疑难问题的提出

这里可分为两个问题:疑问和提出疑难问题。在科学研究和日常生活中,碰到一件事情或者一个问题,我们就会寻思:“这是一个什么问题呢?为什么会这样呢?”疑问是思想的起点。一切有用的思想,都起源于一个疑问;一切科学发明,实际上也都起源于思想上的疑惑。“学源于思,思起于疑”。“疑乃悟之父”。疑问是思想的第一步。科学的发展始于问题。

但是,有疑问并不等于能提出问题。特别是有些看法似乎已经是常识,是传统的见解,是书本上写的,是权威的结论,虽有疑问,却不敢提出问题。如牛顿提出的绝对时间和绝对空间的概念,从牛顿到20世纪初的300余年间,怕不会没有人提出疑问吧!但大都是虽有怀疑,却慑于牛顿的威望,不敢提出问题。只有爱因斯坦和马赫等少数人敢于向牛顿的权威挑战。

图1　科学研究的途径框图(自上而下法)

我们说,科学始于问题。这是因为:

(1)问题促使理论的产生。理论的任务在于试图解决问题。理论之所以是一种尝试或猜测,正是由于它是提出或解决问题的尝试或猜测。理论之所以是一种假设,也正因为它是试图解决问题的假设。科学家决不能等待自然界高兴起来显示自己的秘密。他必须质问自然界,必须根据他的怀疑、猜想、理论、想法和灵感去盘问自然界。如果没有问题,也就不会有对问题的解释,即理论。胡适曾断言:问题是知识学问的老祖宗。古往今来的一切知识的产生与积聚,都是要解答问题,要解答实用上的困难或理论上的疑难。

(2)问题推动科学的发展。问题是促进科学发展的动力,因为问题促使人们不能停留于理论的现状。问题促使人们进一步思索,从而发展理论,发展科学。只有通过问题我们才能自觉地掌握理论。正是问题迫使我们学习,以发展我们的知识,并进行观察和实验活动。理论对科学知识增长的最大贡献就在于提出新问题。问题导致我们科学知识的发展,并不断增进科学的深度和精确性。

(3)问题是认识活动的起点。科学家面前的自觉的任务,始终是通过构造一个解决问题的理论来回答问题。例如,通过解释出乎意料的未曾解释过的现象,以求得这个问题的解决。当然,笼统地说,科学研究以及一般的认识活动的任务是追求真理,但是我们并不是随便追求什么真理,而只是追求与所要解决的问题相关的真理。光是真理是不够的,我们所寻找的是对我们的问题的解答。因此,对于科学家的某一个研究过程来说,作为起点的总是问题。问题作为研究的起点,而能够发现问题,则是做学问的起点。若凡事不成问题,那便无学问可言了。所有发明创造,皆由发生问题得来。凡别人注意不到的地方,自己都怀疑研究,这是做学问的第一步。问题不在于大小,而在于真伪;不在于新旧,而在于其意义和价值。

总之,在科学研究中,我们心目中必须有一个确定的问题。对这个问题,我们是可以用观察、实验或理论来加以解决。问题是学术研究的对象,以至于波普尔直接将科学研究定为不断地提出问题:科学只能从问题开始。

成功的科学活动的第一要点是善于提出问题和抓住问题。爱因斯坦说得好:“提出一个问题,往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能性,从新的角度去看旧的问题,却需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。”

提出问题大概有两个方面:

一是发现新问题(即从无到有)。研究者通过思考观察“迄今”从来没有人提出过的科学问题(科学解释和理性认识)。例如,哥尼斯堡7桥问题。18世纪哥尼斯堡在普莱格尔河上建有7座桥,将河中间的两个岛和河岸连接起来。一天有人提出能不能每座桥都只走一遍,最后又回到原来的位置。1736年,有人去找大数学家欧拉。欧拉把两座小岛和河的两岸分别看作4个点,把7座桥看作这4个点之间的连线。这样,问题就被简化为能否用一笔把这个图形画出来的问题。经分析,欧拉得出结论:不可能每座桥都走一遍,最后回到原来的位置。他给出了所有能够一笔画出来的图形所应具有的条件。此乃拓扑学的“先声”。

二是由现有问题提出新问题(即从有到新)。例如,原子结构模型的提出就是不断提出新问题:从汤姆逊的葡萄干面包模型(虽能解释元素的周期性但不能解释光谱现象),到卢瑟福的行星模型(能解释原子结构和原子辐射光谱线的稳定性),再到波尔的原子能量的分立定态模型(可以解释氢原子光谱以及其他模型不能解释的现象)。后来,科学家又提出更好的原子结构模型。理论就是这样一步一步被推进的。

科学研究中,理论和事实之间的矛盾是经常发生的。科学中某种新的事实和现象被发现了,而原有的理论解释不了这种新事实、新现象。在这种情况下,原有的理论便面临着挑战和危机。究竟是用原有理论来克服危机,还是通过革新原有理论来克服危机?这常常引导人们开始新的研究并取得科学发现。举例:1824年,法国天文学家布瓦尔德发现天王星轨道的理论计算同实际观测总是有出入。天文学家始终为这一矛盾操劳并困惑了20年之久。这曾使牛顿力学面临挑战:为了解决这个矛盾,法国的科学家提出了存在未知行星的科学假说。最后,德国天文学家发现了行星,解决了这一矛盾。后该行星被命名为海王星。

关于问题,我想从两方面来谈,即从什么地方发现问题和如何确定选题。

首先,科学研究需要有怀疑精神。怀疑是科学研究人员所应具备的最重要的精神素质之一。这是因为,最有意义的科学问题是随着对原有的知识(甚至是已为大众所接受的理论和观念)的怀疑而被提出的。怀疑的精神就是探索的精神。没有怀疑,就不可能有突破性、创造性的研究。科学研究人员要从前人的知识(文献和书刊),从实验和观察的实践中发现问题并提出新问题,即文献中无解的新问题,或另有新解的旧问题,即谁都不知其解的问题。只有提出了新问题,才能求得新结果。要大胆设想,想出解决问题的关键。

所谓提出问题,其途径大概有以下几个方面:

(1)由某个理论内部的逻辑矛盾而提出的疑问和问题。如果一个理论体系内部在逻辑上存在不一致性,那么就会使得人们对该理论的真理性和适用性产生怀疑,深入思考,考虑与问题有关的现象和理论以及解的可能方向,从而提出科学问题。

(2)由理论结构上不符合简单性与普遍性的要求而提出的疑问和问题。通常,科学理论的结构应具有一系列美学特征。其中,最重要的就是简单性和普遍性。前者是指要以尽可能简单的形式构造理论系统,而后者则要求理论能够说明尽可能多的自然现象。如果一个科学理论不能满足这种美学上的要求,即不能用尽可能少的公理来说明尽可能多的经验事实,就必须在理论结构表述方式上进行改进,使之更简明、更严谨。

(3)由现有理论与经验事实之间的矛盾而提出的疑问和问题。如果发现了一些新的或意外的现象,用现有的理论无法做出合理的说明,或者这些新现象与现有理论是抵触的,那么就会提出这样的疑问和问题:这些新现象的描述是正确无误的吗?是否有必要抛弃现有的理论而寻求新的理论说明呢?

(4)对经验事实未能做出统一的理论说明而提出的疑问和问题。一般来说,在开辟新的科学研究领域或一门学科缺乏基础理论时,由于理论尚不成熟,会有诸多经验事实得不到统一的理论说明。这大概是科学研究中最有发展前景的情况,因为有许多空白点需要深入的研究和填补。

(5)由理论的实际应用与现有技术条件的矛盾而提出的疑问和问题。如果在研究中出现了理论应用与现有技术条件的矛盾,就提出了一系列有关理论应用的技术性问题。思考这些问题,从而解决这些问题,具有实际意义和理论意义。

(6)由不同的理论体系之间的矛盾而提出的疑问和问题。不同的科学理论在各自的领域内都取得了成功,但它们之间存在矛盾和不一致,由此可提出疑问和科学问题。

提出问题要有科学精神。提倡多疑、多问、多想、多思考,但不是随心所欲、脱离实际地乱疑或离奇荒谬地乱想,而要以科学原则为指导提出有意义的问题。

从上面的叙述可以看出,我们把问题和矛盾——逻辑、体系、理论、观察和实验上的矛盾——直接联系起来,发现是矛盾产生了问题。问题产生于理论自身的矛盾和理论同实践之间的矛盾,而这种矛盾又意味着理论“出了毛病”。这就是说,问题出现在现有的理论使我们陷于困难和矛盾之中的时候,这就肯定了矛盾是科学和知识发展的“动力”。这些矛盾所产生的问题,在现有的、出了毛病的理论框架之中是无法得到解决的。只有提出新理论或修改旧理论,才能达到问题的解决。这就是说,问题的提出和解决需要有批判、怀疑的精神,需要有创造性的活动。而批判就是要指出矛盾,不论是被批判理论中的矛盾,或是这一理论与其他理论之间的矛盾,或是理论与确定事实之间的矛盾,或确切地说,是理论与一定事实陈述之间的矛盾。因此,没有矛盾,没有批判,就没有改变我们理论的理性动力,也就不会有理论的发展。

因之,科学研究工作可以概括为两句话:一是提出问题;二是解决问题。问题从何而来?从前人的实验、文献资料中的观点和认识以及自己的实验和经验中来。这就需要分析:第一,撰写文献的前人做了什么、解决了什么、推进了什么,前人的不同认识和经验、他们的理论和方法的异同,以及漏洞是什么;第二,自己和前人(他人)对这一问题在认识和经验上有什么不同;第三,自己在不同或相同的条件下得出的认识和经验是什么。

解决问题的关键在于抓准实质,分析和比较事物各个发展阶段的异同,总结出事物的发展规律。

因此,科学研究要求研究者,一是具有好奇心、创造性和想象力,即有创新能力。勤勤恳恳、只能严格照章办事的人就不一定适于基础研究工作;相反,思想活跃、往往异想天开并常出怪主意的人可能更为适合。二是对科学和科学研究有浓厚兴趣。科学研究或基础研究,是创造新的科学知识的工作,是从已知探究未知,获得新知。提出问题,思考问题,要从现有基础出发,用现有科学知识规律去解析、探究、论证,寻找新的结论。研究者必须对科学研究有兴趣,把科学研究取得成果作为最大的兴趣和报偿。

我想讲讲自己在宽束电子光学理论研究中的一点体会。当我在20世纪60年代开始从事宽束电子光学研究时,细束电子光学的理论虽已比较成熟,但宽束电子光学的研究还存在许多问题。例如:细束电子光学的理论能在何种程度上被推广到宽束上?用什么方法和模型来检验宽束电子光学成像与像差理论?以轴上电位分布展开的空间电位分布在多大程度上表达大物面、宽束成像电子光学的实际电位分布?应该如何计算与设计大物(曲)面的、宽电子束成像的电子光学系统?等等。对于这些问题,我提出了曲轴宽电子束聚焦及其像差理论来解决宽束电子光学成像及空间像差理论问题,并用静电和电磁聚焦同心球电子光学系统的解析解进行检验,使理论建立在坚实的基础上。20世纪90年代,当着手研究宽束电子光学成像系统的时间像差理论时,我发现了空间像差与时间像差的表达式在形式上的不一致性和不对称性;而此二者本来是同一事物(即由阴极面逸出的光电子的发射初能量和初角度分散)在某一成像面上所显现的空间弥散特性,或是在空间某一位置(包括成像面位置)处所显现的时间弥散特性。能否用同一理论体系来解决成像电子光学的空间像差与时间像差理论?于是,我提出了时间像差的新定义以及求解时间像差系数的一种新的直接积分法,全面地解决了这一问题。

在科学研究中,问题是已知与未知的对立统一体。它既涉及已有知识,又“窥测”未知领域。问题表明,认识主体对客体的反映具有二重性。在提出问题时,主体对客体既有所知,又有所不知。虽然作为问题已知方面的仅是已有知识的一部分,但一个科学问题的指向是超出现有的全部认识,并力求变不知为知,变不定性为确定性。因而,它是“离开”现有知识而走向未知领域的“跳板”。认识过程中通过解决特定的问题,就完成了在某一水平上从无知向有知的过渡和旧知识向新知识的更新。这就是我们所谓“创造性”或“创新”。以后又出现了新的问题,也需要加以解决,如此循环下去。通过问题的不断由低到高的跃迁,科学就实现了自己由低级向高级的历史发展。

但是,在科学研究中,疑难问题与科研选题并不能画等号。从表面上看,无论是学科本身,或是四化建设,理论和实践都向我们提出了疑难问题和不少需要解决的新课题。看来,可以作为科学研究或学位论文的选题似乎是很多的;但是,实际上,并不能随心所欲选择研究课题。它受到主、客观条件的限制。不加分析,随手抓一个题目来搞,很难避免不吃苦头。

科研选题是科研工作的起点,关系到科研的成败和成果的大小,要给予足够的重视。选题既是一门科学,又是一种艺术。它也是科学研究人员的一项基本功。题目选得好、方向对头,就易取得事半功倍的效果,多出成果,出好成果。在确定科研选题的过程中,以下几项原则应予以重视。

(1)科研选题既要有先进性,又要有现实可能性。所谓先进性,就是研究的内容具有创造性。对于基础研究,要求选择处于学科前沿、对学科发展具有意义的课题;对于应用研究,则要求有实际应用的前景,又有一定的理论意义。

(2)要注意科学的“结合部”。现代科学日益显现出互相渗透、交叉、依存的趋势。许多课题内容涉及多门学科,具有综合性、“边缘”性和交叉性。研究科学的“结合部”,往往会异峰突起。

(3)要对计划外机动性课题保持敏感和警觉,相机捕捉。在研究中,对意料之外的新现象、新情况以及可能很有研究价值的课题,不能本能地抱着“排斥”反应,切忌粗心和僵化,应当根据新情况做出新决策。

(4)不要轻视一时用不上,甚至将来也难以应用的课题。研究固然是为了应用,但某些课题的全部价值不能以“用处大小”为标准。科学的发展是一条智慧的长河。有的课题可以较快地获得应用,而有的则不然。它只是表明人类的智慧又升到一个新的阶梯,同样也是人类的一笔精神财富。

(5)对已经选定的科研课题的变化要善于分析和追踪。随着研究的进展和深入,有时课题会转换形态,可能以新的面目出现。研究者要具备追踪变化的能力。这很可能是课题的新发展。

对于初涉科学的人,最好选择一个很有可能出成果的课题。无论是硕士生或是博士生,志向要大,但选题的目标要符合实际,难度要适当。如果在指导教师的研究领域内选题,可得益于他(她)的指导和关注;如果是自己选定课题(最好能请教老师),则课题的完成主要靠自己。只要课题是经过自己深思熟虑确定的,完成的可能性就会很大。