摘 要:该文从薛定谔对波动力学和遗传密码等研究工作入手,对他在研究工作中所使用的科研方法和创造性思维进行了探索,归纳出仍适合于今天科学工作者使用的类比法和移植法等的科研方法。
关键词:薛定谔科研方法类比法移植法
中图分类号:O41文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)07(a)-0005-02
薛定谔(1887——1961)是奥地利著名的理论物理学家,波动力学的主要创始人之一,主要从事统计物理、量子理论、广义相对论和生物物理方面的研究。他根据德布罗意关于物质波的思想和哈密顿原理,于1926年提出微观粒子运动的理论——波动力学,它的基础是薛定谔方程。这个方程在微观物理学中得到了广泛的应用。薛定谔在许多科学论著中,以1927年发表的《波动力学》论文集、1928年发表的《关于波动力学的四次演讲稿》和1944年撰写的《生命是什么》最为著名,并与狄拉克共同获得1933年度的诺贝尔物理学奖。薛定谔在长期的科研生涯中,所形成的科学思想和所使用的科研方法,对今天广大的科学研究人员来说,仍有着重要的启迪和指导作用。本文试图从这些方面进行一些探究。
1 薛定谔的波动力学理论与类比法
类比法是根据两个或两类对象之间的某些方面的相似或相同而推出它们在其他方面也可能相似或相同的一种逻辑方法。类比法能开阔视野、丰富联想、拓宽思路,使人能从某一类比物上获得启发,找到探索问题的思路。这一启发作用是将类比结论作为起点,进一步探索研究对象的特殊本质规律。当研究对象的有关材料知识还足以系统归纳和演绎的时候,类比就起到一个“开路先锋”的作用。按照类比所提供的线索,往往能获得重要的科学成果。虽然不同的事物有着各自的特殊性,类比推理是一种或然性推理,类比得到的结论不一定都是可靠的,但是在没有找到更多的严密证据之前,类比法不失为一种较快可能取得科研突破的方法。正如薛定谔所指出的:“我们这些现代知识分子不习惯于把一个形象化的比拟当做哲学洞见,我们坚持要有逻辑推演。但与此对照,或许逻辑思维至少可以向我们揭示这点:要通过逻辑思维来掌握现象的基础很可能完全做不到,因为它本身就是现象的一部分,和现象完全扯在一起。既然如此,我们也不妨问一下,我们是否仅仅因为一个形象化的比拟不能被严格证明,就逼得不能运用它呢？”
1926年薛定谔在德国《物理年鉴》上以《作为本征值问题的量子化》为题,连续发表了4篇论文,建立了波动力学的理论体系。他在论文2中,用力学与光学之间的哈密顿类比建立了波动力学的基本方程式,其基本思路是如图1。
在几何光学中有一条费马定理,在力学上也有一条类似的哈密顿原理。薛定谔认为,如果把费马定理(费时最小)和哈密顿原理(哈密顿作用量最小)放在等同地位,则几何光学和经典力学(薛定谔在他的论文2中称之为“几何力学”,在第一篇演讲稿中称之为“通常力学”)可放在等同的地位。在当时,由几何光学过渡到波动光学已由惠更斯——菲涅尔原理解决。费马定理可转化为波的传播,并可从波的传播方程中推导出来。鉴于这种对应关系,在微观的力学过程中也应该有一门称之为“波动力学”的与经典力学(几何力学)对应(如上图所示)。他又进一步类比于几何光学与经典力学(几何力学)的关系,认为波动光学与波动力学也应具备这种相似性。薛定谔正是从波动光学与波动力学的物理相似性出发,实现了波动光学向波动力学过渡。他建立了与光的波动方程类似的波动力学的基本方程——薛定谔方程。这个方程提出后,很快就被应用到有关原子、分子等许多微观物理问题中,并取得了很大的成功,从而也检验了这个方程的正确性。按照著名的物理学家普朗克的话来说:“这一方程式奠定了近代量子力学的基础,就像牛顿、拉格朗日和哈密顿创立的方程式在经典力学所起的作用一样。”类比法是薛定谔主要的科研方法之一,并成为了他创造性思维的手段。在1928年,薛定谔所作的关于波动力学的第一次演讲中叙述他使用类比法建立波动力学方程时说到:“从通常的力学走向波动力学的一步,就像光学中用惠更斯理论来代替牛顿理论所迈进的一步相类似。我们可以构成这种象征性的比例式:通常力学:波动力学=几何光学:波动光学。典型的量子现象就类比于衍射和干涉等典型的波动现象。”
2 薛定谔的《生命是什么》与移植法
移植法是把某个研究对象的概念、原理和方法,或某个领域中的技术发明,运用到其他研究对象或领域中去的方法。物质世界的统一性,学科之间研究对象的相关性,决定了运用移植方法的可能性。移植法的涵义可用《诗经》里的一句诗加以概括,就是“它山之石,可以攻玉”。使用移植法所遵从的三个原则:第一,统一性原则;第二,创造性原则;第三,综合性原则。移植法的应用大体有以下4种情况:1)同一学科中不同方法的移植,从而产生新的方法和学科;2)不同学科、不同理论方法的移植,从而产生新的学科;3)不同研究领域实验仪器、科学技术的移植,形成新的分支;4)综合多学科的概念、原理和方法移植到另一个学科领域,产生新的理论。纵观20世纪重大科学成就和新兴学科的产生,几乎都离不开各门学科的理论和方法的相互移植,几乎离不开移植法的催生助产,特别是物理学移植到其他学科,就表现得更加积极与重要。它是导致重大科学发现强有力的杠杆,是开辟新的研究方向、新的科学领域和创立新学科的重要手段。移植法之所以如此有效,这是因为客观物质世界本身是一个统一的整体,由此,作为研究物质世界的知识体系——科学,也应是一个统一的整体。它被分解为许多独立的分支,并不是由它所反映的事物本身决定的,而是由人类认识能力的局限性,才把它分解的。在科学领域中,存在着由物理学到化学,通过物理学、天文学、生命科学,再到社会科学的环形链条。所以,从一个学科到另一个学科必然存在着许多内在的关系。这就成为某学科中的研究方法和手段,移植到另一个学科提供了客观依据。其次,对于不同的事物,层次越深,它们在性质之间的联系就越紧密,界限就越不明显,鸿沟也就越容易填平,使用移植法就更加有效。当科学工作者在探索一个新的领域而又了解甚少时,如果能够植入成熟学科中的思想方法和手段,往往能起到“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”的奇妙效果。
薛定谔科学工作中总的方法论准则和科学思想是对科学的统一的信念和追求。在认识论上,他坚信自然界是可知的,在方法论上他则追求这种可知的和谐统一。这种信念和追求不仅仅使他在物理学领域内硕果累累,还促成他超越物理学的界限,把目光投向了涉及人类本身性质的生物学和生命现象。在1944年也就是他57岁这一年,写了一本名为《生命是什么》的小册子。这本小册子的出版,震撼了整个科学界。它的重大意义并不仅仅在于倡导从分子水平探索遗传机制和生命本质,还引入了“遗传密码”、“非周期性”和“负熵”等概念来说明一系列生命现象,提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点。在方法论上,他倡导使用移植法,要用物理学和化学的理论、方法和实验手段来研究生物学,并率先作出了有益的尝试。他在书中提出:“在一个生命有机体的空间范围内,在空间和时间中发生着的事件,如何用物理学和化学来解释？”尽管当时,用物理学和化学来解释生物学还很不充分,但他坚信使用移植法,运用物理学和化学的理论、方法和实验手段来研究生物学和生命现象的思路是正确的。他在书中说到:“当前物理学和化学在解释这些事件时明显的无能为力,决不能成为怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释的理由。”可见,使用移植法和前面的类比法已成为薛定谔对科学的统一的信念和追求的重要手段。此后,美国的遗传学博士沃森和英国物理学家克里克都声称受到薛定谔《生命是什么？》一书的启发,对书中提出的“对生物学的一些基本问题,可用物理学和化学概念,以精确的措词进行思考”等观念表现出极大的兴趣。他们两进行跨学科的合作,1953年在英国剑桥大学卡文迪许实验室开展了对肌红蛋白的X射线结构分析,建立了遗传物质DNA的双螺旋结构模型,揭示了遗传密码的本质。这是20世纪生物科学的重大的突破。为此,他们两人也荣获了1962年诺贝尔生物学或医学奖。正如薛定谔所期望的那样,生物学的理论研究已进入分子水平,移植法的作用越发显得重要。上述著名的科学家克里克也深有体会地指出:“现代生物学研究的最终目的是以物理学和化学解释生物学”。
综上所述,薛定谔在长期的科学研究过程中,所使用的这些科研方法以及使用这些方法取得科研成果的范例,对我们今天在科学研究与科技创新方面仍有着重要的启迪和指导作用。
参考文献
[1]薛定谔,著.范岱年,胡新和,译.薛定谔讲演录[M].北京大学出版社,2007.
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