理论与实验的双科大师,为什么会有那么多小

2019-10-19 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(94)

无数次熬夜、屡战屡败屡败屡战地做着同一个实验,然而实验中起眼或者不起眼的变量和参数实在太多。你开始怀疑一切,开始每次改变小小的一点条件(虽然你可能觉得有些条件根本不应该影响到你的实验结果),希望找到传说中的金手指,然后,突然有一天,你竟然奇迹般地把煎熬了很久的实验做出来了!

费米:理论与实验的双科大师

你开始归纳总结,你试图还原一切细节,然后,你很可能会把你成功的经验归结于那天你穿了某件“幸运衣服”,戴了某个“幸运饰品”,或者实验前做了某个不同寻常的小动作…… 从此,为了避免再次经历这样的煎熬(虽然你心里知道其实这是不可避免的),你会在每次重要的实验前试图再次穿上那件“幸运衣服”,戴上那个“幸运饰品”,偷偷地重复做某个奇怪的小动作……

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恭喜,作为一个科学家,你开始迷信了。

费米门下也是人才辈出:杨振宁、李政道以及发现反质子的美国物理学家张伯伦和西格里等都是他的门生。

长个晶体,为什么一定要用自家猫胡须?

拿我曾经热恋的结构生物学领域来说吧,晶体学估计应该算是科学小迷信的重灾区了——特别是,如何养出一枚好晶体来。

晶体学这门学科的一个主要任务,是获得分子的三维结构。漂亮的三维结构, 靠的就是一套漂亮的衍射数据。但是,要获得这样一套衍射数据,首先得有一个漂亮的晶体;而诸如蛋白质这种极度复杂的大分子,长成一颗好晶体往往难如登天。

即使数据收集和结构解析的方法在日新月异地发展,蛋白质结晶过程中晶核的形成、晶体的生长还有结晶过程中高度的有序性常常都不是实验能够精确控制的,因此,蛋白质晶体的生长常常被认为是一门“艺术”远多于“科学”。某些时候,一个蛋白质结构的解析可能只需要一个晶体就够了。所以,为了这一颗宝贝的晶体,圈内流传着很多的传奇故事。

比如说,晶体生长有一种优化技术,叫种晶法(seeding),简而言之就是用一个工具把一个液滴中的已经形成的晶核或者长得不好的微小的晶体引入新的液滴中,辅助晶核的形成或者改变结晶的进程。各种各样的工具针对这一方法被开发出来用于转移晶核,比如说毛细玻璃管、白金丝、甚至动物的毛发和胡须等等1

猫胡须就是其中一种带点迷信色彩的小工具,帮助很多人获得过成功,甚至有一篇文献讨论过猫胡须为什么比各种其他工具更有优势的原因2。猫胡须崇拜曾经登峰造极,某位大神甚至一定坚持要用自己家里的某只猫的胡须来点晶体,他精心收集了这只猫的很多根猫胡须,并不厌其烦地推荐给同事,并郑重其事地强调这根猫胡须是他成功的关键,因为他所有的晶体都是这样长出来的。嗯,当然,猫胡须因为它的细软和韧性,尤其是胡须表面角质层形成的特殊的重叠嵌合结构成为了在溶液中捕获微小晶核的神器,而被广泛用来制作结晶优化过程中做seeding的魔棒;但是,如果说非得用某只特定的猫的胡须的话,我觉得也只有真爱才能解释了……

奥门金沙手机娱乐网址 2一位晶体学研究者Alexej Dick和未知来源的猫胡须(可能是他自家的)。图片来源:mdc-berlin.de

还有另一位大神迷信每次做结晶实验之前,一定要三五天不能洗头,这样他才能如愿地拿到自己心仪的晶体,因为据说他所有的晶体都是这样长出来的!嗯,我们常常在私下里窃笑,难道不是因为好多天不洗头,头皮屑掉到了长晶体的液滴中了吗?要知道,这些微小的异物有时候会被作为晶核诱导蛋白晶体的生长的。

奥门金沙手机娱乐网址 ,当然,诱导晶体生长的方法很多,不是每一个人都喜欢这么重口味的。有一个业内口口相传的故事是,某位大神在结晶实验设置好之后,喜欢把做好的结晶板(就是将蛋白和结晶溶液混合好的16孔板)放在车上开出去几个小时,他坚信只有这样才能长出晶体来。嗯,我们都知道静置能让晶体不受干扰慢慢地长大,但是有时候,震荡其实也能促进晶核的形成啊。我还听到一个故事,但这个故事就完全没法解释了:在一个晶体学的实验室里,曾经来了一个韩国留学生,她在晶体实验的柜门上贴了两个Hello Kitty的小贴画以后,整个实验室半年颗粒无收,引发众怒。果断地把Hello Kitty 换成大恐龙,立刻恢复正常。从此实验室只见大恐龙不见小Kitty了。

文武双全之人历来难得。

迷信口口相传,大家都躲不掉

晶体学里长晶体是门艺术,迷之影响因素太多,甚至能获得论文讨论的待遇;别的领域里的小迷信就多半不登大雅之堂,只能作为八卦私下流传。但这些小迷信程度并不见得就轻,有些反而变本加厉。

比如说,有朋友告诉我,他的同事在做完实验后,在等待结果的过程中,会用十字架项链压住自己的实验样品,谁也不许动。我完全有理由相信在地球的另一些地方,可能会有人把故事中的十字架换成一尊弥勒佛或者其他什么的。还有很多科学家沉迷于各种吉利数字,明明实验流程上要求离心10分钟,非得自己设置成9.9分钟;明明1分钟的反应孵育时间,非得用1分20秒,总是迷信这样才能给自己带来好运,才能把那个该死的实验做出来。

曾经有物理学家嘲笑我,就你们做生物的人神神叨叨的,我们做物理的是很理性很客观的。嗯。有可能……不过,那个著名的“木桌子效应”是怎么回事?费米当年在做放射性实验的时候,一共发现了22种能够和中子发生反应的物质。奇怪的是,所有的这些实验在他的木桌面上做得很好,大理石桌面就很糟糕,史称“木桌子效应”。面对这个灵异事件,费米想起了查德威克曾经发现石蜡能让中子减速,于是给出了这样的猜想:中子有快有慢,而木桌子和石蜡里的氢原子能把快中子变慢,这样在木桌子上用中子撞击某些物质时,就增加了中子打破其他原子核的效果。为了验证这个效果,他用石蜡和水做了实验,发现反应效率果然大大增加了。

再后来……费米因为发现慢中子的核反应,而获得了诺贝尔奖3,4

在物理学的历史上,也只曾经出现过个别“文武双全”的科学大家。比如,除了发现那些著名的物理学定律,牛顿也做过阳光的色散实验和运用单摆检验惯性质量同引力质量成比例的实验,甚至还发明过反射式望远镜。

为什么科学家做实验也会迷信?

自然科学的每一个领域,或多或少都被类似的科学小迷信给侵入了。 有一些小迷信,如费米的木桌子,如猫胡须,看起来虽然荒诞,但其实有它背后的科学原理;而另一些小迷信,则似乎毫无根据。以严谨客观为标识的现代科学,以理性逻辑缜密而著称的科学家,为什么有时候也会沉迷于热衷于这些在外人看来无法理喻的小迷信呢?

说到底,虽然接受了职业训练,但科学家也是人啊。

前不久《自然》职业专题刊登了一篇评论文章,作者肯达尔·鲍威尔(Kendall Powell)探讨了科学家的那些小迷信和各种“仪式”。文章认为,“这些东西使科学真正打上了个人印记”,“有证据表明,仪式能够缓解焦虑,降低压力水平”。文中他提到了电生理学家和神经生物学家常常一刻也不愿意离开自己的实验,甚至不去厕所,只是为了能一直痴痴地盯着监控设备,而这其实毫无必要,因为仪器会忠实地记录所有的现象;与此相反,很多分子生物学家们则不会时刻监控自己的实验,因为担心多看一眼都会给实验结果带来“不详”。还有一个学生会经常取消周五的计划,因为她发现每次她这么干的时候,自己的小鼠研究就会更成功。还有一些考古学家会选择一块形状特殊的石头画上眼睛作为“图腾”来崇拜,监视着每天的挖掘情况,等等,不一而足5

而搞科研的都知道,科学很多时候是一个孤独的旅途,尤其对于基础研究来说,无论目标如何引人入胜,通往目标的路常常遍布荆棘不可琢磨。在实验的煎熬中,我们慢慢学会了用这样一些小迷信来缓解自己在实验中或者等待实验结果的焦虑和压力,让自己得以坚持下去,去寻找迷雾后的真实,混沌中的规则。

康涅狄格大学的实验人类学家迪米特里斯·夏加拉塔(Dimitris Xygalatas)说,“我们知道世界是一个非常混沌的地方,大部分都不由我们控制。但我们可以哄哄自己”5。此言深得我心。科学小迷信就是这样一些无伤大雅的小仪式,在我们一本正经,甚至还充满虔诚地在实验中践行着这些小迷信的时候,我们的心中其实一片雪亮,哪些可能有用哪些完全没用我们都知道,但我们喜欢这样去缓解我们的焦虑啊。当我们看到周围的同事以不同的但是同样不靠谱的方式坚持着这些小迷信的时候,我们可能不屑一顾但心有戚戚,我们会在心里默默地说一句:“你高兴就好!”不是吗?

后记:在我们谈论这个话题的时候,有物理学家从旁边飘过:“我的小迷信就是只要我出马的实验都会成功的。”嗯。你高兴就好!
而写完这篇文章后不久,从中国工程物理研究院的中国绵阳研究堆CMRR传来消息,由这位物理学家亲自出马带队,我们一起合作研究的蛋白质在磁场下响应的实验果然取得了阶段性突破。大家都很高兴,坚持要求以后的每次实验这位物理学家都应该在场。你看,科学家的小迷信就是这样开始的。
还有,感谢朋友圈参与讨论的好友为此文贡献自己珍藏已久的各种小迷信。

(编辑:Ent)

不过到了20世纪,实验设备越发复杂而昂贵,有时个别研究单位都难以独自负担。一篇宣布新发现的实验文章,署名的作者往往是一个长长的名单。

参考文献:

  1. Streak seeding:
  2. Bergfors, T. (2003). "Seeds to crystals." Journal of Structural Biology 142(1): 66-76.
  3. 改变世界的“木桌子效应”:
  4. “木桌子效应”和诺贝尔奖级的实验:
  5. Behaviour: A lookout for luck:

由此,理论物理学家和实验物理学家便分成了两支队伍。实验家在理论家指出的方向或者自己选择的方向上做实验,而理论家只需要了解实验家能够做些什么问题以及他们怎么做和做了些什么结果。

然而,60年前逝世的诺贝尔奖获得者费米,在物理学理论和实验这两个方面都作出了第一流的成就。为纪念费米对核物理学的贡献,美国原子能委员会设立了“费米奖”。第100个化学元素镄和原子核物理学使用的“费米单位”就是以费米的名字命名的。

费米于1901年出生于意大利罗马,父亲是一个铁路职员。费米17岁时开始读大学,并最终以X射线的专题论文在比萨大学获得博士学位。

他起先是研究理论的。其在理论方面最重要的贡献是1934年发表的茁衰变理论,那是量子场论的首次成功运用。也许可以这样比喻,费米这一工作的意义,好比第一次运用量子力学解出氢原子的能级一样。

不过,在量子力学里首先有了薛定谔方程,把库伦势代进去以后,剩下的就是数学问题了。而量子场论要困难得多,因为并没有现成的相互作用形式可循。费米独具慧眼地给出了“四费米子作用”形式,同时描写了初态粒子的消失和末态粒子的创生,为弱相互作用的动力学打下了基础。这一成就使得不少理论物理学家前辈们都大吃一惊,他们难以相信量子场论的抽象程式居然可以有这样的用途。

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