正如每个科学家的嗜好、气质以及对科学的态度是千差万别的一样，每个科学家追求科学的动机和涉及到的范围也是千差万别的。所以，“科学的追求及其动机”是个很难讨论的题目。除此之外，在科学家的整个一生中，他们的动机很容易发生巨大的变化，的确很难找到一个共同的衡量标准。
我限定自己只反映以前的一些伟大科学家的生活与成就。要反映这些伟人的动机和态度，会受到在交流过程中语义上的严重困难，这种困难体现在：语言上所通行的词和惯用语，有各种不同的评论与判断。实际上，当谈到他人时，人们应该很好地注意屠格涅夫在他的小说《除夕之夜》里，通过英沙诺夫向人们提出的警告：
我们正在谈论别人，为什么要牵涉到自己？
为了从一个恰当的角度开始我的论述，我将从20世纪20年代中期马约拉纳（Majorana）与费米（Fermi）的谈话开始。当时他俩都只有二十几岁，他们的谈话是一个当时在场的人告诉我的：
马约拉纳：每隔500年才有一个类似阿基米德或牛顿这样的科学家出现，而每隔100年就有1至2个类似爱因斯坦和玻尔这样的科学家出现。
费米：那我将处于一个什么地位呢？
马约拉纳：理智一点，费米，我并没有谈到你我，我们谈的只是爱因斯坦与玻尔。
Ⅰ
当谈论到促使人们追求科学的动机时，最好的例子莫过于开普勒。开普勒的独特之处在于他处在一个科学发生了巨大变化的伟大时期，这时科学正在摆脱笼罩在它身上的教条，为日后牛顿的发现铺平了道路。开普勒不迷信前人的成就，提出了一些包括哥白尼在内的一些伟人所没有提出的问题。开普勒关于行星运动的理论，完全不同于以前所提出的假说；他的关于行星运动的轨道“是椭圆”的断言，更超越了他前人所做的各种各样的改进。在有关行星运动的分析中，开普勒并不偏重于各种几何问题，相反，他提出了以下一些问题：“行星运动的原因是什么？”“如果像哥白尼的假说所指出的那样，太阳是太阳系的中心，那这一巿实就应该能够由行星本身的运动和轨道辨别出来。”这些都是物理问题，而不像以前所设想的那样，都是几何构造的问题。
尽管开普勒解决行星运动等问题的方法，完全不同于他以前的任何人，但他的工作仍然是从对观察结果进行仔细分析后得出一般结论的方法，而且是这种方法的一个杰出的例子。他的分析过程没长并且极其艰辛：他在20多年的时间里，坚持不懈地进行工作，从来没有放弃他的目标。如果呕心沥血这个词来形容他的努力，也是丝毫不过分的。
开普勒从一开始就认识到，仔细研究火星轨道是研究行星运动的关键，因为火星的运动轨道偏离圆轨道最远，它使得哥白尼的理论显出了严重的缺陷。开普勒还认识到，对第谷 · 布拉赫准确的观察资料进行分析是整个问题的必不可少的先决条件。开普勒曾经写道：
我们应该仔细倾听第谷的意见。他花了35年的时间全心全意地进行观察……我完全信赖他，只有他才能向我解释行星轨道的排列顺序。
第谷掌握了最好的观察资料，这就如他掌握了建设一座大厦的物质基础一样。
我认为，正当朗高蒙太努斯（Longomontanus）全神贯注研究火星问题时，我能来到第谷身边，这是“神的意旨”，我这样说是因为仅凭火星就'能使我们揭示天体的奥秘，而这奥秘由别的行星是永远揭示不了的……。
实际上，开普勒曾千方百计想获得他梦寐以求的第谷的观察资料。如果说他犯了偷窃罪，似乎也并不夸张，因为他自己就曾经承认：“我承认，当第谷死的时候，我正是利用了没有或缺乏继承人这样的有利条件，使第谷的资料由我照管，或许可以说霸占了观察资料。”他自己又解释道：“争吵的原因在于布拉赫家族有怀疑的天性和恶劣的态变；另一方面，也在于我自己有脾气暴躁和喜欢挖苦人的毛病。必须承认，滕纳格尔（Tengnagel）有充分的理由来怀疑我。我已占有了观察资料并且拒绝把它们交给继承人。”
得到了第谷的观察资料以后，开普勒不断向自己提出了这样的问题：“如果太阳确实是行报运动的起源和原因，那么这一事实在行星自身运动中如何体现出来？”他注意到，火星的运动在近日点比在远日点要快些，并且“想起了阿基米德”，于是，他用矢径（连接太阳和火星瞬时位置的矢量）的方法，算出了沿轨道运动的面积。开普勒写道：
当我认识到，在运动的轨道上有着无数个点以及相应产生了无数个离太阳的距离，我产生了这样的想法：运动轨道的面积包括了这些距离的和。因为我回忆起阿基米德用同样的方法，将圆面积分解成无数个三角形。”
这就是开普勒于1603年7月发现而积定律的经过。牛顿把它称为开普勒三大定律的第二定律。从此以后，人们都这样称呼面积定律。开普勒用了5年多的时间才建立起这个定律；其实，早在1596年他发表《宇宙的奥秘》这本书之前，他就在探求这一规律，那时他用的方法是把五个规则的多面体与当时已知的6个行星联系起来。
面积定律能够确定轨道上各点的速度的变化，但不能确定轨道的形状。在他得出面积定律的S终表述的前一年，开普勒实际上就摒弃了行星运动轨道是圆的假说。1602年10月他曾写道：“行羞轨道不是圆，这一结论是显而易见的一一有两边朝里面弯，而相对的另两边朝外伸延。这样的曲线形状为卵形。行星的轨道不是圆，而是卵形。”
在作出火星轨近是卵形这一结论之后，开普勒又花了3年时间才确把它的轨道实际上是椭圆。当这一结论确立时，他写道：
为什么我要在措词上作文章呢？因为我曾拒绝并抛弃的大自然的真理，重新以另一种可以接受的方式，从后门悄悄地返回。也就是说，我没有考虑以前的方程，而只专注于对椭圆的研究，并确认它是一个完全不同的假说。然而，这两种假设实际上就是同一个，在下一章我将证明这一点。我不断地思考和探求着，直至我几乎发疯，所有这些对我来说只是为了找出一个合理的解释，为什么行星更偏爱椭圆轨道……噢，我曾经是多么的迟钝啊！
开普勒用了10年多的时间才发现了他的第三定律，即任何两个行星公转周期的平方与他们到太阳的平均距离的立方成正比。1618年，开普勒在他的《宇宙的和谐》一书中表述了这个定律。下面就是开普勒自己对发现这个定律的描述：
准确地说、就是在1618半3月8日这天，这一结论显现于我的脑海中。但不幸的是，当我试图用计算来证实它的时候，我又以为它是错误的，因而我抛弃了它。5月15日，这个念头终于又回到了我的脑海中，并且以一种全新的方式使我豁然开朗。它与我17年来对第谷观察资料进行分析所得出的数据吻合得如此之好，以致刚开始的瞬间，我感到我好像在梦幻之中。
至此，开普勒呕心沥血的漫长而艰辛的追求，终于结束了。
在他的第一本书《宇宙的奥秘》中，开普勒就说过：“但愿我们能够活着看到这两种图像能够相互吻合”。22年后，当他发现了他的第三定律，从而使得他的梦想得以实现时，开普勒在《宇宙的奥秘》再版中加进了这样的注释：“22年后，我们终于活着看到了这—天，并为此感到欢欣鼓舞，至少我是如此；并且我相信梅斯特林（Maestlin）及其他人将分享我的快乐！”
Ⅱ
布诺特（Max Brod）——一个以出版卡夫卡（Franz Kafka）生前之作而闻名的捷克作者在他的小说《第谷 · 布拉赫的赎罪》中，描述和比较了第谷 · 布拉赫与开普勒的性格特点。尽管布诺特的小说很大程度上与历史事实不符，但他有关开普勒究竟是怎么样的一个科学家的看法，仍是值得摘录的。
开普勒使第谷对他充满了敬畏之情。开普勒的全心全意致力于实验工作、完全不理会叽叽嚓嚓的谗言的宁静心理，在第谷看来，就几乎是一种超人的品质。这儿有点不可理喻的地方，即似乎缺乏某种情感，有如极地严寒中的气息……
—个实践的科学家能像布诺特描述的开普勒那样，这么宁静与不露情感？
Ⅲ
开普勒追求科学的最显著特点是专注于他自己的探求。用雪莱的话来说：“他是一个极为独特的人物。”但是，如果别人也像开普勒那样始终如一，专心致志地追求，他们能否也像开普勒那样成功呢？
首先，以迈克尔逊（Albert Mechelson）为例。在他一生中，他主要是追求一种用一种更准确的方法来测量光速。他的这种兴趣几乎是出自偶然。当他在美国海军科学院任讲师时，科学院的一位负责人要他准备几篇有关光速的演讲稿。这是1878年的事，它导致1881年迈克尔逊第一次测定了光速。50年后的1931年5月7日，也就是他临死前两天，他着手口述一篇有关他最后观察结果的论文，这篇论文于他死后发表了。由于迈克尔逊的工作，人们对光速的精度从3×10-3提高到3×10-6，也就是说提高了10倍。然而到了1973年，其准确性改进到10-10，这一测量精度今后是不会被超过的。
那么，能够说迈克尔逊50多年的努力都白费了吗？我们暂时撇开这个问题。人们应该注意到在迈克尔逊漫长的工作生涯中，他的许多发明都与他热衷于研究“光波及其应用”有关。例如，因为他研制出了干涉仪，致使他首次直接测定了一颗恒星的直径。这是一个惊人的成就。至于在爱因斯坦狭义和广义相对论的公式中起作用的迈克尔逊 - 莫雷实验，它不可否认地改变了人们对时空观的认识，那更是无人不知、无人不晓的了。奇怪的是迈克尔逊自己，他从来没有对他实验的这一结果表示出一丝快乐。实际上，有记载说，当爱因斯坦于1931年4月拜访迈克尔逊时，迈克尔逊夫人认为有必要私下告诫爱因斯坦'请不要和他谈以太。”
第二个例子是爱丁顿。在他后半生中，他花了16年多的时间来完善他的“基本理论”。他本人对于他耗费如此巨大的精力有什么看法呢？在他去世的前一年，他曾说道：“过去的16年中，我从来没有怀疑过我的理论的正确性。”虽然他自己这么说，但他的工作对此后的发展，没有留下任何印迹。
单一的对象和唯一的目标，是科学追求的明智之举吗？
Ⅳ
开普勒的成功事例有力地说明，坚持不懈的努力能导致伟大的且具有开创性的发现。与此同时，很多事例表明许多了不起的想法几乎是自发地产生的。例如，狄拉克曾经写道：有关泊松括号与电子的相对论性波动方程的研究工作，有些想法“突然闪现于我脑海中，我不能够很明确地说清楚这种想法到底是如何出现的，但我感到这种工作是一种‘太容易获得的成功’。”
这一事实，即狄拉克认为他的泊松括号和电子的相对论性波动方程的潜意识的想法是偶然产生的，说明那些有过重大发明的人似乎都想回忆起并珍惜他们取得成就的特殊时刻。狄拉克并非唯一的例子。爱因斯坦就曾这样写道/1907年，当时我正在写一篇有关狭义相对论综合性论文，……突然，我的一生中最得意的想法闪现出来了……即‘对于一个从屋顶自由下落的观测者’（至少在他周围很近的地方）存在着一个非引力场。”这种“得意的想法”，我们都知道，后来隐含在他的等价原理之中，这个原理也是他后来的广义相对论的基础。
具有同样往事的例子是费米。我曾经就阿达玛（Hadamard）在《数学领域中的发现心理学》所提出的设想问费米，什么是物理学领域的发现心理。费米的回答是讲叙他发现慢中子对感生放射性的作用的那一时刻。当时他是这样说的：
我来告诉你我是如何取得我认为是我一生中最重要的发现。我们当时正努力地研究着中子的感生放射性，但所得到的结果毫无意义。一天；当我来到实验室时，突然冒出了这样的想法，我应该检验检验在入射中子前放一块铅所引起的结果。这一次我特别有耐心，我尽力使铅块安放准确，这与我通常习惯大不相同。很显然，我对某些事情感到不满意，我千方百计找理由拖延在这个位置放上铅块。最后，当我勉勉强强要放上铅块时，我对自己说：“不，我不应该在这个位置放上铅块，我想我应该放上一块石蜡。”事情就是这样发生的，没有任何事先的预告，没有任何有意识的判断。我马上找来一块奇形怪状的石蜡，把它放在本应该是放铅块的位置上。
也许在这方面的一个最动人的故事是海森堡所讲述的有关量子力学的规律突然闪现在他脑海中的时刻。
……一天晚上，我就要确定能量表中的各项，也就是我们今天所说的能量矩阵，用的是现在人们可能会认为是很笨拙的计算方法。计算出来的第一项与能量守恒原理相当吻合，我很兴奋，而后我犯了很多的计算错误。终于，当最后一个计算结果出现在我面前时，已是凌晨3点了。所有各项均能满足能量守恒原理，于是，我不再怀疑我所计算的那种量子力学具有数学上的连贯性与一致性。刚开始，我很惊讶。我感到，透过原子现象的外表，我看到了非同寻常的漂亮的内部结构，并且我必须探求的数学结构特性如此慷慨地展现在我眼前，这一想法几乎使我陶醉。我太兴奋了，以致不能入睡。天刚蒙蒙亮，我就来到这个岛的南端，以前我一直向往着在这里爬上一块突出于大海之中的岩石。我现在没有任何困难就攀登上去了，并在等待着太阳的升起。
我们不难理解，在这一特殊时刻海森堡的心情是多么激动啊。我们大家都知道，当时困扰着“旧”的玻尔 - 索末菲量子理论，有很多困难和佯谬。我们也都知道，长期以来，海森堡与索末菲、玻尔、泡利等人对这些难点和佯谬一直感到困惑不解。当时，海森堡与克拉默斯（Kramers）—起已发表了有关色散理论的论文——在很多方面，这个理论是以后发展的先导。
大约30年后，在他经历了战争的悲伤以及战后的失望、彷徨之后，海森堡提出并阐述了基本粒子理论的思想，对此，我们的反映是什么呢？海森堡夫人在她所写的一本有关她丈夫的一本书中写道：“在一个月光皎洁的夜晚，我们漫步于海因山，他完全被他所看到的幻觉所吸引，一路上，他试图向我解释他的最新发现。他谈到对称性的奇妙之处在于可以把它看作万物的原型；他还谈到和谐、简朴的美以及它的内在的真实性。”她摘录了一段当时海森堡写给他姐姐的一封信：
实际上，过去的几周对我来说是非常激动的时刻。也许通过类比我能将我所经历的事情很好地描述出来。即在过去的5年中，我费尽心力试图沿一条至今仍不清楚的道路攀登原子理论的顶峰。现在这座顶峰就在我面前，有关原子理论的全部纵横关系，突然地并且清晰地震现于我眼前。这些纵横关系凭借其数学的抽象性以一种简单得不能再简单的方式呈现出来，它是一种我们只能谦恭接受下来的礼物。即便是柏拉图也可能不相信它们是如此之美。因为这些纵横关系不可能被发明，他们从开天辟地以来就一直存在。
你们也许注意到了，大约30年前，在他的有关发现量子力学的基本原理的描述中，他使用了异乎寻常的相似语言和术语。但是，对于他的基本粒子的见解，我们能像海森堡一样，用相同的方式看待吗？对于量子力学，他的思想立即获得承认；相反，他有关粒子物理学的思想，却遭到了反对和驳斥，即使长期与他讨论问题的老朋友泡利也不例外。但是读读海森堡夫人在她的传记的结尾写的一段话，是很令人感动的。
带着一种自信的微笑，他曾对我说：“我是足够幸运的，当亲爱的上帝还在工作时，我能越过他的肩膀瞧了一下。”对他来说，那就够了，完全够了。这给了他巨大的喜悦和勇气，使他能锒定自如地对付他在这个世上一再遭到的敌意和误解，并且不至于误入歧途。
Ⅴ
汤川秀树（Hideki Yukawa）在50多岁时写了一本自传《漫游者》。在这本书中汤川秀树提出，一个伟大发现对它的发现者所产生影响的另一侧面。人们习惯于这样想：至少从表面上看来，一个很富有而且成果累累的人，以他的一生为素材的自传《漫游者》，应该是对他整个一生的叙述。但是汤川秀树的"漫只讲到他伟大发现的论文的发表为止。他以忧郁的笔调写到他那伟大的发现：“我再也不想写除此之外的东西了，因为，对我来说，我不懈学习的那些日子是值得留恋的；另一方面，当我想到我的学习时间逐渐被其他事情占有了时，我感到伤心。”
尽管我们所有的人能够分享科学巨匠的发现的喜悦，我们可能对很多、很多不太敏锐、运气不佳的人所珍爱和认为值得回忆的东西感到困惑。他们是否像贝克特（Samuel Backett）的剧作中的人物符拉基米尔和埃斯特拉冈一样，在等待着戈多呢？也许他们会用弥尔顿（Milton）的“就是站着等也是值得的”这句话，来自我安慰？
Ⅵ
我现在讲一讲称赞和同意对一个人追求科学的作用。华兹华斯（Words worth）描述牛顿所讲的“一个人独自航行在陌生的智力海洋”情形，并不是我们每个人都能理解的。
我指的是爱丁顿孤独地探求他的基本理论这一事情。尽管他自己对于他的理论的正确性深信不疑，但同时代的人对他的著作漠不关心使他感到很灰心。这种灰心，在他死前几个月给丁戈（Dingle）的一封悲怆的信中表露无遗：
我不断地试图发现为什么这个程序竟使人们感到深奥晦涩。但我要指出的是，尽管爱因斯坦的理论被认为是深奥晦涩，但是成百上千的人认为把这种理论解释清楚是有必要的。我不相信我的理论比狄拉克的理论更深奥晦涩。但是对于爱因斯坦和狄拉克，人们认为揭示这种深奥晦涩是值得的。我相信，当人们不得不用同样的态度对待我的时候，他们将完全理解我——到那时，“把爱丁顿的理论解释清楚”将变得很时髦。
当同时代的人用尖刻的、猛烈的批评表达他们的反对意见时，它能产生一种悲剧性的结果。例如。奥斯特瓦尔德和马赫的强烈批评，使玻尔兹曼深感失望，以致他最后自杀了。他的孙子弗莱姆（Flamm）曾写道：“他是他的思想的殉道者”。又如，点集合和无穷阶等现代理论的创始人乔治 · 康托尔（Georg Cantor），因为他的老师利奥波德 · 克罗内克（Leopold Kronecker）痛恨并敌视他以及他的理论，结果康托精神失常。事实上，他的晚年是在精神病院度过的。
Ⅶ
一种完全不同于以上所讲述的例子是卢瑟福。
我们先回想一下他的经历。1897年，他引入了一种新的命名方式，将放射性辐射分解成α粒子、β射线和γ射线。1902年，他将放射性衰变的规律公式化——在物理学中首次用概率和不确定性等术语来表达物理公式，而且也是量子力学概率表述的先驱，这种概率表述在25年后已变得非常普遍。1905年至1907年间，他和索迪一起，系统地阐述了放射性衰变位移的规律，并确定了α粒子就是氦核；和波特伍德一起，他创立了用放射性来确定岩石和矿物的年代的方法。1909年至1910年，这一时期出现了盖革和马斯顿实验，这一实验发现了α粒子的大角散射，接着卢瑟福系统地阐述了散射规律并提出了原子构造的有核模型。接着，在1917年，他又首次在实验室中完成了原子嬗变的实验：即用α射线轰击N14，使之变成O17和一个质子。20世纪20年代，他明确了α射线和γ射线光谱间的相互关系。1932年，福勒称之为“创造奇迹的一年”，考克饶夫和瓦尔顿发现了用人工衰变的方法将Li7转变为两个α子；布莱克特在宇宙射线表中发现了正电子；以及威克发现了中子。创造这些“奇迹”的人都在剑桥的卢瑟福的卡文迪许实验室中工作，1933年，和奥利芬特一起，卢瑟福发现了H3和He8。
卢瑟福对他自己的发现的态度，在一次答复别人的话中，表示得很清楚。有一次，当他有一项重大发现时，别人讲道：“卢瑟福，你总是处在事业的波峰之上。”卢瑟福答复说：“我自己创造了这个波，难道不是吗？”不知道为什么，从卢瑟福的有利条件来看，似乎他所说的任何话都是正确的，甚至包括下面一句话。有人问他，他是否鼓励他的学生学习相对论时，他回答说：“我不会让我的孩子们浪费他们的时间。”如果世上真有快乐的战士的话，那么卢瑟福就是其中的一个。
Ⅷ
到现在为止，我已通过列举一些科学巨匠的生活中的事件，来描述他们对科学追求的各个侧面。现在我回过来讲一些更一般的例子。同样，我从一个实例开始。在迈克尔逊晚年，有人问他，为什么他花这么多时间去测量光速。据说他的回答是：“它太有趣了。”不可否认，在对科学的追求中，“有趣”起了一定的作用。但是“有趣”这个词并不意味着缺乏严肃。确实，在 《简明牛津字典》中，“有趣”（fun）被解释成“滑稽举动”（drollery）。但是我们能够肯定，当迈克尔逊把他生活的主要兴趣描述成“有趣”时，绝对没有那样的含义。然而，我们赋予迈克尔逊所用的“有趣”这个词的准确含义又是什么呢？更一般地说，愉悦和乐趣的作用是什么呢？
尽管愉悦和乐趣经常被用来描述一个人在科学中的奋斗结果，但失败、挫折及绝望起码也是追求科学的人常常碰到的事。毫无疑问，克服了困难，将会给人带来最终成功的快乐。那么，失败纯粹是科学追求中一个否定的方面吗？
在20世纪20年代中期和末期，随着量子力学的基本原理的建立，物理学有了迅猛的发展，狄拉克对这种发展的描述是：
将它描述成一种游戏（game），一种非常有趣的游戏，这种说法是很恰当的。无论什么时候，某人解决了一个小问题，他都能就此写一篇论文。当时，对于一个二流的物理学家来说，很容易做出一流的工作。此后，再也没有一个如此辉煌的时代了。
汤姆逊在威斯特敏斯大教堂为纪念瑞利勋爵所作的讲话，是颇值得注意的。他说：
有一些科学巨匠的魅力在于他们对一个课题首先作出了说明，在于他们提出了以后被证明是很有成效的新思想。还有一些科学巨匠的魅力也许在于他们完善了某一课题，使它变得具有连贯性和明确性。我认为瑞利勋爵属于第二类。
J. J. 汤姆逊的这种评论有时被认为是一语双关。但是人们可以得出这样的结论：瑞利在气质上更愿意致力于艰难的问题，而不满足于做狄拉克所说的“第二流的物理学家能做出第一流的工作”的物理学家“辉煌时代”的游戏。
上述有关瑞利气质的结论，又引出了另一个问题：当一个科学家已取得名望之后，他继续追求科学的原因是什么呢？这些原因在多大程度上带有个人的动机呢？在多大程度上与美学标准（如秩序和图案、形式和内容的直觉感受）有关联呢？美学标准和个人动机是相互排斥的吗？责任感起作用吗？我所说的责任不是通常意义上所说的某人对他的学生、同事及他的社会所承担的责任，而是说对科学本身的责任。那么，为科学而追求科学时，责任的真正含义又是什么哫？
让我最后再讲讲另一侧面。哈代（G. H . Hardy）在结束《一个数学家的辩解》这篇文章时，用了下面这样一段话：
我一生的经历，或者说与我有相同经历的任何数学家的一生经历是：我给知识增添了一些东西，同时又帮助他人给知识增添了更多的东西；这些东西的价值与伟大数学家们的创造性价值相比，或者与那些在身后留下了某种纪念的或大或小的艺术家们的创造性价值相比，只有程度上的不同，没有性质上的不同。
哈代的叙述是针对数学家而言的，但它同样适于所有的科学家，我希望你们特别注意他所指的给后人留下一些纪念，正是后人能够据以作出判断的东西。那么，后人的判断——科学家本人永远也不会知道的东西——在多大程度上也是科学家追求科学的一种有意识的动机呢？
Ⅸ
对科学的追求常被比喻成攀登一座很高但又不是高不可攀的山峰。我们当中有谁能够奢望（即使是在想象中），在一个天气晴朗无风的日子里去攀登珠穆朗玛峰并达到他的顶点，在宁静的空中，纵览那在雪中白得耀眼的一望无涯的喜马拉雅山脉呢？任何人都不可能希望看到自然界和宇宙的上述情境。但是，仅仅站在峡谷的底端等待着太阳越过干城章嘉峰，也未免太俗不可耐了。
[S. Chandrasekhar，Truth and Beauty，Chicago U. Press. 1987年版]