化学研究中的问题
化学先生 / 2019-08-07
在化学研究的起点上,或者更一般地说科学研究的起点问题上,学术界存在着不同看法。一种看法认为,科学研究从观察和实验开始,然后在经验材料的基础上总结出经验定律,再把经验定律上升为科学定律,最后得出学说和理论。
还有一种看法认为,科学研究的起点是问题。当代科学哲学家波普(KarlPopper,1902~1994)在一次演讲中做过一个实验。他要求听众在他发出第一个信号的时候开始观察,发出第二个信号的时候停止观察,并把观察结果记录下来告诉波普尔。他发出第一个信号后不久,就有听众提出,不知道他希望他们观察什么。通过这个实验,波普尔得出结论:观察具有目的性,目的先于观察;而只有有了问题,才会有以解决问题为目的的观察。所以他坚持认为科学研究始于问题。
实际上,有了科学问题,才会有研究的动机和行为,从而才能有研究的成果。例如,英国化学家和光谱学家克鲁克斯(1832~1919),26岁时,收到他大学老师夫曼(A.W. Hoffmann,1818~1892)寄给他的一包东西,打开一看是一些黑糊糊的残渣,老师在便条中写道:能否弄清这些硫酸厂的残渣的成分是个大问题,几个实验室都没干成,希望你能成功!为解答老师提出的问题,克鲁克斯用光谱法对残渣进行精细研究,并在细节上加以关注,从残渣中发现了新元素铊。克鲁克斯解决了老师提
出的问题,做出了发现。
在科学研究的整个过程中,自始至终都贯穿着问题。问题是在已有的实践和认识基础上形成的,又是以往的实践和认识所没有解决的疑难。所以问题是联系已有的认识成果和新的认识活动的中介。正是这种已知和未知的矛盾,推动着化学家们从事化学研究,推动着科学家们进行科学研究。所以,“应当把科学设想为从问题到问题的不断进步一一从问题到愈来愈深刻的问题,“”化学研究就是一个不断提出向题、分析问题、解决问题、又提出问题的循环发展过程早在1785年,英国学者卡文迪许( Henry Cavendish,1731~1810)就将过量的氧与空气混合,通以电火花,结果发现有部分气体未能与氧化合。这部分“残余气体”的体积不大于原来混合气体的1/125。当时所知道的空气的成分为氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气,那么这剩下来的气体是什么呢?当时的实验手段无法做出回答。另外,卡文迪许本人没有把这个实验结果公诸于世。直到他逝世后的第41个年头(1851年),威尔逊( Wilson)写了一本(享利?卡文迪许的生平及其重要科学论文之摘要》的书,才把这个结果公开,另一位英国化学家拉姆塞(W. Ramsay,1852~1916)读到这本书,他发现这是一个很有趣的问题,便和自已的助手一起重复了卡文迪许的实验,但未获得什么结果。1892年,瑞利(J.W. S Rayleigh,1842~1919)在著名的自然科学刊物《自然)上发表文章,报道了自己的一项实验结果:从空气中除掉氧、二氧化碳和水蒸气后得到的空气氮”的密度是1.2572克/升,而从氯化合物中分解制得的氮的密度却是1.2508克/升。两者之差虽然不大,但无论如何不能解释为实验误差,这究竟是为什么呢?拉姆塞在见到文章后,于1894年4月19日与瑞利进行了讨论。拉姆塞猜想这是因为大气中含有较重的杂质所致,瑞利则认为是氮化合物中分解出来的氮中含有较轻的气体杂质所致。后来,瑞利回想起了卡文迪许在109年前所做的那个实验,在给妻子的信中断言“空气氮”中含有某种新元素。他和助手用烧红的镁与氮反应(3Mg+N2MkN),得到了卡文迪许所谓的“残余物”不久,拉姆塞也制得一些这种气体经过光谱分析,确证这是一种新元素,并命名为氩。但是,又出现了新的问题,因为门捷列夫周期表中没有给它留下空位.185年3月14日,门捷列夫宣布,这种气体不是什么新元素,而是氮的同素异形体N。在发现了気以后,拉姆塞提出,应该在周期表中增加新的一族情性元素族,从而解决了这两个元素的归属问题,并进而设想提出了可能存在其他惰性元素的问题……
可见,化学研究中的问题激励着化学家坚持不懈地进行研究。正如贝弗里奇所说“问题就是激励。”实际上,问题通过科学家的好奇心和科学热情而起作用。
在化学研究中,如何提出问题和选择问题,在很大程度上关系到研究工作的方向、水平甚至成败,问题是研究工作中具有战略意义的大事。可以说,课题的形成和选择,“是研究工作中最复杂的一个阶段。一般来说,提出课题比解决课题更困难。”
应当指出,化学问题贯穿于化学研究的全过程。在本书其他章节中还要谈到化学研究的程序,当然,这个程序也是从研究化学的思想方法角度上讲的。正如印度学者N.K.简所说:“对科学方法的分解,并不意味着一位科学家应自觉按这些步骤工作。他没有必要把第一天用于对问题的认识,第二天进行实验,第三天用于观察,第四天进行抽象,第五天去验证。有时,这五个过程几乎是同时而又很不自觉地进行着……另外,每一个步骤常常是由不同的人来完成的。”我们强调化学问题的重要性,并不意味着任何问题都可以成为化学研究的课题。下面,我们讨论化学研究课题的特征,最后两节讨论化学选题的方法。
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