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愛因斯坦的科研方法
愛因斯坦是歷史上罕見的卓越的科學(xué)家。他所創(chuàng)建的相對論，不僅使物理學(xué)獲得了革命性的進(jìn)展，而且刷新了人們對時間、空間等基本概念的認(rèn)識；他在光量子論、布朗運(yùn)動的研究中，也取得了重大成果；此外，他還在宇宙、統(tǒng)一場論等方面做了開拓性的工作。面對這樣一位科學(xué)巨人，人們不禁要問：他是怎樣取得這許多成就的?
拉普拉斯說：“認(rèn)識一位巨人的研究方法，對于科學(xué)的進(jìn)步，……并不經(jīng)發(fā)現(xiàn)本身更少用處。科學(xué)研究的方法經(jīng)常是極富興趣的部分�！泵恳晃桓挥趧�(chuàng)造、勇了革 新的人，總有他自己的特點(diǎn)，他自己的“音調(diào)”。那么，愛因斯坦的工作方法，又有什么特點(diǎn)呢?有什么可供我們借鑒的呢?愛因斯坦曾多次談到，需要建立新的思 想體系。建立新的思想體系，這正是他自己的工作非常突出之處。
拉普拉斯說：“認(rèn)識一位巨人的研究方法，對于科學(xué)的進(jìn)步人們要研究某個 問題，總得先收集有關(guān)資料，盡量吸取前人的成果、方法、經(jīng)驗(yàn)和教育，這樣才能站在“ 人的肩上”(牛頓語)。但為了比前人看得更遠(yuǎn)，光站在肩上還不夠，還需要通過新的觀察或試驗(yàn)，向大自然索取更多的新資料，并運(yùn)用辯證思維，對它們進(jìn)行分析 整理，以獲得新的認(rèn)識。至此，愛因斯坦與常人并無顯著不同，他和我們一樣，也非常重視基本理論的學(xué)習(xí)，重視來自實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和事實(shí)。”?
然而，接下去分歧便開始了。怎樣對資料進(jìn)行理論分析呢?常見的辦法是把試驗(yàn)結(jié)果歸納成一些經(jīng)驗(yàn)定律或經(jīng)驗(yàn)公式，希望通過它們合理地解釋過去并預(yù)見將來。 但愛因斯坦卻不以為然，認(rèn)為這樣做還很不夠，這樣做不能使理論獲得重大進(jìn)展。因?yàn)�，這些公式最多只概括了局部的、有限多次的經(jīng)驗(yàn)，對全局來說，對無限的總 體來說，它很可能是錯誤的；何獎品，還“因?yàn)樗雎粤酥庇X秒演繹思維在精密科學(xué)發(fā)展中所起的重大作用”。
那么，應(yīng)該怎么辦呢?愛 因斯坦說：“適用于科學(xué)幼年時代以歸納為主的方法，正讓位于探索性的演繹法”；應(yīng)該“由經(jīng)驗(yàn)材料作為引導(dǎo)，……提出一種思想體系，它一般是在邏輯上從少數(shù) 幾個所謂公理的基本假定建立起來的。”對這個體系的要求，應(yīng)是能把觀察到的事實(shí)聯(lián)結(jié)在一起，同時它還具有最大可能的簡單性；所謂簡單性是指“這體系所包含 的彼此獨(dú)立的假設(shè)或公理最少”。大家知道，狹義相對論的公理只有兩條：相對性原理和光速不變原理。至于思想體系的內(nèi)容，它應(yīng)由“概念、被認(rèn)為對這些概念是 有效的基本定律、以及用邏輯推理得到的結(jié)論這三者所構(gòu)造的"，也就是通常所說的概念、公理和定理三部分。?
作為自然科學(xué)史上第一 個思想體系的光輝的例子是歐幾里得幾何學(xué)。如果歐幾里得當(dāng)年只滿足于把丈量土地所得的具體結(jié)果，歸納為若干條經(jīng)驗(yàn)定律，那么，幾何學(xué)的發(fā)展也許會延誤許多 年。但他不這么辦，他破天荒地開辟另一條大路，即建立了一個演繹法的思想體系。歐幾里得的巨大歷史功勛不僅在于建立了一種幾何學(xué)，而且在于首創(chuàng)了一種科研 方法。這方法所授益于后人的，甚至超過了幾何學(xué)本身。歐幾里得幾何學(xué)所以雄視數(shù)學(xué)界垂2000年，至今仍是每個中學(xué)生必須精讀的內(nèi)容，其原因正在于此。 “蜀地名花擅古今，一枝氣可壓千林”(陸游詩句)。歐幾里得幾何學(xué)可以算是一枝名花了。它前無古人而后有來者，牛頓的力學(xué)，愛因斯坦的相對論，都是在它影 響下的后起之秀。 于是我們碰到了一個大問題：如何建立思想體系?愛因斯坦回答說：理論家的工作可分成兩步，首先是發(fā)現(xiàn)公理，其次是從公理推出結(jié)論。哪一步更難些呢?如果科 研人員在學(xué)生時代已經(jīng)得到很好的基本理論、邏輯推理和數(shù)學(xué)的訓(xùn)練，那么，他走第二步時，只要有“相當(dāng)勤奮和聰明，就一定能夠成功”。至于第一步，媽阿找出 演繹出發(fā)點(diǎn)的公理，則具有完全不同的性質(zhì)。這里沒有一般的方法，“科學(xué)家必須在龐雜的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中間抓住某些可用精密公式來表示的普遍特性，由此探求自然界 的普遍原理”，請注意“經(jīng)驗(yàn)事實(shí)”這幾個字，它們表明了愛因斯坦方法論中的主流是唯物主義。公理必須來自客觀實(shí)際，而不能主觀臆造，否則就有陷進(jìn)唯心主義 泥潭的危險。?
如果我們還不滿足，還要進(jìn)一步問到底：怎樣才能抓住那些“普遍特性”呢?看來，要編制一個找到它的萬能程度，是不 可能的。因?yàn)檫@個問題的解決，主要依賴于研究人員的德、智、才、學(xué)，依賴于他們的科學(xué)想象力、洞察力和勞動熱情。否則，我們就難以理解，在相似條件下，為 什么恰恰是這個人，而不是旁人，做出了顯著的成績。因此，最好還是讓我們來研究愛因斯坦吧!?
任何重大進(jìn)展，必定有許多先驅(qū)為它獻(xiàn)出了智慧，最后輪到一個人或一些人來完成。這些人必須恰好站在歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，太早了不行，太晚也不行。天下鼎沸，群雄逐鹿，捷足者先得。這些捷足者，按照狄德羅的說法，必須具有“精神的浩瀚，想象的活躍，心靈的勤奮”。
少年時代的愛因斯坦善于“驚奇”，他對自然界的一些現(xiàn)象，不是等閑視之，是有強(qiáng)烈的好奇心，這使他的求知欲永遠(yuǎn)得不到滿足，對自然的探索，也永遠(yuǎn)不能停 止。4歲時，他曾為一只羅盤的指針而“驚奇”：它應(yīng)有無窮多個方向可以挑選，卻為什么總是偏愛南方?他想：“一定有什么東西深深地隱藏在事情后面�！�12 歲時，他又為多幾里得幾何而“驚奇”：幾何學(xué)的“這種明晰性和可靠性人我造成了一種難以形容的印象”。毫無疑問，幾何學(xué)對他后來建立相對論，不僅提供了工 具，而且給予了方法論的啟示。?
青年時代的愛因斯坦，在物理、數(shù)學(xué)等方面打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)，對一般自然科學(xué)也有濃厚的興趣和廣博 的知識。12-16歲時，他已經(jīng)熟悉了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)，包括微積分原理。17歲上大學(xué)后，“大部分時間都是在物理實(shí)驗(yàn)室里工作，迷戀于同經(jīng)驗(yàn)直接接觸”。其余時 間，則主要用于自學(xué)理論物理。這些，為他后來的工作做了很好的準(zhǔn)備，使他既能深刻地理解當(dāng)前物理理論和實(shí)驗(yàn)的最新成就，又能嫻熟地運(yùn)用數(shù)學(xué)工具；正是這個 強(qiáng)大的邏輯推理工具，把他的科學(xué)想象變成了科學(xué)定律。此外，他還聚精會神地閱讀了伯恩斯坦的《自然科學(xué)通俗讀本》。這部有五六卷的優(yōu)秀作品，成功地幫助他 了解到整個自然科學(xué)的主要成果和方法。從學(xué)習(xí)方法上看，愛因斯坦也有出眾之處。他善于“識別出那種能導(dǎo)致深邃知識的東西，而把其它許多東西撇開不管”； “在所閱讀的書本中找出可能把自己引到深處的東西，把其它一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉，就是拋掉使頭腦負(fù)擔(dān)過重和會把自己誘離要點(diǎn)的一切”。這樣，他就把全部精力集中在 最能發(fā)揮自己的創(chuàng)造性與能動性的問題上。?
愛因斯坦對哲學(xué)始終有濃厚的興趣。年輕時，他和幾位摯友經(jīng)常熱烈地討論馬赫、休謨、斯 賓諾莎、彭加來等人的哲學(xué)和科學(xué)著作，后來他們親熱地戲稱這個小集體為奧林比亞科學(xué)院。這些著作中固然有不少糟粕，但卻大大開擴(kuò)了他們的眼界，并幫助他們 抓住認(rèn)識論、方法論以及科學(xué)上的重大理論問題，抓住事物的本質(zhì)和總體，而具有總體觀，乃是高級才智的一種標(biāo)志。這樣，愛因斯坦既有別于縮守一隅、不見森林 的科學(xué)家，因?yàn)樗劢玳_闊，思維豐富；也不同于不著邊際、大而無據(jù)的思辯家，因?yàn)樗A(chǔ)扎實(shí)，學(xué)力深厚。?
愛因斯坦富于革新精 神，這是他的顯著特征。他的想象力非常活躍，而這正是創(chuàng)造和革新所必不可少的重要條件。雨果說：“莎士比亞首先是一種想象，……科學(xué)到了最后階段，便遇上 了想象�！痹趷垡蛩固箍磥�，許多所謂常識的東西，其實(shí)不過是幻年時代被前人灌輸在心中的一堆成見，尤其是當(dāng)迷信病流行時更是如此。這堆成見是需要重新審核 的。它們很可能是前人的主觀偏見；或者是由于我們只處于宇宙的一個局部區(qū)域、一個特定的結(jié)構(gòu)層次而見到的特現(xiàn)象，并不是宇宙的一般規(guī)律。例如，物體運(yùn)動時 長度似乎不變只見于低速世界，長度隨速度而變化才是一般規(guī)律。愛因斯坦正是抓住“質(zhì)量”、“同時性”等基本概念牢牢不放，最后提出相對論的兩條原理而突破 的。?
任何事物都不可能十全十美，愛因斯坦的科研方法也是如此。例如，他對歸納法就不夠重視。
通過愛因斯坦對一些科學(xué)家的評價，可見他很重視下述幾種才能：
1?想象力。愛因斯坦的方法既然主要是演繹的，所以他特別強(qiáng)調(diào)思維的作用，尤其是想象力的作用。他認(rèn)為科學(xué)家在探討自然的秘密蛙，“多少有一點(diǎn)象一個人 在猜一個設(shè)計(jì)得很巧妙的字謎時的那種自由”，他需要極大的想象力。不過“他固然可以猜想以無論什么字作為謎底，但是只有一個字才真正完全解決這個謎”。同 樣，自然的問題也只有一個答案，所以最后還是應(yīng)該受實(shí)踐的檢驗(yàn)。在談到想象的重要性時，他說：“想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世 界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素”。想象力之對于科學(xué)，其重要性不下于它之對于文學(xué)。文章如無想 象，就會成為一潭死水式的幫八股。同樣，科學(xué)如無想象，就很可能停留在一些皮表的，抓不住本質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式上。不過二者之間也有不同，�？茖W(xué)中的想象最后要 受到實(shí)踐的旅客不留情的檢驗(yàn)，而文學(xué)創(chuàng)作中的想象雖然也應(yīng)反映客觀實(shí)際，但卻比較靈活。例如，小說中某角色的結(jié)局不必是唯一的。
2?直覺的理解力。他贊揚(yáng)玻爾說“很少有誰對隱秘的事物具有這樣一種直覺的理解力，同時又兼有這樣強(qiáng)有力的批判能力”。評論埃倫菲斯特時說：“他具有充分 發(fā)展了的非凡的能力，去掌握理論觀念的本質(zhì)，剝掉理論的數(shù)學(xué)外衣，直到清楚地顯露出簡單的基本觀念。這種能力使他居為無與倫比的教師。”
3?數(shù)學(xué)才能。這是演繹法所必不可少的。他在談到牛頓時說：“他(牛頓)不僅作為某些關(guān)鍵性方法的發(fā)明者來說是杰出的，而且在善于運(yùn)用他那是地的經(jīng)驗(yàn)材 料上也是獨(dú)特的，同時他對于數(shù)學(xué)和物理學(xué)的詳細(xì)證明方法有驚人的創(chuàng)造才能”。愛因斯坦本人的數(shù)學(xué)已經(jīng)是很好的了，但他說：“我總是為同樣的數(shù)學(xué)困難所 阻”。由于研究的需要，他專門請了一個很強(qiáng)的年輕的數(shù)學(xué)助手。
以上的幾種才能是關(guān)于思維方面的，而關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面都沒有提及，這不 必驚異，因?yàn)閻垡蛩固贡救酥饕⒁庋堇[法。由于時代的限制，他的方法論并不是完全無可非議，例如對歸納法的輕視，強(qiáng)調(diào)“自由創(chuàng)造”等。有時過分強(qiáng)調(diào)思維的 自由創(chuàng)造等。其實(shí)歸納與演繹相結(jié)合才是更為完善的方法。但每個人都處于歷史發(fā)展的一定階段，都有歷史局限性，不能要求他成為完人。
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