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学习漫谈(100):大胆假设 小心求证——谈科研方法:8.假说篇 精选

已有 10658 次阅读 2013-10-15 07:47 |个人分类:寄语学子|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 假设, 假说, 科研方法

楔子

本讲叙述提出假说或假设在科学研究中的意义及其方法,简述假说的特征和形成过程以及判断假说的正确性的判据,并列举四个案例加以阐释。

大纲

一、引言

二、提出假说的方法

三、案例分析

四、结束语


 一、引言

假说和假设是通向科学发现的“桥梁”,科学地提出假说和假设是科学研究中最重要的技巧之一。假说和假设是想象力的产物,是认识上的飞跃。这是科学研究中最困难的一步,需要为之付出艰巨的劳动。正如科学方法论专家贝弗里奇所说:假说是研究工作中最重要的智力活动手段。

假说,在数学研究中经常表现为猜测。高斯说过:“没有大胆的猜测就没有伟大的发现。

   假说产生的时机在于:理论系统出现缺陷或空白之时;已有理论或原理与事实发生矛盾之时时;新发现的现象需要分析、解释之时。

   假说的价值在于它的可拓展性,贝弗里奇指出:“假说之所以能富有成效,不仅对提出者如此,而且还可能使别人进一步发展。”假说在得到充分的科学拓展之后,可上升为原理乃至定律。

   假说的成立必须得到实践验证,必须符合客观事实,符合事物的发展规律。假说在形成过程中必须经过千锤百炼、多方推敲、不断修正。达尔文根据自己多年的研究经验总结道:我一贯力求思想不受拘束,这样当某一假说为事实证明错误时,不论我对自己的假说如何偏爱,我都放弃它。我想不起哪一个最初形成的假说不是在一段时间过后就被放弃,或被大加修改的。贝尔纳也指出:                         “过于相信自己的理论或设想的人,不仅不适于做出新发现,而且会做很坏的观测。贝弗里奇进一步指出:“我们必须十分注意,不使自己对自己的假说过于热衷,应力求客观地判断,并一旦发现矛盾的事实,就修改它或丢弃它。要提高警惕,不使观察和解释受到假说的影响而歪曲。假说在不被相信的情况下也可以利用。本讲的案例印证了上述观点。

 二、提出假说的方法

能否正确地提出假说是最能显示科研工作者的功力之所在。只有在进行了充分的观察和调研之后,在全方位地做了深思熟虑之后,才有可能提出科学的假说。形成并提出假说的途径多种多样,概括起来说,主要方法如下:            

   1归纳法:把一些特殊情况下已经证明无误的规律概括为一般情况下的假说。例如,达尔文在广泛搜集物证,并通过总结概括,提出生物进化假说(详见第六讲)。

   2类比法:把某一现象与另一个熟悉的事物、过程的规律作类比,抓住它们的共同特征,用类推的方法提出假说。例如,从力学中的引力定律类推电学中的库伦定律;从太阳系中行星运动规律类推出原子模型假说。

3移植法:应用或移植其它学科领域所发现的新原理或新技术来提出假说。例如,把脑化学的理论和方法用于脑发育的心理环境说。

   4分类整理法:对已有资料分门别类、分析整理,寻求规律。例如,门捷列夫采用这一方法发现化学元素周期表。

5经验公式法:对实验数据进行数学处理得到经验公式,在此基础上提出假说。例如,开普勒行星运动三大定律的面积律的导出。

   6试错法:尝试性地提出不同的设想,通过试错,决定取舍。例如,爱因斯坦提出狭义相对论时所采用的方法(详见下文中的案例1)。

 

一般来说,假说的形成过程如下:

    1提出初步假说阶段:通过为数不多的事实和材料,经过思维加工而得出雏形假说,可能带有明显的尝试性和暂时性。其中归纳法起主要作用。

    2验证假说阶段:以事实为基础,应用多方面的知识进行演绎论证,只有经过充分论证、充实,假说才能成立。其中演绎法起主要作用。

仔细考察达尔文提出生物进化论的过程,特别是提出“适者生存”假说的过程,就能体会上述假说形成过程。

 

科学工作者的研究功力不仅表现在提出原始假说方面,而且表现在对自己或别人提出的假说的正确性的判断能力方面。而判断假说的正确性的依据是:

   1)新假说能解释旧假说所能解释的一切现象。

   2)新假说必须能避免旧假说的一些错误。

   3)在可能之处,新假说应能解释旧假说不能解释的预言或事物。

 

不要以为只有大科学家才有资格提出假说,所有科学工作者都有机会提出假说或猜测,也许在程度和适用范围上会有一定的差别。我们在做科研时,一般总是从不满足于已有成果开始,在尝试进行新探索时,总要提出新的假设或假说,突破原有的框框,通过观察、实验、建模、模拟、分析,通向新发现之路。

 

三、案例分析

在科学发展史中,有许多假说,可以说,科学发展的历史就是假说演化的历史。例如,康德关于太阳系起源的星云假说,魏格纳的大陆漂移说,等等。下面列举若干著名的案例进一步加以说明。

 

案例1:爱因斯坦狭义相对论的假说

   爱因斯坦所面临的已知结论(假说)有:

      1光速不变性原理——惯性系中,真空中的光速为常值;已为迈克尔逊-莫雷实验所证实;

      2相对性原理——所有惯性系中自然定律相同;

      3速度相加定理——坐标系A相对于坐标系B作匀速直线运动,质点在坐标系B中的速度等于在坐标系A中的速度与A相对于B的速度之和。

爱因斯坦发现,速度相加定理与光速不变性原理相矛盾。为了提出新的假说,他面临的选择是:

      1、舍弃假说1)?-不可。真空中光速恒定定律是电磁现象理论的一个必然结论,且有实验证据;

      2、舍弃假说2)?-不可。若舍弃,导致不同惯性系中描述的自然现象不是等效的,明显地不符合事实;

      3、舍弃假说3)?-这是唯一可能的出路。

   于是,爱因斯坦提出创造性的思路:

   从前两个基本假说出发,提出了同时性的相对性问题,导出了洛仑兹变换,舍弃了牛顿的绝对时空观,建立了狭义相对论。

 

案例2:爱因斯坦广义相对论的假说

   爱因斯坦发现狭义相对论还不是完整的理论体系,因为相对性原理局限于惯性系,还不能解决加速运动问题和万有引力问题。因此,选择了引力问题作为突破口。他用“爱因斯坦升降机”这一思想实验证明了参照系的加速度产生的效应与引力场的效应完全相同,亦即,惯性质量与引力质量相等。

   爱因斯坦提出两个基本假说:

   1)等效原理——一个加速度为a的非惯性系,等效于含有均匀引力场的惯性系;

   2)广义相对性原理——在任何参照系中,物理学规律的数学形式相同。

   在此基础上爱因斯坦创立了广义相对论。

 

案例3  关于光的波粒二象性

   关于光的本性假说历经曲折,现作简要的历史回顾:

   牛顿提出光的微粒说,但不能解释光的衍射现象。

   惠更斯提出光的波动说;菲涅耳建立衍射理论;麦克斯韦提出光的电磁理论,优于弹性理论,但不能解释热辐射按频率分布、光电子发射效应等;

   普朗克、爱因斯坦等提出光的量子理论,认为光与其它基本粒子一样有波粒二重性。

   德布罗意提出物质波的概念,进一步发展了波粒二象性。

 

案例4  关于埃利希的化学疗法

   德国细菌学家埃利希提出假说:由于某些染剂能有选择地给细菌和原生动物染色,所以就有可能单为寄生虫所吸收的物质,而且可以杀死寄生虫而不损害宿主。

   他对自己的设想坚信不移,历经失败,直到发现锥虫红有某种抗原生动物能力,沿此方向努力,最后制成治疗梅毒的“六六”。这可能是疾病研究史上一种对假说的信心战胜巨大困难的范例。

但是埃利希的假说并不正确,现时很多有化学疗效的药物并不是有选择地附着在传染源上。这一不正确的假说还导致用磺胺做化学治疗(1932)。

 

四、结束语

 

综上所述,我们可以得到如下结论:

u    应该按正确的思维方法提出假说;

u    假说必须以事实材料为依据;

u    创立假说要充分运用科学原理和新的线索;

u    要对假说进行实践检验,正确的假说一应解释已有事实,二应预言未来事件;

u    假说的结构要简单明确,基本概念清晰明了。

 

初稿:写成于2013年3月28日

二稿:写成于2013年10月14日

 



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