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科学方法漫话（4）用心留意 探微知著——三谈观察与思考：X射线的故事

上一篇 / 下一篇  2010-02-01 17:58:01 / 个人分类：科研方略

查看( 12 ) / 评论( 0 ) / 评分( 0 / 0 ) 【按】经东强提醒，我查了一下，三个月前写的博文——科学方法漫话（5）忘了发出，很抱歉！现予补发。 用心留意 探微知著                               ——三谈观察与思考：X射线的故事 前两讲我们已经指出，观察在科研中发挥着极其重要的作用。观察与感觉的区别在于：观察经常是有目的性的，是用心的留意，产生的是有针对性的感觉。科学家们通常只观察他们在理论和实践中感兴趣的事物，有严格的排它性。记得在一篇文章中看到，到了一个山区，地质学家观察的是岩石的成分、年龄及其分布；矿物学家观察可能的矿脉走向；地理学家关注地形地貌和山脉格局；动植物学家感兴趣的是动植物的种群；总之，不同的科学家会对各自留意的对象进行细致探究。著名物理学家H.普朗克说过：“物理定律的性质和内容，都不可能单纯依靠思维来获得，唯一可能的途径是致力于对自然的观察，尽可能搜集最大量的各种经验事实，并把这些事实加以比较，然后以最简单最全面的命题总结出来。”在科学研究中，观察的作用有二：一是帮助确定问题；二是从中抓住主要线索，从而找到研究的切入点。观察不应是对信息的被动吸收和转录，而是一种主动的追寻。这就能了解为什么在同样的新现象面前，有人如获至宝，有人却无动于衷。科学家成就的大小，很大程度上取决于观察事物的敏锐程度。根据贝弗利奇在《科学研究中的艺术》中的叙述，我们可以总结出进行正确观察的四个一般原则：• 观察必须全神贯注，反复进行，细致入微。观察者不仅注视现象，而且应搜寻每个细节，进行最专注的详审细察，并充分利用现代化手段加以记录；• 观察必须客观准确，排除错觉和主观因素干扰；• 观察与思考必须同时进行，用正确的思维方式和基本知识来指导观察。必须培养以积极的态度高屋建瓴地注视事物的习惯；• 观察中要有意识地寻找可能存在的各种特点，发现异乎寻常的特征。观察并不像表面上看来那样简单。发生错觉的事例层出不穷。有人在哥廷根的一次心理学会议上做过一次试验。会开得好好的，突然进来一名“歹徒”，紧跟着一名“警察”，两人在会场上混战一场，警察开了一枪，两人又从会场冲出，整个场景持续20秒钟。会议主席让在场的40人准确地记下目击经过。结果发现，只有一人的叙述的错误率小于20％；14人的错误率为20％～40％；25人的错误率大于40％，其中半数报告中有臆造成分。这说明，观察（特别是仓促的观察）的错觉在所难免。科学观察必须信守上述四原则。正如美国著名医学家格雷格（A.Gregg）所说：“研究人员必须运用其绝大部分的知识和相当部分的才华，方能选出值得观察的对象。这是一个举足轻重的选择，往往决定几个月工作的成败，并往往能把一个卓绝的发明家同一个只是老实肯干的人区别开来。”他还说：“人们猜想，对大自然最细微逸出常规举动十分注意，并从中得益，这种罕见的才能是否就是最优秀研究头脑的奥秘，是否有些人能出色地利用表面上微不足道的偶然事件而取得显著成果的奥秘。在这种注意的背后，则是始终不懈的敏感性。”我们下面以德国物理学家伦琴发现X射线的故事为例，进一步演证上述观点。伦琴（W.R.Röntgen，1845~1923）是德国物理学教授，先后任教于斯特拉斯堡大学（1876～1879）、吉森大学（1879～1888）、维尔茨堡大学（1888～1900）和慕尼黑大学（1900～1920），治学刻苦严谨，善于单打独斗。1895年，他在维尔茨堡大学钟情于气体放电和阴极射线研究。那年11月8日下午，他在实验室里进行气体放电观察。先把克鲁克斯放电管用黑纸包严，拉上窗帘，使房间里一团漆黑，然后接通感应线圈，令放电管在高压下放电，接着截断电流。这时，他眼前似乎闪过一丝绿色荧光；眨眼间，荧光消失。他大吃一惊，看看放电管，黑纸包得严严实实，怎么会有荧光？莫非是错觉，自己老眼昏花了？（当年他年届五十）。于是，再行放电，神秘的荧光再度出现！不是错觉！反复几次后，在放电时他始终看到飘忽不定的淡绿色的荧光，发光方位大致相同。于是他擦亮一根火柴，发现离他的工作台一米开外处有一个涂有亚铂氰化钡的小屏，荧光来自这个小屏！于是，他凝神细想，倘若是放电管漏出阴极射线，它也只能走几厘米，怎么也到不了那个小屏。难道是另一种未知的射线使小屏发出了荧光？他抑制住内心的激动，再行细致观察。他把小屏对准放电管，并将其前后挪动，荧光点一直存在，他得出结论：这种新射线穿透力很强，随距离的衰减性很弱。接着他抓来一张扑克牌，放在放电管与小屏之间，想挡住射线，小屏依然闪着荧光；然后他用一本书来阻挡，荧光弱了一点，却仍不隐退；他又换了一张铝箔，荧光照样闪耀！他再换一张铅箔，荧光总算挡住了。伦琴兴奋极了，就这样不断更换手头能抓到的遮挡物，并发现，除了铅箔以外，寻常物品挡不住这股射线。这时工友来叫他吃饭，他依然呆坐在那里，痴痴地望着那个荧光屏。他已经基本上肯定，他的确发现了一种新射线。该称它什么呢？它真像一个未知数，就叫它X射线吧！接下来的几个星期，伦琴玩起了失踪，校园里不见了他的踪迹。他每天躲在家里的实验室中继续做新射线的实验，每次用餐都是他夫人贝尔塔派工友去反复催，他才在餐厅露面。偶遇熟人相询，他对自己的发现讳莫如深。经过一个多月的反复实验和观察，他牢牢地抓住了X射线，对其秉性也逐渐熟悉起来。他夫人贝尔塔发现他越来越“走火入魔”，吃饭时竟把面包往鼻子里送，很想探个究竟。于是溜进了伦琴的“禁区”——实验室，只见伦琴正拿起一个硬币放在空中，那个小屏上居然出现日全食那种情景。碰巧伦琴心情不错，没有责怪贝尔塔私闯实验室，还把她拉到跟前帮他做实验，让她捧着荧光屏前后移动。这时，贝尔塔突然浑身发抖，大声尖叫道：“妖魔，妖魔，你这里出了妖魔！”伦琴赶紧安抚她，问她见了什么？她说：“手，我见到了我的手！骨头还在，戒指还在，肉没有了。”伦琴拉起她的手说：“亲爱的，你的手不是好好的么！”接着说：“我确实逮住一个‘妖魔’，这妖魔能够穿透血肉！”伦琴干脆把贝尔塔的手放在荧屏附近，用放电管照射了15分钟，拍下了人类第一张X光照片。（见附图）。到了1895年的最后几天，伦琴完成了X射线的发现工作，赶写了一篇论文《一种新射线，初步报告》，送交维尔茨堡物理学医学学会，将副本寄给了几位好友，包括维也纳的物理学家艾克斯奈尔，后者立即认定这是一个伟大的发现。于是，1896年1月5日，奥地利的《新闻报》以“耸人听闻的发现”为题，在头版发布了消息；翌日，伦敦《每日纪事》等报纸报道了这一重大发现；1月23日，伦琴在自己的研究所举行了关于新射线的报告会。会上发布的消息和所做的演示引起了巨大的轰动。大家欢声雷动。伦琴则谦逊地说：“关于放电研究，赫兹、雷纳特、克鲁克斯等科学家做了很多有益的工作。1879年克鲁克斯先生在做真空放电实验时就发现放电管附近的照相底片发黑，1880年，美国的两位同行也遇到这种情况，1892年我国（德国）的物理学家也注意到了放电管附近的荧光，但是大家的注意力集中在阴极射线上，觉得这些怪异来自偶然的失误。我自己不过是重复了前人的工作，我的成功只不过是因为比他们细致罢了。我抓住X这个未知数去努力求解。当然，我们现在对它还知之甚少。不过已经确知，它能穿透大部分物体，可用来制作特殊的照片。至少可以帮外科医生的大忙。”以后的情况大家就很清楚了。伦琴以他的伟大发现于1901年获得了第一届诺贝尔物理学奖；而百余年来，有谁没有享受过X射线（伦琴射线）的恩泽呢？听完这个故事，再比照前面的科学观察四原则，我们可以发现，伦琴的确是按这些原则行事的，X射线由他发现，并非完全事出偶然。 致谢 天津大学机械学院的研究生冯强给我发来了伦琴夫人的X光照片和相关资料，谨向他表示衷心感谢！ 本文参考资料：[1] 贝弗利奇，W.I.B., 科学研究的艺术，陈捷译，科学出版社，1979。[2] 周立伟，科学研究的途径，北京理工大学出版社，2007。[3] 梁衡，数理化通俗演义，北京师范大学出版社，1999。 写于2009年5月6日