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数理化通俗演义: 第七十一回究方法 说书人试谈相似论，论精神 有志者不屈事竟成——结束语
尊敬的读者，本书到这一回就要结束了。当我们合书默想之时，会发现一个问题，就是科学家费尽心机所探索到的自然现象，原来如此相似。你看那伽利略望远镜里的月亮和地球多么相似；牛顿眼里的月亮和苹果多么相似；卢瑟福发现的小小原子结构和哥白尼发现的庞大的太阳系结构多么相似；摩尔根发现的果蝇的遗传和孟德尔发现的碗豆的遗传多么相似，甚至高档的人的基因结构和那最简单的噬菌体病毒的基因结构多么相似；普朗克发现的能量的分束急跳和祖冲之发现的圆周可以看成正多边形的无数个边多么相似；电场和磁场多么相似；电波和光波多么相似；柏克勒尔发现的天然放射性和伦琴发现的阴极射线多么相似；德布罗意发现的物质波和光波多么相似；达尔文和华莱士远隔万里之外，分别发现的生物进化现象多么相似；戴维发现的钾与钠的化学特性多么相似；拉姆赛等发现的氦、氛、氢、氟、氙等惰性元素多么相似；还有焦尔发现的电流生热和摩擦生热之间的相似，法拉第发现磁变电和电变磁之间的相似，甚至我们乍一看来毫无关系的人血液中血红素与树叶里的叶绿素，其化学结构也很相似。 真是大至宇宙，小至原子，从动物到植物，从人到细菌， 好一个相似的世界！ 这到底是为什么呢？辩证唯物主义告诉我们，外部世界是客观存在的，是互相联系发展的。别的不谈，我们只说这“联系”的一种重要形式就是相似(当然还有对立、变异等形式的联系)。 原来客观世界不管它多么复杂都可以分解成一定的层次，每一层次又都有一定的单元。这种不同单元和层次的排列组合就是一个复杂的世界。我们观察客观世界时只要像剥竹笋一样一层层剥去，就能发现它们各自间的相似关系，通过这种相似关系就能发现制约每一层次的规律。比如宏观宇宙间，众星围绕太阳运动是一个相似的层次，有开普勒定律管着；而在微观原子内，核外电子是一个相似层次，其作用力是电磁力；再深入到原子核中，质子、中子等又是一个相似层次，其作用是强相互力和弱相互力。原子组成分子，分子组成各种物体，组成地球；众星又组成太阳系；很多个星系又组成银河系等。这样一层一层组成世界。但是层次再多，我们只要找到其中的一层，就可以找到其中相似的联系。正如，世界上的人有几十亿，但总可以分为少年、青年、中年、老年等几个层次，只要是青年人，他们之间总有一些相似的联系。 在人对自然的探讨中，无论是牛顿还是达尔文，阿基米德还是爱因斯坦，他们都是力图通过一些相似的现象去发现其中的联系，然后概括出某个层次上的规律。不过有的人只能在低层次、浅层次发现规律，管得范围小一些；有的人可以在高层次、深层次发现规律，管得范围大一些。当伽利略在比萨斜塔上一站时，他发现了地球上的自由落体定律，而1866年当牛顿迎着凉爽的秋风，在苹果树下仰望明月时，苹果与月亮的相似，使他发现了万有引力，完成了人类认识自然的第一次理论大综合(天、地间规律的综合)；当1847年焦尔分析了电、机械、化学等运动的做功发热的相似性时，确定了能量守桓定律，完成了人类认识自然的第二次理论大综合；当1873年麦克斯韦发现光、电、磁都是波的相似性时，将它们统一起来，建立了电磁理论，完成了第三次理论大综合。科学史上的第四次理论大综合，是迄今完成的一个最高层次，即1905年到1915年爱因斯坦创立的相对论。它揭示了“尺缩钟慢”、“质能互变”等时间、物质在空间和运动中的相似变化，揭示了它们之间的本质的统一。 看来，自然界的事物常以相似(不是相同)关系来体现它们之间的联系，而抓住这种联系也就发现了规律。 人们在对相似规律的运用中又常表现为几种方式。一是，从横向看，通过相似形的扩大来加大研究的深度广度。比如我们常见的白光，在牛顿之前，认为是一色的。牛顿第一次用三棱镜分出从红到紫的七色，创光谱学，光的范围由一段到七段，以后的研究者又向两边做相似形的扩大，紫外又有x光、γ射线、β射线，红外又微波、电视波、无线电波，不断扩大战果，就出现一个大的相似系列。 二是，通过发现两事物间的相似联接点，来开拓新的研究领域。比如本生发现不同元素都有自己的固定光谱，根据这一点相似联系便创立了光谱分析学，并得以发现铯、铷、铊、铟、氦、氩等，开垦出一片新元素的处女地；居里夫人根据一些不同元素都有一定的放射性和相似联系，创立了放射化学，据此，人们发现了钋、镭、镁、锕、氡等，在元素王国里又拓出一片领地。作为物理学家的卢瑟福，在研究原子放射性时，却发现了原子的衰变，从而发现“放射性是原子现象，又是生成新物质的化学变化的伴随物。”他在这个十字路口上不自觉地走进化学领域。因此，当他获得1928年的诺贝尔化学奖时，连他自己也大吃一惊。他说我一生经历许多变化，想不到这一次从物理学家变成了化学家。量子力学兴起后，这个相似点更是联结了许多学科，出现了量子物理，量子化学，量子生物等。作为量子物理学家的薛定锷写出了《生命是什么？》，玻尔写出了《光和生命》将生物研究推向了一个新阶段。事物间的相似点常常是暗渡陈仓出奇兵的好地方，只要选准，就会骤然取胜。 三是，从纵向看，通过事物发展的周期相似波，来预测方向，推动新的发现。比如化学元素的发现就由于新的研究方法的出现而相应出现了几次相似的发现高潮：即化学分析法之后，电解法之后，光谱分析法之后，放射法之后等等。又如，人们对自然科学的研究，开始都包括在哲学里面，后来又分成各门学科，研究再深入，又在分子水平、量子水平上得到统一，经历了合——分——合的否定之否定的相似重复。前面说到，人类在认识自然过程中，每积累到一定程度就要出现一次相似的理论大综合，已经出现了四次。按照这个规律，现在科学家们都在磨拳擦掌，希望能在第五次大综合中立一头功。 大自然中相似的单元和层次决定了其客观存在的相似性，我们就可以按照“相似形”、“相似点”、“相似波”等各种方式去指导科学发现。开拓未知领域。 另一方面，大自然经过长期的进化，又筛选出了许多最优方案。所以我们还可以按照自然中的客观存在去指导技术发明，创造新的文明。 人们千百年来的发明创造，实际上是通过“人工”来再现“天工”。是向自然求得相似。当美国政府费尽巨大的人力物力，试制成第一颗原子弹时，它不过是重复了太阳表面亿万年来就在进行的核制变；当艾菲尔完成了300多米高的巴黎铁塔，全法国人都引为自豪时，人们发现其结构和人的一根小腿骨并无二致，甚至两者的表面角度都相符合。莫斯科人也为自己的184.3米高的电视铁塔而自豪，但人们仔细一分析，其结构不过是一根纤细的竹竿。飞机是1903年发明的，这是千百年来人类幻想与鸟相似的结果。而自从莱特兄弟的第一架飞机上天以来，这种飞行工具的每一次改进又都是从鸟身上继续发现一些新的相似点。鸟的翅膀是拱形的，飞行时空气会对它生成托举力，飞机双翅也是如此；鸟飞行时双腿收到腹下，是为了减少阻力，于是飞机的起落架也就收起，蜻挺双翅的前上方各有一块深色的角质部分，这是为了消除飞行中空气阻力造成的颤振，于是飞机机翼上也有与此相似的抗颤振配重部分。数学家和物理学家发现六角柱状体是一种最经济的形体。他们经过长时问的测算，算出这些柱状体底面约三个菱形面积的锐角是73度32分，钝角是109度28分，而这正是蜂窝的结构，竟连一分也不差。 我国生物学家贝时璋曾对生命下过一个定义：“‘生命’就是物质、能量、信息三者的理化、协调和有机统一的动作。”那神奇的计算机正是靠着硬件、电源、快速数模等接收信息的装置，相似于人的躯体、能量和视觉听觉，然后用软件将这些有机地统一起来。于是计算机能听、能看、能写，俨然是一个有“生命”的东西了。 我们平常说向老师学习，是因为老师积累了很多知识，而大自然在亿万年间筛选、积累下来的最优模式正是一个最理想的老师。 我们在认识自然，改造自然的过程中，不但有相似的规律可循，有相似的模式可借鉴，更有趣的是，同时还生成许多相似的研究方法，甚至许多科学家还有相似的遭遇。门捷列夫根据元素周期律准确地预言了元素镓的性质，与勒维烈根据万有引力准确地预言了海王星的位置多么相似；法拉第由电变磁启发而发现了磁变电与德布罗意由波是粒子启发而发现粒子也是波多么相似；本生利用不同元素有不同的光谱和居里夫人利用不同元素的放射性能使空气生成不同的导电性来测量新元素多么相似。正是因为有了这些相似，我们才可以将科研方法大致分成几类，才生成了许多方法论方面的专著。 各位读者，当我们顺着科学史的长河顺流而下，这样飘行了一趟之后，我们知道了许多知识，也了解到一些学习方法和研究方法。但还有一样是更重要的，这就是为我们开辟这条航道的科学家，他们在与大自然斗争中所表现出来的伟大精神。也许我们并不从事科学工作，有些知识和方法对我们并不直接有用，但是他们的这种精神将会如阳光一样温暖看我们的周身，无论走到哪里，都会使我们受益无穷。择要而说，大概有三种精神。 第一便是牺牲精神。对自然的认识是受无数代人连续不断地工作才能完成的艰巨事业。所以凡是有志于从事自然科学研究的人就要准备将自己短暂的一生全部投入这无限的事业中去。这里需要彻底的无私。除事业外，个人别无所求。只要能有一点发现，能为后人的再发现开辟一寸道路，他就心满意足了。所以开普勒在发现了天体运行规律后说：“大事告成，书已写出，甚至可能要等一个世纪才有读者，这我就管不着了。”爱因斯坦在完成了广义相对论后说：“我死不死无关紧要。广义相对论已经问世了，这才是真正重要的。”其甘为事业捐躯的心怀多么坦然。只要有了这一点便无坚不可攻，无峰不可攀。因为治学犹如打仗，未知世界变幻无穷，总要有一点风险。这就要敢于冒险，要有先干起来再说的胆量。正如历史上不敢铤而走险，揭竿而起，就永没有农民起义的胜利。从沛县的小吏刘邦到凤阳的放牛娃朱元璋，无不是以这种冒险之勇而得天下的。而从达尔文在贝格尔舰上捞起第一块贝壳到居里夫人在小木棚子里第一天支起炼镭的大锅，任何一项科学发现。无不是以敢斗敢闯才有成功的。所以爱因斯坦说：“物理学是一种认识的冒险。”只不过它不如政治、军事斗争那样会大量的流血，所以这一点不大为人注意，但其道路是一样的。 第二是创造精神。当我们开始登上治学之路时，第一是继承，是将前人已掌握的知识接受过来。一般人做到这一步也就为止了。而科学家却不甘心于只数别人的脚印，我们看牛顿、法拉第、巴斯德、达尔文、卢瑟福等这些伟人，他们读了一些书，一旦接受到一种新思想的启迪之后，便立即进入自己的创造轨道；去顽强追求前人没有发现的东西。当爱因斯坦还是个16岁的中学生时就有了自己对于世界的独特思考。一部科学发现年表几乎全部为青年人所占有。只有不断地创造，科学才能发展，才能延续。 创造是科学的生命，同时也是科学家的生命。科赫作为一名普通的乡村医生，经过顽强的观察和实验成了细菌学的开山鼻租，他发现了结核菌这个可怕的杀人犯，获得了一种创造的飞跃。有人说得好：“这出人意料的一跃，科赫离开了许许多多无名医生的队伍，降落在最有独创性的研究家之中了”。世界之大，历史之久，曾涌现过多少学者专家，为什么只有如牛顿、爱因斯坦这样的少数伟人永存呢？这是因为他们有所创造，历史才承认他，才肯回报他一席之地。他们在创造历史中也创造了自己的价值，自己的生命(一个科学家的生命)。当居里夫人从八吨铀矿渣中大海捞针般地寻找镭时，当卢瑟福决心打碎原子看个究竟时，他们觉得不这样做，活着就没有价值。正是这种强烈的创造欲望支持着他们不断发现，不断开拓。一个人云亦云，毫无创新的人，可能在官场上还能混下去，甚至可以红光满面，荣宠一生。但是在科学的讲坛上，他只要还是重复一遍昨天的话，就再没有一个人听。 第三是刻苦精神。就是要顽强、勤奋、认真。科学研究既然是从未知世界中探真知，就不会是囊中取物，瓮中捉鳌，不会易如反掌。它包含有比成功更多的失败、牺牲和挫折。没有这个思想准备就不要来敲科学的大门。但真正的学者既然抱定牺牲之心，吃苦也就算不得什么了。达尔文考察生物，五年环球，栉风沐雨；瓦特改进蒸汽机，20年含辛茹苦；弗莱明等人研究青霉素，17年不间断，奔波于大西洋两岸；瑞利、拉姆安等追踪氦元素27年，从天上找到地下。当这些科学家在一个早晨突然宣布自己的新发现时，人们羡慕，敬佩甚至嫉妒，但是有谁知道他们已付出了十年、几十年的心血呢？当居里夫人在八吨铀矿渣中炼得0.1克镭盐，当卢瑟福在25000张基本粒子的照片中终于得到6张人工转变元素的照片时，人们尊他们为第一批敲开原子物理大门的人。但是这些开拓者的腿上、手上已经被沿途的荆棘划得伤痕斑斑：科学史上每一次光荣的发现背后都有一串儿浸满血、泪、汗的脚印。正如地面上每一棵迎着阳光的绿树，地下都有同样大，同样密的根系在艰难地穿过苦涩的土石，吸收养料和水分。 一个科学家当他不怕牺牲，善于创造，又特别能吃苦时，成功就在眼前了。 尊敬的读者，众位科学家发明创造的事故，讲到这里告一段落。相信他们创造的知识，他们的治学方法，和他们献身事业的精神，一定能对您有所裨益。 大家在紧张地学习、工作之余还能卒读这本小书，作者谨表深深的谢意。 |
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