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科学起源于观测

已有 4415 次阅读 2009-2-18 21:45 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述

早些年听人唱“纤夫的爱”,起先觉得旋律挺不错,再一琢磨歌词,感觉不对劲了。背纤人在岸上走,船的受力方向自然也是斜向岸的,于是拽着拽着船必然会靠岸,如何还能朝前走?要想朝前走,“妹妹”应当坐船尾掌着舵,使船头向河中间偏斜,这样水的阻力会给船身一个离岸的分力,当离岸的分力与向岸的分力处于平衡状态时,船在合力向前的作用下也就前行了。如果那是条没有舵的船,“妹妹”不得已就得在船头了。不过此刻她不能悠悠而坐,而必须手握竹槁站船头,当船将靠岸时使出蛮力将船撑开。如此这般,也能达到使船朝前走的目的。现在,“妹妹”既不坐船尾,也不站船头,而是坐船头,说明什么?啊哈!船上一定还有第三者!而背纤的“哥哥”却在“汗水撒一路”。再者,所谓“纤夫”是指专门以背纤为生计的人,船夫上岸背纤焉能称之为“纤夫”?万一“妹妹”耍赖不肯起火做饭,船夫岂不是又得成“伙夫”?

于是本人断言:歌词是闭门造车憋出来的,缺少对实际生活的观察。

闭门造车?怎么一提到这个词,自己先感觉不自在了?难道咱还与它沾亲带故不成?也罢,既然说到这儿,干脆数落数落咱们自己吧。既然是“咱们”当然也包括本人了。

记得上世纪八十年代在一次专门为青年学者举办的全国性岩石力学学术会议上,青年学者们黄口不让白首,提交的论文数量之巨大,成果之新颖,版面之美观,令与会专家啧啧称赞。却有几位年事已高的老先生发出了不和谐的声调,称之为“没有岩石的岩石力学”。其含义不言而喻。也许,学术上存在的代沟,但在学术界,远离实际摆弄花拳绣腿的恐怕数量也很可观。

我每年大约都要评审数十篇的博士和硕士论文,每一本论文中的创新点少则三、五条,多则七、八条。这些创新点多数是“首次提出”。这些年来,具有“国际先进”、“国际领先” 的课题鉴定成果在九州大地遍地开花,争奇斗艳。可为什么绝大多数的创新成果在事过之后就销声匿迹,踪影难觅了?是什么原因使得我们的那么多的研究结晶能够拈之即来,却又不挥即去?难道只是科技成果转化渠道不通畅,难道知识管理体制不健全?

我们常说科技人员的任务是认识世界和改造世界。既然如此,首先就得面对现实,根据大量的实际观测资料认识现实事物,并将对现实事物的观察结果和由此而产生的思想加以归纳,从中提炼出能够表达事物本质的东西,进而建立有关的概念体系,寻找出能够表达各个事物之间的各种关系的理论和解决实际问题的方法。因此,在任何时候,我们都有必要把理论和理论所表示的现实事物十分清楚地区分开。

当研究某个现实事物时,我们往往需要进行大量观测和试验,花费大量的精力和时间。但是在一味追求效益,用表面数字说明一切,荣誉与利益紧密粘连的大环境下,从容不迫的研究条件是很难形成的。脚踏实地按客观规律探索真谛的人往往会显得捉襟见肘,窘状百出。于是,我们可能常常忽略或有意识地回避对现实事物的科学观测。而选择一些捷径来达到目的。举例而言,对于某个性质完全未知或部分未知的现实事物,我们可能会事先假定它的某些或主要的先验性质。这些先验性质的选择不是随意的,而是根据我们研究工作的方便与否来决定的。比如,某人精通概率理论,他会赋予该事物一些随机的先验性质,而另一个某人通晓模糊数学,该事物的性质就成模糊的了。如果第三个某人既不精通概率也不通晓模糊,那他可以在确定性的数学模型中加以选择。下一步的工作是以此为出发点,找来一些公式,或描龙画凤,或节外添枝地加以拓展,最后找个合适的与实际有关的算例,调调参数,换换条件,如果结果碰巧令人满意,则大功告成。不然,就得再调参数换条件,直至收敛到想要的结果为止。

也许,这是一种研究途径,但真正有价值,有生命力的科学技术成就是不可能沿着这条途径去寻找的。在此。我们不妨简单回顾一下古代几何学和力学体系的起源。

当今数学分支众多,为何古埃及和古罗马几何学体系和阿拉伯人的代数学体系首先得以建立并被后人誉为导致人类科学革命的主要因素

几何学起源于古埃及人公元前数千年中对土地测量的经验。在古代农业社会,土地是最基本也是最宝贵的生产资料,因此,土地的划分极受重视。尼罗河两岸地域辽阔,土地肥沃,然而每年的洪水泛滥之后都会将原先已有的土地的边界掩埋或冲毁,于是人们在洪水之后不得不重新进行土地测量,划定新的土地界限。界定土地需要精确的测量和计算,土地测量员就是在这样的特定环境和社会需求下产生的。6千多年,古埃及的土地测量员就已经活跃在尼罗河畔了,他们在长期的测量实践中总结出了许多有关几何的经验和命题,古希腊哲学家德莫克里特为了证明自己在几何图形绘制和证明上的高超水准时说:“我游历了地球的绝大部分,我探索了最遥远的东西,我看见了最多的土地和国家,我听见了最多的有学问的人的讲演。在勾画几何图形并加以证明的方面还没有人超过我,即使是埃及的土地测量员也未能超过我。”

由此可见,古埃及从事土地测量人员所积累的几何知识是世界闻名的,他们中的某些既是测量员,也是数学专家。他们在实践中很早就懂得“所有直径都平分圆周;三角形有两条边相等,则其所对的角也相等”等几何上的基本命题,只是没有从理论上给予概括和证明。
   
被西方称作“科学之父”的古希腊最早数学家泰勒斯年轻去埃及学习几何学,并将这些从实际观测中得来的知识概括成为科学的理论。他提出并证明了几个几何学基本命题:尽管这些定理简单。但是,正是这些来自实际观测而得出的简单理论,衍生出了当今复杂而高深的科学理论体系,其中包括在结构严谨和演绎推理方面都堪称典范的欧几里得几何学、富有杰出创造性的罗巴切夫斯基几何学和在物理学中发挥了重要的作用黎曼几何学。

力学体系的产生和发展也是以观测为基石的。力学之所以先以矢量形式而不是能量形式出现,是因为人们关于力学的知识最早起源于对自然现象的观测和在生产中的经验。人们在建筑、灌溉等活动中使用了杠杆、斜面、汲水等器具,逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。而后阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了大量的系统试验和分析,确定它们的基本规律,从而奠定了静力学即平衡理论的基础。

伽利略不仅思维超群,同时他也是杰出的观测者,他通过大量的试验、观测和理论分析,最早阐明自由落体运动的规律,提出加速度的概念。

威力巨大的牛顿力学正是在这些前人的观测和研究成果上建立起来的。这一点从牛顿力学体系所依据的命题中可以反映出来

公理1:物体有质量这是它的本性。(亚里斯多德的重量概念)

公理2:运动可以用距离与时间的比例来量度。(亚里斯多德和伽里略的概念)

公理3 物体运动的变化是由外力作用到物体而引起的(来自伽里略)。

定律1:如物体无外力作用,它将保持原来的状态。(伽里略定律)

       等等。

可以说:科学起源于观测,并在观测和演绎中发展。

    尽管观测和实践是科学研究中一项最基本、最重要的工作,但仅仅作为一个观测者和实践者,他不见得会在历史上留名。大概没有什么人能知道古埃及那些土地测量人员的名字。泰勒斯以古希腊哲学家和数学家的身份流芳于后世,尽管他精通和实践过土地测量。第谷一生中的主要精力都放在了观测上,而他作为了天文学家而留名;开普勒因他的三定律而著名于世,但教科书上很少提及他的成就是基于第谷的观测资料。伽利略是一名物理学家,但他也是杰出的观测者,伽利略可能是第一个使用“观测误差”这个词的人,他所提出的观测误差性质数百年来一直是人们研究误差模型的基础之一。他的大量发现和发明,都是建立在对事物的观测基础上的。高斯是数学家,1794年他在处理行星轨道观测值时创立了最小二乘法。今天最小二乘法已成为参数估计中最普遍的方法(虽然勒让德以文字形式发表最小二乘法比高斯更早)。

当我们感叹他们的杰出的科学成就时,更应该看到这些科学成就所基于的观测和实践,并记住这些科学伟人们为此所付出过的大量与实际观测相关的工作。

构筑房屋用砖瓦,构筑科学成就所用的材料包括:梦想、希望、艰辛、忍耐、疲惫、屈辱、学习、思考和提炼。任何一种有价值的伟大成就都是和艰苦的观测联系在一起的,而且这项工作不是一劳永逸的。虽然在平面上两点间的最短距离是直线,但科学研究中不应只追求直线。曲线虽然曲折,但却丰富多彩,曲线的形状无穷无尽,可以组成各种图案。要知道,科学探索如迷宫,在迷宫里非要走直线,那必碰脑袋。对现实事物的试验和观测需要面对各种困难和艰辛,这些困难和艰辛决不是梦想一日成名的人可以战胜的,也不是他们所能忍受的。因为不能战胜困难,因为不能忍受艰辛,这个世上真正的成就也就不是梦想着一日成名的人所能获取的。

种瓜得瓜,种豆得豆,这种因果关系是必然的。也许有人种瓜种豆因狂风暴雨而一无所获,但绝对没有不种瓜豆而因天气晴朗得瓜得豆的人。

或许,付出艰辛劳动的人并不一定能得到应有的回报,但真正的科技工作者应当坦然面对各种不公平,具有荣辱不惊的可贵的品质。世界上的人和事本来就充满了不公平,幸运的狗被当成了宠物,享受着除了政治待遇以外的所有城市人才能享受的待遇,不幸的狗却得到处流浪。幸运的木头被雕刻成了佛像,不用扒分,自然有人撒钱;不用刨食,面前自有供品;不用自己抽烟,四周香火不断。不幸运的木头却被做成了马桶。

急于发财者,所发之财未必正当,急于立名者,所立之名难以长久。一些人生前拼命追求荣誉的光环,而死后光环即熄。有些人生前并不追求荣耀,死后的光环反而越来越亮。

皮之不存,毛将焉附?今天,在我们提倡“原创性”的时候,应当想想真正有价值的原创所依存的土壤是什么。理论模型是对现实描述,任何抛弃现实的理论拓展都是没有实际意义的。对现实的观测格外重要。

在复杂的现实问题面前,我们往往会显得无能为力。我们也许可以暂时回避现实世界的复杂性,但不能永远地回避它。面对现实进行有目的的观测并不断发现关于现实事物的规律,改进现有的理论,创立新的理论和方法,永远是科技工作者的任务。

最后加一句,我最喜欢的中国乐曲是:《二泉印月》,它表达了一位盲艺人在亲生历尽了生磨难向人们倾吐他的生活感受和顽强的意志,它是不朽的艺术作品。

 



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