爱因斯坦的科研方法

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爱因斯坦的科研方法
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爱因斯坦是历史上罕见的卓越的科学家。他所创建的相对论，不仅使物理学获得了革命性的进展，而且刷新了人们对时间、空间等基本概念的认识；他在光量子论、布朗运动的研究中，也取得了重大成果；此外，他还在宇宙、统一场论等方面做了开拓性的工作。
　　面对这样一位科学巨人，人们不禁要问：他是怎样取得这许多成就的?
　　拉普拉斯说：“认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步，……并不经发现本身更少用处。科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”每一位富于创造、勇了革新的人，总有他自己的特点，他自己的“音调”。那么，爱因斯坦的工作方法，又有什么特点呢?有什么可供我们借鉴的呢?爱因斯坦曾多次谈到，需要建立新的思想体系。建立新的思想体系，这正是他自己的工作非常突出之处。
　　拉普拉斯说：“认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步人们要研究某个问题，总得先收集有关资料，尽量吸取前人的成果、方法、经验和教育，这样才能站在“ 人的肩上”(牛顿语)。但为了比前人看得更远，光站在肩上还不够，还需要通过新的观察或试验，向大自然索取更多的新资料，并运用辩证思维，对它们进行分析整理，以获得新的认识。至此，爱因斯坦与常人并无显著不同，他和我们一样，也非常重视基本理论的学习，重视来自实际的实验和事实。”?
　　然而，接下去分歧便开始了。怎样对资料进行理论分析呢?常见的办法是把试验结果归纳成一些经验定律或经验公式，希望通过它们合理地解释过去并预见将来。但爱因斯坦却不以为然，认为这样做还很不够，这样做不能使理论获得重大进展。因为，这些公式最多只概括了局部的、有限多次的经验，对全局来说，对无限的总体来说，它很可能是错误的；何奖品，还“因为它忽略了直觉秒演绎思维在精密科学发展中所起的重大作用”。
　　那么，应该怎么办呢?爱因斯坦说：“适用于科学幼年时代以归纳为主的方法，正让位于探索性的演绎法”；应该“由经验材料作为引导，……提出一种思想体系，它一般是在逻辑上从少数几个所谓公理的基本假定建立起来的。”对这个体系的要求，应是能把观察到的事实联结在一起，同时它还具有最大可能的简单性；所谓简单性是指“这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少”。大家知道，狭义相对论的公理只有两条：相对性原理和光速不变原理。至于思想体系的内容，它应由“概念、被认为对这些概念是有效的基本定律、以及用逻辑推理得到的结论这三者所构造的\"，也就是通常所说的概念、公理和定理三部分。?
　　作为自然科学史上第一个思想体系的光辉的例子是欧几里得几何学。如果欧几里得当年只满足于把丈量土地所得的具体结果，归纳为若干条经验定律，那么，几何学的发展也许会延误许多年。但他不这么办，他破天荒地开辟另一条大路，即建立了一个演绎法的思想体系。欧几里得的巨大历史功勋不仅在于建立了一种几何学，而且在于首创了一种科研方法。这方法所授益于后人的，甚至超过了几何学本身。欧几里得几何学所以雄视数学界垂2000年，至今仍是每个中学生必须精读的内容，其原因正在于此。“蜀地名花擅古今，一枝气可压千林”(陆游诗句)。欧几里得几何学可以算是一枝名花了。它前无古人而后有来者，牛顿的力学，爱因斯坦的相对论，都是在它影响下的后起之秀。 于是我们碰到了一个大问题：如何建立思想体系?爱因斯坦回答说：理论家的工作可分成两步，首先是发现公理，其次是从公理推出结论。哪一步更难些呢?如果科研人员在学生时代已经得到很好的基本理论、逻辑推理和数学的训练，那么，他走第二步时，只要有“相当勤奋和聪明，就一定能够成功”。至于第一步，妈阿找出演绎出发点的公理，则具有完全不同的性质。这里没有一般的方法，“科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可用精密公式来表示的普遍特性，由此探求自然界的普遍原理”，请注意“经验事实”这几个字，它们表明了爱因斯坦方法论中的主流是唯物主义。公理必须来自客观实际，而不能主观臆造，否则就有陷进唯心主义泥潭的危险。?
　　如果我们还不满足，还要进一步问到底：怎样才能抓住那些“普遍特性”呢?看来，要编制一个找到它的万能程度，是不可能的。因为这个问题的解决，主要依赖于研究人员的德、智、才、学，依赖于他们的科学想象力、洞察力和劳动热情。否则，我们就难以理解，在相似条件下，为什么恰恰是这个人，而不是旁人，做出了显著的成绩。因此，最好还是让我们来研究爱因斯坦吧!?
　　任何重大进展，必定有许多先驱为它献出了智慧，最后轮到一个人或一些人来完成。这些人必须恰好站在历史的转折点上，太早了不行，太晚也不行。天下鼎沸，群雄逐鹿，捷足者先得。这些捷足者，按照狄德罗的说法，必须具有“精神的浩瀚，想象的活跃，心灵的勤奋”。
　　少年时代的爱因斯坦善于“惊奇”，他对自然界的一些现象，不是等闲视之，是有强烈的好奇心，这使他的求知欲永远得不到满足，对自然的探索，也永远不能停止。4岁时，他曾为一只罗盘的指针而“惊奇”：它应有无穷多个方向可以挑选，却为什么总是偏爱南方?他想：“一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。”12岁时，他又为多几里得几何而“惊奇”：几何学的“这种明晰性和可靠性人我造成了一种难以形容的印象”。毫无疑问，几何学对他后来建立相对论，不仅提供了工具，而且给予了方法论的启示。?
　　青年时代的爱因斯坦，在物理、数学等方面打下了结实的基础，对一般自然科学也有浓厚的兴趣和广博的知识。12-16岁时，他已经熟悉了基础数学，包括微积分原理。17岁上大学后，“大部分时间都是在物理实验室里工作，迷恋于同经验直接接触”。其余时间，则主要用于自学理论物理。这些，为他后来的工作做了很好的准备，使他既能深刻地理解当前物理理论和实验的最新成就，又能娴熟地运用数学工具；正是这个强大的逻辑推理工具，把他的科学想象变成了科学定律。此外，他还聚精会神地阅读了伯恩斯坦的《自然科学通俗读本》。这部有五六卷的优秀作品，成功地帮助他了解到整个自然科学的主要成果和方法。从学习方法上看，爱因斯坦也有出众之处。他善于“识别出那种能导致深邃知识的东西，而把其它许多东西撇开不管”；“在所阅读的书本中找出可能把自己引到深处的东西，把其它一切统统抛掉，就是抛掉使头脑负担过重和会把自己诱离要点的一切”。这样，他就把全部精力集中在最能发挥自己的创造性与能动性的问题上。?
　　爱因斯坦对哲学始终有浓厚的兴趣。年轻时，他和几位挚友经常热烈地讨论马赫、休谟、斯宾诺莎、彭加来等人的哲学和科学著作，后来他们亲热地戏称这个小集体为奥林比亚科学院。这些著作中固然有不少糟粕，但却大大开扩了他们的眼界，并帮助他们抓住认识论、方法论以及科学上的重大理论问题，抓住事物的本质和总体，而具有总体观，乃是高级才智的一种标志。这样，爱因斯坦既有别于缩守一隅、不见森林的科学家，因为他眼界开阔，思维丰富；也不同于不着边际、大而无据的思辩家，因为他基础扎实，学力深厚。?
　　爱因斯坦富于革新精神，这是他的显著特征。他的想象力非常活跃，而这正是创造和革新所必不可少的重要条件。雨果说：“莎士比亚首先是一种想象，……科学到了最后阶段，便遇上了想象。”在爱因斯坦看来，许多所谓常识的东西，其实不过是幻年时代被前人灌输在心中的一堆成见，尤其是当迷信病流行时更是如此。这堆成见是需要重新审核的。它们很可能是前人的主观偏见；或者是由于我们只处于宇宙的一个局部区域、一个特定的结构层次而见到的特现象，并不是宇宙的一般规律。例如，物体运动时长度似乎不变只见于低速世界，长度随速度而变化才是一般规律。爱因斯坦正是抓住“质量”、“同时性”等基本概念牢牢不放，最后提出相对论的两条原理而突破的。?
　　任何事物都不可能十全十美，爱因斯坦的科研方法也是如此。例如，他对归纳法就不够重视。
　　通过爱因斯坦对一些科学家的评价，可见他很重视下述几种才能：
　　1?想象力。爱因斯坦的方法既然主要是演绎的，所以他特别强调思维的作用，尤其是想象力的作用。他认为科学家在探讨自然的秘密蛙，“多少有一点象一个人在猜一个设计得很巧妙的字谜时的那种自由”，他需要极大的想象力。不过“他固然可以猜想以无论什么字作为谜底，但是只有一个字才真正完全解决这个谜”。同样，自然的问题也只有一个答案，所以最后还是应该受实践的检验。在谈到想象的重要性时，他说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素”。想象力之对于科学，其重要性不下于它之对于文学。文章如无想象，就会成为一潭死水式的帮八股。同样，科学如无想象，就很可能停留在一些皮表的，抓不住本质的经验公式上。不过二者之间也有不同，。科学中的想象最后要受到实践的旅客不留情的检验，而文学创作中的想象虽然也应反映客观实际，但却比较灵活。例如，小说中某角色的结局不必是唯一的。
　　2?直觉的理解力。他赞扬玻尔说“很少有谁对隐秘的事物具有这样一种直觉的理解力，同时又兼有这样强有力的批判能力”。评论埃伦菲斯特时说：“他具有充分发展了的非凡的能力，去掌握理论观念的本质，剥掉理论的数学外衣，直到清楚地显露出简单的基本观念。这种能力使他居为无与伦比的教师。”
　　3?数学才能。这是演绎法所必不可少的。他在谈到牛顿时说：“他(牛顿)不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且在善于运用他那是地的经验材料上也是独特的，同时他对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能”。爱因斯坦本人的数学已经是很好的了，但他说：“我总是为同样的数学困难所阻”。由于研究的需要，他专门请了一个很强的年轻的数学助手。
以上的几种才能是关于思维方面的，而关于科学实验方面都没有提及，这不必惊异，因为爱因斯坦本人主要注意演绎法。由于时代的限制，他的方法论并不是完全无可非议，例如对归纳法的轻视，强调“自由创造”等。有时过分强调思维的自由创造等。其实归纳与演绎相结合才是更为完善的方法。但每个人都处于历史发展的一定阶段，都有历史局限性，不能要求他成为完人