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【思维方法】基础研究中科学思维方法的运用
 
【时间:2015年07月31日】 字号: 【大】 【中】 【小】
几年前,曾有西方学者在总结过去地球科学的历史时,提出四个方面的进展,一是岩石圈板块构造理论,二是气候变化的米兰科维奇理论,三是人类对地球系统观察能力的大幅度提高,四是认识到人类活动已经成为一种重要的地质作用营力。米兰科维奇理论是无数地质学家和天文学家,通过一百多年艰苦卓绝的努力,一步步趋于完备的。回顾和分析这段历史,将有助于我们了解重要地球科学理论建立和发展过程的一般规律,总结出对我们提高和改善思维方法和思维能力有益的重要启示。在此,笔者根据米兰科维奇理论发展的历史性启示,着重讨论在地质学研究中,如何运用科学的思维方法。

    基础科学研究的本质是发现有意义的问题,提出解决此问题的正确方案,并通过细致的工作落实此方案,在获得新材料、新证据的基础上,理解此问题并力图提出理论上的解释。因此,人们常常说,提出问题比解决问题更为重要。这是因为当我们开始做研究时,往往会发现几乎任何问题都有人在做,要找到一个属于自己的问题会非常困难。从这个意义上讲,我们做地球科学研究,大多是从老问题出发去发现新问题。如何从老问题中去发现有意义的新问题?笔者认为以下四个方面的努力是不可缺少的。

    第一,获得“历史感”
    固体地球科学发展到今天,尽管还有大量的未知领域,但真正没有被前人研究过的问题并不多。可以这样设想:假如我们研制出新的探测手段,无论是从微观、还是宏观的角度,探测前人从未接触过的对象,那就有很大可能揭示出前人从未发现过的现象,针对这个现象,我们就有可能提出自己的科学假说,甚至有可能发展成一个有影响的科学理论,从而成为先驱者和开拓者。但是,对于一个基础相对薄弱的后发国家来说,很难有这样的条件,因而我们只能是从老问题中去发现新问题。既然要发现新问题,就必须要彻底了解老问题,了解这个问题是如何产生的,围绕这个问题,前人从哪些方面入手做了哪些工作,已提出多少种假说,各种假说的核心证据是什么等等。这就必须做广泛的文献阅读,以对这个问题的来龙去脉有充分的了解,或许这就可以称之为“历史感”。比如说,米兰科维奇为何在其轨道变化、太阳辐射变化计算的基础上,将65°N附近夏季太阳辐射作为驱动冰期气候变化的主因?那是他在柯本、魏格纳的帮助下,对一百多年来有关大冰期的研究历史有了深入的了解,对已经获得的关键事实或证据有了充分的认识。这就是他们当时获得的“历史感”,这些历史感保证了米兰科维奇的新假说能够解释已经确立的观测事实。可以说,这样的历史感是使研究者能站在学科前沿,并能做出创新性工作的前提条件。

    第二,比较各种假说
    “标新立异”是基础研究的一个重要特质,因此,对同一个问题,不同研究者往往会根据自己的理解,力图提出自己的假说。在固体地球科学研究中,许多问题往往是复杂的,在很长一段时期内,要认清其背后的原因及作用机制,又常常是困难的,这是针对同一地质现象经常有多种假说的重要原因。当我们准备着手研究一个问题时,一件必须花大力气去做的工作应该是对各种相关假说的优劣进行比较。这样的比较,应从三个方面着手,一是各个假说是否能够解释已经被充分揭示了的观察事实;二是这些假说是否是可检验的,尤其是能否被证伪;三是根据这些假说,能推衍出什么样的预测。在这里,我们举一个具体的例子来说明。我们在前面已经介绍过,大约在二百六十万年前,北半球的冰盖快速扩大,进入第四纪冰期。这是一个让人印象十分深刻的现象,针对此现象,有几个重要的假说已经被提出,一是强调青藏高原的影响,认为青藏高原抬升到现今高度的一半时,改变了北半球的大气环流,致使西风环流“弯曲”,使得北半球变冷,最终导致第四纪冰期出现(Ruddiman and Kutzbach,?1989);二是强调巴拿马地堑的抬升,阻断了其对大西洋与太平洋的水体交换功能,促使大西洋暖流及水汽往高纬输送,从而有利于冰盖的形成(Haug and Tiedemann, 1998);三是东亚季风在三百多万年前的加强,使地表土壤的化学风化作用加强,促使更多钙离子输送到海洋后形成碳酸钙沉淀,由此降低大气CO2浓度而使北半球变冷(Zhang et al., 2009)。如果仅仅从机制上分析,这些假说都有“道理”,但仔细分析,这些假说都很难令人完全接受,比如,构造的变化总是缓慢的,而气候事件为何表现为“突变性”?如何证明青藏高原在当时的高度?西风带弯曲在地质记录上如何证明?大西洋暖流可输送水汽到高纬,但也会同时输送热量,为何它会使北半球冰盖扩大?CO2浓度即使有降低,但其量并不大,为何能造成这么大幅度的降温?通过这样的分析、比较,我们就会明白,已经提出的针对这个现象的各种假说可能都有不足,因而存在提出新假说的机会。

    第三,梳理证据链
    套用“理论往往是灰色的”这句话,我们似可说“假说常常是有缺陷的”,因为经过历史的大浪淘沙,大部分假说终归会被淘汰,而淘汰这些假说的“营力”则是新证据,所以可以说,证据之树常绿。在解决某一重大地质问题的历程中,关键证据的获得者常常具有崇高的地位,更何况科学研究本身需要“大处着眼,小处着手”,终究得从获得新证据的角度去入手。这样,在选择做自己的工作前,梳理清楚已有的证据就显得极其重要。笔者认为,一个地质理论的建立,常常基于一套证据,或证据链,而梳理现有证据的目的,就是为了发现证据链中的缺失环节,从而发现创新的机会。

    梳理证据链也应该从已有的假说开始,否则,我们就会淹没在文献的汪洋大海之中,理不清这个问题的脉络头绪。而从假说出发,我们就容易将已有的证据串起来形成链条。比如,大部分假说往往有其假设的前提,根据已有证据,这个前提是否成立?这是我们首先要回答的问题。这些假设依据的核心观察事实是什么?从这些事实到假说,逻辑上的内在联系是否紧密?这些观察事实本身是否可靠?即它们是仅仅基于一两次观察,还是被反复观察所确立的?核心证据是不是被多重观察事实所确立的?这些假说能推衍出什么预测?这些预测被后来的观察事实验证到何种程度?诸如此类的问题,都应该在梳理已有的证据链时牢记在心。

    还是以米兰科维奇理论为例。我们知道,这个理论并没有前提假设,因为无论是基于天文观察,还是天文学的理论计算,地球轨道是周期性变化的,而轨道变化将引起太阳辐射随纬度和季节作有规律的变化,这点也被理论计算所证明。大量的地质记录,无论是来自深海、黄土、冰芯、石笋,甚至湖泊,都已检出强烈的地球轨道三要素的气候变化周期,并且是通过多种气候指标得到反复证明了的。地球轨道变化驱动冰期气候变化假说中的一个重要预测已通过证据的检验。但是,到目前为止,它的单一敏感区的假说所推衍出来的预测并没有被地质记录所证明,甚至还存在着被证伪的可能。这点我们已经在前面介绍过,不再赘述。在梳理清楚这样的证据链后,我们就会明白,低纬气候变化的周期性以及冰期气候变化的耦合机制是我们针对这个问题做进一步研究的前沿。

    第四,清理问题的层次
    针对某一问题,如果我们搞清楚这个问题的来龙去脉,比较各种竞争性假说的优劣并梳理清楚已有的证据链之后,要发现新的问题并不是十分困难的事。但当我们要选择一个具体问题开展研究工作时,还得比较各个问题的意义和价值,认清我们将研究的具体问题在总的问题中处在什么样的地位,这就涉及到对存在的新问题的层次做出划分。

    假如我们中国科学家准备围绕米兰科维奇理论开展工作,就会发现有许多事情可做。比如,我们选择黄土沉积,可以做某个前人没有做过的黄土剖面讨论气候变化的周期性,或者建立一种新的气候代用指标,或者完善黄土沉积的时间序列,我们可以相信,做完这些工作以后,都有可能或多或少获得一些新的信息,也可以被国际刊物所接受,但这样的工作在做之前,我们就可以想象得到,它们是难以达到学科前沿的,因为这类工作前人已做过很多,不大可能再突破前人的框架,更不大可能在完善、发展米兰科维奇理论上有所建树。

    假如我们认识到,迄今为止,青藏高原内部冰期–间冰期气候波动历史还没有很好地重建,假如我们进一步认识到青藏高原由于其特殊的地理位置和地理条件,很可能是一个变化特别强烈的地区,青藏高原的变化又可能对周边地区产生重要的影响,另外,北半球高纬的冰盖变化信号难以通过冬季风传输到高原,由此该区的气候周期可能有其特殊性,那么,通过青藏高原内部的湖泊沉积重建该区第四纪气候变化历史,就可能有更多的新发现,其科学价值自然就可能更高。

    前面说过,石笋记录已表明低纬度区的气候变化主导周期是二万年,同冰盖变化的十万年主导周期有别,这是米兰科维奇理论发展到今天碰到的一个大问题,因为这个观察事实是对65°N夏季太阳辐射为驱动因素的假说的一个重大挑战,意味着如果这个事实确立的话,米兰科维奇理论必须要修正。但是,我们对这样的挑战有必要采取保守的态度,因为石笋氧同位素变化究竟代表什么尚不清楚,我们只有在获得多重证据的情况下,才能将其作为一个强有力的证据。在这样的背景下,假如我们选择多种沉积记录,研究低纬地区气候变化的周期性问题,就有可能得到具有重大价值的成果。

    石笋的最大优势是可以精确地测年,另外石笋在全球很多地区都有分布。假如我们选择南北两极之间的几条大断面,同时发展出从石笋中提取古温度信号的技术,那么,我们就有可能通过相位、周期、变幅等方面的全球比较,从根本上检验米兰科维奇单一敏感区的假说是否成立,这显然是最高层次的问题。

    总之,对许多研究工作来说,最终所获成果的重要性往往在问题选择之初就已决定,而地质学研究,从着手做这个问题到最终获得结果,往往需要耗费很长的时间,因此,我们在选择问题时,应慎之又慎。科学贵在创新,研究务求卓越,选择前沿问题和难题理应成为地学研究者的自觉行为。

    问题一旦选定,就得研制解决问题的整体方案,这当然非常关键,并且解决方案的好坏决定着最终成果的优劣。但相对来说,解决方案的设计要容易一些,因为它可参考前人的工作。设计解决方案和将方案付诸实施是解决问题的过程,在此过程中,以下五个方面应予以特别的重视:(1)新材料的选择。地质学研究强调实证,如果你能获得别人没有的材料,就有可能获得新的信息,比如当年深海钻孔的获得,才使连续的全球冰量变化记录得以问世,为轨道驱动理论提供了核心证据;(2)研究工具的开发。新工具常常是获得新证据的基础,这已为无数事实所证明。比如,最近十年来用石笋做古气候研究,一个重大的进步是对石笋的精确定年,这使得不同地区气候变化的相位研究成为可能,从而为冰期气候的耦合机制研究提供了极其重要的证据;(3)关注从证据到假说的连接。实施研究方案后,研究者就会获得新的数据,这些新数据揭示的事实能否用已有的假说得到解释,这是首先应该关注的。在这个阶段,应采取“同者少论,异者深究”的原则,对不能用现有假说解释的事实,一定要做深入的探讨,用其评价现有假说的可靠程度,同时应该努力发展出自己的假说;(4)重视模型的建立。模型是对动力学关系的刻画,既有概念模型,又有数值模型,它们代表了研究者对相关问题的理解程度;(5)保持终极追问。所谓终极追问,就是不断地问为什么,将研究引向深入。
    较之于以古希腊哲学为传统的西方文化,中国文化相对缺少思辨的传统,反映在科学研究上,表现为对权威的过分尊重以及怀疑精神的相对薄弱,对这一点,从五四运动以来的几代学者都多有述及。有鉴于此,很多论者都强调,科学方法应建立在科学精神之上,而科学精神的本质是质疑。笔者通过回顾过去一百多年来米兰科维奇理论的发展历程,深深觉得:正是“永恒的追问”这种质疑精神,才是推动这个理论一步步发展的源动力

    诚如许多学者经常指出的,在我们的文化中,存在着过于相信权威的传统,这对科学创新来说,是一种阻力,因为它将阻碍新问题的提出与探索。如果回顾我国近几十年的地球科学研究历程,我们可以看出,我国的极大部分研究都是以跟踪、模仿国外的研究为主,鲜有独立提出自己的问题而解决之的工作。这固然同我国学术积累较为薄弱有关,但不可否认的一个原因是,在我们的文化中,确实缺少突破前人或权威所设定的框架的能力和勇气。在科学研究历史上,我们常常可以看到这样的现象:学术权威所犯的错误往往比其同行要大得多。因此,建立尊重权威而不迷信权威的文化传统是推动学术进步的必要前提。
   
 
跟踪、模仿型研究工作往往会忽略对“本质性”(fundamental)问题的选择与探讨,也会在研制新的方法与手段上止步,这恰是我国近几十年来地球科学研究中的弊端。正是由于忽略对本质性问题的探讨以及对新的研究方法的研制,我们的研究工作常常显得缺少“根基”,由此出现论文很多,重大的创新性突破甚少的尴尬局面。



本文摘编自丁仲礼主编固体地球科学研究方法一书中丁仲礼《固体地球科学研究中的思维方法浅析——以米兰科维奇理论为例》一文。



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