漫談年輕優秀科學家的培養

　　創新人才的培養是一個系統而又復雜的，對此已有許多研究。這里，只想對年輕優秀科學家的培養，談一些我近來對此的一些零星而又粗淺的思考。希望能夠激起大家的共同思考。

　　必須把“廣博教育”作為培養本科生的首要

　　最近，我讀了一本高級科普書，書名是：《基因與癌的生物學》，該書的作者之一是 1989 年度的諾貝爾醫學獎獲得者，公認的反錄病毒和癌基因方面的權威， Harold Varmus 教授。我們來看一下他的簡歷。

　　哈羅德 . 瓦穆斯， 1939 年生于美國紐約長島。 1955 年進入阿默斯特學院，取得 文學學士學位 ，并被授予 文科碩士 。 1966 年在哥倫比亞大學獲醫學博士學位。 1968 年在美國國家衛生研究院 …… 從事環- AMP 對細菌基因調控方面的工作。 1970 年在舊金山加里福尼亞大學做博士后， 1979 年受聘為加里福尼亞大學微生物系教授。 1984 年為美國癌癥學會的研究教授。 1993 年 11 月受美國總統克林頓任命，擔任國家衛生研究院院長。 ……

　　大家一定會對一位 文學學士和碩士學位獲得者 居然成為生物學領域的權威而感到驚奇。

　　我們再來看一個非常特殊的人物：

　　Witten 在 Brandeis University 主修歷史，并對語言學有著濃厚的興趣。 1971 年畢業后，他為 George McGovern 競選總統效力。因此， McGovern 為他寫了一封推薦他上研究生院的推薦信。 Witten 在《國家》和《新共和》上曾經撰文。他現在主導著全世界理論物理(尤其是超弦理論)的普林斯頓高等研究院的領軍人物 Edward Witten 。 John Horgan (《 Scientific American 》的記者)在采訪了他后說，世界上最不可思議的最聰明的人居然是一個自由民主黨人。確實，這非常令人不可思議。超弦理論需要令人難以忍受的高等數學，而一個主修歷史的人居然從事著如此艱深的理論物理工作。他一旦投生于理論物理，就玩命地學習物理學。他隨后成為普林斯頓的研究生，在哈佛任教，繼而在 28 歲時飛速地成為普林斯頓的正教授。他還榮獲了卓有聲望的麥克阿瑟研究員職席(有時被新聞界稱為“天才獎”)。他的研究工作派生的結果深深地影響了數學界。 1990 年，他獲得了堪稱數學界的 Nobel 獎的 Fields 獎。盡管超弦理論取得了巨大的成功，它將量子力學和廣義相對論結合起來，被譽為 TOE ( Theory Of Everything ) . 他未能獲得 Nobel 獎，是因為超弦的存在目前尚無法進行直接的實驗驗證。

　　我相信，同學們一定會為一個由學歷史轉而從事高深理論物理研究，并取得如此成就而感到吃驚。

　　如果我們對美國的高等教育傳統有所了解，就很容易理解這個現象。美國的研究型大學均把“寬口徑”的廣博教育作為培養本科生的要旨。例如，哈佛大學早就規定，大學生入學后都要學習“七藝”，即文化、邏輯、修辭、幾何、天文、數學、音樂、語文、人文、社會和自然。這樣培養出來的學生具備廣博的知識，融會貫通的思考能力，能夠在整個人類知識體系的框架中來認識某一門類的專業知識。因而，學生可以在沒有太多知識障礙的情況下來選擇自己所熱愛的專業領域。因此，在哈佛醫學院里就有許多本科是學文科甚至音樂的學生。所以，盡管 Harold Varmus 大學獲得的是文學學科的學士和碩士學位，我們可以相信他有足夠的數學、生物和其它自然科學的基礎知識，使其 能夠在 博士學位的階段轉到生物醫學的研究領域來，并作出優異的成績。

　　然而，在目前我國大學的內部結構下，高中生考入大學后，立即就被分入幾十個專業面十分狹窄的院和系，就如同被領進了一條條相互分割的在胡同。更有甚者，一些學校在中學階段就被劃分為理科班、文科班，等等。這樣培養出來的人，只能“管中窺豹，只見一斑”，沒有明顯的創新能力。因此，不難理解，在目前我國大學的內部結構下，只有學理科和醫科的學生轉到從事文科的研究領域中去，反之則簡直無法想象。

　　這里，我們必須指出，“全面學分制”是“廣博教育”最為基本的要求。然而，不知何故，“全面學分制”叫喚了不下十年，但真正實現的高校卻未曾所聞。要創世界一流大學，在某種意義上要靠學生，即培養出世界一流的創新人才。因此， 為了能夠培養出具有很強創新能力的人才，我們首先必須至少在研究型大學切切實實地實行 “全面學分制” 。

　　杰出的導師是年輕優秀科學家培養的關鍵

　　設想，如果當時 Harold Varmus 的博士生導師的思想比較保守，認為他的生物醫學基礎知識不夠扎實，或者在僵化的考試制度下他無法通過傳統的考試，那么這個人才也無法脫穎而出。由此，我們可以引出另一個值得思考的問題，即 我們如何能夠創造一種靈活的機制，要讓優秀的學生在杰出教授的指導下，在科學前沿艱苦奮斗 。

　　近年來，我們為了提拔年輕的科學家，似乎年紀大一些的科學家都是年輕人成長的障礙，但我們忽略了另一個重要事實：優秀的科學家大都出自于名師之門，即所謂的“ 名師出高徒 ”。關于創新人才培養中的師承關系，早在近 30 年前，著名的 Harriet Zuckerman 在《科學界的精英》一書中對美國諾貝爾獎獲得者中的師承關系早已有過仔細的分析。結論是：雖然科學界的師徒關系常常是痛苦的，但“名師出高徒”的事實不斷地被得到證實。

　　美國國立衛生研究院( NIH )和約翰霍普金斯大學( Johns Hopkins University )以 Bernard B. Brodie 的學生們所構成的著名科學家群體通過半個多世紀來在生物醫學科學領域內的突破性貢獻，贏得了拉斯克( Lasker )獎和諾貝爾( Nobel )獎。 著名的美國科普作家 Robert Kanigel 在其 《師從天才-一個科學王朝的崛起》(《 Apprentice to Genius: The Making of a Scientific Dynasty 》)一書中對該科學家群體的形成進行研究分析后，不無感慨地指出：

　　“一個科學家的早期聲譽，幾乎一半取決于他在誰的實驗室工作過-他是誰的科學后代，另一半則取決于他本人的科研發現。”

　　除了這個多少反映了科學界的一個社會學現象外，關鍵是：

　　“每一位導師通過自身的經驗、地位和榜樣作用，對年輕的學生進行引導和影響，將自己的教訓傳授給對方，向對方逐步灌輸對科研的把握能力-及對成功的把握能力。同時，也用自己在科學領域里探險的勇氣感染年輕學生。 …… 年輕人最需要的是：導師告訴你，你是一流的。鼓勵讓人振奮，對培養年輕人才非常重要。 …… 畢竟，只發表相當保守的見解，你就永遠不會錯。你能夠百分之九百萬地保證你不會錯，可是你永遠也不會有所發現。你不能謹小慎微，畏首畏尾，犯點錯誤也沒啥，世界不會毀滅。”

　　其實，優秀的導師都善于鼓勵學生，即使是當學生犯了錯的時候。歌德說過：“真理與謬誤出自同一來源，這是奇怪的但又確實。所以我們任何時候都不應該粗暴地對待謬誤，因為在這樣做的同時，我們就是在粗暴地對待真理。”

　　優秀的導師的作用是多方面的，導師在帶領自己的學生從事科學研究的過程中不斷地在觀察學生并因材施教。

　　Einstein 說過：“所碰到的那些最有才能的學生，也就是那樣一些不僅以單純的伶俐和敏捷，而且以獨立的判斷能力顯露頭角的人們的時候，我可以肯定地說：他們是積極地關心認識論的。他們樂于進行關于科學的目的和方法論的討論，而從他們為自己的看法作辯護時所顯示出來的那種頑強性中，可以清楚地看出這個課題對于他們是何等重要。”

　　Kenneth Wilson 重正化群理論和現代相變理論的創立者。看來他像是什么也做不出來。在康奈爾大學的初期，他什么論文都未發表。但任何與他長談過的人都意識到他對物理學的深刻的洞察力。因此，他的固定職位問題成了嚴肅爭論的問題。那些愿意為他的未被證明過的潛力打賭的物理學家勝利了。他其后的論文就象大壩決口般的一大批。其中包括使他獲得 1982 年諾貝爾獎的工作。

　　另一個需要解決的問題是：我們如何能夠形成一種機制，讓優秀的學生到杰出的導師指導下，在科學的前沿奮斗。事實上，在我們的大學里，研究生名額的分配還存在著平均主義的傾向。以考試分數為基本判別標準的，僵化的入學考試將許多真正優秀的學生檔在了門外。這種現象亟待改變。

　　科學是一種文化，科學家的個性要發揚

　　我們首先來看幾個典型人物。 R. Feyman 是個十分有個性的科學家：

　　( 1 )在中學時，同學們為人小便究竟是靠重力還是靠腹肌的收縮而爭論不休時， Feyman 通過拿大頂來澄清小便不是靠重力，而是靠腹肌的收縮。這是一種實驗精神。

　　( 2 ) Feyman 有能力打開當時在 Los Alamos 的所有保險箱，使 Taylor 十分吃驚。

　　( 3 ) Feyman 在獲得 Nobel 獎時尚不是美國科學院的院士，得了獎后，他被選成為美國科學院的院士。 2 年后，他申請辭去美國科學院院士之職。有人問及原因時他說：“我發現院士對我來所沒有任何意義，我唯一要做的就是飛來飛去去評別人能否當院士”。

　　( 4 )他不在乎領先權，為了 避免落入前人思想的框框 ，他在從事一項研究時先獨自考慮一下問題，然后再查找文獻。這個習慣導致他在很多領域進行了重新創造。他的 Path Integral 形式的量子力學和量子電動力學的創造都源自于此。

　　信念不能強調過頭 。當實驗結果與你的信念一致，你當然會很高興。但當實驗結果與你的信念不一致，你應該認為你有了新發現，并應為此感到高興。若當結果與你的信念不一致時仍堅持信念，那是一種宗教的態度，是十分危險的，科學家信“ 法輪功 ”可能就源于此。

　　再舉一個例子來說明。古希臘數學家、哲學家 畢達哥拉斯 在公元前 6 世紀從數字中建立了一種宗教，相信數字不僅是計數的工具，而且還是友善、完美、吉祥或是邪惡的象征。他崇拜整數及其比值(簡單分數)。他的一個信徒發現最為普通的單位正方形的對角線的長度為 ，它既不能表示為整數，也不能用簡單分數來表示。這使他的世界觀受到挑戰，他心慌意亂，迫使他的信徒保守秘密。據傳當他的一個信徒最終背叛他時，畢達哥拉斯便殺了他――這就是所謂的“ 畢達哥拉斯丑聞 ”。

　　這表明，我們不應將信念變成一種崇拜。如果將科學看成是另一種宗教是十分可怕的。我們常說，“你這個說法不科學”，這就有將科學看成宗教或法律之嫌。

　　Mitchell J. Feigenbaum 混沌學的創始人之一，“ Feigenbaum 常數”的發現者，他是個不知疲倦的“工作狂”。他在尋找現在稱之為“ Feigenbaum 普適常數”時曾經連續 2 個月每天工作 22 小時。當他發現該普適常數時，深夜就給他雙親打電話，告訴他們自己碰上了某種深刻的東西，他告訴母親他將因此而出名。可見他的溢于言表的喜悅。極具諷刺意義的是，他的那篇論文也曾經被退稿。他現在還耿耿于懷地保留著該退稿信。

　　努力培養優秀年輕科學家的理性思維能力

　　前面，從我們提到的哈佛大學生必修的“七藝”中可見，即使是文學、藝術類的學生，邏輯和數學都要學。因為，這是理性思維的重要手段。提到弘揚理性，我的感觸很多。

　　提出問題 我們常說要學會提出問題，但要明白：很多人都會提問題，但要么是難得高不可攀，要么是微不足道。問題必須不是要經過個把世紀的努力才有可能解決的問題。在 “高不可攀”和“微不足道”之間的小徑上行走的只能是少數經過嚴格訓練人。提一個你解決不了的問題總是容易的。

　　Bridgeman 認為，科學的方法就是：“ 使用你的頭腦，不要受任何羈絆 ”。

　　抽象是必須的 。你可以把模型搞得更復雜，更忠于現實，或者你可以使它更簡單，更易于處理。只有天真的科學家才相信，完美的模型是完全代表現實的模型。這種模型的缺點同一張與所表示的城市一般大而詳細的地圖一樣，圖上畫上了每個公園、每條街、每個建筑物、每棵樹、每個坑洼、每個居民以及每張地圖。即使可能造這樣的地圖，它的特殊性也會破壞它的目的性：概括和抽象。 …… 地圖和模型在模仿世界時必須簡化。

　　人們常說，創造力源于想象力，我們也不缺乏創造力。我國古代眾多的技術發明可以充分證明我們不乏創造力。我們曾經有“四大發明”。 中國發明炸藥已有一千多年了，鞭炮、焰火燃放至今，但在中國沒有誕生爆炸力學這樣的科學體系。風箏也是中國最先發明的，迄今已有 2500 多年的歷史，但在中國沒有誕生空氣動力學。最近，我讀了《科學的歷程》這本科學史著作，了解到希臘的數學和自然哲學思想大大推動了歐洲近代科學發展。然而，我們沒有這份幸運。所以我想，我們缺少的是用理性的思維方法對想象和創造進行深入的理論分析，缺乏希臘的數理自然觀和理性思維的傳統。為此，我們應該在培養青年科學家時，更要弘揚理性精神。

　　有一個例子或許可以說明一些問題。我曾經參加一個博士后的開題報告評審會。一位博士后青年要想解決煤燃燒爐的燃燒效率問題，目的是要使得燃燒盡可能少地生成氧化氮，因為氧化氮污染空氣并致癌，但他的做法很簡單。他聲稱要制作各種小型的模型去試驗，對每個模型試驗測量一些數據，再擬合一些曲線，看哪個最好。不言而喻，這當然也不失為是一種研究方法。當時我問他：“你這樣做能否達到或超過國外同類產品的水平呢?”他說：“不行，因為國外對我們保密。”我又問：“他們保密什么?”他回答說：“他們設計的理論計算軟件不給我們。”我說：“盡管我不是這方面的專家，但是我知道燃燒的化學過程以及燃燒爐的空氣對流和溫度分布等都可以由理論進行精確的計算。我想，國外的設計計算軟件離不開這些基本的理論問題。”然而，他卻說：“這個辦法是不行的。”我說：“美國波音 767 大型噴氣客機的風洞試驗不做了，而是在大型計算機上采用 Lattice-Boltzmann 算法來計算設計，為什么燃燒爐的設計就不能運用理論方法?更何況你已經知道人家就是不把設計的理論計算軟件給你，為什么不自己研究一個設計的理論計算軟件?”他卻說：“我們不相信那一套真的能行。”這樣的回答很令我很吃驚。這個例子發生在一個年輕的科技工作者身上，它帶有一定的普遍性。令人吃驚的是，他不僅不崇尚科學思想的精髓-理性，甚至有時還振振有辭地排斥、懼怕理性。

　　由于不少年輕科學家在研究過程中未能很好地貫徹了理性精神，不少研究工作就顯得十分粗糙。即使從一些日常生活中的小事也能反映我們這方面的缺陷。記得前兩年，我買了一個木椅子，外形不錯，但坐半個小時以上就會感到腰疼，最近，請教專家后才知道這個椅子的設計不符合人體的生物力學要求。我告訴生產商這個椅子在設計上不科學。他們回答說“椅子是用來坐的，能坐就可以了。何況，這比長板凳已經好多了。”反映在我們的科學研究工作中，往往導致實驗粗糙，結果膚淺，漠視精確，急于求成，缺少深入研究。在科學研究中理性精神的貧乏反映了我們在社會文化基礎方面的缺陷。我們必須在培養年輕科學家時力圖克服這一缺陷。

　　當前，一個令人焦慮的現象是，理科的年輕人忽視數學教育的現象較為普遍。若不及時注意，對我國科學的未來發展將會帶來巨大的損失。 數學是抽象描述的語言 大多數普通人對數學總感到神經性的恐懼(甚至于反感)。這主要是他們與物理學的隔閡造成的。這種隔閡是一道屏障，使他們不能充分欣賞科學發現之美，也使他們在面對經歷千辛萬苦的研究才揭示出來的眾多自然奇觀時感覺不到快樂。

　　對物理學家來說，數學最富于成效的功能在于，它是一種普遍的思維框架。它是用來分析自然，并將我們對它的理解加以表達和描述的最強有力的抽象方法。因此，我們常說，數學是科學的語言。

　　羅杰 . 培根( R. Bacon )說過：“數學是進入各種科學的門戶，是鑰匙 …… 。沒有數學知識，就不可能知曉這個世界中的一切。”許多物理學家深為大自然所具有的數學質樸性和大自然規律的優美所感動，以致于他們認為，這種質樸性和優美所顯示的正是存在的基本特點。在一些科學家看來，“造物主是個數學家”。物理學家 Freeman Dyson 認為：“物理學家用數學材料來構建理論”。

　　關于數學的重要性，我想引用美國總統 W. J. Clinton 在《科學與國家利益》前言中的一句話：

　　如果我們要迎接今天 …… 以及明天的挑戰，這個國家就必須保持在科學、 數學 和工程學中的世界領先地位。

　　他把 數學 從科學和工程學中獨立提了出來，加以單獨的強調是有相當的考慮的。