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第四章 波动的困惑:杨氏双缝实验的二十年沉默
一、1801年的皇家学会:一个医生的越界
1801年11月12日,伦敦。托马斯·杨,二十八岁的医生、语言学家、埃及学家,站在皇家学会的讲台上,向一群 mostly 年长的绅士宣读一篇论文。他的题目是《关于光和颜色的实验与计算》,内容是一种挑衅:光不是微粒,而是波动。
杨的实验装置简单到近乎简陋:一张卡片,上面有一条窄缝;阳光穿过这条缝,形成一束狭窄的光柱;这束光再穿过两条平行的细缝,投射到远处的屏幕上。屏幕上出现的不是两条亮带——如果光是直线传播的微粒,应该如此——而是一系列明暗相间的条纹,像水波的干涉图案。
杨解释:光是一种波动,当两束光波相遇时,波峰与波峰叠加形成亮纹,波峰与波谷抵消形成暗纹。这种"干涉"现象是波动的特征,无法用语直的粒子解释。他计算了条纹间距,与波动理论的预测一致;他改变了缝的间距,条纹随之变化;他用不同颜色的滤光片,发现条纹间距与波长相关。
演讲结束时,会场沉默。然后,一位资深会员——可能是亨利·卡文迪什,或者乔治·艾尔爵士——站起来说:"这很有趣,杨医生,但牛顿爵士证明光是微粒。您不是在质疑牛顿吧?"
杨的回答没有被记录下来。但历史记录了接下来发生的事:他的论文被《哲学会刊》接受发表,但几乎没有引起讨论。接下来的十年,他多次尝试扩展和辩护波动理论,但回应寥寥。1803年,他出版了《自然哲学讲义》,其中包含双缝实验的详细描述;1804年,他当选为皇家学会会员,但不是因为光学工作,而是因为他破译了罗塞塔石碑的部分内容——他在埃及学上的成就掩盖了他在物理学上的异端。
到1810年,杨基本放弃了光学研究。他转向医学、生理学、语言学和埃及学,在这些领域取得了卓越成就。他的波动理论被搁置,直到1815年法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳独立提出类似的波动理论,并提供了更严格的数学基础。直到1827年,杨去世前一年,波动理论才逐渐被欧洲科学界接受。
这二十多年的沉默——从1801年到1820年代——是科学史中最令人困惑的案例之一。杨的实验是清晰的,他的计算是正确的,他的结论在现象层面是不可否认的。但整个英国科学界,这个诞生了牛顿、培养了工业革命的科学共同体,拒绝相信光可以是波动。
为什么?
二、牛顿的遗产:微粒帝国的建立
要理解杨的困境,必须回到艾萨克·牛顿的《光学》(1704年)。这本书与《自然哲学的数学原理》不同:它不是数学公理化的体系,而是实验报告的汇编,充满了对光的行为的细致观察。牛顿展示了光的色散(白光通过棱镜分解为光谱)、光的反射和折射定律、以及最关键的——光的"衍射"和"双折射"现象。
牛顿对这些现象的解释是微粒性的。光由微小的、发光的粒子组成,这些粒子以极高速度沿直线运动。不同颜色的光对应不同大小的微粒,因此折射率不同(紫光微粒比红光微粒更小或更轻,折射更强)。微粒理论优雅地解释了光的直线传播、反射定律(弹性碰撞)和折射定律(微粒进入 denser 介质时速度改变,但牛顿后来修正为速度增加)。
但牛顿也遇到了困难。他观察到光通过小孔或经过障碍物边缘时,会"弯曲"进入几何阴影区域——这就是衍射。微粒理论难以解释这种弯曲:如果光是粒子,它应该像子弹一样直线飞行,除非受到外力。牛顿假设,光微粒在接近物体时受到某种"力"的作用,可能是吸引力或排斥力,导致路径偏折。
更困难的是"牛顿环"——薄层空气(或薄膜)上下表面反射的光形成的同心圆环。牛顿精确测量了这些环的直径,发现它们与薄膜厚度相关。他用微粒理论解释:光微粒在反射时经历某种"周期性"变化,每隔一定距离恢复原始状态,因此某些厚度 constructive,某些 destructive。这种"易反射间隔"和"易透射间隔"的概念,实际上是波动性质的伪装——但牛顿拒绝接受波动解释。
牛顿在《光学》的"疑问"部分(后来版本中添加)明确考虑了波动假说。他写道:"难道光不是发光物质的一种振动,通过均匀介质传播吗?"但他立即列举了反对理由:波动应该能够绕过障碍物,但光形成清晰的阴影;波动应该能够相互穿过而不偏折,但两束光交叉时似乎没有相互作用;天体发出的光穿越星际空间,如果光是波动,需要什么介质来支持这种振动?
这些反对在18世纪被反复引用。特别是"阴影"论证:如果光是波动,就像声音或水波,它应该能够弯曲 around corners,但我们观察到光形成清晰的阴影。这个论证在日常生活层面是强有力的——我们用手遮挡阳光,看到 sharp 的阴影,这似乎直接反驳了波动。
牛顿的权威在18世纪是无与伦比的。他的《原理》建立了力学,他的《光学》建立了光学。任何与牛顿矛盾的提议,都需要不仅解释现象,还需要解释为什么牛顿错了——这是一个极高的修辞负担。
三、杨的越界:多面手的困境
托马斯·杨1773年出生于萨默塞特郡的一个贵格会家庭。他早熟得惊人:据说两岁阅读,六岁通晓拉丁语和希腊语,十四岁熟悉多种现代语言,包括希伯来语、阿拉伯语和波斯语。他在伦敦学医,在爱丁堡、哥廷根和剑桥接受教育,但从未完全融入任何学术圈子。
这种流动性是杨的优势,也是他的弱点。他的兴趣跨越了现代学科的边界:医学(他研究了眼睛的调节机制和色觉)、物理学(光、声、流体力学)、语言学(他提出了"印欧语系"的概念,破译了罗塞塔石碑的部分内容)、埃及学(他识别了象形文字的表音成分)。在21世纪,我们称他为"博学家"(polymath)或"跨学科研究者",但在19世纪初的英国,这种多面性被视为缺乏专注,不够专业。
杨在光学上的工作始于医学研究。他在1800年发表的《关于视觉的观察》中,研究了眼睛的散光和色觉。这引导他思考光的本质:如果眼睛是光学仪器,那么理解光的行为对理解视觉至关重要。他阅读了牛顿的《光学》,但也阅读了被牛顿压制的早期波动论者——克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695),荷兰物理学家,他在1690年的《光论》中提出了波动理论。
惠更斯的理论在18世纪几乎被遗忘。他假设光是一种纵波,通过充满整个空间的"以太"介质传播。每个发光点产生球面波,这些波前上的每一点又成为新的子波源,形成包络面。这个"惠更斯原理"能够解释反射和折射,但无法解释干涉和衍射的定量规律——惠更斯本人没有进行精密的测量。
杨重新发现了惠更斯,并添加了关键成分:波的干涉。他在1801年的论文中写道:"当两列波相遇时,如果它们的波峰重合,振动增强;如果波峰与波谷重合,振动抵消。"他将这个原理应用于声波(他研究了回声和拍频),然后大胆地应用于光。
双缝实验是这种应用的巅峰。杨不是第一个观察到光衍射的人——牛顿观察了,弗朗切斯科·格里马尔迪在17世纪观察了,甚至罗伯特·胡克也暗示过波动性质。但杨是第一个量化干涉现象的人,是第一个计算波长的人(他估计可见光的波长约为1/36000到1/60000英寸,与现代值接近),是第一个将干涉作为光的定义特征的人。
但这些成就在1801年的语境中被忽视了。皇家学会的听众听到一个年轻医生——不是物理学家,不是数学家,甚至不是全职学者——声称牛顿错了。他们的反应不是愤怒,而是礼貌的冷漠。杨的论文被接受,被归档,被引用在少数综述中,但没有引发辩论,没有激发重复实验,没有动摇微粒理论的统治。
四、沉默的结构:为什么英国拒绝波动
杨的二十年沉默不是个人失败,而是结构性沉默——英国科学共同体的集体盲区。这种盲区有几个相互强化的来源。
第一,牛顿的权威是制度化的。 皇家学会、剑桥大学、整个英国科学教育都以牛顿为基石。质疑牛顿不仅是科学问题,也是忠诚问题。杨本人是谨慎的——他在1801年的论文中避免直接攻击牛顿,而是声称自己在"补充"而非"推翻"。但这种谨慎使他的革命性被低估:如果波动理论只是微粒理论的补充,为什么需要认真对待?
第二,实验的可重复性困难。 杨的双缝实验需要特定的条件:相干性光源(阳光通过窄缝)、稳定的干涉图案、精确的测量。这些条件在1801年不易实现。阳光是唯一的足够强的光源,但天气依赖;缝的宽度需要精确控制,手工制作的卡片难以标准化;观察需要黑暗环境,这在白天的实验室中困难。其他研究者尝试重复,可能失败,然后归因于理论错误而非技术困难。
第三,缺乏数学包装。 杨的论文是定性的、描述的、基于物理直觉的。他没有提供波动方程,没有推导干涉条件的数学形式,没有将他的发现整合到更广泛的力学框架中。相比之下,牛顿的《光学》充满了几何构造和测量数据,呈现出"硬科学"的外观。杨的工作在当时的标准下显得"软",更像是自然哲学而非数学物理。
第四,社会网络的缺失。 杨不是大学教师,不是皇家学会的核心成员,没有学生,没有实验室团队。他在伦敦的医学实践占据了他的大部分时间,他的物理学研究是业余的。在19世纪初的科学共同体中,信誉是通过社会关系建立的:推荐信、私人通信、学术谱系。杨缺乏这些,他的声音在嘈杂中消失。
第五,竞争范式的缺失。 直到1810年代,没有其他的波动理论竞争者。杨是孤立的,他的理论是唯一的替代选项,容易被 dismiss 为个人怪癖。当菲涅耳在1815年独立提出波动理论,并提供了严格的数学处理时,情况改变了: suddenly,有两个独立的来源支持同一观点,波动理论成为需要认真对待的"运动"而非"个人异端"。
这些结构因素解释了为什么正确的实验可以被忽视,为什么清晰的证据可以被压制。这不是阴谋,不是恶意审查,而是认知生态系统的过滤效应。杨的种子落在贫瘠的土壤上,直到气候改变才发芽。
五、菲涅耳的救赎:数学与权威的结合
奥古斯丁·菲涅耳,1788年出生于诺曼底,法国工程师和物理学家,他的背景与杨形成鲜明对比。他是巴黎综合理工学院的毕业生,法国科学院的 prize winner,在拿破仑战争期间担任灯塔委员会的工程师。他的光学研究是职业性的,有机构支持,有数学训练,有国家荣誉激励。
1815年,菲涅耳独立发现了光的干涉现象,并不知道杨的工作。他进行了类似的实验:双镜干涉(使用两个略微倾斜的镜子反射同一光源)、双棱镜干涉、以及更精密的衍射测量。但他的方法是数学化的:他推导了干涉条纹的间距公式,考虑了光的偏振(杨忽略了这一点),并将波动理论与弹性力学的数学类比。
1818年,法国科学院举办了一次征文竞赛,主题是"光的衍射"。微粒理论的支持者——包括西蒙·泊松,拉普拉斯学派的数学物理学家——期望这次竞赛确认微粒理论的胜利。他们审查菲涅耳的论文,泊松发现了一个看似致命的反驳:根据菲涅耳的波动方程,一个圆形障碍物应该在其几何阴影中心产生一个亮斑——这显然是荒谬的,与日常经验矛盾。
但竞赛的另一位评委,弗朗索瓦·阿拉戈,决定测试这个预测。他进行了实验,使用一个精确的圆形障碍物(硬币或小圆盘),发现在阴影中心确实存在一个亮斑——后世称为"泊松亮斑"或"阿拉戈亮斑"。这个"荒谬"的预测被证实,成为波动理论的决定性胜利。
这个故事常被讲述为"判决性实验"的典范:理论做出反直觉预测,实验证实预测,理论被接受。但历史更复杂。菲涅耳的胜利不是立即的,微粒理论的支持者——包括泊松本人——在技术上承认失败,但继续寻找波动理论的困难。真正的转变发生在1820年代,当菲涅耳发展出完整的波动光学,包括横波理论(解释偏振)和以太动力学(尝试解释传播介质)。
关键点是:菲涅耳的成功部分源于他的社会位置。他是法国科学 establishment 的成员,他的数学是权威的,他的机构支持是 visible 的。当他说光可能是波动时,人们倾听;当杨说同样的话时,人们礼貌地点头然后忘记。这不是不公平,这是科学的社会本性:信誉是累积的,权威是网络化的,革命需要盟友。
杨在1810年代后期得知菲涅耳的工作,两人开始通信。杨慷慨地承认菲涅耳的优先权(在数学严格性方面),菲涅耳则承认杨的实验优先。1821年,杨在《大英百科全书》的"色彩"词条中系统阐述了波动理论,这次他的声音被听到了——不是因为内容不同,而是因为语境改变:菲涅耳已经打开了空间,波动理论不再是异端。
六、以太的幽灵:波动理论的隐藏成本
接受光作为波动,意味着接受以太——一种充满空间的、不可见的、极其稀薄的介质,光波在其中传播。这是牛顿拒绝波动的主要理由,也是19世纪波动理论的核心困难。
以太的性质必须是矛盾的:它必须极其刚性,以支持光的极高频率振动(光速约30万公里/秒,波长极短,意味着频率极高);它必须极其稀薄,以不阻碍行星的运动(天体在以太中穿行,轨道没有可检测的衰减);它必须静止或几乎静止,以提供绝对参考系(否则无法定义光速的恒定)。
19世纪的物理学家花费了巨大努力构建以太模型。菲涅耳假设以太是静止的,被运动物体部分拖动("菲涅耳拖动系数")。乔治·斯托克斯假设以太是粘性的,像流体一样被运动物体带动。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1860年代将电磁场与以太统一,假设电磁波是横波,通过以太传播。
这些模型在数学上是精巧的,在物理上是 ad hoc 的。它们做出了不同的、可测试的预测,特别是关于光速与观察者运动的关系。1887年的迈克尔逊-莫雷实验——测量地球相对于以太的运动——结果是零,对菲涅耳的静止以太模型是致命打击。但正如我们在第一章所见,这个结果在1887年被忽视,直到1905年爱因斯坦的狭义相对论。
爱因斯坦抛弃了以太,但没有抛弃波动。光仍然是电磁波,但不需要介质传播;光速在所有惯性系中恒定,不需要绝对参考系。这是概念革命,但它在日常层面保留了波动的数学形式——干涉、衍射、偏振仍然被计算为波现象。
杨的双缝实验在20世纪获得了新的意义。当量子力学在1920年代发展,光被证明也具有粒子性——光子。双缝实验用单个光子进行,仍然产生干涉图案,表明每个光子"同时通过两条缝"并与自身干涉。这引导到波粒二象性、互补原理、量子测量的深层困惑。
杨本人不可能预见这些发展。他的双缝实验被设计为经典波动现象的证明,但它成为量子力学最深刻的教学工具。这展示了实验的开放性:同一个装置,在不同理论框架下,产生不同的意义。1801年的波动证明,1905年的相对论困惑,1927年的量子神秘——双缝实验是这些转变的沉默见证。
七、跨界的惩罚:杨的埃及学阴影
杨的多面性在1801年伤害了他的物理学,但在1810年代拯救了他的声誉。1814年,他出版了《埃及学入门》,基于他对罗塞塔石碑的研究。这块1799年发现的石碑刻有同一文本的三种文字:象形文字、世俗体(古埃及草书)和希腊文。希腊文是可读的,提供了翻译的钥匙。
杨识别了象形文字的表音成分——某些符号代表声音,而非仅仅代表概念。这是突破性的,因为此前学者(如法国的安托万-伊萨克·德·萨西)认为象形文字纯粹是表意的。杨正确识别了多个表音符号,包括代表托勒密(Ptolemy)和克利奥帕特拉(Cleopatra)名字的符号。
但他的进展是有限的。他无法阅读大多数文本,因为他坚持象形文字是"象征性的"而非纯粹语音的,他低估了文字的复杂性。真正的突破来自让-弗朗索瓦·商博良,他在1822年宣布完全破译了象形文字,识别了表音、表意和限定符的系统。
商博良的工作建立在杨的基础上,但杨的贡献被边缘化了。法国学者强调商博良的独立性和优先权,英国学者则为杨辩护。这场"埃及学优先权战争"与光学争议平行,但结果不同:在埃及学中,杨被承认为先驱之一,尽管不是最终胜利者;在光学中,他被完全遗忘,直到菲涅耳的救赎。
这种差异揭示了学科政治。埃及学是新兴的、国际竞争的、没有牛顿式权威的领域,杨的跨界可以被容忍甚至赞赏。物理学是成熟的、等级化的、牛顿正统的领域,杨的跨界被视为不敬。同样的多面性,在不同语境中,产生不同的评价。
杨在1829年去世,享年五十五岁。他的墓碑上刻着他的多项成就,但物理学——特别是光学——被列在最后,几乎作为附注。历史记忆的分配是残酷的:今天我们记得他是双缝实验的发明者,而他自己可能更重视他的埃及学或语言学。
八、沉默的回声:科学忽视的结构性
杨的二十年沉默不是孤立的案例。科学史中充满了正确的但被忽视的发现:孟德尔的遗传定律被遗忘三十四年,魏格纳的大陆漂移被流放四十年,马歇尔的幽门螺杆菌理论被压制二十年。这些案例共享某些结构特征。
第一,发现者的社会边缘性。 杨、孟德尔、魏格纳、马歇尔都不是核心机构的成员,都没有学术谱系的保护,都跨越了学科边界。边缘性允许原创性——不受正统约束——但也导致忽视——不被网络认可。
第二,理论框架的闭合性。 牛顿光学、达尔文进化论、固定论地质学、胃酸理论——这些范式在特定时期是"正常的科学",它们的成功使它们对反常免疫。杨的双缝实验是反常,但它被 assimilate 为牛顿的衍射现象,而非作为波动理论的证据。
第三,实验的难以重复性。 双缝实验、孟德尔的豌豆杂交、魏格纳的古生物证据、马歇尔的细菌培养——这些都需要特定的技术、耐心、运气。失败重复导致 dismiss,成功重复来得太晚。
第四,数学或证据的包装不足。 杨缺乏数学,孟德尔缺乏统计显著性(他的数据"过于完美"),魏格纳缺乏机制解释,马歇尔缺乏大规模临床试验。正确的发现需要正确的呈现,这种呈现是修辞的、社会的、非中性的。
第五,竞争范式的时机。 杨在1801年是孤立的,直到菲涅耳在1815年出现。孟德尔在1865年是孤立的,直到德弗里斯、科伦斯和切尔马克在1900年"重新发现"。单个发现者容易被 dismiss,多个独立来源形成"运动",难以忽视。
这些结构因素意味着,科学进步不是平滑的累积,而是中断的、政治化的、依赖于社会网络的。杨的沉默不是个人失败,而是系统的过滤效应。认识到这一点,不是相对主义——不是"所有观点都平等"——而是现实主义——承认即使最好的想法也需要特定的条件才能被听到。
九、教训:看见、相信与时机
杨的双缝实验提供了关于科学认知的多重教训,与前几章形成呼应。
第一,看见不等于相信,实验不等于接受。 杨的听众"看见"了干涉条纹的演示,但他们没有"相信"波动理论。看见是感知的,相信是概念的,两者之间存在鸿沟。这个鸿沟需要翻译——将现象转化为可理解的、可整合的、可传播的形式——而杨缺乏这种翻译能力,至少在他的时代。
第二,权威可以是阻碍,也可以是通道。 牛顿的权威在1801年阻碍了波动理论,但在1687年促进了引力理论,在1704年促进了微粒光学。权威的性质取决于它与新想法的关系:当新想法是权威的延伸时,权威加速接受;当新想法是权威的挑战时,权威延迟接受。杨的不幸在于,他的想法被感知为挑战而非延伸。
第三,跨学科可以是优势,也可以是负担。 杨的语言学训练使他能够破译罗塞塔石碑,他的医学训练引导他研究视觉光学,但他的多面性使他在物理学中被视为不够专业。学科边界是认知的,也是社会的:跨越边界意味着失去特定共同体的信任,即使获得了更广泛的视野。
第四,数学是科学的货币,但货币的价值依赖于发行机构。 杨的实验是定性的,菲涅耳的数学是定量的,但菲涅耳的数学之所以被接受,部分因为他是法国科学院的成员。数学的"客观性"是真实的,但它的权威性是社会建构的。杨如果更早发展数学形式,或者如果他在法国而非英国工作,历史可能不同。
最后,时机是一切。 杨在1801年太早,菲涅耳在1815年正好,爱因斯坦在1905年重新定义了问题。科学发现不是纯粹的知识事件,而是历史事件,嵌入在特定的技术、社会、概念条件中。杨的双缝实验在1801年是"错误的",在1820年是"正确的",在1927年是"神秘的"——同一个实验,不同的意义。
尾声:条纹中的时间
今天,在任何基础物理实验室,学生都可以重复杨的双缝实验。激光取代了阳光,电子探测器取代了肉眼,但几何是相同的:两条缝,一个屏幕,明暗相间的条纹。干涉图案是美丽的、令人满意的、几乎神秘的——光似乎同时是波和粒子,似乎"知道"两条缝都开放,似乎与自身对话。
当我们观察这些条纹,我们是在观察1801年的延续。杨的卡片、他的阳光、他的耐心测量,都凝聚在这个永恒的图案中。但他的困惑、他的孤独、他的二十年沉默,也在这个图案中——提醒我们,科学的可见性是需要争取的,真理的显现依赖于不可见的条件。
杨在1827年,去世前两年,写道:"我年轻时对光学充满热情,但英国的氛围不适合这种研究。法国人更开放,他们的数学更先进,他们的机构更支持原创性。如果我在巴黎工作,历史可能不同。"
这种"如果"是历史思维的诱惑,也是它的局限。杨没有在巴黎工作,他没有更早发展数学,他没有挑战牛顿的权威更直接。他的沉默是他的时代的产物,正如他的发现是他的天才的产物。
双缝实验的条纹是时间的隐喻:波峰与波谷的叠加,过去与现在的干涉,记忆与遗忘的交替。杨的波峰在1801年升起,在1815年与菲涅耳的波峰叠加,形成科学接受的亮纹;他的波谷在1801-1815年间凹陷,形成忽视的暗纹。我们今天看到的,是这种干涉的累积图案——不是单一时刻的 snapshot,而是长时间曝光的历史。
在条纹中,我们看见光,也看见时间本身。杨的实验最终胜利了,但他的胜利是延迟的、借来的、不完全的。他证明了波动,但波动的最终理解需要抛弃以太;他测量了波长,但波长的量子意义需要等待海森堡和薛定谔。每一个发现都是临时的胜利,每一个胜利都开启新的困惑。
这就是科学的本质:不是真理的累积,而是问题的演化。杨的双缝实验在1801年回答了一个问题(光是微粒还是波动?),但在1927年提出了另一个问题(波粒二象性意味着什么?)。这种问题的转化是健康的、必要的、令人不安的。它意味着,我们今天的答案将是明天的问题,正如杨的答案成为爱因斯坦和玻尔的问题。
当我们观察双缝条纹,我们是在观察这种转化的物理痕迹。条纹是稳定的、可重复的、数学可预测的,但它们的意义是流动的、历史的、未完成的。杨的遗产不是"光是波动"这个陈述,而是追问光是什么这个姿态——在权威面前坚持观察,在沉默中保持耐心,在条纹中阅读时间的深度。
本章注释与延伸阅读
杨的原始论文《Experiments and Calculations Relative to Physical Optics》(1801)和《A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts》(1807)可在皇家学会和剑桥大学图书馆查阅。关于杨的生平,最佳现代传记是 Andrew Robinson 的《The Last Man Who Knew Everything: Thomas Young, the Anonymous Polymath Who Proved Newton Wrong, Explained How We See, Cured the Sick, and Deciphered the Rosetta Stone, Among Other Feats of Genius》(2006)。关于双缝实验的历史语境,参见 Jed Z. Buchwald 的《The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century》(1989)。关于菲涅耳与杨的关系,参见 Augustin Fresnel 的《Oeuvres complètes》(1866-1870)中的通信。关于双缝实验的量子意义,参见 Richard Feynman 的《The Feynman Lectures on Physics》第三卷(1965)中关于量子行为的章节。
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