1. 发现与发明

“发现”是要找到某种自然界已经存在之物。“发明”是要创造某种自然界尚不存在之物。长期以来人们习惯将科学研究归属于“发现”，将技术创新归属于“发明”。事实上，这仅仅是事物的表象，科学研究中始终既有发现也有发明。以物理学为例，物理学中的理想模型、理想过程、理想状态等都属于物理学家睿智大脑的发明。随着科学研究的深入，发明在科学研究中的作用越来越重要。

2. 物理学中的发明

2.1力学中单摆

“摆”是自然界已经存在之物；“单摆”是自然界不存在之物。“单摆”是物理学家经过抽象和简化的理想模型，它必须满足：① 摆角小于5°；② 摆线质量可忽略；③ 摆线柔软；④ 摆线不可伸长；⑤ 摆球质量固定不变；⑥ 摆球的直径要远小于摆线长度；⑦ 摆要处于无阻尼环境；⑧ 摆要处于惯性系中，等8个理想化条件。如果不经过抽象和简化，则8个变量的组合：   

即有256个问题，“单摆”只是其中的一个问题。余下255个问题中，有的问题是可研究的，有的问题则困难到当前还无法研究。（引自南京大学卢德馨教授的课件）

“摆”属于发现，“单摆”属于发明。科学家利用理性的自由思维，在经过抽象与简化提出理想模型“单摆”的过程中，源自科学家大脑的发明创造起了重要的作用。

2.2 热学中的卡诺循环

卡诺处在蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他为了提高热机效率开展研究工作。他不像许多人那样着眼于局部的、机械的细节的改良，而是独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究。卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，通过理性的自由思维精心构思了理想化的热机(2个绝热过程，2个等温过程)，后称卡诺可逆热机。卡诺可逆热机是尚不存在之物，但是它的提出却给出了作为热力学重要理论基础的卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。在卡诺可逆热机的研究过程中，卡诺大脑的发明创造起了至关重要的作用。

2.3 原子结构的研究过程

1) 汤姆逊原子模型——西瓜模型

1897年汤姆逊发现了电子。电子带负电，原子肯定还有一些东西带正电呢。于是，汤姆逊提出了西瓜模型：原子就像一个均匀带正电的西瓜一样，其中那些瓜子是带负电的电子，镶在西瓜里面。

2) 卢瑟福原子模型——有核模型

卢瑟福用α粒子去打击原子，做了散射实验。卢瑟福经过计算认为：如果用带正电的α粒子打进原子以后会有一个不大的偏转角。实验的结果却是四面八方的散射，少数α粒子的散射角却很大，有的甚至接近180°。

只有正电荷集中在核心，才可能产生这样的散射。所以，卢瑟福否定了汤姆逊原子模型，1911年睿智地提出了有核原子模型：原子中心是一个很小、很重的带正电的原子核，电子绕着核而旋转，好像行星绕着太阳运转一样。

3) 玻尔原子模型——轨道分立的定态跃迁模型

电子围绕原子核转，它要产生辐射，能量就会减少，那么电子就会越转圈越小，最后就会落在核上，因此卢瑟福原子模型是不稳定的。为了解决这个原子模型这一困难，丹麦物理学家玻尔创造性地提出了三点假说：

(1)电子在绕核运动时，只有电子的角动量L等于的整数倍的那些轨道才是稳定的。

(2)电子在上述假设许可的任一轨道上运动时，原子具有一定的能量E_n，不辐射也不吸收能量，这称为定态。

(3)原子从一个能量E_n的定态跃迁到能量E_k的另一个定态时，辐射或吸收具有一定频率的光子，光子的频率是 。

根据玻尔定态跃迁原子模型，电子绕核旋转有许多分立的轨道，只能取一系列不连续的值，即它们量子化。原子从能级E_n跃迁到能级E_k时，放出单色光的频率。玻尔假说很好地解释了氢原子的线光谱的规律。

……

汤姆逊的西瓜模型、卢瑟福的有核模型、玻尔的轨道分立定态跃迁模型，都是经过科学家理性的自由思维的发明创造。发明在科学进程中起着至关重要的作用，并且随着科学研究的深入这种作用越来越显著。

3. 第谷与开普勒的工作对爱因斯坦的启发

第谷是最后一位也是最伟大的一位用肉眼观测的天文学家，他坚持观测20年之久，积累大量的数据，其精度达到了当时前所未有的程度，观测精度据说比前人高一个量级，达到了用肉眼所能达到的最佳观测效果。由于开普勒身体不好，自己没做多少实际观测工作。他用了25年的时间，整理和研究了第谷的观测数据，运用科学的、理性的自由思维，把握事物本质的内部联系，建立了著名的开普勒三大定律。爱因斯坦从第谷与开普勒的工作中看到，知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。

4. 发明在科学中的作用越来越重要

19世纪末，科学发展到从经典物理学到现代物理学的拐点。维恩、瑞利−金斯没能从经典物理学中导出黑体辐射公式。普朗克用了6年多的时间意识到，没有路径能从经典物理学径直通向精确的黑体辐射规律。科学已经从宏观进入宇观和微观，从经验世界进入概念世界。爱因斯坦指出，归纳可以形成结论，但是没有一种归纳法能够导致形成物理学的基本概念。

理性的自由思维是思维探索过程，所有理论概念和理论本身的建构都不是从外部世界中直接产生的，而是源自人大脑的发明创造。正如爱因斯坦所言：“我相信直觉、灵感和想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。” 随着科学研究向纵深发展，发明的作用变得更加重要。因此科学家应该保持幼儿时代的好奇心；具备丰富的数学知识和数学家严谨的逻辑推理能力；具备哲学家深入、宽泛的思辨能力；具备诗人和艺术家的想象力。

5．总结

随着科学向纵深发展，发明在科学研究中的作用变得越来越重要。这个问题应该引起足够的重视。在科学研究中人们必须改变传统观念，冲破习惯的束缚，充分发挥大脑的发明创造作用。教育要更加重视激发兴趣，启迪智慧，培养人的想象能力、思辨能力和创新能力。

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