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德国诺贝尔奖的高产成因探析

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《安徽大学学报》2016年第4期

摘要:

在国家统一、教育改革、科研体制革新和哲学思潮兴盛的影响下,19世纪初德国成为世界科学活动中心。这一时期,德国涌现众多顶尖科技人才和科技成果。由于诺贝尔奖的授奖对象是在科学领域做出最重大发明或发现的人,因此19世纪和20世纪初德国科学家的卓越表现成为20世纪前期德国高产诺贝尔奖的直接原因。除此之外,爱国主义精神的激励、社会需求的拉动和工业技术的支持,也构成当时德国高产诺贝尔奖的重要原因。

关键词:

德国;诺贝尔奖;勒纳德;哈伯;科赫;埃利希

20世纪诺贝尔奖①设立之初,德国获奖数位居世界第一。开始颁奖的头十年(1901—1910),德国的获奖数占总获奖数的33.3%,远超法国的16.7%、英国的11.1%和美国的2.8%(表1)。并且,首届诺贝尔物理学奖、生理学或医学奖都被授给了德国人②。从1901年到1939年,即二战之前,德国的诺贝尔奖获奖数一直保持领先,老牌科技强国英国和法国始终落其身后。其间,德国获物理学奖的共11人,占物理学奖总数的23.9%;获化学奖的共15人,占化学奖总数的37.5%;获生理学或医学奖的共9人,占生理学或医学奖总数的21.4%;累计获奖人数达35人,占同期全世界获奖总数的27.3%。这种领先地位直到二战之后才被美国取代(图1)。那么,20世纪前期德国高产诺贝尔奖的原因究竟为何?

一、已有研究结论

有关20世纪前期德国高产诺贝尔奖的原因,可以从已有研究中找出一些答案。第一,1871年德国实现国家统一,资本主义工业化的高速发展对科学技术产生了巨大需求,结果不论是政府还是企业都为科技的发展提供巨大的支持①。第二,19世纪德国的教育改革,为中等教育引入自然科学知识②,为高等教育确立“对科学的追求”和“个性与道德的修养”的双重任务③,使注重科研的高等教育成为推动德国走向现代化的引擎④。第三,19世纪德国还建立了一套从基础理论到应用研究的科研体系⑤,科研院所、协会、实验室等机构的成立使德国的科学研究迅速体制化,专业化的协会和实验室极大地提高了相关科技领域的研究效率。第四,德国哲学的繁荣也促成了科学的繁荣⑥,特别是自然哲学通过对科学的启蒙以及与科学的紧密结合成为德国科学发展的先导⑦。

可以说,国家统一为德国科技发展提供了稳定的社会环境和强烈的社会需求;教育改革为德国科技发展培养了大量人才,奠定了科学研究的崇高地位;多层次科研体系的确立为德国科技发展注入了活力;哲学的发达为科学的发展奠定了思想基础。这些无不说明当时德国的社会背景中存在不少有助于促进科学技术快速发展的因素。然而,德国20世纪初期何以能获得如此之多的诺贝尔奖?要对此作出令人信服的解释,有必要考察一些更为具体的原因。

二、19世纪德国科学的兴隆

进入19世纪后,德国的科学很快迎来兴隆期,并迅速超越法国和英国,成长为世界科学活动中心。在物理学领域,欧姆(1789—1854)在电与磁方面做出了许多独创性的研究,提出了欧姆定律;迈尔(1814—1878)、亥姆霍兹(1821—1894)、克劳修斯(1822—1888)对能量守恒定律的建立做出了巨大贡献;基尔霍夫(1824—1887)则创立了电流定律、电压定律和热辐射定律等。在化学领域,韦勒(1800—1882)合成了尿素;李比希(1803—1873)发明了分析有机化合物的新方法;凯库勒(FriedrichKekulé,1829—1896)确定了苯的化学结构;拜耳(1835—1917)合成了靛蓝等。李比希领导的吉森实验室更是成为当时欧洲化学研究的中心。在生理学和医学领域,施莱登(1804—1881)、施旺(1810—1882)建立了细胞学说;埃伦伯格(1795—1876)发现了细菌;微耳和(1821—1902)建立了细胞病理学等。

19世纪末和20世纪初,德国在物理学、化学、生理学和医学领域取得的这些成就,逐渐获得世界公认⑧。这为德国学者在科学界赢得了良好声誉,也对他们后来接连不断地获得诺贝尔奖起到铺垫作用。实际上,德国20世纪前期的很多诺贝尔奖得主的科研工作都是对这一时期工作的继承与发展,甚至就是在这一时期展开的。由于诺贝尔奖的授奖对象是那些在科学领域中做出最重大发明或发现的人①,所以在其创立之初,拥有最多科学成就的德国获得最多的诺贝尔奖也就顺理成章。

三、名师出高徒现象

19世纪德国科学的兴隆,为德国吸引了一大批世界顶尖级科学家。这些科学家来到德国后,大都集聚在研究型大学中。资料显示,1901—1939年德国诺贝尔奖得主中的85%都是在德国的大学中接受的高等教育②,并且大多师从名师,甚至不少导师本身就是诺贝尔奖得主。例如,勒纳德(1862—1947)、维恩(1864—1928)、普朗克(1858—1947)都曾师从亥姆霍兹;费歇尔(1852—1919)、维尔斯泰特(1872—1942)、毕希纳(1860—1917)、魏兰德(1877—1957)都曾师从拜耳;赫兹(1887—1975)、劳厄(1879—1960)曾跟随普朗克学习;菲舍尔(1881—1945)、温道斯(1876—1959)、瓦尔堡(1883—1970)都追随过费歇尔;埃利希(1854—1915)、冯•贝林(1854—1917)都曾跟随科赫(1843—1910)学习过。

由于是紧密的师承关系,所以师父不仅毫无保留地将自己的研究经验与诀窍传递给下一代,而且还将自己的社会资源共享给下一代。在德国,博士生③通常以科研助手的身份跟随导师从事相关研究,既是学习者又是研究者,这种角色定位很容易将导师和博士生之间的关系塑造为师徒关系加“父子”关系。这种关系既强调学术知识的代际传承,也注重品德修养的衣钵相传④。除科学知识与研究经验和诀窍外,博士生还能从导师身上学到很多从事科研时不可或缺的批判精神、严谨态度以及研究信念。而且,诺贝尔奖得主通常都拥有比较多的社会资源,其弟子在其帮助下,可以更容易地接触到所在研究领域内的学术成果和社会资源,从而进入核心学术圈。简言之,借助科技和教育的领先地位,德国的学生在本国就可以受到最好的教育。而且几乎每一所德国知名大学中都有多名世界顶尖的科学家,以致青年学者更愿意留在德国工作。这种优势积累效应的结果是,德国科学的影响力不断扩大,德国的科学家始终站在世界科学的最前沿。这就为他们不断获得诺贝尔奖奠定了坚实的科学基础和社会基础。接下来,本文将通过三个典型案例进一步揭示德国诺贝尔奖获奖群体的特征,以加深对德国20世纪前期何以能获得那么多诺贝尔奖问题的理解。

四、站在巨人肩膀上的勒纳德

1862年6月7日,勒纳德出生在匈牙利普瑞斯堡(现为斯洛伐克的布拉迪斯拉发)的一个富有的酒业世家。勒纳德幼年一直在家中接受教育,9岁时才进入教会学校,中学时进入实科中学学习科学。在校期间,他的数学和物理成绩尤其突出。他曾借阅大学教科书,自修这两门课程,并在家中搭设实验设备,进行物理、化学实验。他还曾利用整个暑假研究当时兴起的摄影术。在未出版的自传中,勒纳德写道:“当高中生活结束时,一阵痛苦的空虚感充满了我的生活。”他的父亲想让他继承家族事业,但是勒纳德想要继续念书。经过长时间的争论后,他的父亲暂时同意他念书,但他只能在维也纳和布达佩斯的理工院校就读,而且必须选择酒化学专业。勒纳德对酒化学并不感兴趣,经过几个枯燥的学期后,勒纳德加入了父亲的生意。然而,勒纳德内心中对科学的向往并没有减少,德国科学界的活力一直让他羡慕不已。1883年夏,勒纳德利用工作攒下来的钱前往德国。他在海德堡遇到了自己的偶像———著名化学家罗伯特•本生。本生的讲座唤醒了迷茫中的勒纳德,使他下定决心要成为一名科学家。

再次与家人发生争论后,勒纳德终于获得支持,从此正式走上科学研究的道路。他先在海德堡大学学习了四个学期,又在柏林大学学习了两个学期。当时德国的大学中大师云集,在名师的指导下,勒纳德很快进入科学前沿。受物理学家亥姆霍兹的启发,1885年勒纳德在柏林开始撰写他的学位论文《关于降落的水滴的振动》,1886年他在海德堡完成论文,并获得博士学位,成为海德堡大学著名物理学家昆克的助手。

趁学校放假,勒纳德返回家乡普瑞斯堡。勒纳德在中学就读时,曾与他的老师维吉尔•克拉特一同进行过物理研究,但当时并没有做出什么重大成果。此时的勒纳德再次找到克拉特,重启他们当年的研究。勒纳德与克拉特的合作,开辟了勒纳德科研的一个重要的领域———磷光现象,勒纳德在这个领域耕耘了40多年。

在海德堡大学做了三年的助理后,勒纳德去英国待了半年,就职于“伦敦城市和工会中心研究所”的电磁和工程实验室。1891年4月1日勒纳德来到波恩大学,成为著名电磁波专家赫兹的助理。赫兹曾研究过阴极射线,他发现使用阴极射线轰击铝箔时,铝箔底部会发光,但是由于工作繁忙赫兹一直没有进行相关的实验。在得知勒纳德对阴极射线感兴趣后,赫兹让其进行相关的实验研究。勒纳德在赫兹的指导下,于1892年发现“勒纳德窗”,他用一块铝箔代替石英板封闭放电管,铝箔的厚度恰好可使管内保持真空,又薄到可以让阴极射线通过。这样,科学家不但能研究阴极射线,而且也能研究阴极射线在放电管外引起的荧光现象。正如勒纳德后来所说:“这一发现第一次使得完全纯粹的实验成为可能。”1905年,勒纳德因为对阴极射线的实验研究,获得诺贝尔物理学奖①。勒纳德的一生很好地体现了德国社会对科学家的影响。富有的家庭背景使他从小接受良好的教育,并进入当时主要教授自然科学的实科中学。在中学物理老师的带领下,他接触到当时物理实验的前沿,并在家中进行相关的实验,这都激起他对自然科学的兴趣。高等教育的改革,使以科研为导向的大学生活成为常态,加上德国大学名师云集,勒纳德可以跟随不同的名师学习,使其很快进入核心科研领域。尤其是后来跟随赫兹学习,使他得以进一步研究阴极射线,并因此获得诺贝尔奖。可以说,勒纳德是站在巨人的肩膀上成长为巨人的。勒纳德的经历并不是孤例,从德国诺贝尔奖得主的学习背景来看,大部分的诺贝尔奖得主都师从名师,他们的工作也都受到前人的影响或启发。因此,当时德国的科学家通过对前人工作的继承与发展,形成了一个强大的科学共同体,从而使他们更有获得诺贝尔奖的条件和可能。

五、爱国主义者哈伯

德国的科学家为了祖国的统一和富强,大都怀有报效祖国的志向,力争在自身所从事的研究领域做到世界领先,并积极将自己的研究成果应用于军事或经济领域,以提高国家的综合实力。例如,毕希纳、布劳恩(1850—1918)、弗兰克(1882—1964)、赫兹等一战时都曾参军,利用掌握的科学知识服务于战争;拜耳、哈伯(1868—1934)、博施(1874—1940)等在化工领域打破国外的垄断,为社会经济和军事的发展提供保障;勒纳德、斯塔克(1874—1957)等更是在纳粹时期走向极端的民族主义。其中,哈伯可以说是受爱国主义影响进行科学研究的典型代表。1868年12月9日,弗里茨•哈伯生于德国西里西亚的布雷斯劳(现为波兰的弗罗茨瓦夫)的一个犹太人家庭。父亲齐格弗里德•哈伯是德国最大的天然靛青进口商。哈伯在当地接受了正规的初等和中等教育。中学时,哈伯受家庭环境的熏陶,对化学产生了浓厚的兴趣,在家中进行了大量的化学实验。中学毕业后,哈伯先后就读于柏林大学、海德堡大学和夏洛腾堡理工学院(现为柏林工业大学),1891年获博士学位①。

作为犹太人,哈伯不可避免会遭遇种族歧视的情况。尽管在德国统一之后种族歧视有所减弱,但是人们对犹太人的偏见仍然无处不在。不过,生性乐观的哈伯并没有为此而感到烦恼。后来,哈伯放弃了犹太教,改信基督教。他认为只要犹太人展示出奉献精神,贡献出科学成就,国家就会承认他们的价值,并最终接受他们。他梦想所有的犹太人都可以转变为现代的德国人,共同为德国的繁荣而努力。受家庭和社会两方面的影响,哈伯的爱国主义信念不断加强。为实现德国繁荣发展的目标,哈伯将科学和民族主义紧密地联结在一起。他坚信科学可以带领民族、国家屹立于世界之林。19世纪,德国科学家发现含有氮元素的硝石在农业和军事方面具有很高的战略价值。氮元素既可以用来生产化肥,提高农作物产量,也可以用来生产炸药,提升军事力量。然而,由于德国本土资源稀少,又没有可以提供硝石的殖民地,长期以来德国非常依赖对智利硝石的进口。如果拥有强大海军的英国封锁了德国从南美进口硝石的通路的话,德国的农业和军事将会遭到致命的打击。为了防止这一灾难的发生,唯一的方法就是找到德国自己生产肥料和火药的方式,而不再依赖国际贸易②。

解决这一困境的最佳途径就是从含有大量氮元素的空气中提取氮元素。许多德国化学家出于国家战略的需求,都投入利用氮气和氢气合成氨的研究中,例如奥斯特瓦尔德(1853—1932)、能斯特(1864—1941)等,哈伯也是其中一员。1902年,作为德国化学部门派出的大使,哈伯参加了美国电化学学会年会,目的是促进大西洋周边的友好协作。同时他还是一名间谍,目的是窥探竞争对手的实力③。在参观设在尼亚加拉瀑布附近的一座电弧法固氮工厂后,哈伯立即意识到这项技术对德国的重要性。回国后,哈伯便开始着手从事电弧法固氮研究,但因实验进展不够理想,故从1904年开始他将研究重点转向合成氨。经过多年的努力,哈伯终于获得成功,并在1910年3月卡尔斯鲁厄召开的自然科学家联盟会议上公布了合成氨的研究成果④。1918年,因发明了氨的合成方法,哈伯获得诺贝尔化学奖。

一战期间,哈伯积极为德国的战争服务,并曾谋划化学战。战后,作为战败国,德国陷入了极其险恶的经济困局。为了解决这一难题,哈伯参考瑞典著名化学家阿伦尼乌斯(1859—1927)关于海水中富含黄金的观点,萌发了从海水中提炼黄金以支付战争赔款的想法⑤。虽然这一想法最后被证明是错误的,但是哈伯为了国家利益而从事科学研究的精神却始终如一。坚持国家利益高于一切的爱国主义信念普遍存在于当时的德国诺贝尔奖获奖群体之中。爱国主义促使科学家将科学研究与国家利益联系起来,成为德国科学家从事研究不竭的精神动力。

六、在社会需求与技术支持影响下从事科研的科赫和埃利希

19世纪末20世纪初,西方微生物学得到高速发展,细菌学说的确立为现代医学奠定了基础。这一时期,德国科学家对细菌致病学说做出了开创性的贡献。除了个人的努力之外,德国科学家能够在19世纪末20世纪初做出如此出彩的成就离不开当时德国社会对生物医学迫切需求的推动,以及工业技术对微生物学研究的支持。

1871年德意志统一后,工业化和城市化的快速发展,使德国社会对公共卫生和卫生学产生巨大的需求。19世纪80年代,为了消除工人阶级与德国社会的隔阂,俾斯麦设计了意外和健康保险的政策,这一政策又刺激了医疗护理和服务消费的快速增长。此外,军队对士兵健康护理的需求,也使得医疗卫生成为军事战略中必须思考的问题①。这些不同的背景因素共同促使德国政府大力推动医学科学的发展,诸如细菌学和免疫学的研究也正是在这些社会需求的驱动下取得巨大进展。罗伯特•科赫是最先抓住这一机遇的人。他经常要求政府增加对他开展科学和医学研究的财政支持,并且总是极富技巧性地提出他的科学计划,证明其对解决德国社会问题的重要意义。例如,拜访军事委员会时,他着重强调细菌学研究对军事目的的重要性;去殖民部门时,他强调他的研究成果对疟疾等热带疾病的防控作用;到文化部时,他表明对其独立的研究学会的支持将会确保德国在细菌学领域的领导地位,远超法国和美国②。在政府的支持下,科赫在细菌学领域展开诸多细致的研究。1884年,他总结出确认某种特定细菌为某种特定疾病的病原菌的四条原则。在科赫的实践与理论的引领下,19世纪八九十年代成为科学家发现病原菌的黄金时代③。从事细菌学研究,有一项仪器必不可少,那就是显微镜。虽然早在17世纪就已经有了显微镜,但是由于图像失真,显微镜在医学和生物学研究领域一直没有发挥太大作用。进入19世纪后,随着技术的进步,图像失真问题逐步得到解决,显微镜才得以成为医学研究中必不可少的工具。

18世纪时,英国的光学仪器制造在世界上处于领先地位。但是到19世纪中期,德国光学机械工业迅猛崛起,使得德国显微镜的质量不断提高,以至德国的微生物学家可以使用由蔡司(Zeiss)、雷兹(Leitz)等公司制造的先进显微镜④。先进显微镜的问世,使德国的科学家可以比以往更为清楚地观察微观世界。然而,很多微生物即使借助先进显微镜也看不到,因为它们往往是透明的。在显微镜下,水是透明的,血清也是透明的,白细胞看起来像白色的斑点,细菌则像鬼影,想仔细观察组织切片几乎不可能,因为所有的东西都相互混在一起⑤。如何辨明这些透明物质成为一个难题,而德国染料工业的发展为解决这一难题做出了巨大贡献。

 19世纪中期,合成染料工业诞生于英国。1857—1867年间,英法的染料工业居于绝对领先地位。但是从70年代开始,德国的染料工业飞速发展,开始超越英法。1878年,德国染料产量占世界的47%~50%,1883年占60%,1896年占72%,1900年占80%~92%,处于绝对领先地位⑥。德国的有机化学家更是发现,染料不光可以用于纺织业染色,而且还可以在医疗或农业领域发挥更大的作用。利用染料对组织切片进行适当的染色,原本透明的细胞和细菌便从背景中凸显出来,如此观察者能够看清细胞壁、细胞核、线粒体、微细胞器和其他细胞内部结构①,这使微生物学研究获得突破性进展。与科赫同一实验室的埃利希曾痴迷于用不同的染料给不同种类的组织着色。他不断尝试,想要找到一种只会与病原体结合的染料。他还猜想如果能够找到这种染料,是否就可以利用这种染料携带一种毒素进入人体杀死病原体,从而使病人康复。后来他研制的治疗梅毒的“撒尔佛散”(Salvarsan)就是在这一思想指导下完成的②。

科赫和埃利希的工作都得到德国染料企业赫斯特公司的支持,从这家公司他们获得实验研究所需的充足染料③。在探索将染料当做组织染色剂使用的过程中,埃利希成为染料化学的专家。利用埃利希制造的染料,科赫发现了导致肺结核的细菌。埃利希又与冯•贝林一起对白喉进行研究,通过给病人注射抗毒素来治疗白喉。这些成就使他们三人先后获得诺贝尔生理学或医学奖。德国在生理学、医学领域取得的辉煌成就深刻反映了社会需求对科学研究的拉动以及技术进步对科学研究的促进作用。其实,在军事、农业等需求的拉动下,德国的物理学和化学也同样获得快速发展,哈伯和博施的固氮法、拜耳的合成靛蓝、布劳恩对无线电报的改进都是很好的例证。可以说,社会需求的拉动和工业技术的支撑是德国得以高产诺贝尔奖的另一个重要原因。

七、结语

基于上述考察,可以得出以下几点结论:首先,国家统一、教育改革、科研体制改革和哲学思想的繁荣等为德国科技的发展创造了有利条件,促使德国在19世纪发展为世界科学活动中心。在科技优势和教育优势的双重作用下,德国的科技人才和科技成果在19世纪末20世纪初形成一种优势积累的效应。众多顶尖科技人才和科技成果的涌现,使德国在诺贝尔奖上的丰收成为必然。其次,追求民族强盛的爱国主义不仅是德国实现国家统一、走上现代化道路的精神动力,而且是推动教育改革、促进科技发展的力量之源。科学服务于国家利益的信念,使得德国的科学家们为了祖国的繁荣富强,积极从事前沿科学研究,并形成德国诺贝尔奖获奖群体独特的精神特征。再次,医疗、军事、农业等领域对相关科学技术的迫切需求成为德国诺贝尔奖得主从事科学研究的重要牵引力,政府和企业的支持也为他们的科学研究提供了财政和制度上的保障。最后,德国制造业的快速发展,使其可以生产世界上最顶尖的实验设备和仪器。在这些实验设备和仪器的支持下,德国科学家得以做出世界顶尖的科学成就。可以说,工业技术的进步成为德国科学家获得诺贝尔奖的重要推手。

作者:夏钊 单位:北京大学哲学系

安徽大学学报责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次