科學研究的方法（七）

圖片來自Pixabay

撰文 |蔣百川（美國諾瓦東南大學教授）

責編 | 李 赫

8.

基礎研究與應用研究

（1、2節請見本系列第一篇）

（3節請見本系列第二篇）

（4節請見本系列第三篇）

（5節請見本系列第四篇）

（6節請見本系列第五篇）

（7節請見本系列第六篇）

不久前，科學網上有不少人議論基礎研究（basic research）與應用研究（applied research），這可能給廣大初入門的研究生帶來一些困惑。研究尚未起步，該何去何從？我也是從一個初學者一步一步走過來的，現在要我講這兩者的關係與區別，我有一個很簡單但不一定很恰當的比喻。科學研究就像你駕駛一條船，在知識海洋里游戈，船下面都是海水，海洋被分為太平洋、大西洋等等，其實都是人為的。所以套用大家熟悉的一句話，基礎研究、應用研究都是科學研究，能做出成果的便是好的研究。

我對於基礎研究和應用研究兩者關係的體會和認識，是在我到賓州州立大學心理系參加Leibowitz 教授的實驗室工作，以及讀到他將近退休時發表的最後一篇文章：

H. W. Leibowitz, The symbiosis between basic and applied research. American Psychologist, 1996, 51, 4: 366-370.

我出國時選擇要去工作、學習的地方時，心裡大致有這樣的願望；那裡應有很活躍的研究工作，與我的知識背景與國內做過的工作比較相近，當然還有就是能得到資助。那個時候，Leibowitz 的實驗室已經發表了一系列關於 「黑夜近視」（night myopia）問題的研究結果，這個問題在當時是視覺研究的一個熱點。我就給Leibowitz 教授寫了一封信，請求能讓我去他實驗室工作。在我發出去的四封求職信中，他第一個給了回復，信中說他與我有同樣的經歷（他在IBM公司待過），熱情洋溢地歡迎我去他的實驗室工作，讀了之後真使人無法拒絕。所以儘管稍後加州大學伯克利分校的Westheimer 教授也回信表示願意接受我去，但我還是選擇了Leibowitz 的實驗室。我想他的這種熱情，也是與他在上面我引用的文章中說的一段話是一致的，他在文章中說：在他的研究生涯中，他始終認為要不斷地向其他領域學習。在他的心目中，與其他領域的人合作可以擴展他的視野，並且有可能豐富自己的研究成果。與他合作過的有在神經生理、動物學、神經內科、視光學、生物力學、法律、工業界、人類工程學、及政府機關的重視基礎研究或應用研究的人員，這樣的合作極大地拓展了他的實驗室的研究範圍。我得到他的青睞，可能與當時我有神經生理及光學方面的背景有關。

學科的交叉，在研究工作中，無論是基礎研究還是應用研究，都是十分重要的。

回顧我自己的研究道路，我也有與別的領域的人合作的經歷，最大的體會是雙方必須要懂得對方領域的語言，只有這樣才容易相互討論與交流。例如，與一個數學家合作時，假如你能夠把自己的專業問題用數學的語言表達出來，對方就很容易在數學方法中去找出解決的方法。我工作的早期，曾經花了好幾年做過光學薄膜的自動設計的工作，在用遍國外已發表的所有方法之後，發現要解決的問題從數學上來講是要尋找一個多元多峰值函數的極值。帶著這樣一個問題與搞數學的專家去合作，結果我們創建了一種新的求極值的方法。（詳見：鄭權，蔣百川，庄松林：一個求總極值的方法。應用數學學報，1978，1: 161-174.）

回到 「黑夜近視」 這件事情。這件事起源於1789年，當時英國皇家格林威治天文台負責人，Lord Maskelyne，報道說雖然他白天有正常視力，不需要戴眼鏡，可是一到晚上便變成了近視。這對於做天文觀察的人來說沒有大礙，因為他們可以利用望遠鏡的目鏡部分調節焦距來校正觀察眼的屈光不正，但是在軍事上，夜間行動時便可能是一個嚴重的問題。所以在二次大戰期間，德國、日本、西班牙、美國的各實驗室都對這個問題進行了研究，希望了解它的原因並發現克服它的辦法，然而問題始終無解。

夜視鏡。圖片來自Pixabay

直到1954年，一位德國科學家Herbert Schober 提岀一個觀點：當眼睛沒有接收到視覺信號時，眼的焦點調節的機制處在一種休息狀態（resting posture），而眼睛在這個狀態時它的焦點並不是在無窮遠。這便與亥姆霍茲（Helmholtz）的經典理論相矛盾了。亥姆霍茲的觀點是當眼睛完全放鬆時，它正好對焦到無窮遠 。這樣一個看起來很實際的現象這時候已經變成理論上的有待證明的一個問題。然而當時缺乏儀器設備來測量人眼在黑暗狀態的焦點位置，所以又被擱置起來。

直到上世紀60年代激光發明之後，人們發現激光散斑雖然可以看見，但不會是眼睛焦點調節的刺激，於是構建了一種利用激光散斑測量人眼調節的儀器，雖然這是一種靠主觀感覺的測量裝置，使用起來也比較麻煩，但是聊勝於無。Leibowitz 實驗室迅速搭建了這樣的裝置，便開始實驗工作。

在1975-1979年間（這是發表文章的時間，其實工作的時間還要早些），他們發現每個受試者的黑夜近視與他自己的在空視場下的近視（如飛行員在天上時，飛機外面是沒有仍何視覺線索的藍天，就屬這種情況）、與使用某些光學儀器時的近視（當光學儀器的孔徑很小而造成有很大景深時，使用者便不需要作焦點調節）有高度的相關性。根據這樣的觀察結果，他們認定人眼在這三種情況下，焦點調節系統都會處在一種休息的狀態，而且此時眼的焦點不是在無窮遠，同時各人的調節的休息狀態有很大的個體差異（0 - 4.0 屈光度）。這樣就從實驗上證明Schober 的理論的正確性，修正了Helmholtz 的經典理論。

當我在賓州州大時，與Leibowitz 的幾位學生還證明當受試者注意力不在他的視覺目標的時候（英文稱 space out，中文或可譯成做白日夢時，例如學生在課堂上雖然看著黑板或老師，但心裡在想別的事情的時候），眼睛的焦點位置也是與他的黑夜近視相近。

Leibowitz在回顧這段歷史時曾寫道：只有在我們的基礎研究搞清楚了焦點調節機制的本質之後，我們才真正解答了黑夜近視這個實際問題。不僅如此，而且我們還認識到，黑夜、空視場、小孔徑光學儀器、以及任何降低視覺分辨的條件，如不清晰的光學介質（像大霧），它們對於焦點調節的作用與機制是相同的。

由於這樣的進展，黑夜近視問題又回到它的應用方面。當時視覺領域投入的最多的是在近視眼研究方面的工作，這方面情況我在這裡便略去不談。Leibowitz教授及他的實驗室當時集中精力研究人們在夜間駕駛時對眼睛的屈光度應作怎樣的校正問題。這種實驗在夜間的駕駛訓練場上進行，讓駕駛員戴不同度數的眼鏡，測量他對目標的辨認與反應程度。結果出人意料，最佳的校正不是對應受試者的夜間近視值，而是這個值的一半。當時沒有人能夠解釋這樣的實驗結果。我正好在那個時候到達美國，開始參加實驗室工作。經過兩個星期的冥思苦想，我決定還是從基礎做起，看看人眼的焦點調節系統與輻輳系統（該系統控制雙眼的視線）對光的反應的閾值。這是一個大膽的想法，當時我也不清楚會有什麼結果。所幸Leibowitz 教授是一個很包容的人，馬上給我一間實驗室，並讓一位博士生幫我（他有自己的論文題目在做）。實驗結果發現，人眼的輻輳系統的閾值比調節系統的閾值要低很多，當輻輳系統開始工作時，它便會通過兩個系統的相互聯結而影響到調節量。在過去測量受試者的黑夜近視時用的是單眼，所以便把雙眼的輻輳機制排除在外。而在夜間駕駛的實驗中，受試者用的是雙眼，於是他的輻輳-調節的相互作用會對調節產生一定的貢獻。這便是一個大概的情況。這又是用一個基礎的研究解答了一個應用中發現的問題的例子。

我將這個故事寫出來的目的是想說，不要將自己框死在只能做基礎研究或者只能做應用研究，而是要根據所研究的問題。通常一個研究問題的提出是來自於實際，研究者要有能力將這種實際問題（或類似的幾個實際問題）概括成或者說上升到一個理論問題加以研究，在理論上解決之後，再要回到更加廣泛的實際問題中去。在研究工作中能夠作如此的循環，才是一個成熟的科學家。

製版編輯：李 赫|

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