中国科学院院士唐本忠:科学研究的哲学反思与范式转移

来源 | 《财经》新媒体   

2022年12月18日 13:21  

本文4689字,约7分钟

12月17日,中国科学院院士、香港中文大学(深圳)理工学院院长唐本忠在由《财经》杂志、财经网、《财经》智库、财通汇联合主办的“《财经》年会2023:预测与战略”上指出,我们的生命科学已经到达了分子层次,人类身体里的任何一个分子,化学家在实验室都可以还原出来,但非常可惜的是,还没法把这些分子“堆”成一个人,甚至“堆”成细胞都不行,还原是有极限的。分子之上还有无限广阔的空间供我们开发,聚集体科学研究可以产生新的模型、新的假说、新的理论,帮助我们解决靠还原论没法解决的问题。

唐本忠表示,为了推动聚集体科学的前进,希望中国科学家搭建一个平台,让全世界的科学家都可以在这个舞台上表演。“我们办了一本新的杂志叫《聚集体》。中国科学家做了非常多漂亮的工作,但要投外国的杂志,因为我们没有自己的平台,所以中央号召我们一定要办中国人的高端的科学杂志,我们就办了这个杂志,我们希望不但要做好的研究工作,还要建好的平台,把中国科学的声音尽快向世界传播。”

以下为发言实录:

唐本忠:谢谢《财经》年会给我这个机会跟大家交流一下关于科学研究的哲学反思与范式转移。

我们知道,科学研究非常重要,科学研究其中有一个目的,就是了解自然,人们为了了解世界,了解自然过程,大家从不同的角度看这个世界,建立了很多研究模型,在生命科学,特别是物质科学,一般会还原到分子层次,在科学研究的早期阶段,人们曾经问过一个非常基础的哲学问题。

两百年前,意大利有个科学家叫阿伏伽德罗,它提出了分子的概念,什么是分子呢?按照他的定义,就是几个原子结合在一块形成了分子。他当时提的这个假说非常重要,但很遗憾的是,他19世纪初提出这个概念,当时的科学界认为他在胡说,一直到他去世以后,英国有个大科学家叫麦克斯韦,麦克斯韦在《自然》杂志上发了一篇文章叫做《分子》,这篇文章里,麦克斯韦定义了什么叫分子?他的定义,分子就是一个特定物质的最小的部分。麦克斯韦提出这个概念,科学界接受了,这是大概150年前的事情,从这个意义上讲,现代科学的历史是没有那么长的,也就是一两百年的时间,虽然科学研究的历史好几千年。

麦克斯韦关于分子的定义,从某种意义上讲,推动了科学研究的进步。现在是怎么定义分子呢?我们一般说一个科学术语、一个名词,它的定义最好找字典,非常有名的一个辞典叫《韦氏辞典》,说分子就是物质最小的粒子,有这个物质所有的性质。这个定义非常重要,奠定了分子主义或分子论,或分子科学认识论的基础,这就是我们现在搞化学研究的人研究分子,分子化学、分子物理、分子材料,所有的东西组合起来叫分子科学。分子科学在今天还是在物质科学里占主导地位的一种认识论或研究哲学。

这个哲学叫什么呢?叫还原论。哲学辞典上怎么定义还原论呢?任何一组实体都可以把它还原到另外更加简单或更加基础的实体。换句话说,一个整体不是任何其他的东西,只是它的部分之和,或者用更简单的语言来讲,就是1+1=2,1+1=2从某种角度上讲是对的,但我今天要讲它的局限、不足,分子科学是现代研究的一个范式,现代科学研究一个占主流的范式。

为了回答分子科学的局限性,我讲另外一个哲学,叫整体论。整体论的定义和还原论的定义恰好相反,即给定一个体系的所有的性质是不可以仅仅靠理解它的部分而加以理解,或加以解释的,整体不是由部分来决定的。还原论说整体由部分决定。并且进一步说,系统作为一个整体,会决定你的部分的行为,前面还原论说部分决定整体,部分加在一块变成整体,整体论说不对,整体决定部分。还原论现在占科学研究的主流,但整体论的哲学不是一个新的哲学,而是一个很古老的哲学。

怎么说呢?春秋战国,我们中国有些先哲,老子是影响世界的东方圣者,是中华哲学的第一人。老子说道生一,一生二,二生三,三生万物,实际上他在讲从渐变到突变的概念,一到二,二到三,但三就变成一万了,这个地方有个量子的跳跃。老子举了一个例子,九层之台,起于累土,合抱之木,生于毫末。这是我们中国先贤老子提出的。

和老子同时代的亚里士多德说,整体可以大于部分之和,意思是1+1大于2,西方经常讲TEAM,TEAM经常是这样的说法,叫我们每个人在一起可以发挥更大的作用,还原论是有它的问题的。我们知道,马克思主义哲学有一个非常重要的论点,叫做量变引起质变。美国科学家哈佛大学的教授安德森,1972年在《科学》上发了一篇文章“多了就不一样”,他说大而复杂的聚集体的行为是不可以仅仅靠把这几个粒子的性质简单外推而加以理解的。”还原论是外推,安德森说不对,不可以这么做,不可以把这些小的东西往外推得到整体的性质。他说,在复杂性的每一个层次都会有崭新的性质出现,这就是马克思主义的量变引起质变,东西多了之后,质就会发生量子性的跳跃,不是1+1=2。

把刚才讲的东西稍微整理一下,分子科学是什么意思呢?一个分子有这种性质,由分子组成的聚集体会有这种性质,这是一对一的关系。分子搞清之后,由分子组成的物质就搞清楚了,这叫分子科学。

这里我举个两个反例,一个是聚集淬灭发光,什么意思呢?比如一个分子可以发光,聚集之后,聚集形成的物质完全不发光,聚集把发光淬灭掉了,分子有这个性质,但由分子组成的物质没有这个性质。

另外一个例子叫做聚集诱导发光,这也是一个蛮古老的现象,分子不发光,但分子的聚集体或由分子组成的物质可以发光,这是0到1的关系,上面是1到0。显而易见,这两个系统都没法由分子论解释,特别是聚集诱导发光,分子不发光,学生一般肯定把它扔掉了,公司的老板也不会继续往下做,不会做手机的显示器,手机的显示器叫OLED,这实际上是分子的聚集体组成的薄膜。按照分子论,如果在实验室做的分子不发光,你一定不会做这个器件,这不光是哲学的问题,我们经常说哲学指导我们的行为,有这个研究范式,我相信有很多很好的东西都被科学家扔掉了,因为分子层觉得没有这个性质就扔掉了。在制药界,药的纳米粒子药效比药的分子药效好,很多人看到了这些,但没有把它好好的整理。所以我这里提了一个聚集体科学,不是分子论。

ACQ是什么意思呢?把它融在溶液里,它会闪闪发光,加水一聚集,发光就没了。AIE,刚开始分子是不亮的,聚集以后它就闪闪发光了,这两个东西恰好相反,是没法用分子论解释的。

有些细节就不详细讲了,我主要讲分子论到聚集体论,本来是讲AI的工作机制的,今天的听众都是业界的领袖,不一定是具体做科学研究的,所以具体的东西就不谈了。

一旦我们提出聚集体论,就可以做很多在分子层次做不了的事,比如我们合成了很多分子,单个分子不发光,聚集之后闪闪发光,颜色可以从蓝色到绿色、黄色、橙色、红色等等,并且量子效率高达100%,量子效率高就是非常亮。我们科学家现在在实验室,不管是做物理的还是做化学的,都是研究分子,为什么研究分子?分子科学的概念告诉我们,把分子搞清楚之后什么东西都搞清楚了。实际上真正是很少用单个分子的,像手机的屏幕,是分子的聚集体。我们现在发现,越聚集发光越好,就可以做很多很多事情,比如给它一个刺激,发光的颜色、强弱就变了,以前的液晶是不发光的,现在可以让液晶闪闪发光,可以做OLED,可以做圆偏振光器件,将来手机就可以是三维的显示,可以做光波导,控制光怎么跑,以后可以做光子计算机,可以做指纹,可以让病毒闪闪发光。如果做成水溶性,打到身体里是不亮的,一聚集就可以闪闪发光,可以告诉你身体里有没有病毒,有没有癌细胞,你的线粒体是不是健康,你的癌细胞在身体里怎么跑,血管有没有堵住,脑蛋白有没有纤维化,因为老年痴呆症就是脑蛋白纤维化,所以可以做很多很多事情。

我提的聚集科学实际上是在聚集的层次研究结构和性质的关系,同一个分子结构聚集的形式不一样,发光的颜色完全不是一回事。现代的有机电光理论,说一个东西要发光,必须要有兀电子共轭,这些东西很毒,非常难降解。我们现在发现我们吃的饭、穿的衣服、组成身体的蛋白,在分子层次不发光,但聚集之后闪闪发光。比如海藻可以发光。我们吃的面包,分子不发光,聚集以后发光,这是我们穿的衣服,也可发光。

机理就不讲了,我的时间差不多了。以前纯有机的东西是发荧光,但在聚集以后可以发磷光,还可以产生活性氧,活性氧是什么呢?见到什么杀什么,老鼠身上有没有肿瘤?有没有癌症?可以告诉你,我们一边看一边把它杀死,还可以做光热,一照了以后,温度升起来就把癌细胞杀死了。可以做海水淡化,每小时每平方米可以产生大概5公斤的水,我们可以做蔬菜工厂。我们的身体不喜欢紫外光,但被我们的聚集件转化成对光合成有用的可见光,植物就生长了,生长的速度增加800%,什么意思呢?大气里的二氧化碳就不够用了,现在讲双碳,减排限排,但我们可以变废为宝,一箭多雕。

范式转移,从分子科学到聚集体科学,在分子层次很多做不了的事,在聚集层次可以做得到,这里有个叫生物AIE,我们发现很多种草药都是AIE的,单个分子不亮,聚集之后闪闪发光。人吃了药,药到什么地方,我们不知道,药有没有起作用?我们也不知道,药发光的话,它一旦起作用之后发光的颜色和强弱会发生变化,我们可以完全把它搞清楚。我们还可以让它跑到肿瘤上去,把病毒杀死,正常的细胞没有什么影响。

我就不详细讲了,还有很多在聚集的科学层次的一些哲学问题,比如有协同论,有涌现论,涌现论就是从无到有。还有多元论,举一个例子,比如这个分子是完全不发光的,但聚集之后会生成无定形的聚集体,可以生成各种结晶,发各种不同颜色的光,一个不发光的分子聚集以后可以做好多好多事情。并且做成纳米粒子之后,纳米粒子中间排的很紧就可以发光,可以做生物成像,纳米粒子外面的东西可以动,五六十度癌细胞就能烧死。所以,一个分子的聚集体可以做好多好多不同的事。

分子与生命,我们生命科学已经到分子层次,身体里的任何一个分子化学家在实验室都可以还原出来,但非常可惜的是,还原到分子层次,但没法把这些分子堆成一个人,甚至堆成细胞都不行,还原是有极限的,我们现在把中国古老的哲学,比如我们的中医中药就是整体论,中医是不是头疼医头,脚疼医脚的。分子之上还有无限广阔的空间供我们开发,聚集体科学研究就可以产生新的模型、新的假说、新的图、新的理论,会加深我们对自然的理解,可以帮助我们解决靠还原论没法解决的问题,当然它会产生一些新的原理,新的工作机制,这些东西会指导我们设计新的聚集体系,开发新的先进功能材料。

为了推动聚集体科学的前进,中国科学家到目前为止一直是外国科学家搭个平台我们在上面表演,我希望中国科学家搭一个平台,让全世界的科学家都在这个舞台上表演。我讲的这个聚集体在分子之上,分子稍微一聚集就到纳米层次了,但纳米是外国科学家搭的平台我们在上面表演,我们现在是纳米、微米、毫米全部都可以当成聚集体科学进行研究,我们办了一本新的杂志叫《聚集体》,我们响应中央的号召,中国科学家做了非常非常多漂亮的工作,但要投外国的杂志,很多东西一投就给枪毙掉了,因为我们没有自己的平台,所以中央号召我们一定要办中国人的高端的科学杂志,我们就办了这个杂志,这个杂志现在已经非常好了,综合化学、综合材料和物质化学三个领域首屈一指的杂志,我们希望不但要做好的研究工作,还要建好的平台,把中国科学的声音尽快向世界传播。

我去年4月份从香港科技大学回到香港中文大学深圳校区,回来一年半的时间,我们马上又组织了一个很大的团队,感谢我团队的老师和合作伙伴,还有博士后、博士生。

谢谢大家!

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