科学探索的认知过程和方法

鲍海飞 2025-6-20

科学探索的过程，伴随着科学方法的积累。科学探索的过程和方法就是要避免局部的、片面的认知和理解，而要从全面的、多角度来看待问题和认识问题，避免断章取义和妄下断言。进一步探讨科学探索的过程和方法这个问题，有助于提高分析问题、认识问题和解决问题。

1,  繁与简的多层次观察过程和方法

观察事物的演变过程和现象不要停留在一个点上，而应该是多层次的观察。

观察是认识自然的起点。许多知识和经验，除了通过间接经验的获得，直接经验是必不可少的过程。身临其境的感受，才能有生动活泼真实的认知。人的认知过程，就如同盲人摸象一般。一开始，只摸到一只如大蒲扇般的耳朵，一只长长如管道状的鼻子，有如墙壁一般的身躯，然后又摸到一双坚硬的象牙、粗壮厚实的圆柱体象腿，逐渐地、点点滴滴汇集，循序渐进，才有了大致的轮廓。

有人观察和研究蚂蚁的行为，从一只蚂蚁的身体，似乎难以得出什么结论，看不出它的目的和方向。但通过观察一群蚂蚁的行为，却能发现蚂蚁的智慧，成群结对的蚂蚁，它们构成一个声势浩大的集体，共同完成一个宏大的任务，比如，拖起一片大树叶，走向它们神秘的地下宫殿。

还比如，观察一株植物的生长，比如一棵树，其结构是由许多个部分构成，不仅要看它的树叶，还要看它的枝，还要看它的树干，从局部到整体，从微观到宏观，及相反的过程。毕竟，植物生长的良莠，还要看它的生长地理环境、天气、土壤雨水等因素和环节相关。这样的观察，不仅看到了树木，更能够看见森林。没有亲身体会，没有从多个层次去分析问题，又如何能够去推理、枚举和反证。站高望远，跳出自己常规思维的圈子去看，才能对研究问题有整体的大局观。

笛卡尔先生在他的《方法论》中，对于复杂的问题，一定要把它简化，将其分解成几个部分，随后再逐个击破。

一副画作，无论油彩还是水墨，主体突出部分、次要衬托部分，总是要鲜明有别，繁简得当，结构层次分明，其美便自然呈现出来。

2,  阴阳和谐的深度思考过程和方法

不断地自我否定和肯定的过程，就是一个深度思考的过程。自己不断提出问题，自己不断否定所提出的问题，通过从不同的角度，正反过程，顺逆过程，交叉过程，因果关系等角度出发思考所提出的问题，以期得到不同的答案。换个角度去观察和思考，就可能得到不同的结论。一旦提出一个问题，如，会不会存在相反的过程和现象？这就会立时激发和促使研究者自觉和不自觉地进行逻辑思考。所谓的，横看成岭侧成峰，远近高低各不同。尤其是重大的实验发现，其真伪是需要经历时间和更多人来检验的。因此，可以根据理论、或者经验去预测、预言，但没有必要匆忙下结论。

从事原子物理研究的卢瑟福先生，在实验上，就从不急于下断言。每当有人向他汇报结果，他总是爱说，再做做，再看看。这意味着，通过更多数据的积累，才能有更全面和深刻的认知。

杨振宁先生讲述了一个富有启发的故事：“狄拉克于1928年写下了著名的狄拉克方程，奠定了今天原子分子结构的理论基础，这个方程一举解决了三个困扰物理学界的大难题，乃神来之笔。但这个方程不是没有问题，除了它所讨论的解以外，还有别的解，即负能解。这个负能的解就变成了一个大问题，因为大家说，你这些解在实验上没有证实，这是不对的。这个给他带来很大的困扰，可是他坚持不屈不挠。后过了3年，狄拉克在1931年大胆的预言了反粒子存在的理论。这是一个非常大胆的理论。他说在世界有一个粒子的话，就一定还有一个反粒子。比如一个电子，它的反电子就与它的电荷相反。这立刻被一些物理大家痛骂，如大物理学家波尔、海森伯等的冷嘲热讽。因为没有人看见过正电子。可是过了一年，安德森（Carl David Anderson）在加利福尼亚大学的劳伦斯实验室，利用磁场云雾室技术研究宇宙射线实验中，看见了这个电子。”

从这个故事可以看出，狄拉克对该问题是经过长时间的深思熟虑和深度思考的，由此洞察和预见到不一样的结果。如果这个公式的解，验证了其中的一种结果，那么，另一个解也有存在的理由。

‘狄拉克方程是将相对论融入量子力学，推倒出了相对论形式的薛定谔方程，适用于高速运动的电子，得出了电子具有自旋的特性，包含了正能态解和负能态解，基于此，预测了正电子的存在’。阴与阳之共存与和谐的理论，这恰是中国文化的一个体现。

3, 简约自然的多方求证过程和方法

自然界里，温度似乎没有上限，如，太阳的表面温度据观测达到约5000度，而其内部可能更高！那么温度是否有下限呢？这是一个绝对零度的探索问题。人们经历了很长一段时间才得到答案。

1787年，法国物理学家雅克-查理发现，一定质量的气体，在压强不变时，体积V与热力学温度T成正比（查理定律：V1/T1=V2/T2）。若气体每降低一度，它的体积将收缩原体积的1/273。

1801-1802年，法国化学家，盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac）通过精确的实验得到了一个规律，干燥的气体，在从（0–100ºC(32-212°F)）膨胀过程中体积相等，当时他实验了氧气、氢气、氮气、二氧化碳、氧化氮、氨气。盖-吕萨克定律就是，气体保持恒定的体积和质量（气体分子数），气体的压强与温度成正比，表示为：P1/T1=P2/T2。

盖-吕萨克的研究结果，恰是阿伏伽德罗在10年后所给出的一个重要假说的基础：‘在相同的温度和体积下各种不同气体含有相同的粒子数。’

是否存在绝对零度？这个问题，直到40多年后才有答案。

1848年，英国数学物理学家威廉-汤姆逊（开尔文勋爵）对雅克-查理的实验结果非常感兴趣：若气体每降低一度，它的体积将收缩原体积的1/273。据此他推测，那么当气体温度降低到-273 ºC时，它的体积将收缩到0。汤姆逊根据气体的温度与体积的数据在一定温度范围内呈现的线性关系，将数据外推到低温区，以坐标横轴为温度，纵轴为体积，当温度接近-273.15ºC时，气体的体积将接近于0。

不占有体积的物质，将如何存在？这是当时汤姆逊提出的问题。

汤姆逊推测：‘气体分子的动能随温度降低而降低，当温度达到-273度时，气体分子几乎就不运动了，也就几乎不占有体积了。因为，再也无法继续降温了，因此，他将此温度称为绝对零度（T=t+273.15ºC,T=0K,）。’

事实上，分别从雅克-查理定律和盖-吕萨克定律关于气体的V-T关系和P-T的数据关系中，对数据曲线线性外推到低温区，均能得到这一结论。保持气体质量和体积（或压强）不变，体积（压强）与温度是线性关系，气体温度降低，则体积（压强）降低，当达到绝对0度时，压强（体积）为0。后来的科学家，根据所测量得到的数据线性外推到低温区，就得到宇宙中最低的温度-绝对零度。

无论是气体体积与温度的关系，还是压强与温度的关系，都是这个问题的两个侧面。但雅克-查理和盖-吕萨克二人当时均没有得到这一结论，而是多年后的汤姆逊得到这一结论。问题的根源在哪里呢？

一个解释是，原因在于19世纪早期，人们缺少对‘热’这个概念和函数的定义，以及缺少相关的热学理论知识。汤姆逊针对绝对零度的论文发表后，焦耳著名的实验便验证了热能等效于机械能。

今天我们都熟知，气体的温度就是气体颗粒的平均动能体现。气体压强与气体分子热运动相关。温度越高，气体压强越大，温度降低，压强也就降低，当气体停止运动时，压强也就为零了。因此，压强为零时的温度也就是绝对零度了。在这一推论下，温度存在一个下限，即绝对零度。这是热力学领域的一个重要问题。后来的人，将气体温度做到更低处，实验外推，都在线性范围之内。

查理定律和盖-吕萨克二者是从不同侧面描述了这一过程。二者实验差别在于查理用的容器是柔性的，而盖吕沙特用的是刚性的容器。值得外提一句是，最初的雅克-查理并没有发表他的结果，而是盖-吕萨克从查理的手稿中发现的，于是将其一同发表，而没有据为己有。

有人说，如果用摄氏温标来表示理想气体状态方程，压强、温度与体积的关系，PV=nR(t+273.15)，这显得非常丑陋！而如果用PV=nRT来表示，那这个规律、或定律就似乎完美了，这或许是另一种绝对温度的来由。这个时候，你若再按照汤姆逊的推论，你就明白他为什么要引入绝对零度的定义，你也就明白这个公式之美了，也就能够进一步理解绝对温度的含义了。

虎克的弹性定律，爱因斯坦的质能方程，还有这个理想气体状态方程等公式，多么简洁优美。

公式，人类发明的一种认识自然的重要工具，你看见它了，便知道它的含义了，也让你浮想联翩，也让你百思不得其解。

科学的方法包含了理论和实验，理论和实验是两个相互佐证和较量的工具。人类的历史，是一部探寻大自然的历史，是不断求证‘数’和验算‘数’的历程，科学探索的过程和方法就是尽快找到解决问题的突破口，繁与简、和谐观、简约之美，恰是我们探索的世界观、方法论和认识论。许多人前仆后继，将科学传承下去。

（附记，上一篇写完，言犹未尽，故引申此篇。）