学科交叉促成原创性研究

李冬生

摘要：从射电天文学重大成果的取得可以看出：学科交叉有本学科吸收其它学科理论和研究方法形成的；或已有交叉进入该学科形成再次交叉；还有该学科涉及另一学科重要问题而交叉。这些多重交叉为射电天文学取得众多原创性成果提供持续动力。学科交叉和相应的方法创新背后是科研者的科研经历、知识背景、敏锐意识等综合素质。

关键词：学科交叉；方法创新；射电天文学；科研素质

中图分类号：G122文献标识码：A文章编号：1004-633X（2011）05-0052-02

不到20年时间里4项诺贝尔物理学奖的授奖领域是射电天文学。射电天文研究短时间内多次获奖的重要原因是多学科交叉和相应的研究方法创新，这是不断取得原创性成果的持续动力。

一、学科交叉与方法创新促成重大成果

射电天文学在调查无线通信干扰过程中意外诞生。二战中，雷达技术和微波信号处理能力大为发展。战后，用这些技术和仪器尝试天文学研究，逐渐形成新的天文学观测范式。这些和后来的重大成果都离不开学科交叉与方法创新。

1、学科交叉与方法创新促成基础性观测仪器的关键性改进

单面望远镜极低的分辨率是射电天文学早期观测的极大障碍。赖尔（M.Ryle）等引入干涉实验方法制成的射电干涉仪提高了分辨率，但信号在馈线中的畸变是提高分辨率的瓶颈。突破瓶颈靠的是技术方法创新。干涉取决于相位，接收射电信号时如果同时记录时间信息，再以时间为基准就可以产生干涉图样而完全不用馈线。但是极微小的时间偏离就会丢失干涉图样。满足如此高精度计时的只有原子频标技术。原子频标是微波受激辐射放大器的副成果。微波受激辐射放大又是量子理论与微波波谱学学科交叉的产物。将这一新技术方法融合到射电干涉仪上，才使射电干涉仪的分辨率大为提高。

为了得到像光学望远镜那样的二维图像，赖尔提出可以通过综合多次射电干涉测量的数据获得，这就是综合孔径射电望远镜方案。综合射电干涉测量数据需要大量的傅立叶变换，只有运算速度高的计算机才能完成。随着计算机运算速度的提高，综合孔径望远镜才被实际应用。将计算机技术方法与射电天文观测融合是综合孔径望远镜真正实现的关键。

上述两种仪器都是射电天文学的方法创新，它们都是由学科交叉而引入有关实验或技术方法实现的。射电天文学中这两种基础而关键的观测设备，为后来取得重大成果发挥了重要作用。

2、学科交叉形成的方法创新导致众多原创性成果

运用综合孔径望远镜的初期就发现了射电源的行星际闪烁（interplanetaryscintillation），贝尔（J.Bell）在进一步研究中发现了辐射周期性脉冲的怪异信号，稳定的周期与当时精确的原子频标媲美。其实贝尔意外发现了脉冲星。[1]这类新型天体的发现，离不开综合孔径望远镜、原子频标这样的交叉创新。如前已述，它们都是学科交叉的产物。

类似上述的学科交叉促成的发展曾使英国射电天文学长期处于世界领先地位。微波接收和量子放大技术方法、微波波谱学等学科交叉使美国射电天文学异军突起。

通信技术不仅催生了射电天文学，三十多年后再次激发了射电天文学重大发现。彭齐亚斯（A.Penzias）和威尔逊（R.Wilson）用废弃的卫星通信天线对射电源强度绝对定标。设备本身的噪声是他们能否工作的根本限制。他们把贝尔实验室制成的噪声极低的量子微波放大器件安装于天线接收系统上。工作正式开始之前必须校准设备，但总的接收噪声一直超出各项噪声源产生的总噪声。无论何时，无论哪个方向，总有这一多余噪声。即使把天线上筑巢的一对鸽子赶走重新清洁天线以后，多余噪声仍然存在。其实他们意外发现了宇宙学理论预言的3K微波背景辐射。

3K微波背景辐射的发现，至少离不开两项技术方法的创新。一是卫星通信技术，一是微波量子放大技术。是卫星通信的需要，研制了方向性极好的天线，可以区分不同区域精确测量而不受另外区域的影响。微波激射器具有极低噪声的优势和很好的放大能力。这两项创新的技术方法通过学科交叉进入天文学导致意外发现。

分子天文学创始人汤斯（C.H.Towens）提出可以寻找宇宙中的OH（羟基）。他的小组利用微波波谱学事先精确测得了实验室中OH的谱线频率。最终，他的学生与他人共同发现了OH。20世纪60年代天文学四大发现之一的星际分子的发现，是将微波波谱学的理论和测量方法与射电观测方法交叉而取得的。

泰勒（J.H.Taylor）继贝尔之后发现了脉冲星。他与贝尔的重要不同是设计出计算机算法还原并识别被色散的脉冲星信号。[2][3]对于短周期脉冲星，色散延迟时间会超过它的脉冲周期时间，完整的脉冲信号就不能被识别。赫尔斯（R.A.Hulse）和他的导师泰勒决定冲击这个富有挑战性的课题，寻找短周期脉冲星。其中最重要最关键的是利用计算机技术进行消色散（de-dispersion）。如果知道脉冲星的色散量，那么将每一频段的色散延迟加到前一频段上即可实现消色散。但要搜寻新脉冲星，其色散恰恰未知，必须对所有可能一一尝试。这种尝试过程产生的数据流只有通过开发一种计算机算法才能有效处理。这种方法使他们意外发现了脉冲双星（binarypulsar）。这一意外发现是由于与计算机技术交叉的方法创新。下文将要谈到，它还是理论学科与射电天文学的学科交叉。

二、涉足外学科理论形成交叉

射电天文学观测必须与理论学科结合才能成为有意义的成果。它或者与理论结合而得到解释，或者形成对理论的检验。

1、脉冲星解释体现出射电观测结果与理论的必然结合

发现脉冲星前中子星研究仅局限于纯理论上。脉冲星发现时除两人外都倾向于用白矮星而不是中子星解释脉冲星。但这两个人的论文[4][5]既有基本理论也包含与观测的联系。后来发现两颗脉冲星的周期很难用白矮星理论解释。理论进而论证脉冲星周期会有缓慢增长，还论证了蟹状星云脉冲星能量损失与蟹状星云的能源大致相当。这两个论断都被以后的观测所支持。[6]对于这两颗脉冲星论证的成功[7][8]和用白矮星解释所遇到的困难，迫使选择中子星理论解释脉冲星。这两个脉冲星都是超新星爆发遗迹，也与中子星理论一致。

2、发现3K微波背景辐射是射电测量与宇宙学交叉的结果

大爆炸宇宙理论要求有背景辐射，但无人在意。迪克（R.H.Dick）等提出的振荡宇宙模型也要求背景辐射，正当准备探测这一辐射时彭齐亚斯与他们取得了联系。3K背景辐射应是辐射强度随波长变化的一条特定曲线。可是彭齐亚斯和威尔逊的发现只在波长一个点上。但彭齐亚斯和威尔逊的结果需要理论理解，而迪克的理论需要实验证据支持，因此理论与实验对接。在宇宙学早期阶段，获得这样一个观测证据既增强了验证宇宙理论的兴趣和信心，也向宇宙学的实验检验进一步提出了要求。接下来便是各种手段在尽量广的波长范围检验理论与观测的对应关系。COBE卫星最终进行了全面吻合的检验。

3、脉冲双星的观测结果与相对论交叉，形成对理论预言的检验

脉冲双星成了检验广义相对论的天然实验室。一是由轨道近星点的进动来检验；另一是由轨道周期的缩短间接验证引力波。这两种检验都需要脉冲双星的射电观测数据支持。通过对射电信号的长期观测和分析，以极高精度验证了广义相对论预言值符合双星轨道参数的测量值。因此，广义相对论与射电脉冲双星理论相联系，这种理论间的联系依靠对脉冲双星的观测数据搭建。

三、形成多重学科交叉的研究者

上述原创性成果都获得了诺贝尔奖。射电天文学也一直是非常活跃的学科。这与多重的学科交叉，特别是与灵活运用这些交叉的研究者不无关系。

1、学科交叉的多种形式

从科学史上看，射电天文学涉及的学科交叉有多种形式。这可以是技术学科或技术方法与射电天文学的交叉，像通信技术、微波波谱学与它的交叉。还必须有它与基础理论的交叉，像脉冲星、3K微波背景辐射的理论解释。已有的学科交叉也形成与它的再次交叉，像原子频标与射电干涉仪。还有它向另外学科的交叉，像脉冲双星与广义相对论。

学科交叉与方法创新既有本学科吸收其它学科理论与研究方法形成交叉，促进自己的发展，也有其它学科交叉的结果被本学科吸收形成的再次交叉，还有自己学科涉及其它学科关注的问题而形成交叉。当今科学存在着这种多重层次上的相互交叉。

2、学科交叉的基础是研究者素质

学科交叉和方法创新的基础是科学研究者，是他们的经历、知识背景、学识、敏锐的洞察和判断力以及他们的精神气质。这些经历与素质凝聚为研究者的研究个性和思想个性。

彭齐亚斯是汤斯的博士生，汤斯是分子天文学的创始者且以微波激射研究而获诺贝尔奖。他们一起做过星际氢的谱线研究，还都以物理学背景进入射电天文学领域。威尔逊的博士课题是银河系射电辐射，他以小时候养成的对无线电电子学的爱好进入射电天文学领域。赖尔牛津大学物理系毕业后在特别鼓励自由选题的卡文迪许实验室从事雷达研究，二战中又在英国军事部门从事雷达研究。他转向射电天文研究凭借的是二战中的工程技术锻炼。汤斯的愿望是基础理论研究，但二战中被迫从事雷达技术研究。这段经历反而使他关注微波与介质作用的理论研究，促使他转向微波波谱学和量子电子学。他既有理论研究的强烈愿望，又受益于对工程实践的熟悉。他的研究个性正是这两方面的结合，使他在微波激射器和分子天文学上都获得突破。赫尔斯认为泰勒提出的博士研究课题体现了物理学、射电天文学、计算机技术三个不同学科之间的完美结合。他们为脉冲星研究申请的计算机不能使用制造商提供的操作系统，他用打孔卡为计算机编写指令，还包括为外部设备驱动、中断服务等编程。当磁带驱动控制、多路模-数转换装置这类的设备意外故障时，他还是一个计算机现场维护工程师。他体会到：“在这种宽泛而基础的层次上通晓一台计算机并为它编程是十分有趣和值得的经历，一生中有一次这样的经历就足够了！”[9]这段经历后，他开发的一种计算机数据格式成为国际原子能机构交换数据的标准。

这一科学研究者群体有一个共同特点，就是既有兴趣爱好，又有基础理论，还有工程技术经历。这些使得他们具有不同于其他研究者的研究个性。当今科学尽管表现出大科学的研究特征，但要在科学研究中取得原创性成果，研究者的个性特征是绝对不能抹杀的，必须贯穿于科学研究中。这些个性来自研究者的知识背景和研究经历。

我们可以确切地说，学科交叉与方法创新的基础是科学研究者的综合素质。这些素质使他们有能力洞察学科发展的趋势，有能力引导学科发展的进程，有能力融入科学发展的潮流，有能力形成科学发展的前沿。这就是原创性。

参考文献：

[1]Hewish,A.etal.ObservationofaRapidlyPulsatingRadioSource,Nature,vol.217(1968):709-713.

[2]Huguenin,G.R.etal.NewPulsatingRadioSource,Nature,vol.219(1968):576.

[3]Burns,W.R.etal.,PulsarSearchTechniques,AstronomyandAstrophysics,vol.2(1969):280-287.

[4]Pacini,F.,EnergyEmissionfromaNeutronStar,Nature,vol.216(1967):567-568.

[5]Gold,T.,RotatingNeutronStarsastheOriginofthePulsatingRadioSources,Nature,vol.218(1968):731-732.

[6]Richards,D.W.etal.,ThePeriodofPulsarNP0532,Nature,vol.222(1969):551-552.

[7]Large,M.L.etal.APulsarSupernovaAssociation?,Nature,vol.220(1968):340-341.

[8]Staelin,D.V.etal.,PulsatingRadioSourcesneartheCrabNebula,Science,vol.162(1968):1481-1483.

[9]Hulse,R.A.,TheDiscoveroftheBinaryPulsar,ReviewsofModernPhysics,vol.66(1994):704.

作者简介：李冬生（1963—），男，副高级职称，南京大学科学技术哲学专业博士研究生。主要研究科学技术史与学科发展。

作者单位：南京大学哲学系，南京邮编210093