愛華網(wǎng)學(xué)習(xí)漫談(100)：大膽假設(shè) 小心求證——八談科研方法假說(shuō)篇 精
已有 2135 次閱讀2013-10-15 07:47|個(gè)人分類:寄語(yǔ)學(xué)子|系統(tǒng)分類:科研筆記|關(guān)鍵詞:科研方法 假說(shuō) 假設(shè)
楔子本講敘述提出假說(shuō)或假設(shè)在科學(xué)研究中的意義和方法，簡(jiǎn)述假說(shuō)的特征和形成過(guò)程以及判斷假說(shuō)的正確性的判據(jù)，并列舉四個(gè)案例加以闡釋。
大綱一、引言
二、提出假說(shuō)的方法
三、案例分析
四、結(jié)束語(yǔ)
一、引言
假說(shuō)和假設(shè)是通向科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“橋梁”，科學(xué)地提出假說(shuō)和假設(shè)是科學(xué)研究中最重要的技巧之一。假說(shuō)和假設(shè)是想象力的產(chǎn)物，是認(rèn)識(shí)上的飛躍。這是科學(xué)研究中最困難的一步，需要為之付出艱巨的勞動(dòng)。正如科學(xué)方法論專家貝弗里奇所說(shuō)：“假說(shuō)是研究工作中最重要的智力活動(dòng)手段?！?br>
假說(shuō)，在數(shù)學(xué)研究中經(jīng)常表現(xiàn)為猜測(cè)。高斯說(shuō)過(guò)：“沒有大膽的猜測(cè)就沒有偉大的發(fā)現(xiàn)?！?br>
假說(shuō)產(chǎn)生的時(shí)機(jī)在于：理論系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷或空白之時(shí)；已有理論或原理與事實(shí)發(fā)生矛盾之時(shí)時(shí)；新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象需要分析、解釋之時(shí)。
假說(shuō)的價(jià)值在于它的可拓展性，貝弗里奇指出：“假說(shuō)之所以能富有成效，不僅對(duì)提出者如此，而且還可能使別人進(jìn)一步發(fā)展。”假說(shuō)在得到充分的科學(xué)拓展之后，可上升為原理乃至定律。
假說(shuō)的成立必須得到實(shí)踐驗(yàn)證，必須符合客觀事實(shí)，符合事物的發(fā)展規(guī)律。假說(shuō)在形成過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)千錘百煉、多方推敲、不斷修正。達(dá)爾文根據(jù)自己多年的研究經(jīng)驗(yàn)總結(jié)道：“我一貫力求思想不受拘束，這樣當(dāng)某一假說(shuō)為事實(shí)證明錯(cuò)誤時(shí)，不論我對(duì)自己的假說(shuō)如何偏愛，我都放棄它。我想不起哪一個(gè)最初形成的假說(shuō)不是在一段時(shí)間過(guò)后就被放棄，或被大加修改的?！必悹柤{也指出： “過(guò)于相信自己的理論或設(shè)想的人，不僅不適于做出新發(fā)現(xiàn)，而且會(huì)做很壞的觀測(cè)。”貝弗里奇進(jìn)一步指出：“我們必須十分注意，不使自己對(duì)自己的假說(shuō)過(guò)于熱衷，應(yīng)力求客觀地判斷，并一旦發(fā)現(xiàn)矛盾的事實(shí)，就修改它或丟棄它。要提高警惕，不使觀察和解釋受到假說(shuō)的影響而歪曲。假說(shuō)在不被相信的情況下也可以利用。”本講的案例印證了上述觀點(diǎn)。
二、提出假說(shuō)的方法能否正確地提出假說(shuō)是最能顯示科研工作者的功力之所在。只有在進(jìn)行了充分的觀察和調(diào)研之后，在全方位地做了深思熟慮之后，才有可能提出科學(xué)的假說(shuō)。形成并提出假說(shuō)的途徑多種多樣，概括起來(lái)說(shuō)，主要方法如下：
1）歸納法：把一些特殊情況下已經(jīng)證明無(wú)誤的規(guī)律概括為一般情況下的假說(shuō)。例如，達(dá)爾文在廣泛搜集物證，并通過(guò)總結(jié)概括，提出生物進(jìn)化假說(shuō)（詳見第六講）。
2）類比法：把某一現(xiàn)象與另一個(gè)熟悉的事物、過(guò)程的規(guī)律作類比，抓住它們的共同特征，用類推的方法提出假說(shuō)。例如，從力學(xué)中的引力定律類推電學(xué)中的庫(kù)倫定律；從太陽(yáng)系中行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律類推出原子模型假說(shuō)。
3）移植法：應(yīng)用或移植其它學(xué)科領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的新原理或新技術(shù)來(lái)提出假說(shuō)。例如，把腦化學(xué)的理論和方法用于腦發(fā)育的心理環(huán)境說(shuō)。
4）分類整理法：對(duì)已有資料分門別類、分析整理，尋求規(guī)律。例如，門捷列夫采用這一方法發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期表。
5）經(jīng)驗(yàn)公式法：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理得到經(jīng)驗(yàn)公式，在此基礎(chǔ)上提出假說(shuō)。例如，開普勒行星運(yùn)動(dòng)三大定律的面積律的導(dǎo)出。
6）試錯(cuò)法：嘗試性地提出不同的設(shè)想，通過(guò)試錯(cuò)，決定取舍。例如，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論時(shí)所采用的方法（詳見下文中的案例1）。
一般來(lái)說(shuō)，假說(shuō)的形成過(guò)程如下：
1）提出初步假說(shuō)階段：通過(guò)為數(shù)不多的事實(shí)和材料，經(jīng)過(guò)思維加工而得出雛形假說(shuō)，可能帶有明顯的嘗試性和暫時(shí)性。其中歸納法起主要作用。
2）驗(yàn)證假說(shuō)階段：以事實(shí)為基礎(chǔ)，應(yīng)用多方面的知識(shí)進(jìn)行演繹論證，只有經(jīng)過(guò)充分論證、充實(shí)，假說(shuō)才能成立。其中演繹法起主要作用。
仔細(xì)考察達(dá)爾文提出生物進(jìn)化論的過(guò)程，特別是提出“適者生存”假說(shuō)的過(guò)程，就能體會(huì)上述假說(shuō)形成過(guò)程。
科學(xué)工作者的研究功力不僅表現(xiàn)在提出原始假說(shuō)方面，而且表現(xiàn)在對(duì)自己或別人提出的假說(shuō)的正確性的判斷能力方面。而判斷假說(shuō)的正確性的依據(jù)是：
1）新假說(shuō)能解釋舊假說(shuō)所能解釋的一切現(xiàn)象。
2）新假說(shuō)必須能避免舊假說(shuō)的一些錯(cuò)誤。
3）在可能之處，新假說(shuō)應(yīng)能解釋舊假說(shuō)不能解釋的預(yù)言或事物。
不要以為只有大科學(xué)家才有資格提出假說(shuō)，所有科學(xué)工作者都有機(jī)會(huì)提出假說(shuō)或猜測(cè)，也許在程度和適用范圍上會(huì)有一定的差別。我們?cè)谧隹蒲袝r(shí)，一般總是從不滿足于已有成果開始，在嘗試進(jìn)行新探索時(shí)，總要提出新的假設(shè)或假說(shuō)，突破原有的框框，通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、建模、模擬、分析，通向新發(fā)現(xiàn)之路。
三、案例分析在科學(xué)發(fā)展史中，有許多假說(shuō)，可以說(shuō)，科學(xué)發(fā)展的歷史就是假說(shuō)演化的歷史。例如，康德關(guān)于太陽(yáng)系起源的星云假說(shuō)，魏格納的大陸漂移說(shuō)，等等。下面列舉若干著名的案例進(jìn)一步加以說(shuō)明。
案例1：愛因斯坦狹義相對(duì)論的假說(shuō)
愛因斯坦所面臨的已知結(jié)論（假說(shuō)）有：
1）光速不變性原理——慣性系中，真空中的光速為常值；已為邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)所證實(shí)；
2）相對(duì)性原理——所有慣性系中自然定律相同；
3）速度相加定理——坐標(biāo)系A(chǔ)相對(duì)于坐標(biāo)系B作勻速直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)系B中的速度等于在坐標(biāo)系A(chǔ)中的速度與A相對(duì)于B的速度之和。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，速度相加定理與光速不變性原理相矛盾。為了提出新的假說(shuō)，他面臨的選擇是：
1、舍棄假說(shuō)1）？－不可。真空中光速恒定定律是電磁現(xiàn)象理論的一個(gè)必然結(jié)論，且有實(shí)驗(yàn)證據(jù)；
2、舍棄假說(shuō)2）？－不可。若舍棄，導(dǎo)致不同慣性系中描述的自然現(xiàn)象不是等效的，明顯地不符合事實(shí)；
3、舍棄假說(shuō)3）？－這是唯一可能的出路。
于是，愛因斯坦提出創(chuàng)造性的思路：
從前兩個(gè)基本假說(shuō)出發(fā)，提出了同時(shí)性的相對(duì)性問(wèn)題，導(dǎo)出了洛侖茲變換，舍棄了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，建立了狹義相對(duì)論。
案例2：愛因斯坦廣義相對(duì)論的假說(shuō)
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論還不是完整的理論體系，因?yàn)橄鄬?duì)性原理局限于慣性系，還不能解決加速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題和萬(wàn)有引力問(wèn)題。因此，選擇了引力問(wèn)題作為突破口。他用“愛因斯坦升降機(jī)”這一思想實(shí)驗(yàn)證明了參照系的加速度產(chǎn)生的效應(yīng)與引力場(chǎng)的效應(yīng)完全相同，亦即，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等。
愛因斯坦提出兩個(gè)基本假說(shuō)：
1）等效原理——一個(gè)加速度為a的非慣性系，等效于含有均勻引力場(chǎng)的慣性系；
2）廣義相對(duì)性原理——在任何參照系中，物理學(xué)規(guī)律的數(shù)學(xué)形式相同。
在此基礎(chǔ)上愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。
案例3 關(guān)于光的波粒二象性
關(guān)于光的本性假說(shuō)歷經(jīng)曲折，現(xiàn)作簡(jiǎn)要的歷史回顧：
牛頓提出光的微粒說(shuō)，但不能解釋光的衍射現(xiàn)象。
惠更斯提出光的波動(dòng)說(shuō)；菲涅耳建立衍射理論；麥克斯韋提出光的電磁理論，優(yōu)于彈性理論，但不能解釋熱輻射按頻率分布、光電子發(fā)射效應(yīng)等；
普朗克、愛因斯坦等提出光的量子理論，認(rèn)為光與其它基本粒子一樣有波粒二重性。
德布羅意提出物質(zhì)波的概念，進(jìn)一步發(fā)展了波粒二象性。
案例4 關(guān)于埃利希的化學(xué)療法
德國(guó)細(xì)菌學(xué)家埃利希提出假說(shuō)：由于某些染劑能有選擇地給細(xì)菌和原生動(dòng)物染色，所以就有可能單為寄生蟲所吸收的物質(zhì)，而且可以殺死寄生蟲而不損害宿主。
他對(duì)自己的設(shè)想堅(jiān)信不移，歷經(jīng)失敗，直到發(fā)現(xiàn)錐蟲紅有某種抗原生動(dòng)物能力，沿此方向努力，最后制成治療梅毒的“六〇六”。這可能是疾病研究史上一種對(duì)假說(shuō)的信心戰(zhàn)勝巨大困難的范例。
但是埃利希的假說(shuō)并不正確，現(xiàn)時(shí)很多有化學(xué)療效的藥物并不是有選擇地附著在傳染源上。這一不正確的假說(shuō)還導(dǎo)致用磺胺做化學(xué)治療（1932）。
四、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，我們可以得到如下結(jié)論：
u 應(yīng)該按正確的思維方法提出假說(shuō)；
u 假說(shuō)必須以事實(shí)材料為依據(jù)；
u 創(chuàng)立假說(shuō)要充分運(yùn)用科學(xué)原理和新的線索；
u 要對(duì)假說(shuō)進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，正確的假說(shuō)一應(yīng)解釋已有事實(shí)，二應(yīng)預(yù)言未來(lái)事件；
u 假說(shuō)的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單明確，基本概念清晰明了。
初稿：寫成于2013年3月28日
二稿：寫成于2013年10月14日
本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-733008.html
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