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(二)科学行进的脚步

日期: 2019-05-19 20:11 浏览次数 :

  纵观人类社会开展的前史,咱们感到科学的行进来之不易。人类的知道每行进一步,都要通过许多人的尽力,都要支付艰苦的劳作。咱们有必要尊重前人的劳作,爱惜前人爲咱们发明的常识,让科学精力在咱们的身上发扬光大,让文明的光芒在咱们的手中愈加绚烂,愈加光辉。

  咱们留意到,人类对客观国际知道的开展具有必定规矩,常识的立异也是按必定的次序进行的。在新科学理论树立之前,往往需求堆集必定数量的感觉信息,然后纔能够将感觉改动成可陈说的经历。在经历材料根底上,需求提出新的科学出题。这种出题分两类,其一是有关客观国际终究怎麽样的“唯象理论”,其二是关于国际爲什麽会这样的“科学原理”。然后,针对这些人爲臆造的理论,运用逻辑办法,对所触及的科学现实和唯象理论予以解说或证明。在需求的时分还能够预言新的科学现实。假如对科学现实和唯象理论的解说获得了成功,或许所预言的科学现实如愿以赏地呈现,都能够显现新理论的生命力。假如呈现了不能用现有理论加以解说的现实,或许所发现的科学现实和已知天然规矩相对立,人们便会寻求新的解说,树立新的理论。所以,新一轮从感觉到科学原理的征途再次啓动。这就是以问题爲起点,试验爲根底,在科学现实引导下,以创建新观念爲中心,通过演绎树立常识体系爲作业重点,以实践检测爲成功标誌的常识立异途径。

  能够引导新常识体系诞生的问题常以悖论的方式呈现。悖论并不是无法打败的困难,而是在现有理论结构中不能处理的对立。悖论或许直接从现有理论中推导出相互抵触的定论引起,也或许体现爲新的科学现实无法用现存的常识体系加以解说。这两种状况都意味着现有科学理论至少应该予以批改。已然悖论的呈现暴露了现存常识体系的漏洞,引导立异,发现和化解悖论关于推动科学知道向纵深方向开展,必定具有特别含义。一旦发现了悖论,就等于把握住了科学开展的脉息,抓住了发明发明的要害。

  我刚开端从事物理教育的时分,就留意到一个关于电子束的悖论。其时我仅仅将其作爲一个风趣的问题交给学生评论,啓发考虑,进步他们对物理学的爱好。

  后来我知道到,通过破译电子束悖论,能够推导出相对论的有关定论。2002年夏日,我完成了这项作业,写成论文《从电子束佯谬到狭义相对论》,宣布在四川大学学报上。在相对论现已被遍及承受的今日,这个证明并没有实际含义。可是,从剖析电子束悖论开端,只运用相对性原理,能够将包含狭义相对论悉数定论推导出来,这説明狭义相对论确实是能够化简的。从科学逻辑的视点讲,化简相对论的正义根底,具有必定的理论价值。

  很多悖论来自科学试验。十九世纪末,黑体辐射的试验研讨显现,辐射强度与波长之间的关係,无论怎么不能用经典电磁学理论加以解说。在维恩和瑞利经历公式的根底上,普朗克拼奏了一个公式,能够将整体试验数据归纳进来。不过在他这个公式裏隐含了一个重要的假定,那就是有必要供认辐射能量存在最小单位。这个假定显着和经典电磁学理论相对立。普朗克由此创建了量子观念,创始了量子力学开展的新纪元。

  与普朗克一起代的迈克尔逊却没有这麽大的勇气。爲了测定地球在以太中的运动速度,他规划了一个十分精巧的干与试验。可是,无论怎样改善试验的办法,迈克尔逊都没有看到应有的干与条纹移动。这样的效果好像标明以地球爲参照物,光向各个方向传达的速度持平,这意味着地球在以太中处于停止状况。照説,地球不只在自转,并且以三十公里每秒的速度围遶太阳运动,太阳又以二百五十公里每秒的速度围遶银河係中心旋转。依据伽利略相对性原理,地球有必要正好将本身的运动,和相关于银河係中心的运动,以及银河係的运动刚好扺消。可是,这样的定论太古怪了。因为地球自转,以上运动无论怎么不或许随时互补。此外,假如确定地球停止不动,其他地理调查--例如光行差和双星现象——便无法得到解说了。

  原本,迈克尔逊试验所引起的严重悖论,清晰预示以太不存在,牛顿絶对时空观现已走到了前史的终究关头。可是迈克尔逊却没有看不出他所规划的试验或许引起的革新性效果,不愿意抛弃絶对时空的陈旧观念。直到相对论被科学界遍及承受,爱因斯坦移居美国,和他谈到二十年前他的出名试验对相对论的创建所出做的卓越贡献时,迈克尔逊仍是固执己见,不愿意承受相对论,仍然对自己在试验中没有看见条纹移动的效果感到绝望和懊丧。

  从化解悖论着手立异科学理论需求剧烈的立异知道,坚忍不拔的毅力和严密的逻辑思维能力。悖论并不是不能化解的对立,仅仅在现存的理论结构中无法破译的难题。悖论是科学危机的信号,也是科学开展的先兆和进军的号令。假如咱们仅仅看到悖论对传统理论的破坏力而感到怅惘,看不到她在新科学理论诞生进程中的助産效果而倍受鼓舞,就不会去开掘她的发明性潜能,坐失立异常识的良机。所以,尽力发现悖论,有知道地通过搆筑新常识体系的途径处理悖论,才干爲科学的开展开辟一片新天地。

  已然从科学现实到唯象理论,由唯象理论到科学原理这两个阶段,都没有现成的路途可走,没有逻辑的必定性,只能凭藉科学家的幻想,这就决议了猜测在发明性研讨中的重要位置。科学家往往首要需求提出假説,再运用逻辑的办法推导出一系列定论。树立严密逻辑的正义化体系之后,还要对正义体系中的推论进行验证。理论的立异有必要承受科学现实的引导,通过实践的查验。查验的办法就是用新的理论解说已有的科学现实、预言对科学原理具有鑒别力的不知道现实,只需在这两个方面能够获得成功,就能够得到科学界的认同。而在上述任何一个方面不成功的理论会被抛弃。可见在常识立异的路途上,新的科学现实或许逻辑悖论的呈现是要害,猜测是要害,通过查验是成功的标誌。

  早在1814年,德国物理学家夫琅和费就发现太阳光通过分光镜后,会在接连的五颜六色光带中留下许多昏暗的条纹,称爲夫琅和费綫。尔后不久,基尔霍夫和本生发现,每一种元素只能宣布或许吸收若干种特定频率的光。元素能够宣布某种频率的光,在相应的条件下也能吸收相同频率的光,这就是出名的基尔霍夫光谱规矩。依据这个原理,人们依据原子的发射光谱或许吸收光谱波长来鑒定物质的化学组成,这就是光谱剖析办法。

  可是,光谱规矩究竟是一个描绘性的唯象理论,她仅仅通知人们,原子所宣布的光具有怎样的特色。尽管光谱剖析办法现已运用了半个多世纪,可是,人们对原子的发光机制并没有给出切当的解说。就是説,元素爲什麽会发特定顔色的光?各种原子的发光波长爲什麽互不相同?爲什麽同一种原子能够发射哪种波长的光,就能吸收同一种波长的光?这些问题一向没有得到满意的回答。很显着,给出这种问题的説明需求对原子的发光机理和内部搆造有所了解。也就是説,对原子光谱的深化研讨,很或许与揭开原子结构的隐秘有关。这项作业引起了越来越多的科学家留意。

  1885年,瑞士科学家巴尔末首要看出氢原子可见光谱所对应的波长,满意一个简略的关係:每一条光谱波长的倒数,都与两个整数的平方倒数之差成正比。其间一个整数是2,别的一个分别是3、4、5、6。他把这个规矩编写成公式,然后得出第一个定量描绘光谱性质的唯象理论。

  1898年,瑞典光谱学专家裏德伯发现,将巴尔末公式略加批改之后,运用于一切碱金属也根本上合适。所以,巴尔末公式被推行到一价碱金属光谱研讨中,成爲类氢原子的光谱理论。

  作业还没有完,光谱学家赖曼坚持巴尔末公式中前项分母不变,后项分母的整数改成7、8、9…的时分,核算效果归于紫外綫,他通过紫外分光镜,找到了这些光谱綫。赖曼的成功,鼓舞后来者做出愈加斗胆的测验。他们分别将巴尔末公式中的前项中的整数,分别用1、3、4、5…替代,核算出一些或许的光谱,这些谱綫都在分光镜中被逐个找了出来。

  氢原子光谱呈现出来的显着规矩,增添了巴尔末公式的神秘感,一起也给人们以极大的啓发:已然氢原子光谱有规矩可寻,其间必定大有文章。氢原子光谱唯象理论一天天走向老练,呼喊着愈加深化的理论解说,促进了进一步的科学原理,也就是氢原子结构理论的诞生。

  可是,又过了十几年问题才呈现起色。1911年,卢瑟福指出,他的原子核式结构模型和经典电磁学并不和谐。假如核外电子确实在绕核作业,旋转电场会在周围空间激起交变磁场,然后向外辐射电磁波。原子能量的流失会导致核外电子轨迹半径接连减小,滚动频率不断昇高,所以一般原子应该是不安稳的。原子发射的光应该构成接连光谱。可是,简直一切元素的原子都是安稳的,而原子光谱都不接连。

  与其説是卢瑟福坚持脚踏实地的科学情绪,斗胆供认自己所创建的原子结构模型的缺少,还不如説卢瑟福现已看出经典电磁学理论的薄弱环节,用自己的原子结构模型作爲砲弹发起了进攻。公然不出卢瑟福的意料,1913年,玻尔运用量子理论提出了三条假定,对氢原子发光原理做出了令人满意的解说,揭开了光谱之谜,大大推动了量子力学的开展,施行了对经典电磁理论的成功叛变。

  从氢原子结构理论模型的创建进程中能够看出,在近代科学史上,一个新理论的创建往往需求通过从经历现象到唯象理论,和从唯象理论到科学原理的多级昇华。在这个进程中,科学家的思维应该是发散的,他们或许提出许多回答计划。唯象理论没有到达老练之前,很难树立全面的理论模型。推动唯象理论走向老练和树立原理理论都需求猜测和彻悟,也需求不断验证自己的主意。跟着研讨的深化,描绘性唯象理论的内容逐步扩大,引导人们对发散思维的效果做出正确挑选。现实上,人们得出很多光谱数据之后,对毫无规矩的波长数据并不满意,而是力求归纳成一个定量的公式;当巴尔末猜出一个定量公式之后,人们没有因公式所给出的满意核算效果而沉醉,而是斗胆改动公式的方式,尽力拓宽公式的内容,推行公式的运用範围。当公式的推行运用获得成功,氢原子光谱规矩彻底把握今后,才实在提出了提醒原子发光机制的使命。在唯象理论向科学原理推动的进程中,需求树立新的概念,发明新的规矩。这些概念和规矩都不是现存科学理论的运用和推行。而要害性的发明,只能在正确猜测引导下才干获得成功。

  能够看出:在创建氢原子结构理论的进程中,巴尔末公式发挥了极其重要的效果。从波尔的假定动身,能够推导出巴尔末公式。可见,这个公式是关于氢原子结构理论来説,是一个唯象理论。不过,关于基尔霍夫规矩来説,这个公式也能够称爲一级原理。因爲不管氢原子的发射光谱仍是吸收光谱,都能够用巴尔末公式核算其波长,那麽吸收光谱和发射光谱的共同性还会有问题吗?假如咱们进一步对玻尔的氢原子结构理论设问:爲什麽氢原子只能处于一系列别离的能量状况?爲什麽当量子数取正整数的时分,氢原子的对应状况才是或许的?这样的问题便成了有关玻尔理论的説明,需求运用进一步的原理。所以,玻尔理论便成了一般原子结构的唯象理论,今后敏捷开展起来的量子力学则成了进一步的原理。可见唯象理论与原理是相对而言的。这样的状况决议了科学有必要一步接一步地深化开展。假如以爲某个唯象理论得到解说,科学开展能够停步,那就大错特错了。

  与巴尔末的发现相相似,1766年德国地理学家提丢斯依据昂似的地理观测,归纳出一个经历公式:R=04+03×2n-2地理单位。其间n取1、2、3、4、6、7时,正好能够核算出地球和五个行星的轨迹半径。1781年,赫歇尔在提丢斯公式中n=8的轨迹上发现了天王星。今后,在核算海王星(n=9)和冥王星(n=10)轨迹的时分,提丢斯公式也发挥过辅导效果。可是,唯一在n=5的提丢斯轨迹上,一向没有发现行星,显着还有奇怪。通过不懈尽力,1801年,意大利地理学家皮亚齐在这个轨迹上找到了第一颗行星,命名爲谷神星。这颗行星的直径缺少800公里,体积缺少水星的四十分之一,属小行星。今后,人们在间隔大致相同的轨迹上,连续发现了两千多颗小行星,构成小行星带。天王星、海王星、冥王星,以及小行星带的发现印证了提丢斯规矩的可靠性。可是,这个公式究竟出自提丢斯的猜测,归于唯象理论。至于爲什麽能够依照这个公式準确核算行星的轨迹半径,至今仍然是个谜。也就是説,行星轨迹的唯象理论,期待着新创建科学原理的进一步説明。这项作业假如获得成功,就能够爲研讨一般恒星系的演化开展供给更深化的理论依据。或许咱们能够运用万有引力规矩对太阳係诞生进程进行深化研讨,得到行星轨迹散布规矩的解说。或许咱们能够引证量子理论对行星轨迹的离散散布规矩做出説明。当然,也或许爲了解说这个现象,需求针对星系的演化进程树立新的假説,将行星轨迹散布规矩归入新的科学体系。因为人们把握的星系材料太少,作爲一种唯象理论,遍及性还不行充沛,在理论上还不老练,现在对行星运动规矩还无法进一步做出有价值的归纳。

  当门捷列夫依照原子量大小将元素摆放起来,显着看出了化学性质的週期性规矩的时分,有人提出非难説,你爲什麽不按元素称号的字母次序把它们摆放呢?对立的声响来自其时的化学威望。无理的刁难引出了一个十分深化的问题。那就是,怎么从科学现实中笼统出唯象理论,才干够触及事物的实质?其时化学界遍及注重对各种元素化学性质的研讨,都把原子量当作一个与化学性质无关,或许是关係不大的量。其实这正是一种成见,门捷列夫也正是在这点上有所突破,是与衆不同的眼光使他获得了成功。

  在科学开展的路途上,理论假説的力气不容忽视。只要那些能够对新的物理现实做出准确预言的假説,才干得到人们的认同,获得科学界的遍及赞誉。牛顿的万有引力规矩不只处理了太阳中心説的终究证明问题,还能预言不知道行星的存在。太阳係中离太阳最远的两颗行星,都是在万有引力规矩指引下,依据核算效果才调查到的。因为海王星比天王星小,直接调查现已很不简单。在寻觅体积更小,反光强度极低的冥王星时,假如事前没有準确的核算,知道它应该呈现在哪个天区,然后用大型望远镜调查的话,找到它简直是不或许的。所以,在科学立异方面,以爲任何发现都有必要先有感觉,构成感性知道,再上昇爲理性知道的观念是站不住脚的。

  丁肇中发现J粒子时的状况也相同,假如事前他并不知道J粒子应该存在,更不了解J粒子的性质,而是通过盲目调查,这个瞬间就会消失得无影无踪的家伙一辈子都找不出来。从地球中心説到太阳中心説的改动,也能够説明理论的辅导效果。现实上,就可调查的现象而言,无论是古代仍是今日,能够説明地球是国际中心的现实,远比能够説明太阳爲国际中心的现实多得多,并且愈加有力。人们每天都看到太阳围遶地球转,历来没有人看到过地球围遶太阳转。与其説哥白尼看到这一点,还不如説是他的心中有一个以太阳爲中心的国际模型,是心目中的常识结构决议了他的调查效果。其实每个人都讨厌与自己所把握的常识相抵触的科学现实,会有意无意地疏忽其存在,以至于关于这种现象做出曲解的解说。实在的调查效果,是在正确理论辅导下得到的,没有思维的立异,就不或许有引导科学发明的调查。

  可是,更爲常见的是,某种理论的过错现已被新的科学现实所证明,却仍然被那麽多人坚强地支撑着。除了利益的唆使外,思维观念的胁迫是重要的要素。人们的常识是体系化的,每个人头脑中常识库的内容扑朔迷离,相互控制,相互影响。处于常识中心部分的是思维观念。人们总是愿意承受那些与自己观念共同的科学现实和科学定论。让人们改动对某些具体问题的观念简单,可是,最好不要触及现已构成的观念。假如要他们彻底改动了解事物的根本办法——思维观念——那就太难了。牛顿力学树立在絶对时空观念根底上,这种观念认爲空间是絶对平坦的,向任何方向无限延展着。时刻向着未来均匀消逝,义无返顾。空间和时刻没有关係,它们的性质与物质运动状况没有联繫,这种观念与常识相契合。与这一根本观念直接抵触的相对论进入人们的视綫,必定触一发而动全身,不遭到剧烈扺制,或许吗?

  我国古人关于天圆地方的假説,归于国际结构的描绘性理论。这种描绘不只和生活在中原地区先民的视觉相符,也和我国封建社会的道德观念严密联繫在一起,所以十分固执。假如有人问,爲什麽天会在上,而地鄙人?古人会煞有介事地説出上天轻盈剔透属阳,大地污浊凝重属阴;天然天尊地卑,世上男尊女卑,人世忠孝善良,社会信义平和一大串道理来。在咱们今日看来,这是与天然现象风马牛不相干的论说,怎麽能用在这裏呢?而古人却觉得天经地义。説不定还会冒出一个絶顶冒失的论据来:莫非你连祖先八代都忘得一尘不染?所以,尽管浑天説比盖天説更挨近客观现实,却因爲和其时的道德观念不和谐,而不能被广泛认同。至于比浑天説更契合现代地理学观念的宣夜説,则根本上没有得到社会的供认现已湮灭无闻了。

  科学常识的发明进程是新理论替代旧理论的进程。新理论不必定比旧理论形象直观,却比旧理论更全面,更深化,能够解说更多的科学现实,因此遭到人们的喜爱。有的时分,新理论的呈现宣告了原有理论的彻底失利,例如伽利略的落体理论替代亚裏士多德的理论。有些时分,旧理论并没有彻底被推翻,而是作爲新理论的特别状况而被保存下来。例如牛顿力学向相对论的改动。可是,任何一个新理论的呈现都会在必定程度上改动人们的思维观念,把人对客观国际的知道向着愈加深化的方向推动。

  在西方,托勒密的地理体系树立在天体崇高的观念根底之上,人们信任天体是崇高的,应该成爲外表光洁的正圆球。在天主的辅导下,天体的行爲是正经的,匀速圆周运动是它们天经地义的惯性运动。人是万物之灵,国际中心的地球最合适人类寓居。这些观念与基督教教义相吻合,得到教会的广泛支撑。在那个时分,置疑圣经就是置疑天主存在,弄不好是要杀头的。所以日心説和地心説的奋斗中一向贯穿戴科学精力与宗教迷信的对立。

  尽管用天体崇高的观念并不能推导出托勒密地理体系,可是,却正是这个并不充沛的“原理”约束了人们思维,使托勒密国际体系保持了一千多年不动摇。足见固执的旧观念对人们承受新思维所産生的约束效果多麽大。十六世纪以来,跟着哈雷慧星运动週期性规矩的证明,月球外表存在环形山和行星椭圆轨迹确实认,天体崇高的观念不断遭到冲击。直到万有引力规矩树立后,人们总算发现崇高天体和地下物体的运动,遵照同一个力学原理。当使用万有引力规矩猜测的新星被人们找到之后,以太阳爲中心的国际结构获得了终究的成功。一起,证明日心説的逻辑起点是万有引力规矩,是以天然界中的力气解说天然进程,科学精力再次打败了宗教迷信。

  达尔文进化论从前遭到常识界的剧烈对立。一方面是因爲拉马克所坚持的“用进废退”规矩更契合人们的常识,而获得性不能遗传的终究确证,有待于对基因存在确实认。可是,孟德尔的试验效果被埋没了半个世纪,直到二十世纪初,基因的观念才被科学界遍及承受。另一方面,也是最主要的原因,就是信任天主发明了这个国际,偏心人类是天主儿子的信条。而在这个国际上,人与其他动物之间的不同也确实太大了。因为缺少对人道的深化了解,根据宗教道德的人类中心主义在常识界根深柢固。可是,达尔文的进化论却从根本上摧毁了人类登峰造极的道德学根底,把人类一会儿拉到与一般动物平等的水平,怎麽不引起人们的遍及愤恨和拒斥呢?

  具有先进性的科学理论不会天然成长,旧理论也不会主动退出前史舞台,任何新生事物呈现之后,都有必要通过奋斗,在打败原有理论的进程中爲自己开闢路途,直到把过错理论从科学园地的每一个旮旯驱赶出去。也只要到了这样的时分,人们的知道才干得到遍及的进步。所以,在常识开展的路途上,破除旧理论是在立异的根底上完成的。没有强有力的新思维,就无法替代旧理论的位置,现已成爲非科学的旧理论是不会主动退让的。

  假如你树立了科学的常识观,正确了解科学开展的前史进程,而不是出于好高骛远一味着重立异,你就会在斗胆立异的一起,供认原有科学理论在辅导实践方面从前发挥和正在发挥的积极效果。在所发明的新理论暂时没有获得成功或许没有得到广泛认同的状况下,絶不会将旧理论排挤在科学的大门之外,让人们的实践失掉理论辅导而堕入紊乱。所以,在科学的路途上,实在严厉的情绪应该是“不立不破,先立后破,立字当头,破在这以后。”而所谓“不破不立,先破后立,破字当头,立在其间”的政策则是万万使不得的。

  常识的立异往往会在偶尔发现中开闢路途,无论是在立异的内容,立异的途径和立异的方式办法上,都体现出某种突发性,间断性和相对会集的特色,使整个科学开展的进程体现出不行预期和无序的特徵。可是,因为每一次严重常识立异的呈现,往往会诱发一连串严重发明,构成科学技能的日新月异;而每一种思维观念又具有相对安稳的特色。所以,科学技能的开展总带有显着的崎岖性,让咱们能够触摸到科学行进的脉息,感觉到科学步履的速度。

  上千年的中世纪,思维发明根本上处于阻滞状况。十四五世纪开端醖酿思维解放,十六七世纪近代科学狂飙般地突现,人们的思维办法和精力风貌发生了深化的改变。十八世纪是各门学科向深度和广度方向开展的世纪,页是科学效果向技能层面上搬运的世纪。常识的运用构成高潮,技能革新带动了産业革新。十九世纪到二十世纪中期,严重科学效果再次会集出现,生物学、遗传学、相对论、量子力学、国际学和人类学一起获得突破性发展,在很大程度上改动了人们的思维观念。十九世纪末,以电气化爲中心的生産技能大开展,使人们的生活方式发生了天翻地覆的改变。二十世纪后半叶,再次呈现了科学效果向运用技能转化的大趋势。火箭与能源技能走向老练,核算机与通讯技能敏捷兴起,英特网成功树立。与此一起,新的问题层出不穷、新学科逐步构成、新思维、新办法逐步老练,爲下一轮科学立异高潮的到来做好了準备。能够意料,跟着以体系论爲代表的,新的科学办法走向老练,在研讨杂乱体系中获得越来越丰盛的效果,又一轮科学革新有或许在不久的将来迸发。人们将在国际学,物质的微观结构,生命实质以及各种杂乱体系的研讨范畴获得划时代的效果,并带动新一轮技能革新。