科学发展中的学科交叉研究史例探析，本文主要内容关键词为：探析论文,学科论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
学科交叉研究是科学综合化发展，并且相互渗透的一种具体表现。近代和现代科学发展的历史表明，科学上的重大突破、新的生长点乃至新学科的产生，常常在不同的学科彼此交叉和相互渗透的过程中形成。学科交叉研究作为科学技术研究的一个极其重要的组成部分，其产生与发展的动力源泉同科学技术的整体一样，一是由科学内部的自身发展提出的科学问题，要求科学系统自我整合；二是国民经济与社会发展中产生的综合性的、并发性的问题，要求通过学科间的交叉研究予以解决。学科交叉研究的形成与发展极大地推动了经济与科学技术的发展和社会的进步。以致施轶泽（Schütze）说，我们已经进入了学科交叉的时代〔1〕。
为了深入地理解这个“时代”到来的意义，以及认识现代学科交叉研究的作用，我们有必要探讨科学发展史中的学科交叉研究史例，以便把握学科交叉研究的基本特征，寻求学科交叉研究产生与发展的基本规律，进而为促进学科交叉研究，提高组织与管理学科交叉研究的水平提供参考。本文第二部分对古代科学发展史中的交叉研究特征作了简单的刻划。第三部分对近现代科学发展上的学科交叉研究史例进行了较深入的分析，并指出交叉研究是新思想、新概念的生长点。第四部分是结论。
2 古代科学中的交叉研究一瞥
在人类社会文明的进程中，跨越不同的知识领域进行研究的风气，已有很悠久的历史。柏拉图（Platon，427～347B.C.）是把哲学视为一个统一科学的第一人，他认为哲学家就是有资格综合知识的人。亚里士多德（Aristoteles，384～322B.C.）虽然主张划分研究（inquiry）的特征（Specificity），但他同样认为， 只有哲学家才有能力收集全部的知识，组织它们，并且在综合的、百科全书式的意义上掌握它们。尽管柏拉图和亚里士多德的这些观点在后世不断被修正，不断受到挑战，但至今它们仍然是西方文化传统中的一部分〔2〕。
在希腊化时期，出现了阿基米得（Archimeds，287～212B.C.）“观察、实验与数学”相结合的研究方法。在古希腊历史上，阿基米得是第一个把数学研究与力学、机械学研究紧密结合在一起的数学家。在研究方法上，他既注意观察和实验，又注重运用数学演绎法。
欧洲历史上，学者传统与工匠传统被社会制度形成的强大壁嶂所分离的严峻状况，一直到十二世纪以后，才逐渐有所缓解。这时，怀特海（Aifred North Whitehead，1861～1947）所说的“普遍观念和硬事实的记录之间”才逐渐发生联系。大约在十三世纪前后，出现了一批学者，他们强调应当向工匠学习，要懂得实际知识，并强调科学研究中的实验方法，以“硬事实”来保证科学的“确定性”。这一时期最杰出的代表是R.培根（Roger Bacon，1214～1292）， 他强调：真正的学者应当依靠“实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的一切东西，而且如果一个平常人或者老太婆或者村夫对于土壤有所了解，而他自己反而不懂得，就应当感到羞愧”〔3〕。R.培根在科学上的突出贡献， 就是他特别强调数学研究和实验方法相结合的重要性。这一时期初步形成了实验——归纳——演绎——检验——理论的研究模式。即从实验所获取的经验事实中归纳出一般原则；通过演绎推理得出可检验的结论；运用经验事实去检验结论；最后创立科学的定理和定律等，以取得新的科学发现〔4〕的研究程序。
由于学者传统与工匠传统相结合，科学与技术应用相结合，再加上数学方法的应用，科学技术的发展从此出现了一派欣欣向荣的景象。
3 近现代科学中的学科交叉研究分析
一般来说，近代自然科学的研究以实验——分析——理论综合为主导模式，现代自然科学的研究则以实验——深入分析——广泛综合为主导模式，即藉助实验技术，通过深入的分析——或者是深入更深的层次，或者是拓展到更宽广的范围，准确地揭示事实的真相，提高理论概括和预测的能力。
在先进的方法论的指导下，人们利用近代工业提供的物质技术手段，在物理学、化学、天文学、生物学等各个学科，进行了大量的科学观察、科学实验和科学研究。这一时期，不仅取得了许多划时代的、永载史册的科学成就，而且也形成了许多具有时代特色的研究方法。
古希腊的原子论一旦与近代的科学精神相结合，对科学的发展便产生了巨大的推动作用。牛顿（Isaac Newton，1642～1727）是认真自觉地和系统地从原子论的观点出发，研究自然科学，并试图将原子论科学化的第一人。牛顿的质点或重心概念就是对原子论观点的创造性运用。他以重心或质心代表物体，并以具有质量却无大小的点表示，这就是质点。这样的质点不是几何点，因为它有质量；它也不是原子，因为它无大小，它只是质量的载体。由此可见，牛顿在动力学上运用的质点，在数学上却作为几何点处理。从而将原子论、动力学和几何学三者创造性地结合起来〔5〕。再比如， 牛顿明确地把热看作是物体微粒的振动，并以此为基础，假定物体微粒间的斥力与距离成反比关系，由此他竟能从力学原理出发，数学地导出著名的波义耳定律。可见，他将原子论、热学、力学和数学成功地结合了起来。牛顿对光学问题的处理，也采用了原子论的观点。他将原子论、光学和力学巧妙地结合起来进行研究，即将空气的粒子大小与光的微粒大小相比，把光学现象与力学原理联系起来，导出了包括折射定律在内的许多定律，建立了近代科学中的第一个光学理论〔6〕。可见牛顿运用自如地藉用了相关学科的方法、 原理和概念解决了当时科学上的许多重大问题。
继牛顿的原子论之后，波斯考维奇（Roger Joseph Boscovich ，1711～1787）创立他的新的原子论学说的过程和研究方法，也颇具交叉研究的特点。
1745年，波斯考维奇研究了牛顿《原理》的各个命题和莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646～1716）的活力原理， 采纳了莱布尼茨的无广延却有质量的单子概念，吸收了牛顿的粒子之间的相互作用力随其距离的变化及其在一定的距离上引力与斥力相互转变的思想，建立了介于两个理论之间的新学说。新学说有两个显著的特征：①原子无大小或广延却有质量；②粒子间的引力和斥力随距离多次交变地发生变化〔7〕。
牛顿的原子论与莱布尼茨的单子论是两种不同的、在许多方面直接对立的理论。波斯考维奇却能在其基础上，取其“优”点，去其“不足”，发展出一种更简单而“优越”的理论。显然，波斯考维奇原子论的创立是一次成功的交叉。
这个经过“交叉”创立的理论，被其他领域的专家们所吸收，从而产生了显著的连续交叉效应。
波斯考维奇的原子论提出后，在英法两国学术界引起高度重视。这两个国家的力学家、化学家和物理学家纷纷将波斯考维奇的原子学说应用到自己的研究领域，取得了很多重要的成果。比如，波斯考维奇原子论中的力心概念，对当时的力学家和理论物理学家就产生了很深远的影响，连麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879 ）和开尔文勋爵（Lord Kelvin，即William Thomson，1824～1907）也都在重要的场合详细地介绍和论述波斯考维奇的原子论。T.杨（Thomas Young，1773～1829）说，波斯考维奇的原子论在代数哲学家中已经占有很广泛的压倒优势。法拉第（Michaet Faraday，1791～1867 ）在其科学研究实践中深感波斯考维奇的原子论比其他的原子论更优越，于是他创造性地把原子看作是由力心和力线组成的，而力或力线又是物质的，据此他提出了场的概念。
波斯考维奇的原子学说，在理论物理、力学和化学上，产生了深刻的影响，理论力学和弹性力学的迅速发展和场概念的产生，在一定程度上应归功于这个原子论的应用和影响。
如果说波斯考维奇的原子论是通过理论交叉的途径而创立的，带有更多的理论色彩，那么道尔顿（John Dalton，1766～1844 ）原子论的创立则带有更多的理论指导实践或者理论与实践交叉的色彩。因为道尔顿原子论是道尔顿借鉴牛顿的原子理论，或者在牛顿原子理论的影响下，通过长期的气象物理研究的实践和思索，以及化学研究的探索，才逐渐创立和发展起来的。
在近现代科学史上，通过明显的交叉途径创立理论的例子是很多的。几乎可以这样说，一个影响深远的概念的创立，或一种学说的形成，就有一个成功交叉的过程。
法拉第提出场的概念的历史，就是他进行大量的实验研究和哲学思考，揉合和扬弃各种概念，努力创新的过程。在法拉第的时代，牛顿——道尔顿原子论是指导科学研究的主流思想。法拉第早年就是一个牛顿——道尔顿原子论的信奉者。但科学实验揭示的很多现象，用牛顿原子论和道尔顿原子论不能进行正确的解释。为改变这种困境，法拉第对其所掌握的原子论思想进行改造，即排除道尔顿的原子论，采用波斯考维奇的原子学说。一方面，他否定超距作用，承认近距作用，认为力可以在空间中独立存在，由此形成力场概念。另一方面，否定传统的原子论，将原子化为力心，将力化为物质，因而构造出实体场概念。显然，法拉第立足于科学实验，改变他原有的原子论观点，融汇不同的原子论学说，否定以太理论，改造理论力学的势的概念等，是他能够创立场概念的关键。法拉第的场概念的巨大意义，爱因斯坦曾经有过评价，他说：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在的结构的概念——的最伟大变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的。〔8〕
科学史表明，在科学研究中取得巨大成就的研究者，往往是那些能够博采众长的科学家们。他们对于各种观点，甚至是相互对立的学说，都能兼收并蓄。那些杂陈并立于他们胸中的各家之说，使他们的研究奠基于多维的参照系之中。以此为基础，他们往往能够创立前无古人的一家之说。比如麦克斯韦。他在发表电磁场结构方程组之前的物质观就不是单纯的。他不仅相信原子论，而且相信以太说和场论，并认为三者都存在。这时，在物质组成思想、气体分子运动理论、流体力学和固体力学上，麦克斯韦持原子论观点；在电磁相互作用问题上，麦克斯韦承认并采纳法拉第的电磁场概念，也就是说他的场观念是有局限性的，他认为电体或磁体之间不直接起超距作用，“产生这些效应的实体可以是原物质的部分，或者是同物质相关联的以太”。如果说他认为以太是空间中的本底介质，则光和辐射传播的载体就是以太，而电磁场不过是“电或磁存在的情况下包含物体或物体周围的那部分空间”〔9〕可见， 当时麦克斯韦同时持有几种不同的物质观。
麦克斯韦在气体分子运动理论上做出的重大进展，同样与他的交叉式的研究风格有密切关系。他的气体动力学的思想渊源是古希腊的原子论。但为了计算上的方便，他却采用了波斯考维奇的原子假设，即在分子之间的作用力问题上，他基本上采用了波斯考维奇的理论，即“把原子看作大量的力心，力是距离的函数和距离减小时吸引变成排斥并反复多次的波斯考维奇理论”。此外，麦克斯韦的气体分子动力理论虽然是部分地接受并大大地发展了克劳修斯（RudolfJuliusEmmanuelclausius，1822—1888）的气体动力理论，但在原理上，它们之间却存在明显的差异。尽管它们都应用了几率的概念，却在应用统计的方法上有着质的区别。麦克斯韦认为在对待百万计的和每秒钟碰撞成百万次的分子时，正统的处理二分子及其碰撞的计算方法几乎是无用的。于是他采用在社会学和经济学领域用之有效的统计方法处理气体分子动力学问题，以至他到晚年都认为在实验仪器无法检测分子的情况下，统计的方法是可供选择的最好方法。
丰富的物质观，不拘一格的研究方法，以及在处理具体科学问题上的灵活性，使麦克斯韦始终驰聘在科学的前沿疆场。
在现代遗传学的几位奠定者中，孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822—1884）是一位颇具复合型色彩的科学家。他“先为物理学家后为生物学家，受过良好的物理教育，熟悉统计理论，曾任维也纳大学物理研究所的演示员，他研究遗传学的明显特点是大部分研究方法和一些观点来自物理学。在孟德尔的成功中起决定性作用的是他在物理学上的训练象在生物学上一样或更透彻”。虽然他的概念（如人口、进化论）来自生物学，可是他的大部分方法论却来自物理学。例如，他运用原子论、统计方法和重视实验记录等，十分突出。丹皮尔（W.C.Dampier ， 1867—1952）指出，“孟德尔的理论从物理学近来的趋向来看，是饶有兴趣的事，因为这个理论把生物的特性简化为原子式的基元，而这些基元的出现和组合又受几率定律的支配。单个机体中孟德尔基元的出现，正如单个原子或电子的运动，是我们所不能预测的”〔10〕。“将遗传物质原子化，并且能够合理地说明大量的实验现象，特别是这种原子化与统计的方法相结合，比较清楚地反应了统计物理刚刚出现不久后对孟德尔的深刻影响，而这种影响只能表现在既具有统计物理的知识基础又了解生物遗传的实验结果的科学家身上”〔11〕。孟德尔当时虽然是一位僧侣，是修道院的院长，但在科学研究上，他却是一位兼具生物学家和物理学家的风格，并且能将二者结合起来的“复合型”科学家。
在放射性原子衰变理论上做出开创性贡献的卢瑟福（ E.Eutherford，1871—1937）与孟德尔有着类似的经历， 而且他的研究思想曾受到生物进化论、无机物演化论、元素发生论和物质的电子结构理论的深刻影响。卢瑟福在开始科学生涯之前，有过学医药的打算，而且写过有关学术论文。也说是说，他在到卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810）实验室之前，已经对生物进化理论产生了兴趣。后来，在卢瑟福所写的一系列论文中，一再出现“进化”、“递次退化”、“自然选择”和“放射性元素家族”等生物进化论术语，并且用进化论的思想阐述放射性元素的衰变过程，将元素蜕变比喻为生物的演化等，说明生物进化论对于卢瑟福研究放射性元素衰变时的思想影响是相当深刻的。此外，卢瑟福早在新西兰和在卡文迪什实验室做研究生时，就了解无机物演化理论并被这个理论所吸引，后来他同这个理论的创立者有过多次交往，并为此而自豪；卢瑟福在许多著作中曾多次提到无机物演化理论及这个理论对他们的放射性研究的影响。这些影响促使他沿着元素演化的思路，进行放射性元素的蜕变实验和研究。元素发生论和物质的电子结构理论也是卢瑟福在研究放性元素衰变过程中的重要理论工具。J.J.汤姆逊（J.J.Thomson，1859—1940 ）把电子看作组成物质的终极粒子，并由此提出他的原子模型。作为J.J.汤姆逊的主要继承人和其研究路线的主要代表，卢瑟福一直把电子视为物质结构的到处都一样的基本组成单位。在他看来，元素的演化就在于一种元素原子内电子的数目和排列方式的改变。对于放射性元素的衰变，这些变化发生在原子之内，并且放射性元素必定经受着自发的转变；这种转变是它们自发地放射出电子并进行原子结构的重组产生的。由此可见，物质进化或演化的理论，对卢瑟福研究放射性元素的衰变过程有着重要的影响，并且对他在具体的研究中所做的开创性贡献起了关键性的作用〔12〕。
4 结论
通过上面的分析，我们可以得到下面三点结论。
（1）交叉或者学科交叉研究，确实是一种历史现象， 并非一蹴而就，值得深入探讨。
（2 ）我们所分析的交叉或者学科交叉研究几乎都是研究者们的自发的、个体的行为。这种现象，既与当时代的科学技术发展的整体水平及规模有关，又与那时的经济建设和社会发展所提出的问题特征有关。当科学技术的发展进入了以“大科学”为标志的当今时代，政府、科学界及社会各界必须关注现代学科交叉研究的发展，采取相应的措施，进行必要的扶持。因为学科间的交叉、渗透，既有利于研究者产生新的科学观念，活跃他们的思维，开阔他们的视野，同时也有利于开拓新的研究领域，推动科学技术的发展；并可能形成新的交叉学科。
（3）在科学研究中，往往是那些复合型的人才， 或者勤于不断扩大自身的知识领域的研究者，最有希望取得重大的研究成果，或者突破性进展。这就对教育的现代化提出了要求。现代化的教育要把培养复合型人才放在重要的位置上。要设法营造有利于复合型人才成长的环境。历史已经证明，并将继续证明，复合型人才既是勇于创新，敢于开拓，又是有能力创新、有能力开拓的研究者。他们是真正地从事科学研究的中坚力量。