TUhjnbcbe - 2021/4/1 2:38:00
科学知识与科学思维不同。科学思维是一套做科学研究的认知模型，它并非科学知识本身，而是产生科学知识的“生产线”。很多老师做科研、写论文比较困难，本质上是没有理解和掌握科学研究的认知模型，以及缺乏相应的能力。无论是做科学研究、写论文，还是复盘总结、个人成长，其核心问题都是：如何从数量庞杂的大量数据、事实、经验和表面现象中，发现内在的本质规律？以下介绍一个在科学研究领域被普遍采纳和推崇的“科学发现的底层思维模型”：无规律的碎片化信息的积累寻找这些碎片的内在关联性试图归纳和建构一个能够整合所有已知发现的框架模型依据框架模型反过来指导人们发现新事物、解决新问题首先，无规律的碎片化信息的积累，积累的“素材”越多，越容易提炼内在规律比如：新化学元素的不断发明，为元素周期表提供了“素材”，如果只有3、5、10种元素，再天才的人也不可能找到其内在的规律；再比如：如果没有第谷穷其一生所做的大量天文观测数据作为基础，就不可能有开普勒的“行星三定律”。在物理、化学的发展中，这主要体现在大量的“实验现象”与“实验数据”（比如，摩擦起电现象、炼金术）在自然地理中，大量新地区、新地形、新气候条件的发现，在生物学中，大量新物种的发现，在初期都是相当“碎片化”的。其次，寻找这些碎片的内在关联性；比如：年，当化学元素达到54种时，就有人发现了锂钠钾、钙锶钡、磷砷锑、氯溴碘等15种元素,他们每3个一组、具有相同的性质，被称为“三元素组”。当年，当化学元素达到61种时，就有人发现每隔7种元素就会出现性质相似的元素，如同音乐中的音阶一样，因此称为元素“八音律”。再比如：开普勒从第谷的大量天文数据中，提出了“行星三定律”。先找到了两个较为简单、明显的“定律”：第一定律（椭圆律，行星都绕着太阳转、且太阳为焦点）和第二定律（面积率，相同时间扫过面积相同），10年后又通过大量数学计算得出第三定律（时间率，KT^2=R^3）可想而知，在大量的数据、信息中，想发现关联性，有些表面上的关联是比较容易的，只需要总结、归纳即可——比如化学中的“三元素组”，生物中的界门纲目的划分，地理中地形的划分，主要是根据表层现象的总结与归纳而成。有些却是极难的，比如物理、化学的微观世界中，微观构成、以及内部运转机理是不能直接感知的，当然也就无法总结与归纳，只能依靠大胆“猜想”、甚至“创造”（编造）。当然光胆子大也没有用，“合乎逻辑”的猜想往往需要依靠“直觉”和“类比”。大物理学家、诺奖获得者费曼就曾经说过：发明新的理论，第一步是靠“猜”！比如：摩擦起“电”，电子至今也看不到，这个概念是凭空被“创造”出来；化学“键”，真的存在一个“键”把两个原子连起来吗？——这就是猜想+联想+类比的结果，只要能成功解释现象就好。甚至有时靠“猜想”也无济于事，“做梦”居然也能有所建树！——化学家凯库勒是在梦境中，梦到一条首尾相顾的大蛇，这才“大胆猜测”苯的分子结构是环状的！（传说门捷列夫周期表的发明，也跟做梦有关）第三，当足够多的碎片和关联被找到后，试图归纳和建构一个能够整合所有已知发现的框架（建模，尤其是数学模型），毫无疑问，这个框架模型才能是事物更本质规律的深层结构；比如：门捷列夫根据三元素组、八音率的研究成果，大胆提出一个通用“框架”(假设)：元素的性质随着原子量的递增而呈周期性的变化，既“元素周期律”（其实这也只是一个“猜想”而已，只是后来得到了验证、从而被广泛接受了）。他根据元素周期律编制了第一个元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里，并涵盖了前人研究出的“三元素组”、“八音律”等全部成果。再比如：牛顿根据开普勒提出的“行星三定律”，结合牛顿本人提出的运动学定律，推导出一个更通用的框架：“万有引力定律”，不仅给出了“行星三定律”的内在动力学原因——太阳引力，而且统一了“天上的力”、与“地上的力（苹果落地）”都是“万有引力”。再后来，卡文迪许通过扭秤实验测出了万有引力常数G。至此，万有引力理论已臻“完美无瑕”！此外还有光的“波粒二象性”、化学中的“轨道杂化”理论，反正是根据现实中的现象，建立一个管用的模型就好！另外，如果是科学理论研究中，“理论框架”中最为核心的要素就是：数学模型！没有数学模型，就不是一个成功的或成熟的科学理论，甚至不能称之为“科学”（虽然可能同样非常有用，但只能称为“经验”）。因为，无论任何事物之间的任何关系，在剥去一切实体后，最终一定可以抽象为“数量关系”（或空间关系）——想不到古老的毕达哥拉斯学派的理念“万物皆数”，在现代科学中仍然大放异彩！比如，在化学元素周期变化中的数量关系为：决定元素种类的是“质子数”，决定化学性质的是“外层电子数”（得失电子能力、化合价本质均由此数决定），化学方程式需要“配平”、甚至连化学键的“键角”、化学反应速率与分子空间构型的关系，都可以找到确定的“数量关系”。而在物理世界中，无论是牛三律、万有引力定律、电磁场理论、热力学、量子力学，更是%的精确公式表达，完美体现数量关系。第四，依据框架按图索骥，反过来能够指导人们去发现新事物、解决新问题。只能解释实践、而不能拿来指导实践的模型，不是一个好模型！比如：门捷列夫在第一张化学元素周期表中，根据“元素性质周期变化”的原理，除了容纳当时已发现的全部63种元素外，还留下了许多空位，并预言了类似硼、铝、硅的未知元素（即以后发现的钪、镓、锗）的性质，甚至还指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误，成为指导化学家发明创造工作的最佳“指南”。再比如：根据牛顿创造的“万有引力”定律这一通用的“框架”后，所有行星的运动轨迹都能被“预测”出来了。不过，在18世纪发现了天王星之后，对于天王星的观察发现，天王星总是跟引力定律预报的位置有偏差。如果万有引力定律是正确的话，那么在天王星外就一定还有一个星体对它造成影响，后来果然在预测的范围内发现了海王星。总结一下科学发现的4个步骤：无规律的碎片化信息（包括数据、知识和经验）的积累寻找这些碎片的内在关联性（往往靠总结、归类、甚至是猜测、直觉和类比）当足够多的碎片和关联被找到后，试图归纳和建构一个能够整合所有已知发现的框架模型（尤其是数学模型）依据框架模型按图索骥，反过来指导人们去发现新事物、解决新问题以上模型被众多科学家们所普遍采纳和推崇。比如诺贝尔医学奖获得者纽斯林·福尔哈德说过：“解决问题的关键在于收集到足够数量的碎片，并努力积累到这些碎片之间的关联性，而不是只