化学是以实验为基础的科学 , 化学实验是化学 理论的来源 ,也是检验化学理论的重要手段 , 但是 , 有时候科学的思维方法比实验更重要 。如氧气的发现 者普利斯特里 (J . Priestley ) 和舍勒 ( C. W. Scheele) ,由于运用错误的思维方法 ,导致“当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”。化学家们用的思维方法很多 ,本文仅谈其中的几种 。

1 假设推理法 

理论是对一系列观察结果或规律的解释 。科学 理论的发展轨迹往往是这样 : 为了解释已有的观察 结果或规律 ,科学家先提出一个假说 ,然后用实践来验证 ,如果与实践相符 ,则被接受 ,从而成为理论 ,否则 ,便要进行修改或提出一种新的假说 。如拉瓦锡(A . L . L avo sier) 的燃烧的氧化学说的建立及燃素说的被推翻 。 

化学是在分子 、原子 、电子水平上研究物质 , 但 从 17 世纪中叶波义耳 ( R. Boyle) 提出化学科学中的第一个基本概念—元素 , 使化学成为一门科学开始 ,直到19 世纪末 ,对于原子和分子的存在都没有 可靠的实验证据 ,许多科学家均表示怀疑 ,物理化学家奥斯特瓦尔德 ( F. W. Ost wald) 也认为原子论 、分子论可以摒弃 。在当时的条件下 ,原子和分子只是一种假设 ,是科学家们运用假设推理法思维的结果 。

20 世纪初才利用超显微镜证明了它们的客观存在 。 由于人类对事物的认识总是从已知到未知 , 从现象到本质 ,由表及里 ,由简单到复杂 ,所以这种思 维方法是科学发展不可缺少的一种思维方法 ,是必备的 ,同时也是使用得最多的一种思维方法 ,恩格斯 说 : 只要自然科学在思维着 , 它的发展形式就是假说 。纵观化学发展史 ,运用这种思维方法的例子举不胜举 , 如阿伏加德罗 ( A . Avogadro ) 以盖 •吕萨克(J . L . Gay L ussac) 的实验为基础 ,进行合理推理 ,提出分子假说 ;门捷列夫 (D . I. Mendeleev) 根据相邻元 素的性质 ,预言了类铝 、类硅 、类硼元素的存在及性质 ;卢瑟福的中子假说 ; 同位素的预言 ; 莱姆塞 ( S. W. Ramsay) 由元素周期表预言了 3 种稀有气体元 素 ;玻尔假设 ;华特生 (J . Wat so n) 和克里克 ( F. Crick) 根据威尔金斯 ( R. Wilkins) 的 X 射线衍射数据 ,提出 DNA 的双螺旋结构模型。 

这种思维方法要求根据掌握的各种信息 , 运用已有的知识或经验 ,以有限的事实为依据进行分析 和推理 ,作出假设 ,获得对未知世界的正确认识 。已有的知识和信息是否充足 ,推理是否严密 ,假设是否合理等因素 ,会影响结论和发现的科学性 。比如 : 克 劳修斯 ( R. J . E. Clausius) 将热力学第一定律和第二 定律统一起来 ,并用数学形式来表示了第二定律 ,但 导出了一个错误的结论 —热寂论”。这是由于他将在有限的空间和时间的范围内得出的有限认识推广到无限的空间和时间范围所致 。当然 , 建立在错误的知识或经验上的推理 ,是没有任何科学性可言的 ,只能是空想或异想天开 。例如 : 古代的炼金家想 用化学方法将铅或铜这样的贱金属变成金或银 ,或 用“哲人石”(p hilo sop her’s sto ne) 使金属转变为金 、 银 、“神水”(elixir of life) ,或炼出长生不老的“金液” 和“还丹”等 ,都是由错误的知识进行的推理 ,结果注 定要失败 。

2 移植法 

由于科学相互联系 , 相互渗透 , 相互促进 , 所以 有时可以把其他学科中的新理论和新方法移植到化学中来 。通过科学的移植 ,可以使化学理论得到突破性的发展 。比较典型的例子是量子化学的建立和发展 。1927 年英国化学家海特勒 ( W. Heitler) 和伦 敦 ( F. W. Lo ndo n) 在薛定谔 ( E. Schr dinger ) 发表他 的方程仅仅一年之后 ,把量子力学引入化学 ,用量子力学来解氢分子的薛定谔方程 ,阐明了2 个氢原子能形成稳定的氢分子 ,是由于电子密度分布集中在 2 个原子核之间 ,形成化学键 ,使体系的能量降低 。他们用这种方法解释了化学键的实质 ,建立了新的化学键理论 ,同时也创立了化学的一个重要分支—量 子化学 ,从而使化学从经验 ,半经验的阶段发展到理论科学阶段 , 化学因此进入了一个新的发展阶段 。 现在 ,量子化学已成为广大化学研究者广泛使用的工具 ,许多理论化学家们利用计算技术的飞速发展 , 完成了量子化学计算软件包 ,实现了分子轨道理论的计算 。量子化学使得实验和理论互相协力地探讨分子体系的性质 。如今化学家们已经能够根据结 构和性质的关系 ,从所需要的性能出发 ,用量子化学 的计算方法进行分子设计。

化学上用这种思维方法获得成功的例子还有很多 ,如玻 尔 ( N . Bo hr ) 将量子假设植入卢瑟福 ( E. Rut herfo rd) 的原子有核模型 , 得出了核外电子运动能量量子化的结论 ,回答了原子可以稳定存在的原因 ,解释了氢原子线状光谱的成因和规律 ,为现代物质结 构理论作出了重要贡献 ; 德布罗意 ( L . de Broglie) 根据光有波粒二象性 ,提出电子也具有波粒二象性 ,于1928 年为电子衍射实验所证实等 。

现在 ,科学技术越来越相互交叉 ,许多理论和方法都有可能通过移植法来发展和完善 。但是 , 用这种方法之前 ,先要分析两者之间是否具有本质的联系 ,是否存在移植的可能 ,这要以我们拥有知识的广度和深度作基础 。比如上面说的将物理学中的量子力学移植入化学 ,是因为物理学和化学的研究对象 在本质上有相似之处 。否则 ,便不能成功 。比如 ,在古代 ,曾有人用羽毛来制造飞行器而失败 。

3 联想法 

立体化学新分支是以范霍夫 (J . H. van’t Hoff) 的 立体学说为基础创建的 。范霍夫曾对学生们说 :“我向你们介绍一个发现的途径和方法 。有一天我在乌 特勒支的大学图书馆里 ,读到了威利森努斯 (J . Wisli cenus) 关于乳酸的论文 ,这时我突然停下来走到门外 , 在凉爽的微风里散步 ,突然在脑海中想起了不对称的碳原子 。科学发现很需要这样的途径和方法”。 法国物理学家贝克勒尔 ( A . H. Becquerel ) 由 X 射线联想到它与荧光之间是否有关系 ,从而开创了放射化学新领域 。麦克米伦 ( E. M . M . Mcmillan) 用一叠卷纸研究铀核的裂变时 ,发现第一张纸放射性 类型与其他纸不同 ,联想费米( E. Fer mi) 的想法 ,设想是有些中子被铀吸收而未引起裂变 ,通过进一步的研究 ,证明了他的设想 ,最终导致第 93 号元素的发现 。

博士研究生厄瓦尔德 ( P. P. Ewald) 研究可见光 通过晶体的行为 ,当他拿着论文草稿请教劳厄 ( M . vo n L aue) 时 ,劳厄突然想到 X 射线波长在0 . 1 nm 左 右 ,这和晶体中原子间距为同一个数量级 ,当 X 射线 通过晶体时可能也会产生衍射 ,经过多次实验 ,终于 发现了晶体的 X 射线衍射效应 。此发现导致了X 射线结构分析的出现 ,为以后许多晶体 ,包括蛋白质的结构的确定创造了条件 ,对化学甚至生命科学的 研究做出了无可比拟的贡献 。

拉瓦锡研究燃烧现象时发现 : 前后重量增加的原因是由于空气的一部分与物质化合 ,是什么物质呢 ? 正当他苦苦思索时 ,当他听了普利斯特里向他叙述的氧气的发现及性质 ,联想到自己的实验 ,认为氧气正是自己艰难寻找的气体 。后来他又经过实验的验证 ,证明了自己的想法 ,终于建立了科学的燃烧学说 。 

莱姆塞由别人从矿物中分离出氮气 , 联想到自己研究的氩 ,偶然发现了另一种稀有气体 ——氦 。

联想法是由一事物想到另一事物的思维方法 。有时候 ,表面上看来似乎没有联系的两个事物之间 , 其实存在一些内在的联系 ,运用接近联想 、对比联想 和类似联想等方法 ,可以找到其中的规律 ,也可开拓思路 ,集思广益 ,找到解决问题的办法和获得重大发现 。人们从蚕儿吐丝到探索人造丝等 ,这些都是人们受到某一事物的启发 ,经联想而寻找解决问题的办法的事例 。

4 类比法 

这种思维方法以事物之间存在的共同属性为基础 。微观领域由于不可见 ,往往为未知领域 , 但是 , 微观和宏观之间虽然有本质的差异 ,也有密切的联系 ,可利用这种联系用类比方法认识某些微观领域 。 巴斯德 (L . Pasteur) 运用拟人类比 ,他将左旋酒石酸 和右旋酒石酸这2 种物质结构之间的关系类比为左手和右手的关系 ,生动形象地说明了两者之间的关系 ;汤姆生 (J . J . Tho mso n) 提出原子结构的西瓜模型 ,以及后来的行星式模型等 ,都采用了仿生类比 。化学家们用类比方法提出的理论还有很多 ,如用酶催化锁钥模型解释酶催化反应的专一 性等 ,均为类比方法 。

5 改变法 

改变法是在原有事物的基础上 ,对不足之处进行改变的一种思维方法 。

阿伏加德罗将盖•吕萨克提出的“同温同压下 , 相同体积的气体含有相同数目的原子”改动了1个字 ,解决了道尔顿 (J . Dalto n) 和盖•吕萨克之间的争 论 , 将道尔顿的“co mpo und ato m ”改 为“integral ato m”提出分子学说 ,从而建立了科学的原子 - 分 子论 ;范霍夫使有机化学从平面结构理论飞跃到立 体结构 ;维尔纳 ( A . Wer ner) 提出拉长的周期表 , 解决镧系元素在周期表中的位置 ,从而完善周期表 ;费米用中子代替α粒子轰击原子进行核反应 ,制得了 放射性同位素 ;克鲁克斯 ( W. Croo kes) 将盖斯勒 ( H. Geissler) 管改造为克鲁克斯管。

这种思维方法有助于消除思维定势和功能固着 等消极影响 ,有助于打破传统的限制创造性地解决问题 。

化学史中涉及的思维方法很多 , 除了分析 、综 合 、归纳 、演绎等一些基本思维方法 ,还有直觉思维和灵感思维等一些非逻辑思维 ,而且一个发现往往 是各种思维方法综合利用的结果 ,本文不可能详尽 。 

总之 ,化学史体现了科学家们的智慧 、情感和意志 。化学知识是科学家们思维的产品 ,如果我们在认识真理的同时 ,认识化学家的思维 、情感和意志 , 将知识转化为自己的立场和观点 ,树立科学的态度和信念 ,形成科学的世界观 ,不断提高自己的思想素质和精神境界 这样才有可能成为一个“个性全面和谐发展的人”。