薛定諤的科學(xué)研究方法探究

摘 要:該文從薛定諤對波動力學(xué)和遺傳密碼等研究工作入手，對他在研究工作中所使用的科研方法和創(chuàng)造性思維進(jìn)行了探索，歸納出仍適合于今天科學(xué)工作者使用的類比法和移植法等的科研方法。

關(guān)鍵詞:薛定諤科研方法類比法移植法

中圖分類號:O41文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0005-02

薛定諤(1887——1961)是奧地利著名的理論物理學(xué)家，波動力學(xué)的主要創(chuàng)始人之一，主要從事統(tǒng)計(jì)物理、量子理論、廣義相對論和生物物理方面的研究。他根據(jù)德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的思想和哈密頓原理，于1926年提出微觀粒子運(yùn)動的理論——波動力學(xué)，它的基礎(chǔ)是薛定諤方程。這個方程在微觀物理學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。薛定諤在許多科學(xué)論著中，以1927年發(fā)表的《波動力學(xué)》論文集、1928年發(fā)表的《關(guān)于波動力學(xué)的四次演講稿》和1944年撰寫的《生命是什么》最為著名，并與狄拉克共同獲得1933年度的諾貝爾物理學(xué)獎。薛定諤在長期的科研生涯中，所形成的科學(xué)思想和所使用的科研方法，對今天廣大的科學(xué)研究人員來說，仍有著重要的啟迪和指導(dǎo)作用。本文試圖從這些方面進(jìn)行一些探究。

1 薛定諤的波動力學(xué)理論與類比法

類比法是根據(jù)兩個或兩類對象之間的某些方面的相似或相同而推出它們在其他方面也可能相似或相同的一種邏輯方法。類比法能開闊視野、豐富聯(lián)想、拓寬思路，使人能從某一類比物上獲得啟發(fā)，找到探索問題的思路。這一啟發(fā)作用是將類比結(jié)論作為起點(diǎn)，進(jìn)一步探索研究對象的特殊本質(zhì)規(guī)律。當(dāng)研究對象的有關(guān)材料知識還足以系統(tǒng)歸納和演繹的時候，類比就起到一個“開路先鋒”的作用。按照類比所提供的線索，往往能獲得重要的科學(xué)成果。雖然不同的事物有著各自的特殊性，類比推理是一種或然性推理，類比得到的結(jié)論不一定都是可靠的，但是在沒有找到更多的嚴(yán)密證據(jù)之前，類比法不失為一種較快可能取得科研突破的方法。正如薛定諤所指出的:“我們這些現(xiàn)代知識分子不習(xí)慣于把一個形象化的比擬當(dāng)做哲學(xué)洞見，我們堅(jiān)持要有邏輯推演。但與此對照，或許邏輯思維至少可以向我們揭示這點(diǎn):要通過邏輯思維來掌握現(xiàn)象的基礎(chǔ)很可能完全做不到，因?yàn)樗旧砭褪乾F(xiàn)象的一部分，和現(xiàn)象完全扯在一起。既然如此，我們也不妨問一下，我們是否僅僅因?yàn)橐粋€形象化的比擬不能被嚴(yán)格證明，就逼得不能運(yùn)用它呢？”

1926年薛定諤在德國《物理年鑒》上以《作為本征值問題的量子化》為題，連續(xù)發(fā)表了4篇論文，建立了波動力學(xué)的理論體系。他在論文2中，用力學(xué)與光學(xué)之間的哈密頓類比建立了波動力學(xué)的基本方程式，其基本思路是如圖1。

在幾何光學(xué)中有一條費(fèi)馬定理，在力學(xué)上也有一條類似的哈密頓原理。薛定諤認(rèn)為，如果把費(fèi)馬定理(費(fèi)時最小)和哈密頓原理(哈密頓作用量最小)放在等同地位，則幾何光學(xué)和經(jīng)典力學(xué)(薛定諤在他的論文2中稱之為“幾何力學(xué)”，在第一篇演講稿中稱之為“通常力學(xué)”)可放在等同的地位。在當(dāng)時，由幾何光學(xué)過渡到波動光學(xué)已由惠更斯——菲涅爾原理解決。費(fèi)馬定理可轉(zhuǎn)化為波的傳播，并可從波的傳播方程中推導(dǎo)出來。鑒于這種對應(yīng)關(guān)系，在微觀的力學(xué)過程中也應(yīng)該有一門稱之為“波動力學(xué)”的與經(jīng)典力學(xué)(幾何力學(xué))對應(yīng)(如上圖所示)。他又進(jìn)一步類比于幾何光學(xué)與經(jīng)典力學(xué)(幾何力學(xué))的關(guān)系，認(rèn)為波動光學(xué)與波動力學(xué)也應(yīng)具備這種相似性。薛定諤正是從波動光學(xué)與波動力學(xué)的物理相似性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了波動光學(xué)向波動力學(xué)過渡。他建立了與光的波動方程類似的波動力學(xué)的基本方程——薛定諤方程。這個方程提出后，很快就被應(yīng)用到有關(guān)原子、分子等許多微觀物理問題中，并取得了很大的成功，從而也檢驗(yàn)了這個方程的正確性。按照著名的物理學(xué)家普朗克的話來說:“這一方程式奠定了近代量子力學(xué)的基礎(chǔ)，就像牛頓、拉格朗日和哈密頓創(chuàng)立的方程式在經(jīng)典力學(xué)所起的作用一樣。”類比法是薛定諤主要的科研方法之一，并成為了他創(chuàng)造性思維的手段。在1928年，薛定諤所作的關(guān)于波動力學(xué)的第一次演講中敘述他使用類比法建立波動力學(xué)方程時說到:“從通常的力學(xué)走向波動力學(xué)的一步，就像光學(xué)中用惠更斯理論來代替牛頓理論所邁進(jìn)的一步相類似。我們可以構(gòu)成這種象征性的比例式:通常力學(xué):波動力學(xué)=幾何光學(xué):波動光學(xué)。典型的量子現(xiàn)象就類比于衍射和干涉等典型的波動現(xiàn)象。”

2 薛定諤的《生命是什么》與移植法

移植法是把某個研究對象的概念、原理和方法，或某個領(lǐng)域中的技術(shù)發(fā)明，運(yùn)用到其他研究對象或領(lǐng)域中去的方法。物質(zhì)世界的統(tǒng)一性，學(xué)科之間研究對象的相關(guān)性，決定了運(yùn)用移植方法的可能性。移植法的涵義可用《詩經(jīng)》里的一句詩加以概括，就是“它山之石，可以攻玉”。使用移植法所遵從的三個原則:第一，統(tǒng)一性原則;第二，創(chuàng)造性原則;第三，綜合性原則。移植法的應(yīng)用大體有以下4種情況:1)同一學(xué)科中不同方法的移植，從而產(chǎn)生新的方法和學(xué)科;2)不同學(xué)科、不同理論方法的移植，從而產(chǎn)生新的學(xué)科;3)不同研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)儀器、科學(xué)技術(shù)的移植，形成新的分支;4)綜合多學(xué)科的概念、原理和方法移植到另一個學(xué)科領(lǐng)域，產(chǎn)生新的理論。縱觀20世紀(jì)重大科學(xué)成就和新興學(xué)科的產(chǎn)生，幾乎都離不開各門學(xué)科的理論和方法的相互移植，幾乎離不開移植法的催生助產(chǎn)，特別是物理學(xué)移植到其他學(xué)科，就表現(xiàn)得更加積極與重要。它是導(dǎo)致重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力的杠桿，是開辟新的研究方向、新的科學(xué)領(lǐng)域和創(chuàng)立新學(xué)科的重要手段。移植法之所以如此有效，這是因?yàn)榭陀^物質(zhì)世界本身是一個統(tǒng)一的整體，由此，作為研究物質(zhì)世界的知識體系——科學(xué)，也應(yīng)是一個統(tǒng)一的整體。它被分解為許多獨(dú)立的分支，并不是由它所反映的事物本身決定的，而是由人類認(rèn)識能力的局限性，才把它分解的。在科學(xué)領(lǐng)域中，存在著由物理學(xué)到化學(xué)，通過物理學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)，再到社會科學(xué)的環(huán)形鏈條。所以，從一個學(xué)科到另一個學(xué)科必然存在著許多內(nèi)在的關(guān)系。這就成為某學(xué)科中的研究方法和手段，移植到另一個學(xué)科提供了客觀依據(jù)。其次，對于不同的事物，層次越深，它們在性質(zhì)之間的聯(lián)系就越緊密，界限就越不明顯，鴻溝也就越容易填平，使用移植法就更加有效。當(dāng)科學(xué)工作者在探索一個新的領(lǐng)域而又了解甚少時，如果能夠植入成熟學(xué)科中的思想方法和手段，往往能起到“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”的奇妙效果。

薛定諤科學(xué)工作中總的方法論準(zhǔn)則和科學(xué)思想是對科學(xué)的統(tǒng)一的信念和追求。在認(rèn)識論上，他堅(jiān)信自然界是可知的，在方法論上他則追求這種可知的和諧統(tǒng)一。這種信念和追求不僅僅使他在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)碩果累累，還促成他超越物理學(xué)的界限，把目光投向了涉及人類本身性質(zhì)的生物學(xué)和生命現(xiàn)象。在1944年也就是他57歲這一年，寫了一本名為《生命是什么》的小冊子。這本小冊子的出版，震撼了整個科學(xué)界。它的重大意義并不僅僅在于倡導(dǎo)從分子水平探索遺傳機(jī)制和生命本質(zhì)，還引入了“遺傳密碼”、“非周期性”和“負(fù)熵”等概念來說明一系列生命現(xiàn)象，提出了遺傳密碼存儲于非周期晶體的觀點(diǎn)。在方法論上，他倡導(dǎo)使用移植法，要用物理學(xué)和化學(xué)的理論、方法和實(shí)驗(yàn)手段來研究生物學(xué)，并率先作出了有益的嘗試。他在書中提出:“在一個生命有機(jī)體的空間范圍內(nèi)，在空間和時間中發(fā)生著的事件，如何用物理學(xué)和化學(xué)來解釋？”盡管當(dāng)時，用物理學(xué)和化學(xué)來解釋生物學(xué)還很不充分，但他堅(jiān)信使用移植法，運(yùn)用物理學(xué)和化學(xué)的理論、方法和實(shí)驗(yàn)手段來研究生物學(xué)和生命現(xiàn)象的思路是正確的。他在書中說到:“當(dāng)前物理學(xué)和化學(xué)在解釋這些事件時明顯的無能為力，決不能成為懷疑這些事件可以用物理學(xué)和化學(xué)來解釋的理由。”可見，使用移植法和前面的類比法已成為薛定諤對科學(xué)的統(tǒng)一的信念和追求的重要手段。此后，美國的遺傳學(xué)博士沃森和英國物理學(xué)家克里克都聲稱受到薛定諤《生命是什么？》一書的啟發(fā)，對書中提出的“對生物學(xué)的一些基本問題，可用物理學(xué)和化學(xué)概念，以精確的措詞進(jìn)行思考”等觀念表現(xiàn)出極大的興趣。他們兩進(jìn)行跨學(xué)科的合作，1953年在英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室開展了對肌紅蛋白的X射線結(jié)構(gòu)分析，建立了遺傳物質(zhì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，揭示了遺傳密碼的本質(zhì)。這是20世紀(jì)生物科學(xué)的重大的突破。為此，他們兩人也榮獲了1962年諾貝爾生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。正如薛定諤所期望的那樣，生物學(xué)的理論研究已進(jìn)入分子水平，移植法的作用越發(fā)顯得重要。上述著名的科學(xué)家克里克也深有體會地指出:“現(xiàn)代生物學(xué)研究的最終目的是以物理學(xué)和化學(xué)解釋生物學(xué)”。

綜上所述，薛定諤在長期的科學(xué)研究過程中，所使用的這些科研方法以及使用這些方法取得科研成果的范例，對我們今天在科學(xué)研究與科技創(chuàng)新方面仍有著重要的啟迪和指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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