科学想像的艺术

第五节　科学想像的艺术

科学想像作为科学研究中的实在因素是因人而异的，并无标准模式，但从它在科学史中的表现，可以找到某些共性的东西作为借鉴，并为科学想像能力的培养提供一些途径。

端正想像的方向是关键

端正想像的方向，主要是指树立正确的世界观和坚定不移的科学事业心。想像是人的一种心理活动，是在人的意识倾向的支配下进行的，它的形成有其深刻的客观基础。一个人要想更好地和更快地培育、锻炼和发展自己的想像力，首先必须要有正确的方向、科学的内容和唯物辩证哲学作为强有力的精神支柱，才能促使自己以旺盛的精力、百折不挠的决心去想像自然事物和现象内部所存在的微妙复杂的奥妙，并且达到创造的目的。

渊博的知识和丰富的记忆表象储备

（1）科学想像能力与广博的知识、兴趣以及形象思维能力密切相关。想像的过程，是对记忆表象进行整理、加工和改造的过程。一个人的知识越广博，记忆表象越丰富，联想的范围和内容也就越广泛，发现的问题也就越多，想像的翅膀也就越能展得开。所以，一个人的科学想像丰富与否，一般说来，是与他的知识的多寡有着直接联系。在通常的情况下，一个科研工作者的知识越丰富，他的想像力也就越丰富。泰勒指出：具有丰富知识和经验的人，比只有一种知识和经验的人，更容易产生新的联想和独到见解。

不断地扩大自己的知识领域，丰富其记忆表象储备，就成为培育和锻炼人们的想像力的基础。

在同样的意义上，贝弗里奇指出：“独创性常常在于发现两个或两个以上研究对象或设想之间的联系或相似之点。”而普通人则往往认为这些对象之间没有联系，要做到这一点，就必须具备渊博的知识。如果具备专业学科、边缘学科以及哲学方面的广博知识，则丰富多彩而又独特的见解就更有可能产生。这是因为边缘学科和哲学是对客观物质世界规律性的一般和最一般反映，是在世界观和方法论的层次上对各种物质运动形式及其关系的概括，掌握了这些知识并与专业知识很好结合的人，自然就能从方法沦的意义上高屋建瓴地发现多个研究对象之间的联系或相似点，从而较为顺利地实现独创性想像。

例如，1766年，德国天文学家提丢斯提出一个经验定律：给数列0，3，6，12，24，48，96……中每个数加上4再除以10，就可得到各已知行星（水、金、地、火、木、土）同太阳的平均距离（天文单位）；1781年，英国天文学家F·W·赫歇耳在土星之外发现了一颗新行星——天王星，差不多正好在提丢斯定律所预言的轨道上。此后，意大利和法国的天文学家根据提丢斯定律联想到火星与木星之间2.8个天文单位的距离上应该还有一颗行星存在，后经“猎犬般的搜索”，终于由意大利的皮亚齐发现了一大群小行星。如果皮亚齐不具备行星与太阳距离的知识以及天文观察经验，他能联想到并发现新行星吗？显然是不可能的。可见，科学家的知识越丰富，科学家的科学想像能力就越是高超和神奇。

（2）广泛的兴趣能帮助人积累众多的记忆表象。想像能力对知识的依赖，要求物理学家具有广泛的兴趣。作出独创性贡献的科学家，常是兴趣广泛的人。

曾获1979年诺贝尔奖的美国物理学家格拉肖这样说：“往往有许多物理问题的解答并不在物理范围之内，涉猎多方而的学问可以提供开阔的思路，如多看看小说，有空去逛逛动物园也会有好处，可以帮助提高想像力，这同理解力和记忆力同样重要。假如你从未看过大象，你能凭空想像出这种奇形怪状的东西吗？……往往在我们研究物理问题时，会诉诸现实世界的各种形式。对世界或人类活动中的事物形象掌握得越多，就越有助于抽象思维。”这就是说，广泛的兴趣能促使认识主体在多方了解世界的过程中积累起众多的感性形象，并以表象的形式储存在记忆之中，进而成为科学想像的原始材料。杨振宁教授1980年谈道：“中国研究人员在念学科时的训练比美国专，这是采取在比较窄的范围内打深井的办法……我感到，在念书的时候学习的面比较广一些；后来通过自己比较广泛的接触向各个方面发展，这方法对出研究成果是效率比较高的。”

掌握思维的技巧方法

思维的技巧方法有立体思维与发散思维等多种。

（1）立体思维。立体思维是一种多向思维，或者足思维的多向移动：左思右想，瞻前顾后，上下求索，使自己的思路向四面八方不同的方向延伸、联想。

人的思维受到某种刺激，或是在某种特定的环境条件下，人脑中会自然地产生一种倾向，通过回忆可以产生许多联想。

有意识地进行联想就会产生许多意想不到的创造性设想。联想的结果可能是具体的，也可能是抽象的。看见鸟儿能飞，就想人能不能飞，正是基于这种联想，美国人莱特兄弟于1903年首次把飞机送上了天。

我国的巧匠鲁班也是从一种能划破衣服和皮肤的带刺的茅草得到联想启示，而发明了锯子。美国的一位工程师为了保证内燃机有效地工作，必须使汽油与空气能够均匀地混合。如何实现这种混合呢？

1891年，他看到妻子喷洒香水，于是他从这个化妆器具得到启发，创造了发动机的汽化器。其实，汽化器就是一个喷雾器。

科学家威尔逊，一直想能否找到办法看见微观粒子运动及相互作用后的变化。在啃鸡骨时他错把鸡骨扔进了啤酒里，引发出一连串小气泡，从而发明了“威尔逊云室”，可以展示微观粒子运动的轨迹形象，还可以拍摄到相互作用时新生粒子的产生及运动的轨迹等这类过程的照片，对研究微观粒子起了很大作用。

卢瑟福从太阳系联想到原子模型；德布罗意从水波联想到物质波；有人看见爱喝酒的人用手叩瓮听声来判断瓮内盛酒多少，发明了叩诊法；气象学家魏格纳把气象中的漂移思路带入地质学的研究，创造了大地漂移说。这些都是以联想作为发明的原始出发点的。

①横向联想。即发现一种现象后，便联想到特点与之相似相关的－抒物，或者说面对被研究的问题，联想到与该问题相似或相关的另一问题，通过对这一问题的思考，对正在研究的问题提出猜想。

例如，牛顿由地上抛射体的运动想到天体的运行：“一块被抛出去的石头由于其自身重量的压迫不得不离开直线路线。它本应是按照起初开始的抛射方向走直线的，现在在空气中划出的却是一条曲线，它经过这条弯曲的路径最后到达了地面上；抛出去时的速度越大，它落地前走得就越远。因此，我们可以假定抛出的速度不断增加大，使得它在落地之前能划出1，2，5，10，100，1000英里的弧长，最后一直增加到超出了地球的界限，这时石头就要进入空间而碰不到地球了。”

牛顿就把月亮比做这样一个抛射体。物体落向地球这种人所共知的现象，同天体按照轨道环绕一个中心（月亮绕地球，行星绕太阳）运行于天空中的表观之间似乎有一道鸿沟，牛顿第一个在这个鸿沟上架起了一座桥梁，这在科学史上，是人类在认识宇宙的道路上迈开的决定性的一步。

②逆向联想。即看到一种现象后，立即想到它的反面，将问题的过程倒过来，进行反向分析、研究，追根索源，探求成因，最疑设问，使认识深入的思维方式。

有一次，日本索尼公司名誉董事长井深大去理发，一边理，一边看电视，但电视图像是反的。原来，他是从理发镜里看的。这位很会动脑筋的人，在头脑中立刻出现了一个新的设想：如果制造一种反画面的电视机，那么在镜子里面不就可以看到正画面了吗？

他回到公司，马上召集技术人员，把想法告诉他们，经过努力，显映反画面的电视机研制出来了。现在，这种反画面的电视机，不仅放在理发店里供顾客一边理发，一边观看，而且还可以应用在乒乓球的训练中：一个右手挥球拍的运动员想借鉴左手握球拍运动员的发球、接球和击球的动作，有了反画面电视机，就可以录制下来，可供右手握球拍的运动员训练时借鉴球艺。

这种反画面电视机也可用于想躺着看电视的情况。电视机放在床边，天花板上安一面镜子，就可通过天花板上的镜子，舒服地看电视了。

这种从事物的相反功能去发明创造的方法叫做逆向发明法。它是一种打破了习惯性思考的反向思考。事实说明，不打破习惯性思维，难以作出新思维。世界上的事物是干变万化的，但是，人的头脑常被禁锢于已有的观念。一旦头脑开窍，新思维就会接踵而来发明许多东西。

在物理学史上利用逆向联想法的例子是不乏其例的。

1800年，意大利科学家伏打发明了伏打电池，第一次将化学能变成了电能。英国化学家戴维想：化学作用可以产生电能，那么，电能是否可以电解物质呢？

1807年，他果然用电解法发现了钾和钠两种元素。

1808年，他又发现了钙、锶、铁、镁、硼等5种元素。人类迄今共发现了百余种元素，而戴维独自就发现了7种，这在元素的发现史中是罕见的。

1819年，丹麦的物理学家奥斯特发现了通电导体可以使磁针转动的效应。

1820年，法国的安培发现了通电的螺线管线圈具有与磁石相同的作用。英国物理学家法拉第想：为什么不能用磁产生电呢？于是，法拉第开始做各种各样的实验，用了10年的艰苦探索，终于在1831年获得了成功发现了电磁感应现象，并且制造出厂世界上第一台发电机，为人类进入电气化时代开辟了道路。

1877年，爱迪生在试验改进电话机时发现：传话器里的音膜随着声音能有规律地振动。那么，同样的振动是否也会转换为原来的声音呢？根据这一想法，爱迪生制造出了，世界上第一台会说话的机器留声机。

③纵向联想。纵向联想是指从研究的问题出发，探究问题的潜在因素，以潜在因素的特征、外在联系、变化趋向为线索，进行多方延伸、质疑、猜测的思维方式。

④类比联想。类比联想是指根据两类问题的属性或关系在某些方面相似或相同，而推出它们在其他方面也可能相似或相同的思维方式。例如，研究偏转电场时，可先猜想阴极射线的路线形状及偏转方向，再通过电场与重力场相类比而提出猜想。

（2）发散思维。在创造性思维过程中，我们可以看到两种情况：一种是发散过程，一种是集中过程。发散使人的思维趋于灵活，是海阔天空地想像和创造的思维过程，而集中则是综合发散中得出的各种构想，从而导出最佳方案的思维过程。在创造性思维过程中，发散占主导地位。科学家哈定说过，所有创造性的思想家都是幻想家，而幻想主要是依靠发散性思维。

所谓发散思维，就是任思想天马行空、纵横驰骋，提出种种设想，然后进行对比、筛选，择善而从。创造思维的发散思路是很多的。

①转换与代替。转换指由这种用途转为其他用途；代替是用其他成分、其他材料或其他方法来取代这种成分、这种材料或这种方法。

近代感光材料工业，开始生产的都是动物胶玻璃干板，这样的玻璃千板沉重、易碎，不便携带。美国胶片制造家伊斯曼认识到，普及摄影必须有轻便、价廉、柔韧得可以卷到卷轴上的感光片。他首先生产一种涂有明胶感光乳剂层的纸卷光片发售。但是，这种胶片经过显影之后，必须把感光乳剂层从不透光的纸层衬底上剥下。

1888年6月，“伊斯曼”公司又进一步改进，生产了更薄的成卷的硝化纤维素软片，同时制造了一种价廉、轻便、操作简易的“柯达1号”卷片摄影机。

到1930年，很有危险的易燃的硝化纤维素软片又被没有可燃性的醋酸纤维素软片代替，也就是通行至今的“安全片基”。由玻璃干板到纸卷感光片、到硝化纤维素软片，再到醋酸纤维素软片，这一次次的创新都是替代。

⑦放大或缩小。放大是增加或扩大；缩小是减少或变小。在这件东西上另加些东西，使之强一些、高一些、长一些或厚一些，这是放大；相反，在这些东西上减少些东西，使之变小、浓缩、袖珍化、放低、变短、弄轻、省略，这是缩小。

马可尼发明无线电通讯时，相距50米便无法接收信号；但是，当他将天线高高举起，就可以接收信号。于是他想，如果把天线安得再高一点，信号就可能横穿大西洋了。

1901年11月，马克尼把天线安装在风筝上，风筝将天线带到100米高的地方，终于成功地实现了美国与英国之间的无线电通讯。这是放大的例子。

司蒂文森作为火车发明家在历史上享有盛名，而他发明成功的最后一计便是省略。过去，机车是用齿轮啮合着齿轨行驶的。学者们都认为：如果不安上齿轮，机车就会在轨道上打滑脱轨。当时，司蒂文森是一位机车司炉工人，他总想设法使机车跑快点。他制造了许许多多的模型，但都是安有齿轮的，无论用什么方法试验，都不能提高车速。几年的光阴过去了。他开始怀疑起来：“莫非学者们讲的话还有错误？”一天，他横下心把齿轮取F换上轮子试了试。奇怪的是，机车非但没有打滑，而且速度还提高了5—10倍，也没有出现脱轨现象。他喜出望外，把这申请为专利并取得了火车发明家的称号。这是减缩的例子。

⑨组合或重组。这里取一点，那里取一点，把它们按一定方式结合在一起，形成一个新的机体，产生新的功能，这是组合。将旧的组合打乱，重新组合，产生新的效益，这是重组。

组合在创造思维中常常发挥特殊的效力。400多年前，荷兰米德尔堡市有个叫普尔斯哈依的眼镜匠。一天，他的孩子把店里摆设的透镜片拿到楼上去玩，孩子们想：“一个镜片能把东西看得大，把两个重叠起来怎样？”当他们把镜片重叠起来注视前方时，突然大声喊起来：“哎呀！多奇怪？教堂显得真近呵！”父亲听到喧哗声，上楼训斥他们。他对教堂能看得很近这句话半信半疑，便照孩子们的样子试了试，不觉大吃一惊。从此，他便着了迷似地开始装配透镜，终f制出了望远镜，以望远镜的发明者被载入史册。望远镜是透镜的组合。

改变组合，有时效果会变得很不相同，这就是重组的作用。客运汽车的发动机装在车前头，许多乘客为车内的汽油味伤脑筋。现在有人把发动机安装到车的后部，这不也是个创新的重组吗？

④内插和外推。内插法就是在一系列已经确立的事实中间填补空当外推法是在假定具有同样的发展趋势的情况下，把结沦或结果继续推广到已有的观察事实之外。

物理学上，对黑体辐射的研究经历了一个很有意义的发展阶段。1896年，维恩根据热力学理论，结合实际数据，建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，不过它是在波长比较短、温度比较低的时候才和实际事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯从经典物理学的概念出发，认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实际事实比较符合的黑体辐射公式。但当波长变短时，这个公式就失效了。

普朗克在维恩公式和瑞利金斯公式之间利用内插法建立了一个普遍公式，把前两个公式作为它的极限情形。普朗克公式同实际符合得很好，在高频区近似地转化为维恩公式，而在低频区又近似地转化为瑞利金斯公式。

1900年10月19日，他在德国物理学会上报告了自己的成果，普朗克公式被认为是正确的普遍公式。这是内插法的一个胜利。

能量守恒和转化定律则是逐步外推的结果。开始，人们研究了机械能与热能的转化与守恒。后来，焦耳在长期实验中进一步外推，又研究了了电能与机械能之间的守恒和转化的当量关系。英国律师格罗夫则把物理学关于能量守恒和转化的思想外推到化学领域。赫尔姆霍茨甚至还把物理学中“力的守恒”外推到生物学领域。到1845年，迈尔等人就把上述各种特殊性判断进一一步外推，概括出“在每一情况的特定条件下，任何一种运动形式都能够而且不得不直接或间接地转变为其他任何运动形式”。