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愛因斯坦的科研方法

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2006-04-11

愛因斯坦是歷史上罕見的卓越的科學(xué)家。他所創(chuàng)建的相對論,不僅使物理學(xué)獲得了革命性的進(jìn)展,而且刷新了人們對時(shí)間、空間等基本概念的認(rèn)識;他在光量子論、布朗運(yùn)動的研究中,也取得了重大成果;此外,他還在宇宙、統(tǒng)一場論等方面做了開拓性的工作。
  面對這樣一位科學(xué)巨人,人們不禁要問:他是怎樣取得這許多成就的?
  拉普拉斯說:“認(rèn)識一位巨人的研究方法,對于科學(xué)的進(jìn)步,……并不經(jīng)發(fā)現(xiàn)本身更少用處?茖W(xué)研究的方法經(jīng)常是極富興趣的部分!泵恳晃桓挥趧(chuàng)造、勇了革新的人,總有他自己的特點(diǎn),他自己的“音調(diào)”。那么,愛因斯坦的工作方法,又有什么特點(diǎn)呢?有什么可供我們借鑒的呢?愛因斯坦曾多次談到,需要建立新的思想體系。建立新的思想體系,這正是他自己的工作非常突出之處。
  拉普拉斯說:“認(rèn)識一位巨人的研究方法,對于科學(xué)的進(jìn)步人們要研究某個(gè)問題,總得先收集有關(guān)資料,盡量吸取前人的成果、方法、經(jīng)驗(yàn)和教育,這樣才能站在“ 人的肩上”(牛頓語)。但為了比前人看得更遠(yuǎn),光站在肩上還不夠,還需要通過新的觀察或試驗(yàn),向大自然索取更多的新資料,并運(yùn)用辯證思維,對它們進(jìn)行分析整理,以獲得新的認(rèn)識。至此,愛因斯坦與常人并無顯著不同,他和我們一樣,也非常重視基本理論的學(xué)習(xí),重視來自實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和事實(shí)!?
  然而,接下去分歧便開始了。怎樣對資料進(jìn)行理論分析呢?常見的辦法是把試驗(yàn)結(jié)果歸納成一些經(jīng)驗(yàn)定律或經(jīng)驗(yàn)公式,希望通過它們合理地解釋過去并預(yù)見將來。但愛因斯坦卻不以為然,認(rèn)為這樣做還很不夠,這樣做不能使理論獲得重大進(jìn)展。因?yàn),這些公式最多只概括了局部的、有限多次的經(jīng)驗(yàn),對全局來說,對無限的總體來說,它很可能是錯(cuò)誤的;何獎品,還“因?yàn)樗雎粤酥庇X秒演繹思維在精密科學(xué)發(fā)展中所起的重大作用”。
  那么,應(yīng)該怎么辦呢?愛因斯坦說:“適用于科學(xué)幼年時(shí)代以歸納為主的方法,正讓位于探索性的演繹法”;應(yīng)該“由經(jīng)驗(yàn)材料作為引導(dǎo),……提出一種思想體系,它一般是在邏輯上從少數(shù)幾個(gè)所謂公理的基本假定建立起來的。”對這個(gè)體系的要求,應(yīng)是能把觀察到的事實(shí)聯(lián)結(jié)在一起,同時(shí)它還具有最大可能的簡單性;所謂簡單性是指“這體系所包含的彼此獨(dú)立的假設(shè)或公理最少”。大家知道,狹義相對論的公理只有兩條:相對性原理和光速不變原理。至于思想體系的內(nèi)容,它應(yīng)由“概念、被認(rèn)為對這些概念是有效的基本定律、以及用邏輯推理得到的結(jié)論這三者所構(gòu)造的",也就是通常所說的概念、公理和定理三部分。?
  作為自然科學(xué)史上第一個(gè)思想體系的光輝的例子是歐幾里得幾何學(xué)。如果歐幾里得當(dāng)年只滿足于把丈量土地所得的具體結(jié)果,歸納為若干條經(jīng)驗(yàn)定律,那么,幾何學(xué)的發(fā)展也許會延誤許多年。但他不這么辦,他破天荒地開辟另一條大路,即建立了一個(gè)演繹法的思想體系。歐幾里得的巨大歷史功勛不僅在于建立了一種幾何學(xué),而且在于首創(chuàng)了一種科研方法。這方法所授益于后人的,甚至超過了幾何學(xué)本身。歐幾里得幾何學(xué)所以雄視數(shù)學(xué)界垂2000年,至今仍是每個(gè)中學(xué)生必須精讀的內(nèi)容,其原因正在于此!笆竦孛ㄉ霉沤瘢恢饪蓧呵Я帧(陸游詩句)。歐幾里得幾何學(xué)可以算是一枝名花了。它前無古人而后有來者,牛頓的力學(xué),愛因斯坦的相對論,都是在它影響下的后起之秀。 于是我們碰到了一個(gè)大問題:如何建立思想體系?愛因斯坦回答說:理論家的工作可分成兩步,首先是發(fā)現(xiàn)公理,其次是從公理推出結(jié)論。哪一步更難些呢?如果科研人員在學(xué)生時(shí)代已經(jīng)得到很好的基本理論、邏輯推理和數(shù)學(xué)的訓(xùn)練,那么,他走第二步時(shí),只要有“相當(dāng)勤奮和聰明,就一定能夠成功”。至于第一步,媽阿找出演繹出發(fā)點(diǎn)的公理,則具有完全不同的性質(zhì)。這里沒有一般的方法,“科學(xué)家必須在龐雜的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中間抓住某些可用精密公式來表示的普遍特性,由此探求自然界的普遍原理”,請注意“經(jīng)驗(yàn)事實(shí)”這幾個(gè)字,它們表明了愛因斯坦方法論中的主流是唯物主義。公理必須來自客觀實(shí)際,而不能主觀臆造,否則就有陷進(jìn)唯心主義泥潭的危險(xiǎn)。?
  如果我們還不滿足,還要進(jìn)一步問到底:怎樣才能抓住那些“普遍特性”呢?看來,要編制一個(gè)找到它的萬能程度,是不可能的。因?yàn)檫@個(gè)問題的解決,主要依賴于研究人員的德、智、才、學(xué),依賴于他們的科學(xué)想象力、洞察力和勞動熱情。否則,我們就難以理解,在相似條件下,為什么恰恰是這個(gè)人,而不是旁人,做出了顯著的成績。因此,最好還是讓我們來研究愛因斯坦吧!?
  任何重大進(jìn)展,必定有許多先驅(qū)為它獻(xiàn)出了智慧,最后輪到一個(gè)人或一些人來完成。這些人必須恰好站在歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上,太早了不行,太晚也不行。天下鼎沸,群雄逐鹿,捷足者先得。這些捷足者,按照狄德羅的說法,必須具有“精神的浩瀚,想象的活躍,心靈的勤奮”。
  少年時(shí)代的愛因斯坦善于“驚奇”,他對自然界的一些現(xiàn)象,不是等閑視之,是有強(qiáng)烈的好奇心,這使他的求知欲永遠(yuǎn)得不到滿足,對自然的探索,也永遠(yuǎn)不能停止。4歲時(shí),他曾為一只羅盤的指針而“驚奇”:它應(yīng)有無窮多個(gè)方向可以挑選,卻為什么總是偏愛南方?他想:“一定有什么東西深深地隱藏在事情后面。”12歲時(shí),他又為多幾里得幾何而“驚奇”:幾何學(xué)的“這種明晰性和可靠性人我造成了一種難以形容的印象”。毫無疑問,幾何學(xué)對他后來建立相對論,不僅提供了工具,而且給予了方法論的啟示。?
  青年時(shí)代的愛因斯坦,在物理、數(shù)學(xué)等方面打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ),對一般自然科學(xué)也有濃厚的興趣和廣博的知識。12-16歲時(shí),他已經(jīng)熟悉了基礎(chǔ)數(shù)學(xué),包括微積分原理。17歲上大學(xué)后,“大部分時(shí)間都是在物理實(shí)驗(yàn)室里工作,迷戀于同經(jīng)驗(yàn)直接接觸”。其余時(shí)間,則主要用于自學(xué)理論物理。這些,為他后來的工作做了很好的準(zhǔn)備,使他既能深刻地理解當(dāng)前物理理論和實(shí)驗(yàn)的最新成就,又能嫻熟地運(yùn)用數(shù)學(xué)工具;正是這個(gè)強(qiáng)大的邏輯推理工具,把他的科學(xué)想象變成了科學(xué)定律。此外,他還聚精會神地閱讀了伯恩斯坦的《自然科學(xué)通俗讀本》。這部有五六卷的優(yōu)秀作品,成功地幫助他了解到整個(gè)自然科學(xué)的主要成果和方法。從學(xué)習(xí)方法上看,愛因斯坦也有出眾之處。他善于“識別出那種能導(dǎo)致深邃知識的東西,而把其它許多東西撇開不管”;“在所閱讀的書本中找出可能把自己引到深處的東西,把其它一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉,就是拋掉使頭腦負(fù)擔(dān)過重和會把自己誘離要點(diǎn)的一切”。這樣,他就把全部精力集中在最能發(fā)揮自己的創(chuàng)造性與能動性的問題上。?
  愛因斯坦對哲學(xué)始終有濃厚的興趣。年輕時(shí),他和幾位摯友經(jīng)常熱烈地討論馬赫、休謨、斯賓諾莎、彭加來等人的哲學(xué)和科學(xué)著作,后來他們親熱地戲稱這個(gè)小集體為奧林比亞科學(xué)院。這些著作中固然有不少糟粕,但卻大大開擴(kuò)了他們的眼界,并幫助他們抓住認(rèn)識論、方法論以及科學(xué)上的重大理論問題,抓住事物的本質(zhì)和總體,而具有總體觀,乃是高級才智的一種標(biāo)志。這樣,愛因斯坦既有別于縮守一隅、不見森林的科學(xué)家,因?yàn)樗劢玳_闊,思維豐富;也不同于不著邊際、大而無據(jù)的思辯家,因?yàn)樗A(chǔ)扎實(shí),學(xué)力深厚。?
  愛因斯坦富于革新精神,這是他的顯著特征。他的想象力非常活躍,而這正是創(chuàng)造和革新所必不可少的重要條件。雨果說:“莎士比亞首先是一種想象,……科學(xué)到了最后階段,便遇上了想象!痹趷垡蛩固箍磥,許多所謂常識的東西,其實(shí)不過是幻年時(shí)代被前人灌輸在心中的一堆成見,尤其是當(dāng)迷信病流行時(shí)更是如此。這堆成見是需要重新審核的。它們很可能是前人的主觀偏見;或者是由于我們只處于宇宙的一個(gè)局部區(qū)域、一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)層次而見到的特現(xiàn)象,并不是宇宙的一般規(guī)律。例如,物體運(yùn)動時(shí)長度似乎不變只見于低速世界,長度隨速度而變化才是一般規(guī)律。愛因斯坦正是抓住“質(zhì)量”、“同時(shí)性”等基本概念牢牢不放,最后提出相對論的兩條原理而突破的。?
  任何事物都不可能十全十美,愛因斯坦的科研方法也是如此。例如,他對歸納法就不夠重視。
  通過愛因斯坦對一些科學(xué)家的評價(jià),可見他很重視下述幾種才能:
  1?想象力。愛因斯坦的方法既然主要是演繹的,所以他特別強(qiáng)調(diào)思維的作用,尤其是想象力的作用。他認(rèn)為科學(xué)家在探討自然的秘密蛙,“多少有一點(diǎn)象一個(gè)人在猜一個(gè)設(shè)計(jì)得很巧妙的字謎時(shí)的那種自由”,他需要極大的想象力。不過“他固然可以猜想以無論什么字作為謎底,但是只有一個(gè)字才真正完全解決這個(gè)謎”。同樣,自然的問題也只有一個(gè)答案,所以最后還是應(yīng)該受實(shí)踐的檢驗(yàn)。在談到想象的重要性時(shí),他說:“想象力比知識更重要,因?yàn)橹R是有限的,而想象力概括著世界上的一切,推動著進(jìn)步,并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說,想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素”。想象力之對于科學(xué),其重要性不下于它之對于文學(xué)。文章如無想象,就會成為一潭死水式的幫八股。同樣,科學(xué)如無想象,就很可能停留在一些皮表的,抓不住本質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式上。不過二者之間也有不同,?茖W(xué)中的想象最后要受到實(shí)踐的旅客不留情的檢驗(yàn),而文學(xué)創(chuàng)作中的想象雖然也應(yīng)反映客觀實(shí)際,但卻比較靈活。例如,小說中某角色的結(jié)局不必是唯一的。
  2?直覺的理解力。他贊揚(yáng)玻爾說“很少有誰對隱秘的事物具有這樣一種直覺的理解力,同時(shí)又兼有這樣強(qiáng)有力的批判能力”。評論埃倫菲斯特時(shí)說:“他具有充分發(fā)展了的非凡的能力,去掌握理論觀念的本質(zhì),剝掉理論的數(shù)學(xué)外衣,直到清楚地顯露出簡單的基本觀念。這種能力使他居為無與倫比的教師!
  3?數(shù)學(xué)才能。這是演繹法所必不可少的。他在談到牛頓時(shí)說:“他(牛頓)不僅作為某些關(guān)鍵性方法的發(fā)明者來說是杰出的,而且在善于運(yùn)用他那是地的經(jīng)驗(yàn)材料上也是獨(dú)特的,同時(shí)他對于數(shù)學(xué)和物理學(xué)的詳細(xì)證明方法有驚人的創(chuàng)造才能”。愛因斯坦本人的數(shù)學(xué)已經(jīng)是很好的了,但他說:“我總是為同樣的數(shù)學(xué)困難所阻”。由于研究的需要,他專門請了一個(gè)很強(qiáng)的年輕的數(shù)學(xué)助手。
以上的幾種才能是關(guān)于思維方面的,而關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面都沒有提及,這不必驚異,因?yàn)閻垡蛩固贡救酥饕⒁庋堇[法。由于時(shí)代的限制,他的方法論并不是完全無可非議,例如對歸納法的輕視,強(qiáng)調(diào)“自由創(chuàng)造”等。有時(shí)過分強(qiáng)調(diào)思維的自由創(chuàng)造等。其實(shí)歸納與演繹相結(jié)合才是更為完善的方法。但每個(gè)人都處于歷史發(fā)展的一定階段,都有歷史局限性,不能要求他成為完人。

 

 

 
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