科學創新的發生機制探討

汪　寅

在科學發展的歷史長河中存在著無數科學創新的鮮活案例。科學創新有沒有具體的發生機制，有無規律可循?筆者結合科技史中有關史實來探論科學創新的發生機制。按照科學創新孕育與產生的途徑可將創新的發生機制分為以下幾種類型。

一、靈感直覺型

靈感直覺型原始創新是指在科學研究中，借助于靈感與直覺的啟示，尋找到解決問題的癥結，從而孕育出原創性思想的機制與方法。靈感是認識主體在偶然受到外來某種信息的刺激而突然產生的隨機過程，它常常在不經意間突然而至。伴隨它的往往是被稱為“直覺”的特殊心理體驗和心理過程，使認識主體的創造力突然之間超水平發揮，一下子使感性認識升華為理性認識，從模糊感覺轉化成清晰認知，從而頓悟出事物的本質，獲得具有獨創性的認識成果。

靈感往往是在創新主體對問題苦苦思索時發生的。對科學問題的長久沉思，對解決問題的熱切渴望，加上一定的知識積累是產生靈感的重要前提。美國著名的發明家愛迪生有一句名言：“發明是百分之一的靈感加上百分之九十九的汗水。”可見，靈感是長期積累、探索的結果。通過研究科學史中的原始創新案例，筆者總結了靈感觸發的幾種情況：

1夢境啟發

在科學研究過程中，借助于夢境的啟發產生靈感的事例最著名的就是凱庫勒的苯環結構猜想。凱庫勒在夢中看到蛇咬住自己的尾巴形成了一個環形，醒來后他頭腦中閃現了一個念頭：苯的碳原子結構會不會是環狀的?夢境的啟發使他做出化學直覺判斷，導致了有機化學方面的重大發現。

現代腦科學的研究表明，腦電波存在一種被稱為“西托”的狀態。美國的格林博士認為，一個人身心進入似睡似醒狀態時，腦電圖顯示出一系列長長的、頻率為4～8周的電波，科學家稱這種狀態為“西托”，而在西托狀態中做夢常常會迸發出創造性靈感。這種“西托”式的夢境，只有在思考的問題焦點明朗，思索緊張，以至達到寢食不安的程度才易于出現。

2偶然事件的激發

當創新主體對研究的問題處于百思不得其解的困惑狀態時，外界的偶然事件往往能起到激發靈感的作用。牛頓的萬有引力思想、阿基米德的浮力定律思想的靈感都源于一些偶然事件。偶然事件在普通人眼中沒有什么特別，但卻恰恰觸發了創新主體苦苦尋覓的解題線索，從而激發了靈感。當然，偶然事件是一種機遇，可遇而不可求，靈感激發的關鍵還在于對問題的長期思考。

3情境轉移

靈感的觸發除了艱苦的勞動外，還需要一定的激發條件。靈感通常是在緊張思考活動之后轉入某種精神松弛狀態時出現的。即做到“一張一弛”，緊張之余適當放松調整有助于靈感的產生。長久思考一個問題而不得其解時，利用各種方式轉換情境，制造寧靜愉悅的心境。

二、哲學助產型

哲學助產型原始創新是指在科學研究中，借助于哲學的洞察力與批判力，發現原有理論的缺陷與不足，通過修正、完善、重構等方式獲得原創性思想的機制與方法。偉大科學家在做出重大科學原創的過程中，往往從先哲富有哲理的思想中得到過深刻的啟迪。日本著名物理學家湯川秀樹認為，中國先哲老子和莊子對自己物理思想的形成有著深刻的影響。愛因斯坦承認自己的相對論思想受益于馬赫哲學。

哲學助產作用更多地表現在理論研究之中，例如理論物理學與數學領域之中，這與哲學學科的抽象思辨性特點相關。具體來說，哲學對原始創新的啟示主要表現在兩個方面：

1以徹底的哲學批判精神反思科學理論的缺陷

在某個特定的研究領域中，對科學權威或已經得到普遍認可的理論或方法提出質疑，對理論的前提、公理性假設及其相關背景知識進行批判性反思，發現其中的缺陷和問題，從而對該理論進行補充、完善，甚至是徹底的決裂，最終形成新的理論或方法。以納什在博弈論中的原始創新為例。博弈論是由數學家馮·諾依曼創立的一個新的數學分支，他和莫根·施耐恩合作的《博弈論和經濟行為》是博弈論的經典著作。納什在研究中發現，這一著名理論中存在兩大缺陷：一是這一理論并不能成功解決重大的經濟學問題，與馮·諾依曼之前提出的極大極小定理相比，也沒有新的突破。二來該理論最完善的部分是兩人零和博弈，而這種完全沖突的博弈在現實世界中沒有太大的用途。經過幾年以后，運用相關的數學、經濟學原理，納什發表了著名的均衡定理。均衡定理可以看成馮·諾依曼定理的一種擴散，但同時也是一種徹底的決裂，它引入了合作博弈和不合作博弈的區別。納什將這一理論擴展到牽涉各種合作和競爭的博弈，成功將博弈論應用到經濟學、政治學、社會學乃至進化生物學中。

2以堅定的哲學信念從事科學研究

哲學信念是科學家從事科學研究的精神伴侶。科學研究活動與其他人類文化活動一樣，是需要以一些信念作為自己的前提和基礎的。這些信念是科學研究的先決條件，它們構成了指導科學探索的總的世界觀或哲學背景。客觀世界的存在性與世界的可知性是自然科學家的基本哲學理念。正如愛因斯坦所說：“相信有一個離開主體而獨立的外在世界，是一切自然科學的基礎。”科學家必須堅信世界的可知性，相信通過科學實踐可以逐步認識自然界。這些基本的哲學信念是唯物論與辯證法的反映。在具體的科學研究中，科學家總是依據特定的哲學信念從事工作。貝塔朗菲的一般系統論來源于20世紀20年代的機體論。在1924～1928年，他多次發表文章，主張要把有機體當成一個整體或系統來考慮。他從哲學先驅那里汲取了許多思想，把協調、秩序、目的性等許多概念用于有機體，為形成一般系統論奠定了基礎。

三、科學臻美型

科學臻美是指在科學研究中，把對美的追求放在思維首位，通過對科學對象進行加工、修改及重構以達到使科學對象趨于完美的一種思想或方法。哥白尼說過：“在哺育人的天賦才智的多種多樣的科學和藝術中，我認為首先應該用全部精力來研究那些與最美事物有關的東西。”科學美與原始創新之間密切相關。

科學的一系列重要活動，包括科學事實的發現、科學原理的建立、科學理論的評價，都表現為一種審美活動。愛因斯坦狹義相對論、廣義相對論的建立得益于從自然界蘊涵的崇高莊嚴和令人敬畏的秩序美、和諧美中的啟示。愛因斯坦提出了理論評價的內部層次與外部層次。內部層次的評價判斷依據是理論內在的概念結構，就是有關理論的“自然性”或簡單性；外部層次的評價判斷依據的是該理論與經驗數據之間的關系。對科學理論“自然性”的追求實際上源于對自然美的追求。它包含對世界的秩序性、規律性、和諧性與統一性的理解，是科學審美精神的本質體現。由此可見，愛因斯坦的理論評價的內部層次

實際上是一種審美標準。

科學臻美遵循其自身的邏輯規則：審美邏輯。審美邏輯研究意象思維形式及其規律。我們知道，概念是形式邏輯的“細胞”，推理是形式邏輯核心問題。審美邏輯與形式邏輯不同，想象是審美邏輯的“細胞”，想象和直覺的矛盾運動，以及在此基礎上形成的審美判斷、審美推理，構成了審美邏輯的主線。審美邏輯的推理結構可以用圖1表示。在圖中，橫軸t表示時間，縱軸L表示理性高度。其中1、2、3、4……表示隨著時間推移想象發生的飲數。各次數之間彼此間隔是不等距的，有大有小，表示在創造中有想象頻繁集中的時刻，也有想象沉寂進行孕育的時刻。同次數相對應的虛線，表示否定型直覺。直覺高潮是BC，它是一個肯定型直覺，用實線表示，亦即靈感產生之處。AB斜邊表示推理，由低向高不斷上升構成了思維的運動。

四、交叉創造型

當代科學發展呈現出高度分化與高度融合的雙重特點。一大批新興交叉學科興起，很多原始創新都是從學科之間的邊緣地帶產生出來的。據統計，現在已有交叉學科數目超過兩千多門。如分子生物學是物理學與生物學的交叉研究。從學科交叉中孕育新思想、新問題是科學原創產生的一個重要途徑。

學科交叉是學術思想的交融，是系統辯證思維的體現。自然界現象復雜多樣，僅從一種視角研究事物，往往具有很大的局限性，難以揭示其本質。因此，采取學科交叉的方式進行跨學科研究有利于形成正確完整的認識。著名物理學家海森伯認為，在人類思想史上“重大成果的發現常常發生在兩條不同的思維路線的交叉點上”。1953年DNA雙螺旋結構的發現就是化學家鮑林，生物學家沃森和物理學家克里克、富蘭克林、威爾金斯等合作的結果。這表明在學科、理論之間發生相互作用、相互滲透形成了新的科學生長點。

解恩澤教授總結了交叉科學的形成機制：單向移植、雙科交融、多元綜合、側面斷析等多種形式。移植是交叉產生和發展的一個有效途徑。移植就是將既有的科學理論方法或手段運用于正在探索的課題中去，從而有所創新。貝弗里奇認為，把一門學科的概念擴散移植到另一領域，也許是科學研究中最有效、最簡便的方法。各學科之間通過形成機制與方法孕育出新興的交叉科學，為原始創新開辟了新的方向與思路。