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哪些新事物的出现,引发了看似毫无关联的领域的变革?

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日报标题:万万没想到,能量守恒定律来自一位医生和一位啤酒厂老板

傅渥成,统计物理 / 复杂系统 / 生物物理

「一个新事物的诞生影响了毫不相干的领域的发展」看起来很美好,可真相其实是:我们无法预言到底新生的事物到底会在什么领域产生真正的影响,尤其是对早期参与新事物发明发现的人来说。还有更有意思的例子:爱迪生曾经以为留声机「正确的打开方式」是录下声音,然后通过邮局将声音寄给朋友,从而实现通信;而贝尔发明电话时,他曾经以为这会改变我们听音乐会的方式。事实上,两个人恰好搞反了他们发明的重要意义。一件新生事物的接受,除了发明人的自己的想法,也受到很多其他历史因素的影响。

一个有趣的例子是关于电的。在发现生物电的初期,许多科学家,例如意大利科学家伽伐尼(Luigi Aloisio Galvani)在实验中很偶然地用一根带电荷的金属解剖刀接触了死去的青蛙的坐骨神经,这时,神奇的事情发生了,他观察到青蛙仿佛没有死,仍然像活着一样踢了一下。从这个实验中,伽伐尼成为第一个认识到电与生物的运动之间联系的人,此后有越来越多人、在越来越多的动物(或者动物的尸体)上开始重复他的这一发现,一时成为风尚。当时的人们开始觉得,「电」可能成为联系生死的一种桥梁。同时期的玛丽·雪莱(Mary Shelley)受到伽伐尼实验的启发,写下了《弗兰肯斯坦》,仔细查看《弗兰肯斯坦》的故事设定,就可以感受到它与伽伐尼实验的联系:弗兰肯斯坦是一个科学怪人,他将许多不同人体的器官和组织拼界在一起,组成一个人体,并利用雷电使这个人体拥有了生命。玛丽·雪莱及其同一时期的人们都相信或许我们距离「死而复生」或者让瘫痪者的四肢恢复运动等已经近在咫尺——然而现在我们知道,这些看似很有前途的尝试都失败了。而在这些失败之外,有的尝试却最终成功了:玛丽·雪莱吸取最新的科研成果,将其创作为小说,这反而是一个有趣的创新。我们现在把《弗兰肯斯坦》看成是科幻小说的起源。

更有趣的例子其实是能量守恒定律的发现。永动机的设计者们没有人发现能量守恒定律,反而发明了很多有用的机械,这也算是「影响了毫不相干的领域的发展」。而能量守恒定律的提出完全是由于许多不同领域的科学家独立的一些发现,最终建立起来的。在能量守恒定律建立的过程中,一位医生和一位啤酒厂的老板起到了重要的作用:

迈尔(Julius Robert Mayer)是一位德国医生,他在 1840 年前后开始思考与能量守恒的有关问题,并最终取得了出色的结果。迈尔曾经是一位随船医生,他开始思考能量守恒的有关问题是在去爪哇的航行中。在当时,「放血疗法」依然是中世纪以来的重要的临床手段,医生迈尔的重要工作之一就是对船员们进行放血。在历史上,医生、僧侣和理发师都曾经从事过放血的工作,但这样的工作对于外行人来说依然非常危险。最可能出现的问题就是错切了动脉血管,因为心脏正在源源不断地将血液泵向动脉,一旦切到动脉,这可能导致失血过多,严重的还可能导致死亡。迈尔是一位医生,所以他很显然知道这个道理,也正因为如此,当他在热带给水手放血时,他狠狠地吓了一跳——他看到流出了鲜红的血液,这看起来很想说含氧量较高的动脉血,难道是切到了动脉?随后他发现自己没有弄错,这的确就是静脉血。他随后开始认真思考起这个问题来,因为迈尔了解过拉瓦锡的燃烧理论,知道物质在氧气中燃烧的放热与饮食中所获取的能量相等,因此他找到了一个解释:之所以当船航行到热带时水手们的血液比较红,是因为在热带时,人体的体温维持变得非常不再困难,因此水手们不需要消耗那么多的氧。想到这一点,还只是科学发现道路上的第一环。接下来,迈尔表现出了更大的智慧。迈尔首先看到的是热和(生命的)运动的等价。他认为马拉车时车与地面摩擦产生的热量,以及车轮旋转时车轴因摩擦产生的热量,都是由马的运动及其作功产生的,于是提出了能量守恒定律最早的雏形。

焦耳(James Joule)在大学毕业之后继承了家里的啤酒厂,他在啤酒的酿造和啤酒厂的经营方面都曾经非常活跃。焦耳的思考也是从这开始的。作为一个家里有啤酒厂的男人,焦耳考虑的是用新发明的电动机来替换他家里啤酒厂的蒸汽机。他观察到了电动机和各种电路中的发热现象,他想到这和蒸汽机运转中的摩擦现象一样。而谈到这种「替换」的问题,作为科学家,当然不会在意各种成本,而如果脱离了成本谈所谓「效率」显然在经营上陷入失败。焦耳在思考类似的问题时显然避免了这种错误,因为他还有经济学的视角——到底是利用怎样的能源可以帮助节省开支?在思考这样的问题时,他开始选用了统一的标准来对各种不同的能源进行比较。焦耳发现蒸汽机中燃烧一磅煤跟一种早期的原电池中消耗一磅的锌放出的热量是完全不同的,前者可以放出后者五倍的热——从这个意义上来看,蒸汽机似乎要比电动机更经济。为了更准确地度量这种「经济」,就不能仅仅只对「放热」进行简单的估计,而是应该对不同类型的能源在某种统一的「经济责任」(economical duty)下进行比较。这种责任(duty)就像他在经营啤酒厂时,根据收入按照统一的标准所缴纳的税务一样。这些机器的的职责就是去「运转」,焦耳把这种「经济责任」定义为将 1 磅的重量举高 1 英尺的能力,我们现在很明显能看出来,这就是在重力场做功的一个具体的实例,这也是我们今天用「焦耳」作为「功」的单位的原因。更有意思的是,之所以焦耳可以建立起能量守恒定律的定量关系,还因为他在酿酒技术方面的成熟,好的酿酒师总能有办法让反应器的温度控制在非常精确的范围内,焦耳在他的年代宣称自己可以把温度测量的误差精确到难以置信的程度(3 mK),而如果要验证像摩擦生热这样的过程中的能量守恒,对温度的精确测量是必不可少的。随着他不断提高实验的精度,他最终测得「热」和「功」之间的转换系数对水而言是,772.692 英尺·磅(力)/ 英制热单位,这个值换算为国际单位制与卡路里之间的换算关系,即为 4.159 J/cal,这个数值实在是令人惊叹的精确。

除此以外,还可以举出很多很多例子,例如:

  • 炼金术——定量实验的方法——化学、医药、矿物学……
  • 百科全书——法国大革命
  • 进化论——高尔顿(生物统计、优生学)——希特勒
  • 核武器——冷战——博弈论——现代的经济学
  • 检测天线的噪音性能,消除通信干扰信号——宇宙微波背景辐射——暴胀宇宙

当然,还有一些比较间接的例子,例如《我们如何走到今天:重塑世界的 6 项创新》中提到的一些奇特的脉络,例如:

  • 印刷术——书籍传播——近视等问题被发现——镜片工艺——显微镜和望远镜
  • 收音机——爵士乐的流行——非洲裔音乐家地位的提高——民权运动
  • 超声波——中国新生婴儿的性别比例

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