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第4章 跨学科学习,自然科学与人文艺术相得益彰(1)

著名数学家苏步青在审阅一篇青年数学工作者的论文后,感慨地说:“我给他改病句和错别字的时间比看全文所花的时间还多。”许多理工科大学生毕业后在文学艺术修养、语言文字表达能力等方面没有达到一个大学生应有的水平。相应的,许多文科生毕业后只会吟诗弄赋,却不能胜任一般的调研、分析工作。对于社会的发展而言,自然科学、人文社会科学、艺术,三者同样重要。大到民族、国家,小到个人素质,自然科学、人文社会科学和艺术,三种素质缺一不可。

现代学科发展的特点

在科学技术方面,现代科学技术一方面在研究上学科和专业越分越细,另一方面在应用上又越来越综合,出现综合应用、集成发展的趋势。

当前,与人类有密切关系的五大科学前沿和六大高技术领域都在不断的深化和迅速发展。同18世纪、19世纪不同的是,不是单项发展,而是相互渗透,综合发展。不仅科学和技术的关系越来越密切,科学的各学科之间、技术的各领域之间的联系也越来越紧密,相互渗透,相互交叉,综合发展。这就要求一个国家不但要具有某些单项的技术优势,更要具有综合技术或技术集成化的能力。对于科技工作者而言,也是如此。较宽广的知识面和综合应用能力已成为创新的关键。

比如,重组DNA技术就是一个相当复杂的、综合性的高技术。这是多项技术综合发展的结果。与之相关的技术有电子显微镜技术、X射线衍生分析技术、超薄切片技术、放射自显影技术、色谱分析、质谱分析、分光度分析、核磁共振等技术,与之相关的学科有细胞化学、生物物理学、电生理学、数学生物学、生物统计学等学科。

历史上,化学家、物理学家主动积极的向生命科学渗透,推动生命科学发展的例子已为人们所熟悉,如1944年三位美国化学家对核酸作为遗传物质的确立,物理学家Wotson-Crick的DNA双螺旋结构模型的提出等。生物学正在向物理、化学或其他学科渗透,利用其成果和技术,吸收其新思想。

在人文社科方面,现代学科发展的根本特点是趋向综合和学科交叉。

人文社会科学研究的广度和深度在不断拓展。人文社会科学研究的时空视野越宽,对于人文社会科学的各层次和侧面的理性认识越深,人文社会科学各个层面上学科的数量就会相应增多。现在人文社会科学的学科总数已达二三千门之多。

人文社会科学自身已经成了一个开放的有机统一体相联系。由于人文社会科学的研究对象具有高度的综合性,人文社会科学对内积极推进各学科交叉联结,对外主动和自然科学联系,成为同自然科学相联结又相对应的一大综合性的科学部类。

北京大学百年校庆时,曾举办了世界著名大学“大学校长论坛”。会上,哈佛大学校长N·L·陆登庭作了“21世纪高等教育面临的挑战”的演说。他提出“大学要重视对‘人文’学问的传授”,要求学生“除主修像化学、经济学、政治学或是天文学等一个专业外;还要跨越不同学科,从道德哲学、伦理学到数学逻辑,从自然科学到人文,从历史到其他文化研究广泛涉猎。”实际上,哈佛大学和美国其他大学都在竭尽全力地推行“通识教育”,以便使大学生们不断地了解他人,更深刻地了解自己,审视自身的信仰和价值,使自己成为符合时代精神的成功的人。

跨越专业领域做学问

诺贝尔化学奖得主理查·E·斯莫利,1973年获得博士学位。1976年,他来到休斯顿的赖斯大学从事研究和教学工作。1981年,以斯莫利为首的研究小组发明了一项新的实验技术——激光汽车氦气脉冲膨胀法,它的核心是一个能够产生小的分子集合的激光束流发生器。这虽不是了不起的大发明,但却是一项非常有效的实验技术。此时,英国苏塞克斯大学的教学H·W·克鱼托正在对宇宙空间中红巨星的大气进行研究,通过光谱学的分析,他认为在这些大气中含有大量长链的碳和氮分子。这些分子是如何在恒星大气中形成的?它们的分子结构是怎样的?克鲁托一直找不到合适的仪器设备进行实验。在1984年春天的一次学术会议上,克鲁托认识了斯莫利的助手R·F·柯尔,并参观了斯莫利发明的激光束流发生器,他认定这就是自己所需要的实验装置。

1985年9月1日,克鲁托来到赖斯大学,与斯莫利、柯尔合作进行研究。斯莫利将试样材料由金属改为碳进行实验,发现在实验装置的特定条件下,碳形成了一种他们从未见过的新分子——具有60个碳原子的碳60(C60)。

在这之前,科学家们所知道的由碳原子形成的晶体只有两种:一种是石墨,在这种晶体中相邻的碳原子以六角形的层状排列;另一种是金刚石,相邻的碳原子呈金字塔形排列。石墨和金刚石在一定的条件下很容易与其他物质发生化学反应,而C60这种碳分子极其稳定,呈现了完全不同的化学性质。

初步的进展鼓舞着斯莫利等人,紧接着他们对C60的分子结构作第二步构想:60个碳原子究竟是怎样在球面上排的。开始,他们曾想通过先进的计算机模拟技术来构建C60的分子结构模型,但未获成功。在这段时间里,这一难题困扰着斯莫利小组的每一个成员。斯莫利本人更是整日里苦思冥想,即使是在走路、吃饭时,他的脑海里仍然浮动着C60球。

一次休息时,斯莫利突然想起克鲁托曾和他的孩子一起玩搭建圆形拱建筑模型游戏的情景。由此他大受启发:自己一直苦苦思索的C60分子结构不就与美国著名建筑设计师巴基明斯特·富勒为1967年蒙特利尔世界博览会设计的由多个正五边形和正六边角形拼接而成的那种球形网格建筑结构极其相似吗?从另一个角度看,C60的分子结构又恰似一个在绿茵场上滚动的由黑色五边形和白色六边形组成的足球。斯莫利连夜用纸片剪成一个个正六边和正五边形,再把它们粘起来。第二天一早,斯莫利把这个纸糊的“足球”带到了实验室,克鲁托、柯尔看了之后,不禁为斯莫利丰富的想象力拍案叫绝。他们马上进行了实验和计算,当结果充分证实了斯莫利的C60分子结构模型的科学性时,实验室里一片欢呼声。正因为如此,1996年的诺贝尔化学奖被授予了斯莫利、柯尔和克鲁托三人。

可见,斯莫利发现碳元素的第三种晶体存在形式C60,并不完全只局限于专业知识和推理,其他领域的知识起到了关键性的作用。

世界上,各种知识之间有着非常奇妙的联系。一些大学里读物理的教师改行教数学会教得很出色,同样,学历史出身的教师教语文和政治也非常得心应手。因为知识的特点就是能够迁移,使人们可以在彼此之间找到互相的联系,找出一些本质的规律。

路易斯·维多克·德布罗意是法国著名物理学家,1929年曾获诺贝尔物理学奖,可以说在德布罗意的学术生涯中,用历史的方法研究物理学,是他取得成功的重要特征。

学习历史、法律,最终步入仕途,这是大多数贵族家庭所恪守的训子之道(德布罗意出生于法国迪埃佩的一个古老而显赫的贵族家庭)。德布罗意也不例外,中学毕业后,他考入了索尔本学院,选学了中世纪史,特别是法学史和中世纪政治史。通过学习,他受到了严格的科学研究方法和哲学思维方法的训练。

德布罗意学文史出身,向来注重历史问题的研究。在大学阶段有过的历史学修养,使他从未间断对历史问题的研究,也因此形成了自己的研究风格。也就是说,他能够用历史的观点来分析和解决问题。德布罗意在进行科学研究工作时,从不使用深奥的数学公式,而善于巧妙地用简明的语言向最广大的读者阐明问题在历史上的相互联系。当他担任物理学教授后,他的讲课以内容丰富、材料巧妙配合和结构完美无缺而闻名。

对德布罗意来说,如同许多大物理学家一样,研究自己从事的那门科学的历史从来都不是次要的活动。历史的意义对于他来说并不是偶然提出的附加要求,而是他全部研究工作的基本要求。德布罗意的许多研究工作都是直接从历史观出发的,他的物质波的思想归根结底也是由于思考光学史产生的。德布罗意在公开演讲《科学史的益处和经验教训》中说道:“科学史就是科学进步的机制及其规律的最珍贵的知识来源。”在他看来,研究一门学问,如果能了解这门学科发展的历史和理论思想的发展概况,是极其重要的,因为只有这样,他才能站到一个更新的角度来分析所遇到的问题。可以说,德布罗意重视科学史的研究和探索是他用历史方法研究问题的结果。

德布罗意用历史的方法研究问题,巧妙地运用哲学的方法分析,通过哲学思维完成了新理论的建立。哲学方法无论对自然科学或社会科学研究者的意义都是不言而喻的。爱因斯坦认为,哲学“可以被认为是全部科学研究之母”。他还说:“哲学的建立必须以科学成就为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后,它们又常常促使科学思想进一步发展。因为它们能指示科学从许多可能着手的路线中选择一条路线。”德布罗意曾把自己描述成:“具有纯理论家的气质远甚于实验家或工程师的气质,对普遍的哲学的观念尤其爱好。”时至今日,人们仍然认为尖端物理学领域实际上就是哲学世界。

德布罗意运用历史的方法研究问题的又一大应用是,应用历史的类比法来分析问题和解决问题。类比法就是发现两类事物或现象之间存在着类比的根据,即存在着一些相同的或相似的特征,从而把它们联系起来的一种逻辑方法。类比是立足在已有知识的基础上,进一步发展科学知识的一种有效的试探方法。在德布罗意提出物质波概念之前,实物和场均被认为是两种根本不同的物质形态,没有什么可以进行类比的根据。但德布罗意由相对论想到,实物有质量和能量,场也有质量和能量。质量和能量是实物和场的相同特征,从而显示这两种根本不同的物质形态也可以进行类比。德布罗意由此出发,把实物粒子与光进行类比,从光具有波粒二象性,推测到实物粒子也可能具有波动性。通过历史学的类比法,他进行了大胆的推理和哲学思维,创立了物质波理论。可见这种类比的方法,在科学研究中具有启发思路、提供线索、举一反三、触类旁通的作用,也是提出科学假说的一条重要途径。

今天,世界上的几乎每一项事业都面临着各种各样的问题和挑战。所有这些问题和挑战,并非一个或几个学科所能解决。例如,宇航技术,涉及到数学、物理、化学、天文、地理、生物等基本学科的知识领域,还涉及到工程技术、材料科学、医学等科学技术领域;又如经济学,不掌握高等数学、统计学和计算机简直寸步难行。今天,不仅自然科学与社会科学相互渗透和依存,而且自然科学、人文科学和技术科学都相互渗透和依存。

在一所大学里,学科之间、系科之间、学院之间的互相协作和支援更加频繁了。比如美国麻省理工学院,它以理工专业起家,但当时代发展的新趋势要求大学生们具备更全面的知识时,尤其是当现代社会里的各类学科互相渗透、互相依存愈加密切时,麻省理工学院审时度势,及时调整,提出即使在像它这样一所以理工学科为主的学府也应把文理学科结合起来。为此,麻省理工学院要求理工科类学生具备一定的文科基础知识,要求文科生具备一定的理科基础知识。根据这一要求,学生可以跨系、跨学院、跨校注册听课。只要完成规定的学分和其他要求,学生便可以获得双学位。又比如康奈尔大学,它贯彻的办学宗旨是“使任何人可以接受任何学科教育的学校,至今仍保持着这一鲜明的特色。一名新生开始其康奈尔大学四年本科生学习生涯时,可以在注册时选一门主修课程,只要主修课程按要求达到标准,其他的学习课程可以任由其兴趣爱好决定。譬如,文理学院主修人类学的学生,可以在副课方面选修生理学等方面的课程。同样的道理,医学院的学生,只要他对他所使用的医疗器械感兴趣,希望洞悉这些精密复杂机械的工作原理,他也可以去工学院选修相关的课程。

显然,在学习一个专业时还要与其他专业建立联系,才能更好的认识事物的本质,学到有深度的知识。真正跨越专业领域做学问,才能做到学习由此及彼、知识触类旁通。

爱因斯坦童年时,有一次患病在床,父亲为了给他解闷,拿了一只小罗盘给他。小爱因斯坦双手捧着罗盘,眼睛盯着罗盘中间那根不停抖动的小针,不论针怎么抖动,它的红色箭头最终总是指向北方。接着又把罗盘向左抖动180度,那根指针只摆动了几下,便又指向了北方;把罗盘转向另一边,指针依然指向北方。这根指针似乎专门与他”较劲“,他想:“好吧!我转动的快些,你就跟不上了。”于是,爱因斯坦把软盘捧在胸前,扭转身子,再猛地转回去。当他再看软盘的指针时,指针照样指向北方。当他问父亲时,父亲告诉他那是磁力,并耐心解释,可他还是摸不着头脑。

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