推理1.7 汽缸分離 輪胎充氣 靈感解困惑.doc

1.7 汽缸分離 輪胎充氣 靈感解困惑瓦特（17361819）是世界公認的蒸汽機發(fā)明家. 他的創(chuàng)造精神、超人的才能和不懈的鉆研為后人留下了寶貴的精神財富和物質(zhì)財富. 瓦特改進、發(fā)明的蒸汽機是對近代科學和生產(chǎn)的巨大貢獻，具有劃時代的意義，它導致了第一次工業(yè)技術革命的興起，極大的推進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展. 瓦特出生于英國的格林諾克，由于家境貧窮沒機會上學，先是到一家鐘表店當學徒，后又到格拉斯哥大學去當儀器修理工，瓦特聰明好學，他常抽空旁聽教授們講課，再加上他整日親手擺弄那些儀器，學識也就積累得不淺了. 1764年，格拉斯哥大學收到一臺要求修理的紐可門蒸汽機，任務交給了瓦特. 瓦特將它修好后，看看他工作那么吃力，就象一個老人在喘氣，顛顛顫顫地負重行走，覺得實在應該將它改進一下. 他注意到毛病主要是缸體隨著蒸汽每次熱了又冷，冷了又熱，白白浪費了許多熱量. 能不能讓它一直保持不冷而活塞又照常工作呢？于是他自己出錢租了一個地窖，收集了幾臺報廢的蒸汽機，決心要造出一臺新式機器來. 從此，瓦特整日擺弄這些機器，兩年后，總算弄出個新機樣子. 可是點火一試，那汽缸到處漏氣，瓦特想盡辦法，用氈子包，用油布裹，幾個月過去了，還是治不了這個毛病. 一天他又趴到汽缸前觀察漏氣的原因，不小心一股熱氣沖出，他急忙躲閃，右肩上已是紅腫一片，就像被一把熱刀削過一樣，辣辣地疼起來，弄得他心煩意亂. 他真有些灰心了，這時，是他的妻子給了他勇氣，妻子用激將法又激起了繼續(xù)研究下去的雄心. 他又回到地下實驗室，將過去的資料重新翻閱一番，打起精神又干了起來，干累了就守著爐子燒一壺水喝茶. 一天，他一邊喝茶，一邊看著那一動一動的壺蓋. 他看看爐子上的壺又看看手中的杯子，突然“靈感”來了：茶水要涼，倒在杯里；蒸汽要冷，何不也把它從汽缸里也“倒”出來呢？這樣想著，瓦特立即設計了一個和汽缸分離的冷凝器，這下熱效率提高了三倍，用的煤只有原來的四分之一. 這關鍵的地方一突破，瓦特頓然覺得前程光明. 他又到大學里向布萊克教授請教了一些理論問題，教授又介紹他認識了發(fā)明鏜床的威爾金技師，這位技師立即用鏜炮筒的方法制了汽缸和活塞，解決了那個最頭疼的漏氣問題. 1784年，瓦特的蒸汽機已裝上曲軸、飛輪，活塞可以靠從兩邊進來的蒸汽連續(xù)推動，再不用人力去調(diào)節(jié)活門，世界上第一臺真正的蒸汽機誕生了. “充氣輪胎”可謂是科技史上的一大發(fā)明，其應用之廣泛，對現(xiàn)代社會之重要，只要看一看全世界每條公路上行駛的車輛和飛機的起落架就不難知道. 這充氣輪胎的發(fā)明也源自一個“靈感”. 1888年，蘇格蘭的一名獸醫(yī)約翰鄧祿普（John Dunlop），因為兒子騎了木制輪子的自行車摔得頭破血流，便下決心改進它. 有什么辦法可以避免輪子造成的顛簸呢？如何讓輪子與地面不再“硬碰硬”呢？他想啊想，始終找不到一個好辦法. 有一天，他用一根橡膠制作的水管澆花時，感到水在水管子里面涌動而富有彈性，他頓生“靈感”：把這種灌滿水的橡膠管圍在木制的自行車輪子上，不就可以減輕顛簸了嗎？他很快制成了世界上第一個“充水輪胎”，1867年，又改成“充氣輪胎”，1888年，又改進為內(nèi)外雙胎. 那以后，他的發(fā)明經(jīng)過不斷改進，不但解決了汽車、摩托、自行車等各種行駛車輛的減震問題，而且還形成了遍及全世界的輪胎產(chǎn)業(yè). 另一個靠“靈感”突破難點的重大發(fā)明是英文打字機. 克里斯托夫拉森肖爾斯（Christopher Latham Sholes）在美國一家煙廠工作，妻子在一家公司當秘書，常常日夜趕寫材料，太辛苦了！他想，如能用機器代替手工寫字，該多好啊！他找到多年研究打字機卻半途而廢的朋友，把人家的模型拿過來. 他發(fā)現(xiàn)這架模型的最大問題是“字鍵”和“字臂”不實用，可自己反復研究也毫無結(jié)果. 1863年的一個深夜，肖爾斯在院子里散步構(gòu)思新方案，回到屋里偶然看到太太彎背寫字的那個美麗的側(cè)影，哇！一個“靈感”迸發(fā)出來把太太的頭當作“字鍵”，彎彎的玉臂當作“字臂”，豈不正是設計合理、造型實用的打字機模型嗎？他激動地抱著太太，充滿歉意地說：“對不起啊，親愛的，我差點因打字機而失戀，是你賜予了我靈感啊！”此后，又經(jīng)過4年的反復試驗，肖爾斯終于在1867年冬天發(fā)明出了世界上第一臺字母式打字機. 雖然人們至今對于什么是“靈感”、“靈感”是否存在，一直沒有一致的認識甚至爭論不休，但“靈感”肯定是人類大腦智力活動的一種現(xiàn)象. 靈感是突如其來的，并沒有邏輯思維的一步步推導. 靈感的出現(xiàn)，意味著常規(guī)思維的跳躍，邏輯思維的中斷. 靈感是虛幻的，可遇卻難求. 我國水稻專家袁隆平這樣解釋靈感:“靈感是知識、經(jīng)驗、追求、思索與智慧綜合在一起而升華了的產(chǎn)物. ”錢學森教授解釋得更具體：“假設一個很難的問題，在這些潛意識里加工來加工去，得到結(jié)果了，這時可能與我們的意識溝通了，一下子得到了答案. 整個的加工過程，我們可能不知道. 這就是所謂的靈感. ”大發(fā)明家愛迪生（Thomas Alva Edison，18471931）總結(jié)得好：“天才就是百分之九十九的汗水加百分之一的靈感. ”可見，“靈感”并不是神秘莫測的. 當深入研究某個問題時，長久地百思不得其解，天天處于困惑之中，這時就很可能在一個特定的場合和時刻，發(fā)覺那個問題與當前的事件有些雷同或相似，二者存在著某種邏輯聯(lián)系. 這兩件事情“撞”在一起，大腦會突然“閃亮”，一下子會冒出智慧的火花而驟然發(fā)現(xiàn)：這不就是那個“易如反掌的困惑”嗎？這不就是打開那把“銹鎖”的鑰匙嗎？怎么會這么簡單啊，這么明白！以前為什么就那么“傻”，死活也研究不出來呢？這就是“靈感”！靈感的呼之欲出好比差一層窗戶紙沒有點破，閃念間，燃起璀璨煙火. 在人類科學技術發(fā)展史中，有一些重要的發(fā)明就來自于“靈感”. 靈感成就了偉人和偉業(yè)，更進一步推動了社會的進步！有人說詩人寫詩是有“靈感”的，其實這是詩人構(gòu)思時精神高度集中的前提下獲得的一種意境. 正常人都可以出現(xiàn)靈感，只是水平高低不同而已，并無本質(zhì)的差別. 與“靈感”相近的是“頓悟”. 頓悟就是弄明白，頓時徹徹底底弄明白. 經(jīng)常會聽到“聽君一席話，勝讀十年書. ”這就是因為了解得更透徹，看到了本質(zhì). 佛學界這樣解釋“頓悟”：覺悟和迷惑的差別只在一念之間，認為悟就是“一念相應，便成正覺”，不僅是瞬間完成，剎那間覺悟，而且要求對真理的把握，是完整的，而不是部分的，是徹底的，而不是有遺漏的，是完全的覺悟. 介紹一下“曼德拉的頓悟”吧，也許可以從中領會什么是“頓悟”、“頓悟”與“靈感”的區(qū)別. 南非的民族斗士曼德拉，因為領導反對白人種族隔離政策而入獄，白人統(tǒng)治者把他關在荒涼的大西洋小島羅本島上27年. 羅本島位于離開普敦西北方向7英里的桌灣. 島上布滿巖石，到處都是海豹和蛇及其他動物. 曼德拉被關在總集中營一個“鋅皮房”里，他每天早晨排隊到采石場，然后被解開腳鐐，下到一個很大的石灰石田地，用尖鎬和鐵鍬挖掘石灰石. 有時從冰冷的海水里撈取海帶. 因為曼德拉是要犯，專門看押他的看守就有三人. 當1991年曼德拉出獄當選總統(tǒng)以后，他在總統(tǒng)就職典禮上的舉動震驚了世界. 總統(tǒng)就職儀式開始了，曼德拉起身致辭歡迎他的來賓. 在介紹了來自世界各國的政要后,他說令他最高興的是當初看守他的3名前獄方人員也能到場. 他邀請他們站起身，以便他能介紹給大家. 曼德拉博大的胸襟和寬宏的精神，讓南非那些殘酷虐待了他27年的白人汗顏，也讓所有到場的人肅然起敬. 看著年邁的曼德拉緩緩站起身來，恭敬地向3個曾關押他的看守致敬，在場的所有來賓以至整個世界，都靜下來了. 曼德拉后來向朋友們解釋說，自己年輕時性子很急，脾氣暴躁，正是在獄中學會了控制情緒才活了下來. 他的牢獄歲月給了他時間與激勵，使他學會了如何處理自己遭遇苦難的痛苦. 他說，感恩與寬容經(jīng)常是源自痛苦與磨難的，必須以極大的毅力來訓練. 曼德拉說起獲釋出獄當天的心情：“當我走出囚室、邁過通往自由的監(jiān)獄大門時，我已經(jīng)清楚，自己若不能把悲痛與怨恨留在身后，那么我其實仍在獄中. ”這就是曼德拉的“頓悟”. “靈感”、“頓悟”都是“直覺”，簡言之，直覺就是直接的覺察，它是人腦對客觀事物的一種迅速識別、敏銳而深入的洞察或領悟；是人們自覺或不自覺考慮某一個問題時，在頭腦中突如其來的一種創(chuàng)造性設想. 廣義上的直覺是指包括直接的認知、情感和意志活動在內(nèi)的一種心理現(xiàn)象，也就是說，它不僅是一個認知過程、認知方式，還是一種情感和意志的活動. 通常說的“跟著感覺走”，已蘊涵著直覺的萌芽. 直覺是發(fā)明的根源. 科學史表明，許多重大的發(fā)現(xiàn)都是基于直覺：歐幾里得幾何學的五個公式就是基于直覺，從而建立起歐幾里得幾何學這棟輝煌的大廈；阿基米德在浴室里找到了辨別王冠真假的方法；數(shù)學家哈密頓(Hamilton,William Rowan18051865)是在散步的路上迸發(fā)出了構(gòu)造四元數(shù)的火花；凱庫勒發(fā)現(xiàn)苯分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)更是一個直覺思維的成功典范. 苯(c6H6)這種有機物早在1825年就已被英國科學家發(fā)現(xiàn)，但當時人們僅從實用的角度認識到苯是一種無色有芳香氣味的液體，能溶解許多有機物，是一種重要的有機溶劑和合成原料，但并不了解苯的分子結(jié)構(gòu). 此后幾十年中不少科學家都展開了對苯分子結(jié)構(gòu)的研究，但大多徒勞無功，盡管所有證據(jù)都表明苯分子非常對稱，可大家實在難以想象6個碳原子和6個氫原子怎樣能完全對稱的排列，形成穩(wěn)定的分子. 德國化學家凱庫勒(FriedrichAKekule18291896)也是當時研究苯分子結(jié)構(gòu)的科學家之一，凱庫勒經(jīng)過幾年的研究仍無結(jié)果，1864年冬的一天，身心疲憊的凱庫勒在研究苯分子結(jié)構(gòu)時，由于過于疲勞而在壁爐旁邊打起了盹，稿紙也散落在地上昏睡中原子和分子們開始出現(xiàn)在夢幻中，他夢見六條蛇在他面前舞蹈，一會兒六條蛇首尾銜咬形成了個環(huán)，瞬間六條蛇又變成碳原子環(huán)在他眼前旋轉(zhuǎn). 猛然驚醒后，凱庫勒立即拾起散落在地上的紙筆將夢中的碳環(huán)畫了出來，這就是現(xiàn)在充滿有機化學教科書的著名正六邊形環(huán)，開辟了有機結(jié)構(gòu)的新紀元. 數(shù)學的學習、教學、研究更離不開直覺. 近代法國數(shù)學家、物理學家、天文學家龐加萊（Henri Poincare，1854-1912）說“邏輯用于論證，直覺可用于發(fā)明. ”英國的大數(shù)學家哈代（G.H.Hardy,18771947）說“數(shù)學家通常是先通過直覺來發(fā)現(xiàn)一個定理；這個結(jié)果對于他首先是似然的，然后他再著手去制造一個證明.”高斯曾經(jīng)反復強調(diào)，他的數(shù)學發(fā)現(xiàn)主要來自經(jīng)驗，“證明只是補行的手續(xù). ”所謂數(shù)學直覺，就是大腦基于有限的數(shù)據(jù)資料和知識經(jīng)驗，充分調(diào)動一切與問題有關的顯意識和潛意識，在敏銳想象和迅速判斷有機結(jié)合下，跳過若干中間步驟或放過個別細節(jié)，從整體上單刀直入地領悟數(shù)學對象的本質(zhì)，洞察數(shù)學結(jié)構(gòu)和關系的一種非邏輯的推理形式. 有人認為也是一種思維方式，這種思維的實質(zhì)是對數(shù)學對象及其結(jié)構(gòu)、關系的想象和判斷或猜想. 它表現(xiàn)為靈感、頓悟、奇妙啟示等等，就如同古詩中所描述“山重水盡疑無路，柳盡花明又一村”；“眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處. ”例如 不等式組的解是( ). A. 0x2 B. 0x C. 0x3 D. 0x0，b0，c0. 求以，為邊長的三角形面積. 若用數(shù)學邏輯思維方法解答，可用海倫公式及三角形面積公式進行計算，顯然是比較麻煩的. 但仔細觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，它們分別是三個直角三角形的三條斜邊，如圖1. 憑直覺，我們就可以將他們組成圖2. 因此，所求三角形的面積就直觀地表達為矩形與三個直角三角形的面積之差的問題了. 即S2a2bab2aba2bab直覺與邏輯思維同等重要，偏離任何一方都會制約一個人思維能力的發(fā)展，受控制的精神和富有美感的邏輯正是數(shù)學的魅力所在. 德國數(shù)學家伊恩斯圖加特也說：“直覺是真正的數(shù)學家賴以生存的東西”. “數(shù)學的全部力量就在于直覺和嚴格性巧妙的結(jié)合在一起，受控制的精神和富有靈感的邏輯.”波利亞也曾說過：“直觀的洞察和邏輯的證明是感知真理的兩種不同方式，直觀的洞察可能遠遠超前于形式邏輯的證明.”“直覺是不難發(fā)現(xiàn)的.”龐加萊說. 徐利治教授也曾指出：“數(shù)學直覺是可以后天培養(yǎng)的，實際上每個人的數(shù)學直覺也是不斷提高的.”扎實的基礎是產(chǎn)生直覺的源泉. 直覺不是靠“機遇”，直覺的獲得雖然具有偶然性，但決不是無緣無故的憑空臆想，而是以扎實的知識為基礎. 若沒有深厚的功底，是不會迸發(fā)出思維的火花的. 靈感、頓悟、直覺的產(chǎn)生，是我們經(jīng)過長期觀察、實驗、勤學、苦想的結(jié)果，沒有這個基礎，靈感不會自動飛進人類的大腦. 美感和美的意識能喚起和支配數(shù)學直覺，數(shù)學事實間的最佳組合往往依靠“審美直覺”來作出的. 數(shù)學美集中表現(xiàn)在數(shù)學本身的簡潔性、對稱性、相似性、和諧性、奇異性等. 數(shù)學家阿達瑪說過“數(shù)學直覺的本質(zhì)是某種美感或美的意識. ”審美能力越強，則數(shù)學直覺能力也越強. 直覺與類比、聯(lián)想、觀察、實驗、歸納、猜想等推理形式是分不開的，很多直覺就來自于這些推理形式. 反之，直