化學研究中的問題
化學先生 / 2019-08-07
在化學研究的起點上,或者更一般地說科學研究的起點問題上,學術界存在著不同看法。一種看法認為,科學研究從觀察和實驗開始,然后在經驗材料的基礎上總結出經驗定律,再把經驗定律上升為科學定律,最后得出學說和理論。
還有一種看法認為,科學研究的起點是問題。當代科學哲學家波普(KarlPopper,1902~1994)在一次演講中做過一個實驗。他要求聽眾在他發(fā)出第一個信號的時候開始觀察,發(fā)出第二個信號的時候停止觀察,并把觀察結果記錄下來告訴波普爾。他發(fā)出第一個信號后不久,就有聽眾提出,不知道他希望他們觀察什么。通過這個實驗,波普爾得出結論:觀察具有目的性,目的先于觀察;而只有有了問題,才會有以解決問題為目的的觀察。所以他堅持認為科學研究始于問題。
實際上,有了科學問題,才會有研究的動機和行為,從而才能有研究的成果。例如,英國化學家和光譜學家克魯克斯(1832~1919),26歲時,收到他大學老師夫曼(A.W. Hoffmann,1818~1892)寄給他的一包東西,打開一看是一些黑糊糊的殘渣,老師在便條中寫道:能否弄清這些硫酸廠的殘渣的成分是個大問題,幾個實驗室都沒干成,希望你能成功!為解答老師提出的問題,克魯克斯用光譜法對殘渣進行精細研究,并在細節(jié)上加以關注,從殘渣中發(fā)現(xiàn)了新元素鉈?？唆斂怂菇鉀Q了老師提
出的問題,做出了發(fā)現(xiàn)。
在科學研究的整個過程中,自始至終都貫穿著問題。問題是在已有的實踐和認識基礎上形成的,又是以往的實踐和認識所沒有解決的疑難。所以問題是聯(lián)系已有的認識成果和新的認識活動的中介。正是這種已知和未知的矛盾,推動著化學家們從事化學研究,推動著科學家們進行科學研究。所以,“應當把科學設想為從問題到問題的不斷進步一一從問題到愈來愈深刻的問題,“”化學研究就是一個不斷提出向題、分析問題、解決問題、又提出問題的循環(huán)發(fā)展過程早在1785年,英國學者卡文迪許( Henry Cavendish,1731~1810)就將過量的氧與空氣混合,通以電火花,結果發(fā)現(xiàn)有部分氣體未能與氧化合。這部分“殘余氣體”的體積不大于原來混合氣體的1/125。當時所知道的空氣的成分為氧氣、氮氣、二氧化碳和水蒸氣,那么這剩下來的氣體是什么呢?當時的實驗手段無法做出回答。另外,卡文迪許本人沒有把這個實驗結果公諸于世。直到他逝世后的第41個年頭(1851年),威爾遜( Wilson)寫了一本(享利?卡文迪許的生平及其重要科學論文之摘要》的書,才把這個結果公開,另一位英國化學家拉姆塞(W. Ramsay,1852~1916)讀到這本書,他發(fā)現(xiàn)這是一個很有趣的問題,便和自已的助手一起重復了卡文迪許的實驗,但未獲得什么結果。1892年,瑞利(J.W. S Rayleigh,1842~1919)在著名的自然科學刊物《自然)上發(fā)表文章,報道了自己的一項實驗結果:從空氣中除掉氧、二氧化碳和水蒸氣后得到的空氣氮”的密度是1.2572克/升,而從氯化合物中分解制得的氮的密度卻是1.2508克/升。兩者之差雖然不大,但無論如何不能解釋為實驗誤差,這究竟是為什么呢?拉姆塞在見到文章后,于1894年4月19日與瑞利進行了討論。拉姆塞猜想這是因為大氣中含有較重的雜質所致,瑞利則認為是氮化合物中分解出來的氮中含有較輕的氣體雜質所致。后來,瑞利回想起了卡文迪許在109年前所做的那個實驗,在給妻子的信中斷言“空氣氮”中含有某種新元素。他和助手用燒紅的鎂與氮反應(3Mg+N2MkN),得到了卡文迪許所謂的“殘余物”不久,拉姆塞也制得一些這種氣體經過光譜分析,確證這是一種新元素,并命名為氬。但是,又出現(xiàn)了新的問題,因為門捷列夫周期表中沒有給它留下空位.185年3月14日,門捷列夫宣布,這種氣體不是什么新元素,而是氮的同素異形體N。在發(fā)現(xiàn)了気以后,拉姆塞提出,應該在周期表中增加新的一族情性元素族,從而解決了這兩個元素的歸屬問題,并進而設想提出了可能存在其他惰性元素的問題……
可見,化學研究中的問題激勵著化學家堅持不懈地進行研究。正如貝弗里奇所說“問題就是激勵。”實際上,問題通過科學家的好奇心和科學熱情而起作用。
在化學研究中,如何提出問題和選擇問題,在很大程度上關系到研究工作的方向、水平甚至成敗,問題是研究工作中具有戰(zhàn)略意義的大事。可以說,課題的形成和選擇,“是研究工作中最復雜的一個階段。一般來說,提出課題比解決課題更困難。”
應當指出,化學問題貫穿于化學研究的全過程。在本書其他章節(jié)中還要談到化學研究的程序,當然,這個程序也是從研究化學的思想方法角度上講的。正如印度學者N.K.簡所說:“對科學方法的分解,并不意味著一位科學家應自覺按這些步驟工作。他沒有必要把第一天用于對問題的認識,第二天進行實驗,第三天用于觀察,第四天進行抽象,第五天去驗證。有時,這五個過程幾乎是同時而又很不自覺地進行著……另外,每一個步驟常常是由不同的人來完成的。”我們強調化學問題的重要性,并不意味著任何問題都可以成為化學研究的課題。下面,我們討論化學研究課題的特征,最后兩節(jié)討論化學選題的方法。
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