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科学研究中的机遇和灵感 精选

已有 7564 次阅读 2017-5-1 01:43 |系统分类:科研笔记


天才等于百分之一的灵感,加百分之九十九的汗水。

-(美)爱迪生

1.  什么是机遇

经常在议论某个成功人士时会听到:这个人碰上了好的机遇。或者说:他抓住了取得成功的机遇。机遇表现的形式是多种多样的,例如:形势的变化,良师的指导,贵人的提携,朋友的帮助,家庭出身,社会地位等等。

在科学研究中,机遇与科学发现也经常联系在一起。在许多科学家的故事中,常常会说到他们的重大发现是“偶然碰上的”。在1996年瑞典斯德哥尓摩举行的一次視觉科学家的研讨会中(参考文献 7),作者親耳听到瑞典科学家、诺贝尓奖获得者维厄瑟尓在介绍他的工作时说起,有一天在快下班时,与插在实验动物大脑上的电极相联结的扬声器发出异常的响声,他们检查了给予动物的視觉信号,才开始注意到皮层细胞的活动与视觉信号的方位有关。这导致了他们后来获得诺贝尔奨的一系列工作。他也与其他科学家一样,说这是一个偶然的机会。瑞典神经生理学家 维厄瑟尓(Torsten Nils Wiesel)。他与美国科学家休伯尓( David H. Hubel )一起因研究大脑視神经皮层的功能结构而获得1981 年诺贝尔生理与医学奨)。

杨振宁教授在有一个次点评近代物理学家的讲演中提到过贝克勒尔发现放射性元素的故事,他说最初亨利-贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,1852-1908)认为如果把磷光物质放在强光下照射,就会发出 X 光( X光由伦琴发现 )。他把一块铀放在太阳光下,照了几个小时,然后用黑纸包起来,放在一张照相底片上,果然照相底片感光了,似乎印证了他最初的假设,即铀在强光照射下会发出X光。但是,他还要继续验证。不巧,巴黎那时天天下雨,没有了强光,他只好把铀放在柜子里。可是不知什么缘故,他又想要重新试一试,他把铀块包了起来,同样放在一张照相底片上面,结果发现照样有感光现象。这就是最初发现放射性元素的经过。对此,很多人认为他当初在下雨天里,还要去试一试,一定是一个机遇。其实他的一家,从曽祖开始一直到他都对铀做了很多研究。所以若说是机遇,那么这种机遇必定来源于他的丰富的实践和经验。(亨利-贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)法国物理学家。获1903年诺贝尔物理学奨)。

我们曽讨论过如何提出研究问题与假设,按照科学研究的程序,接下来应该设计实验进入求证的阶段。但是这里要作一下停顿,先讨论“机遇” 和 “灵感” 这两件事情,目的是希望研究者在开始实验工作后 “要留意意外之事”。如果不去留意任何可能犮生的事情,许多机会很可能被忽略掉。在贝弗里奇的两本书中(参考文献1,2),有许多关于机遇在科学研究中的作用的故事,因此在本书中作者不再去重复这些故事。

2.  什么是灵感

灵感是根据自己的经历而联想到的一种創造性的思维活动。灵感通常於脑海里只出現一瞬间。在科学发现中,有两个经常被提起的关于灵感的例子,第一个故事是牛顿的苹果树。据说,牛顿因为看到了苹果掉落而发现了万有引力定律。还有人绘声绘色地说,牛顿是在苹果树下思考时被掉下的苹果砸中了脑袋之后才悟到这个定律的。这棵苹果树,据称直到今天还长在牛顿的老家、英国林肯郡的沃尔斯索普庄园(WoolsthorpeManor)。真实的历史并不像传说那么简单。1665 年为了躲避鼠疫,牛顿的确从他求学的剑桥大学回到了老家,并在那里对万有引力问题做了卓有成效的研究。他于 1678年出版《自然哲学的数学原理》,首次正式发表万有引力定律时,并未提到什么苹果。直到 1726 年,牛顿去世之前不久,他才和几个朋友谈到受苹果启发的事。牛顿出于什么动机讲述这个故事我们不得而知,惟一可以确认的是苹果在新教文化中象征着智慧,而牛顿又是一个虔诚的新教徒,所以这个故事在牛顿死后才不胫而走,成功地帮助人们把牛顿树立成一位“科学圣徒” 式的传奇人物。( 取自网络文章,刘夙:牛顿的苹果树遍天下。http://www.guokr.com/post/596757/)。

第二个故事是阿基米德洗澡的故事。阿基米德出生於公元前287年,希臘西西里岛的叙拉古城。叙拉古的国王请金匠用纯金打造了一顶王冠,做好以后,国王又怀疑金匠不老实可能掺了银子在里面,於是要求阿基米德在不破坏玉冠的情况下加以检验它是不是纯金的?阿基米德想了好久,一直没有好办法。有一天,他在洗澡的时候发现,当他坐进浴盆𥚃时便有许多水溢出来,这使得他想到:溢出来的水的体积正好应该等于他身体的体积。所以只要拿与王冠等重量的金子放入水中,便可由溢出的水求得它的体积。再用同样方法可测量王冠的体积。如果王冠的体积更大,那么必定在其中掺了银子。

通过这些故事,我们可以大致体会到,灵感这种思维活动是創造者有意识地追求某一个既定目标而久攻不克时,偶然受到某种启示而茅塞顿开,头脑中闪現出一个念头,从而找到了解决问题的关键。

3.  在科学研究中如何把握机遇、产生灵感

在大学里读书的时候,作者曽幻想可以做出一篇出色的毕业论文,例如发现一个新的现象,或者推导出一个新的公式或定律,后来发现这只是一个夢想。自己当了教授开始指导学生做论文以后,才体会到给一个硕士生的研究题目,只是为了让他了解一下整个研究工作的过程,对于他的研究成果的好坏,老师其实不抱太大的期望。到了博士论文的阶段,当然希望学生可以做出一点名堂。但是基本上的目的,还是培养学生的科研能力,让他能开始踏上科研之路。如同教练开车一样,教会学生如何应对科研工作的各个环节,待他毕业之后就可独挡一面。所以对于这样的新手,过分强调机遇和灵感或许为时过早。但是在这个做硕士、博士论文的过程之中,一名优秀的教授应该让学生准备好去迎接机遇的到来和灵感的出现。

讨论 “如何把握机遇、产生灵感” 这个问题时,首先要分析一下思维方式。这在心理学中已经有详细的描述与分类,为了讨论与科学研究方法有关的问题,可以将思维方式简单地分类为(1)批判性思维,(2)想象性思维,(3)无控性思维。(参考文献 2)。我们应该认识到,在学校里学习书本知识的时候,所受到的训练主要是批判性的思维方式,所谓凡事都要问一个为什么。所以学生被训练成有逻辑的头脑,会系统地思考问题。但是我们常常又会批评,这种教学方式不能培养出有创新能力的人才。因此在研究生培养的阶段,后两种思维模式应该被提出来,并且使学生得到一定的体验。

科学研究的通常程序是按照批判性思维展开的,在提出研究问题之后,便是设计实验,接着就是进行实验,这大概是目前大多数实验室毎天在做的事情。但是当批判性思维无法提出研究问题,或者在实验过程中出現事先没有想到的结果时,便应该打开想象性思维的大门,以期找到一条新的途径。或者进而求助于无控性思维,用新的眼光寻找解决问题的答案。当然在产生了新的想法以后,还是要回到批判性思维去制定新的研究方案。所以在科学研究过程中,各种思维方式不应该是截然分离的,而是总是在这些思维方式中不断转换跳跃。

实行想象性思维与无控性思维的前提,首先是研究者对于所要研究的问题的各个方面己经有深入彻底地了解,再是他需要具有寻求解决问题办法的强烈欲望,有一种将整个身心投入其中的精神。此时达到一种无法使自己的思考离开这个问题的境地,甚至是在做夢的时候。如果这种时候,去作一种放松身心的活动,例如躺在床上休息,去郊外散步,听音乐等等,一个可能的答案会突然浮现出来,它们似乎是自发产生的,伴随着情不自禁的激动和欢乐,“豁然开朗”“众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处” 大概都是这种情形的最好写照。

另外一种情况是与别人讨论。在这样一种讨论的环境中(大约以 5 个人上下为宜),能产生思想的交流与碰撞,并且造成激励的作用。所以从研究生开始,在实验室里应该毎周有一次讨论会,在一种轻松的气氛中讨论正在进行的研究工作。在报告了各个研究小组或个人的阶段性研究成果之后,便开始一系列的评论、质疑、以及改进的建议等等,这种讨论往往使每个人都有收获。我国早期的留学生,中科院院士周同庆先生曽给他的学生讲起过在普林斯顿留学时的故事。在普林斯顿每天下午都有喝咖啡的时间,咖啡和点心由研究生轮流准备。在喝咖啡的时候研究生之间相互交流心得,低年级学生可以趁这个机会向高年级学生请教。周先生说他在喝咖啡时间里学到不少东西。(潘笃武:回忆我的老师周同庆先生)。(周同庆教授(1907-1989),中国物理学家,1929年毕业于清华大学,1933年获美国普林斯顿大学物理学博士学位。1955年当选中国科学院学部委员(院士)。曽任北京大学、中央大学、交通大学、复旦大学教授。为中国光谱学研究的开拓者之一)。

西安联大时期,学术讨论风气盛行。楊振宁教授回忆当时他与黄昆、张守亷在当硕士研究生时,每天晚飯后回宿舍前会去一个小茶館里喝茶,相互讨论争论不休。有一次他们所争论的题目是关于量子力学中测量的准确意义,那天从开始喝茶辨论到回宿舍,关了电灯上床之后,辨论仍然没有停止。最后又从床上爬起来,翻着海森伯的《量子理论的物理原理》来调解他们之间的争论。(黃昆教授(1919-2005),中国物理学家,1941年毕业于燕京大学,1948年获英国布里斯托尓大学博士学位,1955年当选中国科学院学部委员(院士)。中国固体和半导体物理学奠基人之一)。

最后,必须指出学科的交叉也是一个产生新思想的重要源泉。跨学科的研究活动,可能成为一门科学的新的生长点,那里最有可能产生重大的科学突破,使原有的知识体系发生革命性变化。为了突出交叉学科研究的重要性,2015 年 9月17日的《自然》杂志专门开辟了一个版块,讨论“交叉学科研究为什么重要”。在世界全部出版物总量中排名前10%的交叉学科研究出版物的数量正在迅速增加。为了发展交叉学科,要鼓励不同学科和领域的研究者相互合作,学习对方领域的思维语言,熟悉对方领域存在的困难与问题。学科之间交流的难点在於双方的兴趣、思维的方式和语言、以及交流双方的知识背景。有创造力的年轻科学工作者应该更加关注这方面的发展,积极参与交叉科学的前沿研究工作。




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