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漫谈年轻优秀科学家的培养

 

杨 玉 良

复旦大学高分子科学系

 

    创新人才的培养是一个系统而又复杂的,对此已有许多研究。这里,只想对年轻优秀科学家的培养,谈一些我近来对此的一些零星而又粗浅的思考。希望能够激起大家的共同思考。

必须把“广博教育”作为培养本科生的首要

    最近,我读了一本高级科普书,书名是:《基因与癌的生物学》,该书的作者之一是 1989 年度的诺贝尔医学奖获得者,公认的反录病毒和癌基因方面的权威, Harold Varmus 教授。我们来看一下他的简历。

    哈罗德 . 瓦穆斯, 1939 年生于美国纽约长岛。 1955 年进入阿默斯特学院,取得 文学学士学位 ,并被授予 文科硕士 。 1966 年在哥伦比亚大学获医学博士学位。 1968 年在美国国家卫生研究院 …… 从事环- AMP 对细菌基因调控方面的工作。 1970 年在旧金山加里福尼亚大学做博士后, 1979 年受聘为加里福尼亚大学微生物系教授。 1984 年为美国癌症学会的研究教授。 1993 年 11 月受美国总统克林顿任命,担任国家卫生研究院院长。 ……

    大家一定会对一位 文学学士和硕士学位获得者 居然成为生物学领域的权威而感到惊奇。

    我们再来看一个非常特殊的人物:

    Witten 在 Brandeis University 主修历史,并对语言学有着浓厚的兴趣。 1971 年毕业后,他为 George McGovern 竞选总统效力。因此, McGovern 为他写了一封推荐他上研究生院的推荐信。 Witten 在《国家》和《新共和》上曾经撰文。他现在主导着全世界理论物理(尤其是超弦理论)的普林斯顿高等研究院的领军人物 Edward Witten 。 John Horgan (《 Scientific American 》的记者)在采访了他后说,世界上最不可思议的最聪明的人居然是一个自由民主党人。确实,这非常令人不可思议。超弦理论需要令人难以忍受的高等数学,而一个主修历史的人居然从事着如此艰深的理论物理工作。他一旦投生于理论物理,就玩命地学习物理学。他随后成为普林斯顿的研究生,在哈佛任教,继而在 28 岁时飞速地成为普林斯顿的正教授。他还荣获了卓有声望的麦克阿瑟研究员职席(有时被新闻界称为“天才奖”)。他的研究工作派生的结果深深地影响了数学界。 1990 年,他获得了堪称数学界的 Nobel 奖的 Fields 奖。尽管超弦理论取得了巨大的成功,它将量子力学和广义相对论结合起来,被誉为 TOE ( Theory Of Everything ) . 他未能获得 Nobel 奖,是因为超弦的存在目前尚无法进行直接的实验验证。

    我相信,同学们一定会为一个由学历史转而从事高深理论物理研究,并取得如此成就而感到吃惊。

    如果我们对美国的高等教育传统有所了解,就很容易理解这个现象。美国的研究型大学均把“宽口径”的广博教育作为培养本科生的要旨。例如,哈佛大学早就规定,大学生入学后都要学习“七艺”,即文化、逻辑、修辞、几何、天文、数学、音乐、语文、人文、社会和自然。这样培养出来的学生具备广博的知识,融会贯通的思考能力,能够在整个人类知识体系的框架中来认识某一门类的专业知识。因而,学生可以在没有太多知识障碍的情况下来选择自己所热爱的专业领域。因此,在哈佛医学院里就有许多本科是学文科甚至音乐的学生。所以,尽管 Harold Varmus 大学获得的是文学学科的学士和硕士学位,我们可以相信他有足够的数学、生物和其它自然科学的基础知识,使其 能够在 博士学位的阶段转到生物医学的研究领域来,并作出优异的成绩。

    然而,在目前我国大学的内部结构下,高中生考入大学后,立即就被分入几十个专业面十分狭窄的院和系,就如同被领进了一条条相互分割的在胡同。更有甚者,一些学校在中学阶段就被划分为理科班、文科班,等等。这样培养出来的人,只能“管中窥豹,只见一斑”,没有明显的创新能力。因此,不难理解,在目前我国大学的内部结构下,只有学理科和医科的学生转到从事文科的研究领域中去,反之则简直无法想象。

这里,我们必须指出,“全面学分制”是“广博教育”最为基本的要求。然而,不知何故,“全面学分制”叫唤了不下十年,但真正实现的高校却未曾所闻。要创世界一流大学,在某种意义上要靠学生,即培养出世界一流的创新人才。因此, 为了能够培养出具有很强创新能力的人才,我们首先必须至少在研究型大学切切实实地实行 “全面学分制”

杰出的导师是年轻优秀科学家培养的关键

    设想,如果当时 Harold Varmus 的博士生导师的思想比较保守,认为他的生物医学基础知识不够扎实,或者在僵化的考试制度下他无法通过传统的考试,那么这个人才也无法脱颖而出。由此,我们可以引出另一个值得思考的问题,即 我们如何能够创造一种灵活的机制,要让优秀的学生在杰出教授的指导下,在科学前沿艰苦奋斗

    近年来,我们为了提拔年轻的科学家,似乎年纪大一些的科学家都是年轻人成长的障碍,但我们忽略了另一个重要事实:优秀的科学家大都出自于名师之门,即所谓的“ 名师出高徒 ”。关于创新人才培养中的师承关系,早在近 30 年前,著名的 Harriet Zuckerman 在《科学界的精英》一书中对美国诺贝尔奖获得者中的师承关系早已有过仔细的分析。结论是:虽然科学界的师徒关系常常是痛苦的,但“名师出高徒”的事实不断地被得到证实。

    美国国立卫生研究院( NIH )和约翰霍普金斯大学( Johns Hopkins University )以 Bernard B. Brodie 的学生们所构成的著名科学家群体通过半个多世纪来在生物医学科学领域内的突破性贡献,赢得了拉斯克( Lasker )奖和诺贝尔( Nobel )奖。 著名的美国科普作家 Robert Kanigel 在其 《师从天才-一个科学王朝的崛起》(《 Apprentice to Genius: The Making of a Scientific Dynasty 》)一书中对该科学家群体的形成进行研究分析后,不无感慨地指出:

    “一个科学家的早期声誉,几乎一半取决于他在谁的实验室工作过-他是谁的科学后代,另一半则取决于他本人的科研发现。”

    除了这个多少反映了科学界的一个社会学现象外,关键是:

   “每一位导师通过自身的经验、地位和榜样作用,对年轻的学生进行引导和影响,将自己的教训传授给对方,向对方逐步灌输对科研的把握能力-及对成功的把握能力。同时,也用自己在科学领域里探险的勇气感染年轻学生。 …… 年轻人最需要的是:导师告诉你,你是一流的。鼓励让人振奋,对培养年轻人才非常重要。 …… 毕竟,只发表相当保守的见解,你就永远不会错。你能够百分之九百万地保证你不会错,可是你永远也不会有所发现。你不能谨小慎微,畏首畏尾,犯点错误也没啥,世界不会毁灭。”

    其实,优秀的导师都善于鼓励学生,即使是当学生犯了错的时候。歌德说过:“真理与谬误出自同一来源,这是奇怪的但又确实。所以我们任何时候都不应该粗暴地对待谬误,因为在这样做的同时,我们就是在粗暴地对待真理。”

    优秀的导师的作用是多方面的,导师在带领自己的学生从事科学研究的过程中不断地在观察学生并因材施教。

    Einstein 说过:“所碰到的那些最有才能的学生,也就是那样一些不仅以单纯的伶俐和敏捷,而且以独立的判断能力显露头角的人们的时候,我可以肯定地说:他们是积极地关心认识论的。他们乐于进行关于科学的目的和方法论的讨论,而从他们为自己的看法作辩护时所显示出来的那种顽强性中,可以清楚地看出这个课题对于他们是何等重要。”

    Kenneth Wilson 重正化群理论和现代相变理论的创立者。看来他像是什么也做不出来。在康奈尔大学的初期,他什么论文都未发表。但任何与他长谈过的人都意识到他对物理学的深刻的洞察力。因此,他的固定职位问题成了严肃争论的问题。那些愿意为他的未被证明过的潜力打赌的物理学家胜利了。他其后的论文就象大坝决口般的一大批。其中包括使他获得 1982 年诺贝尔奖的工作。

    另一个需要解决的问题是:我们如何能够形成一种机制,让优秀的学生到杰出的导师指导下,在科学的前沿奋斗。事实上,在我们的大学里,研究生名额的分配还存在着平均主义的倾向。以考试分数为基本判别标准的,僵化的入学考试将许多真正优秀的学生档在了门外。这种现象亟待改变。

科学是一种文化,科学家的个性要发扬

    我们首先来看几个典型人物。 R. Feyman 是个十分有个性的科学家:

( 1 )在中学时,同学们为人小便究竟是靠重力还是靠腹肌的收缩而争论不休时, Feyman 通过拿大顶来澄清小便不是靠重力,而是靠腹肌的收缩。这是一种实验精神。

( 2 ) Feyman 有能力打开当时在 Los Alamos 的所有保险箱,使 Taylor 十分吃惊。

( 3 ) Feyman 在获得 Nobel 奖时尚不是美国科学院的院士,得了奖后,他被选成为美国科学院的院士。 2 年后,他申请辞去美国科学院院士之职。有人问及原因时他说:“我发现院士对我来所没有任何意义,我唯一要做的就是飞来飞去去评别人能否当院士”。

( 4 )他不在乎领先权,为了 避免落入前人思想的框框 ,他在从事一项研究时先独自考虑一下问题,然后再查找文献。这个习惯导致他在很多领域进行了重新创造。他的 Path Integral 形式的量子力学和量子电动力学的创造都源自于此。

   信念不能强调过头 。当实验结果与你的信念一致,你当然会很高兴。但当实验结果与你的信念不一致,你应该认为你有了新发现,并应为此感到高兴。若当结果与你的信念不一致时仍坚持信念,那是一种宗教的态度,是十分危险的,科学家信“ 法轮功 ”可能就源于此。

    再举一个例子来说明。古希腊数学家、哲学家 毕达哥拉斯 在公元前 6 世纪从数字中建立了一种宗教,相信数字不仅是计数的工具,而且还是友善、完美、吉祥或是邪恶的象征。他崇拜整数及其比值(简单分数)。他的一个信徒发现最为普通的单位正方形的对角线的长度为 ,它既不能表示为整数,也不能用简单分数来表示。这使他的世界观受到挑战,他心慌意乱,迫使他的信徒保守秘密。据传当他的一个信徒最终背叛他时,毕达哥拉斯便杀了他――这就是所谓的“ 毕达哥拉斯丑闻 ”。

   这表明,我们不应将信念变成一种崇拜。如果将科学看成是另一种宗教是十分可怕的。我们常说,“你这个说法不科学”,这就有将科学看成宗教或法律之嫌。

    Mitchell J. Feigenbaum 混沌学的创始人之一,“ Feigenbaum 常数”的发现者,他是个不知疲倦的“工作狂”。他在寻找现在称之为“ Feigenbaum 普适常数”时曾经连续 2 个月每天工作 22 小时。当他发现该普适常数时,深夜就给他双亲打电话,告诉他们自己碰上了某种深刻的东西,他告诉母亲他将因此而出名。可见他的溢于言表的喜悦。极具讽刺意义的是,他的那篇论文也曾经被退稿。他现在还耿耿于怀地保留着该退稿信。

 

努力培养优秀年轻科学家的理性思维能力

    前面,从我们提到的哈佛大学生必修的“七艺”中可见,即使是文学、艺术类的学生,逻辑和数学都要学。因为,这是理性思维的重要手段。提到弘扬理性,我的感触很多。

    提出问题 我们常说要学会提出问题,但要明白:很多人都会提问题,但要么是难得高不可攀,要么是微不足道。问题必须不是要经过个把世纪的努力才有可能解决的问题。在“高不可攀”和“微不足道”之间的小径上行走的只能是少数经过严格训练人。提一个你解决不了的问题总是容易的。

    Bridgeman 认为,科学的方法就是:“ 使用你的头脑,不要受任何羁绊 ”。

    抽象是必须的 。你可以把模型搞得更复杂,更忠于现实,或者你可以使它更简单,更易于处理。只有天真的科学家才相信,完美的模型是完全代表现实的模型。这种模型的缺点同一张与所表示的城市一般大而详细的地图一样,图上画上了每个公园、每条街、每个建筑物、每棵树、每个坑洼、每个居民以及每张地图。即使可能造这样的地图,它的特殊性也会破坏它的目的性:概括和抽象。 …… 地图和模型在模仿世界时必须简化。

    人们常说,创造力源于想象力,我们也不缺乏创造力。我国古代众多的技术发明可以充分证明我们不乏创造力。我们曾经有“四大发明”。 中国发明炸药已有一千多年了,鞭炮、焰火燃放至今,但在中国没有诞生爆炸力学这样的科学体系。风筝也是中国最先发明的,迄今已有 2500 多年的历史,但在中国没有诞生空气动力学。最近,我读了《科学的历程》这本科学史著作,了解到希腊的数学和自然哲学思想大大推动了欧洲近代科学发展。然而,我们没有这份幸运。所以我想,我们缺少的是用理性的思维方法对想象和创造进行深入的理论分析,缺乏希腊的数理自然观和理性思维的传统。为此,我们应该在培养青年科学家时,更要弘扬理性精神。

     有一个例子或许可以说明一些问题。我曾经参加一个博士后的开题报告评审会。一位博士后青年要想解决煤燃烧炉的燃烧效率问题,目的是要使得燃烧尽可能少地生成氧化氮,因为氧化氮污染空气并致癌,但他的做法很简单。他声称要制作各种小型的模型去试验,对每个模型试验测量一些数据,再拟合一些曲线,看哪个最好。不言而喻,这当然也不失为是一种研究方法。当时我问他:“你这样做能否达到或超过国外同类产品的水平呢?”他说:“不行,因为国外对我们保密。”我又问:“他们保密什么?”他回答说:“他们设计的理论计算软件不给我们。”我说:“尽管我不是这方面的专家,但是我知道燃烧的化学过程以及燃烧炉的空气对流和温度分布等都可以由理论进行精确的计算。我想,国外的设计计算软件离不开这些基本的理论问题。”然而,他却说:“这个办法是不行的。”我说:“美国波音 767 大型喷气客机的风洞试验不做了,而是在大型计算机上采用 Lattice-Boltzmann 算法来计算设计,为什么燃烧炉的设计就不能运用理论方法?更何况你已经知道人家就是不把设计的理论计算软件给你,为什么不自己研究一个设计的理论计算软件?”他却说:“我们不相信那一套真的能行。”这样的回答很令我很吃惊。这个例子发生在一个年轻的科技工作者身上,它带有一定的普遍性。令人吃惊的是,他不仅不崇尚科学思想的精髓-理性,甚至有时还振振有辞地排斥、惧怕理性。

    由于不少年轻科学家在研究过程中未能很好地贯彻了理性精神,不少研究工作就显得十分粗糙。即使从一些日常生活中的小事也能反映我们这方面的缺陷。记得前两年,我买了一个木椅子,外形不错,但坐半个小时以上就会感到腰疼,最近,请教专家后才知道这个椅子的设计不符合人体的生物力学要求。我告诉生产商这个椅子在设计上不科学。他们回答说“椅子是用来坐的,能坐就可以了。何况,这比长板凳已经好多了。”反映在我们的科学研究工作中,往往导致实验粗糙,结果肤浅,漠视精确,急于求成,缺少深入研究。在科学研究中理性精神的贫乏反映了我们在社会文化基础方面的缺陷。我们必须在培养年轻科学家时力图克服这一缺陷。

    当前,一个令人焦虑的现象是,理科的年轻人忽视数学教育的现象较为普遍。若不及时注意,对我国科学的未来发展将会带来巨大的损失。 数学是抽象描述的语言 大多数普通人对数学总感到神经性的恐惧(甚至于反感)。这主要是他们与物理学的隔阂造成的。这种隔阂是一道屏障,使他们不能充分欣赏科学发现之美,也使他们在面对经历千辛万苦的研究才揭示出来的众多自然奇观时感觉不到快乐。

    对物理学家来说,数学最富于成效的功能在于,它是一种普遍的思维框架。它是用来分析自然,并将我们对它的理解加以表达和描述的最强有力的抽象方法。因此,我们常说,数学是科学的语言。

    罗杰 . 培根( R. Bacon )说过:“数学是进入各种科学的门户,是钥匙 …… 。没有数学知识,就不可能知晓这个世界中的一切。”许多物理学家深为大自然所具有的数学质朴性和大自然规律的优美所感动,以致于他们认为,这种质朴性和优美所显示的正是存在的基本特点。在一些科学家看来,“造物主是个数学家”。物理学家 Freeman Dyson 认为:“物理学家用数学材料来构建理论”。

    关于数学的重要性,我想引用美国总统 W. J. Clinton 在《科学与国家利益》前言中的一句话:

    如果我们要迎接今天 …… 以及明天的挑战,这个国家就必须保持在科学、 数学 和工程学中的世界领先地位。

    他把 数学 从科学和工程学中独立提了出来,加以单独的强调是有相当的考虑的。

 

 

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