武际可教授：谈谈实验和观察

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　　实验和观察是科学方法的一个重要的方面。从17世纪开始的近代科学革命，就是基于系统的实验和观察开始的。

　　为了比较深入一点了解实验和观察，以及它们在科学方法中的地位，我们需要把话说得长一点，先从什么是科学和什么是科学方法开始谈起。

　　通俗说来，科学方法就是摆事实、讲道理两个方面。所谓摆事实，就是这里我们要讲的实验与观察。而讲道理就是严格的逻辑推理，包括演绎推理和归纳推理，还包括数学计算和论证。用科学方法去探索客观规律，以及所得到的规律本身，综合起来，就称为科学。

　　进一步，我们要问，究竟什么是科学所要探索的客观规律呢?一般地说，当我们所研究的对象在条件作变化时，它保持不变的性质，就是我们所要研究的“规律”。特别地说，对于我们力学和物理来说，我们所最关心的客观规律，就是当时间和空间变化时，客观物质及其运动所保持的不变性质。例如，在近地面、在空气阻力可以忽略的条件下抛出物体的运动轨迹是一条抛物线，这个事实，无论是在北京、在罗马、在纽约，今天、明天、还是在一千年以前做实验，而且无论是向什么方向抛出，都是不变的。一句话，这个事实是对时间、空间变化不变的。我们在力学和物理学中研究的内容大致都是满足这个条件的。

　　自然会产生这样的疑问，哲学家告诉我们，世间的一切事物不都是发展变化着的吗，不是说运动是永恒的规律吗。科学既然是研究客观世界的，为什么不是去研究运动和变化，却更关心那些在时空变化中不变的事物呢?不错，科学是要研究客观事物的发展变化。不过，变与不变是任何事物的两个方面，为了认识事物的变化，首先要了解它有那些方面是不变的。

　　比方说，我们研究一个人，他每天每时都在变化，例如身高、体重、一些细胞死掉了，又有一些新生的细胞，每一个瞬时之后，这个人就不完全是前一个人，不过，这个人还是有许多没有变的，例如，他的名字、他的父母、他的出生地、他的指纹等等，幸好有许多方面是没有变的，我们研究和认识他(她)才成为可能。如果这一切每时每刻都在变，我们对她(她)便是不可认识的了。所以，正是为了研究事物的变化，一定，而且首要的事情是把握它的不变的性质。我们才能追踪它，把握它。

　　我们回过头来谈科学方法的两个方面。推理在古时候，一般也称为思辨。思辨和推理发展得比较早。各国在古代都有认识世界的思辨推理的发展，我国在春秋战国时代，有名家、墨家、道家等，通过思辨推理达到新的认识。庄子“一尺之杵，日取其半，万世不竭。”达到朴素的对极限的认识。

　　思辨推理，有它自己的规律，即逻辑学和数学，特别是早期几何学的发展。而逻辑学的发展需要有民主的环境。古希腊由于有古代六七百年的贵族民主政治，所以在世界各地区中，逻辑学的发展独占鳌头。因此关于自然科学的思辨推理也得到了空前丰富的结果。物质的元素说、物质最小单位的原子说、数学上的极限理论的萌芽等，莫不是思辨推理的辉煌成果。

　　由于思辨推理的发展，便形成对一切问题寻根问底的方法和知识门类，这就是哲学。

　　然而，人类的知识毕竟不是单靠思辨推理能够完全积累起来的。单靠思辨推理，有时会把我们引到荒诞不经的地步。如“腐草化萤、腐肉生蛆”、“天堂”、“地狱”、“生死轮回”等等。

　　为此，人们需要把思辨推理所得到的结果与实际发生的情况进行对照，这便是实验与观察。把推理与实验和观察结合起来，这就是近代科学方法的开始。14、15世纪，正是实验作为一种独立的科学认识手段进入认知方法论的领域，这也标志着科学脱离哲学而独立成为认知世界的知识体系。

　　最早的实验只是一种名叫“假想的实验”或称为“思想实验”，实际上还是属于思辨的范围。它是把思辨与推理得到的结果与经验相对照。如16世纪荷兰物理学家斯梯芬(Simon Stevin，1548-1620)假想的搁置于光滑楔形体上的链条实验，得到了不平行的三力平衡条件，从而奠定了静力学的基础。而伽利略最著名的假想实验是他对亚里斯多德关于重物比轻物下落快的驳斥。他想象一块重的石头和一个轻的球，用绳子绑在一起，然后从塔上扔下来。如果球下落得比石头慢，它必然会阻碍石头的正常下落而使它变慢。但另一方面，球和石头一起比单独的石头为重，因而应当下落得比单独石头自己为快。由此推出，只有它们是以相同的速度下落才可能避免这一矛盾。

　　有些自然发生的过程，是无法进行实验模拟的。如天体的运动。人们对自然的观察起源也很早，最古代的天文学知识都是由观察天象积累的。但只靠观察而没有严格的推理，只能够形成“天圆地方”和托勒密“地心说”的基于直观得到的自然界的模型。只有凭借严密的思辨推理，包括数学论证和计算，和已有的观察相结合，才会产生哥白尼“日心说”的新理论。“以太”是一种思辨推理的产物，依靠这种概念，推动了光的波动说的发展，也促进了弹性力学和流体力学的发展。人们曾经设计过许多实验，想测量它的物理常数，不过经过综合各种实验的矛盾和严格推理思辨的结果，终于否定了它的存在。

　　值得指出的是，作为推理一种形式的归纳推理，是在实验和观察充分发达之后总结出来的思辨形式，大约是16、17世纪之后逐渐形成的。

　　人类大量和系统进行科学实验，大致是从英国学者培根(FrancisBacon,1561-1626)开始的。他把实验作为自然科学的基本方法，认为人的感官有一定的局限，容易发生主观和片面的错误，只有深入地进行科学实验，才能弥补感官的缺陷，保证感觉经验的可靠性。培根是一个系统地制定了认知的归纳法的哲学家。他认为，归纳法是认知的最可靠的方法。他把它叫做“新工具”。他在1620年出版了一本书《新工具》。书中他系统论证了归纳法。他在1626年出版的另一本关于自然史的著作《木林集》(Sylva Sylvarum，英文译名A Natural History in Ten Centuries，中文经常译为《十个世纪的自然史》，在后来的版本中，出版商把《新工具》也纳入了其中)，该书的最早版本一共有十章，每章有100个自然段，培根把每个自然段称为一个实验，所以全书一共介绍了1000个实验。从书中所介绍的实验，虽然比较庞杂，分类也不十分严密。但培根毕竟是最早介绍科学方法和实验的重要性并且介绍了许多实验和观察的作者。所以有人称培根为现代“科学实验之父”。

　　实际上，从严格意义上进行科学实验的，应当提到的是两位科学家。一位是意大利的伽利略(Galileo Galilei，1564-1642)，另一位是英国的玻意耳(RobertBoyle ,1627-1691)。严格而精密的现代实验应当是由他们开始的。

　　伽利略在1638年出版的《关于两门新科学的对话》中系统地介绍了他研究物体下落运动的实验和关于梁的强度的实验。并且得到了落体的等加速运动等的结论。这本书是人类历史上对物体运动认真进行实验和理论研究的开始。

　　玻意耳1660年出版了一本书，书名为《关于空气弹簧及其效果的新物理实验》(New experiments physico-mechanicall touching the spring of the airand its effects)，书中介绍了有关空气性质的实验43个，其中包含了他得到的人类历史上第一个关于物性的定律——玻意耳定律。

　　科学实验，是经得起重复、推敲和责难的。值得一提的是对于玻意耳的实验，曾经有一些十分著名的学者(包括当时英国著名哲学家霍布斯)反对，并由此引起一场论战。其实质是反对者认为思辨才是客观真理的标准，并且对实验进行多方指责。论战的结果，一方面帮助玻意耳更加完善了自己的实验，另一方面，以反对者失败而告终。实验最终登上了科学的殿堂。并且真理的最后审判者应当是实验和观察。

　　考察历代著名的实验和观察，其中大部分实验是由著名的科学家一人指导之下完成的，也有一些实验是经过几代人前后继承来完成的，像卡文迪什关于万有引力常数的测量，就是改建前人装置基础上完成的。特别是对于一种现象的观察，绝不是一人之力所能完成的，例如对金属疲劳现象的观察。不管怎样，这些实验和观察所得到的结论是经得起重复检验的。它们已经成为全人类在认知自然中得到的最宝贵的财富。可以毫不夸张地说，这些实验与观察，奠定了现代力学最重要的基础。

　　有价值的实验和观察，是同严密的推理思辨紧密结合的产物。不论是在这些实验之前的计划和设计，还是在实验和观察之后的解释和总结，几乎每一个环节都需要缜密的推理思考。只要这样，才能够得到科学发展中的重要理论和定律。

　　人类最近三、四百年的历史证明，近代科学的所有进展都莫不是思辨推理和观察实验相结合的产物。我们平常说的科学发展中的假设与求证，无非是不断进行思辨推理和观察实验的某些环节。

　　所以爱因斯坦说过：“西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础的，那就是：希腊哲学家发明形式逻辑体系(在欧几里德几何学中)，以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系(在文艺复兴时期。)”爱因斯坦在1953年说的这段话，是很精辟地概括了科学方法的最根本的方面，即思辨推理与观察实验的。

　　值得提到的，在重视观察与实验的同时，从19世纪开始，在哲学上，出现了一种称为“实证主义”或“实证哲学”的流派。他们虽然非常重视观察和实验，在这一点上，对当时的科学发展是有推动作用的，而且起过非常重要的作用。不过，当把观察实验强调到不适当的程度，从而反对合理的思辨推理，事情就会走向反面。到了20世纪初，尽管原子的大小、质量都可以借助实验和推理间接地准确地得到。可是一些实证学者，就是不承认。著名物理学家、哲学家、心理学家马赫就是其中之一，他说：“你究竟看到了它吗?”。这种只有眼见为实的态度，实际上在一定程度上阻碍了科学的发展。在今天，我们借助于实验，并且依靠推理，我们可以认识寿命只有一亿亿分之一秒的基本粒子的存在。在探求极为遥远的天体、极为微小的世界、极为古老的秘密时，我们还是要用思辨推理和观察实验相紧密结合的方法。缺一不可。把其中之一强调到不适当的程度，也是不行的。

　　作者系北京大学力学系退休教授：武际可教授
　　原文：http://blog.sciencenet.cn/blog-39472-757041.html