科学研究一刻也不能离开理论思维

理论思维是科学家不可或缺的品质。

伟大的物理学家爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)是人类历史上罕见的科学巨匠。他离开我们已经有半个多世纪了。学习他的理论思维的科学研究方法,回忆他在科学上无与伦比的成就,对我们,特别是青年学人,无疑是很有益处的。

通过对物理科学理论体系认真的思考和多方面的探索,爱因斯坦提出科学理论的建立可分为两步:一是创造概念,发现原理;二是逻辑推理,导出结论。

爱因斯坦认为,建立一种科学理论,必须把有关的知识按照一定的层次结构和逻辑结构组成一个体系。这个体系以由经验事实的引导而获得的少数几个基本概念和基本关系(或假定)作为逻辑的出发点,然后运用逻辑规则,演绎出可以用经验事实检验的推论。只有如此,才能做出恰当的科学预见。

所谓科学的“基本概念”,是一种以压缩形式表现大量知识的手段,是科学抽象的直接产品,反映了自然界各种丰富多彩的复杂现象中最基本的质的规定性。科学的“基本关系”是由基本概念构成的命题,反映了自然现象中最本质、最深刻的联系。这些基本概念和基本关系是构成科学理论体系的基本知识单元。

在欧几里得几何学中,没有大小的点,没有粗细的线,没有厚薄的面,构成了这一学科的基本概念,加上几个公理,就可以用逻辑方法推演出表征这些概念元素在空间的相对位置和数量关系。在牛顿力学中,运用互相独立的时间、空间以及质点、力、惯性等基本概念,通过牛顿运动定律和万有引力定律的演绎的推论,不仅成功地解释了地球上一切物体的机械运动,而且成功地解释了天体的运动。爱因斯坦认为,任何科学的概念和定律都已离开了个别自然现象的具体内容,都是在抽象的意义上再现自然界,反映它们的本质。

对于创造概念,发现原理,爱因斯坦认为:“没有逻辑的道路,只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉。”显然,他所说的“直觉”就是“思维的自由创造”。爱因斯坦这里所主张的“自由”实质上是在思维中不受任何权威和偏见的束缚,不受人们日常思维方式和习惯的羁绊,只在客观科学事实的启示和制约下,高度发挥创造性的想象力,以达到认识上的飞跃。此外,他所主张的“思维自由”是要对经验事实做缜密的考察,受到经验事实的引导和检验的。

根据爱因斯坦的认识,可以将创造过程简洁地表述成这样一个模式:经验——直觉——创造性设想——逻辑推理——结论(包括理论和发明创造)。由此可见,爱因斯坦的科学认识过程就是这种思维创造和逻辑演绎的统一。因之,他对科学认识的途径提出了一个普遍的命题:从特殊到一般的道路是直觉性的,而从一般到特殊的道路是逻辑性的。这与过去的归纳—演绎等科学方法相比,已经发生了很大的变化。

在爱因斯坦的科学方法和科学活动中,有两个非常鲜明的特点,即寻求理论基础的统一和理论逻辑的简单性。

现代自然科学整体化趋势使不同的学科领域或理论体系互相渗透,揭示出不同的自然现象在更深层次上的互相联系与共同的本质。这就把原来是独立的基本概念与基本关系之中的新联系揭示出来,失去了“基本”的意义。它们的数目减少了,而概括的经验事实更普遍了,新的更深刻的科学理论由此建立起来。爱因斯坦把科学理论的这种进化趋向叫作理论的统一性。1905年,爱因斯坦在量子论、狭义相对论和分子运动方面的重要贡献,都是在理论的统一性思想指导下取得的。他确信,科学认识不断深化,必将促进理论基础的统一。

关于理论逻辑的简单性,爱因斯坦说:“我们在寻求一个能把观察到的事实联系在一起的思想体系。它将具有最大可能的简单性。我们所谓的简单性……是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。”大家知道,爱因斯坦的狭义相对论的公理(假说)只有两条:相对性原理(任何自然定律对于一切匀速直线运动的观测系统都有相同的形式)和光速不变原理(对于所有惯性系,光在真空里总是以确定的速度传播)。因此,在科学研究中,使理论的基础逻辑和基本方程尽可能地简单化和普遍化,即用尽可能少的假设概括尽可能多的现象,常常是科学家有意识或潜意识所遵循的方法。这种方法原则,在科学上被称为“简单性原理”。

爱因斯坦把哲学作为强有力的思想武器。他在科学研究中特别重视理论思维。他广泛涉猎各派哲学,博采众长,为我所用。他说:“物理学的当前困难,迫使物理学家比其前辈更深入地去掌握哲学问题。”可以说,运用哲学这个思想武器,是爱因斯坦做出重大成就的关键。他所创立的相对论是科学与哲学结合的典范。在研究相对论时,科学与哲学相互作用、渗透、结合的一个重要表现形式是思想实验。科学实验的兴起和发展,使古代的经验科学成为近代的实验科学,是近代科学发展的一个重要条件和标志。思想实验比实际实验更进一步。它在思想中运行,可以超越时间和空间的局限,不需要任何物质技术装备。设想在理想条件下或纯粹形态中可能出现的种种情况,是揭露矛盾、深入本质的一条有效途径。思想实验是科学实验的一种特殊形式。它也要“分解”自然过程,使其理想化、纯粹化。其目的是探索用实际实验难以或无法进行的科学问题。思想实验之所以重要在于,若无思想实验理想化的条件设置,一切隐藏在事物表象之后的本质属性都依赖于实验室中物质实验的揭示,人们有关世界真相的认识可能要艰难得多,甚至可能有许多情形永远无法为人类所知晓。而借助于理想化,思想实验就能自由地展示世界的不同面目。

在爱因斯坦相对论的创立过程中,理论思维始终起着主导作用。爱因斯坦说:“思维是什么呢?当接受感觉印象时出现记忆形象。这还不是‘思维’。而且,当这样一些形象形成一个系列时,其中每一形象引起另一个形象,这也还不是　‘思维’。可是,若某一形象在许多这样的系列中反复出现,那么正是由于这种再现,它就成为这种系列的一个起支配作用的元素,因为它把那些本身没有联系的系列联系了起来。这种元素便成为一种工具、一种概念。”爱因斯坦这里所说的“思维”就是理论思维。这就是说,新的科学概念是在一系列形象思维的联系中形成的。在爱因斯坦的狭义相对论中,惯性运动的“相对性”无疑是一个起支配作用的新概念。尽管过去其他科学家,如伽利略、彭加勒、马赫都使用过这个概念,但是就其本质涵义来说,只有爱因斯坦的“相对性”概念是新的革命性的概念。爱因斯坦是无与伦比的思想实验和理论思维的大师。在创建相对论的过程中,他娴熟地运用思想实验的方法,天才地设计了一些著名的思想实验,进行了一系列理论思维。他运用了多种形象的比喻来说明相对性的涵义,如“以光追光”:一位能追得上光线的观察者,看到的光必定是在原地振荡不前的电磁场。“爱因斯坦火车”:在一列高速行进的火车上的乘客和站台上的送客看到的同一个闪电,不是同时发生的。正是这一列想象中的“爱因斯坦火车”提出了同时性的相对性,导致狭义相对论的诞生。“爱因斯坦升降机”:一个在引力场中自由降落的人,无论如何也不会感到那里存在任何场;反之,一个在外层空间中加速运动的人会认为他是在引力场中。它使爱因斯坦能心安理得地在他“自由落体运动”的“升降机”里做思想实验,把狭义相对论推广为广义相对论,等等。这些想象中的形象,以及爱因斯坦所感受到的其他现象,在其中起支配作用的元素正是时间、空间和运动的“相对性”这个概念。上述形象是他在形成相对性这一科学概念中一再使用过的。他所形成并深刻理解的这些“相对性”的概念,成为他建立狭义相对论和广义相对论的关键。

总之,爱因斯坦相对论的创立,说明了理论思维的极端重要性。尤其是现代科学,离经验的直观越来越远,抽象程度、综合分析程度都越来越高。在这种情况下,爱因斯坦关于科学与哲学需要互相结合的思想,特别是他把哲学思想成功地应用于解决科学问题的实践,对科学界和哲学界产生了巨大影响,也是我们学习的光辉榜样。爱因斯坦在科学上的成功,印证了恩格斯的一句至理名言:“一个民族想要站在科学的最高峰,就一刻也不能没有理论思维。”著名的诺贝尔奖获得者杨振宁教授说:“爱因斯坦自己就是追求科学所需要的力量和毅力的象征。他的研究工作是在他之后的科学家的灵感和勇气的源泉。”