薛定諤的科學研究方法探究

摘 要:該文從薛定諤對波動力學和遺傳密碼等研究工作入手，對他在研究工作中所使用的科研方法和創造性思維進行了探索，歸納出仍適合于今天科學工作者使用的類比法和移植法等的科研方法。

關鍵詞:薛定諤科研方法類比法移植法

中圖分類號:O41文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0005-02

薛定諤(1887——1961)是奧地利著名的理論物理學家，波動力學的主要創始人之一，主要從事統計物理、量子理論、廣義相對論和生物物理方面的研究。他根據德布羅意關于物質波的思想和哈密頓原理，于1926年提出微觀粒子運動的理論——波動力學，它的基礎是薛定諤方程。這個方程在微觀物理學中得到了廣泛的應用。薛定諤在許多科學論著中，以1927年發表的《波動力學》論文集、1928年發表的《關于波動力學的四次演講稿》和1944年撰寫的《生命是什么》最為著名，并與狄拉克共同獲得1933年度的諾貝爾物理學獎。薛定諤在長期的科研生涯中，所形成的科學思想和所使用的科研方法，對今天廣大的科學研究人員來說，仍有著重要的啟迪和指導作用。本文試圖從這些方面進行一些探究。

1 薛定諤的波動力學理論與類比法

類比法是根據兩個或兩類對象之間的某些方面的相似或相同而推出它們在其他方面也可能相似或相同的一種邏輯方法。類比法能開闊視野、豐富聯想、拓寬思路，使人能從某一類比物上獲得啟發，找到探索問題的思路。這一啟發作用是將類比結論作為起點，進一步探索研究對象的特殊本質規律。當研究對象的有關材料知識還足以系統歸納和演繹的時候，類比就起到一個“開路先鋒”的作用。按照類比所提供的線索，往往能獲得重要的科學成果。雖然不同的事物有著各自的特殊性，類比推理是一種或然性推理，類比得到的結論不一定都是可靠的，但是在沒有找到更多的嚴密證據之前，類比法不失為一種較快可能取得科研突破的方法。正如薛定諤所指出的:“我們這些現代知識分子不習慣于把一個形象化的比擬當做哲學洞見，我們堅持要有邏輯推演。但與此對照，或許邏輯思維至少可以向我們揭示這點:要通過邏輯思維來掌握現象的基礎很可能完全做不到，因為它本身就是現象的一部分，和現象完全扯在一起。既然如此，我們也不妨問一下，我們是否僅僅因為一個形象化的比擬不能被嚴格證明，就逼得不能運用它呢？”

1926年薛定諤在德國《物理年鑒》上以《作為本征值問題的量子化》為題，連續發表了4篇論文，建立了波動力學的理論體系。他在論文2中，用力學與光學之間的哈密頓類比建立了波動力學的基本方程式，其基本思路是如圖1。

在幾何光學中有一條費馬定理，在力學上也有一條類似的哈密頓原理。薛定諤認為，如果把費馬定理(費時最小)和哈密頓原理(哈密頓作用量最小)放在等同地位，則幾何光學和經典力學(薛定諤在他的論文2中稱之為“幾何力學”，在第一篇演講稿中稱之為“通常力學”)可放在等同的地位。在當時，由幾何光學過渡到波動光學已由惠更斯——菲涅爾原理解決。費馬定理可轉化為波的傳播，并可從波的傳播方程中推導出來。鑒于這種對應關系，在微觀的力學過程中也應該有一門稱之為“波動力學”的與經典力學(幾何力學)對應(如上圖所示)。他又進一步類比于幾何光學與經典力學(幾何力學)的關系，認為波動光學與波動力學也應具備這種相似性。薛定諤正是從波動光學與波動力學的物理相似性出發，實現了波動光學向波動力學過渡。他建立了與光的波動方程類似的波動力學的基本方程——薛定諤方程。這個方程提出后，很快就被應用到有關原子、分子等許多微觀物理問題中，并取得了很大的成功，從而也檢驗了這個方程的正確性。按照著名的物理學家普朗克的話來說:“這一方程式奠定了近代量子力學的基礎，就像牛頓、拉格朗日和哈密頓創立的方程式在經典力學所起的作用一樣。”類比法是薛定諤主要的科研方法之一，并成為了他創造性思維的手段。在1928年，薛定諤所作的關于波動力學的第一次演講中敘述他使用類比法建立波動力學方程時說到:“從通常的力學走向波動力學的一步，就像光學中用惠更斯理論來代替牛頓理論所邁進的一步相類似。我們可以構成這種象征性的比例式:通常力學:波動力學=幾何光學:波動光學。典型的量子現象就類比于衍射和干涉等典型的波動現象。”

2 薛定諤的《生命是什么》與移植法

移植法是把某個研究對象的概念、原理和方法，或某個領域中的技術發明，運用到其他研究對象或領域中去的方法。物質世界的統一性，學科之間研究對象的相關性，決定了運用移植方法的可能性。移植法的涵義可用《詩經》里的一句詩加以概括，就是“它山之石，可以攻玉”。使用移植法所遵從的三個原則:第一，統一性原則;第二，創造性原則;第三，綜合性原則。移植法的應用大體有以下4種情況:1)同一學科中不同方法的移植，從而產生新的方法和學科;2)不同學科、不同理論方法的移植，從而產生新的學科;3)不同研究領域實驗儀器、科學技術的移植，形成新的分支;4)綜合多學科的概念、原理和方法移植到另一個學科領域，產生新的理論。縱觀20世紀重大科學成就和新興學科的產生，幾乎都離不開各門學科的理論和方法的相互移植，幾乎離不開移植法的催生助產，特別是物理學移植到其他學科，就表現得更加積極與重要。它是導致重大科學發現強有力的杠桿，是開辟新的研究方向、新的科學領域和創立新學科的重要手段。移植法之所以如此有效，這是因為客觀物質世界本身是一個統一的整體，由此，作為研究物質世界的知識體系——科學，也應是一個統一的整體。它被分解為許多獨立的分支，并不是由它所反映的事物本身決定的，而是由人類認識能力的局限性，才把它分解的。在科學領域中，存在著由物理學到化學，通過物理學、天文學、生命科學，再到社會科學的環形鏈條。所以，從一個學科到另一個學科必然存在著許多內在的關系。這就成為某學科中的研究方法和手段，移植到另一個學科提供了客觀依據。其次，對于不同的事物，層次越深，它們在性質之間的聯系就越緊密，界限就越不明顯，鴻溝也就越容易填平，使用移植法就更加有效。當科學工作者在探索一個新的領域而又了解甚少時，如果能夠植入成熟學科中的思想方法和手段，往往能起到“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”的奇妙效果。

薛定諤科學工作中總的方法論準則和科學思想是對科學的統一的信念和追求。在認識論上，他堅信自然界是可知的，在方法論上他則追求這種可知的和諧統一。這種信念和追求不僅僅使他在物理學領域內碩果累累，還促成他超越物理學的界限，把目光投向了涉及人類本身性質的生物學和生命現象。在1944年也就是他57歲這一年，寫了一本名為《生命是什么》的小冊子。這本小冊子的出版，震撼了整個科學界。它的重大意義并不僅僅在于倡導從分子水平探索遺傳機制和生命本質，還引入了“遺傳密碼”、“非周期性”和“負熵”等概念來說明一系列生命現象，提出了遺傳密碼存儲于非周期晶體的觀點。在方法論上，他倡導使用移植法，要用物理學和化學的理論、方法和實驗手段來研究生物學，并率先作出了有益的嘗試。他在書中提出:“在一個生命有機體的空間范圍內，在空間和時間中發生著的事件，如何用物理學和化學來解釋？”盡管當時，用物理學和化學來解釋生物學還很不充分，但他堅信使用移植法，運用物理學和化學的理論、方法和實驗手段來研究生物學和生命現象的思路是正確的。他在書中說到:“當前物理學和化學在解釋這些事件時明顯的無能為力，決不能成為懷疑這些事件可以用物理學和化學來解釋的理由。”可見，使用移植法和前面的類比法已成為薛定諤對科學的統一的信念和追求的重要手段。此后，美國的遺傳學博士沃森和英國物理學家克里克都聲稱受到薛定諤《生命是什么？》一書的啟發，對書中提出的“對生物學的一些基本問題，可用物理學和化學概念，以精確的措詞進行思考”等觀念表現出極大的興趣。他們兩進行跨學科的合作，1953年在英國劍橋大學卡文迪許實驗室開展了對肌紅蛋白的X射線結構分析，建立了遺傳物質DNA的雙螺旋結構模型，揭示了遺傳密碼的本質。這是20世紀生物科學的重大的突破。為此，他們兩人也榮獲了1962年諾貝爾生物學或醫學獎。正如薛定諤所期望的那樣，生物學的理論研究已進入分子水平，移植法的作用越發顯得重要。上述著名的科學家克里克也深有體會地指出:“現代生物學研究的最終目的是以物理學和化學解釋生物學”。

綜上所述，薛定諤在長期的科學研究過程中，所使用的這些科研方法以及使用這些方法取得科研成果的范例，對我們今天在科學研究與科技創新方面仍有著重要的啟迪和指導作用。

參考文獻

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