科海泛舟需得“法”
不詳 ?李琪 ? 2008年09月01日 ? ?封面故事
題記：
對于新一代的青年學(xué)子，如果單純地進(jìn)行知識和技術(shù)的灌輸，只能培養(yǎng)出頭腦僵化、缺乏應(yīng)變能力的人；如果沒有一種正確的思維方法來指導(dǎo)，是難于成為四化建設(shè)的高級科技人才的。
周立偉院士
2007年1月，周立偉院士將自己30年來在培養(yǎng)大學(xué)生和研究生中的所見、所聞、所想，以及自己在科學(xué)研究上走過的路，寫成一本書——《科學(xué)研究的途徑》并出版，同年9月進(jìn)行了第二次印刷，近日記者采訪時了解到有望再次印刷。該書之所以如此廣受歡迎，是因為它啟發(fā)青年人不僅要有廣博精深的科學(xué)知識，而且要能靈活應(yīng)用科學(xué)方法、樹立正確的思維方法，這樣才能有所發(fā)明，有所創(chuàng)造。
科學(xué)研究之法
記者：您是怎樣看待科學(xué)研究的，有沒有一個大家可以通用的方法？
周立偉：廣義地說，科學(xué)研究就是創(chuàng)造知識和綜合整理知識的工作，在科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)有水平上前進(jìn)一步?？茖W(xué)研究必須以取得新的結(jié)果作為衡量成功與否的標(biāo)準(zhǔn)，這是一種創(chuàng)造性勞動。新的結(jié)果可能是新發(fā)現(xiàn)、新理論，或是新方法、新工藝；也可能是新材料，或新器件等等?？偠灾茖W(xué)研究就要求我們在前人的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。所以，整個的科學(xué)研究工作應(yīng)該是創(chuàng)造性的。
但科學(xué)研究并沒有一成不變的方法，有的人埋頭于實(shí)驗，通過細(xì)心觀察，發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象，如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線；琴納通過接種牛痘防治天花，從而奠定了免疫學(xué)；有的人按預(yù)定的概念與計劃去實(shí)驗，取得了預(yù)期的結(jié)果，如居里夫人從大量的瀝青鈾礦中提煉出放射性元素釙和鐳；有的人通過廣泛的觀察、體會，“ 悟”出新概念，從而提出新理論，如達(dá)爾文的進(jìn)化論；有的人由純粹的數(shù)理演繹，提出新概念，預(yù)見新現(xiàn)象的存在，如麥克斯韋的電磁場理論；有的人修正舊的理論，提出新的假說，這些假說在當(dāng)時似乎都違反常識，如愛因斯坦創(chuàng)立相對論；有的人將不同學(xué)科聯(lián)系、組織起來，建立起新領(lǐng)域而取得了成功，如維納建立控制論。所有這一切都說明，獲得創(chuàng)造性成果的途徑是多種多樣的，顯然不存在什么一成不變的方法。科學(xué)研究方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，沒有一個放之四海皆準(zhǔn)的模式。
記者：運(yùn)用科學(xué)研究方法可以培養(yǎng)青年學(xué)生的哪些學(xué)習(xí)能力？
周立偉：通過科學(xué)研究方法，培養(yǎng)青年學(xué)生在學(xué)習(xí)上的三種能力。
第一，要有提出問題，確定選題的能力。提問題的基礎(chǔ)必須要有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)或者是豐富的知識。要有好奇心，不墨守成規(guī)，還有直面科學(xué)現(xiàn)實(shí)、敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)。
第二，要有提出、闡述假說（假設(shè)、方案）的能力,有批評、判斷種種假說（假設(shè)、方案）的能力。這主要是培養(yǎng)思維能力——邏輯思維（分析、對比、推理）和形象思維的能力。
第三，要有證明假說（假設(shè)、方案）的是非真假的能力。這就是判斷的能力。這主要是指實(shí)踐能力——設(shè)計能力，實(shí)驗?zāi)芰?，深入考察、觀察事物的能力。
第一個是要能提出問題，第二應(yīng)該有自己的一些想法去解決它，最后能證明這個問題的真?zhèn)?。如果能夠?jīng)過了這些階段，將來到社會上就有一個敏銳的感應(yīng)能力，能對各種事物做出快速而恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。另外，具備了彈性的適應(yīng)能力，能夠不墨守成規(guī)，快速適應(yīng)環(huán)境的變遷。還有豐富的創(chuàng)意能力，能不斷地產(chǎn)生新穎的思路和方案。
需要特別指出的是，我認(rèn)為青年人應(yīng)該有一個正確的思維方法。當(dāng)前的知識傳輸沒有正確的思維方法來引導(dǎo)，是很難培養(yǎng)出一個為四化建設(shè)服務(wù)的高級科技人才的。
與夫人呂素芹在國家大劇院前
科學(xué)創(chuàng)造四階段
記者：您提出的科學(xué)創(chuàng)造四階段指什么？能否舉例談一下？
周立偉：國學(xué)大師王國維先生曾在《人間詞話》里提出治學(xué)的“三種境界”。第一個境界：“昨夜西風(fēng)凋碧樹，獨(dú)上高樓，望盡天涯路。”這個境界描寫迎著困難，勇于攀登，高瞻遠(yuǎn)望，苦苦思索。第二個境界：“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴?！?追求真理，百折不撓，無論多大挫折，終不后退，這是描寫研究探索的情景。第三是“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處?！睅捉?jīng)艱苦奮斗，突然受到啟發(fā)，頓時恍然大悟，原來事物的奧秘，正隱藏在“ 燈火闌珊處”，這是直覺的頓悟、成功的歡悅的情景。我們搞文藝的人或者搞科學(xué)的人都會經(jīng)歷這個階段——直覺的頓悟?？茖W(xué)研究上，第一個叫準(zhǔn)備期，高瞻遠(yuǎn)矚、構(gòu)想沉思的準(zhǔn)備階段；第二叫做探索期，覃思苦慮、孜孜以求的探索階段；第三個叫豁朗期，不斷追求，終有頓悟的收獲階段。不過，從事科學(xué)的人和從事文藝創(chuàng)作的人有點(diǎn)不太一樣，文藝創(chuàng)作的人，比如說李白寫詩，他寫了一個白發(fā)三千丈，我們不會質(zhì)疑的。我們覺得詩人很浪漫，很有想像力，但是我們科學(xué)家不能寫白發(fā)三千丈，三丈都不行。因為科學(xué)家需要求實(shí)，科學(xué)是講求實(shí)證的。
我認(rèn)為科學(xué)研究還要有一種境界，頓悟并不是科學(xué)研究的結(jié)束，而是還需要進(jìn)一步深化和探索。我舉兩個例子，一個是曹沖稱象。曹沖九歲，那時番邦進(jìn)貢大象，問曹操你能不能把這個象稱出來。大臣們面面相覷。曹沖說，他能稱，他把這個象引到大船上，在大船沉下去的地方刻了一個印記，然后把象引出來，裝滿石頭，船沉下去到原來的印記上，石頭的重量就代表了大象的重量。這是非常聰明的。我認(rèn)為曹沖聰明的地方是他有聯(lián)想的才能，他一定跟曹操一起看過他們練兵的時候在船上裝上兵糧的情況，他有舉一反三的能力。第二，他有抽象的能力，他能夠想到用石頭的重量代替大象的重量。后來我們都說曹沖是聰明的孩子。為什么我們不說曹沖是科學(xué)家呢？他雖然能夠把大象稱出來了，但是沒有從理論上說明這個問題。我們的先人在這個事情以后，也沒有在這上面再下功夫，在理論上再深化和提高。
我們再看另外一個例子，就是阿基米德稱皇冠的故事。國王讓工匠做了一個皇冠，用金子做的，做完了以后，他懷疑工匠偷工減料，他要求阿基米德看看這個工匠是不是做假，阿基米德拿了這個皇冠之后，想來想去就是想不出辦法。他回家洗澡，澡盆的水放得非常滿，他一腳踩進(jìn)去，發(fā)現(xiàn)水溢出來了。他突然想到排出水的重量跟我們原來這個物體之間的關(guān)系。后來阿基米德證明了這個皇冠雖然重量與原來的金子一樣，但是摻了假。原來金子的比重和現(xiàn)在稱出來的皇冠的比重是不一樣的。最后他就把這個問題解決了。阿基米德好在什么地方呢？他不但辨別了皇冠里面有沒有摻其他的金屬，他還研究水中的浮力，把稱皇冠的事上升到理論，這就是阿基米德的水力學(xué)定理。所以，我覺得阿基米德不但有聯(lián)想能力，有邏輯能力，有抽象能力，還有理論升華能力。我講這一段的意思是說我們需要理論升華。
“行到水窮處，坐看云起時”，這是唐朝大詩人王維的詩句。“行到水窮處”可以示為實(shí)踐檢驗，“坐看云起時”則表示理論升華。這就是科學(xué)創(chuàng)造的第四個階段——驗證期。
科學(xué)研究之徑
記者：科學(xué)研究有哪些途徑？
周立偉：第一，要有疑問和疑難問題的提出。疑問是思想的起點(diǎn)。一切有用的思想，都起源于一個疑問；一切科學(xué)發(fā)明，實(shí)際上都起源于思想上的疑惑。對科學(xué)來說，科學(xué)是始于問題，問題是最重要的。
第二，尋找研究問題的突破口。我們要思考，前人走了這條道路，為什么不走另外一條道路呢？為什么前人走這條路上沒有走通，癥結(jié)在哪里？等等?，F(xiàn)在我們主要自己要來找突破口。這個突破口也就是切入點(diǎn)，就是你從哪個方向來切入這個問題。一般來說有兩個辦法，一種辦法是我們來找問題里面的空白點(diǎn)，尋找它還沒有開發(fā)的處女地。另外，我們可以把另一個領(lǐng)域的東西和方法移植過來解決問題。
第三，提出假說。因為研究工作往往本身是提出假設(shè)，尋找證據(jù)。我們根據(jù)信息庫中的信息（文獻(xiàn)資料、實(shí)驗、經(jīng)驗和理論知識），從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，針對問題提出猜測性的假說或解決方案。
第四，找證據(jù)，以證據(jù)來判斷、來說明自己假說的“正確”和“真實(shí)”。假說提出之后，要在觀測、實(shí)驗、生產(chǎn)中應(yīng)用這些假說于實(shí)踐并檢驗以前的評價。這叫前驗評價，它是在一系列的實(shí)驗、抽象的或數(shù)學(xué)的方程上搭建起來的。
最后還要進(jìn)行排除錯誤。假設(shè)提出來了，也找到了證據(jù)；這個證據(jù)，實(shí)踐是不是證明是對的。所以需要有實(shí)踐環(huán)節(jié)，需要有實(shí)踐檢驗來做出評價。
記者：能不能結(jié)合您在科學(xué)研究中遇到的一些實(shí)例談一談？
周立偉：最近幾年，我與俄羅斯科學(xué)院普通物理研究所有國際科學(xué)合作項目，他們是研究高速攝影變像管，我是研究電子光學(xué)理論的。我們研究的高速攝影變像管器件，就要研究電子從陰極面逸出后到達(dá)屏面上相繼的空間和時間差異。我就是與他們合作研究這個器件的空間像差理論和時間像差理論。我的兩位合作者提出了一個時間像差理論，發(fā)表在1980年，世界上大家都用他們的公式算。當(dāng)時我花費(fèi)了一些功夫才讀懂了他們的文章，之后，我向?qū)W生們介紹了他們的理論。但是這也給了我一個疑問：在電子光學(xué)研究中，解決這樣一個時間像差理論，可以從最根本的電子運(yùn)動方程出發(fā)來解決它，這樣既直觀又簡單。為什么他們不走這條簡單的路子，而走這條復(fù)雜的路子？這是第一個問題。其次，我懷疑他們這個理論的正確性，為什么懷疑？因為它的正確性只有非常簡單模型的證明，這是不能算數(shù)的。第三，也有可能是他們的理論是正確的，但我懷疑具體的公式精確不精確。前者我問的是，理論是對還是錯，后者我問的是，理論的精確程度如何。當(dāng)進(jìn)行這樣一個研究時，要先把問題的方方面面考察清楚了，當(dāng)我考察的時候，第一個想法就是要找一個更好的理論來代替他們的理論。第二個想法就是我要考察這個理論的可信程度、精確程度。
對于第一個問題，為什么他們不走簡單的路子呢？任何問題一來，大家都會先走簡單的路子，看看行不行。一走，就發(fā)現(xiàn)里面有一個二重積分，所有的人都解決不了二重積分，工作都在它面前停下來了，才不得不走復(fù)雜的路子。二重積分問題就是一個突破口，我仔細(xì)研究了二重積分，我認(rèn)為這個二重積分是有可能解的，最后我通過一系列轉(zhuǎn)換把二重積分問題解決了。
這樣，我便提出了一個新的時間差理論，稱為直接積分法時間差理論。原來的時間差理論只針對軸向初能量為零的情況。新的直接積分法時間差理論，軸向初能量可以不等于零?，F(xiàn)在有兩個理論來解決，我認(rèn)為我的理論比他強(qiáng)，他們的理論求像差系數(shù)要解微分方程，我的理論求像差系數(shù)只需要直接進(jìn)行積分。
最后我提出一個同心球模型，來證明這兩個理論。證明的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這兩個理論都是對的，而且全是精確的——也就是積分解，微分方程解和解析解都是一致的。不過，我們的方法計算更方便，適用性更大一些。
我們搞科學(xué)的就是通過這樣的研究來推動著科學(xué)的進(jìn)步。這樣的成就，沒有什么稀奇的，也沒有什么可驕傲的?？茖W(xué)研究，重要的是創(chuàng)造性，但任何工作都是在前人的基礎(chǔ)上做的，前赴后繼推動著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。
人物小傳
周立偉，1932年9月生，浙江諸暨人。我國著名的電子光學(xué)與夜視技術(shù)專家，北京理工大學(xué)首席專家、教授、博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，俄羅斯聯(lián)邦工程科學(xué)院外籍院士。
他長期從事寬束電子光學(xué)、光電子成像領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，建立了寬電子束聚焦與成像較為完整的理論體系，該理論和方法應(yīng)用于工程實(shí)踐，為我國微光夜視行業(yè)由仿制走上自行設(shè)計研制、自主開發(fā)開辟了道路。
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