科海泛舟需得“法”

本刊记者/李琪

2008年09月01日

题记：

对于新一代的青年学子，如果单纯地进行知识和技术的灌输，只能培养出头脑僵化、缺乏应变能力的人；如果没有一种正确的思维方法来指导，是难于成为四化建设的高级科技人才的。

周立伟院士周立伟院士

2007年1月，周立伟院士将自己30年来在培养大学生和研究生中的所见、所闻、所想，以及自己在科学研究上走过的路，写成一本书——《科学研究的途径》并出版，同年9月进行了第二次印刷，近日记者采访时了解到有望再次印刷。该书之所以如此广受欢迎，是因为它启发青年人不仅要有广博精深的科学知识，而且要能灵活应用科学方法、树立正确的思维方法，这样才能有所发明，有所创造。

科学研究之法

记者：您是怎样看待科学研究的，有没有一个大家可以通用的方法？

周立伟：广义地说，科学研究就是创造知识和综合整理知识的工作，在科学技术的现有水平上前进一步。科学研究必须以取得新的结果作为衡量成功与否的标准，这是一种创造性劳动。新的结果可能是新发现、新理论，或是新方法、新工艺；也可能是新材料，或新器件等等。总而言之，科学研究就要求我们在前人的基础上有所创新。所以，整个的科学研究工作应该是创造性的。

但科学研究并没有一成不变的方法，有的人埋头于实验，通过细心观察，发现了新的现象，如伦琴发现X射线；琴纳通过接种牛痘防治天花，从而奠定了免疫学；有的人按预定的概念与计划去实验，取得了预期的结果，如居里夫人从大量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋和镭；有的人通过广泛的观察、体会，“ 悟”出新概念，从而提出新理论，如达尔文的进化论；有的人由纯粹的数理演绎，提出新概念，预见新现象的存在，如麦克斯韦的电磁场理论；有的人修正旧的理论，提出新的假说，这些假说在当时似乎都违反常识，如爱因斯坦创立相对论；有的人将不同学科联系、组织起来，建立起新领域而取得了成功，如维纳建立控制论。所有这一切都说明，获得创造性成果的途径是多种多样的，显然不存在什么一成不变的方法。科学研究方法应根据实际情况进行，没有一个放之四海皆准的模式。

记者：运用科学研究方法可以培养青年学生的哪些学习能力？

周立伟：通过科学研究方法，培养青年学生在学习上的三种能力。

第一，要有提出问题，确定选题的能力。提问题的基础必须要有坚实的理论基础或者是丰富的知识。要有好奇心，不墨守成规，还有直面科学现实、敢于向权威挑战。

第二，要有提出、阐述假说（假设、方案）的能力,有批评、判断种种假说（假设、方案）的能力。这主要是培养思维能力——逻辑思维（分析、对比、推理）和形象思维的能力。

第三，要有证明假说（假设、方案）的是非真假的能力。这就是判断的能力。这主要是指实践能力——设计能力，实验能力，深入考察、观察事物的能力。

第一个是要能提出问题，第二应该有自己的一些想法去解决它，最后能证明这个问题的真伪。如果能够经过了这些阶段，将来到社会上就有一个敏锐的感应能力，能对各种事物做出快速而恰当的反应。另外，具备了弹性的适应能力，能够不墨守成规，快速适应环境的变迁。还有丰富的创意能力，能不断地产生新颖的思路和方案。

需要特别指出的是，我认为青年人应该有一个正确的思维方法。当前的知识传输没有正确的思维方法来引导，是很难培养出一个为四化建设服务的高级科技人才的。

与夫人吕素芹在国家大剧院前

科学创造四阶段

记者：您提出的科学创造四阶段指什么？能否举例谈一下？

周立伟：国学大师王国维先生曾在《人间词话》里提出治学的“三种境界”。第一个境界：“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路。”这个境界描写迎着困难，勇于攀登，高瞻远望，苦苦思索。第二个境界：“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。” 追求真理，百折不挠，无论多大挫折，终不后退，这是描写研究探索的情景。第三是“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”几经艰苦奋斗，突然受到启发，顿时恍然大悟，原来事物的奥秘，正隐藏在“ 灯火阑珊处”，这是直觉的顿悟、成功的欢悦的情景。我们搞文艺的人或者搞科学的人都会经历这个阶段——直觉的顿悟。科学研究上，第一个叫准备期，高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段；第二叫做探索期，覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段；第三个叫豁朗期，不断追求，终有顿悟的收获阶段。不过，从事科学的人和从事文艺创作的人有点不太一样，文艺创作的人，比如说李白写诗，他写了一个白发三千丈，我们不会质疑的。我们觉得诗人很浪漫，很有想像力，但是我们科学家不能写白发三千丈，三丈都不行。因为科学家需要求实，科学是讲求实证的。

我认为科学研究还要有一种境界，顿悟并不是科学研究的结束，而是还需要进一步深化和探索。我举两个例子，一个是曹冲称象。曹冲九岁，那时番邦进贡大象，问曹操你能不能把这个象称出来。大臣们面面相觑。曹冲说，他能称，他把这个象引到大船上，在大船沉下去的地方刻了一个印记，然后把象引出来，装满石头，船沉下去到原来的印记上，石头的重量就代表了大象的重量。这是非常聪明的。我认为曹冲聪明的地方是他有联想的才能，他一定跟曹操一起看过他们练兵的时候在船上装上兵粮的情况，他有举一反三的能力。第二，他有抽象的能力，他能够想到用石头的重量代替大象的重量。后来我们都说曹冲是聪明的孩子。为什么我们不说曹冲是科学家呢？他虽然能够把大象称出来了，但是没有从理论上说明这个问题。我们的先人在这个事情以后，也没有在这上面再下功夫，在理论上再深化和提高。

我们再看另外一个例子，就是阿基米德称皇冠的故事。国王让工匠做了一个皇冠，用金子做的，做完了以后，他怀疑工匠偷工减料，他要求阿基米德看看这个工匠是不是做假，阿基米德拿了这个皇冠之后，想来想去就是想不出办法。他回家洗澡，澡盆的水放得非常满，他一脚踩进去，发现水溢出来了。他突然想到排出水的重量跟我们原来这个物体之间的关系。后来阿基米德证明了这个皇冠虽然重量与原来的金子一样，但是掺了假。原来金子的比重和现在称出来的皇冠的比重是不一样的。最后他就把这个问题解决了。阿基米德好在什么地方呢？他不但辨别了皇冠里面有没有掺其他的金属，他还研究水中的浮力，把称皇冠的事上升到理论，这就是阿基米德的水力学定理。所以，我觉得阿基米德不但有联想能力，有逻辑能力，有抽象能力，还有理论升华能力。我讲这一段的意思是说我们需要理论升华。

“行到水穷处，坐看云起时”，这是唐朝大诗人王维的诗句。“行到水穷处”可以示为实践检验，“坐看云起时”则表示理论升华。这就是科学创造的第四个阶段——验证期。

科学研究之径

记者：科学研究有哪些途径？

周立伟：第一，要有疑问和疑难问题的提出。疑问是思想的起点。一切有用的思想，都起源于一个疑问；一切科学发明，实际上都起源于思想上的疑惑。对科学来说，科学是始于问题，问题是最重要的。

第二，寻找研究问题的突破口。我们要思考，前人走了这条道路，为什么不走另外一条道路呢？为什么前人走这条路上没有走通，症结在哪里？等等。现在我们主要自己要来找突破口。这个突破口也就是切入点，就是你从哪个方向来切入这个问题。一般来说有两个办法，一种办法是我们来找问题里面的空白点，寻找它还没有开发的处女地。另外，我们可以把另一个领域的东西和方法移植过来解决问题。

第三，提出假说。因为研究工作往往本身是提出假设，寻找证据。我们根据信息库中的信息（文献资料、实验、经验和理论知识），从现实出发，针对问题提出猜测性的假说或解决方案。

第四，找证据，以证据来判断、来说明自己假说的“正确”和“真实”。假说提出之后，要在观测、实验、生产中应用这些假说于实践并检验以前的评价。这叫前验评价，它是在一系列的实验、抽象的或数学的方程上搭建起来的。

最后还要进行排除错误。假设提出来了，也找到了证据；这个证据，实践是不是证明是对的。所以需要有实践环节，需要有实践检验来做出评价。

记者：能不能结合您在科学研究中遇到的一些实例谈一谈？

周立伟：最近几年，我与俄罗斯科学院普通物理研究所有国际科学合作项目，他们是研究高速摄影变像管，我是研究电子光学理论的。我们研究的高速摄影变像管器件，就要研究电子从阴极面逸出后到达屏面上相继的空间和时间差异。我就是与他们合作研究这个器件的空间像差理论和时间像差理论。我的两位合作者提出了一个时间像差理论，发表在1980年，世界上大家都用他们的公式算。当时我花费了一些功夫才读懂了他们的文章，之后，我向学生们介绍了他们的理论。但是这也给了我一个疑问：在电子光学研究中，解决这样一个时间像差理论，可以从最根本的电子运动方程出发来解决它，这样既直观又简单。为什么他们不走这条简单的路子，而走这条复杂的路子？这是第一个问题。其次，我怀疑他们这个理论的正确性，为什么怀疑？因为它的正确性只有非常简单模型的证明，这是不能算数的。第三，也有可能是他们的理论是正确的，但我怀疑具体的公式精确不精确。前者我问的是，理论是对还是错，后者我问的是，理论的精确程度如何。当进行这样一个研究时，要先把问题的方方面面考察清楚了，当我考察的时候，第一个想法就是要找一个更好的理论来代替他们的理论。第二个想法就是我要考察这个理论的可信程度、精确程度。

对于第一个问题，为什么他们不走简单的路子呢？任何问题一来，大家都会先走简单的路子，看看行不行。一走，就发现里面有一个二重积分，所有的人都解决不了二重积分，工作都在它面前停下来了，才不得不走复杂的路子。二重积分问题就是一个突破口，我仔细研究了二重积分，我认为这个二重积分是有可能解的，最后我通过一系列转换把二重积分问题解决了。

这样，我便提出了一个新的时间差理论，称为直接积分法时间差理论。原来的时间差理论只针对轴向初能量为零的情况。新的直接积分法时间差理论，轴向初能量可以不等于零。现在有两个理论来解决，我认为我的理论比他强，他们的理论求像差系数要解微分方程，我的理论求像差系数只需要直接进行积分。

最后我提出一个同心球模型，来证明这两个理论。证明的结果，发现这两个理论都是对的，而且全是精确的——也就是积分解，微分方程解和解析解都是一致的。不过，我们的方法计算更方便，适用性更大一些。

我们搞科学的就是通过这样的研究来推动着科学的进步。这样的成就，没有什么稀奇的，也没有什么可骄傲的。科学研究，重要的是创造性，但任何工作都是在前人的基础上做的，前赴后继推动着科学技术的进步。

人物小传

周立伟，1932年9月生，浙江诸暨人。我国著名的电子光学与夜视技术专家，北京理工大学首席专家、教授、博士生导师，中国工程院院士，俄罗斯联邦工程科学院外籍院士。

他长期从事宽束电子光学、光电子成像领域的教学与科研工作，建立了宽电子束聚焦与成像较为完整的理论体系，该理论和方法应用于工程实践，为我国微光夜视行业由仿制走上自行设计研制、自主开发开辟了道路。