从十分遥远的地方传到这个房间的很小的微电磁波。现在就有了电场的微弱振荡,其波峰相隔有一英尺的距离,它们是从百万英里之外的刚刚经过金星的“水手2号”宇宙飞船上传输给地球的。它的信号装置中装载着关于各个行星的大量信息(这些信息是通过从行星向宇宙飞船传播的电磁波而收集获得的)。
  有些非常微弱的电磁场的振动是来源于亿万光年以外——来自宇宙中最遥远的角落里的星系——的波动。现在这一事实已通过“将房间里装满电线”的方法得以证明,即建立一个像房间一样大的天线。这种无线电波已经从空间中的不同位置被探测出来,而这种太空空间即使用最大的光学望远镜也难以观察到。即使是这些光学望远镜也仅仅是电磁波的收集器。我们所说的恒星仅仅是一种推测,通过我们从它们那儿得来的物理事实,通过对到达我们地球的电磁场的永无止境的复杂波动的细致研究而推断出来的。
  当然,更多的是通过数英里之外的闪电产生的场,当带电的宇宙射线微粒快速穿过房间时会产生场并发生其它变化。在你周围的空间中的电场是一个多么复杂的东西啊!
  如果维多利亚女王曾经召集她的顾问们开一个紧急会议,命令他们发明一种类似于收音机或电视之类的东西,他们中间任何人都不太可能会想象到通过安培 毕奥 奥斯特 法拉第的实验 四个矢量微分方程 在真空中保留位移电流项的判断等途径去实现。我想,他们可能会一无所获。然而,仅仅是出于好奇,几乎不需要政府的任何资助,甚至连他自己都没有意识到他正在为威斯敏斯特工程打基础,“书呆子”胡涂乱写出了一个发明。甚至自认无足轻重的 不善交际的麦克斯韦先生是否曾经想到自己正在进行的研究都是值得怀疑的。如果他曾经这样想过,那么,政府很可能会告诉他该思考些什么 不该思考什么,而这不仅无助于反而会阻碍他的伟大发明。
  在他的晚年时期,麦克斯韦还真的和维多利亚女王有过一次会晤。在会面之前他还有点担心——主要是担心他是否能够让一个对其专业一窍不通的人了解科学——但是女王似乎有些烦乱,所以会晤没有持续很长时间。与英国近代史上其他四位杰出的科学家麦克尔·法拉第 查尔斯·达尔文 P·A·M·狄拉克和弗朗西斯·克里克一样,麦克斯韦从未被授予爵士称号(虽然莱尔 开尔文 J·J·汤姆逊 卢瑟福 艾丁顿 霍伊尔等下一层次的科学家却都被授予爵士头衔)。对于麦克斯韦来说,甚至都找不到什么理由能够认为他可能持有与英国教会不一致的观点,他是那个时代绝对正规的基督教徒,比大多数人都要虔诚。或许这正是他迟钝而不通世故的一面。
  传播媒体——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使其成为现实的教育和娱乐工具——从来没有,据我所知——为它的恩人和创立者拍摄过一部短短的系列剧以表现他的生活和思想。换个角度想一下,假如没有电视告诉你,比如戴维·克罗克特 小子皮莱或阿方斯·卡彭的生活和所处的年代,在美国的成长过程中将会遇到多少困难。
  麦克斯韦很年轻时就结了婚,但是他的婚姻中似乎既缺少激情也没有孩子。他的热情全都留给了科学。这位现代文明的奠基者死于1879年,死时年仅47岁。就在大众文化几乎将他完全忘记的时候,其它国家知名的射电天文学家们记起了他:他们从地球上发射无线电波,然后从金星上反射回来并探测出微弱的回应,从而发现了金星上的巨型山脉,这些天文学家们以他名字命名了金星上的这个山脉。
  在麦克斯韦预言无线电波之后不到一个世纪的时间内,人类开始了第一次对于外星球中可能存在的文明世界的探索。从那时起,人类进行了多次太空探索,其中有些探索我已在前面提到过,这些探索主要通过探测星际空间的电磁场来研究与我们完全不同的生物。在他们的历史中,他们有时也从他们自己的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的深刻理解中受益。
  1992年10月,在莫哈韦沙漠,在波多黎各喀斯特岩溶洞谷,我们开始了一项迄今为止最有希望 最强有力并最全面的对外星智能生命的搜索计划。美国航空航天局第一次组织并参与这项计划。我们将在长达十年的时间内,使用最为敏感的仪器和最高的频率对整个太空进行探测。如果在组成银河系的4000亿颗恒星中有一颗星上有生命给我们发射无线电信号,我们将有极大的可能接收到。
  仅一年后,国会毁掉了这项计划。外星智能生命搜索计划并非十分重要,利益有限,代价过高。但是人类历史上每一次文明的进步都投入了大量的资金用于研究宇宙深层次的问题,很难想象还有什么比“我们是否是孤独的文明形式”更为深刻的问题。即使我们永远破译不了那些信息内容,但是,收到这样的信号也能够传送出我们关于宇宙和我们自身的观点。如果我们能够理解来自先进技术文明世界的信息,那么,其现实益处将是前所未有的。外星智能生命搜索计划并非基础薄弱,它受到了科学界的热烈支持,也根植于大众文化之中。公众对于这项事业的热情是广泛而持久的,而且认为开展这项研究是值得的。此外,这一计划也并非代价昂贵,其费用每年仅约一架军用直升机。
  我感到奇怪的是,那些关心费用的国会议员们为何不更多地关注一下国防部。随着苏联解体和冷战结束,所有的费用应该符合和平时期的要求,而国防部每年仍要花掉3000多亿美元的费用(政府内的其它机构还要为改善生活增加福利而实施的计划)。当我们的后代回顾我们这个时代时可能会对我们的所作所为感到惊异——我们拥有探测其它生命的技术,但是我们对许多有益建议却充耳不闻,反而一味坚持花费大量的国家财富来使我们免于遭受到实际上并不存在的敌人的袭击。
  加利福尼亚工科大学的物理学家戴维·古德斯坦指出,几个世纪以来科学几乎一直呈指数增长,它不可能继续保持这种增长,因为到那时候地球上每一个人都将成为科学家,那时增长就不得不停止。他作出推测是基于这个原因,而不是因为对科学本身的冷淡与疏远,但在过去的几十年中科学经费的增加已大大减缓。
  尽管如此,我关心的是,研究经费是如何分配的。我担心取消对外星智能生命搜索计划的政府资助仅仅是这种对科学研究削减经费的发展趋势的一个组成部分。政府一直对国家科学基金会施加压力,迫使其将经费支持重点从基础科学研究转向支持技术 工程及应用。国会建议取消美国地理勘查局,削减对于地球易受损害的环境研究的财政支持。国家航空航天局对于已获数据进行研究和分析所需的财政支持正在受到越来越多的限制。很多青年科学家不仅找不到经费开展研究,他们甚至连工作都找不到。
  近年来,美国各公司的工业研究和开发经费全面削减。政府用于研究和开发的经费同期也在下降(80年代,只有军事研究和开发经费在增长)。在年度支出中,日本是世界上对民用研究和开发投资最多的国家。在计算机 通讯设备 航空航天 机器人 科学精密设备等领域,美国在全球出口份额的比例下降,日本的份额在上升。同一时期,美国在大多数半导体技术中的领先地位让位给了日本。美国的彩电 录音机 电唱机 电话机及机械工具的市场份额也急剧下降。
  基础研究领域是科学家自由追随其好奇心和探索自然的地方,不要求在短期内获得可见的实际效果,而是探索知识本身的真谛。科学家当然对基础研究有着浓厚的兴趣。这是他们乐于从事的事业,从许多方面来说,这也是使他们成为科学家的首要因素。但是支持基础研究是为了社会的利益。这也是为什么有利于人类的重大发明大量涌现的原因。少数规模宏大的 野心勃勃的科学研究计划是否就应该获得比数量众多的小型研究计划更多的投资,这是一个值得研究的问题。
  我们在开展以促进经济和保卫我们的生活为目的的发明研究时深感力不从心。这是由于我们历来缺乏基础研宪。事实上,我们对自然的广泛探索,产生了我们从来没有想到过的可应用成果。当然这种成果并不经常出现,但出现的次数已经足够。
  把钱给麦克斯韦这样的人似乎是对纯属“靠好奇心驱动的科学”所进行的最荒唐的鼓励行为,也被认为是实际立法者的草率判断。为什么现在要把钱送给那些只会讲普通人难以理解的胡言乱语的“书呆子”科学家,让他们满足其嗜好,而同时却有许多国家急需却得不到解决的问题无人理睬?根据这一观点,我们可以很容易理解为什么将科学放置到另一个地位的原因。科学团体只不过是另一种压力集团,他们急切地希望保持资金不断投入,这样,科学家不必整天去艰苦工作就可以领到工资。
  当麦克斯韦第一次得出四个基本电磁方程式时,他并没有想到收音机 雷达和电视;当牛顿首先了解了月球的运动规律时,他从没梦想到过太空飞行或通讯卫星;当伦琴研究一种被他称为X射线的神奇的穿透性辐射时,他并未打算用于医疗诊断;当居里夫人辛苦地从数以吨计的沥青铀矿中提炼出含量极少的镭时她没有想到过癌症的治疗;当弗莱明注意到一株细菌菌落周围长满霉菌的现象时,他没有打算用抗生素来拯救无数人的性命;当沃森和克里克对X射线对DNA衍射产生的结果感到迷惑不解时,他们没有想到过这个发现可用于遗传疾病的治疗;当罗兰和莫里纳开始研究卤素在平流层光化学中的作用时,他们并没有指出氟利昂对臭氧层的破坏作用。
  国会议员和其他政治领导人不时忍不住对那些要求政府资助的看起来很费解的科学研究建议进行嘲笑。甚至于像哈佛大学的毕业生——威廉·普鲁克斯米尔这样有才华的议员也有偶尔颁发“金毛羊”奖的习惯——很多是为了纪念一些表面看起来毫无用处的科学工程的奖——包括外星智能生命搜索计划。我猜想以前的政府可能也有同样的想法:弗莱明先生只是希望研究发臭乳酪中的虫子;一位波兰妇女只是想从数以吨计的中非矿石中筛炼出极少量的她说能在黑暗中发光的物质;开普勒先生也只是想听听行星们所唱的歌。
  这些发现以及其它大量的发现为我们这个时代增添了光彩并构成了我们这个时代的特征,我们应该感谢这些发现,是这些发现使我们过上现在的生活。这些发现完全是那些有机会按照自己的思考进行研究的科学家创造的,是在他们的同行们严格的检验下进行的,是对自然进行基础研究获得的结果。在最近20年中,日本在工业可应用的发明方面取得了很好的成就。但是可应用的发明是如何获得的?它们来自基础研究,来自对自然本质问题的研究。只有通过这些基础研究,我们才能获得用于发明实用技术的新知识。
  科学家们有义务,特别是当他们要申请大笔经费的时候,就更需要非常明确而诚实地说明他们要进行的研究。超导超级对撞机(SSC)可能是我们这个世界上探究物质的细微结构和早期宇宙本质的重要工具。它的造价估计在100亿到150亿美元之间。1993年,这个工程在花费了近20亿美元之后被国会取消了,这个结果无论对科学家还是对政府来说都是最糟糕的。但是这场争论的结果却不是最糟糕的。我认为,争论主要告诉了我们政府对科学支持的兴趣日益降低。国会中几乎无人
  知道现代高能加速器的作用。它们不是用来制造武器的。它们没有实际应用价值。在很多人看来,它们是用来产生令人担忧的称做“阐释万物的理论”的东西。这种理论包括各种对夸克 吸引力 气味 颜色等物质存在形态的说有,听起来物理学家似乎很聪明。至少是在那些我曾与之交谈过的国会议员们看来,整个事情说明“一帮‘书呆子’在发疯”。我想这是一种描述建立在探究精神基础上的科学的不大宽容的方式。如果没有人知道什么是希格斯玻色子,也就不可能有人会为此而掏钱。我曾经读过一些试图说明建造超导超级对撞机必要性的材料。在说明其最终用途上,有些材料写得还不错,但是没有任何文章是真正为那些具有相当高的知识水平 虽然不是物理学家但却不乏怀疑精神的人写的。如果物理学家们申请100到150亿美元去建造一个毫无实用价值的机器,那么他们至少应该花大力气,用复杂的图形 术语和可以使用的英语来说明他们的建议的合理性。我想,资金管理不善,财政有限和政治上的不称职,这些都是导致超导超级对撞机计划失败的关键因素。
  现在越来越多地出现了有一种关于人类知识自由市场化的观点,这种观点认为,基础研究不应该依靠政府资助,而应与社会其它机构和寻求资金的人展开竞争。如果他们的研究得不到政府资助,必须参与他们所处的那个时代的自由市场经济的竞争。那么,在我的名单上罗列的任何科学家都不可能进行其基础性研究。现在基础研究的费用要比麦克斯韦时代大得多,这些费用不仅用在理论研究上,尤其用在实验研究中。
  即使是基础研究要参与自由市场竞争,但是自由市场的力量是否能支持基础研究?如今仅有10%的值得称赞的医学研究申请课题获得了经费。花在庸医上的钱比用于所有的真正医学研究上的钱却要多得多。如果政府不支持医学研究将会出现什么结果?
  基础研究的必要性就在于它在未来将产生其应用效果,这种应用价值在几十年 甚至几百年之后才会显示出来。另外,没人知道基础研究的哪些领域会具有或不具有实用价值。如果科学家都不能作出这种预测的话,政治家或实业家们可能作出吗?如果自由市场的力量只注重于短期效益——正如美国的公司中进行的大部分研究必然会大幅度衰退一样——这种解决问题的方式不就等于放弃了基础研究吗?
  砍掉基础性的 按照科学家的兴趣所进行的科学研究无异于吃掉玉米种子。今年冬天我们可能还会有一点吃的,但是明年我们将拿什么去种植,以使我们和子孙后代们能有足够的玉米以度过下一个冬天呢?
  当然,我们的国家和人类正面临着许多急需解决的难题。但是减少基础科学研究不是解决问题的办法。科学家并不构成一个选举集团,他们也没有可以有效地向议员进行游说的团体。然而,他们的许多工作都是为所有人谋福利的。放弃基础研究将会对科学家的勇气 想象力造成挫折,使我们未竟的美好研究项目毁于一旦。它还可能会沉重地打击那些我们曾描绘过的假设的外星生命,它们再也看不到未来。
  当然我们需要扫除文盲的工作 教育 就业 足够的医疗和国防力量 环境保护 老年人的保障 预算平衡以及许许多多其它的事情。但是,我们的社会是富足的,难道我们不能培养出我们这个时代的麦克斯韦吗?举一个具有象征性的例子,我们难道真的无力支付仅值一架进攻性直升机的钱(相当于购买玉米种子)用于倾听来自外星生命的声音吗?
  


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