科学发现中的偶然与必然

“Many of the things that have happened in the laboratory have happened in ways it would have been impossible to foresee, but not impossible to plan for in a sense. I do not think Dr. Whitney deliberately plans his serendipity but he is built that way; he has the art—an instinctive way of preparing himself by his curiosity and by his interest in people and in all kinds of things and in nature, so that the things he learns react on one another and thereby accomplish things that would be impossible to foresee and plan.”¹

−Irving Langmuir (1881-1957) on working with Willis R. Whitney

【新闻来源：CCS Chemistry公众号】科学家常被认为是"谨慎的乐观主义者"，这意味着我们"虽对取得积极结果具有充分信心，但为确保万无一失，仍会竭尽所能使事情向最优方向发展"²。谨慎的乐观主义者既保持着对客观现实的清醒认知，又始终秉持对最佳结果的期待与追求。正是基于这种谨慎乐观的思维特质，科学家们往往能够主动接纳科研中的意外发现（serendipity）——因为在深层认知中，我们始终希望通过持续的努力去获得重大发现，甚至可能是诺贝尔奖级的突破性成果。

毫无疑问，持之以恒的努力加上明确的目标，一定会在某种程度上获得认可——这本身就是一种回报。然而，当成果远超付出努力的量级，或一个简单的实验意外带来重要发现时，又该如何看待？在科学研究中，我们使用"意外发现（serendipity）"一词来描述那些在探索过程中非预期获得的、具有重要价值的科研成果。美国化学家、1932年诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）曾提及，他的导师威利斯·惠特尼（Willis R. Whitney）将这种现象定义为"从意外事件中获益的艺术（the art of profiting from unexpected occurrences）"。¹

许多重大科学突破往往源于意外的偶然发现，而非精心设计的实验方案。在艺术创作中，艺术家的灵光乍现常被称为"缪斯的垂青"；但在以理性著称的科研领域，这种偶然性因素似乎难以获得认同——难道所有重大科学发现不都来自精密计算与严谨推演吗？事实并非如此。纵观科学史，意外发现催生的重大成果不胜枚举，以至于过去五十年来，学者们已开始系统研究其发生机制，并尝试构建"意外发现"的培育模式。目前，不仅对意外发现的类型进行了划分，更对其产生路径展开了深入探讨。这不禁引发思考：能否主动创造"可控的意外"？

英国布里斯托大学的Tim Gallagher教授在吉林大学举办的一场“科学发现的偶然之幸（Serendipity in Scientific Discovery）”的科普报告，为本期社论主题提供了重要启发。进一步挖掘，我们找到了英国萨塞克斯大学Ohid Yaqub教授提出的理论框架，他将科研中的意外发现进行了系统分类并归纳为四种类型³。

类型一：有目标的寻找解决了意外的问题（“Targeted search solves unexpected problem.”）³

第一种类型是研究人员所取得的成果并不是研究项目的目标。芥子气曾在一战时被用作化学武器，耶鲁大学的研究人员Louis Goodman和Andrew Gilman在研究如何治疗芥子气中毒时，通过分析曾暴露于芥子气的士兵医疗记录，发现这些士兵的白细胞计数很低。这一发现让他们想到，芥子气或其衍生物也许可用于治疗因白细胞过度增殖引起的癌症。现代化疗由此诞生，尽管这与最初的研究动机相去甚远。

类型二：有目标的寻找通过意外途径解决了现有问题（“Targeted search solves problem-in-hand via unexpected route.”³）

第二种类型是研究者解决了手头的问题，但方法出乎意料。这一类型的经典案例来自1839年美国化学家Charles Goodyear发现橡胶硫化技术。彼时，由于天然橡胶的可用温度范围过窄，全球化学家都在致力于提升其稳定性和耐用性。Goodyear也在这一课题上苦苦探索，却难有突破。转机来自一次偶然：他不慎将天然橡胶、硫磺和铅白的混合物洒在热炉上，结果生成了一种柔软而坚韧的新材料——硫化橡胶。Goodyear在此领域投入了数十年的心血，却通过一次意外的物质组合获得了橡胶硫化技术，促成了关键性的突破。

类型三：无目标的寻找解决了即时问题（“Untargeted search solves an immediate problem.”³）

第三种类型是指基础的、探索性的和无目标的研究意外地成为某个问题的解决方案。例如笑气（N₂O）麻醉作用的发现。1844年，美国牙医Horace Wells在一次观察笑气兴奋效果演示时注意到，一名男子吸入笑气后过度兴奋并在跳跃时伤到了腿部，事后却对受伤的过程毫无记忆。经过深入研究，Wells成功证实了笑气的麻醉特性和临床应用价值。时至今日，笑气仍是现代医学中的安全麻醉剂之一。

类型四：无目标的寻找解决了尚未出现的问题（“Untargeted search solves a later problem.”³）

第四种类型是指某个无目标的研究成果解决了以前未提出的问题（或尚未完全意识到但却存在的问题）。例如，特氟龙（Teflon）的发明。1938年，杜邦实验室的Roy J. Plunkett与助手在研发新型制冷剂时发现，加压气瓶中的四氟乙烯未能正常释放。打开气瓶后，他们意外发现瓶内生成了白色粉末状物质——四氟乙烯自发聚合形成了聚四氟乙烯，即如今广为人知的特氟龙。该材料商标注册后没过多久，它的年产量就超过了200万磅（约900吨）。特氟龙持续在炊具、服装、建筑、机械及医疗器械等领域有重要用途。

从理论层面理解科研中的意外发现，为审视那些深刻影响我们思维方式的意外发现提供了帮助。至于如何在科研实践中培育获得意外发现的能力，路易·巴斯德（Louis Pasteur）的名言“…机会只眷顾有准备的头脑（chance only favors the mind which is prepared）”⁴或可带来一些启示。威利斯·惠特尼也曾讲“需求并非发明之母，知识与实验才是其父母（Necessity is not the mother of invention. Knowledge and experiment are its parents）。”¹Yaqub的研究指出，研究者的个人特质——尤其是洞察力——会影响一个人获得意外发现的能力³。例如，十九世纪九十年代，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士（Sir William Ramsay，因发现稀有气体获1904年诺贝尔化学奖）观察到稀有气体在气体放电管中发光的现象。然而，将这一发现转化为改变世界的技术，却是法国工业化学家乔治·克劳德（Georges Claude）。他认识到这一现象的价值，于1910年成功研发出霓虹灯并推动了其商业应用。

意外发现虽无法刻意制造，但通过培养特定的科研习惯，可以提升遇见它的概率。《科学研究的艺术》一书中指出，“我们需要训练观察力、保持开放心态、培养对意外现象的警觉性，并养成审视每一个偶然线索的习惯。即使是最微小线索，也可能促成重大的科学发现。”⁵提升感知的敏锐度，留意研究中相关或看似无关的线索，并尝试将不同线索或现象相互联系。尝试思考：有多少不同方式可以解释你的实验结果？能否将其与既有研究（如CCS Chemistry发表的成果）建立关联......更进一步，暂时关闭内心的批判，让思维无所束缚、自由流动，不要过早否定任何想法。坚持记录观察到的现象和突发灵感，这些笔记很可能在未来某天成为新发现的起点。

2025年第6期开篇是两篇Mini-Reviews，分别是1）大连理工大学彭孝军、深圳大学陈小强等关于用于疾病诊疗的近红外二区化学发光材料的综述文章；2）华中师范大学肖文精、上海科技大学左智伟、华中师范大学陆良秋等关于不对称有机光化学合成的综述文章。此外，3篇Communications和20篇Research Articles涵盖用于交叉偶联反应的Pd(I)配合物、有机金属自组装圆柱体与桶状结构、碳纳米带、共价有机框架、电催化选择性氧化、有机电化学晶体管、燃料电池电催化剂、基于DNA的药物载体、光治疗染料、用于蛋白质设计的人工智能等方面的最新研究进展。每篇文章的导读请见：。

虽然我们无法刻意地制造“意外之喜”，但确实可以通过培养思维习惯，提高它在生活与工作中出现的几率。保持开放的心态、有一颗永不满足的好奇心、将看似无关的某些想法与现象联系起来、淡化自我批判、拥抱意外的结果——也许你无需刻意寻找，意外发现自会不期而遇。衷心希望阅读本期社论以及精选的研究成果，连同往期众多社论和研究论文，能给您的探索之旅带来启发与助益。

张希 教授

CCS Chemistry主编

E-mail: xi@tsinghua.edu.cn

Donna J. Minton 博士

中国化学会出版主管

E-mail: donna.minton@chinesechemsoc.org

参考文献：

1.

Suits, G.Willis Rodney Whitney, A Biographical Memoir;

National Academy of Sciences: Washington, DC,1960,pp

355–357. //www.nasonline.org/directory-entry/willis

r-whitney-femgbs/

2.

Wallston, K. A. Cautious Optimism vs. Cockeyed Opti

mism.Psychol. Health1994,9, 201–203.

3.

Yaqub, O.Serendipity: Towards a Taxonomy and a

Theory.Res. Policy2018,47, 169–179.

4. Merton, R. K.; Barber, E.The Travels and Adventures of

Serendipity: A Study in Sociological Semantics and the

Sociology of Science; Princeton University Press: Princeton,

NJ,2004, p 163.

5.

Beveridge, W.I. B.The Art of Scientific Investigation, 3rd

ed.; Vintage Books: New York,1957.

注：本文根据CCS Chemistry 2025年第6期editorial 翻译整理而成，原文请见：