作者:梁琰 来源:中国科学报 发布时间:2018/2/23 9:54:52
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科学之美无处不在

 锌置换铅的化学反应

■梁琰

小时候一到暑假,我几乎每天都去姥姥家找表哥玩。姥姥家虽然也在城市里,但旁边有一片小树林,这里成了我和表哥探索自然的乐园。

一日,天空下着小雨,我们又来到小树林。突然,看到一只从来没有见过的蓝色大蜻蜓落在墙面。我悄悄地接近它,心里扑通扑通地跳,又兴奋又紧张,害怕把蜻蜓吓跑。最后成功地捉住了这只蜻蜓。当我近距离观察它,发现蜻蜓的眼睛好像两块圆圆的蓝宝石,胸部和尾部有漂亮的蓝黑交替花纹,太漂亮了!

看见科学之美

这只蜻蜓所代表的生命之美无处不在,只要我们放慢脚步,留心观察,就可以发现很多大自然的巧妙设计。而生命科学能带给我们的则是在日常生活中接触不到的生命奇迹:从热带雨林中极乐鸟的缤纷色彩到深海中发光海洋生物的“灯火表演”,从显微镜观察到的放射虫精密的外骨骼到用X射线衍射实验解析出的具有正十二面体对称性的病毒自组装结构。生命的美会拉近我们和自然之间的距离,提醒我们也是自然的一部分。

生命科学是自然科学的一个分支,而不同的学科则拥有各自不同的美。比如天文学带给我们的太空照片让我们感到自己的渺小和宇宙的宏大。作为“美丽化学”和“重现化学”的主要创作者之一,我分享一下对化学之美的理解。

化学的本质是研究物质的组成和变化,创造新物质。从某种意义上说,化学之美也是变化之美,是化学反应之美。与生命之美相比,化学之美也许会让人感觉很陌生,这可能有两个原因。第一,虽然化学反应无处不在,比如烹饪过程包含众多化学反应,人体内每时每刻都在发生的不计其数的化学反应。第二,目前的化学教育把化学反应抽象成需要学生记忆的化学方程式,过分强调计算和解题,学生根本无法体验到真正的化学之美。

为了让更多人感受化学之美,2014年我们创作了“美丽化学”项目,其中我们用微距镜头近距离拍摄化学反应,并使用特殊反应容器,避免常见化学容器(如试管和烧杯)产生的视觉干扰。2017年,我们又发布了“重现化学”项目,把化学反应作为创作的一个元素,结合优美的音乐和精心的剪辑,以更艺术的视角展示化学之美。在我们的影片中,化学之美是颜色之美:铬酸银的红色、氢氧化铁的橘色、碘化铅的金色、氢氧化镍的绿色、氢氧化铜的蓝色;化学之美也是形态之美:立方的食盐结晶、针状的醋酸钠结晶、树枝状的硫酸钠结晶;化学之美也是联想之美:氯化银沉淀好像漫天飘雪、锌置换铅的反应好像一幅中国水墨画、锌置换银的反应好像一片广袤的森林。

认知层面的科学之美

科学之美不仅体现在视觉和其他感官层面。著名科学家费曼有一位艺术家朋友,在谈及欣赏一朵花的美时,这位朋友认为只有艺术家才能体会到花的美丽,而科学家要对花进行解剖和研究,从而破坏了花朵的美丽。

费曼回应说:“我可以欣赏一朵花的美。同时,我可以看到更多我的艺术家朋友所看不见的。我可以想象在花朵细胞中发生的复杂变化也是美丽的……进化过程中,花朵用颜色吸引昆虫授粉很有意思,这说明昆虫是可以看到颜色的。这就引出了一个问题:低等动物是否也有审美能力?为什么会有审美能力?对所有这些有趣的问题,科学知识仅仅是增加了一朵花带给我的兴奋、好奇和敬畏。”

费曼这里提及的科学之美是认知层面的科学之美,科学知识不但可以帮助我们更深入地理解自然的美丽和伟大,而且会引发我们提出更多问题,激励我们在未知领域进行探索。

这里再举一个化学反应的例子。“化学花园”是一类经常在科普活动中给孩子演示的化学反应:丢到硅酸钠溶液中的金属盐会与硅酸钠溶液反应,产生可以生长的不溶物,好像有了生命一样。这种生长和生命有关系吗?100多年前,法国科学家Stéphane Leduc认为化学花园反应可以解释生命的机理,并创造了“合成生物学”(Synthetic Biology)这个词汇。我们现在知道,生命的化学基础要远比化学花园中的无机反应复杂得多,Leduc的观点是错误的。然而,近几年NASA的科学家推测,因为某些化学花园会产生原始生命可用做能源的氢离子浓度差,地球上的生命有可能起源于类似化学花园的海底热泉结构。而且“合成生物学”在现代科学中也拥有了新的含义:科学家可以用工程学的方法,赋予生命系统新的本领和功能。100多年间科学家对化学花园深入研究让我们对生命有了更深入的理解,这正是在认知层面科学之美的体现。

当然,化学之美会在什么程度改变大众对化学的态度,激发孩子对化学的兴趣,以至于在将来有更多年轻人愿意从事与化学相关的工作?这些问题都需要进一步研究和论证。但我相信,在感官和认知层面让孩子感受到科学的美丽会提高孩子对科学的兴趣,为成功的科学教育奠定坚实的基础。

(作者单位:中国科学技术大学)

《中国科学报》 (2018-02-23 第3版 科普)
 
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