第四節(jié)　科學(xué)想像的作用

科學(xué)想像對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起著重要的作用?？梢哉f(shuō)，在整個(gè)物理科學(xué)理論研究的過(guò)程中，每一項(xiàng)成就的取得，都是與想像分不開(kāi)的。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，一般說(shuō)來(lái)，要經(jīng)歷三個(gè)階段，這三個(gè)階段中都離不開(kāi)科學(xué)的想像。

第一階段，提出科學(xué)研究的問(wèn)題或科學(xué)假說(shuō)，需要想像。在探索未知事物及其發(fā)展規(guī)律的過(guò)程中，首先要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出科學(xué)假說(shuō)。沒(méi)有這一步，就不知道觀察什么、實(shí)驗(yàn)什么和研究什么。因此，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出科學(xué)假說(shuō)，就成了人們探索自然奧秘的第一步。巴甫洛夫把這一步稱為“科學(xué)的先遣的偵察兵”。而想像在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、創(chuàng)立科學(xué)假說(shuō)和形成新思想的過(guò)程中起著重要作用。缺乏想像力的科學(xué)工作者，可以積累事實(shí)材料，但是，跳不出事實(shí)材料的圈子，發(fā)現(xiàn)不了客觀事物的規(guī)律性，不能創(chuàng)新。在科學(xué)研究中，碩果累累的科學(xué)家們都是富有想像力的。

第二階段，科學(xué)研究實(shí)際進(jìn)行的階段，離不開(kāi)想像。這一階段中，包括實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察和驗(yàn)證科學(xué)假說(shuō)的過(guò)程，步步都要發(fā)揮想像力的作用。在驗(yàn)證過(guò)程中，如果原來(lái)的科學(xué)假說(shuō)與實(shí)際情況不符合，則又需要發(fā)揮想像力，創(chuàng)立新的科學(xué)假說(shuō)和設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)條件等，去驗(yàn)證新的科學(xué)假說(shuō)。這往往需要通過(guò)多次反復(fù)，才能取得預(yù)想的結(jié)果。

第三階段，進(jìn)行科學(xué)抽象，揭示研究對(duì)象的性質(zhì)和規(guī)律性更需要想像。這是科學(xué)研究的最后階段，是最驚人的階段，是出成果的關(guān)鍵一步。只有依常想像力，并通過(guò)科學(xué)抽象，才能揭示出自然書(shū)物的本質(zhì)。

科學(xué)想像與物理發(fā)展

當(dāng)代著名學(xué)者邦奇曾論及科學(xué)想像與現(xiàn)實(shí)的關(guān)系：“創(chuàng)造性想像富于形象。它能夠創(chuàng)造概念和概念體系，這些概念在感覺(jué)上沒(méi)有與之相應(yīng)的東西，但在現(xiàn)實(shí)中是有某種東四與之對(duì)應(yīng)的，因而它孕育新奇的思想?！崩?，物理學(xué)家把自己以往感覺(jué)過(guò)的形象在想像中進(jìn)行加工組合，由此形成自己未曾直接經(jīng)驗(yàn)過(guò)的新形象，然后，再根據(jù)這些新形象構(gòu)造出新概念及其體系。如果新概念能夠直接或經(jīng)過(guò)批判改造后反映了現(xiàn)實(shí)，那便是新科學(xué)思想的誕生。所以，科學(xué)想像以孕育出的新思想成為物理學(xué)理論的設(shè)計(jì)師。

200年前，“電”以陌生的面目出現(xiàn)在人類面前，人們看不見(jiàn)電的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。美國(guó)物理學(xué)家富蘭克林在思考中想起嘩嘩流淌的小河——電是否像流水那樣發(fā)生位移運(yùn)動(dòng)？于足，他把電想像成一種流體，這種充塞于一切物體的流體有時(shí)穩(wěn)定，有時(shí)流動(dòng)；穩(wěn)定時(shí)物體不帶電，流體過(guò)多時(shí)帶正電、過(guò)少時(shí)帶負(fù)電；流體有趨于穩(wěn)定的傾向，這種傾向表現(xiàn)為吸引力，引力太強(qiáng)就發(fā)生電火。盡管這其中難免有些錯(cuò)誤的想像，在當(dāng)時(shí)還不可能形成科學(xué)的物理理論，但至少已為電荷、電流、帶電體等概念以及物體的起電、中和等規(guī)律勾畫(huà)了粗略的框架，為現(xiàn)代電磁學(xué)理淪的建立開(kāi)辟了道路。又如，1755年，德國(guó)哲學(xué)家康德提出了太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)。他認(rèn)為，基本微粒構(gòu)成的星云物質(zhì)在引力作用下結(jié)合成團(tuán)塊，團(tuán)塊又吸引周圍的微粒而逐漸增大，最后最大的團(tuán)塊演變成太陽(yáng)，其他團(tuán)塊則形成行星；微粒被吸向中心團(tuán)塊時(shí)，有一種斥力使下落運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而變成繞團(tuán)塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就使中心岡塊形成巨大的旋渦；在旋渦里，微粒在相互沖撞中達(dá)到平衡，并造成了行星彼此同向的運(yùn)動(dòng)；而在形成中的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟在它們后面的微粒受吸引而從外側(cè)加速落到它們上面，所產(chǎn)生的推力使行星自轉(zhuǎn)且自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)相同。約有50億年歷史的太陽(yáng)系的起源是不可能直接觀測(cè)的，只能通過(guò)想像建立假說(shuō)。但盡管如此，康德的假說(shuō)列于太陽(yáng)系起源理論的研究，仍有不可低估的科學(xué)價(jià)值。

科學(xué)想像對(duì)物理學(xué)理論的設(shè)計(jì)、創(chuàng)造功能，還突出地表現(xiàn)在它對(duì)創(chuàng)造主體的作用上。具有豐富想像力的物理學(xué)家能以活躍的思路打破思維定勢(shì)的僵局，沖破傳統(tǒng)觀念的束縛，形成“柳暗花明又一村”的理論飛躍。

1934年，伊林娜·居里與其丈夫約里奧·居里發(fā)現(xiàn)一些輕元素在高速α粒子的轟擊下具有放射性，但。粒子對(duì)重元素不起作用。按傳統(tǒng)的思考方式，許多人認(rèn)為是能皺不夠，但是當(dāng)用速度更高的α粒子流進(jìn)行轟擊時(shí)，還是達(dá)不到目的。這是因?yàn)槎鄶?shù)人只是想到“炮彈”的能量，而未想到更換“炮彈”本身。富有想像力的意大利物理學(xué)家費(fèi)米首先改變了思路，用中子代替α粒子，獲得了一系列重大實(shí)驗(yàn)成果，尤其是發(fā)現(xiàn)慢中子對(duì)發(fā)生核反應(yīng)的獨(dú)特效果，為核能的人工利用奠定了基礎(chǔ)，促成了核物理理論的重大突破。

法拉第也是一位想像力豐富的創(chuàng)造奇才，廷德?tīng)栐u(píng)價(jià)說(shuō)：“對(duì)于法拉第來(lái)說(shuō)，他在實(shí)驗(yàn)之前和實(shí)驗(yàn)之中，想像力都不斷作用和指導(dǎo)著他的全部實(shí)驗(yàn)工作。”安培在發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)力的數(shù)學(xué)形式后就止步不前了，而法拉第則在科學(xué)想像的指引下把思維觸角伸向廠磁場(chǎng)力的作用機(jī)制。他在實(shí)驗(yàn)與觀察中發(fā)現(xiàn)，放置于形狀各異的磁鐵附近的鐵屑均為線狀分布；同時(shí)，他發(fā)現(xiàn)置于小磁體周圍的小磁針的走向具有類似的規(guī)律性。法拉第憑借著他那豐富的、驚人的想像力，對(duì)電磁相互作用的物理圖景作出了生動(dòng)而又直觀的描述。他想像，即便不存在鐵屑，磁鐵周圍的空間也存在著某種線。他又在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，從他堅(jiān)信電磁現(xiàn)象統(tǒng)一性及物理圖像統(tǒng)一性的觀點(diǎn)出發(fā)，依據(jù)電與磁的本質(zhì)聯(lián)系，想像出電荷周圍的空間也分布有某種線的物理圖像。

借助于想像的補(bǔ)充，他建立了看不見(jiàn)、摸不著的“磁力線”和“電力線”的物理模型，用這兩種力線形象地描述了電荷與磁鐵周圍空間中電磁力的大小、方向及變化趨勢(shì)，并進(jìn)一步想像出“電力”、“磁力”在其“力場(chǎng)”中作用的情景，最終提出了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念。他把電磁場(chǎng)與流體場(chǎng)作類比，用“力線”、“力管”構(gòu)成電磁場(chǎng)，并賦予電力線和磁力線一定的機(jī)械性質(zhì)，解釋了同性相斥、異性相吸等基本電磁現(xiàn)象。他還利用磁力線和電力線的幾何圖形形象地表示了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的狀況。在此基礎(chǔ)上，他斷言：電磁相互作用不是牛頓的“超距作用”，而是本質(zhì)上存在的電磁場(chǎng)的空間屬性的表現(xiàn)。從此，“超距作用”的觀點(diǎn)逐漸衰敗，近距作用得到確認(rèn)。

法拉第的力線和場(chǎng)的概念的建立，對(duì)電磁學(xué)理論的發(fā)展以及整個(gè)物理學(xué)理論的發(fā)展都有著巨大的影響（雖然法拉第力線概念并不完全反映場(chǎng)的本質(zhì)）。場(chǎng)的概念的提出和力線模型的建立，的確足人們對(duì)電磁場(chǎng)本質(zhì)認(rèn)識(shí)上的飛躍，是人們對(duì)電磁作用本質(zhì)、對(duì)物質(zhì)存在形式認(rèn)識(shí)上的補(bǔ)充，對(duì)當(dāng)時(shí)的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大突破。場(chǎng)是一抽象概念，它是看不見(jiàn)、摸不著的，只能通過(guò)想像去把握，以補(bǔ)充人們感知方式的局限。愛(ài)因斯坦曾說(shuō)，“場(chǎng)”的行為必須用大膽的科學(xué)想像力才能完全領(lǐng)會(huì)。建立場(chǎng)的概念的思維過(guò)程充分說(shuō)明，場(chǎng)的概念的建立是創(chuàng)造性想像的結(jié)果。

在物理學(xué)研究中，模型集中了創(chuàng)造性思維的精華，在新概念、新理論的建立中越起重要作用，而思維是物理學(xué)家建立模型的：只要思維方式，其結(jié)果也是對(duì)人們隊(duì)識(shí)的補(bǔ)充。20世紀(jì)60年代，我國(guó)物理學(xué)工作者提出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層子模型的過(guò)程有力地證明了這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，一系列的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：“基本粒子”并不基本，其內(nèi)部存在著某種結(jié)構(gòu)，這就激勵(lì)著物理學(xué)工作者去研究探索，從而能在理論上解釋實(shí)驗(yàn)中碰到的各種問(wèn)題和矛盾，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)上的飛躍，求得知識(shí)上的擴(kuò)充和理淪上的最大突破。于是，人們嘗試著引入對(duì)基本粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某種具體的描述。但是，在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)相當(dāng)不足的條件下，對(duì)基本粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)想像得很具體、描述得很細(xì)致，似乎缺乏必要的基礎(chǔ)，是不切實(shí)際的。然而，如果只是停留在對(duì)現(xiàn)象的觀察上而不能透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，那將永遠(yuǎn)也得不出關(guān)于基本粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的任何構(gòu)想，也就無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題和矛盾，物理學(xué)也就無(wú)法向前發(fā)展。在這種情況下，要求得問(wèn)題的解決，要使人們的認(rèn)識(shí)突破感知方式的局限，想像就成為必不可少的甚至是惟一有效的方法和手段。所以，必須通過(guò)豐富的想像，大膽引進(jìn)關(guān)于基本粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述。在這種思想指導(dǎo)下，通過(guò)建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的合理想像提出了層子模型，把原有的認(rèn)識(shí)范圍擴(kuò)展到基本粒子內(nèi)部。

科學(xué)想像與物理學(xué)概念和邏輯思維

物理學(xué)的研究只有形成廠科學(xué)概念，才能把握事物的本質(zhì)和規(guī)律。而科學(xué)概念是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一系列創(chuàng)造性思維活動(dòng)的結(jié)果，想像在其中起了相當(dāng)重要的作用。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察所積累的許多經(jīng)驗(yàn)材料只有靠富有創(chuàng)造力的想像去理解、聯(lián)貫和概括，才能把握其中的本質(zhì)屬性并進(jìn)而建立起相應(yīng)的概念。所以，無(wú)論直接概括建立的概念還是間接概括建立的概念，都需要想像。例如，愛(ài)因斯坦統(tǒng)一場(chǎng)論的確立，就是以充分發(fā)揮想像力為前提的。因?yàn)榻^對(duì)時(shí)間和慣性坐標(biāo)系已被相對(duì)論拋棄了，一切事件的背景不再是一維的時(shí)間和三維的空間連續(xù)區(qū)，而是具有新變換性質(zhì)的四維時(shí)空連續(xù)區(qū)了。這種脫離日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象概念，沒(méi)有大膽的想像是不可能建立的。不只是建立概念需要想像，理解和掌握新概念也同樣需要想像力。例如，“波粒二象性”、“物質(zhì)波”、“能量子”、“耗散結(jié)構(gòu)”、“黑洞”等不尋常的物理學(xué)概念，其建立、理解和掌握就不能沒(méi)有想像。

科學(xué)想像能使研究人員的大腦不至于枯槁和僵死，而大腦細(xì)胞的活躍是邏輯思維的重要條件。只有活躍的思維才能打開(kāi)思路，邏輯思維才能向前發(fā)展。而且，由于想像和幻想略去了中間的推理論證，直接顯示出成果，所以，它會(huì)幫助人們?cè)竭^(guò)思維障礙而產(chǎn)生某種突變和飛躍。M·紐曼認(rèn)為想像力具有作為創(chuàng)造性活動(dòng)開(kāi)端的“起爆”功能。制表匠瓦特改進(jìn)了蒸汽機(jī)，裝訂工法拉第作出電磁學(xué)貢獻(xiàn)……要不是科學(xué)想像力，怎么會(huì)使他們從一些平常的事情中作出重大發(fā)現(xiàn)呢？

日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家在運(yùn)用邏輯思維形成概念和進(jìn)行推理時(shí)，總要借助想像中的形象。例如，要證明兩個(gè)三角形全等，總要像馬赫那樣，先想像兩者移動(dòng)到一起而重合。同時(shí)，邏輯思維所形成的概念及其體系也總是在想像中同形象結(jié)合在一起，作為認(rèn)識(shí)成果保存起來(lái)，并成為進(jìn)一步思考的“原料”。控制論的創(chuàng)始人維納曾就親身體驗(yàn)描繪了這種情形：“我發(fā)覺(jué)對(duì)我特別有用的好條件是廣泛和持久的記憶力，是一系列奔放流暢、萬(wàn)花筒似的想像力；這種想像力的本身，使我或多或少在遇到相當(dāng)復(fù)雜而費(fèi)腦子的情況下，能看出其中一系列的各種可能的組合關(guān)系……如果我能把我過(guò)去真正涉及到的問(wèn)題的所有想法歸納到一個(gè)單獨(dú)的可以舉一反三的印象中去，問(wèn)題的大部分就能解決了?！笨梢?jiàn)，想像和邏輯思維的緊密結(jié)合，會(huì)在科學(xué)創(chuàng)造中產(chǎn)生多大的力量。

科學(xué)想像與物理學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)

我國(guó)生物物理學(xué)家張穎清提出的生物全息律，是他運(yùn)用信息和系統(tǒng)的方法研究生物體的結(jié)構(gòu)法則時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)很快引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的重視。生物物理學(xué)家郭愛(ài)克指出，這是運(yùn)用豐富想像力的探索成果，從大系統(tǒng)和全息的觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)研究問(wèn)題是極富開(kāi)拓性的。美國(guó)《理論生物學(xué)雜志》也認(rèn)為，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于生物學(xué)具有很高的理論和實(shí)踐價(jià)值。

科學(xué)想像的上述作用，使它日益受到人們的重視。經(jīng)典物理時(shí)代，牛頓對(duì)待想像的態(tài)度如同他竭力反對(duì)假說(shuō)而又常常應(yīng)用假說(shuō)一樣，他一方面極端倚重歸納演繹的邏輯功能，另一方面又大量運(yùn)用類比作出發(fā)現(xiàn)，而類比在很大程度上是把想像作為基礎(chǔ)和前提的。到了現(xiàn)代，想像的方法論地位變得更加重要了。

物理學(xué)家馬赫以“以詩(shī)的想像加經(jīng)濟(jì)的思維”方法模式認(rèn)為，想像和理性是科學(xué)研究的兩大支柱，而“在新知識(shí)的發(fā)現(xiàn)中，擔(dān)負(fù)主要工作的是抽象和幻想活動(dòng)”。以重視想像而著稱的愛(ài)因斯坦指出：“對(duì)于整理和理解事件，重要的也許不是物體的行為，而是物體之間某種東西的行為，即場(chǎng)的行為，要充分領(lǐng)會(huì)這件事，那是需要一種大膽的科學(xué)的想像力的。”

科學(xué)想像與物理學(xué)理論的發(fā)展

物理學(xué)研究是一項(xiàng)艱苦復(fù)雜的腦力勞動(dòng)，在物理學(xué)理論的建立和發(fā)展過(guò)程中，想像力作為激勵(lì)物理學(xué)工作者戰(zhàn)勝困難、取得成功的重要心理源泉，打開(kāi)了人們?cè)谄婷顭o(wú)窮的物理世界中遨游的通道。想像振奮情緒，使人們對(duì)研究對(duì)象產(chǎn)生濃厚的興趣，形成一種心理激勵(lì)力量，激發(fā)起強(qiáng)烈的求知欲望和創(chuàng)造力，成為探索求知的動(dòng)力，從而也就成為物理學(xué)理淪發(fā)展的動(dòng)力。貝弗里奇說(shuō)：“想像力之所以重要，不僅在于引導(dǎo)我們發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，而且激發(fā)我們作出新的努力，因?yàn)檫@使我們看到可能產(chǎn)生的后果?！毕胂窳ぐl(fā)人們智力水平的充分發(fā)揮，使人們的智力活動(dòng)打破時(shí)間與空間的限制，開(kāi)闊視野，展示出前所未有的新的物理圖景。

英國(guó)化學(xué)家普利斯特列曾對(duì)想像力的作用作過(guò)評(píng)價(jià)，他說(shuō)：“最有發(fā)明才干的……是這樣的人，他們充分發(fā)揮自己奔放的想像，在風(fēng)馬牛不相及的概念之間尋找聯(lián)系。即使這些對(duì)疏遠(yuǎn)的概念進(jìn)行的比較是約略的、不現(xiàn)實(shí)的，它們也還是會(huì)給別人作出重大發(fā)現(xiàn)提供幸運(yùn)的機(jī)會(huì)，而審慎、遲鈍且又膽怯的智者對(duì)這種發(fā)現(xiàn)甚至都不敢去想?！边@是對(duì)想像激勵(lì)作用的高度概括。

回顧人們對(duì)電子波粒二象性本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程，對(duì)說(shuō)明物理學(xué)理論發(fā)展中想像的激勵(lì)作用將提供一個(gè)很好的例證。在物理學(xué)理論的發(fā)展過(guò)程中，人們的認(rèn)識(shí)常常要受到經(jīng)典理論的束縛和影響。對(duì)電子波粒二象性本質(zhì)的認(rèn)識(shí)當(dāng)然也不例外。

在物質(zhì)波的概念提出以后，關(guān)于電子究竟是粒子還是波動(dòng)，以及粒子性和波動(dòng)性的實(shí)際含義等一系列問(wèn)題，就不可避免地?cái)[到了物理學(xué)工作者的面前。受經(jīng)典概念的影響，人們最先用物質(zhì)波包來(lái)描述電子的行為，它對(duì)問(wèn)題的某些方面的解釋是成功的，但卻無(wú)法解釋由于波包擴(kuò)散帶來(lái)的矛盾。而且若把電子想像成物質(zhì)波包，那將與電子衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相抵觸。顯然，把電子想像成物質(zhì)波包引出了與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相違背的結(jié)論，它夸大了波動(dòng)性，而實(shí)際上抹殺了粒子性。所以，用物質(zhì)波包來(lái)描述電子是片面的。想像雖然得到了負(fù)結(jié)果，但在心理上已經(jīng)形成了一種激勵(lì)。富于想像又善于想像且勇于創(chuàng)新的物理學(xué)工作者不會(huì)滿足于上述結(jié)果，而必定要追根尋源：既然用物質(zhì)波包描述電子是片面的，那么，若將電子的粒子性結(jié)合到波動(dòng)性解釋中來(lái)是否就能全面看問(wèn)題呢？于是，人們把電子的波動(dòng)性想像成大量電子分布于空間而形成的疏密波。這似乎應(yīng)該是全面的認(rèn)識(shí)，因?yàn)樗确从沉瞬▌?dòng)性，又考慮了粒子性。然而，實(shí)驗(yàn)證實(shí)：?jiǎn)蝹€(gè)電子也具有波動(dòng)性。稍加分析便可發(fā)現(xiàn)，這種看法夸大了粒子性而實(shí)際上抹殺了波動(dòng)性。顯然，希望尋求矛盾癥結(jié)的心理又產(chǎn)生了激勵(lì)，并引導(dǎo)人們辯證地進(jìn)行思考。

從經(jīng)典理論角度看，電子的波動(dòng)性與粒子性是尖銳對(duì)立的，如果不發(fā)揮大膽的想像力，掙脫經(jīng)典理論的束縛，把這兩種特性有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，正確的概念是不可能建立的。事實(shí)上，在經(jīng)典理論的范圍內(nèi)，無(wú)論是以波動(dòng)的觀點(diǎn)還是以粒子的觀點(diǎn)描述電子的行為，都只能是部分地與事實(shí)一致，而不可能完全自治。這就給我們啟示，不能為表面現(xiàn)象所迷惑而機(jī)械地拼湊概念，要善于透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，抓住主要矛盾。嚴(yán)密的分析論證告訴我們：電子所呈現(xiàn)的波動(dòng)性是指波的相下疊加的性質(zhì)，而電子的粒子性是指電子的“原子性”，它既不是經(jīng)典的波也不是經(jīng)典的粒子，但它既有波動(dòng)性又具有粒子性，這就是電子的波粒二象性的本質(zhì)。問(wèn)題的解決再次產(chǎn)生激勵(lì)，想像進(jìn)入了理想境界。于是，“忽有所悟，茅塞頓開(kāi)”。在此基礎(chǔ)上，人們進(jìn)一步創(chuàng)造性地提出了幾率波的概念，并用“電子云”、“幾率分布”等概念描述電子的行為，建立了合理的、自治的物理圖像。顯而易見(jiàn)，人們對(duì)電子波粒二象性本質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)的形成是與想像及其激勵(lì)作用分不開(kāi)的。而在認(rèn)識(shí)過(guò)程中，想像的激勵(lì)作用得到了生動(dòng)的體現(xiàn)；同時(shí)，想像的激勵(lì)也使想像本身得到完善，從而使人們對(duì)物理學(xué)基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生飛躍，推動(dòng)了物理學(xué)理論的發(fā)展。

這里，還應(yīng)該指出，科學(xué)幻想對(duì)未來(lái)的美妙描繪，也能激勵(lì)和啟迪物理學(xué)家為之奮斗。列寧指出：“否認(rèn)幻想也在最精確的科學(xué)中起作用，那是荒謬的?！?/p>

像文學(xué)家“精騖八極，心游萬(wàn)仞”一樣，科學(xué)幻想家也在思接千載、視通萬(wàn)里，展開(kāi)想像的翅膀在科學(xué)創(chuàng)造的思維空間自由翱翔。他們的科學(xué)幻想對(duì)人類未來(lái)作了美妙的描繪，激勵(lì)著許多青少年走上把幻想變成現(xiàn)實(shí)的科學(xué)研究之路。100年前，著名的法國(guó)科幻作家儒勒·凡爾納在《一個(gè)美國(guó)記者在公元2890年的日記》中對(duì)未來(lái)作了這樣的描繪：環(huán)球城公路寬一百碼，兩邊都是摩天大樓，氣候由人工控制，莊稼在北極生長(zhǎng)，廣告在云端播放……這么美妙的圖景怎能不對(duì)人們起著激勵(lì)和啟迪作用呢？

飛機(jī)、潛水艇、火箭、導(dǎo)彈、坦克和無(wú)線電的發(fā)明者都曾表示對(duì)凡爾納的深深感激，他們把凡爾納尊為自己的“領(lǐng)航人”和“總導(dǎo)演”，從他的科學(xué)幻想中得到了許多科技發(fā)明的思想啟迪。我國(guó)古代勞動(dòng)人民也曾有過(guò)許多科學(xué)幻想，“嫦娥奔月”、“千里眼”、“順風(fēng)耳”等現(xiàn)在也都在物理學(xué)工作者的努力下變成了現(xiàn)實(shí)。英國(guó)文學(xué)家肖伯納說(shuō)：“沒(méi)有幻想，人類的許多成就根本不會(huì)發(fā)生?！比謇铡し矤柤{自己也說(shuō)：“一個(gè)人能夠設(shè)想的事，就有另一個(gè)人能夠做出來(lái)。”這是因?yàn)榭茖W(xué)幻想能使人們思想開(kāi)闊奔放、思路活躍，給人以啟發(fā)。

1945年，英國(guó)科幻作家克拉克就指出，人造衛(wèi)星可用來(lái)作為中繼站，使無(wú)線電訊號(hào)跨越大陸和海洋；只要把三顆衛(wèi)星放在關(guān)鍵位置上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的范圍就可以遍及全世界。這在當(dāng)時(shí)被看做荒唐的幻想，今天已成現(xiàn)實(shí)。誰(shuí)敢說(shuō)衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的設(shè)計(jì)中就沒(méi)有受到克拉克幻想的啟迪呢？

針對(duì)科學(xué)幻想的上述作用，我國(guó)物理學(xué)家、科幻作家鄭文光指出：“我們嘗試著給科幻小說(shuō)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程中以一定的位置，大體上可以形成如下的線性序列：科學(xué)幻想潛科學(xué)科學(xué)假說(shuō)——科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！边@里的“潛科學(xué)”指科學(xué)思想的胚芽，處于孕育階段的科學(xué)，它代表著寶貴的科學(xué)思想火花，能給在黑暗的科學(xué)迷宮中摸索前進(jìn)的科學(xué)家?guī)?lái)一線光明和啟迪。而潛科學(xué)正是由科學(xué)幻想引起的。

科學(xué)幻想給人以啟迪，促其思想茅塞頓開(kāi)，推動(dòng)人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新事物。資料介紹，由于受凡爾納科學(xué)幻想小說(shuō)的啟迪而獲得成功的技術(shù)發(fā)明家對(duì)此深有體會(huì)。無(wú)線電通信技術(shù)發(fā)明者之一的意大利C·馬可尼說(shuō)：“凡爾納使人有預(yù)見(jiàn)，他希望人們能創(chuàng)造新事物，而鼓勵(lì)人們?nèi)?shí)現(xiàn)偉大的幻想。”被人們譽(yù)為“潛艇之父”的西蒙·萊克在他的回憶錄中，一開(kāi)頭就寫(xiě)道：“凡爾納是我一生的總導(dǎo)演?！碧K聯(lián)宇航事業(yè)的奠基人齊奧爾科夫斯基說(shuō)他是受了凡爾納的《月界旅行》的啟發(fā)，才去從事宇航事業(yè)的?？梢?jiàn)，科學(xué)幻想對(duì)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明確有先導(dǎo)作用。

科學(xué)想像在物理學(xué)理論發(fā)展中的預(yù)見(jiàn)作用

人類認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有預(yù)見(jiàn)性，或者說(shuō)人能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的超前反映，而這種超前反映在很大程度上依賴于想像力的作用。關(guān)于這一點(diǎn)，近代物理學(xué)發(fā)展的史實(shí)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

預(yù)言是想像的表達(dá)形式，是想像的產(chǎn)物。物理學(xué)研究常常通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)和事實(shí)，這時(shí)，人們的認(rèn)識(shí)還處于感性認(rèn)識(shí)階段。由于研究對(duì)象的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)手段、以識(shí)水平的限制，人們認(rèn)識(shí)的發(fā)展要經(jīng)歷由表及里、由此及彼的逐步深化的過(guò)程。在由感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)飛躍的過(guò)程中，預(yù)言成為實(shí)現(xiàn)飛躍的階梯，借助想像，預(yù)言就能沖破有限的物理事實(shí)的局限，而導(dǎo)致物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。沒(méi)有想像的預(yù)見(jiàn)作用，沒(méi)有想像超越事實(shí)的功能，就產(chǎn)生不了物理學(xué)預(yù)言。正如牛頓所說(shuō)：“沒(méi)有大膽的猜測(cè)，就作不出偉大的發(fā)現(xiàn)。“物理學(xué)工作者正是借助想像的預(yù)見(jiàn)作用，借助想像超越事實(shí)才建立起物理學(xué)理論。赫胥黎指出：“人們普遍有種錯(cuò)覺(jué)，以為科學(xué)研究者作結(jié)論和概括不應(yīng)當(dāng)超出觀察到的事實(shí)……但是，大凡實(shí)際接觸過(guò)科學(xué)研究的人都知道，不肯超越事實(shí)的人很少會(huì)有成就。”

近代物理學(xué)研究的重要特色是先由現(xiàn)有理論預(yù)言某些事件，提出嶄新的見(jiàn)解，提出物質(zhì)世界暫時(shí)不存在的物理學(xué)概念，然后再由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，形成超過(guò)當(dāng)時(shí)智力水平的劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。而在作出預(yù)言的努力中，想像起著重要作用，想像力是提出科學(xué)預(yù)言、推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展的心理源泉。借助于豐富的想像，可以把頭腦中捕捉到的模糊想法轉(zhuǎn)化為清晰的、具體的、形象的、超越時(shí)代的命題和概念，這也就是想像的預(yù)見(jiàn)作用。

愛(ài)因斯坦在創(chuàng)立相對(duì)論的過(guò)程中，理想實(shí)驗(yàn)起了關(guān)鍵作用，而理想實(shí)驗(yàn)只有依靠想像，才能得以預(yù)見(jiàn)。他通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的分析，運(yùn)用創(chuàng)造性思維的方法，達(dá)到了高度的科學(xué)抽象，取得了具有劃時(shí)代意義的重大突破。這正是想像能起預(yù)見(jiàn)作用的生動(dòng)體現(xiàn)。

愛(ài)因斯坦在創(chuàng)立了狹義相對(duì)論以后，又以更豐富的想像和更嚴(yán)密的邏輯推理，創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，并大膽運(yùn)用想像的方法，在提出理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，作出了兩個(gè)預(yù)言。第一，引力場(chǎng)對(duì)原子的振動(dòng)有減慢作用。他指出，這一預(yù)言可從光譜線向長(zhǎng)波區(qū)的移動(dòng)（即愛(ài)因斯坦紅移）得到證實(shí)。后來(lái)，人們?cè)趯?duì)白矮星光譜的觀察中發(fā)現(xiàn)了光譜線的移動(dòng)，預(yù)言得到了證實(shí)。第二，在引力場(chǎng)的作用下，光線將會(huì)彎曲。他還推算出了一束正好掠過(guò)太陽(yáng)表面的光線在引力場(chǎng)的作用下偏離直線路徑的程度，并進(jìn)一步設(shè)想，若能在日食時(shí)觀測(cè)一。顆恰好處于太陽(yáng)邊緣后面的恒星，并且把所觀測(cè)到的恒星位置與沒(méi)有太陽(yáng)影響時(shí)這顆恒星在星空背景上的位置相比較，那就可以看出光線偏離直線路徑的程度了。這一預(yù)言為1919年美國(guó)科學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果所證實(shí)。事實(shí)又一次使想像成為現(xiàn)實(shí)，建立在想像基礎(chǔ)之上的理想實(shí)驗(yàn)極其生動(dòng)地得到了實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，想像的預(yù)見(jiàn)作用也得到充分發(fā)揮。

科學(xué)想像對(duì)物理學(xué)方法的建設(shè)作用

科學(xué)想像對(duì)物理學(xué)方法的建設(shè)作用，首先體現(xiàn)在科學(xué)想像是構(gòu)成其他方法的要素?，F(xiàn)代物理學(xué)JE處于作出重大發(fā)現(xiàn)的革命時(shí)期，亟須建立科學(xué)發(fā)現(xiàn)的方法論，著名科學(xué)哲學(xué)家波普爾提出的猜想反駁模式，正是順應(yīng)這種需要而建立的方法論。他認(rèn)為，科學(xué)發(fā)現(xiàn)包含猜想和反駁兩大環(huán)節(jié)，其中對(duì)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)來(lái)說(shuō)具有建筑性意義的猜想，應(yīng)是“科學(xué)家根據(jù)問(wèn)題，大膽進(jìn)行猜想，努力按照可證偽度高的要求提出假說(shuō)”的過(guò)程。顯然，猜想環(huán)節(jié)主要包含的正是想像因素，這就使猜想帶上了積極合理的方法論色彩，也使猜想反駁成為符合現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)際的重要模式。波普爾所以能夠如此，是因?yàn)樗麕煼◥?ài)因斯坦的方法論思想，而愛(ài)因斯坦是極為推崇想像的。

其次，科學(xué)想像對(duì)物理學(xué)方法的建設(shè)作用，體現(xiàn)在它是其他方法的基礎(chǔ)或前提。

類比作為一種創(chuàng)造思維，其重要前提是通過(guò)想像為原型找出適當(dāng)?shù)哪Ｐ?。湯川秀?shù)指出，當(dāng)古希臘哲學(xué)家“留基伯和德謨克利特在歷史上第一次提出關(guān)于原子的設(shè)想時(shí)，他們必定會(huì)把原子想像成類似于固體球那樣一種可見(jiàn)的物體的東西，雖然原子小得無(wú)法用肉眼看見(jiàn)”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也得倚重想像。英國(guó)物理學(xué)家伯納爾說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題比解決問(wèn)題不知困難多少。前者需要想像，而后者只憑本領(lǐng)?！?/p>

理想模型的建立以及理想化方法的應(yīng)用也要以想像為基礎(chǔ)，因?yàn)槟Ｐ褪强陀^實(shí)際中并不存在的東西，它標(biāo)志著人類想像力的創(chuàng)造品質(zhì)。模型對(duì)想像的依賴主要體現(xiàn)在模型的設(shè)計(jì)和構(gòu)思上，人們通過(guò)回憶以往的經(jīng)驗(yàn)信息，進(jìn)行廣泛的聯(lián)想、比較和選擇，然后組成一種新的構(gòu)思——理想模型，它能幫助人們從整體上把握事物的機(jī)理和本質(zhì)，而舍去大量細(xì)節(jié)。

假說(shuō)在本質(zhì)上是新思想的體現(xiàn)?，F(xiàn)代物理學(xué)的高度抽象性要求物理學(xué)家發(fā)揮超人的想像力，以提出新的思想和假說(shuō)。前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道指出：“……我們想像的可能性已大大超前我們的意識(shí)，而物理學(xué)家的智慧現(xiàn)在更是在人們想像也已無(wú)能為力的地方自由馳騁?！?/p>

思想實(shí)驗(yàn)最明顯地體現(xiàn)了對(duì)想像的依賴，它是把實(shí)驗(yàn)在理想情況下的對(duì)象、條件和步驟轉(zhuǎn)化為觀念形態(tài)在人腦中進(jìn)行想像的過(guò)程。愛(ài)因斯坦在研究廣義相對(duì)論時(shí)，就成功地運(yùn)用了思想實(shí)驗(yàn)方法：他想像了一個(gè)自由漂浮于星際空間的封閉房子，那里因引力為零而成為理想的慣性系，靜止物體繼續(xù)保持靜止?fàn)顟B(tài)，所有物體都無(wú)向任何方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但當(dāng)房子被加速時(shí)，所有物體都要被壓向地板。如果有人站在房間地板，手中拿了一輕一重兩球，其雙腳就會(huì)牢牢地壓在地板上，兩球也會(huì)壓迫他的手。如果他同時(shí)松開(kāi)兩球，它們將以松手瞬間所具有的速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，以保持并排位囂，地板同時(shí)趕上兩球而使它們與系統(tǒng)一起加速。以上是房外觀察者的描述。但房?jī)?nèi)觀察者卻不承認(rèn)他在運(yùn)動(dòng)，不承認(rèn)所處坐標(biāo)系是非慣性的。他認(rèn)為手中的球壓迫手掌，松手后同時(shí)碰到地板，都是由于引力作用，就像在地球上看到的那樣。這兩種描述都能自圓其說(shuō)。于是，愛(ài)因斯坦由此得出了等效原理：“引力場(chǎng)同參照系的相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r(jià)?！贝怂枷雽?shí)驗(yàn)在擺脫了地面上許多復(fù)雜現(xiàn)象的干擾情況下，使實(shí)驗(yàn)在理想環(huán)境中通過(guò)合理想像一步步進(jìn)行，最終得以揭示物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律。

觀察和真實(shí)實(shí)驗(yàn)同樣離不開(kāi)想像。任何真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前都要進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)實(shí)驗(yàn)的步驟、條件、可能發(fā)生的問(wèn)題和結(jié)果進(jìn)行事先設(shè)想。這種設(shè)想也就是研究人員的想像過(guò)程。發(fā)現(xiàn)氧元素的普利斯特列曾說(shuō)：“最有發(fā)明才干、最精明的實(shí)驗(yàn)家（就最廣意義說(shuō)）是這樣的人，他們充分發(fā)揮自己奔放的想像，在風(fēng)馬牛不相及的概念之間尋找聯(lián)系。即使這些對(duì)疏遠(yuǎn)的概念進(jìn)行的比較是約略的、不現(xiàn)實(shí)的，它們也還是會(huì)給別人作出重大的發(fā)現(xiàn)提供幸運(yùn)的機(jī)會(huì)?！?/p>

此外，假說(shuō)、分析綜合、歸納演繹等方法中也都包含有想像因素。