科学创新的发生机制探讨

汪　寅

在科学发展的历史长河中存在着无数科学创新的鲜活案例。科学创新有没有具体的发生机制，有无规律可循?笔者结合科技史中有关史实来探论科学创新的发生机制。按照科学创新孕育与产生的途径可将创新的发生机制分为以下几种类型。

一、灵感直觉型

灵感直觉型原始创新是指在科学研究中，借助于灵感与直觉的启示，寻找到解决问题的症结，从而孕育出原创性思想的机制与方法。灵感是认识主体在偶然受到外来某种信息的刺激而突然产生的随机过程，它常常在不经意间突然而至。伴随它的往往是被称为“直觉”的特殊心理体验和心理过程，使认识主体的创造力突然之间超水平发挥，一下子使感性认识升华为理性认识，从模糊感觉转化成清晰认知，从而顿悟出事物的本质，获得具有独创性的认识成果。

灵感往往是在创新主体对问题苦苦思索时发生的。对科学问题的长久沉思，对解决问题的热切渴望，加上一定的知识积累是产生灵感的重要前提。美国著名的发明家爱迪生有一句名言：“发明是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水。”可见，灵感是长期积累、探索的结果。通过研究科学史中的原始创新案例，笔者总结了灵感触发的几种情况：

1梦境启发

在科学研究过程中，借助于梦境的启发产生灵感的事例最著名的就是凯库勒的苯环结构猜想。凯库勒在梦中看到蛇咬住自己的尾巴形成了一个环形，醒来后他头脑中闪现了一个念头：苯的碳原子结构会不会是环状的?梦境的启发使他做出化学直觉判断，导致了有机化学方面的重大发现。

现代脑科学的研究表明，脑电波存在一种被称为“西托”的状态。美国的格林博士认为，一个人身心进入似睡似醒状态时，脑电图显示出一系列长长的、频率为4～8周的电波，科学家称这种状态为“西托”，而在西托状态中做梦常常会迸发出创造性灵感。这种“西托”式的梦境，只有在思考的问题焦点明朗，思索紧张，以至达到寝食不安的程度才易于出现。

2偶然事件的激发

当创新主体对研究的问题处于百思不得其解的困惑状态时，外界的偶然事件往往能起到激发灵感的作用。牛顿的万有引力思想、阿基米德的浮力定律思想的灵感都源于一些偶然事件。偶然事件在普通人眼中没有什么特别，但却恰恰触发了创新主体苦苦寻觅的解题线索，从而激发了灵感。当然，偶然事件是一种机遇，可遇而不可求，灵感激发的关键还在于对问题的长期思考。

3情境转移

灵感的触发除了艰苦的劳动外，还需要一定的激发条件。灵感通常是在紧张思考活动之后转入某种精神松弛状态时出现的。即做到“一张一弛”，紧张之余适当放松调整有助于灵感的产生。长久思考一个问题而不得其解时，利用各种方式转换情境，制造宁静愉悦的心境。

二、哲学助产型

哲学助产型原始创新是指在科学研究中，借助于哲学的洞察力与批判力，发现原有理论的缺陷与不足，通过修正、完善、重构等方式获得原创性思想的机制与方法。伟大科学家在做出重大科学原创的过程中，往往从先哲富有哲理的思想中得到过深刻的启迪。日本著名物理学家汤川秀树认为，中国先哲老子和庄子对自己物理思想的形成有着深刻的影响。爱因斯坦承认自己的相对论思想受益于马赫哲学。

哲学助产作用更多地表现在理论研究之中，例如理论物理学与数学领域之中，这与哲学学科的抽象思辨性特点相关。具体来说，哲学对原始创新的启示主要表现在两个方面：

1以彻底的哲学批判精神反思科学理论的缺陷

在某个特定的研究领域中，对科学权威或已经得到普遍认可的理论或方法提出质疑，对理论的前提、公理性假设及其相关背景知识进行批判性反思，发现其中的缺陷和问题，从而对该理论进行补充、完善，甚至是彻底的决裂，最终形成新的理论或方法。以纳什在博弈论中的原始创新为例。博弈论是由数学家冯·诺依曼创立的一个新的数学分支，他和莫根·施耐恩合作的《博弈论和经济行为》是博弈论的经典著作。纳什在研究中发现，这一著名理论中存在两大缺陷：一是这一理论并不能成功解决重大的经济学问题，与冯·诺依曼之前提出的极大极小定理相比，也没有新的突破。二来该理论最完善的部分是两人零和博弈，而这种完全冲突的博弈在现实世界中没有太大的用途。经过几年以后，运用相关的数学、经济学原理，纳什发表了著名的均衡定理。均衡定理可以看成冯·诺依曼定理的一种扩散，但同时也是一种彻底的决裂，它引入了合作博弈和不合作博弈的区别。纳什将这一理论扩展到牵涉各种合作和竞争的博弈，成功将博弈论应用到经济学、政治学、社会学乃至进化生物学中。

2以坚定的哲学信念从事科学研究

哲学信念是科学家从事科学研究的精神伴侣。科学研究活动与其他人类文化活动一样，是需要以一些信念作为自己的前提和基础的。这些信念是科学研究的先决条件，它们构成了指导科学探索的总的世界观或哲学背景。客观世界的存在性与世界的可知性是自然科学家的基本哲学理念。正如爱因斯坦所说：“相信有一个离开主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。”科学家必须坚信世界的可知性，相信通过科学实践可以逐步认识自然界。这些基本的哲学信念是唯物论与辩证法的反映。在具体的科学研究中，科学家总是依据特定的哲学信念从事工作。贝塔朗菲的一般系统论来源于20世纪20年代的机体论。在1924～1928年，他多次发表文章，主张要把有机体当成一个整体或系统来考虑。他从哲学先驱那里汲取了许多思想，把协调、秩序、目的性等许多概念用于有机体，为形成一般系统论奠定了基础。

三、科学臻美型

科学臻美是指在科学研究中，把对美的追求放在思维首位，通过对科学对象进行加工、修改及重构以达到使科学对象趋于完美的一种思想或方法。哥白尼说过：“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学和艺术中，我认为首先应该用全部精力来研究那些与最美事物有关的东西。”科学美与原始创新之间密切相关。

科学的一系列重要活动，包括科学事实的发现、科学原理的建立、科学理论的评价，都表现为一种审美活动。爱因斯坦狭义相对论、广义相对论的建立得益于从自然界蕴涵的崇高庄严和令人敬畏的秩序美、和谐美中的启示。爱因斯坦提出了理论评价的内部层次与外部层次。内部层次的评价判断依据是理论内在的概念结构，就是有关理论的“自然性”或简单性；外部层次的评价判断依据的是该理论与经验数据之间的关系。对科学理论“自然性”的追求实际上源于对自然美的追求。它包含对世界的秩序性、规律性、和谐性与统一性的理解，是科学审美精神的本质体现。由此可见，爱因斯坦的理论评价的内部层次

实际上是一种审美标准。

科学臻美遵循其自身的逻辑规则：审美逻辑。审美逻辑研究意象思维形式及其规律。我们知道，概念是形式逻辑的“细胞”，推理是形式逻辑核心问题。审美逻辑与形式逻辑不同，想象是审美逻辑的“细胞”，想象和直觉的矛盾运动，以及在此基础上形成的审美判断、审美推理，构成了审美逻辑的主线。审美逻辑的推理结构可以用图1表示。在图中，横轴t表示时间，纵轴L表示理性高度。其中1、2、3、4……表示随着时间推移想象发生的饮数。各次数之间彼此间隔是不等距的，有大有小，表示在创造中有想象频繁集中的时刻，也有想象沉寂进行孕育的时刻。同次数相对应的虚线，表示否定型直觉。直觉高潮是BC，它是一个肯定型直觉，用实线表示，亦即灵感产生之处。AB斜边表示推理，由低向高不断上升构成了思维的运动。

四、交叉创造型

当代科学发展呈现出高度分化与高度融合的双重特点。一大批新兴交叉学科兴起，很多原始创新都是从学科之间的边缘地带产生出来的。据统计，现在已有交叉学科数目超过两千多门。如分子生物学是物理学与生物学的交叉研究。从学科交叉中孕育新思想、新问题是科学原创产生的一个重要途径。

学科交叉是学术思想的交融，是系统辩证思维的体现。自然界现象复杂多样，仅从一种视角研究事物，往往具有很大的局限性，难以揭示其本质。因此，采取学科交叉的方式进行跨学科研究有利于形成正确完整的认识。著名物理学家海森伯认为，在人类思想史上“重大成果的发现常常发生在两条不同的思维路线的交叉点上”。1953年DNA双螺旋结构的发现就是化学家鲍林，生物学家沃森和物理学家克里克、富兰克林、威尔金斯等合作的结果。这表明在学科、理论之间发生相互作用、相互渗透形成了新的科学生长点。

解恩泽教授总结了交叉科学的形成机制：单向移植、双科交融、多元综合、侧面断析等多种形式。移植是交叉产生和发展的一个有效途径。移植就是将既有的科学理论方法或手段运用于正在探索的课题中去，从而有所创新。贝弗里奇认为，把一门学科的概念扩散移植到另一领域，也许是科学研究中最有效、最简便的方法。各学科之间通过形成机制与方法孕育出新兴的交叉科学，为原始创新开辟了新的方向与思路。