温景嵩:“西风凋碧树”境界之温解

选择字号:   本文共阅读 2069 次 更新时间:2008-07-22 10:48

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《创新话旧》第1章(2)

1.1.2 第一境“西风凋碧树”

1.1.2.1 “西风”和“碧树”的新解.

第一境“西风凋碧树”的境界,乃怀疑的境界,批判的境界。此处之“西风”与“碧树”要做新的解释。对于从事自然科学基础理论研究的人而言,你就是“西风”。你所从事的研究领域中的一切现存知识、学说和理论就是“碧树”。这棵“碧树”枝叶长得再漂亮,再茂盛,它也是有隙可乘。由于客观世界的复杂性和无限性,任何自然科学中的理论都有其局限性,甚至有某种错误存在。你完全可以把它“凋”得“七零八落”,这样你就能够“独上高楼”,看到一条崭新的道路,一个全新的光明前景。否则,人云亦云,你拜倒在你这个研究领域中现存的学说和理论之下,对它顶礼膜拜。你就没有资格在自然科学的基础理论战线上从事科学研究,因为在这种情况下你就不可能取得创新的理论成果,使自然科学的基础理论能做到与时俱进。

1.1.2.2 如何才能发现现有理论的问题

这里一个重要的问题是,如何才能从现有的理论中,发现其中的不妥当,甚至是错误之处或者发现其局限性呢? 就自然科学而言,最根本的一条当然是把理论和实验事实做对比。实验当然是第一性的。一部自然科学发展史,特别是现代物理发展史就说明了这一点。正是19世纪末一些新的实验事实出现,它揭示出经典物理的局限性,这才有20世纪量子理论,相对论的创新发明,物理学才发展到现代物理的新阶段。这充分说明了实验是促进理论发展的根本动力。然而,这一点也不能强调得过分,而排除另外一种方法,即从理论体系自身的矛盾中,找出其中存在的问题,从而使理论向前推进。在过去“以阶级斗争为纲”的时代,就有过这种事情。政治运动一来,一切搞理论研究的机构, 如理论小组、理论教研室常常是首当其冲,遭到被摧残、被解散的命运。否定从理论体系自身的发展中,去开拓创新之路,把这种研究工作简单地贬斥为“从理论来,到理论去”,并污蔑它是一条“修正主义路线”,这实际上阻碍了科学向前发展。事实上,自然科学的发展同样也证明了,从理论体系自身的矛盾中去发展理论也是一条客观存在的,行之有效的道路。

1.1.2.3从理论体系自身矛盾中发现问题

我们前面在“缘起”中提到的创新点(3)就是一个例子。1982年当代国际流体力学大师,剑桥大学的巴切勒和我建立了多分散悬浮粒子沉降的统计理论。那是在巴切勒 1972年单分散沉降理论的基础上发展起来的。那么,从1972到1982 这十年中,是不是有了新的实验出现,揭示出1972年理论的问题,才有了1982年新理论的诞生呢?恰恰相反,1982年我们发表多分散沉降理论时,世界上还没有一个多分散沉降实验。那时侯,世界上还没有人知道多分散沉降会是什么样子,会和单分散沉降有何不同。我们之所以能在1982年建立起多分散沉降理论,完全是由于我们了解到1972 年理论的局限性。它仅解决了一个沉降积分中的积分发散难题,而未能解决另一个求粒子的统计结构难题。解决这个难题则是一个数学问题。对于稀释的悬浮体而言,就是要得到稳定条件下粒子统计对分布方程的解。没有必要等到实验出来再去做这个数学求解工作,正是我们克服了数学求解上的困难,我们才能把1972年的单分散理论一举推进到1982年的多分散理论阶段。也正是由于1982年的理论揭示出多分散沉降会有许多新特点,和单分散沉降有巨大差异,才促使人们开展多分散沉降实验的浓厚兴趣。直到1988年美国学者伯德赛(Birdsell)与戴维斯(Davis),和1992年又是美国学者埃尔纳法(Al-Naafa)与塞里姆( Selim)取得了多分散沉降在不同条件下的第一批实验数据,发现他们的实验数据和我们理论的预测相符,由此才确立了我们的理论的地位,成为沉降研究中的又一次突破性进展。经历了二十多年的考验,到现在这一创新点已经两度被载入国际胶体科学发展的史册,并成为这一领域国际同行经常要引用的经典理论。这是理论先于实验的一个成功的例子。我们将在第四章中介绍这个创新点的诞生过程。

我们前面在“缘起”中提到的创新点(5),是另一个例子。1964─1966年我们建立起“对流暖云大云滴随机生长的马尔柯夫过程理论”。这是在1963年,我的一位朋友所建立的早期的云滴随机增长理论基础上发展起来的。这两个理论发表的时间相差只一年,是不是在这一年中出现了一些实验,证明他那个理论有问题,才有了我们的新发展呢?也不是,情况也和上面例子类似。 在那一年间,世界上还没有任何实验出来证实那个理论有问题。我们之所以能在理论上有所创新,完全是由于我们在学习、研究他那个理论时,发现他的理论体系中,对相关系数的处理有概念性的错误。纠正了这个错误,也就纠正了他那个理论夸大云中湍流起伏场作用的错误结果。由于我们的新理论解决了当时的云物理中的一个大难题,从而引起了国际同行的浓厚兴趣。三十多年来先后有英国、美国同行用数值试验,风洞试验、野外对流云观测实验等方法,对我们的理论进行了反反复复的实验检验。最后我们的理论终于得到国际同行的认可,承认我们是一个新的学派,由这一学派引发了云物理研究的一个新方向,赢得了剑桥科学家们的喝彩,并两次载入国际云物理发展史册。这是理论先于实验的又一个成功例子。我们将在第六章中介绍这一创新点的诞生历程。

1.1.2.4 从实验中去发现问题

在我们的经验中,也确有从实验中发现问题的例子。那就是前边在“缘起”中提到的创新点(6),湍流不连续性的发现。1972年我们在长春郊外进行近地面湍流实验。目的是观测湍流的微结构。 在实验中我们惊异地发现,一维湍谱或标量场的湍谱虽然服从国际公认的柯尔莫果洛夫湍流理论所预测的-5/3定律,但是其实际各种尺度湍流的活动特点(即湍谱各分量的活动过程)却和他 用以导出他的-5/3定律时,所依据的湍流物理模型相反。湍流理论需要重新塑造。这是实验先于理论的一个例子。然而,我们在本书第七章中将会看到,这对理论是十分巨大的挑战,直到现在理论工作者也仍然没有能创造出一个新的理论,来回答这些实验对理论提出的挑战,在理论工作者面前仍然有一段长路要走。

1.1.2.5来自工程实践的问题

我们的经验,还有另一类问题需要理论工作者来做,即来自工程实践的问题。我们的基础理论,是应用基础理论,不是纯理论。因此我们这个领域的理论工作者,就肩负着两个光荣的任务。一个是前面讲的发展理论,进行理论创新。另一个就是应用理论,为经济建设,国防建设和社会发展服务,进行知识创新。 前面“缘起”中提到的创新点(7)就是一个例子。那是应我国一家研制远程激光大气工程的单位提出来的要求而进行。他们要求我们研究我国大气湍流究竟会对激光工程产生什么影响,结果就得到了这个创新点— 我国整层大气湍流强度分布的一个模型及其对我国远程激光工程的影响研究。这类为工程服务的理论计算工作,对待理论的态度,与前面讲的理论上的创新工作,两者根本不同。前者对现有理论要持肯定态度,承认的态度,只有承认它,才有可能把它应用于工程实践。而后者却与此相反,对现有理论持怀疑态度,批判态度。只有批判它,才有可能使理论做到与时俱进,创造出新的理论。可以看出,为工程服务的理论计算并不产生新的理论,但她却能产生新的知识,是知识创新。而这些新知识是工程界所需,可以解决他们的问题。在本书第八章我们讲到创新点(7)时,将更详细地讲到这一问题,并将看到这一类工作同样具有重要意义,而且有同样强的生命力。

1.1.2.6 理论创新之路

刚才把知识创新问题讲过,现在再回到理论创新。从以上的论述中可以知道,人们应该以实验为检验并发展自然科学理论的根本方法,同时也要承认和包容那种主要从现有理论体系自身的矛盾来发现问题,解决问题,从而发展科学的工作方法。自然科学正是在这两种方法互相促进下,才不断向前发展,人们才能够在这两种科学实践交互作用过程中,不断加深对客观世界的理解,从而为人类造福。 在这过程中,有时理论走在前面,另一些时候实验走在前。这很正常。诺贝尔奖金就肯定了这两种途径的存在。 看谁走在前面,奖金就授予谁。杨振宁、李政道的宇称不守恒理论走在吴健雄的实验前面,所以诺贝尔奖金就给了理论工作者。反之,若实验工作走在前面,理论解释走在后面,诺贝尔奖金就给予实验工作者。由于极左思潮曾长期在我国存在过, 在这里需要着重指出重视理论的必要性。即使是实验科学家,也应加强他们的理论素养,加强他们在理论上的敏锐性。否则,就有可能在他们的实验中出现了新的现象也会视而不见。80年代初 在剑桥时,曾遇到一位在著名的凯文迪什(Cavendish)实验室(即剑桥大学的物理系)进修的中国科学院物理所的科研人员,他很感慨地告诉我说,凯文迪什实验室的实验条件当然比中国科学院物理所要强,但并不象美国的实验室设备那样高不可攀。曾夺得诺贝尔奖的约瑟夫森隧道效应,就是在这家实验室发现的。然而在北京中国科学院物理所也曾在实验室发现过这一现象。但是由于他们的理论素养不高,理论上不敏锐,从而把这一新现象视为实验的误差。因此和那一次诺贝尔奖失之交臂。虽然他们发现这一现象要比剑桥的约瑟夫森为早。这真是一件可惜的事,充分说明了单纯的实验工作,不可能自发地产生新的科学理论,只有把两者巧妙地结合起来,才是推动科学前进的强大动力。

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