科學研究方法論

1、收稿日期:2003202217作者簡介:王欲知(19322,男,海南省?？谑腥?1956年清華大學無線電系電真空專業(yè)研究生畢業(yè),教授、博導。曾在南京工學院(現(xiàn)名東南大學、成都電訊工程學院(現(xiàn)名電子科技大學任教。王先生是真空界著名學者,教育家。他學識淵博,治學嚴謹,在較廣泛的領域內取得了創(chuàng)造性成果。王先生發(fā)明的在線監(jiān)測CO 2激光器諧振波長的方法,已被國外同行稱為王氏法。王先生是我國較早(或許是最早主編了具有權威性并產(chǎn)生了巨大影響的真空技術一書,作為高校教材,以戴浩(代號的諧音,因當時時代要求筆名由人民教育出版社1961年出版。王先生曾任中國真空學會常務理事、中國電子學會真空電子學分會委員、真空

2、科學與技術雜志主編、四川省真空學會理事長、四川省照明學會副理事長等職?，F(xiàn)任國際IEEE 資深會員、N .Y .A cad .Sci.院士、國際SP IE 會員、美國AAA S 會員、美國AO S 會員等。曾獲電子部、地礦部、四川省科技獎共七項。1988年榮獲國防科委頒發(fā)的獻身國防科技事業(yè)榮譽證章,2001年被授予中國真空學會頒發(fā)的真空科技成就獎。次年,他還獲得了詹天佑教書育人獎,王先生的學生中很多都成為了當代知名的科學家、科技工作者,如近期本刊連載的論文作者駱定祚先生,本刊編委副主任、原揚州工學院院長劉炳坤先生,中國第一個女博士、原東南大學校長、國家教委副主任韋鈺先生。本講稿曾在國內外多次應邀

3、宣講。如在牛津大學、利物浦大學、斯特拉克萊大學、明尼蘇達大學、茨城大學、蘭州物理研究所、北京真空電子研究所、東南大學、華南理工大學、電子科技大學、西南交通大學等。科學研究方法論王欲知(西南交通大學應用物理系,四川成都610031摘要:主要討論在科學研究工作中如何獲得創(chuàng)新性成果的方法,全文分為兩部份,即理論研究和實驗研究。理論研究部分論述物理學中的概念和符號體系、物理定律及其表示形式、物理理論及其判據(jù);實驗研究部分強調實驗研究在創(chuàng)造性科研中的重要意義、論述實驗時實驗者的思維活動、介紹作者本人常采用的一個思維方法,以及捕捉創(chuàng)新概念的各種方法。從1954年起,這些方法先后幫助作者在電子發(fā)射、真空物理

4、、真空測量、氣體激光、激光測量、統(tǒng)計物理、鐵軌幾何參量在線測量等領域,取得了范圍較廣泛的創(chuàng)造性成果。關鍵詞:科學方法;理論方法;實驗方法中圖分類號:N 0;N 3文獻標識碼:C 文章編號:100220322(20030420001207Research m ethodology for sc ienceW AN G Yu 2zh i(D ep t .A pp lied P hy s .,SW J iaotong U n iversity ,Cheng d u 610031,Ch ina Abstract :M ethods of scientific research fo r ach iev

5、ing creative results are discussed .T he m ethods of theo retical and experi 2m ental investigati on are p resented .In the theo retical the concep ts ,sym bo l system s ,law s and their fo r m ati ons of exp ressi on ,theo ries and their criteri ons in physics are expounded .In the experi m ental t

6、he i m po rtance of the experi m ental studies toach ieve creative results is emphasized ,experi m enters th ink ing activity is discussed ,a special m ethod usually adop ted by the autho r is introduced ,at last ,several sk ills fo r obtainning new ideas are p resented .T he p resented m ethods hav

7、e favoured the autho r getting several new results concerning electron em issi on ,vacuum physics ,vacuum m easurem ents ,gas lasers ,laser w avelength m easurem ents ,statistic physics ,as w ell as railroad m easurem ents .Key words :scien tific m ethod ;theo retical m ethod ;experi m etal m ethod1

8、概述1.1科學研究的含義所謂科學研究,就是用科學的方法來探索物質世界的客觀規(guī)律,以推動學科的發(fā)展,或解決工程技術中的一些問題。其結果必須是在科學技術現(xiàn)有水平上前進一步;其成功與否的標準只能以是否取得了新的結果來衡量。它是一種創(chuàng)造性的勞動,年輕的科技工作者,要經(jīng)過嚴格的訓練,才能達到這個高度。1第4期2003年7月真空VACUU M新的結果可能是一個概念、一條定律、一個現(xiàn)象,甚至是一個理論。也可能是一種新的實驗手段、方法,或是一種新工藝、新材料?？傊?必須是在前人的基礎上有所創(chuàng)新。1.2科學研究的方法取得創(chuàng)造性成果的方法是多種多樣的,各個學科有其獨特的方法,各個研究者更是具有自己的特色及機遇。我

9、們可以列舉一些例子如下。例如1895年倫琴之發(fā)現(xiàn)X射線,就是由于細心注意到了置放于放電真空管旁的密不透光的膠卷被感了光,從而證實了該射線的存在。又如1994年慧木(星相碰之預先被發(fā)現(xiàn),就是由于蘇梅克夫婦十分精細地觀察了所拍下的照片,在眾多光點中辯別出一小串小“珍珠”(它們是掩沒在眾多背景亮點中的,并經(jīng)理論分析確認是一慧星的碎片,正在往木星飛行,進而能估算出碰撞時間,讓大家能守候觀測這一天文史上的壯觀景象小“珍珠”排著隊一粒一粒碰上木星。這方面最著名的例子是居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳。1896年亨利柏開勒(H en ry B ecguerel發(fā)現(xiàn)鉀鈾的硫酸復鹽具有放射性,后來證實鈾本身及其化合物均具有放射性

10、。1900年居里夫人發(fā)現(xiàn)某些含鈾的化合物的放射性,比鈾本身更強。于是堅信:這些化合物中必然存在有比鈾放射性更強的元素。在這個信念的引導下,居里夫人(后來居里先生也參加了以非凡的毅力,在幾噸的鈾瀝青礦中,提煉出一丁點的新放射性元素鐳。高溫超導材料的發(fā)現(xiàn),也是在一個超出常人想象的信念新的超導材料也許應在非導體中去尋找,冒著極大的風險,勇往直前探索而終于發(fā)現(xiàn)了。眾所周知,我國真空技術的老前輩,以何氏糸數(shù)(Ho coefficien t聞名于世的何增祿先生,當年在制作玻璃擴散泵方面有很優(yōu)越的條件,他的兄弟中有個技術高超的玻璃工。因此,他關于擴散泵的研究,能夠通過較多的實驗,總結出規(guī)律性的結果來。諾貝爾

11、獎得主李遠哲在談到他的治學方法時,十分生動地說,“我所做得比別人好的,是對實驗的每一步都力求精確。如果一般人做到100%,而每一步我提高5%,則是105%。如一個實驗由50步組成,則我的水平將達(1.0550,比別人做得精細多了”。正是由于這個原因,他取得了很多領先的結果。19世紀英國偉大的科學家達爾文,于1859年出版了物種起源一書,明確提出了進化論的觀點,對世俗認為“人類在動物的等級中居于高等地位”的傳統(tǒng)觀念提出挑戰(zhàn)。達爾文的理論不但在當時造成巨大影響,還導致了現(xiàn)代選種育種、生物工程等學科的興起。他的進化論觀念,是在歷時五年的海上旅行中“悟”出來的。原來,達爾文在1831年從劍橋大學畢業(yè)后

12、,以自然科學工作者的身份,參加了英國政府派到世界各地進行科學探測的“比格爾(B eagle號”艦的工作。在這過程中,他在南美、澳洲及南太平洋諸島一帶,從地層構造看出了地層的演變,又將發(fā)掘出來的化石,與當?shù)氐孛娆F(xiàn)存動植物加以比較,使他開始懷疑業(yè)已深入人心的物種不變的理論,進而孕育了他自己的物種變異即進化理論。應該指出,達爾文在青少年時代就十分熱衷于搜集礦物、植物、昆蟲、貝殼等,并具有非凡的觀察本領,這顯然對他的研究具有重要的促進作用。如牛頓的經(jīng)典力學理論,馬克斯韋的電磁學說,都充分利用了數(shù)學這個有力的研究工具,取得了輝煌的成就。這些理論、學說,固然是來源于實踐,但又比實踐的結論深入;往往能指出實

13、踐尚未發(fā)現(xiàn)的東西,引導實驗研究者去尋找、發(fā)現(xiàn)新的事物。它們的實質是,按已有事實提供的暗示、線索,大膽提出假設(猜想,在此基礎上建立數(shù)理方程,解釋已知現(xiàn)象并預測新的現(xiàn)象。如果新的現(xiàn)象被證實了,這個學說就被同行所接受,成為一個科學理論。關于這方面,后面將詳細討論。這就是大家經(jīng)常聽到的學科交叉、滲透。其實,控制論學科的建立,就是一個成功的典范。上世紀30年代末期,在哈佛醫(yī)科學校(后來麻省理工學院的也參加了有個每月一次的科學方法討論會,參加者有物理學家、醫(yī)學家,還有電子學家和數(shù)學家。他們意識到將通訊技術和自動控制技術中積累的經(jīng)驗和現(xiàn)代生物學所發(fā)現(xiàn)的生物機體的控制機制加以類比,有可能形成稱為控制論的新學

14、科。后來由于第二次世界大戰(zhàn)軍需的促進,必須加緊研制計算機以改2真空第4期善防空火力,使這個學科的軟件(控制理論、硬件(電子計算機都得到了迅速的發(fā)展,才形成了現(xiàn)代的計算機科學和龐大的計算機產(chǎn)業(yè)。控制論學科的創(chuàng)始人則公認是諾伯特維納(N o rbert W iener 一位真正的數(shù)學家。以上舉的幾個例子,說明科學上取得創(chuàng)造性成果的途徑是多種多樣的。當然,完全羅列既是不可能,也沒有必要。1.3探索科學研究方法之必要性作者并不是搞科學方法論的,但在自己專業(yè)領域中深感研究方法的重要性。我們固然不可能對各種方法都深入去研究、掌握,但花些時間去參考、借鑒,則在自己的研究中就會去抓住機遇,甚至有目的地去創(chuàng)造機

15、遇,取得成功的可能就較大。作者有幸在青年時代就閱讀到一些科學大師結合其研究討論科學方法的專著,得益匪淺;后來在多年的實際工作中自己也探索到一些有效的方法。為使青年科技工作者能盡早跨入科學創(chuàng)造的王國,似有責任整理成文,介紹給青年朋友們,起個拋磚引玉的作用。下面分為理論研究和實驗研究兩部分進行討論。2理論研究青年科技工作者一般都有較強的基礎理論知識,也有一定的理論計算能力。但是對于科學理論性質方面一些較深入的問題,似乎思考得不多,例如:何以數(shù)學的力量如此之大,一個方程就能概括一切?是否用的數(shù)學越多,理論就越深奧,水平就越高?成功的理論是否應該完全符合已知的實驗事實?需要做出哪些努力,自己才能創(chuàng)立個

16、理論?等等,大家是否思考過呢?其實,搞清楚這些問題,對研究能力的提高是十分重要的。2.1物理學的事實材料及研究方法概要本文所擬討論的科學方法,基本上屬于物理學方法的范疇。為了理解得準確,先從一些基本問題談起。物理學所研究的事實材料,僅僅是人類經(jīng)驗的一部分,所選定的是相對確定和穩(wěn)定的那一部分,它們具有很好的重復性。這就是所謂的物理世界。在物理世界中,因果律被認為嚴格成立,即:如果某一事物所必須具備的諸要素均已齊備,則該事物就必然發(fā)生。這就使物理世界中的現(xiàn)象成為可預測的。生物世界則不都是服從因果律,研究起來更為困難。物理學家是怎樣去研究物理世界的呢?最早是靠觀察,如觀察天體運動,后來發(fā)展為實驗。實

17、驗是有目的地去組織安排,讓物理世界動作起來,我們好進行觀察、測量。用十六世紀英國科學家培根(F ran 2cis B acon 的比喻,實驗是“詢問自然”,讓自然界開口,暴露它的真面目。實驗研究的一個重要發(fā)展階段是從質到量,即盡量追求量化,具體說,就是通過度量,得到數(shù)據(jù)。實驗具有下述特點:它從經(jīng)驗的全體中,抽象出一個要特別加以研究的小范圍;實驗者有明確的目的:要解決什么問題?實驗者有明白規(guī)定的動作。由于追求量化,實驗者獲得了物理世界的各種數(shù)據(jù),這就為數(shù)學進入物理學,成為其強有力研究的工具準備了條件。進一步的發(fā)展是應用了符號體系。大家都知道,物理學中有很多符號、公式,這是物理學比別的學科發(fā)展早、

18、快的十分重要的原因。物理學中所用的符號是比較嚴格的一種,它們是某一物理概念或某一群物理概念的特征形象標記,常借用數(shù)學中的符號來代表。物理學采用了符號體系,獲得下述好處:變抽象的概念為可知覺的,享有可看得見的明確性,因而對抽象思維幫助很大。這正如繪圖可減輕解決難題時的思維一樣。現(xiàn)代的大中學生,一看到m v 、12m v 2,腦海里就清楚,這意味著什么。符號意義的規(guī)定,有嚴格的法則,能唯一地固定下來;單靠腦海中的思維則是不可能的。用文字句子來表達,則陷于冗贅;而用句子或語言來進行推理,則更是難于想象了。眾所周知,我們的祖先很早就發(fā)明了勾股弦定理,但他們是用文字來表述的;而西方數(shù)學家用a 2+b 2

19、=c 2來表達,效果就完全不同,因為這種表達易于運算,可進而得到多種關系。思維經(jīng)濟,這是不言而喻的。值得指出:數(shù)學符號一旦被借用到物理學中來,這們就具有了物理含義,起著描述物理世界的作用。同一符號,在物理學家腦海中,與數(shù)學家具有不同的涵義。2.2物理學中的概念和符號體系本節(jié)將進一步討論物理學中概念和符號體系的作用有關問題。愛因斯坦有句名言:“所有科學的目的都是調整我們的經(jīng)驗并置之于一個邏輯體系之中”。在這個過程中,物理概念起了極其重要的作用。實際上,所謂3第4期王欲知:科學研究方法論邏輯體系,就是代表物理概念的各個符號之間的關系以數(shù)學公式表示出來。物理學中任何物理概念都用符號來表示,其含義是深

20、刻的,現(xiàn)稍微詳細些討論。物理學家先是進行實驗操作,實驗過程固然可用文字來表達,但他們堅持要做度量,要給實驗的結果定出數(shù)字(試與當時的其他學科如生物、醫(yī)學相比較,因此每個實驗都歸結為許多組的數(shù)字符號,這就為物理規(guī)律的符號描述準備了基礎?，F(xiàn)以玻義耳定律為例來說明。在一定溫度下,對一定數(shù)量的氣體測出其壓強P 與體積V 的對應值,最后發(fā)現(xiàn)P 與V 遵從PV =C (常數(shù)的關系。這個表示意義是深刻的,討論如下。體積V 屬空間概念,物理學家有共同的直覺;至于壓強P ,一般是用水銀柱高度差來量度。符號體系的重要意義在于:P 不單單是代表這個量度方法的結果,而是可代表各種各樣測量方法之結果。換言之,它可代表用

21、所有不同壓強計測量之結果?？梢?這其中有某種共同的東西,這就是壓強這個概念的屬性,用它與V 一起就足以描述氣體的行為。由此可知,符號體系具有描述客觀實在的力量。符號體系還有更重要的功能,這就是做預測。盡管對P 、V 測定時是取有限的數(shù)值,但一旦確定了上述關系,則對于任一個V ,我們就可算出其P 這就是預測。之所以能這樣做,是有個默認的前提,即自然規(guī)律的變化總是光滑的,故能對沒有實測過的數(shù)值做出預測。不但如此,我們還能做出進一步的預測:依據(jù)符號間已知的關系,用純粹數(shù)學分析的方法就能推演出許多新的關系。如果原來的關系是與已知實驗一致的,則推導出的關系也將是能在實驗中被驗證的。符號體系就這樣幫助了整

22、個物理學的發(fā)展。那末物理概念是怎樣確定與選擇的呢?這是需要遵順一些法則的?，F(xiàn)列舉如下。(1每一個主導概念,應該是明白無誤的。通過大量應用后,它能夠為同行們所接受。(2它們應能用數(shù)來表示,并且能夠進行測量。(3基本概念的組合,有一些還能進一步反映物理過程,成為新的物理概念。例如組合m v 、12m v 2、F t (m 、v 、F 、t 分別為質量、速率、力、作用時間都有新的意義動量、能量、沖量,故成為新的物理概念。但并不是任何組合都有意義,如組合(v -v o S ,則沒有任何意義(S 為距離。哪些概念最重要呢?那是在各種定律、各種描述中經(jīng)常出現(xiàn)的一些概念,尤其是那些能超越其原來形成時的學科而

23、滲透到別的領域中去的那些概念,如能量、熵等即是。愛因斯坦有句名言:“驗證我們概念的唯一方法在于它們能否將我們復雜的經(jīng)驗表示出來。”這是非常中肯的判據(jù)。2.3物理定律及其表示形式什么是物理定律?它是實驗結果的描述。但由于實驗測定的數(shù)據(jù)總是有限的,總是一些孤立的點,于是我們將點連成光滑曲線。我們有什么理由這樣做呢?這實際上是一種假定,認為自然界的規(guī)律總是漸變的;這個假定實際上指導著整個物理學理論的發(fā)展。讀者當會想起,有不少情況則是突變的這就算為例外,另找辦法去處理。有了物理定律,就可據(jù)以預測。但要特別注意,不能超越其適用范圍。例如對于CO 2氣體,在室溫下就不能指望通過壓縮減小其體積,而達到72.

24、9atm 以上的大氣壓,因為這時它已液化或固化了,壓力不能再增大(CO 2的臨界溫度為31,臨界壓力為72.9atm 。即此時玻義耳定律不適用了。實驗所得的曲線,要盡可能表達為數(shù)學形式。物理學家相信,物理世界是按數(shù)學定律來工作的。因此必須盡可能將觀察或實驗的結果表達成數(shù)學公式。用數(shù)學描述的一般方法是:變量x 與變量y 、z ,有這樣或那樣的函數(shù)關系。物理定律可能是下述組合(x y +z (或其他組合。在某特定條件下,常是一個常數(shù),或常趨于極大值。例如在Galileo 的工作中,確定了S t 2是一恒量(S 距離,t 時間。力學的研究后來又發(fā)現(xiàn)m v 、12m v 2均是不變量(m 質量,v 速

25、率,并分別命名為動量、能量?？梢?物理概念的數(shù)學形式能幫助在混亂的經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)不變的因素,即所謂變中之常;并能引入新的概念。怎樣才能更有效地去獲得物理定律?這當然是每一位研究者十分關注的問題。這需要洞察力、想象力,還決定于機遇;主要是能提出合乎實際的假說。作者本人的體會是,要與物理世界有深入的接觸,即多做實驗,則很有利于上述這一切。2.4物理理論及其判據(jù)理論與定律不同:定律是實驗事實的直接描述,4真空第4期理論則是穿越事實去洞察更深入的東西,是用一個體系來掌握全貌。某一學科,當實驗事實多了的時候,就有人努力去建立理論,去概括全貌。事實上,如果深入考察,理論約有下列三種功能。(1理論將許多分立的事

26、實聯(lián)系起來,置于一個邏輯的、思想上易于掌握的結構中。借助于相互聯(lián)系,借助于將以往沒有聯(lián)系觀察結果的并置及序列化,我們就有可能理解它們。人們總是用指出事物間的相互關系來進行解釋的。(2無論是普遍的還是有限的理論,人們總是期望它們能提出新的關系,以便開始沿著新舊事實之間必然存在的聯(lián)系途徑進行思考。(3理論還有個進一步的目的:指出特定的新的可觀察到的現(xiàn)象,并從觀察或實驗中加以證實。牛頓的力學理論就是一個典范。力學中早已獲得許多定律,如均速運動定律、均加速運動定律、簡諧運動定律、有心力場中的運動定律等等,它們中的任一個,都是真正的物理定律,都是用符號間關系來表達,這些符號都可以通過實驗操作給上數(shù)字。符

27、號有s 、t 、v 、a 、m 、F 等等。后來物理學家相信,所有這許多定律,這許多符號間的一切關系,有可能從有限個基本假定推導出來。首先取得這個結果的就是牛頓,這就是眾所周知的牛頓三大定律。這三大定律,起先應視為是學說,后來被同行廣泛接受之后,才成為眾所公認的理論。牛頓力學,用現(xiàn)代的方式來表達,就是從時間、空間(在牛頓時代,這由直覺被同行所共同理解的原始概念出發(fā),由數(shù)學運算可定義速率v 、加速率a 。牛頓引入質量m 、力F 之后,就可得到(對于i 個質點的體系下列微分方程組(矢量形式F i =m i (d 2r i d t 2(其中F 、r 均為矢量(i 由1至i 在特定條件下求解這個方程組,就得到關于第i 個質點的位置、速度和時間的整個一組符號關系。這些就是描述質點可能運動的實際的物理定律。由上述討論,可將牛頓理論建立的過程歸納如下。從直覺的時、空概念出發(fā),用構造的辦法,由原始符號構成了新符號;為要給每個新符號規(guī)定數(shù)字,可做適當?shù)膶嶒?譬如可測定a 、m 。這就準備好了下一步選定假說或