何繼善 院士 (Academician He Jishan)

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簡介

何繼善,1934年9月出生于湖南瀏陽,漢族,中南大學教授,中國工程院主席團成員。湖南省科學技術協主席、湖南省院士聯誼會會長、湖南省書法家協會顧問,曾任中國工程院能源與礦業學部主任等社會兼職。

何繼善教授創立、發展了以“雙頻激電法”、“偽隨機信號電磁法”和“廣域電磁法”為核心的地電場理論和儀器,先後獲得全國科學大會獎1項、國家發明獎2項、國家科技進步獎2項和省部級獎勵18項美國著名地球物理學家H•F•莫利松教授寫道:“何繼善以他在勘探地球物理方面的眾多成就尤其是在激電和可控源音訊大地電磁測深方面的卓越貢獻,得到了全世界同行的公認”。1994年當選為中國工程院首批院士。

何繼善先生自幼喜愛書法與楹聯,長時間擔任教育部大學生文化素質教育委員會委員,湖南省書法家協會顧問,積極在工科大學生中提倡人文和書法教育。他筆墨求緣,以文會友,與書、畫、楹聯界的學者們交誼深厚,深得他們的薰陶,久而久之也有了自己的一些心得,尤其在嵌字聯書法頗具特色。

習字心得

形象思維與邏輯思維—科學技術與文學藝術的若干思考

讀中學的時候我很想學文科,但是, 上世紀50年代,國家大規模發展工業,我就投奔了工科。儘管如此,我還是會非常羡慕從事文學藝術的人。幾十年走過來,使我越來越認識到,文學藝術對科學研究具有非常重要的作用。

現在,“科學”二字用得十分頻繁,常常把它與技術、工程混淆起來了。其實,科學、技術與工程三者是彼此有聯繫但並不相同的概念。科學活動是以發現(discovery)為核心,技術活動是以發明(invention)為核心,而工程活動是以創造 (creation) 為核心。科學活動的成果是對自然規律的認識;技術活動的成果是技術發明(技術訣竅、專利等); 工程活動的成果是物質設施、物質產品。藝術是什麼?我實在回答不上來。但我覺得在高層次上,科學、技術、工程與文學、藝術是相通的。科學家努力闡明自然界的客觀規律,牛頓用三大定律去描述力與物體運動的關係,畫家、文學家則用素描或寫實文學來更生動地再現世界事物。技術專家發明汽車、飛機、電腦等等世界上原來沒有的東西,工程師建造三峽大壩、高速鐵路、中銀大廈、香港會議展覽中心等等世界上原來沒有的設施,文學家、藝術家每天都在以豐富的想像創作新的、從來沒有過的世界。

學習工科的人特別習慣於邏輯推理,這當然非常重要,因為它是我們認識客觀世界的重要手段。然而,我們所面對的客觀世界有很多問題並不是單用邏輯推理就可以理解或發現的。在這方面,形象思維就顯得尤為關鍵。文學家、藝術家往往都很善於運用形象思維,如音樂家通過一段旋律,就可以把你引入到某種境界。我記得抗日戰爭的時候,我年紀很小,聽到黃河大合唱的旋律,就仿佛身臨其境一般,看到了抗日的烽火。如果一個從事理工科研究的人也有這樣豐富的想像力,對他的事業將會大有裨益。但是不得不承認,我們的中學教育在很大程度上受到應試教育的影響,學生為了考大學。考上了大學,主要學專業課程,像理、工科學生天天做數理化,非常偏科,這對以後的發展是不利的。

有一位諾貝爾獎獲得者曾經說過:諾貝爾獎與精神不正常只有一步之遙。這句話的意思是說循規蹈矩就不能有所發現。愛因斯坦有句名言:“想像比知識更重要”。他在提出相對論時,沒有任何實驗條件,完全是根據他所學的基本理論,利用想像的翅膀而創造出來的。據說他在市政大廳門口看到一口鐘,就想像如果人以光的速度離開這個鐘,並繼續看這個鐘,那麼鐘將定格到某一時刻;如果人以比光速略小的速度離開,就會看到這個鐘也在轉動,但是轉動地非常慢。既然時間變慢,那麼長度必然變短,品質增加,這就是他的狹義相對論的核心內容。廣義相對論就更需要想像,因為廣義相對論的中心思想是引力,它並不是牛頓所說的力,而是因為品質的存在所引起的時空上的彎曲。當時提出這樣的理論會被很多人認為是精神不正常。善於利用想像,這是愛因斯坦的體會,也是他成功的秘訣。

愛因斯坦非常幸運,在他提出自己的理論3年之後有人證明瞭他的理論,而這個時候一戰剛剛結束,人們渴望和平,渴望科學,因此愛因斯坦的相對論引起了巨大的反響,為他贏得了巨大的國際聲譽。應該說他的成功與他良好地結合形象思維與邏輯思維進行科學探索不無關係。

我們只知道愛因斯坦是一個科學家,卻不知道他的語言文化修養也非常深厚。1994年,愛因斯坦的一份寫於1912年的手稿拍賣,內容除了石破天驚的相對論外,其文筆之優美也讓人折服,被文學家評論為“一絲不苟,遣詞用字都力求說得明白,表達完美”。文字學家也評價說,愛因斯坦的文學功底在物理學家中實屬罕見,他在這方面所展示的才華足以見得他的語言文字修養之深。事實上,愛因斯坦的成就在相對論,但是他獲得諾貝爾獎卻並不是因為相對論。因為當時的人們都不懂,甚至連諾貝爾評審委員會的評委都不能理解,因此不敢妄下結論,最終以他在光電定律和理論物理方面的貢獻授予他諾貝爾獎。由此可以看出愛因斯坦的思想是多麼超前,這種超前如果僅僅是善於邏輯思維是肯定無法達到的。化學家阿倫尼烏斯( Svante August Arrhenius )和賽維爾( Ahmed H Zewail )都是諾貝爾獎獲得者,但時間相隔了一百多年。阿倫尼烏斯是瑞典人,他在離斯德哥爾摩郊區不遠的烏普薩拉大學——瑞典最好的大學——做博士論文時,提出了描述化學反應速度和溫度之間關係的一個公式,並首次提出了離子的概念。阿倫尼烏斯生活的時代正是道爾頓的原子論占統治地位的時期,科學家普遍認為原子是不可再分的。既然原子不可再分,就不可能有離子。離子用肉眼是看不見的,阿倫尼烏斯並沒有直接看到離子,當時的科學家,包括他的導師在內,都認為他的理論是錯誤的,他的博士論文因此評分很低。但阿倫尼烏斯堅信離子的存在,在瑞典國內不被認可,他就給世界各國的化學家寫信表達他的觀點。眼看著每一封信都石沉大海,最後終於有兩個化學家給他回了信:範托夫和奧斯維德。他們支持阿倫尼烏斯的觀點,並將他的文章推薦發表在化學界頂級刊物上,這給了他莫大的支持。直至電子和放射性發現之後,他的理論才被重視,1819年,阿倫尼烏斯終於以他勉強通過的博士論文中的發現獲得了諾貝爾化學獎。正是他的形象思維給他的幫助,才讓他發現了離子的存在;如果他只是運用邏輯思維,輕信道爾頓的原子論,就不會有所發現。

學過化學的人都知道,鋅加稀硫酸反應會變成硫酸鋅和氫氣,這個結論大家都深信不疑。但事實上這只是99.999%的可能性,還有很小的概率是二者反應產生別的生成物。工業生產中如果一個反應產生不同的結果,產品中就會有雜質,因此人們總是希望知道反應的全過程。鋅和硫酸是反應物,硫酸鋅和氫氣是生成物,那麼反應物變成生成物之間的過程又是如何進行的呢?有人認為這中間的過渡過程進行得太快,是個黑匣子,根本無法知道。但像赫希巴赫 ( Dudley R Herschbach ),李遠哲和波拉尼 ( John Charles Polanyi )這類科學家,他們運用豐富的想像力,去想像在這段非常短的時間裡反應是如何發生的,並去證實它,他們後來都獲得了諾貝爾化學獎。賽維爾和他的研究小組更進一步,利用飛秒化學(飛秒:10-15秒)進行探測研究,測定了化學反應中間狀態的壽命,使得我們更清楚地瞭解化學反應的中間過程,從而使人類更有效地利用和控制這一過程成為可能。賽維爾因此獲得了1999年諾貝爾化學獎。

這樣的例子還有很多。2005年的諾貝爾物理學獎獲得者基爾比因其發明積體電路而獲得了個人的巨大成功。積體電路是基爾比的藝術傑作,它改變了世界而且還在改變著世界。基爾比大學畢業獲得碩士學位後,1958年加入德州儀器公司。當時的工作條件非常差,但他利用借來的儀器和有限的實驗設備在實驗室成功地作出了世界上第一款微晶片電子電路。他不是博士,但他擁有超過60項美國專利,足可以看出他的一生有多麼勤奮。如果沒有這些專利所打下的基礎和勤奮的態度,他不可能依據自己的形象思維想像出一塊基礎電路來。從他1958年設計出第一款積體電路到1996年,積體電路的世界市場達到了1150億美元,積體電路衍生出的各種產品的世界市場更是達到了9570億美金。這就是一個思想的火花所產生的能量給世界帶來的改變。我想世界上除了神經不正常的人不願意用積體電路以外,我們每個人都無法拒絕基爾比的發明。一個國家發生政變,主要影響那個國家;一個宗教領袖,主要影響那些信仰宗教的人;但沒人不受基爾比的影響,我們經常看到穿著袈裟的和尚在用手機,也受益于積體電路的發明。基爾比是科學精神與實踐精神的典範,他產生了一個設想並將這種設想付諸實際,如果沒有他的工作,很可能現在還沒有積體電路,或者推遲到1968年、1978年或1988年再發明積體電路,那麼我們現在的生活將會如何?

做生物學也是如此。如DNA雙螺旋結構,它事實上是一個非常完美的藝術作品。可想而知當時的生物學家提出這樣一個造型,需要多麼豐富的形象思維,因為在當時的條件下人們根本不能清楚地看到它。薛定諤( Erwin Schrodinger )是非常著名的物理學家,他是量子力學的創始人之一,但他寫了一本題為《生命是什麼》的小冊子,其中他預言生命科學有很大的發展前途,特別需要物理學家從事生命科學研究。這本書引起了很大影響,當時在劍橋大學的克裡克( Francis Harry Compton Crick ) 讀到這本書之後,意識到自己所做的物理學研究有助於生物學研究,於是毅然決定轉投生物學,並充實了有機化學、衍射物理學等學科的知識,並在獲得博士學位之後,於1956年又攻讀了生命科學的博士學位。美國另外一個學物理的青年學者沃森( James Dcwey Watson)也受到了這本小冊子的影響,後來他們兩人在1953年共同合作,以核酸分子衍射為題,通過他們豐富的形象思維提出了DNA雙螺旋結構,後來被譽為是生命科學20世紀最偉大的發現,9年之後,他們與另外一位同時用物理學方法研究出去氧核糖核酸結構的紐西蘭物理學家威爾金斯( Maurice Hugh Frederick Wilkins)共同獲得了諾貝爾生物學獎。這一方面說明形象思維對人們進行科學研究的重要作用,尤其是在微觀世界中;另一方面也體現了學科交叉的重要性。

火箭是中國人發明的, 1083年,北宋中央政權為了抵抗西夏入侵,一次就動員了25萬支火箭。到了明代,火箭發展到了全盛時期,出現了各式各樣的火箭,如兩級火箭、發射出去可返回來的火箭等。14世紀末期,一個叫萬戶的人把自己綁在椅子上面,椅子上面綁著火箭,他讓僕人點燃導火線想飛到天上去,結果摔死了。為了紀念這個最早的宇宙航行探索者,國際天文聯合會將月球上的一座山命名為萬戶山。火箭在成吉思汗西征時傳到了西方。可惜的是,這麼先進的火箭技術被西方人發揚光大,我們反倒落後了。今年我有機會近距離觀看了神9的發射。本來火箭發射時火焰往下反彈回來後會把火箭燒壞,但發射之後,我看到火箭發射架完好無損,這是因為用了一個導流槽,把火焰導向兩邊,火焰不會返回來,也不就會燒壞發射架。

我喜歡讀詩詞歌賦,尤其是岳飛的滿江紅,小時候親眼看見日本帝國主義侵略中國的暴行,所以我非常崇拜嶽飛保家衛國的精神。我喜歡書法,也寫過關于書法方面的小論文。現在朋友之間交往都喜歡送禮,而我就不送,如果是很好的朋友我會給他寫字、寫對聯。我覺得人文素養無論是對人生還是工作都大有裨益。我是學地球物理的,也有一些技術發明,雖然與前面提到的大師相比,只是小菜一碟,但對工作還是很有幫助。從宏觀上、從形象思維來考慮,把整個大地當作一個黑匣子,當作一個系統,供應的電流是對大地的輸入,測到的電位差和它的分佈是大地的輸出,所以說,用這樣一種思路去看待這個問題,就比傳統的方法要好得多。我發明的雙頻激電法是用一對電極探測地下的電化學反應,用來發現礦體。這一發現與我書寫對聯有很大關係。頻率很高的時候電化學反應來不及形成,當頻率比較低的時候,可以形成電化學反應。我把這兩種頻率的電流同時供到地下,又同時測量雙頻電位差,發現地下金屬礦電化學反應的指示。儘管很微弱,但是它能測到好幾百米深,很快以最低的成本,得到了什麼地方有礦、礦有多深的資料。這種找礦體的方法在全國得到了廣泛應用,創造價值超過了1000億,所以1985年我獲得了國家發明獎。