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本科生科研指南(64):气体定律之科学研究中的从0到1

已有 4109 次阅读 2020-10-2 17:25 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(64):气体定律之科学研究中的从0到1

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后,正如我所预言,它将要称为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。

              ---阿佛加德罗(Amedeo Avogadro,1776-1856)

 

在科学研究的过程中,重大突破的形成往往并非一帆风顺,需要打破已经形成的惯性思维甚至突破已有理论框架的束缚。其中,部分原创性的研究成果甚至要经历从0到1的飞跃。这种飞跃不仅实质上地改变了人们的知识结构,更为重要的是深刻地从科学哲学的视角上影响了科学研究的进程,即科学范式上的突破。本期,为了方便本科生了解相关的概念和提升科学素质,笔者简要介绍范式突破的核心内涵并枚举科学史上重要的范式突破之一的分子学说及其时代背景作为例子予以说明。

 

一、科学研究简析

 

为了方便本科生较为形象地理解科学研究的内涵,笔者简要地围绕科学研究及人类知识宝库的形成过程进行说明。我们可以把人类现有的全部知识比作一个圆,圆圈里面的是我们已经掌握的知识,圆圈外面则代表了我们尚未掌握和理解的现象。因此,圆代表了人类知识和认知的边界。

l  本科阶段:我们的学习集中在一个较小的圆之中,集中精力学习各个学科中最为基本、最为重要的知识。

l  硕/博士课程修习阶段:仍然会选修一些课程,这时候我们所学的知识范围略有扩大、深入,但仍然是人类知识中的沧海一粟

l  硕/博士科研选题阶段:简而言之,文献调研和科研选题便是不断逼近人类知识极限的过程,为后续取得突破做知识上和技能上的准备。这个时候,我们更专注于在某个小的科学领域中的一些基础知识及其中可能开展的、潜在的创新性研究。此时的学习方式与以前有着巨大的变化,我们不再像以前一样系统地学习知识,因为不再有这个必要,也没有这个时间。取而代之的是基于文献调研、讨论和批判为主的学习模式,这中学习方式是研究生相比本科生时的学习方式非常不同的一点。

l  科研攻关阶段:围绕科研选题阶段确定的研究目标、研究方案和技术路线等等,在导师的指导下进行实质性的科学攻关,并取得有创新性的研究成果。

不同的学校对于研究生学位论文的要求可能不同,但从研究生培养的流程上而言却大同小异。当研究生完成一项具有创新性的研究成果的时候,从某种意义上讲,我们的知识边界便在某个局部向前推进了一小步。众多的来自一个小领域的科学研究成果的逐步积累和汇聚,不断地将我们的知识边界扩大。

与一般性研究成果不同的是,科学研究中的范式突破所带来的知识边界的扩大范围更为宽广,对众多研究领域发展的影响更为深远

 

二、原子学说及实验矛盾

 

原子学说与实验的矛盾可以从我们中学化学中常见的化学反应说起。众所周知,2个体积的氢气与1个体积的氧气结合,可以生产2个体积的水蒸气。这个规律最早是由盖-吕萨克发现的,又被称为是气体反应的体积定律,其完整的表述如下。

同温同压下,参加同一反应的各种气体,其体积成简单的整数比

这个看似简单的定律却带来了旷日持久的争论。主要的原因是盖-吕萨克实验与当时的原子学说相矛盾。结合当时的历史条件,我们先回顾一下当时主流的、由道尔顿提出的原子学说所持有的核心观点。需要注意的是,当时的人们只有原子的概念,对分子完全没有了解。

l  原子的不可分割性:不能将原子进一步地再进行分割。这一点,当时的理论与现代理论很相似。

l  不同元素的原子可以以简单的整数比相结合。

l  同温同压下,相同体积的不同气体的质量不同,且不可能含有相同的原子数目。

根据盖-吕萨克的实验结果,意味着1个氢原子可以和半个氧原子相结合,这严重动摇了原子学说的基本根基。因此,依据上述原子学说的观点,道尔顿对公开反对-吕萨克定律并认为其实验方法不够牢靠。鉴于道尔顿和盖-吕萨克均是当时显赫的科学家,这场争论旷日持久,影响甚广。但是,遗憾的是,一直没有什么结论,化学及相关学科一直在一片混沌中蹉跎前行。

 

三、 科学家精神

 

为了解决上述原子学说与实验的矛盾,阿佛加德罗于1811年在法国《物理杂志》上发表了关于分子学说(原文中称之为“复合原子”)第一篇论文,其核心的观点如下。

同温同压下,相同体积的不同气体含有相同的分子数目。

与道尔顿的原子学说相比,在引入分子概念之后,-吕萨克的实验和原子学说都是正确的,彻底解决了二者的矛盾。因此,阿佛加德罗的分子学说研究范式上获得了巨大的突破,从而带动了相关学科的迅速发展,包括原子量的精确测定和化合物元素成分的测定。

分子学说的提出在整个科学历史上具有重要的地位,极大地改变了相关学科的面貌,深远地影响了自然科学中各个学科的发展历程。正因为如此,尽管分子学说的提出者阿佛加德罗在生前几乎没有获得过各类荣誉,但是历史已经证明分子学说在科学历史上的重要地位。

 

四、深远影响

 

阿佛加德罗的分子学说一直都没有得到广泛的认可,在其生前几乎没有得到学术界的肯定和认可。1860年9月3日至5日(阿佛加德罗去世4年后),在德国卡尔斯鲁厄举办的国际化学大会上,全世界的化学家终于意识到阿佛加德罗定律才是引领化学走向统一和和谐的金钥匙,同时也是结束化学界关于原子量等测量混乱状态的重要科学依据,并由此让阿佛加德罗名垂青史。

 

五、对本科生的建议

 

文献调研中,因为论文的体量浩如烟海,本科生需要在导师的指导下通过不断地对自己的研究方向加限定词方能有所收获。例如,如果对流体感兴趣,需要不断地把自己的研究领域加以限定,诸如“基于高速摄影方法的聚焦激光激发的空化泡溃灭现象的实验研究”等等。通过不断聚焦,方有可能逼近人类知识之边界。另外,并非所有的参考文献都可以称之为知识只有那些真正地拓展了领域内科学认识的文献方是重要的、值得细读的


注释部分

注一: 本文的内容来自于笔者的两次演讲内容:一次是2020年09月17日14:00-15:00在华北电力大学教三报告厅举行的能源动力与机械工程学院2020级研究生新生入学教育大会(发言时长:15分钟),另一次是2020年09月30日19:00-20:30在线举行的2017级本科生免试推荐研究生答疑会。

 




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