科学殿堂里的沉思者(二十)科研问题-1

对于一般人而言,问题的概念和意义既简单的令人发笑,又让人不知从何答起。事实上,不管对问题如何解释或定义,问题,作为人类特有的一种最基本的思维活动,已与生活密不可分。人生大观,生活百态,上穷国家大事,政经军商,下至生活琐碎,吃喝拉撒,无所不包括其内,也无人能从中逃逸。仔细想想,除非长篇累牍地阐述,确实很难寻找简洁对应的字词尽可能全面地表述其内涵。在网上,百度对问题一词有解释:英文:Question;中文释义:A. 要求解答的题目;B. 需要研究解决的疑难和矛盾;C. 关键或重要的部分;D. 意外事故;E. 教学中的问答;F. 事物之间的矛盾。不难看出,这种解释是不尽人意的,不仅是长,难以捕捉要点,而且中英文对照上的差距更大。毫无疑问,英文解释只涉及了中文释义的部分内容,至少Problem的内涵没有包括。实际上,用搬字典的方法解决问题的概念和涵义也太过迂腐,这里所讨论的问题,无怪乎就是生活、工作和学习中的解疑排难,因此,用极简洁的几个字词以及三个简单的问答便可囊括:问题是对未知的探求,包括是什么、为什么和怎么办?余者,皆可大求不顾细谨。

“是什么”是一种事物内在属性的表述,不仅包括物质,也包括思想、意识和各种现象。“是什么”是人类对自然认识的总和,解决了“是什么”的问题就解决了人的知识问题,这就是人为什么要学习。知识是无限的,而人生是短暂的。相对于知识的无限,人的时间和精力是有限的,这就是为什么要珍惜时光,懂得活到老学到老的道理。人对知识的学习具有明显的阶段性特点,“呱呱”坠地,世界上的一切都是新鲜的,所谓“童稚”就是成人眼里简单至极的事情表现在儿童眼里的好奇。“为什么”则是一种机制的探讨,是一种比了解“是什么”更为复杂的认知过程。生活中的许多事情看起来很简单、很自然,但并不是人人都明白“为什么”的道理。其中,不乏包含了极深的科学道理和人生哲理,不用大智慧则无以能探究明白。更有甚者,在其探索过程中,即使是哲人圣人也会表现出智慧的苍白无力和人生的诸多无奈。例如,火只是一种简单的自然现象,可火与人类文明之间的关系却表现出跌宕起伏、恒古绵远,既有远古神话的诡秘,又有科学新说的惊奇。不论是东方神话中的夸父追日,还是西方神话中的普罗米修斯盗火,都表现了人类对火的敬畏和追求。可以毫不夸张地说,火虽然只是一种简单的自然现象,可正是面对“什么是火”的不同态度和认知,才使人从动物链中脱颖而出,成为万物之灵。小时候家里有本漫画,讲的是人类进化史,题目、内容和结论都记不得了,只有其中的几幅插画仍历历在目,始终不忘。那几幅画面就是森林之火来临时的万兽奔逃和大火熄灭后人类祖先们面对满目灰烬的踌躇和思考。用我现在的知识来解读幼时留在脑海里的画面,结论一定是天灾人祸之后祖先们学到了两件事:一是火可以取暖,二是许多食物烧熟了更好吃。现代考古学显示,在中国云南元谋县和非洲肯尼亚的切苏瓦尼亚地区都发现了一百万年前人类用火的遗迹,就连北京周口店猿人用火的遗址也有五十万年历史了。史迹告诉我们,人类祖先是唯一能认识火是什么的物种,拜此所赐,人类才有了今天的文明。可人类从知道“什么是火”到“为什么有火”却用去了几乎整个人类进化史,直到近代法国化学家拉瓦锡才揭开了燃烧之谜。爱因斯坦是光学的集大成者,人类有关光的波粒二象性的争论到了爱因斯坦这里才落下了帷幕,划上句号(真的能划上句号吗?这是后话,暂且不提)。爱因斯坦的光电效应和相对论中对光的描述,构成了现代物理学的框架和基石,可在谈到什么是光时,他还是那么小心谨慎,并谆谆告诫人们不要被欺世盗名的“权威”所蒙蔽。他认为世界上没有一个人能真正理解光是什么,因此,不要轻信任何人对光下的定义。而他自己则在万般无奈中这样描述着自己的深沉思考:“宇宙万物中的一切,从开始到结束都被一种我们无法控制的力量所决定。从昆虫到恒星,从人类、蔬菜到宇宙尘埃,都早已被决定。我们都不得不跟随着一个遥远无形的风笛手所吹奏的神秘乐章而翩翩起舞。”这个风笛手究竟是谁?我以为,他肯定意有所指,只是连他自己都不敢说出来。按照我的理解,这个主宰宇宙一切的力量要么就是我们一直孜孜追求的科学真理:一种宏观概念上的自然规律,要么就是一种具体的物质,如光(我们居住的宇宙真的会是源于一种最简单的物质吗?真的使人难以想象,也不敢想象)。今天,在评品爱因斯坦这番叙述时,我们不得不得出这样一种结论:爱因斯坦之所以没有指明这种神秘力量究竟是什么不是因为他的知识和想象力不及就是因为他的思考包涵着更深邃的哲学思想。

“是什么”和“为什么”不仅是知识的源泉,生活的百宝箱,而且驱使着人们不断地探索新的知识,认识未知的世界。少年时代,伴随我成长的有两样好东西,一是中国少年报上“动脑筋爷爷”的栏目,一是《十万个为什么》的知识丛书。那时少年宫的活动中,有各种兴趣小组,还有各种模型小组,不仅是学,还可以动手去做。“鸟儿为什么会飞?”,“自己做的航模飞机也能象鸟儿一样飞上蓝天吗?”第一次从大哥哥大姐姐们组装的收音机里听到广播时的激动心情,仍如昨日一样新奇。正当我们被身边世界中蕴藏着的无穷奥秘所紧紧吸引的时候,正当理想的翅膀刚刚张开飞向蓝天,文化大革命开始了,所有的理想和兴趣一刹间全部灰飞烟灭。写这段文字的时候,我坐在美国密西根州安阿伯市的家里,窗外正是最灿烂的春天,百花竞艳,鸟儿对鸣,遥望天际,心早已飞回了祖国(虽然我早已成了美国人)。改革开放,祖国富强了,老百姓们也有钱了,今天的祖国,还有少年宫里的兴趣小组吗?今天的少年,还爱读《十万个为什么》吗?

说起来,这三个简单的疑问不仅伴随着人生的成长,也伴随着人类的进步,人类文明正是在这种探知中一步步走过来的。今天在讨论如何做科学研究的时候,“问题”仍然是首当其冲。路甬祥先生是中国科学院的院长,在为《21世纪末100个交叉科学难题》一书所作的序中这样描述过科研问题:“许多科学哲学家都认为,科学问题是科学发现的逻辑起点,一切科学研究、科学知识的增长就是始于问题和终于问题的过程,旧的问题解决了,又引出新的、更深刻的问题……因此,善于和勇于提出科学问题,用科学批判和理性质疑的科学精神去审视旧的科学问题,充分发挥创新的想象力去提出新的科学问题,尤其是提出大跨度、综合而复杂的重大交叉科学难题就显得更具有意义了。”路先生是中国科学研究的领军人物,能对科研问题有如此深刻的认识,乃是中国科学之幸,故引此段叙述以引起我们对科研问题的讨论。不同的是,路先生是站在一个至高点上高屋建瓴式地俯瞰科学问题,而我们则只能在细碎之中啰啰嗦嗦、婆婆妈妈地唠叨科学问题。

如同生活学习一样,科研也是离不开问题的。问题在科研中有两种不同的表述,一是提出问题,二是解决问题。两者之间熟轻熟重,谁更重要?可谓仁者见仁,智者见智,众说纷纭,莫衷一是。爱因斯坦认为:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看待旧的问题,却需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。”当代科学学的创始人之一,英国著名的晶体物理学家贝尔纳曾说过:“课题的形成和选择,无论作为外部的经济技术要求,还是作为科学本身的要求,都是研究工作中最复杂的一个阶段。一般说来,提出课题比解决课题更困难……所以评价和选择课题,便成了研究战略的起点。”虽然提出问题和科研选题还不是一回事,但提出问题却是科研选题的先决条件,这是后话,我们将在以后讨论。

对于科学研究问题的提出,最为著名并且影响深远的莫过于德国数学家希尔伯特提出的23个数学难题(这是希尔伯特于上个世纪初在巴黎召开的第二届世界数学家大会上提出的)。弹指一挥间,一百多年过去了,一百多年间,希尔伯特的难题激发了无数数学家们的兴趣、智慧和想象,始终指引着数学前进的方向,对数学发展和影响发挥着难以估量的推动作用。此后,许多著名的数学家纷纷效仿希尔伯特,也整理出了不少新的数学难题。在希尔伯特23个数学难题的百年纪念日里,美国克雷数学研究所的科学顾问委员会又从数学家们新提出的难题中选定七个“千年大奖问题”。克雷研究所董事会并为此筹措了七百万美元的大奖基金,每个“千年大奖问题”的解决都能荣获一百万美金的奖励,其力度已相当于诺贝尔奖了(其实这种奖励力度已远远超过了诺贝尔奖,因为就自然科学而言,当今的诺将已不可能一人获得,基本上都是合得)。这些故事无一不在说明科研问题的重要。据说,中国的四部委(教育部、科技部、中科院和国家自然科学基金委员会)正在推动一项活动,联袂在高端科研人员中征集“一万个科学难题”,目的是为广大博士、硕士生及科研一线的研究人员确定研究方向作为重要的参考,引导青年学者从低水平的重复研究中走出来。毫无疑问,这项活动肯定是非常有意义的,但却不一定能达到预期的目标。我以为,它的意义不仅在于年轻学者确定研究方向时的参考价值,更重要的是能开拓眼界,激发兴趣和热情,明确目标,找准方向,焕发出勇攀高峰的斗志和激情。此外,不同学科中凝炼出疑难问题的方法和经验也能在才智和思维方法上给年轻学者们以启迪和借鉴,从而激发他们也在自己关注的研究领域中提炼出新的问题。要知道,这种通过自己思考凝炼出的问题更利于自己寻找出解决问题的途径和方法,因此,也就更有利于促进大发现的诞生。至于让广大基层一线科技人员走出简单重复的低端研究状况的愿望和目的,既不现实,也反映出促办者对科研性质的认识不足,对科研战争的残酷缺乏起码的感性认识,是一种地地道道理想化的一厢情愿(从根本上来讲是对数学研究和一般自然科学实验研究的区别和各自特点认识不清)。试想,如果从国内院士一级或国际诺奖获得者中征集的有价值的科学疑难问题,必定是连这些科学顶级人物也解决不了的问题(如果自己能解决的话,谁也不会拿出来让别人染指。除非是技术或原理研究中的优势互补,否则,谁也不会把在短期内能完成的课题-尤其是有重大意义的课题交给大家去乱忽悠),试图把这些问题交给低端的科研人员,以引领他们走出简单重复的研究现状的愿望,显得多么幼稚可笑。如果把这项活动促办者的愿望挪移到图书发行行业,则叫做没有找准读者对象,不知道自己书的真正读者群在哪里、读者市场在哪里?再者说,把这些问题作为引领低端科研人员走出低水平的研究其本身也不符合所谓的低端研究人员成长的自然规律。引领不仅是要解决方向的问题,更重要的是一种慢功的培养扶持,一步步走,一点点点拨,要一对一的探讨争论问题,要让当事人有亲身感受,要有点拨后的领悟。没有这些,何来的一步登天?这如同在小学生中搞什么数学竞赛,表面上看起来轰轰烈烈,实际上是拔苗助长,根本不考虑教育中的年龄特点、心理特点和学科特点。数学是逻辑性非常强的学科,而儿童期最主要的思维方式是记忆力强和形象思维好,不把握这些特点,在小学生中搞什么数学竞赛无异于充当了成长杀手的角色,扼杀的东西让搞教育的人好好去揣摩揣摩、研究研究吧。退一步来说,即使不把问题说得如此严重,这种一厢情愿也算得上是对牛弹琴,高射炮打蚊子,给人一种啼笑皆非的感觉。

实际上,与其说此项活动的目的意义是引领年轻科研工作者从低端的科研状态中走出来,还不如说这是一场科学普及的教育活动。尽管《十万个为什么》知识丛书编写得很成功,激发了几代青少年的科学兴趣和热情,但从总体上来说,中国的科普教育是很落后的,与先进国家的科普环境和科普大师们相比,还有不小的差距。如果你去华盛顿(DC)走走,就会发现这种差距在哪里。那里有许多大型科学博物馆,全是免费参观。可以毫不夸张地说,作为世界上最强大的国家的首府,作为一个旅游城市,华盛顿并没有象北京一样,留给你王者的霸气,相反,而是给你留下了浓郁的科学文化的气氛和熏染。回国探亲,无数的人曾骄傲地向我表示:美国已去过了(有的甚至还游了好几次,实在让人难以相信),并没有什么了不起,城市也不比北京上海好多少。我听了,总是笑笑,并不想反驳他们,说什么美国还有很多值得称傲的地方。因为即使我纠正了他们一些观念和看法,他们也接受不了。不过,据我所知,他们的访美,都是美国华人的接待安排,纯粹是浮光掠影,连跑马观花都算不上(并非有贬低之意,以此谋生的人要想为旅游安排点品位和档次,也是强人所难)。他们的印象只有城市的高楼和标志性建筑,没有一点实质性的内容,更没有一个人跟我谈起美国各地大大小小的博物馆(如果一个去华盛顿DC旅游的人没参观过那里的博物馆就如同去萨尔茨堡旅游没参观访问过莫扎特故居一样。即使是密西根大学,各种各样的博物馆也有几十上百个,叫人还说点什么是好呢)。而正是这些博物馆在我首次参观时都程度不同地留给了我的震撼,使我明白了美国如此强大的原因和理由。令人遗憾的是,所有这些,在如此众多赴美旅游的人中,竟然没有留下丝毫痕迹,因为至今为止,我竟没有读到一篇有关介绍的文章。不过,话说回来,如果真能如促办者所愿,集四部委之力,从高端科学家中征集到一万个自然科学的难题,仍然是件了不起的大事,其影响一定不亚于当年《十万个为什么》的范围和程度。

既然科研中的问题那么重要,那么,就应该重视它,研究它,掌握和了解科研问题的性质、特点、动态以及其产生的影响因素与研究对象之间的相互纠缠与胶着。

与生活学习中的问题不同,科学研究中问题的性质和特点是由科研自身特殊性所决定的。科研中问题的最主要特点是什么呢?总结起来有这么几条:一是科研中的问题更富有创造性;二是提出问题和解决问题的相互依赖关系比生活中的问题更为密切,因此,我们又把它称之为共轭问题;其三就是共轭问题关系是辩证的、是动态的、是相互依存互为因果的、又是循环往复不断深化的。认识科研问题的这些特点非常重要和有益,可以帮助我们更好地把握问题的提出,更深刻地凝炼问题的内涵和意义,更有效地寻找解决问题的方法和途径。

为什么说科研的问题更具有创造性?这也是科研本身的性质决定的。什么是科研?科研就是认识新事物、探索新知识。要探索新的知识就必须打破旧的体系,就必须涉及未知的领域,这就是创新。就科研的定义而言,没有新意是不能称之为科研的。世界上决没有完全重复别人实验的科学家,即使有,不外两种情况,一是实验前文献检索工作没做好,二是特殊使命的驱使。因为文献检索的失误造成的重复叫“撞车”。对于研究人员来说,“撞车”是件很讨厌的事,象吃了一只死苍蝇。但这并不是绝对的,也有例外。人人都知道遗传规律是孟德尔第一个发现的。1865年,他在布尔诺自然科学年会上宣读了他的《植物杂交试验》的论文,重点介绍了他总结的遗传规律。次年,又在学会的杂志上发表了这篇报告。1881年,这篇论文被一本德国学者编篡的论文目录集所收编。不幸的是,这项伟大的发现在当时竟然不为人识,发表后没有引起任何反响,整整沉寂了三十多年。事也凑巧,到了1900年,三个学者同时宣布独立地重新发现了孟德尔的遗传规律,并且三人都一再强调实验之前没有读过孟德尔的论文。这三个科学家是:德弗里斯、科灵斯和契马克。在前后不到两个月的时间里,三人抢着发表了各自的论文,并都郑重其事地表白是在没有孟德尔影响下独立完成的。说起来,这件事也太蹊跷了,实在让人匪夷所思,难以置信(这种赤裸裸的表白是不是有点“此地无银三百两,隔壁阿儿不曾偷”的味道?而我则坚信,科学发展到二十世纪初的时候,遗传规律的重要性已逐渐被人们认识,很多学者已经意识到其非凡的意义,因此,才发生了这种事情。要说三人中必定有人未读过孟德尔的论文我信,可要说三个人都未曾读过孟德尔的文章,打死我都不信)。如果这个发现要颁诺贝尔奖的话,真不知道究竟应该把谁剔除出去?可见面对科学优先权时,人都会变得不老实。我相信,只有在这种情况下,“撞车”才不是一件令人沮丧的事,相反,当事者都会或多或少的被激惹得脸红心跳,躁动不安。不过,这种情况毕竟极为少见,属于特例。因此,一般说来,科研涉及的所有问题都是围绕“新意”而产生和解决的,这几乎成了一条铁律。

说到“提出问题”和“解决问题”之间的关系,则更是仁智各异,精彩纷呈。有人说“提出问题”比“解决问题”更重要,因为“提出问题”是一种全新的创造思维,必须付出艰苦的脑力劳动。爱因斯坦之所以如此强调“提出问题”的重要,就是因为他是一个善于提出问题的高手。也有人认为“解决问题”比“提出问题”更复杂,因为“提出问题”只要动动脑子就可以,而“解决问题”不仅动脑能力要强(实际上,找出解决问题的策略和途径也是一种全新的创造过程),而且动手能力也要强。上述提到的有关生活学习中三个简洁疑问的总结,我们已对“是什么?”和“为什么?”作了解释和描述。至于“怎么办?”,实际上就是一种寻求解决问题的方法。对于一般人而言,脑子能想到的,手未必就能做到。有位科学史家也曾这样表述过:“在著名的科学家中,科学修养的主要标准是能否抓住‘重要问题’和是否能想出新的解决办法。”他认为科学界的名师都是“提出正确问题的榜样”和“创造新的方法以解决所选中的问题的榜样。”并强调指出,“一个重要的科学家就是正在研究正确的而且重要的问题的科学家。”

以我所见,对于科研来说,“提出问题”和“解决问题”同等重要,不可偏颇,这也是科研中的问题不同于生活学习中的问题的特征所在。生活学习中的问题并不那么强调解决,即使解决不了也可以回避,绕道而行,因为解决问题并不是生活学习的根本目的,可以解决,也可以不解决,可以暂时不解决,也可以永远不解决(就人的一生而言)。而科研中的问题就不是如此,对于科研来讲,提出问题不是目的,而解决问题才是目的,两者是不可等同而语的。有人会说,爱因斯坦动手能力并不强,不照样是最伟大的科学家?我承认,爱因斯坦也不是全才,动手能力并不强,从来不做实验,即使做了,恐怕也不比一般人做得好。但不要忘了两点,一是爱因斯坦解决问题的方法与常人不同,常人用得是手,而他用的却是脑,是思辩,是哲学和数学方法。其二,即使爱因斯坦是运用哲学和数学进行思辩的高手,但这种思辩也不是解决问题的根本和最终的方法,最终的方法还是要用实验的方法去证明,即使爱因斯坦本人不能证明,也要靠后人去证明。因此,从本质上说,爱因斯坦的方法并不是完美的方法,是世上没有完美不得已而求其次的无可奈何。从这个角度讲,这是爱因斯坦的缺陷,不值得后人效仿。事实上,爱因斯坦也是一个科学的幸运儿,他的幸运不仅是遇上了象普朗克这样的伯乐,而且表现在他的相对论的理论被后人实验检验的过程中。这是一个颇具戏剧性的故事。大家都知道,实际上,爱因斯坦的数学能力并不是特别强(相比较而言),他的相对论中的数学问题就是找老同学格罗斯曼帮助解决的。在刚完成的《广义相对论纲要和引力论》中,广义相对论的力学公式是正确的,但不知爱因斯坦怎么啦,就是看这个公式不顺眼,用他自己的话来说:“如果这个公式是正确的,那么宇宙就不那么完美了。”于是,他忽然心血来潮,把本来对的公式给改错了。也就是说,刚发表出来的这篇论文中有关光束因重力而产生弯曲的程度出现了重大的计算错误。幸运的是,由著名英国物理学家爱丁顿主持的于1914年日食时检测这一理论的计划,因为第一次世界大战而中断了,直到五年以后,大战结束,这个计划才在另一次日食时得以实现。而这时,爱因斯坦已经发现了自己的错误,并给予了更正。不用说,那次在西非普林西比岛的观测实验第一次证实了爱因斯坦广义相对论所预言的光线的引力弯曲现象。正是在他的理论被别人的实验证明之后,爱因斯坦才一举成名天下知的。这个故事对我们的启发是什么呢?难道只是对爱因斯坦的幸运感叹一番?有没有人想过,如果爱因斯坦不是一个幸运儿又将是一个什么样的结局?难道我们不应该把侥幸变为必然,把命运完全掌握在自己的手中?如此,靠得是什么?不就是自己掌握解决问题的手段和方法吗?这个故事还告诉我们,在这个世界上,人无完人,法无完美,不可能责备求全。实际上,现在八股式的科研形式早已偏离了正确的轨道,框框条条那么多,没有哪个科研人员能自己掌握自己的命运,也没有人能逃出这种规范。这是可悲,但又是现实。尽管这种现实扼杀了无数精英,但还必须继续走下去。实际上,科研形式也应该不拘一格,这么多的规范无异于自我捆绑、自我束缚。面对这种现实,我常无奈地打个可笑的比方,就是这种规范和心理如同一辆停靠站台的公车,车下的人拼命往上挤,上车的人则希望车子快点开。而我多么希望那些掌握别人命运的人(无论是当今的科学共同体还是科学政策或能决策的个人)能具备公车驾驶员的心态,无论是对拼命赶车的人还是希望早点开走的人,都能一视同仁,按章办事。不管是到点就开还是人满即开,只要公平,便能皆大欢喜,科学也就有了出路。

对科研来说,将“提出问题”和“解决问题”捆绑起来考虑有其特殊的作用和意义。认识科研中共轭问题的概念的目的就是要认识共轭问题之间的关系极其相互转化,了解这种动态变化可以更深刻地认识科研中的一些规律,从而更准确地把握各种机会,提高研究效率,增加大发现的可能。首先,共轭问题关系是对立的、矛盾的,但又在相互依存中发生着动态变化。因此,看待共轭关系中的任何一方都应该采用辩证的眼光。诚然,“提出问题”固然重要,但对于大部分科学家而言,“提出问题”的同时就必须考虑“解决问题”,考虑“解决问题”的同时,也不得不同时考虑修正问题。而在“解决问题”的过程中又随时可以产生新的问题,这种你中有我,我中有你的关系无异于“血浓于水”的亲缘关系。用文学性语言来描述这种情景,就是“把我打碎了,捏成泥,再把你打碎,也捏成泥。然后,重塑一个你,再重塑一个我,于是,你中有我,我中也有你。”这么一说,你能理解这种共轭关系及其变化了吗?

实际上,在科研实践中,要想把“提出问题”和“解决问题”截然分开的努力是徒劳的,也是不切实际的。这种关系不仅不能分开,而且相互依存,相互转化,周而复始,无限循环,不断深化,永无终止。这也就是为什么强调科研要有延续性的问题。事实上,科研也讲究品牌效应,丹麦的玻尔实验室、英国的卡文迪什实验室以及美国的贝尔实验室和冷泉港实验室都是科研中最好的品牌。为什么会有这种品牌效应?这里不仅有首代人开拓的科研精神和优良作风的代代相传问题,还有一个不容忽视的事实,就是一个好的科研问题提出以后,在解决这个问题的过程中还会不断产生新的问题,象滚雪球一样越滚越大。于是,一代人接着一代人走下去,不断有惊人的发现。象英国卡文迪什这样的实验室,先后就有几十人荣获过诺贝尔奖,比整个密西根大学还多(据说密大算来算去只能算出七个诺奖者)。为什么说麻省理工学院的生物系也是世界上最棒的系(当然,它最棒的系当属电子工程专业,几十年来都无人能撼动其霸主地位),就是因为它虽小,却有九个诺奖获得者,这在同专业内是没有一家能比的。中国不仅在商业上对品牌的问题重视不够,而且科研上也不重视品牌效应,往往一个颇负盛名的专家老了,退休或去世了,这个专业或实验室也就跟着跨了,听起来实在让人痛心。还有什么聘人或退休的年龄界限,划定的莫名其妙。年龄界线在任何行业都能行得通,惟独科学行业不行。科学创造性的年龄界线是无法划定的,年轻创造性的热情和年老经验的丰富都是无价之宝,无以裁定哪个更有价值,也决不能褒此抑彼,更别说还有一个让老一辈科学家的事业后继有人、发扬光大的问题了(应该特别强调的是,继承老一辈科学家的事业不仅包括他们开拓的知识领域、学术专长,更重要的是科学精神,正是这种精神才造就了他们的品牌效应,才有人才辈出、硕果累累)。

尽管“提出问题”和“解决问题”同等重要,但毕竟两者还有一个时间上的先后,一个人解决问题的能力再强,但如果提不出问题来,也于事无补。相反,如果一个人“解决问题”的能力很差,但只要能提出好的问题,象希尔伯特或爱因斯坦那样,同样能成为伟大的科学家。从这个角度讨论问题,则“提出问题”相对来说更为重要。如何才能“提出问题”来呢?或者说如何才能更好地“提出问题”?这种讨论涉及如下几个方面:1. 科研问题是如何产生的;2. 要善于观察和发现问题;3. 问题提出的常见策略和方法;4. 影响问题提出的因素;5. 培养以问题为中心的研究方法;6. 要善于高度凝炼问题。

还是首先来谈谈科研问题是如何产生的?毫无疑问,科研的问题自然产生于科研的实践活动,这种实践活动既包括理论上的学习、钻研和思考,也包括科学实验当中现象的观察及各种疑难和困难的处理。不过,无论是理论上的研讨问题还是实验中的现象和困扰,对于研究者来说,最重要的一个素质还是要具备质疑精神,没有这种质疑精神和追根究底的态度,问题是不会自发产生的。什么是质疑精神,质疑精神就是要有独立思考下的独立见解,不能人云亦云,更不能盲目地随波逐流。因此,我们可以这样来描述科研问题的产生,即科研问题的产生取决于两个最基本的前提条件,一是要具有质疑精神,二是要有自己独立的判断,以事实为依据,相信自己,不畏权威,坚持真理。在科学史上,用光的“波粒二象性”的学术论战来说明这个问题最具有典型性。光的“波动学说”和“微粒学说”起始于牛顿和惠更斯两大学派。说起来“波动学说”是以惠更斯为主要代表,实际上,在惠更斯之前,“波动学说”的主要代表人物是英国物理学家、数学家和天文学家胡克。胡克可不是个简单的人物,只是因为牛顿的影响太大了才遮掩了胡克的光芒。说两件事便可知道胡克的不同凡响。一是与牛顿之间关于万有引力的科学优先权之争。“万有引力”的概念确实是由胡克首先提出来的,早在1664年胡克就发现了慧星在靠近太阳时轨道发生弯曲是太阳引力作用的结果。并于1679年和英国天文学家、数学家哈雷一起从向心力定律和开普勒第三定律出发推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比,并且由此奠定了他在学术界的地位。但由于胡克的数学功底较差,不能把“万有引力”的实质问题描述清楚,是牛顿运用自己数学的天才解决了这一根本问题,用一道数学公式总结出了万有引力定律。但由于胡克的资历和威信都远远大于牛顿,差一点就淹没了牛顿。不是哈雷的资助,那本最伟大的科学巨著《自然哲学的数学原理》还不知哪天才能问世?其二,胡克是第一个在显微镜下观察到细胞结构的学者。换句话说,“细胞”一词是源于胡克,因此,可以说胡克是细胞学的鼻祖。在他之后,巴斯德才在显微镜下观察到活细胞,揭开了微生物学的新篇章。一个人在任何一个领域能留下这样的痕迹都是了不起的,值得终身骄傲,可他却在经典力学、细胞学、光学以及显微镜的应用等众多领域都有建树,并且位列尖端,不由不令人肃然起敬。这不由使我联想到科学史的研究,史料表明,大发现都有集中爆发的现象,要么百年沉寂,要么象火山一样喷发,甚至还有连锁反应。十七世纪的科学革命如此,十九世纪末的科学革命更是如此。在众多的成因探讨中,恐怕从来没有人考察过几个天才的科学家在一起瞟着劲干的互相促进作用。一个人突兀地冒出来,终究成不了林,孟德尔就是一个典型的例子。而牛顿紧随着哥白尼、伽俐略,同时代又有惠更斯、胡克、哈雷、雷恩等卓有成就的科学大家。爱因斯坦时代更有普朗克、麦克斯韦、赫兹、伦琴、居里夫妇、玻尔、海森伯、薛定愕等科学巨星,以至于把十九世纪末二十世纪初的科学革命烘托成人类文明的鼎盛时期。这如同百米竞赛,并肩冲刺的运动员才能创造出最好的成绩,一任独领风骚,虽然能拿冠军,可要创造纪录就难了。这也说明了当科学发展到一定程度时,一个好的问题的提出和解决会引发一连串的大发现,为什么?这里既有好的问题提出的背景,又有相互竞争的激发,以及成功的借鉴和启迪。

由于牛顿当时的威望,在“波动学说”和“微粒学说”的论战中,“微粒学说”一开始就占据了上风,成为统治地位的学派,致使“波动学说”沉寂了百年。是英国物理学家托马斯·杨打破了这种沉默。托马斯·杨不畏权势,率先对牛顿的光学理论产生了质疑(那时牛顿的声望可是如日中天,万人仰止)。杨氏对“波动学说”的贡献有两个,一是利用著名的杨氏双逢干涉实验第一次提出了光的干涉概念和光的干涉定律,用无可辩驳的事实证明了光是一种波(怀疑后提出了问题,进而用实验证实了自己的怀疑)。其二,1809年,法国物理学家马吕斯发现了光的偏振现象,对重整雄风的“波动学说”构成了致命的反击。因为惠更斯曾认为光是一种纵波,而纵波是不可能发生偏振的。面对这种僵局,杨氏对光学再次进行了深入研究,他放弃了惠更斯的纵波说,提出了光是一种横波的假说。1819年,法国物理学家菲涅尔利用两个平面镜所产生的相干光源进行光的干涉实验,在杨氏干涉实验和横波假说的基础上,对光的传播方向进行了定性研究,建立了光波横向传播的理论。

自牛顿之后,“波动学说”重新兴起虽然起始于托马斯·杨,但重新夺回学术统治地位,却主要得力于麦克斯韦的《电磁学理论》。在科学史上,麦克斯韦的《电磁学理论》被称为可与牛顿《自然哲学的数学原理》相媲美的贡献。在这个理论中,麦克斯韦将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波。之后,赫兹用实验证明了电磁波的存在,同时也证实了光其实就是电磁波的一种。如果电磁波就是光的话,那么,电磁学就存在着一个巨大的缺陷。按照麦克斯韦的理论,真空中电磁波的速度(也就是光速)应该是一个恒量,而根据经典力学对光速的解释,则不同惯性系中的光速不同。既然如此,那电磁学对光速的解释就与经典力学在相对性原理上产生了巨大矛盾。

有关光的“波动性” 还是“微粒性”的争论绵延近三百年的历史,中间几经波折,互为主辅,到了爱因斯坦这里才算结束。爱因斯坦用了两个理论才把光的波粒二象性统一起来,这就是宏观上的狭义相对论和微观上的光量子理论。他用狭义相对论原理弥补了由于麦克斯韦电磁理论对光速解释上的缺陷,用光量子理论揭示了微观客体上的波粒二重性。不仅圆满解决了电磁学理论和经典力学在对光速解释上的巨大矛盾,而且用“波粒二象性”为光的“波动性学说”和“微粒学说”之争划上了完美的句号。爱因斯坦的这两个理论引起了物理学基本概念的重大变革,开创了物理学的新纪元,主导着一个世纪以来整个科学发展的方向。

说起来,光的波粒二象性之争可谓历尽沧桑。就一个研究方向而言,其经历时间之长、涉入科学家之多、影响之广远几乎达到了空前绝后的地步,称得上科学研究史上的一个经典宝库。仅从这段史实,后人们就可以淘得许多宝贝,挖掘出许多有价值的科学精神。如果单从科研问题提出的角度考察,这个故事留给我们的启示,首先是要有挑战“权威”的勇气,敢于对占统治地位的理论提出质疑,有了质疑,才有了问题的提出。必须指出的是,质疑的前提是你必须对质疑的理论作一番研究和了解,包括结论和技术细节以及得出结论的方法和过程。注意,这里所说的了解不是一般的了解,而是深刻了解。要知道,不达到入木三分地理解也就无从谈起其质疑的准确性。其次,提出问题要有很强的针对性,找准问题的结点,然后再针对结点寻找解决问题的方法,用实验的证据来证明自己的质疑,支持自己的观点。再其次,新的观点发表后,要有针对对立学派反击的准备,一旦对立学派提出更有力的证据,要能够及时作出调整和回应。这是一个从提出问题到解决问题再到修正问题的完整过程,在这个过程中,托马斯·杨的表现堪称典型。首先,杨氏对牛顿光的“微粒说”的质疑来自于自己的亲身实践。在著名的双缝干涉实验之前,他就对光进行了一系列深入的研究。他把光与声进行类比,因为他发现两者叠加后都有加强或减弱的现象,因此认定光与声有着相同(最起码是类似的)的性质。既然这样,声由声波传导,光又为什么不是波性传播呢?由此,他认定光是在以太中传播的弹性振动,并认同惠更斯光是以纵波形式传播的观点。正是基于这种观点,他才精心设计了双缝干涉实验从而发现了光的干涉现象(这种思维的发展是顺理成章的,因为既然声波有干扰现象,那光波又为什么没有呢),证实了自己的设想。当他用无可辩驳的事实证明了光是一种波之后,马吕斯紧接着却又发现了光有偏振现象,这对“波动学说” 无疑又是致命一击。于是,杨氏不得不放弃了惠更斯的“纵波说”,同时又吸收了牛顿学派的一些有利因素,提出了一种横波传递的假说,建立起了新的波动说理论。

说来说去,作为总结,这段叙述太过冗长,不符合经典论文的总结要求。按照论文的精简要求,这段总结可以凝炼为一种简捷的路线:实践(包括理论和实验两种实践)——怀疑——提出问题——凝炼问题(即找准结点,提出假设)——设计实验(即提出解决问题的方案)——证明自己的假说——提出自己的理论(凝炼思想,反击不同学派)——修正和完善自己的理论。不过,在这里,我们的讨论只着重于这一过程的前半部分,就是科研的问题是如何提出的,其余部分将在以后继续讨论。

 

毫无疑问,人发现问题和提出问题的能力是不同的。那么,究竟如何才能做到善于提出问题呢?我认为,要善于提出问题首先必须善于观察问题和发现问题。我曾把写作视为孩子教育的重要内容,因此,经常鼓励孩子勤动笔。有人曾向我讨教写作心得,我说没什么经验,只有两个字:多写。我认为动笔不仅仅是文字功底的训练,更是观察问题、思维能力的训练。要想写点东西,首先是眼里要有东西,见人所未见,想人所未想。小时候父亲强迫我们记日记,当时恨得要死,长大了才心存感激。现在看来,记日记是件很随意的事,有想说的话,值得记的事,随手写几笔,写时觉得没什么,日子久了翻回去看看,还是蛮有意义的。可小时候记日记却是件非常痛苦的事,坐在板凳上抓耳挠腮,半天竟连一个字也写不出来。平时夸赞别人,总会说某某人观察问题很敏锐。什么是敏锐?就是眼睛里能看出常人看不出的东西。我个人认为,观察问题的敏锐与否实际上与人的聪明才智并没有什么直接的关系,相反,倒与后天的训练关系甚密。我坚信,人的观察能力是需要训练的,而记日记或经常写点东西则是最好的训练方法。日常生活中,常常见到一些人表现得很木呆,啥事都不在乎,对什么事都不上心,叫做“视而不见,置若罔闻”。什么叫视而不见、无动于衷?就是周围发生了再大的事情也好象与他无关,眼不见、耳不闻、脑不想、心不烦,更别说什么透过表面现象去认识事物的本质规律了。若分析这种现象,不外两种情况,一是对事没兴趣,不上心,对这种人,眼里没有到也罢了。问题是还有另外一种人,并非就是对事情不感兴趣,之所以麻木是因为思维形式的一种惯性行为。应该说这两种情况都是非常有害的,不感兴趣的人中很多情况下并非是事情对他没有意义,而是眼高手低,看不起小事,不值得关心。这种自酿苦果的要害,一是他并没有判别事大事小的能力或水平,他认为大的并不一定大,而他认为小的也并不一定小。其次,生活中倒也罢了,很多事确实也不值得较真,可在科研上,这种态度和习惯麻烦就很大,因为科研上绝对不允许轻视小事。前已讨论过,科研中是没有大事小事之分的,可谓成也小事,败也小事。因此,可以不客气地说,眼里看不出东西的人是不适合做科学研究的。