怎样发现科学规律（上）

蒋卫东

发明人造物与发现科学规律虽然结果不同，但都是创造性劳动的成果。发明法与发现法可以互相借鉴。了解一点发现法对于发明是有益处的。

1、结构方法发现规律

结构是各种物质形态的普遍属性，是指事物的各要素内在的联系与组织方式或顺序。结构方法则是通过分析事物各要素内在的联系与组织方式或顺序来发现客观事物的规律。

公式：X?→JG→Y

原理：世界上从微观到宏观、宇观，从无机界到有机界，从自然领域、社会领域到思维领域无不存在结构。如原子结构、地球结构、宇宙结构、晶体结构、细胞结构、DNA螺旋结构、建筑结构、社会结构、思维结构等等。我们在认识客观事物时，不仅要认识事物的质和量，而且要认识事物的内部结构，深入到事物的系统结构中，由此进一步揭示事物的运动形式及其规律。

例一：众所周知，近代自然科学革命就是在探讨宇宙的结构，用哥白尼的日心说代替托勒密的地心说开始的。现代天文学家就是在研究天体结构中获得许多重要的成就，如星系螺旋结构、宇宙纹理结构。通过已知客观的结构和功能去探求未知客体的结构和功能，从而发现新事物。

例二：结构决定功能，功能反作用结构。随着科学的发展，还出现了许多把结构和功能综合起来加以研究的科学。例如，著名比利时科学家普利高津自觉地把结构、功能、涨落三者统一起来加以考察，从而科学地阐明了结构的产生与发挥功能的作用。

例三：形象思维形式学的内在逻辑结构。笔者在研究形象思维形式的过程中，较多的分析形象思维各要素内在的联系与组织方式和顺序，从总体上把握事物整体性的质与整体量的有机统一，从而发现了形象思维形式学的内在逻辑结构规律。认识事物运动形式，不等于完全认识了事物的质；只有既认识事物的运动形式，又认识物质的结构，才能较全面地认识物质的规定性和规律。(图：形象思维形式学的内在逻辑结构表)。

2、数模方法发现规律

数学模型是指对所研究的具体对象(现实原型)的本质特征和关系的数学表述。数模法是指把所考察的实际问题，进行数学抽象，构造相应的数学模型，通过数学模型的研究，使实际问题得以解决的一种数学发现方法。

公式：X?→SM→Y

原理：根据具体事物的特征或数量关系，采用形式化数学语言，概括地、近似地表述出的一种数学结构。对不同的自然现象用不同类型的数学模型描述，如方程描述，微分方程描述，图表描述，矩阵图描述等。运用数学模型方法分析处理关于研究对象的感性材料，可以概括抽象取出研究对象的本质规律。从牛顿的经典力学现论，麦克斯韦电磁学理论，到相对论力学和量子力学无不是在数学模型方法的帮助下完成的。

例：哥尼斯堡七桥问题。哥尼斯堡市内有七座各具特色的大桥，连接岛区和两岸。有人提出这样的问题：能否从某地出发，经过每一座桥一次且一次，然后返回出发地?数学家欧拉经过反复思考，用数学模型方法解决了这个问题。

欧拉把两个岛和河两岸抽象为四个点，把七座桥抽象为七条线，这样，七桥问题便等价于一笔画出的问题。一笔画有起点终点，出现的交叉点处曲线总是一进一出，通过交点处二曲线总是偶数。现在，ABCD四点，都通过了奇数曲线，所以七桥问题是不可能的，一次过七桥不可能。在一笔画的数学模型里，只保留了一次过桥的基本属性，而其它一切则全部都舍弃了，即简洁又精确，这就是数学模型的作用。欧拉解决七桥问题基本思想，可以用下面的框图表示：

3、对称方法发现规律

对称是指事物或运动以一定的平衡中介进行某种变换时所保持的不变性。对称是指事物通过某种平衡中介而变化时出现的同一性，差异性。对象是一种特殊的对立统一或矛盾体。科学研究中常用对称方法发现事物规律。

公式：X?→DCH→Y

原理：物质存在是对立统一的矛盾体，找到某种物质平衡中介，也就发现了对称性规律。对称发现法是以一定的事实材料为基础的，以对称性原理为指导，运用形象和逻辑思维方式，构造山某种对称物的规律和存在。根据是，对称是客观事物普遍的存在方式。对称方法有形象对称法、抽象对称法、数学对称法。

例一：1871年，俄化学家门捷列夫建立元素周期表时，留下许多空格，认为空格与未知元素是相对应的，从而预言了许多新元素。后来，这些新元素一一被发现，从而证实了门捷列夫的预言。

例二：1970年，美国物理学家格拉肖注意到，原子核内的夸克和轻子reeu和三种夸克uds对称，唯独另一种轻子ru没有与之对称的夸克，他把轻子与夸克排列如下：

轻子re e ru u

夸克u d ? s

问号处出现了一个空格，格拉肖根据以上排列，大胆地预言存在粲夸克C。他的预言于1997年被美籍华裔物理学家丁肇中等人发现ψ/J粒子所证实。

例三：英国分子生物学家沃森利克里克等人运用对称方法，形象化的对称模型，弄清楚了细胞基因携带遗传达信息的DNA双螺旋结构。DNA双螺旋结构模型中，两条核苷酸与纤维轴旋转对称垂直，并呈现右手螺旋。由于双螺旋的对称性，由一核苷酸与纤维酸的分子位置可以自然地推导其它核苷酸的分子位置。通过对称性模型，可以清楚知道DNA双螺旋结构，从而发现了其中的规律和存在。

4、观察方法发现规律

观察就是人们对自然现象在自然发生的条件下，通过感官对客观事物进行感知、考察和描述的一种研究方法。通过观察，经过细致考察，发现事物的规律。

公式：X?→GCH→Y

原理：不论那一种中观察，都是一种感性认识的活动，都有明确的日的性与计划性。在观察时，还必须遵循一条基本原则，那就是可观察性的原则。观察对象是不依赖于观察者而独立存在的客观实在，同时又承认这些客观对象能够同观察仪器和观察者发生相互作用，因而客观对象的信息可以直接或间接地被观察者所反映、把握。观察法分为：直接观察与间接观察法、事物性质观察与事物量观察法、自然观察与实验观察法。

例一：1834年，德国天文学家贝塞尔在观察天狼星自行时，发现它并不是沿着直线(直线指大圆的弧)运动，而描绘山波浪形的曲线。他怀疑这种现象是由于天狼星被另一颗紧挨着它的星所摄动而产生。1844年，经过计算后，他从理论上断定这颗星(后来叫天狼伴星)是存在的。1862年，美国的克拉克用18英寸天文望远镜对天狼星观察时，果然发现了这颗伴星。

例二：物理学家卢瑟福，在2．5万张41万个各种基本粒子轨迹的照片中，以精细的观察，像大海捞针一样地搜寻，终于发现了有六张未出现轰击后a粒子的照片，从而找到了打开人工制造同位素和转变元素大门的“钥匙”。

例三：英国博物学家达尔文常用观察法了解生物的习性，他说：“有一天，我观察了一只鹭鸶玩弄一条被它所捕到的鱼的情形。它一连八次放走它的猎物，然后又再把鱼拖住，虽然在深

水里面，它每次仍旧能够把鱼捉到水而上来。”

例四：我国著名地质学家李四光在一次到大连疗养的路上，偶然看到一个形态奇特的山逢，一道道的山梁呈弧形旋上山顶。他立即爬上山顶，鸟瞰全貌，发现道道山脊和条条沟谷相间展布，环抱着中央高地，就象莲花花瓣围绕中心莲蓬一样。随后，他进行了详细的考察，弄清了形成这种特殊地貌的原因，这是一次地壳旋转运动造成的地质构造体系的新类型。于是，他把它命名为“莲花状构造”。

5、比较方法发现规律

比较是根据一定的标准，把彼此有某种联系的事物加以对照，从而确定它们的异同之处，从中发现规律。人们在认识和分析各种事物时，总是自觉或不自觉地运用比较法。

公式：X?→BJ→Y

原理：比较要客观比较、本质比较、全面比较、历史比较。首先要看事物之间是否有客观联系，即是否有可比性。比较必须适当。要鉴别事物，就要抓住反映事物性质的主要差异，进行本质比较。事物联系是多方面的，比较要多方面进行，这样才能较全面地认识事物的本质。只有在事物的发展过程中进行历史的比较，了解过去，弄清现状，预测未来，在此基础上进行全面的分析，才能得出正确的结论，才能正确的发现事物规律。比较法可分为：同类比较法与异类比较法，异期纵向比较法与同期横向比较法、宏观比较法与微观比较法。

例一：科学家爱因斯坦在建立狭义相对论时，抓住了一个最简单、最平常、似乎常不成问题的“同时性”问题，通过分析比较，大胆地抛弃了“以太”、“绝对时间”、“绝对空间”等没有实验根据的概念，使自己从牛顿绝对时空框架的束缚下挣脱了出来，揭示了空间利时间以及它们同运动着的物质之间的本质联系。

例二：文学领域中，中西文化比较、东西文化比较、文学与各种艺术比较，都是通过比较相异的两类对象，发现异中之同，找出其中的共同规律。中西医比较也是采州界类比较法发现了其中的不同和相同规律。

例三：英国自然科学家赖尔把当代地质过程同欧洲第二纪地质过程加以比较研究，达尔文对生物进化的比较研究都采用了纵向横向比较法，从中发现了自然运动的规律。

例四：宏观比较，如中外科技政策宏观比较研究。微观比较，如郭沫若与歌德的比较，曹雪芹与托尔斯泰的比较研究等等。