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                【思維方法】基礎研究中科學思維方法的運用
                 
                【時間:2015年07月31日】 字號: 【大】 【中】 【小】
                幾年前,曾有西方學者在總結過去地球科學的歷史時,提出四個方面的進展,一是巖石圈板塊構造理論,二是氣候變化的米蘭科維奇理論,三是人類對地球系統觀察能力的大幅度提高,四是認識到人類活動已經成為一種重要的地質作用營力。米蘭科維奇理論是無數地質學家和天文學家,通過一百多年艱苦卓絕的努力,一步步趨於完備的。回顧和分析這段歷史,將有助於我們了解重要地球科學理論建立和發展過程的一般規律,總結出對我們提高和改善思維方法和思維能力有益的重要啟示。在此,筆者根據米蘭科維奇理論發展的歷史性啟示,著重討論在地質學研究中,如何運用科學的思維方法。

                    基礎科學研究的本質是發現有意義的問題,提出解決此問題的正確方案,並通過細致的工作落實此方案,在獲得新材料、新證據的基礎上,理解此問題並力圖提出理論上的解釋。因此,人們常常說,提出問題比解決問題更為重要。這是因為當我們開始做研究時,往往會發現幾乎任何問題都有人在做,要找到一個屬於自己的問題會非常困難。從這個意義上講,我們做地球科學研究,大多是從老問題出發去發現新問題。如何從老問題中去發現有意義的新問題?筆者認為以下四個方面的努力是不可缺少的。

                    第一,獲得“歷史感”
                    固體地球科學發展到今天,盡管還有大量的未知領域,但真正沒有被前人研究過的問題並不多。可以這樣設想:假如我們研制出新的探測手段,無論是從微觀、還是宏觀的角度,探測前人從未接觸過的對象,那就有很大可能揭示出前人從未發現過的現象,針對這個現象,我們就有可能提出自己的科學假說,甚至有可能發展成一個有影響的科學理論,從而成為先驅者和開拓者。但是,對於一個基礎相對薄弱的後發國家來說,很難有這樣的條件,因而我們只能是從老問題中去發現新問題。既然要發現新問題,就必須要徹底了解老問題,了解這個問題是如何產生的,圍繞這個問題,前人從哪些方面入手做了哪些工作,已提出多少種假說,各種假說的核心證據是什麽等等。這就必須做廣泛的文獻閱讀,以對這個問題的來龍去脈有充分的了解,或許這就可以稱之為“歷史感”。比如說,米蘭科維奇為何在其軌道變化、太陽輻射變化計算的基礎上,將65°N附近夏季太陽輻射作為驅動冰期氣候變化的主因?那是他在柯本、魏格納的幫助下,對一百多年來有關大冰期的研究歷史有了深入的了解,對已經獲得的關鍵事實或證據有了充分的認識。這就是他們當時獲得的“歷史感”,這些歷史感保證了米蘭科維奇的新假說能夠解釋已經確立的觀測事實。可以說,這樣的歷史感是使研究者能站在學科前沿,並能做出創新性工作的前提條件。

                    第二,比較各種假說
                    “標新立異”是基礎研究的一個重要特質,因此,對同一個問題,不同研究者往往會根據自己的理解,力圖提出自己的假說。在固體地球科學研究中,許多問題往往是復雜的,在很長一段時期內,要認清其背後的原因及作用機制,又常常是困難的,這是針對同一地質現象經常有多種假說的重要原因。當我們準備著手研究一個問題時,一件必須花大力氣去做的工作應該是對各種相關假說的優劣進行比較。這樣的比較,應從三個方面著手,一是各個假說是否能夠解釋已經被充分揭示了的觀察事實;二是這些假說是否是可檢驗的,尤其是能否被證偽;三是根據這些假說,能推衍出什麽樣的預測。在這裏,我們舉一個具體的例子來說明。我們在前面已經介紹過,大約在二百六十萬年前,北半球的冰蓋快速擴大,進入第四紀冰期。這是一個讓人印象十分深刻的現象,針對此現象,有幾個重要的假說已經被提出,一是強調青藏高原的影響,認為青藏高原擡升到現今高度的一半時,改變了北半球的大氣環流,致使西風環流“彎曲”,使得北半球變冷,最終導致第四紀冰期出現(Ruddiman and Kutzbach,?1989);二是強調巴拿馬地塹的擡升,阻斷了其對大西洋與太平洋的水體交換功能,促使大西洋暖流及水汽往高緯輸送,從而有利於冰蓋的形成(Haug and Tiedemann, 1998);三是東亞季風在三百多萬年前的加強,使地表土壤的化學風化作用加強,促使更多鈣離子輸送到海洋後形成碳酸鈣沈澱,由此降低大氣CO2濃度而使北半球變冷(Zhang et al., 2009)。如果僅僅從機制上分析,這些假說都有“道理”,但仔細分析,這些假說都很難令人完全接受,比如,構造的變化總是緩慢的,而氣候事件為何表現為“突變性”?如何證明青藏高原在當時的高度?西風帶彎曲在地質記錄上如何證明?大西洋暖流可輸送水汽到高緯,但也會同時輸送熱量,為何它會使北半球冰蓋擴大?CO2濃度即使有降低,但其量並不大,為何能造成這麽大幅度的降溫?通過這樣的分析、比較,我們就會明白,已經提出的針對這個現象的各種假說可能都有不足,因而存在提出新假說的機會。

                    第三,梳理證據鏈
                    套用“理論往往是灰色的”這句話,我們似可說“假說常常是有缺陷的”,因為經過歷史的大浪淘沙,大部分假說終歸會被淘汰,而淘汰這些假說的“營力”則是新證據,所以可以說,證據之樹常綠。在解決某一重大地質問題的歷程中,關鍵證據的獲得者常常具有崇高的地位,更何況科學研究本身需要“大處著眼,小處著手”,終究得從獲得新證據的角度去入手。這樣,在選擇做自己的工作前,梳理清楚已有的證據就顯得極其重要。筆者認為,一個地質理論的建立,常常基於一套證據,或證據鏈,而梳理現有證據的目的,就是為了發現證據鏈中的缺失環節,從而發現創新的機會。

                    梳理證據鏈也應該從已有的假說開始,否則,我們就會淹沒在文獻的汪洋大海之中,理不清這個問題的脈絡頭緒。而從假說出發,我們就容易將已有的證據串起來形成鏈條。比如,大部分假說往往有其假設的前提,根據已有證據,這個前提是否成立?這是我們首先要回答的問題。這些假設依據的核心觀察事實是什麽?從這些事實到假說,邏輯上的內在聯系是否緊密?這些觀察事實本身是否可靠?即它們是僅僅基於一兩次觀察,還是被反復觀察所確立的?核心證據是不是被多重觀察事實所確立的?這些假說能推衍出什麽預測?這些預測被後來的觀察事實驗證到何種程度?諸如此類的問題,都應該在梳理已有的證據鏈時牢記在心。

                    還是以米蘭科維奇理論為例。我們知道,這個理論並沒有前提假設,因為無論是基於天文觀察,還是天文學的理論計算,地球軌道是周期性變化的,而軌道變化將引起太陽輻射隨緯度和季節作有規律的變化,這點也被理論計算所證明。大量的地質記錄,無論是來自深海、黃土、冰芯、石筍,甚至湖泊,都已檢出強烈的地球軌道三要素的氣候變化周期,並且是通過多種氣候指標得到反復證明了的。地球軌道變化驅動冰期氣候變化假說中的一個重要預測已通過證據的檢驗。但是,到目前為止,它的單一敏感區的假說所推衍出來的預測並沒有被地質記錄所證明,甚至還存在著被證偽的可能。這點我們已經在前面介紹過,不再贅述。在梳理清楚這樣的證據鏈後,我們就會明白,低緯氣候變化的周期性以及冰期氣候變化的耦合機制是我們針對這個問題做進一步研究的前沿。

                    第四,清理問題的層次
                    針對某一問題,如果我們搞清楚這個問題的來龍去脈,比較各種競爭性假說的優劣並梳理清楚已有的證據鏈之後,要發現新的問題並不是十分困難的事。但當我們要選擇一個具體問題開展研究工作時,還得比較各個問題的意義和價值,認清我們將研究的具體問題在總的問題中處在什麽樣的地位,這就涉及到對存在的新問題的層次做出劃分。

                    假如我們中國科學家準備圍繞米蘭科維奇理論開展工作,就會發現有許多事情可做。比如,我們選擇黃土沈積,可以做某個前人沒有做過的黃土剖面討論氣候變化的周期性,或者建立一種新的氣候代用指標,或者完善黃土沈積的時間序列,我們可以相信,做完這些工作以後,都有可能或多或少獲得一些新的信息,也可以被國際刊物所接受,但這樣的工作在做之前,我們就可以想象得到,它們是難以達到學科前沿的,因為這類工作前人已做過很多,不大可能再突破前人的框架,更不大可能在完善、發展米蘭科維奇理論上有所建樹。

                    假如我們認識到,迄今為止,青藏高原內部冰期–間冰期氣候波動歷史還沒有很好地重建,假如我們進一步認識到青藏高原由於其特殊的地理位置和地理條件,很可能是一個變化特別強烈的地區,青藏高原的變化又可能對周邊地區產生重要的影響,另外,北半球高緯的冰蓋變化信號難以通過冬季風傳輸到高原,由此該區的氣候周期可能有其特殊性,那麽,通過青藏高原內部的湖泊沈積重建該區第四紀氣候變化歷史,就可能有更多的新發現,其科學價值自然就可能更高。

                    前面說過,石筍記錄已表明低緯度區的氣候變化主導周期是二萬年,同冰蓋變化的十萬年主導周期有別,這是米蘭科維奇理論發展到今天碰到的一個大問題,因為這個觀察事實是對65°N夏季太陽輻射為驅動因素的假說的一個重大挑戰,意味著如果這個事實確立的話,米蘭科維奇理論必須要修正。但是,我們對這樣的挑戰有必要采取保守的態度,因為石筍氧同位素變化究竟代表什麽尚不清楚,我們只有在獲得多重證據的情況下,才能將其作為一個強有力的證據。在這樣的背景下,假如我們選擇多種沈積記錄,研究低緯地區氣候變化的周期性問題,就有可能得到具有重大價值的成果。

                    石筍的最大優勢是可以精確地測年,另外石筍在全球很多地區都有分布。假如我們選擇南北兩極之間的幾條大斷面,同時發展出從石筍中提取古溫度信號的技術,那麽,我們就有可能通過相位、周期、變幅等方面的全球比較,從根本上檢驗米蘭科維奇單一敏感區的假說是否成立,這顯然是最高層次的問題。

                    總之,對許多研究工作來說,最終所獲成果的重要性往往在問題選擇之初就已決定,而地質學研究,從著手做這個問題到最終獲得結果,往往需要耗費很長的時間,因此,我們在選擇問題時,應慎之又慎。科學貴在創新,研究務求卓越,選擇前沿問題和難題理應成為地學研究者的自覺行為。

                    問題一旦選定,就得研制解決問題的整體方案,這當然非常關鍵,並且解決方案的好壞決定著最終成果的優劣。但相對來說,解決方案的設計要容易一些,因為它可參考前人的工作。設計解決方案和將方案付諸實施是解決問題的過程,在此過程中,以下五個方面應予以特別的重視:(1)新材料的選擇。地質學研究強調實證,如果你能獲得別人沒有的材料,就有可能獲得新的信息,比如當年深海鉆孔的獲得,才使連續的全球冰量變化記錄得以問世,為軌道驅動理論提供了核心證據;(2)研究工具的開發。新工具常常是獲得新證據的基礎,這已為無數事實所證明。比如,最近十年來用石筍做古氣候研究,一個重大的進步是對石筍的精確定年,這使得不同地區氣候變化的相位研究成為可能,從而為冰期氣候的耦合機制研究提供了極其重要的證據;(3)關註從證據到假說的連接。實施研究方案後,研究者就會獲得新的數據,這些新數據揭示的事實能否用已有的假說得到解釋,這是首先應該關註的。在這個階段,應采取“同者少論,異者深究”的原則,對不能用現有假說解釋的事實,一定要做深入的探討,用其評價現有假說的可靠程度,同時應該努力發展出自己的假說;(4)重視模型的建立。模型是對動力學關系的刻畫,既有概念模型,又有數值模型,它們代表了研究者對相關問題的理解程度;(5)保持終極追問。所謂終極追問,就是不斷地問為什麽,將研究引向深入。
                    較之於以古希臘哲學為傳統的西方文化,中國文化相對缺少思辨的傳統,反映在科學研究上,表現為對權威的過分尊重以及懷疑精神的相對薄弱,對這一點,從五四運動以來的幾代學者都多有述及。有鑒於此,很多論者都強調,科學方法應建立在科學精神之上,而科學精神的本質是質疑。筆者通過回顧過去一百多年來米蘭科維奇理論的發展歷程,深深覺得:正是“永恒的追問”這種質疑精神,才是推動這個理論一步步發展的源動力

                    誠如許多學者經常指出的,在我們的文化中,存在著過於相信權威的傳統,這對科學創新來說,是一種阻力,因為它將阻礙新問題的提出與探索。如果回顧我國近幾十年的地球科學研究歷程,我們可以看出,我國的極大部分研究都是以跟蹤、模仿國外的研究為主,鮮有獨立提出自己的問題而解決之的工作。這固然同我國學術積累較為薄弱有關,但不可否認的一個原因是,在我們的文化中,確實缺少突破前人或權威所設定的框架的能力和勇氣。在科學研究歷史上,我們常常可以看到這樣的現象:學術權威所犯的錯誤往往比其同行要大得多。因此,建立尊重權威而不迷信權威的文化傳統是推動學術進步的必要前提。
                   
                 
                跟蹤、模仿型研究工作往往會忽略對“本質性”(fundamental)問題的選擇與探討,也會在研制新的方法與手段上止步,這恰是我國近幾十年來地球科學研究中的弊端。正是由於忽略對本質性問題的探討以及對新的研究方法的研制,我們的研究工作常常顯得缺少“根基”,由此出現論文很多,重大的創新性突破甚少的尷尬局面。



                本文摘編自丁仲禮主編
                固體地球科學研究方法一書中丁仲禮《固體地球科學研究中的思維方法淺析——以米蘭科維奇理論為例》一文。



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