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从物理学的发展看创造性思维是科学的本质精神

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从物理学的发展看创造性思维是科学的本质精神

合肥市职业教育中心  刘锡鳌

我们可以认为,创造性思维创造了科学,推动了科学,发展了科学,推动了人类文明的前进。以物理学为例,一部物理学史,就是创造思维的结晶史。

一、从伽利略谈起

传统的认识是,伽利略是实验物理的奠基人。作者认为,伽利略实在是真正意义上的物理学的发端者。

所谓“物理”,是物质运动之理和物质结构之理,重在一个“理”字。这个“理”,是人们探求出来的,归纳出来的。所言物理学是实验科学,说的是实验是求理的手段和证理的工具。它是为“理”而服务的。“理”,是思想的产物,是创造性思维的结果。从这个意义来讨论,我们发现伽利略创造性思维体现了物理学本质精神。为说明问题,不妨拿阿基米德来作一比较。阿基米德是古代的智慧之星,他发现的浮力定律和杠杆定律始终是物理学的入门课题,“假如给我一个支点,我将撬动地球”的设想,闪烁着科学思想的光芒。尽管如此,就此而论,他的这一思想是杠杆定律的自然延伸,应该不属于创造思维的范畴。而伽利略则不然,他构思的理想斜面,是思想的创造,在这个创造的基础上,抽象出惯性定律,推翻了亚里士多德的传世定论。这与杠杆撬地球不同:一是思维创造规律,一是规律引发思维,前者更具物理学精神。

伽利略利用双悖归谬的推理思维驳斥重物先于轻物落地的错误,是又一精彩例证。他指出,让轻重两物联合起来下落,按重物先落地的绪论,联合体重于重物就先于重物落地;仍按重物先落地的原则。要减慢重物的下落,因而联合体应后与重物下落。同一前提,引出相悖的结果,显然前提错误。伽利略正是在批驳了亚里士多德的错误结论,才为发现落体定律扫清了障碍。

基于上述理由,我们说伽利略不仅是实践探索型的,还是创造思维型的全能科学家。爱因斯坦说的好:“伽利略的发现以及他所利用的科学的推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志这物理学的真正开端……伽利略对科学的贡献就在于毁灭知觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略发现的重大意义。

二、创造性思维促成了物理学的重大飞跃

先说牛顿。牛顿的创造性工作最主要有两方面的意义:一是观念上的,他打破了亚里士多德关于“月上”和“月下”两个世界的划分,认为地球附近物体的下落和月球绕地球运行基于同样的原因。二是他发现了运动定律和万有引力定律,奠定了动力学和天体力学的基础。是牛顿的思想引导人类进入自觉地运用科学武器突破神学权威的时代;牛顿的理论,引导人类进入工业革命时代。爱因斯坦说:“在他以前和以后,都还没有人像他那样决定西方的思想、研究和实践的。”

为了证明地上物体的下落和月球绕地运动出于地球作用的同意本质,牛顿推广了平抛物体的思想,使它达到逻辑的至极处。进而,在点光源对受照面的照度与距离二次方成反比(这也是他的发现)的启发下推想月球受的引力与距离二次方成反比加上运用自创的变量数学解决月球轨道中的难题,结合牛顿第三定律,最终获得F=G*[M1*M2/R2]  的引力公式。考察整个规律的发现过程,可见牛顿思维活跃程度。                                

麦克斯韦的电磁场理论是又一伟大思维成果。他在总结库仑、奥斯特、安培、法拉第等工作的基础上,出神入化地引入位移电流和涡旋场概念,引进极为漂亮的麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在和光的电磁本质,因而终结了电场与磁场相孤立的观念,实现电、磁、光的统一的理论,并由此引发了技术领域意义深远的革命,使人类跨入了以电动力为标志的时代。

我们要重点讲到爱因斯坦。他的划时代的理论是在当时社会还不迫切需要的形式下提出的,以至一时被认为深奥不可知,然而它都是今日人们探测微观世界和宏观世界的基本武器,可见他的思维洞察力之深远,因此更具创造性思维的典型意义。

爱因斯坦16岁时就有追光遐想:“假如我以光速追随光波前进将会看到什么?”正是苦苦的追光思想以及被戏称为“奥林匹亚学院”一群青年的切磋,加上长达十年的苦思,他从怀疑时间的同时性和思索光速入手,历经无数次失败的尝试,最终归纳出狭义相对论的基本原理,即相对性原理和真空中光速不变性原理。由此出发,获得了洛仑兹变换,引入时间坐标,推导出相对论的时空属性,即运动的尺子缩短和运动时钟变慢,以及“同时”是相对的结论,还获得任何惯性系中运动的速度以光速为极限以及物质的质量随运动变化的结论。这些结论摆脱了牛顿绝对时空观的束缚,但当物体在低速运动时,洛仑兹变换回到了伽利略变换,相对论力学回到牛顿力学,可见相对论力学是更广泛更深刻的理论。

在狭义相对论发表不久,爱因斯坦意识到根据相对性原理以及麦克斯韦方程的要求,可以用质量直接量度物体所包含的能量。他写出了《物体所含的惯性同它所含的能量相关吗?》惯性与能量在德文中又对应于懒惰与活泼性,所以这文章说成《物质的懒惰性与它的所包含的活泼性相关吗?》更有意思。文章的结论说,懒惰性(惯性)是活泼性(能量)的量度,写成公式是著名的爱因斯坦质能方程E=mc2,这一方程,突破经典力学的观念,给出静止物质的能量,构成核物理与粒子物理的重要理论基础,为人类开发能源提供了理论的重要理论基础,为人类开发能源提供了理论依据。“把那样多的哲学沉思、物理洞察和技术应用都融汇于一身,充分显示出人类智慧巨大潜在的能力”。①

狭义相对论发表以后,又经过十年思索,爱因斯坦从引力质量和惯性质量相等这一似乎不值讨论的问题为切入口,以理想电势为模型,发现引力的本性就在于引力能在某种参考系(如爱因斯坦电势自由下落的电势)中局部地消除。这是爱因斯坦抽象出来的引力的基本性质,叫做等效原理。进一步,爱因斯坦提出广义协变原理----在任何参照系中物理规律的数学形式相同。这样他把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系,得到了广义相对论的理论,认为现实的空间不是欧几里得空间,而是黎曼空间,它的弯曲程度取决于物质在空间的几何分布:物质密度大的地方,引力场强度大,时空就弯曲得厉害。就是说,物质与时空的关系,不仅取决于物质的运动(这是狭义相对论说明的),而且取决于物质本身的分布。这是从新的高度彻底地否定了绝对时空观点。根据广义相对论,爱因斯坦解释了水星的进动,预言并被证实了光在引力场中的偏转以及光谱线的红移等等。因而汤姆逊说“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一-----也许是最大的成就……这是发现了科学思想的新大陆。”相对论的发现显示了人类思维的无限创造力。

爱因斯坦坚信科学理论在逻辑上的简单性是理论重要性的标志,他深信自然的和谐美妙。自然现象虽然千差万别,各种表达规律林林总总,但是左右它们的基本规律具有统一性,或者说具有奇异的对标性。为此,爱因斯坦围绕建立统一场论而耗去自己的后半生.爱因斯坦的执着,是基于他对自然的基本信仰,对物理的直觉信赖。虽然令许多同行匪夷所思并多有微词,他仍矢志不渝、终生追求。

事情到了60年代后期,温伯格等建立了弱电统一理论后,统一场论的思想重新唤起人们的注意,大家为爱因斯坦深遂洞察与远见所振奋,“统一场”的努力再现光芒。其中最具代表性和连续性的是1954年杨振宁和米尔斯提出的称为杨---米尔斯方程,它是现今规范场理论的核心方程,它给出的结构是传递电磁作用和核力作用的媒介,它包含的思想,提示人们相信:各种相互作用都是通过相应的规范场来传递的。杨米尔斯理论是通向统一场理论的一大进展,被认为是“四十多年来,它彻底改变了物理和现代几何的发展,就象当初牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的理论工作一样。”②

三、创造性思维的基本特点

   1、创造性思维的标志

   典型的创造性思维,必然导致重大科学成果的出现,这些成果具有综合性、飞跃性和划时代的特点,对人类文明的推进具有不可估量的价值。例如牛顿的理论、麦克斯韦的理论都是特点十分鲜明的。

   2.创造性思维的原动力

   对自然美的追求、对人类精神和物质解放的追求是创造性思维的原动力。科学家相信自然是自然的,是有理的,它的规律有原发性、简单性的机制。它的结构中的局部与局部、局部与全局间存在奇异的均衡美和和谐美,这种与科学家强烈的探秘的人性本质谐振,导致了思维力量的迸发。科学家在对自然美的追求过程中,不断校正自己的思想,最终达到人为自然逼近“自然的自然“的境界。那时科学家自己获得精神解放。公之于世,是人类的精神解放;用之于世,是物质的解放。为着美的追求、为着解放,科学家常常是无我的,因而也是充满智慧的。

   创造的原动力还联系着科学家的自我信念。开普勒坚信自己可以解开宇宙的奥秘(他的第一部著作就叫《宇宙的秘奥》)。“他的分析过程漫长并且极其艰辛;在二十多年的时间内,他坚持不懈地工作,从不放松自己的目标”。结果他成功了。

大概所有杰出科学家创造的原动力都来自对“美”的追求、对“解放”的渴望与信念的坚定。

3.创造性思维的方式

以哲学批判为先导,荟集和批判继承前人的成果,分析已有理论与经验之间的逻辑矛盾,是所有科学家创造思维的第一步。伽利略否定力是运动的原因,牛顿突破“月上”和“月下”的界限,法拉第反对电磁的超距作用,都是以哲学批判为先导的。可以说,最大的创造,有最深的哲学批判。

爱因斯坦还在学生时代就对哲学发生极深厚的兴趣刚走出校门就与几个青年一起以极大的热情讨论柏拉图、休谟、马赫、黎曼等人的科学和哲学著作。其中休谟与马赫的著作对爱因斯坦创建相对论的影响最大。马赫认为,不能被经验所证实的概念都是可以怀疑的,并以此对牛顿的绝对时空观提出尖锐的批判。爱因斯坦20岁时说到,“先验是神的意志,一旦躲进先验的神山中,物理学就无能为力了。我们要把绝对时间和绝对空间从先验的神山上拉下来,再用我们的经验去检验它”。

哲学的批判意识要贯穿创造性思维的全过程。可以说创造学规律的过程是哲学的批判,而科学规律的结论则是批判的哲学。

从基本的、原始性问题切入科学问题是创造性思维的又一特点。科学不是神秘兮兮的东西,它一定要在基本概念上显示出本身的合理性程度。前面说的力与运动的关系也好,时间是不是绝对的,空间是不是绝对的也好,引力质量与惯性质量相等也好,这些似乎不需讨论的概念,却有深刻的内涵。当我们获得来表达它们的简单的结构以后,还会发现它们又被更深刻的对称概念所支配。科学往往是这样的:在最不起眼的地方,有最深刻的道理,叫做“于无声处听惊雷”吧。

数学支持,数学的物理分析是创造性思维的又一显著特点。伽利略是成功地用数学解决物理问题的开创者,而牛顿为了物理需要,发明了微积分,爱因斯坦和杨振宁则分别为着引力场和规范场方程的建立,不断进行数学“充电”。可见数学对于物理是多么重要。对于数学的重要性,不能局限于“工具”概念上。今天,数学往往以它的结构和成分,暗示着某种物理存在和规律性。狄拉克方程的负能态解意味着正电子存在就是一例。

我们说“自然是有理”的这句话是什么意思呢?这话说的是自然事实,比如“场”吧,它有本质属性,有存在形式与分布规律,同时也必有相应的数学结构。合理性表现在“质”、“形”、“数”的一致上。这里的“数”,是能表达数量、形态、分布和变化的一类关系的集合。这“数”中是含有物理的,正是从这个意义说,数学甚至创造物理。重视数学开发是现代物理的一个重要思想,创造者要自觉地克服“实验先导”、“实验第一”的单一观念。从物理原则出发,考虑一些基本的对称关系,再寻求保持这种对称关系的数学结构,接着对应数学结构给予物理解释与实验验证,最后获得物理理论。这样的思维创造程序的有效性,已为狄拉克方程、爱因斯坦方程、杨一米尔斯方程所证实。机枢所在,不可不察。

创造“思维武器”进行推演思维,是创造性思维富有鲜明特色的方式。

什么是“思维武器”呢?伽利略的斜面,牛顿的“牛顿山”,麦克斯韦的位移电流、涡旋场,爱因斯坦的“爱因斯坦电梯”,这些就是思维武器。他们正是利用这些武器,进行推演思维、实现认识的飞跃的。

这里的推演思维,指的是寻常逻辑思维与非常思维逻辑思维、趋同思维与求异思维的对立统一。是寻常的趋同与积极的求异的交叉活动。在牛顿山上(前图)掷石块,速度越大,掷的越远,但石块都落在地球上,这是“同”;速度不同是“异”。速度大至极限(这是逻辑的极点),石块绕地运动,不再回到地面,但是石块仍受重力作用,它落地与绕地的受力本质不变,只是运动形态不同而已,推想月球的运动,正如绕地运行的石块。如此思维,天上的运动与地面上的运动力学机理是相同的,创造的目的实现了。

麦克斯韦也是类似这种思维方式、围绕变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场以及引入位移电流和涡旋场的概念、他的导演逻辑下的趋同思维和非常逻辑的求异思维,极具代表意义,值得专门的深入探讨。

捕捉思维灵感,是创造性思维的契机。

科学灵感是科学家长久思维孕育的科学产儿。科学家在苦苦的思维创造过程中,常常得益于一时的灵感。这灵感来的突然而莫名其妙,往往科学家本人也觉得奇怪。其实这是思维智慧的内容,是长期思索所孕育的“生命”,在催化酶作用下的迸发。这催化酶可能是一时的相关思考的牵动、亦或是虽不相关却有触发相关思考的瞬间作用,甚至也可能是梦中之兆,由此而获得以沤心沥血问题的突破性顿悟,从而使思想的问题获得解决的契机,其根本原因是大脑非常功能(尚不为科学所解释,不为科学家自觉)作用的效应。人差不多都有这样的功能,因而灵感对每个人来说都是存在的,只是意识不同而已。

灵感的出现虽有突然性,但既来之则挥之不去,一时闪过还会再来,说明它是大脑孕育的,是殚思竭虑的自然回报,或者可以认为是思维功能不对称镜象。开普勒在发现周期定律是这样记述的,“准确地说,就是在161838这一天,这一结论显现于我的脑海中……515,这个念头终于又回到我的脑海中,并且以一种全新的方式使我豁然开朗。”

爱国斯坦在一次谈话中,“电梯概念”突然闪现出来。正是电梯模型使他想到,对于“电梯”这个局部的惯性参照系中引力作用可以“消失”,因而引力只有在局部惯性系的相互关系中表现出来,继而他意识到引力一方面要影响物体的运动,另一方面引力又要影响各局部参考系之间的关系。所以时空的几何性质不能先验规定。这当然是惊人的灵感。可是,要想到爱因斯坦为了寻找引力场的基本方程,前后用了七、八年时间,其中有多次的失败。自然地我们想到灵感与苦苦探索是十月怀胎与一朝分娩的关系。其实,创造性思维往往联系着一系列科研活动。某一时针对某一问题的灵感只是获得了打开科学城堡的钥匙,而不是科学创造的全部。

最后还要强调,当今的许多重大科学活动,表现为多学科的交叉融合;科学的思维活动更多地要借助信息化和智能化的支持,依赖于大群体甚至是跨国群体的大兵团作战,(人类遗传基因密码的破译和图谱的绘制是最好的例证)这是间个体灵感的作用意义是相对减弱的。

四、创造思维与创造者的人格

具有创造性思维的科学家,通常都是心胸开阔、心静如水的。他们视科学为人类的财富,所以大都是国际主义者。他们的价值观是对自然美的追求、对社会奉献的追求以及对创造美的自我满足。他们人格高尚,深沉无私无畏。

伽利略即使关在监狱里也念念不忘自己的科学信仰。麦克斯韦虽遭挫折和疾病的折磨仍坚持他的电磁理论研究。在极其困难的条件下筹建卡文迪什实验室,编纂卡文迪什文集,直至英年早逝。爱因斯坦同样为人们所敬重。作为世界大科学家,向他问起薪金,他说“一年三千美元大概够了吧”。在法西斯反犹猖獗时期,凡有犹太同胞向爱因斯坦寻求帮助,他都毫不犹豫地给以帮助甚至分出有限的工资。为了“释放自然界的能量”,为了抑制法西斯战争,他署名给罗斯福总统写信,建议生产原子弹。可是当得知在日本投下原子弹后,他“一下子惊呆了。他的双脚就象钉死在地上完全不能动弹”。此后,当他从痛苦的情绪中挣扎出来以后,终生没有停止反对研究和使用原子武器的斗争。

高尚的人格,产生高尚的思想,才能摆脱外界的纠缠而醉心于自然真理的追求,用思维的力量创造自己的科学美。

看看捷克作家布诺特对开普勒的评价。“开普勒全心全意致力于试验工作,完全不理会叽叽喳喳的宁静心理,几乎是一种超人的品质。”

再看凯恩斯评价牛顿:”他特有的才能是他能把一个纯智力问题在头脑中保持下去……一连数不时、数天、数星期,直到问题向他缺陷并说出它的秘奥。

天才的思想,出自天才的劳动;天才的劳动,创造出天才的成果;天才的人格,保证这成果的人类共享性和社会性。他们仅仅为获得创造的满足倍感快乐。

注:①方励之,褚烘泉:《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》科学出版社1981

   19955月美富兰克林研究所向杨振宁颁授“鲍尔奖”时评委会评价

   ()S钱法拉塞米:《科学的追求及其动机》1985年,芝加哥大学系列演讲之一

   ④开普勒:《宇宙的和谐》