例（4）生物學(xué)與化學(xué)的交叉產(chǎn)生生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等。現(xiàn)在后基因組時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，生物學(xué)與化學(xué)之間又有一個(gè)新的交叉學(xué)科——蛋白質(zhì)組學(xué)已經(jīng)形成。

 

    6.四兩撥千斤法

 

    中國(guó)有句成語(yǔ)，叫做“四兩撥千斤”，這就是“力的放大”。例如杠桿、齒輪、千斤頂?shù)�，在搬運(yùn)東西和機(jī)械工程中被廣泛使用。在科學(xué)研究中，我們要把一種已知的方法盡量推廣拓展到未知的領(lǐng)域，這就是“創(chuàng)新”。

 

    例（1）三極管的發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)電流的放大，上世紀(jì)三十和四十年代，是電子管的鼎盛時(shí)期，它曾為無(wú)線電、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)和V型導(dǎo)彈的發(fā)明作出了貢獻(xiàn)。1948年發(fā)明了晶體管，同樣可以放大電流，但體積、重量、耗電量均比電子管減少100-1000倍。1959年又發(fā)明集成電路，從而產(chǎn)生了微電子學(xué)和微電子工業(yè)，導(dǎo)致20世紀(jì)的信息革命。

 

    例（2）激光器的發(fā)明。電流的放大產(chǎn)生了如此重大的影響，于是人們聯(lián)想到光是不是也能放大呢？1954年湯斯首先實(shí)現(xiàn)了微波的受激輻射放大。1960年從事紅寶石微波量子放大器研究的年輕人梅曼成功地研制出第一臺(tái)紅寶石激光器，實(shí)現(xiàn)了光波的受激輻射放大。

 

    例（3）化學(xué)合成的自動(dòng)組裝放大，例如用K.Ziegler和G.Natta催化劑，可使單體自動(dòng)定向聚合為高分子。又如自組裝化學(xué)，也是化學(xué)發(fā)展的方向之一。

 

    例（4）生命的放大——從卵細(xì)胞到生命的發(fā)育成長(zhǎng)，發(fā)展成為現(xiàn)代的克隆技術(shù)。

 

    7.逆向思維法

 

    在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，要試驗(yàn)飛機(jī)的外型和材料在高速飛行中與空氣阻力的關(guān)系。這種試驗(yàn)很難在空中飛行時(shí)進(jìn)行。于是創(chuàng)造出“風(fēng)筒”來(lái)模擬飛行。這是一種“反其道而行之”的逆向思維方法，即把飛機(jī)固定，讓高速空氣流向飛機(jī)，其效果是一樣的。這就是在空氣動(dòng)力學(xué)和航空技術(shù)研究中常用的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)室方法。又如在輪船的設(shè)計(jì)中，可以做一個(gè)縮小的模型，放在一個(gè)縮小的水槽中，用各種流速來(lái)試驗(yàn)船體的阻力。

 

    8.柳暗花明法

 

    在科學(xué)研究中常常會(huì)遇到“山窮水盡疑無(wú)路”時(shí)，粗心大意的人很容易放過(guò)這種機(jī)遇。只有具有敏銳眼光和扎實(shí)基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它，取得重大的突破。

 

    例（1）按照經(jīng)典遺傳學(xué)的觀點(diǎn)，水稻是自花授粉，不能雜交的，“雜交水稻之父”袁隆平也相信這一點(diǎn)。上世紀(jì)60年代初，他在田間發(fā)現(xiàn)一株優(yōu)勢(shì)非常強(qiáng)的水稻，第二年他把它種下去，結(jié)果大失所望，跟上年選的植株完全不同，高的高，矮的矮，生長(zhǎng)期長(zhǎng)的長(zhǎng)，短的短。就在失望之余，他突然產(chǎn)生了震撼：為什么遺傳會(huì)有這樣大的分離呢？只有雜種才會(huì)有分離，純種不會(huì)有分離。他于是大膽提出假設(shè)：他選的這株是天然雜交稻，推翻了經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為水稻不能雜交的結(jié)論。當(dāng)然這只是大膽的初步假設(shè)，還有待做艱苦的研究工作，培養(yǎng)出人工雜交水稻來(lái)證實(shí)。為避免自花授粉，他選擇雄性不育植株來(lái)受粉，取得了很大成功，使我國(guó)水稻由畝產(chǎn)300公斤提高到500公斤。

 

    例（2）光的本質(zhì)是什么？是波動(dòng)還是微粒？這個(gè)問(wèn)題爭(zhēng)執(zhí)了200多年，互有勝負(fù)，不得解決，在20世紀(jì)初到了“山窮水盡疑無(wú)路”的地步。這是因?yàn)槿藗兊乃枷胧苄问竭壿嫷南拗�，形式邏輯回答�?wèn)題，非此即彼，非彼即此。愛(ài)因斯坦跳出了形式邏輯的框框，認(rèn)為問(wèn)題的答案可以“亦此亦彼”，于是“柳暗花明又一村”，達(dá)到了完美的創(chuàng)新境界。這就是他在1905年提出的光子學(xué)說(shuō)。

 

    9.天上人間法

 

    有些物質(zhì)是天文學(xué)家在天上先發(fā)現(xiàn)，然后由化學(xué)家把天上之花，移植到地球人間的。

 

    例（1）1868年天文學(xué)家在觀察日全蝕時(shí)，從日珥的光譜中發(fā)現(xiàn)一種未知原子的譜線，命名這一未知元素為“太陽(yáng)元素(Helium)”。28年后，化學(xué)家才從地球大氣中把He元素氣體分離出來(lái)。

 

    例（2）天文學(xué)家用射電天文望遠(yuǎn)鏡研究分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，發(fā)現(xiàn)了幾十種星際分子，有一類是直線形的HCiN分子�；瘜W(xué)家Smally想象宇宙中有閃電CCCC;C，空氣中有氮?dú)夂蜌錃�，企圖用激光或電弧作用于石墨，在地球上來(lái)制備這類化合物，卻意外地得到C-60，并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但這類HCiN分子，至今在地球上尚未合成。

 

    10.傻瓜提問(wèn)法

 

    創(chuàng)新的第一步是“提出問(wèn)題”。年輕人好奇提問(wèn)往往是創(chuàng)新的開(kāi)端。好奇性是科學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ�一，所�?ldquo;好奇性”也是科學(xué)家應(yīng)具備的素質(zhì)之一。

 

    例（1）三角形的內(nèi)角之和一定要等于180度嗎？

 

    其實(shí)，三角形的內(nèi)角之和等于180度是平面上的幾何學(xué)，即歐幾里德幾何學(xué)。人們發(fā)現(xiàn)用平面幾何學(xué)經(jīng)行大地測(cè)量，在范圍較大時(shí)有偏差。這是因?yàn)榈厍蚴乔蛎娴�。在地球上距離較大的三點(diǎn)之間，作三條直線，組成一個(gè)三角形，它的三個(gè)內(nèi)角之和大于180度。這就是球面幾何學(xué)。反之，在凹面上的三角形的內(nèi)角之和小于180度。由此建立了一門(mén)新的學(xué)科：非歐幾何學(xué)。

 

    例（2）空間的維數(shù)是不是一定要整數(shù)？例如說(shuō)一維、二維或三維空間�？刹豢梢杂蟹�?jǐn)?shù)的維度？這個(gè)看似傻瓜的提問(wèn)，終于發(fā)展成為一門(mén)新科學(xué)：分形理論。彎彎曲曲的海岸線的維數(shù)就在一維和二維之間。

 

    11.大膽假設(shè)、小心求證法

 

    胡適在考古學(xué)研究中提出“大膽假設(shè)，小心求證”的科學(xué)方法，我認(rèn)為也可用于自然科學(xué)研究，而且是一個(gè)很重要的科學(xué)創(chuàng)新的方法。如果你不明白為什么，對(duì)老師、專家、權(quán)威都可提出質(zhì)疑，敢于好高騖遠(yuǎn)大膽假設(shè)，善于實(shí)事求是，小心求證。對(duì)于你的假設(shè)預(yù)期，要認(rèn)真安排實(shí)驗(yàn)來(lái)小心求證。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不外四種：

 

    （1）證明了你的假設(shè)，于是進(jìn)一步去尋求新的實(shí)驗(yàn)證明。證明越來(lái)越多，假設(shè)就能發(fā)展成為理論；

 

    （2）部分否定了你的假設(shè)，于是你可以部分修改你的假設(shè)，使之更為完善；

 

    （3）全部否定了你的假設(shè)，于是你可以根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出新的假設(shè)；

 

    （4）得到完全意外的結(jié)果。例如從設(shè)計(jì)合成一個(gè)新化合物的失敗，到發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的結(jié)構(gòu)類型。如果你的運(yùn)氣好，可能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象或新效應(yīng)，但必須有敏銳眼光才能抓住它。

 

    所以這四種可能性，在科學(xué)上都有收獲。尤其是第四種，可能有巨大收獲。

 

    12.意外機(jī)遇法

 

    例（1）弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。

 

    例（2）X－射線的發(fā)現(xiàn)。

 

    例（3）宇宙的微波背景輻射。

 

    13.靈感培養(yǎng)法

 

    國(guó)學(xué)大師王國(guó)維在《詞話》中寫(xiě)到治學(xué)的三個(gè)境界：“獨(dú)上高樓，望盡天涯路”，這是第一境界，是治學(xué)或研究的開(kāi)始，要找到學(xué)科發(fā)展的前沿，作為你科研創(chuàng)新的起點(diǎn)。“衣帶漸寬終不悔，眾里尋她千百度”，這是第二境界，正是科學(xué)研究的緊張階段，遇到困難，不知如何解決才好。“驀然回首，伊人正在燈火闌珊處”，這是第三境界，正在山窮水盡的時(shí)候，忽然靈感到來(lái)，驀然回首，伊人（這里指你希望得到的結(jié)果，或解決困難的方案和辦法）出來(lái)了，卻在忽明忽暗的燈火闌珊處。

 

    從中可以得到三點(diǎn)啟發(fā)：（1）開(kāi)題的重要性；（2）勤奮是成功的關(guān)鍵，如果你夢(mèng)想要做一個(gè)科學(xué)家，那么勤奮學(xué)習(xí)就是實(shí)現(xiàn)你的夢(mèng)想之“舟”。但舟有快如宇航飛機(jī)，慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮，不要去做“磨擦生熱”的“無(wú)用功”，更不要做“負(fù)功”；3）創(chuàng)新除了勤奮外，還要有一定的“靈感”。當(dāng)你在科研中已“進(jìn)入角色”，“身心投入”后仍然遇到難題，百思不得其解，這時(shí)你可以忘掉它，輕松愉快地去做別的工作，或看電影，或散步，或聽(tīng)音樂(lè)，然后好好睡一覺(jué)。睡眠中大腦會(huì)把白天困擾你的問(wèn)題進(jìn)行知識(shí)的反芻、醞釀和陳化的慢波處理，早上一覺(jué)醒來(lái)，往往就忽有所悟。聽(tīng)說(shuō)開(kāi)庫(kù)勒就是在早上一覺(jué)醒來(lái)時(shí)，悟到苯分子的六角形結(jié)構(gòu)的。

 

    14.虛擬實(shí)驗(yàn)法

 

    現(xiàn)在常用的虛擬現(xiàn)實(shí)法也是“建立模型”的方法之一。提出一個(gè)理論模型，用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)，得到希望得到的結(jié)果。這一方法現(xiàn)已廣泛用于科學(xué)研究和高新技術(shù)，例如：

 

    （1）虛擬大氣溫度、濕度、氣流的未來(lái)變化，做出近期和中期的天氣預(yù)報(bào)；

 

    （2）建立模型，虛擬小浪底水庫(kù)放水沖洗黃河的泥沙，提供最優(yōu)化實(shí)際放水時(shí)間和流量等參數(shù)；

 

    （3）虛擬原子彈爆炸過(guò)程，代替實(shí)際爆炸實(shí)驗(yàn)，為原子彈設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)；

 

    （4）北京大學(xué)在稀土分離研究中，以串級(jí)萃取理論為模型，用計(jì)算機(jī)模擬“搖漏斗”的實(shí)驗(yàn)，獲得稀土工藝設(shè)計(jì)的“一步放大專家系統(tǒng)”，并在全國(guó)推廣應(yīng)用。

 

    15.綜合集成法

 

    系統(tǒng)科學(xué)是從傳統(tǒng)科學(xué)中提出帶有共性的問(wèn)題來(lái)研究，因而產(chǎn)生的科學(xué)。它是最廣泛的交叉學(xué)科。如果把自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)看作科學(xué)分類的經(jīng)線，那么系統(tǒng)科學(xué)就是橫跨自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的緯線，所以也可稱為橫斷科學(xué)。它包括系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)理論、非線性科學(xué)、協(xié)同學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、混沌理論、分形理論、突變論、超循環(huán)論等。下面僅以控制論為例，說(shuō)明它是怎么發(fā)展起來(lái)的。

 

    控制論是把自動(dòng)調(diào)節(jié)、通信工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及神經(jīng)生理學(xué)和病理學(xué)等學(xué)科，以數(shù)學(xué)為紐帶聯(lián)系在一起而形成的新學(xué)科。它是1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納創(chuàng)立的，他在二次世界大戰(zhàn)期間，接受了研制防空火力的控制系統(tǒng)的任務(wù)，嘗試用機(jī)器來(lái)模擬人腦的功能。他把生命機(jī)體和機(jī)器作比較研究，總結(jié)出自動(dòng)機(jī)應(yīng)具備的一些特點(diǎn)。他的研究還表明，無(wú)論是自動(dòng)機(jī)器，還是神經(jīng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)，以至經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)，反饋都對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。他總結(jié)了這些思想，在1948年出版了《控制論》一書(shū)，把控制論定義為“關(guān)于機(jī)器和生物的通訊和控制的科學(xué)”。錢(qián)學(xué)森1954年在美國(guó)出版的《工程控制論》一書(shū)，是這個(gè)學(xué)科的奠基性著作。同年艾什比發(fā)表《大腦設(shè)計(jì)》，建立了“生物控制論”。

 

    16.接近于“無(wú)中生有”的原始大創(chuàng)新

 

    量子力學(xué)和相對(duì)論是突破當(dāng)時(shí)牛頓經(jīng)典力學(xué)的理論和傳統(tǒng)概念，提‘出全新思維和理論的創(chuàng)新。但即使這樣重大的原始創(chuàng)新，也不是完全“無(wú)中生有”，而是有跡可尋的。

 

    以量子力學(xué)為例，實(shí)現(xiàn)這一類創(chuàng)新的第一步是“提出科學(xué)問(wèn)題”。正確敏銳地提出科學(xué)問(wèn)題，本身就是重大的創(chuàng)新。

 

    第二步是要有敏銳的直覺(jué)和靈感，提出一些前所未有的新概念，并重新審視舊理論中的概念。

 

    第三步是要建立新理論的基本方程。既然微觀粒子與光子一樣具有波粒二象性，它們的基本運(yùn)動(dòng)方程也應(yīng)相似。薛定鄂把光的Maxwell電磁波方程與德布羅意關(guān)系式結(jié)合起來(lái)，得到量子力學(xué)的基本方程，即著名的薛定鄂方程。

 

    第四步是要有深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從基本方程推導(dǎo)出可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的結(jié)果。

 

    第五步，一個(gè)新理論的基本方程建立以后，還要回過(guò)頭來(lái)看看這個(gè)理論體系是建筑在哪些基本假設(shè)的基礎(chǔ)之上的�；�本假設(shè)的要求是：物理概念要明確，表述要簡(jiǎn)潔，它的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要鞏固，條數(shù)要愈少愈好。這樣才能建立簡(jiǎn)潔優(yōu)美的理論體系。

 

    注：本文作者，徐光憲，中國(guó)科學(xué)院院士�，F(xiàn)任北京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師