第五章 科学问题与科研选题(47)

克劳修斯
热力学第二定律表明，任何 孤立系统的熵都将趋向于极大， 而系统的熵与系统的组织状态密 切相关，熵增加意味着系统的无 序化程度加剧和系统组织程度的 减弱。
热力学理论提供的世界时 间箭头是一个不断衰落的时间 箭头。进化论所揭示的世界时 间箭头却是一个不断进化的时 间箭头。
达尔文
普里戈津
热力学第二定律和进化 论如何统一？甚至物理世界 和生命世界的图景如何统一 等，就成了科学家必须加以 解决的理论问题。20世纪70 年代，普里戈津针对这些科 学问题提出了著名的耗散结 构理论，并因此在1979年荣 获了诺贝尔化学奖。
（二）科学问题的类型
研究的视角或角度不同，或者分 类的标准不同其类型表现就不同。依 据科学问题的性质、研究需要及其方 式，以及在目标整体中的地位等，可 以将其作如下分类。
1、理解性与实用性问题
理解性问题 或称理论性的问题，即与解释现象和理 论思维有关，或主体探讨有关科学概念、 原理、假说等问题。如物理学中的万有引 力、时空相对性和光速不变；生物学中的 遗传本质、基因本质及其化学结构等等问 题。
2、通过引入新的假说来解答问题。
盖仑认为，血 液在肝脏中形成， 然后由静脉将一部 分输送到全身，另 一部分流人右心室， 通过左右心室之间 的孔道流到左心室， 再经动脉流到全身， 即是说血液只能来 回流动。
1、从社会生产的实际需要中产生的问题
如阿基米德浮力定律、曹冲称象。电子计算机 源于二战中弹道计算问题，农业中对作物高产和 高品质的需求对生物科学和技术提出的问题。
2、已有理论与经验事实之间的矛盾产生的问 题
如天王星轨道摄动和海王星的发现是由新的实 践与牛顿力学的矛盾所引发的。电子的发现与传统 的原子不可分的理论之间的矛盾，水星近日点的进 动与牛顿理论之间的矛盾等皆属此类。
4、从不同学派理论之间的矛盾中产生问题 如天文学中的日心说与地心说、地质 学中的灾变论与渐变论。 在几何光学中，光的微粒说与波动说 之间的矛盾催生了爱因斯坦的“光量子” 假说与德布罗意的“物质波”假说，并最 终揭示出光的波粒二象性本质。
5、从不同理论体系之间的矛盾所产生的问题 如果不同的科学理论，它们在各自的 领域都取得了成功，具有很大的解释力， 但是它们之间却存在着矛盾和不一致，那 么由此就会提出科学问题。
善于提出科学问题是科学家最重要的素质 • 牛顿曾在他的《光学》中提出了31个尚需 研究的问题。 • 德国数学家希尔伯特1900年提出了23个对 20世纪的数学发展产生了巨大影响的数学 问题。 • 爱因斯坦在几乎无人注意的惯性质量等于 引力质量这一事实中发现了深刻的问题， 创立了广义相对论。
希尔伯特说：“只要一门科 学分支能提出大量的问题， 它就充满着生命力，而问题 缺乏则预示着独立发展的衰 亡或中止。” “提出一个问题往往比解决一 个问题更重要。因为解决问题 也许仅是一个数学上的或实验 上的技能而已。而提出新的问 题，新的可能性，从新的角度 看旧的问题，却需要有创造性 的想象力，而且标志着科学的
3、科学问题的基本特征
（1）探索性 （2）混沌性 （3）待解决性 （4）可解决性 （5）可变异性
三、科学问题的来源、类型、提出与解决 科学问题究竟是如何产生的？其类型具 体有哪些？是在怎样的背景条件下由主体 发现、提出和加以解决的？ 如此等等问题都是科学认识发生的微观 机制的重要内容。
（一）科学问题的来源和提出
• 例如，在牛顿《自然哲学的数学原理》所 规定的经典力学的基本理论框架或范式下: • 亚当斯(Adams,J.C.)和勒维烈 (Leverrier,U.J.J.)所提出的天王星轨道 摄动和海王星的发现； • 瑞士数学家丹· 贝努力(Bernoulli,D.)和欧 勒(Euler,L.)的多质点体系、刚体和流体 力学； • 拉格朗日(Lagrange,J.L.)用变分法得出能 概括牛顿力学的普适数学形式等等问题。
宇宙不是无始无终的，而是有其确 定的开端，宇宙迄今仍然在膨胀
现代天文学家的研究指出,恒星和星系 并非永远存在,即恒星也存在生与死的问题。 所以每颗恒星仅在有限的时间内产生辐射。 根据现在宇宙学理论解释,我们的宇宙诞生 于距今约137亿年前的一次大爆炸,夜黑是 宇宙膨胀的结果,或者是说宇宙膨胀的证据 之一;自从宇宙诞生以来,还没有足够的时 间把光线洒满恒星之间的全部黑暗空间。
二、科学问题的结构和基本特征：
1、科学问题的结构
• 问题的指向 • 研究目标 • 求解的应答域
2、科学问题诸要素的作用
• 问题的指向通过指向问题对象而对科研具有指导 性，并客观潜在地决定了问题的解； • 任何有价值的问题总要求作出具体的应答域预设 以明确地指导研究，而泛泛的全域性预设则毫无 意义；若一个问题的应答域是错误的，即问题的 解不在所设定的应答域之内，这将会使科学家劳 而无功。 • 应答域通过预设问题解的存在域而如路标般为研 究者求解导航，即它主确认科学问题，这是弗莱明 取得科学成功的关键所在。
著名的微生物学家斯科特和细菌学家 古在由直曾回忆说，在弗莱明以前，他们 也曾在实验室中遇到过同样的情况，但都 把它当作因为操作不慎而引起的意外事件 而末加深究。 斯科特和古在由直之所以忽略了这个新 事实,是因为他们没能从上述情况中提出有 意义的科学问题。
科学问题的展开
科学问题的展开是不断发现问题、提出 问题和解决问题的过程。其步骤如下： 发现并提出问题； 进行实验； 对传统理论进行证伪； 提出假说； 检验假说和提出新的理论。
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一、科学问题的含义
科学问题是指一定时代的科学家在特定 的知识背景下提出的关于科学认识和科学 实践中需要解决而又尚未解决的问题。
“科学研究活动始于问题”并未否定“认识 以实践为基础” • 前者着眼于科学技术研究的程序，是从方 法论角度提出的命题;后者着眼于认识的来 源，是从认识论角度提出的命题。 • 作为认识的一般过程，实践是认识的基础， 科学理论归根结底产生于科学实践和生产 实践；作为认识的局部或个人的研究过程， 认识则要从问题开始。科学问题既包含着 先前实践和认识的成果，又预示着进一步 实践和认识的方向。
“科学问题”与简单问题
“科学研究活动 始于问题“中的”问 题”应该是“科学问 题”，因为没有明确 指向、没有确定应答 域的问题无从立即下 手进行研究，但是坚 持进行思考，这类问 题也可能转化为科学 问题。
据爱因斯坦回忆，他在 16岁时就思考过“假如一 个人跟随光一起跑会看到什 么”的问题。但最初这一问 题只能算简单问题，只有当 他把这一间题与伽利略变换、 麦克斯韦电磁理论联系起来 进行思考时，这个问题才具 有了科学问题的意义，并最 终导致了狭义相对论的创立。
实用性问题 或称经验性问题，即凡与观察、实验 等实践活动相关的问题。如阿基米德的浮 力定律、第谷的天文观测、伽利略的斜面 实验、达尔文随贝格尔号舰环球考察等问 题。
2、常规与非常规性问题
我国学者于祺明根据库恩关于科学发展 模式的观点，提出科学问题包括常规性和 非常规性等两类。 常规性质的科学问题 此指在科学逐步积累、演化阶段，为 充实和完善已有理论体系而提出的问题。
生物进化论和热力学的矛盾
19世纪诞生的生物进化论和热力学在各 自的领域内都解释了广泛的现象，建立了 相对严密的理论体系。但是，这两种理论 的基本原理之间却无法做出统一的说明。 这个问题在长达100多年的时间里，科学家 们对此几乎束手无策。直到20世纪70年代， 普利高津提出了耗散结构理论，这一问题 才在一定范围内得到初步的合理解答。
非常规性质的科学问题
指在科学革命阶段为突破已有的并创 造新的理论体系而提出的问题。例如， • 哥白尼为突破托勒密地心说而提出太阳中 心说； • 爱因斯坦在牛顿绝对时空观所潜藏的问题 中提出狭义相对论； • 拉瓦锡针对“燃素说”提出氧化说等等。
3、依据问题表述形式的分类
• “…是什么？”的问题 即what，要求对研究对象进行识别或判定， 其答案是对事实的陈述。 • “…怎么样？”的问题 即how，要求从要素构成、性质、相互关系 及其规律等方面描述对象状态或过程。 • “…为什么？”的问题 即why，要求分析揭示产生某类现象的原因 或行为的目的等。
洛仑兹通过引入长度收缩、局 部时间和新的变换关系，证明 在一级近似下，地球系统与以 太服从相同的规律；
而彭加勒提出的相对性原理和 洛仑兹提出的变换群则强调相 对性原理普遍的有效性。
爱因斯坦则大胆质疑前人的假说，提出了同 时的相对性这一关键的科学问题。
1905年，爱因斯坦在《论 动体的电动力学》论文当中提 出，同一地点发生的两个事件 的同时性是不依赖于观察者的， 而异地发生的两个事件的同时 性则是依赖于观察者的。只有 指明相对哪一个观察者，不同 地点的同时性才有意义。
3、科学理论自身内部因逻辑矛盾或悖论而 产生的问题 若某一理论的公理和推理规则看上去 是合理的，却推出了两个互相矛盾的命题， 那么这个理论就包含着悖论。 例如，伽利略从亚里士多德的“物体 的下落速度与物体的重量成正比”的动力 学理论中推出了悖论，伽利略由此提出了 自由落体的速度问题。又如，微积分初创 时期的无穷小悖论，曾推动了极限理论和 方法的产生。
相对论的创立，实际上源于作为电 磁波假设载体“以太”的一个质疑
美国物理学家迈克 尔逊，于1887年公布了一 个实验报告，称为“地球 和光以太的相对运动”。 报告表明，在牛顿力学领 域里普遍成立的相对性原 理，在麦克斯韦电磁场理 论中不成立。
洛伦兹和彭加勒等都想在保留以太 假说的基础上解决这一矛盾
维纳提出的信息论“应答域”
1948年,维纳明确 指出:”我们必须发展 一个关于信息量的统 计理论。在这个理论 中，单位信息量就是 对于具有相等概念的 二中择一的事物作单 一选择时，所传递出 去的信息。”
维纳问题的目标是 发展一个关于信息量的 统计理论; 问题的应答域是应 用统计理论和单位信息 量的基本概念。
启示
重大的科学突破往往始于凝炼出重要 的科学问题。提出问题，可能比解决问题 更重要。问题提出了，即便你提出问题的 人在有生之年没有能解决，其他的科学家 或者我们的子孙后代，总有一天会解决这 个问题。如果你提不出科学问题，你就没 有明确的工作目标。