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[转载]曹冲为何没能成为阿基米德

(2012-10-10 09:05:35)
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分类: 博文转载
通俗深刻,值得细细读!
    周立伟院士认为: 中国人的直觉能力是世界最好的, 但缺少实证与理论升华意识。

  

    周立伟院士,电子光学专家,1999年当选中国工程院院士。现任北京理工大学教授、博士生导师;北京理工大学首席专家、校学术委员会委员和校科协主席;兼任全国博士后管委会专家组委员、北京光学学会理事长等职。



  我前段时间出了一本书,叫做《科学研究的途径》。主要是给我的研究生们讲科学研究的方法。我今天花一个小时的时间给大家讲科学研究的方法,因为对象不太一样,我们这里有很多年轻人,也有很有经验的老同志老学者,我做报告的时候讲得稍微通俗一点。

  ■与文学相比,科学研究多一个验证期

  清末大学者王国维说:“古今之成大事业、大学问者,必经过三种之境界,昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路,此第一境也;衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴,此第二境也;众里寻她千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处,此第三境也。”这三句词,本是描写男女之间的思恋之情、爱恋之情的。王国维用来比喻一个人要成大事业大学问所经过的三重境界。我觉得他比喻得非常生动。

  科学研究和艺术创作里面都存在三个阶段:第一个阶段就是高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段;第二个就是探索阶段,就是勤思苦虑、孜孜以求的探索阶段;第三个就是不断追求终有顿悟的收获阶段,就是豁朗期。把准备期、探索期、豁朗期用到科学研究这里来。王国维先生的比喻不但是真知灼见,还有深度的哲理。但是,我觉得从事科学研究的人还需要另外一种境界,这种境界就叫验证期,王维诗里“行到水穷处,坐看云起时”,行到水穷处讲的是实践检验,坐看云起时就是理论升华,这两句话很贴切地描写了我想要求的那个情景。因为创造性思维,不是想通了就能解决问题,也不是就完成了创造。如果我的思想停留在顿悟的时期没有继续深入下去的话,不去验证它、加工它、升华它,我觉得就是止步了,他本来应该还有更重要的成果。所以科学家和文艺家、文学家的差异可能就在这里。

  还有,文学艺术的创造和科学探索求知的过程都是非常复杂的,客观的观察和分析,深入的思考和创造的想象力,对于文学艺术和科学研究的创造,过程大致是相同的。但是我可以老实告诉大家,比如像我,有逻辑能力,有抽象思维能力,但是我总缺乏形象思维能力。我跟一个作家一起到外边去,他回来以后就写了一本书,可是我的体会就不如他多,我就写不出来这本书,虽然我见的东西可能比他还多,这就是能力。但是我的能力是对科学问题进行抽象,这两个过程大概相仿,所以我觉得进行科学研究,最主要的还是逻辑思维能力,但形象思维能力也很重要。一般说来,文学艺术重灵感、重形象思维,科学研究重实证、重抽象思维、重逻辑方法以及在现有经验下寻求问题的解答。

  此外,我觉得文学艺术关注的主要是内在精神世界,我们读李清照的诗“生当为人杰,死亦为鬼雄。至今思项羽,不肯过江东。”这是当时她抒发对项羽的怀念和敬仰,李清照表达的是她个人的情感,现在也许有人不认同,这是没有关系的。但物理科学观察的运动、物体、力,是很实在的客观世界,他不是一个内在的精神世界。

  不管科学还是文化艺术都有灵感的孵化的问题。有好多人觉得文学家有灵感,实际上不仅文学家,科学家也需要、也有灵感,也需要有突然的顿悟,我自己也常常是在思考这个问题的时候,百思不得其解,可是由于我一直在追求这个问题,追求的时间太长了,经过脑子反复思考,于是有一天突然出现了某一个解。二次微分方程是很难解的,往往我不是解出来的,而是猜出来的。我猜的结果往往一代进去就是这个解,方程两端等于零。这就有一个灵感的问题。灵感出来以后很重要的就是要有证明,按照物理学的方法,用抽象的方法、数学方法,结果我的灵感得到了证实

 

我总结一下科学创造的四个阶段。第一阶段,王国维写的是“昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路”,我这里写的是“玉伟珠藏,秋水欲穿,不知伊人何处寻”。第二阶段,王国维写“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”,我用“抱朴唯恒,欣凄两忘,触物皆有会心处”来代替。第三阶段是“众里寻她千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”,我写的是“心有灵犀,意所鸥会,皇天不负苦心人”。第四阶段,“行到水穷处,坐看云起时”———也就是“格物致知,穷极穷理,悟乾坤真机真境”,最后要把事物的真实的客观面貌、客观事物的真理展现出来。

    ■科学研究的途径:发现、观察、归纳、综合

  下面讲科学研究的途径,这里面就包括怎么样把问题提出来,怎么样找突破口,怎么样提出假设,怎么样把假设含义展开,怎么样找出错误。然后我讲一下我自己科学研究方法的例子。

  所谓科学研究,广义讲就是创造知识,或综合整理知识的工作,在科学技术的现有水平上前进一步。科学研究必须以取得新的结果作为衡量成功与否的标准,这就是一个创造性劳动。新的结果可能是一个新的发现、新的理论或是新的方法、新的工艺,也可能是新材料或是新器件。科学研究是在前人基础上有所创新,所以科学研究全过程当中贯穿着创造性。

  大学生、研究生和博士生,他们之间的差异到底在什么地方?我认为通俗地讲,作为一个大学生,他主要是学习知识;作为一个研究生,他主要是学习知识和应用知识;作为一个博士生呢,他主要是学习知识、运用知识和创造知识。所以我们要求,博士研究生必须在论文当中有创造性的东西,也就是说我们科学研究要做的,就是前人没有做到的、前人没有达到的结论。

  在科学史上就有很多这样的例子。比如伦琴发现X射线,他就是埋头实验,通过细心观察,发现一种射线。这些射线当时不知道叫什么名字,所以他就取名叫X射线,这个发现在1900年的时候向全世界公布。当时他还用X射线照出来一张他太太手的骨骼照片,这是人类第一次可以看到人类手的骨骼的图像。另外一个,琴纳通过接种牛痘来防治天花,这也是通过细心观察,发现可以通过接种牛痘防治天花。这是一种途径。

  第二种途径呢?居里夫人当时感觉沥青里面有放射性元素,她要把它提炼出来。当时大概买了400吨沥青的废矿石,用了800吨水,炼出来1克的镭。后来她又发现了另一种放射性元素,为纪念自己的祖国波兰她将这个放射性元素命名为钋。从这个实验中,我们可以看到居里夫人花费了多大劳动!所以我觉得居里夫人真是我们科学家当中的一个典范。

  还有达尔文,他通过广泛观察,体会悟出了进化论———物种是怎么演化的;还有就是麦克斯韦电磁场理论,它最主要就是通过前人很多定理,像法拉第、安培等好多人总结出的实验定理,归纳提出了四个公式,并从中发现了电磁波。后来他证实了光也是电磁波的一种,麦克斯韦的电磁场理论是现在科学家研究电磁学的基础。

  同样,爱因斯坦提出来的狭义相对论和广义相对论。这些在当时可以说是一个异端,大家都觉得很难接受。比方说狭义相对论有个例子,他说两个孪生兄弟,一个乘接近于光速的火车到太空去了,等他回来以后他发现他的另外一个兄弟老了,而他自己还是年轻的。像这样一种结论,在当时大家觉得好像奇谈怪论,但是实际上就是这个样子,物质随着速度的提高它的质量就提高而时间变慢。

 

    还有像维纳,把不同的学科组织起来,最后建立了控制论。

  上面讲的这些大科学家,他们走的路径都是不一样的。这说明我们走向科学的途径,或者获得创造性成果的途径不是就一种样,也不存在一种一成不变的方法。


  ■科学研究的能力:提出问题、提出假设、培养正确的思维方式

  我认为要从事科学研究,最主要是培养三种能力,一个就是提出问题确定选题的能力。这个我们很多同学好像觉得,提出一个问题、确定一个选题好像很简单。实际呢,从李政道先生的角度来说,提出问题比解决问题还要重要、还要困难。因为你提出问题,你要有坚实的基础理论和广博的知识,那你必须要对这个学科有尽量深刻的了解,才能提出深刻的问题。你必须要自己阅读了很多文献以后,进行搜集资料、判断,你得找。你必须要有一个很强的好奇心———这里面存在的问题我要去解决。所以提出问题确定选题,这个能力我认为作为一个科学家是必须具备的。

  第二个能力呢,就是他能够判断各种假设,有提出各种假设、方案的能力,就是这个问题来了之后,我怎么去解决它。我有自己的思想、方案、途径,我能够解决。这也是作为一个科学家的基本品质。提出这些批评或者判断、提出假设还不够,还要有证明这个假设的能力,也就是说需要有实践能力,需要有设计实验、深入考察、观察事物的能力。就是说我要证明这个东西,科学是需要实证的。科学跟文学文艺不太一样,李白有一句诗,“白发三千丈”。我们大家都没有对李白的诗提出过疑问,因为这是诗,诗人可以夸张,大家觉得他写得非常好。但科学家不行,科学家讲“白发三丈”也是不对的,因为现在还没有白发三丈的人。所以科学与其他领域最主要的不一样是它讲究实证———就是实际的证明。

  第三种能力就是培养正确的思维方式,我认为这在年轻的时候尤其重要。现在有一个趋向,我们光进行知识和技术的灌输,没有注重训练正确的思维方法,包括科学思维方法、包括人生道路的设定的方法、包括世界观人生观。有一些人认为书上讲的就是圣经、就是经典、就是我要去学的,我将来做的也就是书上讲的东西。我觉得这样很难培养一个“四化”建设需要的高科技人才。我们要培养的绝对不是一些头脑僵化缺乏应变的人,特别在现代这样一个时代。思维方法对我们每一个人都非常重要,我回忆自己,读大学、做研究中很多读书的细节我都忘了,但是通过书培养出的能力我没忘,书里面告诉我的方法我没忘。最后我用这些方法、用这个能力,去解决我的一些新的问题。

  现在的人们往往重视具体知识的学习,因为它能收到立竿见影的效果。科学方法比具体知识抽象,往往不能像具体知识的学习能见到实际的效果。科学方法的学习有时只能意会,而难于言传,需要“悟”才能体会的。人们往往认为,只要下苦功,就能出成果。这是一种误解,对于科学研究,缺乏正确的思维和良好的方法,苦功并不总是有效果的。

  科学方法的训练着眼于锻炼人们有活的学问、活的知识。书本知识很重要,但科学研究并不能直接从书本中找到答案,而要把它变成活的学问和活的知识。这就要靠人们有意识的思想活动,思考假说(假设、方案)和解决问题的途径。这种有意识的思考活动,正是一个研究生在求学期间最需要培养的。

  ■搞科学和破案一样,首先是疑问的提出

  1996年京城有三起劫钞案,发生在知春路。劫匪抢了一辆车去银行抢劫,完了以后把车抛弃了,换了自己的车逃走了。当时分析他的手段就这样。公安局为破这个案子找了很多线索:这个人大概30多岁,带了一个黑的丝袜面罩。公安人员分析了很多,他为什么要进行三次抢劫,而且第三次没有成功。那他很可能要进行第四次抢劫,第四次的前兆是什么?他一定还会偷一辆车,我们公安人员当时的一个思想就是我们要关心最近有没有车被盗。正好这时有一辆米黄色尼桑轿车被盗,公安人员认为有可能是这个劫匪偷的,所以他们下令全市找这辆车,结果长城饭店的一个保安人员发现亮马河那边有一辆米黄色的尼桑轿车,过去一看正是被盗的车牌号码,最后这个劫匪被抓了。我认为这里面最主要的就是找对了破案的突破口。有了正确的思维。不然偌大一个北京城,30多岁的人是很多的。

 

    搞科学和破案一样,首先是疑问的提出。古人有句话:学源于思,思起于疑。就是你必须要有疑问,有疑问才能思考,有思考才能学到东西。有疑问并不等于能提出问题。特别是有些已经是常识,是书本上写的,是权威结果,虽然有疑问也不敢提出来。爱因斯坦在搞相对论的时候,大家认为很多东西都是常识,爱因斯坦最后摒弃了常识的东西。他相信他逻辑的东西。所以一切科学发明实际上是思想上的疑问。所以有人问科学家,你最主要的是什么?是好奇心。如果没有好奇心,没有疑问,什么东西都没有问题。科学是始于问题,问题促使了理论的产生,因为理论的任务是解决问题。理论是一种尝试、猜测、假设。科学家通过他的怀疑去盘问自然界,如果没有问题就不会有对问题的解释即理论。

 

  第二就是问题推动科学的发展,增进科学的深度和精确性。问题是科学的起点,科学家进行科学研究的时候作为起点的总是问题。我们心目当中一定要有个确定的问题,再采用观察、实验、理论来解决。所以问题是非常重要的,没有问题就没有科学。问题从何而来?可以从前人的试验,从文献资料来。看一篇文章,首先看它做了什么、解决了什么问题、推进了什么,我们还要看它还有什么漏洞,还有什么没有解决,它的缺点是什么,毛病在哪里?这就是分析问题的能力。

  至于提出问题的途径,第一种情况是理论内部有矛盾,还有一些理论太复杂,不符合简单性与普遍性的要求,还有些理论跟实验结果之间有矛盾,还有很多很多实验没有一个统一的理论来说明,还有随着时代的前进,技术发展了,不同体系的矛盾也有了。我们往往认为一个科学问题是总结,但是科学它永远是没有止境的、永远要前进的、永远是还有问题没有解决的。第二种情况就是用过去研究的成果作为自己的起点,寻找知识空档,在原来范畴里面来寻找没有开发的地方。第三种情况就是能不能把其他学科的东西移植到我的学科上,从这个范畴里面寻找一个出口,与其他相结合,然后开拓新的领域。

  ■中国人的直觉能力是世界最好的但缺少实证与理论升华意识

  下面再举两个例子。一个例子大家都知道,是曹冲称象的故事。曹冲是曹操九岁的孩子,当时南方进贡了一头大象,曹操问大臣们能不能把大象的重量称出来。当时没有这么大的秤,怎么称啊?大家都觉得称不出来。曹冲说:“我有办法。”他建议大家把大象引导到船上,大象把船压下沉了,曹冲让人在船边沿着水面划一道刻痕。再把象引出来,将石块填到船上去,把船也压到这个刻线位置上。然后再称石头就把象的重量称出来了。曹冲为什么能称象?第一他有联想的能力,有举一反三的能力。他一定在当时见过曹操在水上练兵的时候,装上船员和武器以后船就下沉。他从这个地方就联想到象上去后船也会下沉。第二他有抽象能力,小的时候我们都玩过弹弓,以石计数。他用石头来代替象,以石头来称出重量,这就是抽象能力。我觉得我们中国的孩子,中国的成年人,他们的直觉能力是全世界所有民族中最好的,其他民族都是不及我们的。有一个在中国人看来都不是问题的问题:粗的黑线一定比细的黑线看得清楚。这是一个问题吗?中国人会问难道细的线比粗的线能看得更清楚?可是在国外,还有专门的人研究粗的线一定比细的线看得清楚,还要去考证一番。这里面反映的就是他们对问题细节的考证:它为什么能被看见?中国人就会说我直觉觉得它能被看见,而且看清楚了,没有想到进行考证。

 

    第二个例子是阿基米德称王冠。当时的国王做了一顶王冠,是用称好重量的金子做的。但是国王怀疑工匠偷偷用别的金属替换了王冠里的金子,于是他找来阿基米德,要他辨别一下。阿基米德当时觉得很困难,他想不出来。后来他洗澡的时候,浴盆装满了水,他一只脚泡进去以后,水就溢出来了。他突然受到了启发,据史书记载,他当时光着身子跑到大街上,嘴里叫着“尤里卡、尤里卡”。“尤里卡”的意思就是“我找到了”,今天它成了世界发明最高奖的名称。阿基米德当时不但把皇冠中掺的其他金属发现了,称出来了,最后他还总结出了浮力学的基本定理———阿基米德定理。

    让我们分析一下曹冲和阿基米德这两个例子的异同:首先我觉得阿基米德有联想能力、逻辑判断能力、抽象能力。这些能力我们小小的曹冲也有,他是历史上记载第一个称出象的重量的,这就是我们所谓的共轭控制方法,现在共轭控制方法在共轭控制里面用得很多,曹冲用大船的沉浮,先把象的重量换成石头的重量,我们把这一步叫做L,然后再称石头的重量,这一步叫A,又把石头的重量换成大象的重量,这一步和L相反,所以叫做L-1。这三步叫做L-1AL,表示我们先进行L-1、再进行A、最后是L。这就叫做共轭控制方法,这种方法我们应用得非常广,特别在化学分析里头。

  但是,我们缺少了最后的理论升华阶段。阿基米德从称王冠中总结出了阿基米德定理,直到今天水力学用的也是阿基米德定理,但曹冲称象后,我们的先人并没有推导出共轭控制方法,曹冲也就只停留在一个聪明的孩子的阶段。所以我认为科学研究要重视理论思维,要重视理论升华。

 

 

 

 

 

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