〔编者按〕贝尔纳教授是英国著名的物理学家，被称为科学学的奠基人。这篇文章是他作为文学创作素材提供给苏联作家波列伏依的，并于1978年发表在波列伏依的短篇小说集《侧影》中。
一、最初的动机
这是很早以前的事了。我生长在爱尔兰中部的一个穷乡僻壤。那里对科学知道得很少，甚至闻不到科学的气息。我清楚地记得，第一批汽车的出现是多么震动我们的小城镇啊！每当举行什么比赛，人们就蜂拥上街去观看。
我知道科学这玩意儿是什么东西、但对科学的概念却极其模糊。我听说，科学能帮助人们了解一切。最初推动我去了解科学的，是我妹妹发生的一件事。当时我才五岁多，而她则是刚会在地上爬的孩子。妹妹把一根针刺入自己的膝盖，并且把针折断在皮下。事情当然非同小可，办法只有一个：把小姑娘送到最近的一座大城市——利默里克去。这座城市离我们家约有三十英里。我是小孩，当然没有被带去。但后来有人对我说，妹妹被送到医院去了，那里有一台非常奇异的透视机——X光机。医生给她拍了片子，看到了针的阴影，并且把这根针取出来了。我感到惊讶。这X光机是什么东西呢？它怎么能透视呢？
我想，也许是它的光特别强，以致可以穿过人体，用阴影来表示骨头。在夏天晴朗的天气，你用手遮着太阳，它能穿过手指发出玫瑰色的光，好像透出骨头的阴影一样。因此，我就认为X光是一种十分强烈的光。问题是怎样获得这种光。
我小时候生得很胖，受到特别优待，可以在床上看书。当时我们每天晚上点蜡烛，但为了让我看书，给了我一盏煤油灯。我想，如果用最白的书把煤油灯围起来，只留出一个小孔，让光透出来，并且要把手放在这强烈的光下，那么手就能透光，看到骨头。那时我不懂物理，而最糟糕的是，我是一个完全不中用的实验者。这样堆叠书的结果是：我刚把手靠近小孔，一大堆书就塌了下来，发出可怕的隆隆声，把煤油灯也撞翻了，它的玻璃储油罐也被打碎了，煤油在地板上向四处漫流开来，幸亏没有烧起来。声音震惊了父亲，他从楼下跑上来，看到这一切情景既好气又好笑。好气的是煤油灯打碎了，好笑的是我总算没有把房子烧掉。我至今记得，父亲狠狠地揍了我一顿（从前这是司空见惯的）。可是他却使我下了更大决心要搞清楚什么是X光，怎样搞到它。
我已经说了，科学当时对我来说还只是一个模糊的概念。大约过了一年，当时我七岁左右，这概念稍微清楚了一些。在我们的书籍中有一本文选，在这本文选的最后，记着法拉第八十多年前在皇家大学为孩子讲课的笔记。什么是皇家大学，谁是法拉第，我都不知道。但《蜡烛的化学史》这个标题吸引了我，因为蜡烛对我来说已经是熟悉的东西了。至于化学，我一窍不通。有什么办法呢，也许读一下这历史能懂的。我就把《蜡烛的化学史》读了，它引起我极大的兴趣。蜡烛的火舌在熊熊燃烧，而烛芯却是暗的，因为烛芯中有可燃气体。把蜡烛吹熄，气体就会冒烟并散发出一股气味，就可证明这一点。但最使我迷住的是“氧”和“氢”这两个怪词，这是我从未听说过的物名。那里还讲了怎样获得氧和氢。
要获得氧，看来还不容易，因为需有曲颈瓶，还要有其他什么从未见过、从未听说过的仪器设备，而文中又没有图。因此我认为，搞氢更可靠一些。我仔细地读了有关要求。“取一点稀释的硫酸，在弗洛连斯瓶中与锌粒混和”。这些名称的含义我不懂，但我想，药房里也许都能搞到。我把这些名称端端正正地抄下来，就去对妈妈纠缠说：我做实验需要，请你给药房工作人员写一张便条，把东西卖给我。妈妈对科学懂得比我还少，她连法拉第的《蜡烛史》也没有读过，就依我的意思写了一张便条。司药把我要的东西卖给了我。可是我白白买了，因为我手中是只矾油瓶，即浓硫酸瓶。浓硫酸会给我和全家造成很大的损失。幸亏“稀释”这个词教了我。稀释，就是说，要倒些水。我也在硫酸里倒了些水。结果是意想不到的，它给我说明了科学的分量。硫酸突然热了，几乎沸腾起来。我害怕了，但奇迹也就此告终：液体冷却下来了。因此我就认为，就是这么回事，没有什么可怕的。
“弗洛连斯瓶”问题在我脑海里留下来了。这是只什么瓶，我不知道。但在我们的餐具柜里放着一只旧的长颈瓶，外面裹着稻草，从商标来看，过去是装佛罗伦萨酒的。再要找有关“弗洛连斯瓶”的资料我就很难了。然而这的确十分相似，因为佛罗伦萨人几百年前制造的酒瓶成了现在的烧瓶原型。
现在又产生了一个问题：在什么地方进行实验？妈妈定了一条规矩：“在家里不许搞任何实验。”因此我只好到后院去搞实验了。那里有一个老树墩，我决定把弗洛连斯瓶放在树墩上。在做好一切准备工作之后，时间过了，黄昏降临了。那是在冬天，天已经开始黑了。“不管它，我仍要做实验，”我作了这样的决定。我非常害怕，把锌粒装入弗洛连斯瓶内，在上面倒了些硫酸，结果什么事也没有发生。真的什么事也没有发生！锌粒在瓶内，被硫酸浸着，全部情况就是这样。“还有什么其他情况会发生呢？”我想着。在文集中有许多各种各样的故事，神话的和笑话的，这只是许多神话或笑话中的一个。原来这科学全是谎话和胡说！
要去吃晚饭了，然后睡觉。虽然我感到十分扫兴，但还没有完全失望。入睡前，我决定再去看一看最后的结果究竟如何。我悄悄地溜到院子里，那里当然已经什么也看不清楚了。天已黑。但我大致还记得树墩在什么地方，就往那里走了。伸手不见五指，但又必须看一看。于是我就从口袋里取出一盒火柴，划了一根，凑到瓶子跟前。谁知一声爆炸声，把瓶子打得粉碎！
我站在离树墩还不太近的地方，真是吓死了。手上只溅到几滴硫酸。但这时我才完全相信科学不是胡说。这两件事就是最初促使我去研究科学的动机，虽然当时在爱尔兰要成为一名科学家并不是件简单的事。在我弄清硫酸的化学作用之前，在认识到我将毕生用X射线来研究晶体结构之前，又过去了许多年。说也凑巧，我也像法拉第很久以前一样，后来在伦敦皇家大学当实验员，在他曾经工作过的那间地下室里工作。
二、水的结构
我开始在皇家大学威廉 · 布拉格那里工作，研究各种晶体的结构。后来我转到剑桥大学去，过了几年对霍普金斯的工作发生了兴趣。这位科学家可以说是生物化学的奠基人。依我看，他提出了晶体结构能回答的问题。使我特别感兴趣的是作为一切生命基础的物质——蛋白质。但是，为了了解蛋白质的结构，首先要在结构上懂得一切生命中更共同的东西，即产生生命的东西。对水，我就是这么看的。
正是水这一最古老的大元素（泰勒斯认为世界是由水组成的），常常使物理学家和化学家陷入困境。在某种意义上说，水虽是最典型的液体，但只要作进一步研究，就能发现，水根本不同于我们对正常液体的理解。对我们来说，水的这些差异大多具有重大的意义。
举例说，当液体变为固态时，它的分子就排得更密集，物质就更重，密度就更高了。许多液体，例如大多数金属冷却时就是这样。而水的情况恰恰相反。水冷却时变得更稠密，但最大的密度点是在摄氏四度时。低于这温度，水就变得轻一些。水结冰时变得更轻，而且轻了许多，因此冰能浮在水面上。自然，如果水不具有这一反常的性质，如果所有河流和池塘不是从上面开始结冰，而是从底上开始结冰，那么整个地理学，还有生物学就将变得颠三倒四了。
我们现在已经如此熟悉这一性能，似乎它是不言而喻的了。然而对它并没有作出解释。如果说水的另外一个性能，那就更一般了：为什么我们周围的水是液体，而不是气体？它的分子很小，只有一个氧原子和两个氢原子。硫化氢（H2S）的分子要重得多，但硫化氢是气体。水分子是最小分子中最轻的分子，它们之间的内聚力为什么足以使水在一般的温度下成为液体呢？化学家们往往回避这一难题，提出了一个理由，认为水不是一般的液体，而是一种缔合液体。它的分子缔合起来，成为脱氢的大分子等。对我这个物理学家来说，这一切听起来都十分模糊，不能表示满意。我认为，为了了解生命中的水的作用，必须从根本上说明它的结构。
当我在1932年跟英国物理学家和化学家代表团到苏联去参加科学讨论会时，我仍在考虑这个问题。我们一部分时间在莫斯科，一部分时间在列宁格勒。在此以前，我已经到苏联去过一次，但现在才第一次与苏联科学家有频繁的接触。应该指出，这次接触是我们所有人巨大的创造性动因。弗兰克耳教授的工作给我留下了特别深刻的印象，他于1952年故世，对物理学来说，是一个很大的损失。我们与他讨论了他特别感兴趣的许多固态和液态问题。不言而喻，由于在苏联逗留期间排满了会见、访问和参观，我们简直就没有可能和时间来研究基础理论了。然而，这样的可能性最后还是有了，并且正是在苏联。
我们的访问快结束了。我们已经看到了一切，钱也花完了，最后离境的手续也都办好了，准备十月初回到剑桥大学去任教。
我们是乘船从英国来到列宁格勒的，从莫斯科准备乘飞机回去。当时莫斯科机场启用还不久，飞机起飞非常准时。要求我们四点钟前到达机场。因此就产生了一个问题：无论如何不能睡过头。俄国人解决这个问题也许非常简单：不睡就是啦。但我却设法搞到一只闹钟，大概是整个物理研究所唯一的一只闹钟。我们按时来到机场，但发现飞机没有任何可能起飞。机场上笼罩着大雾，并且也不知道雾什么时候能散开。
没有别的办法，只好等了。可是当时候机室里没有任何设备。既没有地方可吃些东西，也没有地方可坐。我们只好在雾中踱来踱去，希望大雾早些散开。如果雾不散，那我们就会有不少麻烦：改换路线，重新办理离境手续，还要搞些钱，以及由于改变计划不可避免地会产生的上百个困难。但总要利用等候的时间做一些事呀！我和福勒教授（现已故世）在机场旁走来走去，海阔天空地闲聊，最后转到科学话题上来了。最使我们感兴趣的是雾，自然就谈起雾来了。雾由水组成，由大约千分之一毫米的水滴组成。首先令人奇怪的是，这些水滴形成后不会变化，否则就会变成雨了。然而雾一般不变成雨，只能是雾，它的水滴缓慢地沉积，慢到几乎看不出来。
这样，我们谈到了水。福勒教授是热力学专家，但对结构理论不太了解。他要我解释水的结构，讲一讲我对这个问题是怎样理解的。因此，我又根据我们在莫斯科讨论的情况重新考虑了一下这个问题。我突然想到，掌握水的全部本质的关键在于分子本身的结构。虽然我们通常用H2O来表示水的分子，对氢原子在分子中如何排列也不加说明，但在书面上最简单的办法是排成HOH，即排在一条直线上。然而，水分子不可能这样排列，因为如果是这样的结构，含有两个正氢原子和一个负氧原子的分子就不带电了，就不具有一定的方向性和力矩了，而水具有十分强烈的电力矩，它的特点也许就在于此。只要两个氢原子都从同一个方向衔接起来，就能形成这样的电力矩：
我的老师威廉 · 布拉格在此以前很多年，就揭示了冰的结构。他发现，冰的每个水分子周围都有四个其他的分子组成四面体（三角锥）。氢原子是如何排列的，他不能确定，而且那时谁也不能确定。起先认为氢原子排在中间，在氧原子之间。但如果我们设想氢原子不是排列在氧原子之间，而是在它们的内部，那么每个水分子就会自然地与其他四个分子结合：它本身的氢原子与两个分子结合，而邻近分子的氢原子与另外两个分子结合。这样，冰比水轻的反常事实就可得到解释。如果这组或那组分子与其他四组分子结合，那么一般就可能有多种排列方法，因为结构疏松，与其说像包装好的散弹或豌豆，不如说像一条花边。关于这种四部分的花边结构，我们已经知道一些情况。我们是根据石英的结构了解的。这种结构是希伯在实验室里发现的，我在此前不久也曾在那里工作过。
石英是二氧化硅的常见形式。在二氧化硅中，分子也与其他四个分子毗邻，每个硅原子有四个与它毗邻的氧原子，每个氧原子结合两个硅原子。有几种可能的方法来进行这样的排列，其中之一十分清楚地体现在石英中，而硅火山岩——磷石英是另外一种排列方法。磷石英的结构与冰的结构十分相似。石英在结构上比磷石英重，比它密实。我想，如果水的结构不是与磷石英相似，而是与石英更相似，那么就能理解为什么水比冰重。
在我们踱来踱去的那几个钟点里，我发展了这个想法以及其他许多想法。说实在的，在我们这次访问中，这是最闲的时间：你可以溜达，可以思考问题，可以聊天，总而言之，再也没有事可做。而我喜欢一面走走，一面思考问题和聊天。下面可以看到，有时这样做可收到良好的效果。这一次，如果我的谈话对象不是福勒，那么也就只能随便聊聊了。我已经记不清，我说到什么地方时，雾突然像神话一般散开了。十月的天气又晴朗了。虽然早晨早已过去，——我们在半夜三点多开始聊天，现在已经是下午四点钟——但飞机总算起飞了。
飞机把我们送到不远的柯尼希斯贝格。但不管怎么说，我们离开了，理论也诞生了。福勒对我说：“一定要用书面形式写出来”。（这我自己倒没有想到）书面叙述虽很枯燥，但十分有益。当我拿起笔的时候，我又发现，在这雾沉沉的清晨，我头脑里突然出现的那些清醒的想法大多还要进行很大的加工和提高。论点还需披上数学的外衣。但原来的基础没有动。几个月之后，我与福勒合编的关于水的结构的著作就问世了。说也奇怪，这个理论已经坚持二十多年了。我至今认为，如果不是到苏联访问这个动因，如果不是在那里多待一天，这个理论也未必会产生。
我的故事的第二部分要讲我怎样把研究简单物质作为出发点，来研究最复杂的蛋白质结构的。这是两年后发生的事。
蛋白质的结构分析问题至今还没有解决。我们只是开始看清这个问题的实质。而在当时它几乎是个谜。蛋白质的作用是大家已经公认的。恩格斯认为生命是蛋白体存在的方式。这些蛋白质是极其复杂的物质，在每个分子内有几万个原子，对化学家和结晶学家来说都是难以解决的问题。
蛋白质是晶体物质，早在十九世纪初就被认为是这样的物质了。人们发现，许多简单的精液放一会儿就会变成很好的晶体。红血素（血红蛋白）晶体是早就知道的。当现代结晶学家用X光机看到晶体的时候，他马上就想揭示它的结构，用X光机摄下衍射图像。可以这样说，自1913年起，即从布拉格发现起，许多人想摄下蛋白质的X光片，但毫无结果。蛋白质晶体，看上去是非常好的晶体，晶面平，棱线锐，可是在X光片上却是模糊的斑点，而不是反映晶格的图像。我感到，对这一奇怪的结果须要搞清楚。但我没有晶体。虽然我有时也能在显微镜下看到蛋白质的小晶体，但真正有用的晶体从未见到过。我常听说有很好的蛋白质晶体，但每次又说，晶体溶解或被扔掉了，现在已经没有了。
蛋白质晶体还有另外一个奇特的性能，可使人们有理由认为，它实际上完全不是晶体。问题是它违反了结晶学一条最根本的规律：晶面间的角度是不变的。在蛋白质晶体中，角度能变化：有时锐，有时钝。晶体时而这样时而那样向不同方向膨胀和收缩。因此，许多人认为蛋白质晶体是一种假晶体，是虚构的晶体。可见，X光片拍摄不好也就不足为奇了。而我则坚持认为一定能拍摄好，并把这个想法告诉所有碰到的人，告诉所有我去过的实验室。但我自己又不期望这样讲会有什么结果。结果还是得到了。
我们第一次到苏联去的时候（1931年），有一个青年化学家格伦 · 米利肯与我们同行。他是一个登山运动员，一个很有进取心的青年。十分遗憾的是，他后来在登山时牺牲了。他的旅游热情很难抑制，时常到什么地方去，但在关键时刻总是到场的。他可爱、坚毅，做什么事几乎都行。米利肯十分喜欢旅行。他旅行时通常轻装，带一只背包。
1934年夏天，米利肯到北拉普兰去登山，经斯德哥尔摩回来时，他在史文特贝格实验室停留了一下。史文特贝格是超离心机的伟大发明者，这种设备能测定蛋白质分子的大小。米利肯与一个工作人员交谈了一下，习惯地看了一下实验室，发现架子上面什么东西闪烁了一下。
“那瓶子里是什么东西？”他好奇地问道。
谁也记不得了。大家看了看标签。原来瓶子里放的是胃蛋白酶，即胃消化酶。当时巴甫洛夫正在研究这种胃蛋白酶。蛋白酶放在架子上已很久了，被人遗忘了，因此结晶了，而且晶体不是微小的，是很大的，肉眼从远处也能看得出来。米利肯想起我需要好的晶体，因此要了几颗，从瓶里给他取了几颗晶体，放在试管里，还从瓶里倒了一些胃蛋白酶液。米利肯把试管放进了口袋。
到剑桥后，他径直往我这里来了，把装有晶体的试管交给了我。我十分高兴，想：“瞧，现在能摄好X光片啦！”我取出一颗晶体，把它放到X光机上拍片。片子上仍旧什么也看不见，我所需要的东西的的确确什么也看不到！我这时倒并不灰心，心想：如果集中注意力看，一定能发现一些什么东西。但我当时不知道仔细看什么。我非常失望。要知道，这一次所需要的一切都有了。晶体有了，晶体能使X射线衍射，可是衍射没有发现。这就是说，一定有什么问题。什么问题呢？难道是因为我从自然介质中取出晶体吗？我突然想起要在晶体生成的胃蛋白酶液中研究晶体。我就挑了一根细试管，用一只古怪的取样勺钓出一颗晶体。我把晶体连胃蛋白酶液一起舀出来，然后封住试管，拍了照。使我惊讶和高兴的是，摄了一张极好的衍射图像。
这仅是很长历史中的一个开端，但已经表明，蛋白质分子具有完全等边的空间序列。现在，当我们知道这一点的时候，数十位研究者正想揭开原子排列的谜了。这要花很多时间，靠许多人的努力才能取得进展。我们在我们的实验室里出力推动这件事，解决原子在晶体中的排列问题。但我要讲的还不是这个问题。我只想说明，怎样才能在科学上有所发现。可能有人认为，这完全是碰运气，是偶然的机会，在某种意义上说，本来就是这么一回事、但是，如同关于父子在田野里刨金的寓言一样，运气只有在你知道到哪里去寻找，在你准备不怕疲劳，充满信心地去挖掘的时候才会碰到。