纵观人类社会发展的历史，我们感到科学的进步来之不易。人类的认识每前进一步，都要经过许多人的努力，都要付出艰苦的劳动。我们必须尊重前人的劳动，珍惜前人为我们创造的知识，让科学精神在我们的身上发扬光大，让文明的光辉在我们的手中更加灿烂，更加辉煌。

　　我们注意到，人类对客观世界认识的发展具有一定规律，知识的创新也是按一定的顺序进行的。在新科学理论建立之前，往往需要积累一定数量的感觉信息，然后纔可以将感觉转变成可陈述的经验。在经验材料基础上，需要提出新的科学命题。这种命题分两类，其一是有关客观世界究竟怎么样的“唯象理论”，其二是关于世界为什么会这样的“科学原理”。然后，针对这些人为杜撰的理论，应用逻辑方法，对所涉及的科学事实和唯象理论予以解释或论证。在需要的时候还可以预言新的科学事实。如果对科学事实和唯象理论的解释获得了成功，或者所预言的科学事实如愿以赏地出现，都可以显示新理论的生命力。如果出现了不能用现有理论加以解释的事实，或者所发现的科学事实和已知自然规律相矛盾，人们便会寻求新的解释，建立新的理论。于是，新一轮从感觉到科学原理的征程再次启动。这就是以问题为出发点，实验为基础，在科学事实引导下，以创立新观念为核心，通过演绎建立知识体系为工作重点，以实践检测为成功标志的知识创新路径。

　　能够引导新知识体系诞生的问题常以悖论的形式出现。悖论并不是无法克服的困难，而是在现有理论框架中不能解决的矛盾。悖论可能直接从现有理论中推导出互相冲突的结论引起，也可能表现为新的科学事实无法用现存的知识体系加以解释。这两种情况都意味着现有科学理论至少应该予以修正。既然悖论的出现暴露了现存知识体系的破绽，引导创新，发现和化解悖论对于推动科学认识向纵深方向发展，必然具有特殊意义。一旦发现了悖论，就等于把握住了科学发展的脉搏，抓住了创造发明的契机。

　　我刚开始从事物理教学的时候，就注意到一个关于电子束的悖论。当时我只是将其作为一个有趣的问题交给学生讨论，启发思考，提高他们对物理学的兴趣。

　　后来我意识到，通过破译电子束悖论，可以推导出相对论的有关结论。2002年夏季，我完成了这项工作，写成论文《从电子束佯谬到狭义相对论》，发表在四川大学学报上。在相对论已经被普遍接受的今天，这个证明并没有实际意义。但是，从分析电子束悖论开始，只应用相对性原理，可以将包括狭义相对论全部结论推导出来，这说明狭义相对论的确是可以化简的。从科学逻辑的角度讲，化简相对论的公理基础，具有一定的理论价值。

　　大量悖论来自科学实验。十九世纪末，黑体辐射的实验研究显示，辐射强度与波长之间的关系，无论如何不能用经典电磁学理论加以解释。在维恩和瑞利经验公式的基础上，普朗克拼奏了一个公式，能够将全体实验数据概括进来。不过在他这个公式里隐含了一个重要的假设，那就是必须承认辐射能量存在最小单位。这个假设显然和经典电磁学理论相矛盾。普朗克由此创立了量子观念，开创了量子力学发展的新纪元。

　　与普朗克同时代的迈克尔逊却没有这么大的勇气。为了测定地球在以太中的运动速度，他设计了一个非常精巧的干涉实验。可是，无论怎样改进实验的方法，迈克尔逊都没有看到应有的干涉条纹移动。这样的结果似乎表明以地球为参照物，光向各个方向传播的速度相等，这意味着地球在以太中处于静止状态。照说，地球不仅在自转，而且以三十公里每秒的速度围遶太阳运动，太阳又以二百五十公里每秒的速度围遶银河系中心旋转。依据伽利略相对性原理，地球必须正好将自身的运动，和相对于银河系中心的运动，以及银河系的运动恰好扺消。可是，这样的结论太离奇了。由于地球自转，以上运动无论如何不可能随时互补。此外，如果认定地球静止不动，其他天文观察--例如光行差和双星现象——便无法得到解释了。

　　本来，迈克尔逊实验所引起的重大悖论，明确预示以太不存在，牛顿絶对时空观已经走到了历史的最后关头。可是迈克尔逊却没有看不出他所设计的实验可能引起的革命性后果，不愿意放弃絶对时空的陈旧观念。直到相对论被科学界普遍接受，爱因斯坦移居美国，和他谈到二十年前他的著名实验对相对论的创立所出做的卓越贡献时，迈克尔逊还是固执己见，不愿意接受相对论，依然对自己在实验中没有看见条纹移动的结果感到失望和沮丧。

　　从化解悖论着手创新科学理论需要强烈的创新意识，坚忍不拔的意志和严密的逻辑思维能力。悖论并不是不能化解的矛盾，只是在现存的理论框架中无法破译的难题。悖论是科学危机的信号，也是科学发展的前兆和进军的号令。如果我们只是看到悖论对传统理论的破坏力而感到惋惜，看不到她在新科学理论诞生过程中的助产作用而倍受鼓舞，就不会去发掘她的创造性潜能，坐失创新知识的良机。所以，努力发现悖论，有意识地通过构筑新知识体系的途径解决悖论，才能为科学的发展开拓一片新天地。

　　既然从科学事实到唯象理论，由唯象理论到科学原理这两个阶段，都没有现成的道路可走，没有逻辑的必然性，只能凭藉科学家的想象，这就决定了猜想在创造性研究中的重要地位。科学家往往首先需要提出假说，再应用逻辑的方法推导出一系列结论。建立严密逻辑的公理化体系之后，还要对公理系统中的推论进行验证。理论的创新必须接受科学事实的引导，通过实践的检验。检验的方法就是用新的理论解释已有的科学事实、预言对科学原理具有鉴别力的未知事实，只要在这两个方面能够获得成功，就可以得到科学界的认同。而在上述任何一个方面不成功的理论会被放弃。可见在知识创新的道路上，新的科学事实或者逻辑悖论的出现是契机，猜想是关键，通过检验是成功的标志。

　　早在1814年，德国物理学家夫琅和费就发现太阳光通过分光镜后，会在连续的彩色光带中留下许多暗淡的条纹，称为夫琅和费线。此后不久，基尔霍夫和本生发现，每一种元素只能发出或者吸收若干种特定频率的光。元素能够发出某种频率的光，在相应的条件下也能吸收同样频率的光，这就是著名的基尔霍夫光谱定律。根据这个原理，人们根据原子的发射光谱或者吸收光谱波长来鉴定物质的化学组成，这就是光谱分析方法。

　　但是，光谱定律毕竟是一个描述性的唯象理论，她只是告诉人们，原子所发出的光具有怎样的特点。虽然光谱分析方法已经应用了半个多世纪，可是，人们对原子的发光机制并没有给出确切的解释。就是说，元素为什么会发特定颜色的光？各种原子的发光波长为什么互不相同？为什么同一种原子能够发射哪种波长的光，就能吸收同一种波长的光？这些问题一直没有得到圆满的解答。很显然，给出这种问题的说明需要对原子的发光机理和内部构造有所瞭解。也就是说，对原子光谱的深入研究，很可能与揭开原子结构的秘密有关。这项工作引起了越来越多的科学家注意。

　　1885年，瑞士科学家巴尔末首先看出氢原子可见光谱所对应的波长，满足一个简单的关系：每一条光谱波长的倒数，都与两个整数的平方倒数之差成正比。其中一个整数是2，另外一个分别是3、4、5、6。他把这个规律编写成公式，从而得出第一个定量描述光谱性质的唯象理论。

　　1898年，瑞典光谱学专家里德伯发现，将巴尔末公式略加修正之后，应用于所有碱金属也基本上适合。于是，巴尔末公式被推广到一价碱金属光谱研究中，成为类氢原子的光谱理论。

　　事情还没有完，光谱学家赖曼保持巴尔末公式中前项分母不变，后项分母的整数改成7、8、9…的时候，计算结果属于紫外线，他通过紫外分光镜，找到了这些光谱线。赖曼的成功，鼓励后来者做出更加大胆的尝试。他们分别将巴尔末公式中的前项中的整数，分别用1、3、4、5…代替，计算出一些可能的光谱，这些谱线都在分光镜中被一一找了出来。

　　氢原子光谱呈现出来的明显规则，增添了巴尔末公式的神秘感，同时也给人们以极大的启发：既然氢原子光谱有规律可寻，其中必定大有文章。氢原子光谱唯象理论一天天走向成熟，呼唤着更加深刻的理论解释，促进了进一步的科学原理，也就是氢原子结构理论的诞生。

　　可是，又过了十几年问题才出现转机。1911年，卢瑟福指出，他的原子核式结构模型和经典电磁学并不协调。如果核外电子的确在绕核运转，旋转电场会在周围空间激起交变磁场，从而向外辐射电磁波。原子能量的散失会导致核外电子轨道半径连续减小，转动频率不断升高，所以一般原子应该是不稳定的。原子发射的光应该形成连续光谱。但是，几乎所有元素的原子都是稳定的，而原子光谱都不连续。

　　与其说是卢瑟福坚持实事求是的科学态度，大胆承认自己所创立的原子结构模型的不足，还不如说卢瑟福已经看出经典电磁学理论的薄弱环节，用自己的原子结构模型作为炮弹发起了进攻。果然不出卢瑟福的预料，1913年，玻尔应用量子理论提出了三条假设，对氢原子发光原理做出了令人满意的解释，揭开了光谱之谜，大大推进了量子力学的发展，实施了对经典电磁理论的成功反叛。

　　从氢原子结构理论模型的创立过程中可以看出，在近代科学史上，一个新理论的创立往往需要经过从经验现象到唯象理论，和从唯象理论到科学原理的多级升华。在这个过程中，科学家的思维应该是发散的，他们可能提出许多解答方案。唯象理论没有达到成熟之前，很难建立全面的理论模型。推动唯象理论走向成熟和建立原理理论都需要猜测和顿悟，也需要不断验证自己的想法。随着研究的深入，描述性唯象理论的内容逐渐扩充，引导人们对发散思维的成果做出正确选择。事实上，人们得出大量光谱数据之后，对毫无规则的波长数据并不满足，而是力争归纳成一个定量的公式；当巴尔末猜出一个定量公式之后，人们没有因公式所给出的圆满计算结果而陶醉，而是大胆改变公式的形式，努力拓展公式的内容，推广公式的应用范围。当公式的推广应用获得成功，氢原子光谱规律完全掌握以后，才真正提出了揭示原子发光机制的任务。在唯象理论向科学原理推进的过程中，需要建立新的概念，创造新的法则。这些概念和法则都不是现存科学理论的应用和推广。而关键性的创造，只能在正确猜想引导下才能获得成功。

　　可以看出：在创立氢原子结构理论的过程中，巴尔末公式发挥了极其重要的作用。从波尔的假设出发，可以推导出巴尔末公式。可见，这个公式是对于氢原子结构理论来说，是一个唯象理论。不过，对于基尔霍夫定律来说，这个公式也可以称为一级原理。因为不论氢原子的发射光谱还是吸收光谱，都可以用巴尔末公式计算其波长，那么吸收光谱和发射光谱的一致性还会有问题吗？如果我们进一步对玻尔的氢原子结构理论设问：为什么氢原子只能处于一系列分离的能量状态？为什么当量子数取正整数的时候，氢原子的对应状态才是可能的？这样的问题便成了有关玻尔理论的说明，需要使用进一步的原理。于是，玻尔理论便成了一般原子结构的唯象理论，以后迅速发展起来的量子力学则成了进一步的原理。可见唯象理论与原理是相对而言的。这样的情况决定了科学必须一步接一步地深入发展。如果以为某个唯象理论得到解释，科学发展可以止步，那就大错特错了。

　　与巴尔末的发现相类似，1766年德国天文学家提丢斯依据昂似的天文观测，概括出一个经验公式：R=04+03×2n-2天文单位。其中n取1、2、3、4、6、7时，正好可以计算出地球和五个行星的轨道半径。1781年，赫歇尔在提丢斯公式中n＝8的轨道上发现了天王星。以后，在计算海王星（n=9）和冥王星(n=10)轨道的时候，提丢斯公式也发挥过指导作用。可是，唯独在n=5的提丢斯轨道上，一直没有发现行星，显然另有蹊跷。经过不懈努力，1801年，意大利天文学家皮亚齐在这个轨道上找到了第一颗行星，命名为谷神星。这颗行星的直径不足800公里，体积不足水星的四十分之一，属小行星。以后，人们在距离大致相同的轨道上，陆续发现了两千多颗小行星，形成小行星带。天王星、海王星、冥王星，以及小行星带的发现印证了提丢斯定律的可靠性。可是，这个公式毕竟出自提丢斯的猜想，属于唯象理论。至于为什么可以按照这个公式准确计算行星的轨道半径，至今仍然是个谜。也就是说，行星轨道的唯象理论，期待着新创立科学原理的进一步说明。这项工作如果获得成功，就可以为研究一般恒星系的演化发展提供更深刻的理论依据。也许我们可以应用万有引力定律对太阳系诞生过程进行深入研究，得到行星轨道分布规律的解释。或者我们可以引用量子理论对行星轨道的离散分布规则做出说明。当然，也可能为瞭解释这个现象，需要针对星系的演化过程建立新的假说，将行星轨道分布规律纳入新的科学体系。由于人们掌握的星系资料太少，作为一种唯象理论，普遍性还不够充分，在理论上还不成熟，目前对行星运动规则还无法进一步做出有价值的概括。

　　当门捷列夫按照原子量大小将元素排列起来，明显看出了化学性质的周期性规律的时候，有人提出责难说，你为什么不按元素名称的字母顺序把它们排列呢？反对的声音来自当时的化学权威。无理的刁难引出了一个十分深刻的问题。那就是，如何从科学事实中抽象出唯象理论，才能够触及事物的本质？当时化学界普遍重视对各种元素化学性质的研究，都把原子量看成一个与化学性质无关，或者是关系不大的量。其实这正是一种偏见，门捷列夫也正是在这点上有所突破，是与众不同的眼光使他获得了成功。

　　在科学发展的道路上，理论假说的力量不容忽视。只有那些能够对新的物理事实做出精确预言的假说，才能得到人们的认同，获得科学界的普遍赞誉。牛顿的万有引力定律不仅解决了太阳中心说的最终论证问题，还能预言未知行星的存在。太阳系中离太阳最远的两颗行星，都是在万有引力定律指引下，根据计算结果才观察到的。由于海王星比天王星小，直接观察已经很不容易。在寻找体积更小，反光强度极低的冥王星时，如果事先没有准确的计算，知道它应该出现在哪个天区，然后用大型望远镜观察的话，找到它几乎是不可能的。所以，在科学创新方面，以为任何发现都必须先有感觉，形成感性认识，再上升为理性认识的观点是站不住脚的。

　　丁肇中发现J粒子时的情况也一样，如果事先他并不知道J粒子应该存在，更不了解J粒子的性质，而是通过盲目观察，这个瞬间就会消失得无影无踪的家伙一辈子都找不出来。从地球中心说到太阳中心说的转变，也能够说明理论的指导作用。事实上，就可观察的现象而言，无论是古代还是今天，能够说明地球是宇宙中心的事实，远比能够说明太阳为宇宙中心的事实多得多，而且更加有力。人们每天都看到太阳围遶地球转，从来没有人看到过地球围遶太阳转。与其说哥白尼看到这一点，还不如说是他的心中有一个以太阳为中心的宇宙模型，是心目中的知识结构决定了他的观察结果。其实每个人都厌恶与自己所掌握的知识相冲突的科学事实，会有意无意地忽略其存在，以至于对于这种现象做出歪曲的解释。真实的观察结果，是在正确理论指导下得到的，没有思维的创新，就不可能有引导科学创造的观察。

　　然而，更为常见的是，某种理论的错误已经被新的科学事实所证实，却依然被那么多人顽强地支持着。除了利益的驱使外，思想观念的钳制是重要的因素。人们的知识是系统化的，每个人头脑中知识库的内容错综复杂，互相牵制，互相影响。处于知识核心部分的是思想观念。人们总是乐意接受那些与自己观念一致的科学事实和科学结论。让人们改变对某些具体问题的看法容易，但是，最好不要触及已经形成的观念。如果要他们彻底改变理解事物的基本方法——思想观念——那就太难了。牛顿力学建立在絶对时空观念基础上，这种观念认为空间是絶对平整的，向任何方向无限延展着。时间向着未来均匀流逝，义无返顾。空间和时间没有关系，它们的性质与物质运动情况没有联系，这种观念与常识相符合。与这一基本观念直接冲突的相对论进入人们的视线，必然触一发而动全身，不受到强烈扺制，可能吗？

　　我国古人关于天圆地方的假说，属于宇宙结构的描述性理论。这种描述不仅和生活在中原地区先民的视觉相符，也和我国封建社会的道德观念紧密联系在一起，所以非常顽固。如果有人问，为什么天会在上，而地在下？古人会煞有介事地说出上天轻盈剔透属阳，大地浑浊凝重属阴；自然天尊地卑，世上男尊女卑，人间忠孝仁义，社会信义和平一大串道理来。在我们今天看来，这是与自然现象风马牛不相及的论述，怎么能用在这里呢？而古人却觉得理所当然。说不定还会冒出一个絶顶唐突的论据来：难道你连祖宗八代都忘得一干二净？于是，虽然浑天说比盖天说更接近客观事实，却因为和当时的道德观念不协调，而不能被广泛认同。至于比浑天说更符合现代天文学观点的宣夜说，则基本上没有得到社会的承认已经湮灭无闻了。

　　科学知识的创造过程是新理论代替旧理论的过程。新理论不一定比旧理论形象直观，却比旧理论更全面，更深刻，能够解释更多的科学事实，因而受到人们的青睐。有的时候，新理论的出现宣告了原有理论的彻底失败，例如伽利略的落体理论取代亚里士多德的理论。有些时候，旧理论并没有完全被推翻，而是作为新理论的特殊情况而被保留下来。例如牛顿力学向相对论的转变。但是，任何一个新理论的出现都会在一定程度上改变人们的思想观念，把人对客观世界的认识向着更加深刻的方向推进。

　　在西方，托勒密的天文体系建立在天体神圣的观念基础之上，人们相信天体是高尚的，应该成为表面光洁的正圆球。在上帝的指导下，天体的行为是端庄的，匀速圆周运动是它们理所当然的惯性运动。人是万物之灵，宇宙中心的地球最适合人类居住。这些观点与基督教教义相吻合，得到教会的广泛支持。在那个时候，怀疑圣经就是怀疑上帝存在，弄不好是要杀头的。所以日心说和地心说的斗争中一直贯穿着科学精神与宗教迷信的矛盾。

　　虽然用天体神圣的观念并不能推导出托勒密天文系统，然而，却正是这个并不充分的“原理”限定了人们思维，使托勒密宇宙体系维持了一千多年不动摇。足见顽固的旧观念对人们接受新思想所产生的限制作用多么大。十六世纪以来，随着哈雷慧星运动周期性规律的证实，月球表面存在环形山和行星椭圆轨道的确认，天体神圣的观念不断遭到冲击。直到万有引力定律确立后，人们终于发现神圣天体和地下物体的运动，遵从同一个力学原理。当利用万有引力定律预测的新星被人们找到之后，以太阳为中心的宇宙结构取得了最后的胜利。同时，论证日心说的逻辑出发点是万有引力定律，是以自然界中的力量解释自然过程，科学精神再次战胜了宗教迷信。

　　达尔文进化论曾经遭到知识界的激烈反对。一方面是因为拉马克所坚持的“用进废退”法则更符合人们的常识，而获得性不能遗传的最后确证，有待于对基因存在的确认。可是，孟德尔的实验结果被埋没了半个世纪，直到二十世纪初，基因的观念才被科学界普遍接受。另一方面，也是最主要的原因，就是相信上帝创造了这个世界，偏爱人类是上帝儿子的信条。而在这个世界上，人与其他动物之间的差别也的确太大了。由于缺乏对人性的深刻理解，基于宗教伦理的人类中心主义在知识界根深蒂固。可是，达尔文的进化论却从根本上摧毁了人类至高无上的伦理学基础，把人类一下子拉到与一般动物同等的水平，怎么不引起人们的普遍愤怒和拒斥呢？

　　具有先进性的科学理论不会自然生长，旧理论也不会自动退出历史舞台，任何新生事物出现之后，都必须经过斗争，在战胜原有理论的过程中为自己开辟道路，直到把错误理论从科学园地的每一个角落驱逐出去。也只有到了这样的时候，人们的认识才能得到普遍的提高。所以，在知识发展的道路上，破除旧理论是在创新的基础上实现的。没有强有力的新思想，就无法取代旧理论的地位，已经成为非科学的旧理论是不会自动让步的。

　　如果你树立了科学的知识观，正确理解科学发展的历史进程，而不是出于好大喜功一味强调创新，你就会在大胆创新的同时，承认原有科学理论在指导实践方面曾经发挥和正在发挥的积极作用。在所创造的新理论暂时没有获得成功或者没有得到广泛认同的情况下，絶不会将旧理论排斥在科学的大门之外，让人们的实践失去理论指导而陷入混乱。所以，在科学的道路上，真正严肃的态度应该是“不立不破，先立后破，立字当头，破在其后。”而所谓“不破不立，先破后立，破字当头，立在其中”的方针则是万万使不得的。

　　知识的创新往往会在偶然发现中开辟道路，无论是在创新的内容，创新的途径和创新的方式方法上，都表现出某种突发性，间断性和相对集中的特点，使整个科学发展的进程表现出不可预期和无序的特征。但是，由于每一次重大知识创新的出现，往往会诱发一连串重大发明，造成科学技术的突飞猛进；而每一种思想观念又具有相对稳定的特点。所以，科学技术的发展总带有明显的起伏性，让我们能够触摸到科学前进的脉搏，感觉到科学步履的速度。

　　上千年的中世纪，思想创造基本上处于停滞状态。十四五世纪开始酝酿思想解放，十六七世纪近代科学狂飙般地突现，人们的思想方法和精神风貌发生了深刻的变化。十八世纪是各门学科向深度和广度方向发展的世纪，页是科学成就向技术层面上转移的世纪。知识的应用形成高潮，技术革命带动了产业革命。十九世纪到二十世纪中期，重大科学成就再次集中涌现，生物学、遗传学、相对论、量子力学、宇宙学和人类学同时取得突破性进展，在很大程度上改变了人们的思想观念。十九世纪末，以电气化为核心的生产技术大发展，使人们的生活方式发生了翻天覆地的变化。二十世纪后半叶，再次出现了科学成果向应用技术转化的大趋势。火箭与能源技术走向成熟，计算机与通讯技术迅速崛起，英特网成功建立。与此同时，新的问题层出不穷、新学科逐渐形成、新思想、新方法逐渐成熟，为下一轮科学创新高潮的到来做好了准备。可以预料，随着以系统论为代表的，新的科学方法走向成熟，在研究复杂系统中取得越来越丰硕的成果，又一轮科学革命有可能在不久的将来爆发。人们将在宇宙学，物质的微观结构，生命本质以及各种复杂系统的研究领域取得划时代的成果，并带动新一轮技术革命。