【转帖】著名化学家徐光宪院士总结科研创新16条方法

应助达人

9、天上人间法
　　有些物质是天文学家在天上先发现，然后由化学家把天上之花，移植到地球人间的。
　　例(1)1868年天文学家在观察日全蚀时，从日珥的光谱中发现一种未
　　知原子的谱线，命名这一未知元素为“太阳元素(Helium)”。28年后，化学家才从地球大气中把He元素气体分离出来。
　　例(2)天文学家用射电天文望远镜研究分子的转动光谱，发现了几十种星际分子，有一类是直线形的HCiN分子。化学家Smally想象宇宙中有闪电C C C C;C，空气中有氮气和氢气，企图用激光或电弧作用于石墨，在地球上来制备这类化合物，却意外地得到C-60，并获得诺贝尔奖。但这类HCiN分子，至今在地球上尚未合成。
　　10、傻瓜提问法
　　创新的第一步是“提出问题”。年轻人好奇提问往往是创新的开端。好奇性是科学发展的重要动力之一，所以“好奇性”也是科学家应具备的素质之一。
　　例(1)三角形的内角之和一定要等于180度吗？
　　其实，三角形的内角之和等于180度是平面上的几何学，即欧几里德几何学。人们发现用平面几何学经行大地测量，在范围较大时有偏差。这是因为地球是球面的。在地球上距离较大的三点之间，作三条直线，组成一个三角形，它的三个内角之和大于180度。这就是球面几何学。反之，在凹面上的三角形的内角之和小于180度。由此建立了一门新的学科：非欧几何学。
　　例(2)空间的维数是不是一定要整数？例如说一维、二维或三维空间。可不可以有分数的维度？这个看似傻瓜的提问，终于发展成为一门新科学：分形理论。弯弯曲曲的海岸线的维数就在一维和二维之间。
　　11、大胆假设、小心求证法
　　胡适在考古学研究中提出“大胆假设，小心求证”的科学方法，我认为也可用于自然科学研究，而且是一个很重要的科学创新的方法。如果你不明白为什么，对老师、专家、权威都可提出质疑，敢于好高骛远大胆假设，善于实事求是，小心求证。对于你的假设预期，要认真安排实验来小心求证。实验的结果不外四种：
　　(1)证明了你的假设，于是进一步去寻求新的实验证明。证明越来越多，假设就能发展成为理论；
　　(2)部分否定了你的假设，于是你可以部分修改你的假设，使之更为完善；
　　(3)全部否定了你的假设，于是你可以根据新的实验结果，提出新的假设；
　　(4)得到完全意外的结果。例如从设计合成一个新化合物的失败，到发现一个新的结构类型。如果你的运气好，可能发现新现象或新效应，但必须有敏锐眼光才能抓住它。
　　所以这四种可能性，在科学上都有收获。尤其是第四种，可能有巨大收获。
　　12、意外机遇法
　　例(1)弗莱明发现青霉素。
　　例(2)X-射线的发现。
　　例(3)宇宙的微波背景辐射。
　　13、灵感培养法
　　国学大师王国维在《词话》中写到治学的三个境界：“独上高楼，望尽天涯路”，这是第一境界，是治学或研究的开始，要找到学科发展的前沿，作为你科研创新的起点。“衣带渐宽终不悔，众里寻她千百度”，这是第二境界，正是科学研究的紧张阶段，遇到困难，不知如何解决才好。“蓦然回首，伊人正在灯火阑珊处”，这是第三境界，正在山穷水尽的时候，忽然灵感到来，蓦然回首，伊人(这里指你希望得到的结果，或解决困难的方案和办法)出来了，却在忽明忽暗的灯火阑珊处。
　　从中可以得到三点启发：(1)开题的重要性；(2)勤奋是成功的关键，如果你梦想要做一个科学家，那么勤奋学习就是实现你的梦想之“舟”。但舟有快如宇航飞机，慢如蜗牛。所以勤奋必须是高效率的勤奋，不要去做“磨擦生热”的“无用功”，更不要做“负功”；3)创新除了勤奋外，还要有一定的“灵感”。当你在科研中已“进入角色”，“身心投入”后仍然遇到难题，百思不得其解，这时你可以忘掉它，轻松愉快地去做别的工作，或看电影，或散步，或听音乐，然后好好睡一觉。睡眠中大脑会把白天困扰你的问题进行知识的反刍、酝酿和陈化的慢波处理，早上一觉醒来，往往就忽有所悟。听说开库勒就是在早上一觉醒来时，悟到苯分子的六角形结构的。
　　14、虚拟实验法
　　现在常用的虚拟现实法也是“建立模型”的方法之一。提出一个理论模型，用计算机虚拟现实，得到希望得到的结果。这一方法现已广泛用于科学研究和高新技术，例如：
　　(1)虚拟大气温度、湿度、气流的未来变化，做出近期和中期的天气预报；
　　(2)建立模型，虚拟小浪底水库放水冲洗黄河的泥沙，提供最优化实际放水时间和流量等参数；
　　(3)虚拟原子弹爆炸过程，代替实际爆炸实验，为原子弹设计提供基础；
　　(4)北京大学在稀土分离研究中，以串级萃取理论为模型，用计算机模拟“摇漏斗”的实验，获得稀土工艺设计的“一步放大专家系统”，并在全国推广应用。
　　15、综合集成法
　　系统科学是从传统科学中提出带有共性的问题来研究，因而产生的科学。它是最广泛的交叉学科。如果把自然科学、技术科学、社会科学看作科学分类的经线，那么系统科学就是横跨自然科学、技术科学、社会科学的纬线，所以也可称为横断科学。它包括系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、非线性科学、协同学、运筹学、混沌理论、分形理论、突变论、超循环论等。下面仅以控制论为例，说明它是怎么发展起来的。
　　控制论是把自动调节、通信工程、计算机技术，以及神经生理学和病理学等学科，以数学为纽带联系在一起而形成的新学科。它是1948年美国数学家维纳创立的，他在二次世界大战期间，接受了研制防空火力的控制系统的任务，尝试用机器来模拟人脑的功能。他把生命机体和机器作比较研究，总结出自动机应具备的一些特点。他的研究还表明，无论是自动机器，还是神经系统、生物系统，以至经济、社会系统，反馈都对系统稳定起着至关重要的作用。他总结了这些思想，在1948年出版了《控制论》一书，把控制论定义为“关于机器和生物的通讯和控制的科学”。钱学森1954年在美国出版的《工程控制论》一书，是这个学科的奠基性著作。同年艾什比发表《大脑设计》，建立了“生物控制论”。
　　16、接近于“无中生有”的原始大创新
　　量子力学和相对论是突破当时牛顿经典力学的理论和传统概念，提出全新思维和理论的创新。但即使这样重大的原始创新，也不是完全“无中生有”，而是有迹可寻的。
　　以量子力学为例，实现这一类创新的第一步是“提出科学问题”。正确敏锐地提出科学问题，本身就是重大的创新。
　　第二步是要有敏锐的直觉和灵感，提出一些前所未有的新概念，并重新审视旧理论中的概念。
　　第三步是要建立新理论的基本方程。既然微观粒子与光子一样具有波粒二象性，它们的基本运动方程也应相似。薛定鄂把光的Maxwell电磁波方程与德布罗意关系式结合起来，得到量子力学的基本方程，即著名的薛定鄂方程。
　　第四步是要有深厚的数学基础，从基本方程推导出可以由实验来检验的结果。
第五步，一个新理论的基本方程建立以后，还要回过头来看看这个理论体系是建筑在哪些基本假设的基础之上的。基本假设的要求是：物理概念要明确，表述要简洁，它的实验基础要巩固，条数要愈少愈好。这样才能建立简洁优美的理论体系。
　　徐光宪简介：
徐光宪，著名化学家，中国科学院院士。现任北京大学化学系教授、博士生导师。
　　徐光宪长期从事物理化学和无机化学的教学和研究，涉及量子化学、化学键理论、配位化学、萃取化学、核燃料化学和稀土科学等领域。通过总结大量文献资料，提出普适性更广的(nxcπ)格式和原子共价的新概念及其量子化学定义，根据分子结构式便可推测金属有机化合物和原子簇化合物的稳定性。建立了适用于研究稀土元素的量子化学计算方法和无机共轭分子的化学键理论。合成了具有特殊结构和性能的一系列四核稀土双氧络合物。
　　2008年，徐光宪获得中国国家最高科技奖。