在科学研究中,对于一些较复杂的自然现象和过程,根据已经掌握的事实材料,首先建立一个适当的模型来加以描述,它既是人们认识自然的一种重要方式,也是理论思维发展的重要方式。科学史上有不少例子,说明在科学发展过程中,往往是先提出正确的模型,在此基础上,摸索正确的事物发展规律并建立较完整的理论体系。

例如,在天体运动上,开普勒在第谷观测的基础上,进一步提出自己的太阳系模型。这个模型指出,行星的运动轨迹是以太阳为一个焦点做椭圆运动。根据这个模型,开普勒总结出了行星运动的3条基本定律。另外,经典电磁理论的建立、相对论和现代量子理论的提出、基本粒子物理学和理论化学的发展等,都运用了各种相应的模型,一步一步取得进展的。

我开始研究电子光学时,要解决的是大物面、宽电子束成像的电子光学问题。前人的研究中关于宽束电子光学成像系统的像差以及由细束向宽束过渡时存在歧离甚至错误,且不少问题的答案是模糊的。我考虑再三,选择了静电两电极同心球系统这一理想模型作为突破口。我当时深切地感到,如果把这个理想模型研究透彻了,许多问题便迎刃而解了。这是因为,由静电阴极透镜的理想模型——两电极同心球系统——出发,分析并探讨这类系统聚焦成像所包含的具体矛盾,解剖它作为阴极透镜所具有的矛盾的特殊性,从中找出一些对于阴极透镜具有普遍意义和规律性的线索,不但对于研究同心球型像管的电子光学提供理论基础,而且由于理想模型成像的矛盾的特殊性中正包含静电阴极透镜宽电子束成像的矛盾的普遍性,故对于进一步研究轴对称宽电子束成像的电子光学系统也具有实际意义。实际上,通过这一理想模型的研究,我弄清了同心球系统中所含的矛盾的特殊性和普遍性。这一模型的变型也成为国际公认的微光夜视第一代像增强器的管型。在此基础上,我把研究扩展到电磁聚焦同心球系统电子光学、移像系统的电子光学、倾斜型系统的电子光学、轴对称宽束电子光学,以及曲轴宽束电子光学的研究上,取得了一系列成果。因此,可以这样说,我在科学研究之初,主要得益于模型法。

由此可见,模型法是科学研究中的一种十分重要的研究方法。它不仅在科学发展的转折关头,以及形成正确理论的过程中起着重要的作用,而且在具体的课题研究中,无论对于事物本质的理解、未知规律的探索,以及正确理论的形成,都扮演着重要的角色。因此,在应用研究中,往往需要进行小规模的模型实验、模拟实验、原理样机试制等。在基础研究中,可针对自己的研究对象,提出形象化的结构模型、运动模型、原理模型等。尤其是在理论发展比较深入的各个学科,为了逻辑推理并建立更为完善的理论体系的需要,或者为了更为准确的定量描述的需要,在研究工作中,经常以数学描述的形式提出理论模型。在许多情况下,这是一种行之有效的研究方法。