ZT: 五大宇宙定理与当代大学生创新性思维的培养

五大宇宙定理与当代大学生创新性思维的培养
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作者：朱伟勇 更新日期：2005-12-05 浏览次数： 965

一、五大宇宙定理与人类科学观的演变
20世纪初，爱因斯坦发表了“狭义与广义相对论”，在学术界激起一场空前伟大的科学思想革命，使人们不知不觉进入一个崭新的“时间与空间”中。从自然宇宙到微观粒子世界，甚至生命现象的科学研究，从宏观与微观“两观”发展到胀观、宇观、宏观、微观和渺观“五观”研究中，“时空观”几乎无所不包的进入人们思维的想象中，无不浸透这种新时空观给人们带来新鲜和无限的原始创造性思维。“时空观或时空谱”的发生、发展和唯一性隐含了科学研究的无穷无尽的奥妙。
爱因斯坦伟大的相对论时空观承上启下的把古代到现代人类对时空观念的不断认识发展和深化思维演变的过程做出惊人的创举，使我们可以从中得到启示把时空观的研究归结为五大宇宙定律。第一宇宙定律：“天圆地方的平直的欧几里德时空观”，可形象的表述为“遥望星空无边际，天圆地方勾股弦，平直思维圆魅力，割圆求和无极限”；第二宇宙定律：“站在第谷—开普勒肩膀上的牛顿绝对时空观”，可形象的表述为“绝对时空两分离，万有引力三定律，流数变化求极限，自然哲学新原理”；第三宇宙定律：“空间收缩，时间延缓的爱因斯坦相对论时空观”，可形象的表述为“相对原理惯性系，时空混合创新奇，时空伸缩光不变，引力潮汐曲率波”；第四宇宙定律：“具有时间矢的霍金膜理论的光锥时空观”，可形象的表述为“光锥时空无限美，时空薄膜宇宙飘，熵增无序时间矢，量子混沌黑洞不黑”；第五宇宙定律定理：“具有M—J混沌分形图谱的曼德布罗特（Mandelbrot）混沌分形时空观”，可形象的表述为“时空破碎分形维，图中嵌图形镶形，初始敏感无标度，拉压折叠拓扑稠，五集轨道演混沌，无限周期有新序”。透过五大宇宙定律这些伟大天才的宝贵科学思维遗产，扬弃其缺陷，继承其精华，从而找到为我们所需的闪光灵感和原始创新思维——新标度、新测度和新规则。

二、非线性混沌分形理论对人类科学史的重大影响
混沌(chaos)是继相对论、量子力学问世以来20世纪物理学的第三次革命，是人类时空观的第五次重大突破。它研究自然界非线性过程复杂系统内在随机性所具有的特殊规律。1960年，混沌理论的创始人之一，世界知名的动力气象学家，美国麻省理工学院教授爱德华·洛仑兹用计算机求解一组描述地球大气变化的非线性微分方程时，偶然发现输入的初始条件的极细微的差别，可以引起模拟结果的巨大变化。他于1963年在《大气科学》杂志上发表了《决定性的非周期流》一文，阐述了在气候不能精确重演与长期天气预报者无能为力之间必然存在着一种联系，这就是非周期性与不可预见性之间的联系，从此把人类的理性视界正式投向了非线性的混沌世界。为了描述混沌复杂系统的极端敏感性，洛仑兹打个比喻，在南半球某地一只蝴蝶的翅膀偶然扇动所引起的微小气流，几星期后可能变成席卷北半球某地的一场龙卷风，这就是著名的“蝴蝶效应”。混沌分形理论以新的时空观、新的手段来处理这些难题，透过扑朔迷离的无序混乱现象和不规则形态，揭示隐匿在复杂系统内部的规律，以及局部和整体之间的本质联系。进入90年代以来，混沌科学与其他学科相互渗透。在生物学、生理学、心理学、数学、物理学、化学、电子学、信息科学、天文学、气象学、经济学，甚至在音乐、艺术等领域都得到了广泛的应用。但混沌分形理论与应用远未成熟，该领域必将继续成为21世纪人类自然科学研究的热点问题，并对复杂系统的分析研究产生极其重要的影响。

三、科学研究的三条途径与高等教育中创新性思维的培养
自1901年开始颁发的“诺贝尔”奖已经有100多年了，作为世界上最著名的学术奖项，它代表了世界对科学进步的肯定。在一百年之间的获奖者中有六位华裔，他们是理论物理学家杨振宁、李政道；实验物理学家丁肇中、朱棣文、崔琦；化学家李远哲。然而，这些获奖华人科学家，没有一位是属于中国大陆科研机构的，对占世界总人口近四分之一的东方文明古国来说，不能不说是一个遗憾。今天，中国已加入国际科技竞赛。那么，21世纪又会怎样呢？诺贝尔自然科学奖的原则就是“发明、发现、创新”。如何能真正创新呢，最重要的还是在教育尤其是高等教育中对创新性思维的培养。
著名科学家杨振宁教授指出，物理研究可以分成实验物理、唯象理论、理论架构三部分。所谓的实验物理其实是实验物理与唯象理论加起来，统称实验物理；所谓的理论物理是唯象理论与理论架构加起来，而该理论架构跟数学分析有很密切的关系，这些关系是相辅相成的、互动关联的。实验可以引导出唯象理论，而唯象理论反过来也可以引导出新的实验。开普勒的三大定律，牛顿的三大定律，爱因斯坦的相对论，普朗克、海森堡、玻尔等人的量子力学，克里克，沃森的DNA双螺旋结构以及曼德布罗特的“分数维空间”都是通过这三条途径得到的真理，它是启发人们发现一系列微观世界新规律的源泉。
在高等教育中从本科阶段开始应全面了解20世纪数学和物理学家的智慧结晶，可是这些观念，由于某种原因没能及早地在我们的教育体系中有目的、有计划地传播，往往在我们工程学科当中只有用数学较多的专业理工大学生才可以接触到，而在其他理工科专业上被认为是专业教科书以外的内容，并使之成为一种高不可攀的高度抽象的空间理论。我们过去往往设置很多障碍和禁区，认为这些知识必须是纯数学专业，学过抽象数学空间的人，或者学过测度论、拓扑学、黎曼积分、勒贝克积分这些纯理论以后才能学习，结果就把这些非常有意义的近代的科学思维和工具以及方法，没能在工科大学当中进行全面细致的推广和普及，这是提高我们大学生、硕士生甚至博士生的科学观修养，提高科学的思维具有原始创造力的素质的一个巨大的缺陷和障碍。
事实上，可以把这些空间理论、近代的数学概念结合几何和物理的基本思想和直觉，包括时空理论的演变过程和时空过程的变换系统，不断地向学生宣讲讨论，让他们及早地在大学时代就理解，这是提高学生素质的重要手段。笔者在本科教学中就尝试着把这些近代科学理论深入浅出地灌输给他们，虽然数学推导不是很多，只要把本质理解了，那么往往对于新的实际问题就敢于研究，敢于下手。当学生们知道了时空的物理意义，它的本质，它的物质来源，和我们人类不断探索自然的进化后，就提高了他们的勇气，提高了他们观察问题的敏锐性，使他们善于对一个新的问题提出新的方法，对提高他们思维的想象力，提高科学的兴趣，提高他们的原始创造力有极其重要的作用。
在过去的100年中，世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治，也不在于经济，而在于科学技术，直接源于先进的基础科学研究的科学技术。总结与回顾20世纪人类自然科学的发展与创新，突破近代理论传授的障碍和禁区，培养创新性思维人才是教育尤其是高等教育中的一个重要问题。