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第15章 物理发现与创新思维(3)

(1)正确度高(2)精密度高(3)精确度高图(1)的射击靶纸上,环心代表真值,多次打靶的靶点都打中靶纸,说明正确度高;图(2)多次打靶的靶点都集中在某一区域,说明重复性好,精密度高,图(3)多次打靶的靶点既离环心近,又十分密(1)正确度高(2)精密度高(3)精确度高集,说明正确度也高,精密度也高,即精确度高。用射击打靶的情况解释评价实验测量结果好坏的三个术语,有多么形象!

一位音乐家在写作大自然乐章时,在他的大脑中同时浮现潺潺流水,万物争喧的田园场景。一位工程设计师在设计一个新产品时,他的思考过程将伴随着许多形象的放映。在思维过程中联想甚至虚构某一个图景,使自己的思维明朗化、清晰化,从而强化自己的思维,这就是思维形象化方法的实质。

(九)法拉第的想法

在法拉第之前,人们已经发现了电流的磁效应,即电→磁,法拉第脑子里想着个问题:由电既然可以产生磁,为什么磁不能产生电呢?

电可是一种很有价值的东西,当时用伏打电池造价昂贵而且电力不足,而磁石到处都有,如果用磁来生电,电的造价就会便宜了,那就不是实验室中的玩意了,而会与人类的日常生活连在一起。

1822年法拉第在日记中写下他的光辉思想,“磁能转化成电。”这以后,法拉第经过历时10年的失败、试验、再失败、再试验,终于做出了划时代的发现——电磁感应现象。

无论法拉第在10年内作了多少工作,他的“第想”绝对是最重要的,没有这重要的“第一想”,法拉第的名字很有可能与电磁感应毫不相干。这种两个事物之间相互转化的现象,在物理学中比比皆是:作功可以转化为热,热也可以做功—热机;

电可以转化成光——电灯——光也可以转化为电——光电池:机械能可以转化为电能——水力发电,风力发电等,电能也可以转化为机械能——电动机;当石英、电气石、酒石酸钾钠等晶体发生机械变形时,例如在拉伸或压缩时,承受压力的两个表面上会出现正负电荷,产生微弱的电势差。这种现象称为压电现象,俗称伸缩致电,反过来呢,当这些类的晶体带电时或在电场中时,晶体的大小将发生变化,即伸长或缩短,这种逆现象称为电致伸缩。

伸缩致电和电致伸缩,正是一来一往。

电话机中的话筒、录音机,是把声波振动转变为电振荡的电声器,声→电;而电话机中的听筒、放音器,是把电振荡转变为声波振动的电声器,电→声,又是一来一往。

正因为变化的电场转化为变化的磁场,变化的磁场又转化为变化的电场,在不断的相互转化中,电磁波才得以传播。

法拉第的“第一想”给我们提供了一种思维方法——逆反思维。正着走得通,那么反着走试试,说不定在反着走的过程中会出现新的发明创造。既然人们可以用扫帚把灰尘赶走,那么能不能把灰尘请进来,这便是吸尘器的思路。

圆珠笔用久了会漏油,毛病出在笔珠的耐磨性不够,与其费大工夫提高笔珠的耐磨性,还不如在笔珠尚未磨损前将笔用完。日本的中田用少装芯油的办法解决了圆珠笔漏油问题。

《三国演义》中的东吴大都督周瑜难为诸葛亮,非要他在三天之内造弓箭十万支。如果诸葛亮只从“造”这个正向上冥思苦想,无论如何也交不了差。但是,诸葛亮却从“不造”这个反方向去想,于是有了草船借箭的奇谋。草船借箭的故事说明,一般人由于思维定势的羁绊,习惯于顺向思维,往往压抑了聪明才智。旦突破了思维定势,人们就可以进发出巨大的智慧。

逆向思维又叫反向思维、逆向思维,是从众人常规考虑问题的相反方向去考虑问题、认识事物,从而有所发现、有所创造、有所补充。它是一种创造型思维方式,是一种新型的求异思维。逆向思维方法符合对立统一和相互转化的一般性哲学规律,因为事物总是要向其对立方向转化。许多过程都是可逆的。

逆反的方法,其特点是反过来想,达到异途同功。

(十)x射线的发现

x射线是德国人伦琴发现的,所以也叫伦琴射线。可是,x射线在伦琴之前也曾在一些科学家的实验室内出现过。英国人克鲁克斯更早地遇到了x射线,可惜克鲁克斯见奇不奇,与x射线失之交臂。

1876年,克鲁克斯在研究阴极射线时,发现一卷照相底片放在放电管的旁边,竟奇怪地曝光了。面对这个奇怪现象,克鲁克斯想都不想,便断言底片有毛病,将底片退回给厂家,其实,这正是x射线的光顾。1890年、1892年,美国和德国的些学者也发现了类似情况,但都未引起警觉。

1895年的天,x射线又光临到伦琴的实验室。一天,伦琴在实验室用放电管研究阴极射线。说来也巧,放电管旁边也放着一卷胶卷,实验后发现底片全部曝光。

伦琴见奇探奇,决心刨根究底,弄个水落石出。一天夜里,他用黑纸把放电管严密地包裹起来。当放电管放电时,突然看到l米外的荧光屏上闪闪发光。这说明在产生阴极射线的同时,还有种射线,这种射线的穿透力显然比阴极射线大得多。

伦琴夫人到实验室看丈夫。兴奋的伦琴喜悦地对夫人说:“亲爱的,这是一种新的射线。”伦琴让夫人手持荧光板由近向远移动,走不多远,夫人忽然惊讶地叫道:“你看我的手!”伦琴跑过来一看,屏上清晰地显示出手指的骨骼影像。“天呀!简直是奇迹!请你把手全部挡在荧光板后面。“夫人照办了,于是一个深黑色的整个手的骨骼影像完整地显示在荧光板上。伦琴激动地喊道:“亲爱的,你可知道它对人类的伟大意义吗?”

伦琴给这种射线命名为x射线。四天以后,一个医院就运用了这个成果,从一名患者手部顺利地取出一根铁针。正因为伦琴的见奇探奇,人们给人体内器官照相,才由不可思议变成易如反掌。任何奇异的现象都隐藏着人们还未发现的内在规律,剖析奇异,科学殿堂就有可能多一个有价值的发现。

克鲁克斯也看见了x射线,但他的“看”是一种盲目、被动的感受过程,都进入眼帘,又无动于衷,没有在头脑中加工为有用的信息。克鲁克斯如果像伦琴一样,观察中有思考,那么x射线可能会称为克鲁克斯射线了。

观察是一切研究之始,观察力不仅是科学研究人员的智力要素之一,也是每个人的智力要素之一。但是,观察是要讲究方法的,错误的观察往往会使事业失败。《水浒传》中,杨志在黄泥冈上对晁盖、吴用等七雄的一举一动作了详尽的观察,但是他的观察失败了,观察失败的原因在于缺乏深刻的思维,在观察中没有问几个为什么。

伦琴观察的成功,原因在于观察和思维活动密切联系在一起。边观察边思考可以发现问题。巴尔扎克说:“打开一切科学的钥匙都毫无异议的是问号,我们大部分的伟大发现都应当归功于‘为什么’。而生活中的伟大智慧,大概就在于逢事问个为什么”。创造从提问题开始,而提问题又常常源于观察与思考。观察,一方面应当头脑冷静,不把虚假当做真实,不轻易相信自己观察的结果,不急于下肯定,性的结论;另一方面,要寻根究底,不把未知当做已知,“疑似之迹,不可不察。”

德国化学家李比希从海藻里提取碘,他看到瓶底内有一层深褐色液体,发出刺鼻的臭味,李比希却见疑不疑、见怪不怪,认为是“氯化碘”。以后,别人发现是“溴”,李比希捶胸顿足,后悔莫及。我们莫学克鲁克斯、李比希的见疑不疑,许多机遇往往就出现在“疑似之迹”之中。

伦琴观察的成功,原因在于抓住奇怪的现象穷追不苦,见奇探奇。如果见奇不奇,无动于衷,可能会丧失一次科学发现的良机。

有一天,画家吉米在院子里聚精会神地画画,他太太正在洗衣服,洗好的衣服放在盆里,画家不小心将画笔上的蓝颜料甩在了洗好的白衬衣上。太太只得重新泡洗,可任她怎样刷洗,衬衣仍带有极淡的蓝色,谁知晒干后的白衬衣,反而显得更洁白。

吉米见奇探奇,他有意重犯“过错”,将洗好的白衣服放在蓝色颜料溶液中,发现晒干后衣服的确变得洁白。吉米认为,这是视错觉,在白色里搀入少许蓝色,在人们眼里反而感到更白。吉米利用自己的美学知识,开始尝试配制增白药。邻居们一试用,发现增白药的确性能不凡。后来,增白药以“衣服增白剂”的名义进入市场。

山西省一位农民,一次下地察看菜地,发现一个奇怪现象:一株被篱笆弄弯头的西红柿,果实结得特别好,一层一层,红到顶部。而其他植株,采摘第三果穗后,余下的果很难成熟。他没有见奇不奇,对弯头西红柿研究起来。后来,他有意对西红柿进行弯头处理,结果使西红柿大获丰收。他首创的“西红柿V型栽培法”,不仅使他发家致富,而且也为全国科技兴农星火计划增添了新项目。

奇怪之事,是与普通的、常见的不一样的事,是人们意料不到、难以理解的事,是偶然出现、稍纵即逝的事。留心它们,捕捉它们,就可能悟出发明之道,进发创造的灵感。

(十一)法拉第与力线

人们谈到电磁感应定律,必然要想起那位徒工出身的法拉第。在法拉第工作的前后,也有不少物理学家对电磁感应现象作了多方面的研究,也取得了不少成功,但都不及法拉第,因此人们把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第是恰如其分的。

人们往往只想到了法拉第发现了电磁感应定律,却忘记了他还有第二个贡献,更重要的是法拉第提出了场的概念。为了对电、磁现象作出正确的物理解释,法拉第提出了全新的概念和物理图像——场的概念和力线图像。

法拉第设想带电体、磁体或电流周围空间存在种由电或磁产生的物质,它无处不在,起到传递电、磁力的媒介作用,法拉第把它们称为电场、磁场。电场、磁场是什么模样的呢?法拉第用电场线和磁感线的几何图形非常形象、直观地描述了电场、磁场的状况。

电场、磁场中任意一点的场强,其大小、方向都可以用电场线、磁力线表示出来。英国人汤姆生对法拉第的力线评价很高,他说:“在法拉第的许多贡献中,最伟大的一个就是力线概念了。借助于它就可以把电场和磁场的许多性质,以最简单而极富启发性地表示出来。”

法拉第创造力线运用了图示法,图示法是思维形象化方法之一。图示给人以直观、形象鲜明的感觉,用来描绘自然现象。图以一种特定的形象伴随着抽象思维以与之相辅相成,是解决抽象课题的行之有效的方法,我们固然要培养自己进行抽象思维的能力,在思维过程中也不要放过任何形象化的机会与可能。人们在思考问题时常常要“比比画画”,所谓比比画画就是以图示意。

图示,可以清晰和简化思维。例如,18世纪在哥尼斯堡地方有一条布勒尔河,这条河有两个支流,在城中心汇成大河。中间是岛。河上有七座桥。哥尼斯堡的大学生在散步时,总想一次走过七座桥,而每座桥只准走一次,但是总是办不到。数学家欧拉对这个问题作了分析,他把具体的岛、半岛、两岸陆地抽象为四个点,把七座桥抽象为七条线,于是七桥问题经过图示,则简化为“笔画问题”。什么样的图形可以一笔画,什么样的图形不能一笔画,图示方法为现代拓扑学铺路搭桥。

现在,用一个箭头代表一个力已习以为常。力的三要素——方向、大小、作用点全在箭头上显示出来,既简单又如此形象化,这个箭头堪称图示方法的杰作。图在物理学研究中有很重要的地位,较常见的有矢量图、力线图、流线图、谱线图、电路图、光路图、流程图等。例如,玻尔的原子能级图,把原子中能量的跃迁说明得一清二楚。

图示在工程技术研究中有突出作用。任何伟大的工程首先都体现在一定的形象上,一定的蓝图上。控制工程中的方块图,将系统中的每一个具有特定功能的组成部分用一个方块来表示。人们用等高线地形图来研究水库的汇水容积,确定路线的选择,根据地形图来决定军队的战术活动。

图示在日常生活中处处发生着作用,你瞧北京东来顺店门口画的店标,一下子把经营涮羊肉的业务突出来了,一目了然,极具广告效应。

(十二)争夺光学王冠之战

光究竟是什么,它有什么性质,它又是怎样传播的呢,几千年来人们一直不断地探讨它的奥妙。

早在17世纪末叶,世界上几乎同时产生了两种关于光的本性的学说:一种叫光的微粒说,提出这种学说的是经典物理的创始人——英国人牛顿;另一种学说叫光的波动说,它是由荷兰的物理学家惠更斯提出来的。这两种学说在当时势均力敌,它们争夺光学的王冠,形成光学史上长期的两军对垒。

光的微粒说认为:光是由发光体上发射出来的一种很小的弹性粒子流,这些组成光的弹性微粒,在均匀的媒质中以一定的速度沿直线传播。微粒说对于当日口那个时代所能够认识到的许多光现象,比如光的反射、折射现象,都做出了解释。光的波动说认为:发光体在它周围的空间里会引起弹性振动,光就是这种振动在空间的传播所形成的波——光波。光的波动说,同样能够解释当时所发现的一些光现象。

光的微粒说和光的波动说尽管各抒己见,却都可以解释一些相同的光现象,人们一时无法判断他们谁是谁非。可是因为微粒说简单、直观,能够自然地说明光的直进现象,容易被人们接受,再加上牛顿素孚众望,所以,微粒说一度夺取了王冠,从而统治了光学100多年。

100多年过去了,科学技术的发展使人们有可能发现更多的一些光现象。

1802年,托玛斯·杨在双缝实验中发现了光的干涉现象。对于光的干涉现象,微粒说根本无法解释,而波动说却可以圆满地解释。因此19世纪,在光学的宝坛上,微粒说不得不摘下王冠而让位给波动说了。

谁知好景不长,波动说自己给自己设下了无法前进的障碍。大家知道,一切由机械波所产生的弹性波,都必须凭借某种介质去传播。光的波动说既然明确地说出:光波是由弹性振动引起的,那么光波究竟凭借一种什么样的介质传播的呢?波动说的论者们想像出一种叫做“以太”的弹性介质,只要“以太”存在,波动说就可以保住王位,于是许多人在为发现和寻找“以太”上做了大量的工作,但无不以失败而告终。后来,人们终于认识到,这种神秘的“以太”的虚无性,使波动说站不住脚了。