布基球是如何被发现的——创造立体思维方法

第十九章　布基球是如何被发现的 ——创造立体思维方法

布基球也称“富勒氏球”，它是以美国建筑师布克明斯特·富勒(Buckminste Fuller)的名字命名的；有时也叫“巴基球”，大概是由篮球的英语字(Basketball)的第一个音节而得名。

实际上，布基球并不是体育运动上的篮球、足球一类的球，是新发现的由60个碳原子组成的一种特殊的化学物质。

那么，布基球是怎么被发现的呢?1985年，美国赖斯大学的罗伯特·柯尔(Robert F.Curl)、理查德·斯莫利(R.E.Smalley)和英国萨塞克斯大学的哈罗德·克罗托(H.W.Kroto)三位科学家，在赖斯大学进行为期11天的合作研究。在实验中，他们把激光强脉冲直射到碳表面，以便获得气态的碳。然后，再将释放出来的碳原子与氦气混合，使之结合成由数个至数百个原子组成的原子团。接着，把这样的气体导入真空室，气体经膨胀并冷却到接近绝对零度的低温，最终分别获得由60个碳原子和70个碳原子组成的原子团，其中60个碳原子的原子团数量很多，结构相当稳定。他们把这一研究成果最先发表在1985年11月出版的英国《自然》杂志上，这标志着一个新奇的化学物质被发现了^[1]。

过去，以纯碳形态存在的物质有石墨和金刚石，前者是平面结构，性质柔软；后者为立方结构，性质坚硬。现在，发现了第三种纯碳形态的物质，那它的结构又是什么样的呢?三位科学家，尤其是有着化学背景的物理学教授斯莫利，根据碳60的晶体结构，不断思索着，排列着。他脑子里闪现了一个足球的图像，于是他在封闭的球形壳体上找到了碳60原子的排列。同时，碳60的晶体结构形状又酷似美国建筑师布克明斯特·富勒为1967年蒙特利尔世界博览会设计的网格球体主体建筑，于是三位科学家把他们的发现命名为“富勒氏球”。

布基球是通过实验发现的，而它的结构是借助立体思维方法确定的，否则很难想象把60个碳原子有规则地排列在一个球形体内。布基球发现的重大意义在于，创立了一个崭新的化学分支，对于诸如天体化学、超导、材料化学和材料物理等不同领域的科学研究具有重大的意义。正是基于此，柯尔、斯莫利和克罗托三人共同得到了1996年诺贝尔化学奖。

从碳60的球形结构，我们对立体思维方法已有了一点感性认识。为了进一步了解这种思维方法的特征，我们引用一位心理学家测试学生的考题：请你在一块土地上种植4棵树，要求任何两棵树之间的距离都相等。接受测试的学生们，在纸上画了一个又一个几何图形，如正方形、菱形、梯形、平行四边形等。然而，没有一个图形能满足试题的要求。原来，正确的答案是：其中一棵树种在山顶上，其他3棵树种在沿山顶向下且与山顶上那棵树等距离的适当地方，于是就满足了试题的要求。

那么，为什么这些学生一时找不到正确答案呢?原因在于他们没有跳出常规的平面思维的限制，没有学会运用立体思维方法思考问题。所谓立体思维方法，是相对于垂直的、水平的或平面思考方法而言的，它又称为空间思维方法，是一种反映对象的整体及其周围事物所构成的立体联系的思维方法。这种方法能够更全面、更深刻地反映事物本质，揭示其他思维方法所不能发现的问题。

运用立体思维方法，是在对事物进行纵向分析和横向分析的基础上，把分析所获得的各个层次、各方面的认识融汇成为一个整体，形成新的认识，完整地揭示事物立体联系原貌。自然中万事万物大多有立体的构象，因此立体思维方法在认识客观世界中有着非常重要的作用。

一是在学习自然科学中的作用。至今记忆犹新的一件事是，大学三年级时我们要学习一门叫做“结晶化学”的课程。因为是一门新课，所以大家学得很认真，但期末考试时，却有50％的人不及格，几乎没有人获得优秀的成绩。同学们怪老师教授不得法，老师则认为学生不重视这门课。其实，这些都不是主要原因，问题在于我们那时跳不出传统的点、线、面的限制，没有建立起立体思考的观念，对于立体结晶中的对称中心、对称面、旋转轴感到抽象，难以理解。参加实际工作以后，对化学物质的晶体结构接触得多了，有了立体思维习惯，对晶体结构的理解也就容易多了。

出席美国1998年科学年会的科学家和教育家认为，21世纪的教育应当把几何学放在头等地位。这是因为当代的许多高新技术，无论是像CT扫描、核磁共振仪、多普勒彩色B超等医疗设备的成像技术，还是机器人、光盘、高清晰度电脑、天文学研究，都离不开传统的和现代的几何学理论^[2]。换句话说，也就是需要广泛应用到立体思维方法。所以有人说：“21世纪的教育——几何学万岁!”

二是在创造发明中的作用。运用立体思维方法从事科学技术发明的一个典型例子是集成电路的研制。在现代科学技术和军用装备中，经常要用到非常复杂而且灵敏度很高的电子设备，而装配这些设备，往往需要几十万甚至几百万个晶体管、电阻、电容等电子元件。如果把数量如此之大的元件组装成设备，不仅体积庞大，携带和使用不便，而且设备的性能也会受到极大的影响。怎么解决这个矛盾呢?能否把所需要的电子元件整体地制作在半导体的晶片上，从而制成具有特定功能的集成电子线路呢?科学家们经过研究，把电子元件的平面式的接线方式改为立体式的连接，充分利用真空扩散、表面处理、掺杂等工艺，制成了平面型的包含晶体管、电阻、电容的固体组件，并且把这些很薄的固体组件通过层层重叠的方式组装起来，构成了微型组合电路。在经过了小型、中型和大型的试验后，第一块大规模集成电路诞生了。在30平方毫米的硅晶片上，拥有13万个晶体管。很显然，如果没有立体思维方法的指导，那么就不会有集成电路的发明，也不会有今天这样高度发达的微电子工业。

三是在建筑和交通上的应用。一幢结构别致的高楼大厦，其本身就是一个立体的景物。作为建筑设计师，必须具有丰富的立体观念，他们的每一幅设计产品，就是一种立体思维的再现。

现代化的大都市，随着人口的增加和私人汽车的普及，城市交通越来越拥挤。出路何在呢?发展立体交通是解决问题的出路之一。用立体思维方法来思考交通问题，突破了平面的限制，为解决地面交通拥挤提供了多种的可能性。例如地下铁路、地下隧道、双层公共汽车、高架桥车道、立交桥、地下停车场、立体车库等，可以极大地提高空间的利用率。

四是在艺术创作上的作用。在以油画和雕塑为特色的西方艺术的创作中，立体思维方法更是具有举足轻重的作用。在现代艺术史上，雕塑作品《思想者》具有极大的影响。《思想者》是罗丹于1880年创作的，先是泥塑的，后由石膏模子铸成青铜像，高仅72公分，全世界仅有五六十尊。1902年，罗丹应雕塑家亨利·勒博塞的要求，制作了“巨无霸”式的《思想者》，高2公尺，重700公斤。现在，已知的“巨无霸”式《思想者》塑像仅22个。据拍卖商估计，如果有一个真品到市场上拍卖的话，至少可以卖到1000万美元。^[3]

《思想者》是一件雕塑作品，栩栩如生，是作者立体思维的再现。《思想者》在想什么呢?作者给我们留出十分广阔的思考空间：如果他是神，那他一定是在想宇宙的创造；如果他是艺术家，他可能是想艺术创作；如果他是科学家，他一定是在想未来的世界到底是什么样子?总之，关键在于观赏者本人，你自己认为他在想什么。也许，这才是作者创作的主要目的。

五是立体思维在农业发展上的应用——立体农业。“树上结西瓜”，听起来好像是一句笑话。然而，据报道，在河北省新乐市邯邰镇，却真的有长在“树”上的西瓜，这就是当地瓜农刘三锁首创的“吊蔓西瓜”。刘三锁是当地老瓜农，他发现地蔓西瓜不仅瓜形不好，而且着地部分由于不见阳光，容易长白瓤而影响甜度。于是，他开始给西瓜搭架，让瓜蔓沿着木桩向上爬，使西瓜吊在空中生长，当地村民戏称其为“西瓜树”。这种栽培方法使产量增加了近3倍，成熟期提早了5至8天，而且瓜形好，甜度也提高了。^[4]

“树上结西瓜”只是立体思维在发展立体农业方面的一个典型。其实，立体农业的发展前景是十分广阔的，例如无土栽培蔬菜、池塘分层养鱼、多种作物套种、改造梯田等，从而建立多层次、多功能、多途径的高效农业生产系统。人类未来面临着“人口爆炸”、环境污染、资源减少的严重威胁，在这种形势下，大力发展立体农业具有十分重要的战略意义，应当引起人口增速较快的国家的高度重视。

思考训练参考题

1.立体思维方法与水平思维方法、双向思维方法和多向思维方法有何区别?请对比阐明。

2.立体思维方法在电影、电视、动画艺术和电视广告上有何应用?请举例说明。

3.初学画者为什么要以人的裸体为摹本?这与培养他们的立体思维有什么关系?

【注释】

[1]文化报，1996-12-13．

[2]上海高等教育研究，1998(5)：15．

[3]参考消息，2000-03-01．

[4]武汉晚报，1998-06-13．