我走过的科学研究之路

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”

要提笔写自己在科学研究中走过的路,一方面我一直很犹豫,发现很难落笔。这是因为从科学研究方法的角度来说,我遵循的是前辈科学家所创造和指引的路,鲜有创新之处。从科学研究成果对社会和科学宝库的贡献来说,比起科学大师来,我的成就是很渺小的。另一方面,我又感到十分为难。尽管自己在科学研究的路程上走了许许多多的弯路,出了不少谬误,这些大都被我忘却了,但成果被论文记录了下来。无论是写的,或是讲的,似乎都是思路怎样正确,问题怎样解决,以致笔下描绘的并不是实际生活中真正的我,造成青年同志对我的误解;但是,自己毕竟经历了较多的探索,努力回忆、归纳,讲出来或许可以使青年学子们少走些弯路。

实际上,在科学研究中,我走过的是一条很艰辛的路。可以说,几乎每一篇论文,每一个研究课题,我都费了很大的力气。漫长的探索、挫折与失败,使我有时甚至怀疑自己在科学研究上继续探索的能力和前途,感到自己“江郎才尽”了。有很多次,当最后结果摆到自己面前,发现竟是如此简单,本应该这样认识,而自己却是这样笨拙,竟会当初想不到这一点。

但是,无论哪一位搞科学研究的人,包括大科学家在内,都曾犯过大大小小的错误。他们的成就就是在与自己无数次谬误的斗争中取得的。我们大家确实没有必要在错误和挫折面前灰心丧气。下面我援引两段话,说明即使是举世闻名的伟大科学家也不是神,他们也常犯错误。这不是为了安慰青年学人和我自己,而是说明一个事实:“若要有所追求,就不能不犯错误。”

20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦在谈到他的广义相对论的起源时说:

“这些都是思想上的谬误,使我艰苦工作了整整两年。直到1915年我才终于认清它们确实是谬误……最后的结果看来近于简单;而且任何一个聪明的大学生不会碰到太大的困难就能理解它。但是,当最后突破、豁然开朗之前,那在黑暗中对感觉到了却又不能表达出来的真理进行探索的年月,那强烈的愿望,以及那种时而充满信心,时而担忧疑虑的心情——所有这一切,只有亲身经历的人才能体会。”

亥姆霍茨(Helmholtz)是一位我们熟悉的德国物理学家。他曾说过下面一段既很有趣,也很令人回味的话:

“1891年我解决了几个数学上和物理学上的问题。其中有几个是欧拉(Euler)以来所有大科学家为之绞尽脑汁的。……但是,我知道,所有这些难题的解决,几乎都是在无数次谬误以后,由于一系列侥幸的猜测,从那些顺利的例子中逐步概括出来而被我发现。这就大大地削减了我为自己的推断所可能感到的自豪。我欣然把自己比作山间的漫游者。他不谙山路,缓慢吃力地攀登,不时要止步回身,因为前面已是绝境。突然,或是由于念头一闪,或是由于幸运,他发现一条新的通向前方的蹊径。等到他最后登上顶峰时,他羞愧地发现,如果当初他具有找到正确道路的智慧,本有一条阳关大道可以直达顶巅的。在我的著作中,我对读者自然只字未提我的错误,而只是描述了读者可以不费力气攀上同样高峰的路径。”

当我读到这段话时,我完全能体会和理解他们的心情,因为我也是这样走过来的,尽管我所解决的问题的难度和深度远远不能和他们相比拟。

1958年7月,我大学毕业。当领导要我筹建夜视技术新专业时,我一点也不懂什么是红外、微光、光阴极、电子光学等,一些专门名词我以前从未听到过。初生之犊不怕虎。对此我并不害怕,想到的是,只要努力学,哪怕比别人多花几倍的力气,一定会学会的。我一边到北大进修,一边自学。几年下来,我给转入新专业的学生开出了“电子光学”课,写出了《电子光学理论和设计》上、下册教材,使很多人感到惊异。到苏联留学前,我还把当时最权威的电子光学著作——德国格拉叟著的《电子光学基础》的俄译本从头到尾啃了一遍。虽然有不少地方我还是一知半解,但这起初几年的苦读,使我打下了较为坚实的基础。我在苏联留学时敢于自己闯,也正是因为自己心中有一些底,相信自己一定能闯出一条路来。这就是我现在常劝学生们读几本经典著作的原因。

20世纪50年代末,我国开始发展夜视技术。它的关键器件就是变像管和像增强器,而核心问题是如何制作高灵敏度的光阴极和如何设计出高质量的电子光学成像系统。像管电子光学理论和设计成为当时发展夜视技术的一个前沿热门课题。鉴于像管电子光学涉及大物面、宽电子束聚焦成像问题,通常电子光学所研究的细电子束聚焦成像理论并不适用于研究宽束电子光学问题,而有关理论中还有许多含混不清之处,需要进一步考察与研究。

开始研究时,我觉得问题很多,不知从何处下手。因为我是学工程的,数理基础并不扎实,但我的思想比较活跃,喜欢思考。我的笔记本记下我想的各种各样问题,并试着回答它。

现在总结一下,自20世纪60年代以来,在宽束电子光学研究上,我思考的问题可大致归纳为:

(1)傍轴电子光学理论不能被用来解决宽束电子光学问题,而近轴电子光学理论只能解决成像系统近轴区域的问题。特别是当阴极面是曲面时,轴外空间电位展开的Scherzer表示式离实际情况太远。当时电子光学理论界似乎有意无意忽略了这一点。

(2)研究近轴电子光学理论和三级像差理论是必要的,但如何定义像差是一个问题。大物面、宽电子束聚焦成像用近轴电子光学理论和三级几何横向像差理论来解决是远远不够的,还必须用曲轴宽电子束聚焦成像与曲近轴像差理论来解决。这是我一直坚定的信念。

(3)由于光阴极发射轴向初电子速度的差异,对宽束电子光学来说,仅研究几何像差是不够的,还必须考虑色像差即近轴像差。后者影响图像的质量甚至要比前者更大些。

(4)追求普遍性是理论研究的一个特点,但要使普遍性广泛得到承认,就必须有特殊性来加以证实。电子光学也是一样。如果能把问题的各种特殊性研究透了,就可以寻找具有普遍性和规律性的线索,普遍性的问题也就不难解决了。所以,从特殊性着手应是我研究的出发点。

(5)关于特殊性。要寻找一些可以求得解析解的理想模型,把它们的成像规律、精确解和近似解都研究透,作为研究的切入点。两电极同心球静电聚焦系统是一个很好的理想模型。对于这一模型,虽然前人研究过,但得到的仅是另级近似解。若能找出它的高级近似解,便能精确研究系统的像差。由于这一理想模型中成像矛盾的特殊性中包含了宽电子束成像矛盾的普遍性,它不但为研究普遍性问题提供理论基础,而且可以检验所提出的新理论的正确性,对宽束电子光学的深入研究具有指导意义。

(6)关于普遍性。解决特殊性是为了寻求普遍性的规律,而理论研究还必须把个别的、具体的特殊现象的知识转化为普遍的抽象知识。因此,绝不要在解决个别问题前止步。只有那些带有普遍性的规律,才是我研究的重点。

(7)电子光学研究的共同出发点是牛顿运动方程和洛伦兹力,但有关电子光学的理论各种各样,孰是正确的?尝试采用不同的方法和途径研究理论问题,是作者的选择,但必须考察所求得的理论或结论的正确性。当然,研究理论问题并不一定只是一条途径、一种方法,而是可能有两种或两种以上的途径和方法。如果它们是正确的话,就应该殊途同归,其理论结果实质上也应是一致的。

(8)把宽束电子光学的静态问题与动态问题割裂开来研究,是迄今为止宽束电子光学研究的一个不足之处。实际上,宽束电子光学所谓静态或动态乃是同一事物在时空上的不同表现而已,即逸出初能量分散的光电子在系统中所表现的空间特性和时间特性的差异。它们之间具有联系是必然的。若无视这一点,就难以认识问题的本质。

(9)大物面、曲轴宽电子束聚焦成像的理论涉及转动坐标系,故必须采用张量分析的数学方法解决。而且,从逻辑上来说,近轴电子光学问题应该是曲近轴电子光学的一个特例。

上面列举的是我对宽束电子光学问题的一些科学思考。这也是我从自己的科研实践过程中总结出来的。虽然开始时思想并不是那样明确,但随着研究的深入,思考深入了,信念更坚定了。我认为,在科学研究中,关键在于有否自己的思想(想法、创见),自己的独立思考。能否提出问题,是最重要的。只有提出了问题,千方百计去解决问题,才有可能得到原创性的结果。提问题时,思维方式和方法很重要。这时,辩证唯物主义认识论和科学哲学能对科学问题的提出和认识有所帮助。

下面我分11个题目谈谈自己在科学研究中走过的路,主要谈谈研究中的思路、想法和突破点。由于这是对博士研究生谈的,故涉及了一些技术细节。不是这一专业领域的青年人,不一定能明白;但离开了技术问题的描述,恐怕很难说清楚。