第2章 学科的出现 2.1类比 全书是一部关于一门新兴学科一材料科学与工程的专著，包括它的产 生、性质与成长。将这一故事贯穿起来，首先，是有助于澄清“一门科学的 学科究竟是什么”；其次：如果一些学科存在已久、趋于成熟，人们回首审 视它们在早期是如何出现的，便会更加一目了然。类比有助于给出定义，通 过考察具有共性但又迥然不同的一些实例，我们可以对一个模糊的概念加以 限定。 John Ziman是一位著名的理论固体物理学家，后来转变成为一位杰出的 战略科学家（即从宏观上研究科学研究性质与机构的人）。实际上，他成功地 调整了自己的专长。在他l995年给伦敦皇家学会的次演讲中(Ziman, 1996),这样说道：“（如果）没有某种内在的社会结构，学术型科学是无从发 挥作用的。这一结构来自于学科的专业化。学术型科学可划分为多种学科，每 一学科为一公认的领域，在领域内从事有组织的教学与研究。成为一名学术型 科学家，而在初始阶段不将自己隶属于某一业已存在的学科实际上是不可能 的。学科通常只不过是松散的组织这一事实（我将其标注为斜体字）并不影响 他们的工作效果。一门学术型学科所涉猎的范围远远大于由大学里的院系、知 名的学会或者科学期刊所构成的群体。它是所‘不可见学院(invisible col-- l©ge)',它的成员共享某一特定的研究传统（我将其标注为斜体字）。正是在这 里，学术型科学家们学到了五花八门的理论框架、操作规范和技术方法，这些 东西在他们那个特定的学科里被认为是‘正规的科学’。一门公认的学科或者 子学科，为学术型科学家提供了家园、社团身份和其作为一个研究者表演的社 会舞台。”另一由科学历史学家Servos(Preface,I990)斯尝试定义的科学学 科概念与其十分相似，但更从知识的角度来加以强调：“通过一门学科，共享 知识体系的个体像家庭一样组合，而且由于共同的兴趣或者共存的问题、技术 与机构，使他们在任一给定的时间欢聚一堂。”这两个人的话可能与我们能够 得到的关于一门科学学科大致上的定义是最为贴切的。 Ziman还提到，“不可见学院”这一概，念是由Derek de Solla Price提出的。 第2章学和的出玩
他是一位颇具影响力的科学历史学家和“科学评估学的始作俑者”(Yagi et al,1996),他曾长篇撰述过不可见学院以及它们在科学界的作用(Price, 1963,1986)。Price是最早利用定量的方法来分析发表文献、阅读、引证、预 印本分配、科学家之间的个人通信以及“会议动态”等形式的科学家之一。这 些活动定义了社团的概念，按照他的解释，社团中的成员“似乎善于运用来自 中心的诱人邀请，在中心里他们可以短期与社团内的几位成员一起工作。完成 以后，他们再转移至下…个中心和其他社团成员一起工作。然后，返回原处 所。但是他们始终倾心于社团，而不是资助他们的机构，除非资助机构也变 成这种渠道中的一个驿站。每一社团都存在有一种由机构、研究中心、著期 讲习班构成的交流渠道，向社团成员提供短期相见的机会，以至于在几年的 间隔之内，任一成员都能够拥有与本领域的同仁一起工作的机会。这样的社 团构成了一所不可见学院，正是这些非官方的先驱者后来相聚在一起，于 1660年成立了皇家学会”。正如Price所描绘，一所不可见学院往往还不是 三个成熟的学科，只不过是出现的一类群体。它也许能也许不能在后来成熟 为一门完整、健全的学科。这也可能以突破性的速度发生，如同1953年 DNA的性质被发现后，迅速形成分子生物学那样的情祝；也可能像材料科 学那样，缓慢而缜密地形成。 尝试描绘一门新学科的性质和它出现的时间涉及两个极其困难的问题。其 一是许多传统科学家强烈地拒绝承认一个新科学群体的价值。如同在一门学科 内部，革命性的、新的科学框架(Kuhn,19?0).会遇到来自现存模式拥护者 们的敌视。另一因难是更为专业化：一门新学科或者是从一个现存的、宽泛的 领域进一步地细化分离；或者截然相反，从若干故有的、狭窄的领域中拓宽组 合而成。在19世纪，物理化学从合成有机化学中分离出来使是前者的范例。 而材料科学的出现由冶金学、固体物理学和物理化学结合而成，可作为后种 情况的代表。简而言之，我们可将上述两种情况称为“分裂产生(emergency by splitting)”和“集成产生(emergency by integration)”。对于这两种学科 创建模式所提出的反对通常也不尽相同：分裂产生被指责为支离和破坏了悉心 构建的知识体系，而集成产生则被批评为将现已界定请晰的知识条块弄得藕断 丝连。 材料科学当初遭受了大量第二种情祝的指责。Calyert(1997)声称： “治金学仍然是一门健全的学科，拥有基础理论、方法和界限。随着工程中 日益不断地使用聚合物、陶瓷、：玻璃和复合材料，研究拓展为材料科学，于 是麻烦产生了。问题在于所有的材料都是完全不同的，我们也不再拥有一门 学科了。” 然而，在那些集成主义者的踌躇满志中，材料科学不会是孤独的。因此， Montgomery(1996)最近这样描述了他本人的科学地质学：“地质学是一 宏伟壮观的科学，大千世界的千姿百态让它尽收眼底。它独特地定义了属于 14 走进材料科学
自己的范畴，并且包容了诸多其它领域的学识，包括物理学、化学、植物学、 动物学、天文学、各类工程学等（地质学家可谓是真正的‘专家’和‘通 才’)。”这些观点仅有一处是错误的：即在这一点上，地质学并没有什么标新 立异之处…更为相似的方式在于，材料科学家们既是真正的专家，又是不归 属于任何一门学科的通才。 然而，一门新学科一旦形成特色、变得适度完整时，便如同Passmore (1978)所说的，相应的科学社团就变得“极其禁锢”。他引用哲学家Feyer- abend的观点，即紧缩阵营、排斥异己，把那句传统的“教会之外无救恩”改 述为新的座右铭“木科学之外，无知识可言”。对此最著名的特例便是20世纪 早期卢瑟福(Rutherford)傲慢自负的观点：“只有物理学是科学，其余的不 过是集邮（儿戏）。”：这些固有学科信徒们之间竞相排斥的强烈压力，产生了 股逆向作用，由此便通过集成，形成了更为广博与包容的学科。这曾对材料科 学的出现发挥了重要的作用。 本章我拟通过回顾一些相关学科的史料，将材料科学的形成过程分阶段讲 述。这些学科均由分裂产生，但又在适当的时候，通过集成走向成熟。由此可 见，两种学科形成模式之间的区别并非是绝对的。我所列举的学科实例包括： 物理化学、化学工程、高分子科学，：还有胶体科学、固体物理学与固体化学以 及儿门力学学科。 2,1.1物理化学的出现 I9世纪中叶，尚没有物理化学(physical chemistry):这概念。而无机 化学（法国人称为“到矿物化学”）作为一门学科却存在已久。该学科主要涉及 各种酸、碱、盐的形成与性质，像当量和化合价等概念在当时都发展缓慢。不 同于无机化学，乃至截然相反，有机化学是蓬勒兴起的学科，其名字就隐含了 早期的理念：有机化学家们所感兴趣的化合物主要由碳、氢、氧组成，它们是 有生命物质所特有的领域。从这个意义上来说，这类化合物只能通过有生命的 有机体来合成。尿素的成功合成彻底地否定了这一观点。但在当时，有机化学 的名称已经被惯用。事实上，这一术语后来被沿用了将近两个世纪： 整个19世纪，有机化学家与无机化学家之间的矛盾愈演愈烈。事实上， 直到1969年，仍然有-一位著名的英国化学家声称：“无机化学是一门荒谬的领 域。”这段话出自Colin Russell在英格兰开放大学进行教学时对矛盾的发展给 予的精彩、清晰的历史描述(Russell.1976)。有机化学家曾一度侧重于新化 合物的合成和它们的成分分析。但许多混淆不清的现象（例如气体原子和分子 之间)，没有像立体化学和异构这些概念，缺乏对化学亲和力性质的理解，致 使有机化学家陷入寸步难行的困惑。重要的是没有统一的原子理论，更为严重 的是没有确定的原子量，特别是“无机”元素。I860年，德国化学家August Kekul6(18291896,后来他于1865年确定了苯环结构)在卡尔斯鲁厄 骑2黄学科的出现 15
(Karlsruhe)?组织了有可能是首次国际性的科学会议，大约有l40位化学家出 席了会议。会议期间，化学家们在大部分时间里都在争论。与会的一位意大利 化学家Stanislao Cannizzaro(1826~l910)重新论证了他的同乡阿伏伽德罗 (Avogadro):的假设（最初于1811年被提出，但很快被遗忘掉）。该假设澄清 了诸如H和H:之间的明显差异。在卡尔斯鲁厄的会议上，Canniz2zaro为阿伏 伽德罗的结论作了精彩的辩解，并散发了他所携带的一本小册子（这大概是首 次在学术会议上散发预印本)。这本小册子最终征服了众多对阿伏伽德罗的思 想持怀疑态度的人。这一思想今天我们在学校都会学到它。 这里所提供的截让.到180年时化学发展的轮廓说明，化学家们那时最不 感兴趣的事情包括化学键的性质与强度，也不感兴趣反应为何快速发生，他们 全力以赴地致力于合成方法以及确定新合成化合物中的不同原子数目。虽然至 1860年卡尔斯鲁厄会议之时，至少在德国，有机合成化学家占据了主流地位， 有机化学家和无机化学家之间的争执与对峙丝毫无助于学科的发展。 19世纪早期，曾出现过一批自然哲学巨匠，如道尔顿(Dalton)、戴维 (Davy),特别是法拉第(Faraday),他们喜欢将自已归类于物理学家或者化 学家。但到了19世纪后期，累积的大量科学信息使化学家们感到无力涉足于 物理领域，唯恐被认为是外行，反之亦然。 187?年，出现了一位毕业于化学专业却并不棋怕被认为是外行的人。他 就是德国的威尔海姆·奥斯瓦尔德(Wilhelm Ostwald)(1853~1932)。奥斯 瓦尔德在Dorpat获得了化学专业的硕士学位。Servos(1990)对这段历史的回 顾这样提到，“Dorpat是俄罗斯的波罗的海省中一个德国奖学金所能资助的偏 远角落"。Dorpat现在叫塔图(Tartu),已归屑于拉脱维亚，最近Siilivask 1998)对其在19世纪科学发展中所起到的极不相称的作用给予了考证。奥斯 瓦尔德是一位兴趣广泛之人，作为化学专业的学生，他花费大量时间于文学、 音乐和绘画上。今天许多人会说，这是一个理想的学生。在倾士考试期间，奥 斯瓦尔德就声称：“现代化学需要改革。”用Servos的话说：“奥斯瓦尔德的坦 言…实际上是他迫切地希望重塑周围学术与体制环境的早期信号，这一理念 在他的职业生涯中不断扩展。他寻求将化学家们的研究方向从研究参与化学反 应的物质转移至研究化学反应本身。奥斯瓦尔德认为化学家们过度地强调了化 学科学的归类定位，而狭做地拘泥于化学过程中所涉及物质的成分、结构与性 能。即使全部研究透彻，归类给化学的问题仍旧悬而未决。诸如化学反应的速 率、方向和产率。为了解决这些问题，并且促进化学从描述性的排列组合转变 为分析科学的阵营，奥斯瓦尔德认为，化学家应该研究化合物形成与分解的条 件，关注化学亲和力以及平衡、质量作用和反应速率等问题。他认为化学方程 式中的箭头和等号必须成为化学家研究的首要对象。” 若干年里，他留守在他那个偏远的地方，完善他关于化学亲和力的思想， 也仅有一名研究生辅助他。1887年，年仅34岁的奥斯瓦尔德被聘请担任莱比 16 走进柯料科学
锡(Leipzig)大学的化学系主任，而莱比锡大学是当时德国研究的强势单位 之一。他的生活由此而改变。奥斯瓦尔德起初将他的学院（德国人称系为学 院)命名为“普通化学“，不久就更名为“物理化学”。到了19世纪90年代后 期，物理化学一词已得到广泛应用。然而，属于奥斯瓦尔德的学院只不过是莱 比锡大学的第二化学学院。第一化学学院所从事的恰恰是奥斯瓦尔德嗤之以鼻 的有机化学。奥斯瓦尔德深知，实现他的目标离不开物理学，因为物理学的发 展已经越过了定性描述的阶段，到了由现象建立一般规律的阶段，面在他看 来，化学尚未达到这样的关键性阶段。奥斯瓦尔德对卢瑟福所言的“物理学和 集邮”那样的嘲手多少有些认同。：具有讽刺意味的是：卢瑟福因为在放射性方 面的研究获得了诺贝尔化学奖。奥斯瓦尔德本人也在1909年获得了诺贝尔化 学奖，尽管他在物理化学上奠基性的工作是质量作用定律，却以他在催化剂上 的工作被提名：（在瑞典科学院拥有足够信心明显地将化学奖授予一位物理化学 天才之前，这样做是为了避免唐突)。 正如奥斯瓦尔德所追求的那样，Servos对物理化学的研究对象给予了美 妙、清晰的解释。Laidler(1993)新近撰写了一部关于物理化学进展的专著， 在定义上的尝试更为谨慎。Laidler说：“物理化学可以定义为采用物理方法进 行研究的那部分化学，或者是与化学（即特指化学物质）相关的那部分物理 学，”说来说去，无法给出严格的定义，但他能够意会，心知肚明。Laidler所 尝试的定义尚不尽人意，因为奥斯瓦尔德的目标是摆脱物理化学仪仅专门适用 于个别物质的观点，尝试建立起具有普适性的规律。 奥斯瓦尔德来到莱比锡大学以后，与两位科学家建立了联系。他们便是荷 兰人雅科巴斯·范特霍夫(Jacobus van'tHoff,1852~1911)和瑞典人斯凡 特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius,1839~1927)。他们现在被认为是物理化 学的另外两个奠基人。有些历史学家认为Robert Bunsen(18I1~I899)也应 算做是奠基人之一。但实际上，Bunsen真正研究的仅仅是实验技术而不是化 学理论。 范特霍夫最初是一位有机化学家。他在1874年获得博士学位之时，已经 发表了关于“四价碳原子”的著名论文，这在后来产生了现代有机立体化学。 此后，他先是去了Utrecht,然后去了阿姆斯特丹，后来到了柏林。I878年 起，他开始了物理化学方面的研究，特别是关于反应动力学、溶液的渗透压和 高分子的研究(van't Hoff,1901)。1901年，范特霍夫被授予第个诺贝尔 化学奖。按照现在的一般规律来判断，由于他是上面三个人中第一个获得诺贝 尔奖的，他应该是三位早期科学家中，最为卓越和具有原创能力的。 按照个人的专长来说，阿伦尼乌斯起初是一位物理学家。他曾在斯德哥尔 摩与位物理学教授一起，发表了一篇关于盐水溶液电导率的论文。最近的一 本关于阿伦尼乌斯的传记(Crawford,1996)详细地披露，在1884年，阿伦 尼乌斯曾受到对他持怀疑态度的评审人的羞辱性责难，这几乎断送了他的科学 第2章学科的出跳