布朗运动的发现及其所蕴涵的科学本质探析

陈彦芬



布朗运动的发现及其所蕴涵的科学本质探析

陈彦芬

(衡水学院 化工学院，河北 衡水053000)

对于如何在科学教育过程中实现科学本质教育这一目标，研究者提出了多种模式和观点．其中，在科学课程与教学中融合科学史，即HPS教育模式受到人们的重视．布朗运动的发现过程蕴含了丰富的科学本质观教育内容．从布朗运动的发现过程可以看出，要成为在某一领域有重要贡献的科学家，需要奉献、时间以及被相应的科学共同体认可的特殊技术和理论能力；一个科学问题的提出和研究，会受到社会文化和技术水平的影响；科学的本质就是一种探究过程，这种探究过程主要包括观察和提出问题、形成假设、实验求证、得出和交流结论四大基本步骤；科学应当是民主的，这种民主的主要表现之一就是所有的知识主张应当被公平对待，无论这些知识主张的来源如何，即普遍性与公正性标准；科学是不断发展的，布朗运动的发现直至解释经历了布朗的实验观察、古伊的定性研究、爱因斯坦的定量理论模型、贝兰的实验验证等几个阶段．所以，科学具有一种动态的品质，它的一个永恒不变的性质就是变化，就科学的理论内容而言，科学“永远是临时的”．

科学本质；布朗；布朗运动；科学教育

近年来，在国外一些主要的科学教育改革中，将科学本质教育作为科学教育的目标广受关注和强调，并将其作为科学素养的核心成分之一．我国基础教育课程改革中，也对科学本质教育问题有所关注，并在相应的理科课程标准中有所体现．

毋庸置疑，科学教育目标的关键在于落实．对于如何在科学教育过程中实现科学本质教育这一目标，研究者提出了多种模式和观点．其中，在科学课程与教学中融合科学史，即HPS教育模式受到人们的重视．

本文以布朗运动的发现过程这一科学史实作为案例，分析其中所蕴涵的科学本质观，以期对相应的教学有所启示与借鉴．

1 罗伯特·布朗的教育与训练背景

所谓布朗运动，是指在液体或气体中悬浮颗粒的无规则运动．虽然悬浮颗粒的不规则运动在布朗之前早就被一些研究者注意到，但布朗首次强调了这种运动现象的普遍性并反对把它解释为生命现象．因此，这种运动便以他的姓氏命名．

那么，1827年夏天，罗伯特·布朗为什么要研究花粉颗粒在水中的运动呢？现有的教科书中都没有提到这一点．应该说，这并非是一个偶然的发现，布朗不会偶然把昂贵的显微镜与花粉、水和载片装配在一起．要理解布朗当时的观察目的，需要对他的生活和科学文化背景做一些介绍．

罗伯特·布朗1773年出生于苏格兰的蒙德罗斯(Montrose)，在苏格兰长大并接受教育．他曾在阿伯丁和爱丁堡大学学习医学，并成为一名军医．1798年，他遇到博物学者、伦敦科学会的老前辈约瑟夫·班克斯爵士，在班克斯的支持与鼓励下，布朗改变了自己的职业，成为班克斯的科学学徒．1801—1805 年，布朗以博物学者的身份随英国“勘测者”号航行到澳洲和新西兰．1806年成为林纳(Linnaean)协会的图书馆馆长．布朗作为一个植物学家的技能深受班克斯的赏识，帮助班克斯对其收集品进行分类．与此同时，布朗也对自己的收集品进行分类．1810年，布朗成为班克斯的资料收藏管理员，他对植物的性别特点尤感兴趣，在1810—1820年的10年间，他发现并描述了有花植物和无花植物的性别差异，这一工作需要具备操作显微镜的良好技能．

1820年，班克斯去世．布朗负责照管班克斯的房屋、图书馆和植物标本室．1827年，布朗把这一切交给了大英博物馆，前提条件是建立一个植物学部．他随即成为馆长．

从上述背景中不难看出，要成为在某一领域有重要贡献的科学家，需要奉献、时间以及被相应的科学共同体认可的特殊的技术和理论能力．

2 布朗运动的发现过程及其所蕴涵的科学本质

2.1 布朗运动的发现过程体现出一个科学问题的提出和研究，受社会文化和技术水平的影响

布朗为什么在1827年花费几个月的时间来观察花粉？

从布朗的教育与训练背景中可见，作为一个植物学家，布朗长期从事植物的分类学研究，在思考着植物中的性别问题．实际上，当时一些科学家也在思考着性别问题．有些人较为关注的是生命起源问题，也就是说，生命的活力来源于何处？它如何在有生命的机体中传输并展现这种活力？对这一问题的看法，当时比较流行的观点认为生命的活力源于雄性部分，认为活跃、主动是雄性部分的自然特点，而雌性部分则是被动的．

布朗假设，植物中这种生命活力也应当由“活跃的”雄性部分来传输，即通过雄性部分的运动到达雌性部分，使得雌性与雄性相遇或混合以进行再生．

由以上假设布朗做出了实验预测：通过显微镜观察，花粉中的小颗粒应当展现出运动的特点．

不难看出，当时社会文化对性别问题上的看法，影响着布朗对这一研究问题的假设及预测．

另外，布朗的研究也得助于显微镜技术的进步．1824年，消色差双合物镜的成功发明，使得显微镜学家能够更清楚地看到较小的物体．设备的改进极大地促进了布朗的研究方法．也就是说，技术发展使得新科学实验的设计和实施成为可能．

2.2 布朗运动的发现过程体现了科学的本质就是一种探究过程

布朗观察了花粉的颗粒，并确实观察到了不能归因于热气流或水的蒸发作用所导致的花粉颗粒的运动．应当说，布朗并不是第一个注意到这种运动的人，但他是首位在力所能及的条件下深入研究这一运动的人．

出于植物学家的本能，布朗考虑这种运动会不会是有机物的某种活力在起作用？也就是说，这些花粉微粒作为有生命植物的一部分，运动是不是这些微粒的固有本质呢？他研究了死去几天、几十年乃至100年的植物的花粉后发现，在所有情况下，这些花粉都表现出运动的特点．由此，布朗推断“运动是植物的雄性部分的固有本质”这一假设是合理的．

既然假设得到了证实，那么雄性部分的运动是否可以作为区分植物的不同部分以确定其性别的标准？带着这一问题，他选择了一些有疑问的苔类作为观察的对象．

首先，他选择了他认为是雄性的部分进行观察，假设又得到了证实——他观察到了这些微粒的运动．然后，他又观察了被认为是雌性部分的颗粒，他也发现了这些颗粒的运动特质．布朗继而捣碎一些树叶，放在载片上观察，结果也发现了树叶颗粒的运动．也就是说，植物所有部分的颗粒都表现出运动的特点！观察所得的结果，使布朗失去了对其原有假设的信心，但是他又认为，他的观察结果支持当时的植物和活力论中通行的另一种假设：所有有机体的所有部分会包含基本的小“分子”，并具有生命力．

观察的结果否定了布朗原有的假设，因此他放弃了原有的假设．

既然运动不能用来区分植物的性别部分或植物的生或死，那么用于实验观察的小颗粒所表现出来的运动特质，是不是因为这些小颗粒都来源于有机体？带着这一问题，他又尝试了一系列植物尤其是树脂胶，并发现了这些植物中小颗粒的运动．他也观察了来自动物组织的小颗粒，他发现，无论动物的死活，都能观察到取自于这些动物的小颗粒的运动．

从这一过程可以看出，布朗进行的是一项以实验结果为导向或启发的探究活动．在这一探究活动中，每一个实验结果又导致了相应的新实验．这一过程建立在他对实验技术的信心之上．

受好奇心的驱使，布朗也观察了植物的化石残余物．他发现，只要这些颗粒足够小，就能够观察到这些小颗粒的运动．他还注意到伦敦煤烟全部包含了这些“分子”．布朗还探究了石化的木头，其中的碳完全被硅酸盐替代，在这一无机物材料中，只要颗粒足够小，也可以观察到这些颗粒的运动．由此，布朗得出推论：运动的“分子”不仅仅局限于有机体，也不局限于它们的产物．

原有的假设被证伪了，布朗力图证实上述的推论．他尝试了玻璃、金属、火成岩石、沉积性岩石，他甚至观察了斯芬克司的碎片和鳕鱼眼上的颗粒！他发现，任何物体，只要能变成足够小的颗粒，就能观察到这种运动．

虽然他无法对其实验结果进行解释，但他坚信，这些实验结果已表明，运动是所有物质的特点．

布朗并未声明他证伪了活力论，他只是认为活力论不能为其观察结果提供解释．

1828年，布朗将他的实验结果写成论文，并在苏格兰、德国和法国的一些刊物上发表．文章发表之前，布朗将实验结果公布给了他所知道的有名的科学家．这确保了布朗对其实验结果所拥有的优先权．因为至少在皇家学会形成时期，对科学家来说这是一个共同的惯例，在科学领域中流行着优先权．也就是说，作为一个科学研究家，最新的研究结果代表着他的水平．如果作为第二个人去发现了某个事物，则不会享有声誉，在某一领域也得不到认可．布朗不是第一位发现这种运动的人，但他肯定是第一个对这种运动进行如此详细研究的人，并且发现只要颗粒足够小，不管它来自于什么物体，这一运动都会存在．

布朗的文章在当时被广泛地进行了阅读．其中，实验结果所暗示的无机物具有自我活力的结论遭到了反对．反对者认为，布朗所观察到的运动应当归因于表面效应、气流的对流、微粒之间的电吸引与排斥．有些科学家甚至怀疑他的推测或实验技能．许多人甚至认为，布朗在做实验之前就已经断言了这些颗粒是运动的．

分析上述过程可以看出，布朗运动的发现过程体现了科学的本质就是一种探究过程．尽管在对科学探究环节的具体划分上目前还存在一定的差异，但总体而言，研究者们对科学探究基本框架的认识是基本一致的．即这种探究过程主要包括观察和提出问题、形成假设、实验求证、得出和交流结论四大基本步骤．布朗运动的发现过程正体现了这一基本框架．

布朗在观察和提出问题、形成假设的基础上，做了一系列的实验对其假设进行验证．他没有只依赖新的显微镜头，而是注意使他的大部分实验使用比较普通的单镜头，以便其他人也能重复这一实验．这也就保证了科学实验的可重复性原则，意味着他的实验结果不能仅仅归因于由新镜头产生的未知偏差．通过实验，他证伪了自己原有的假设．

分析这一过程，我们也可以看出证实与证伪在科学发展中的作用．科学研究采用实证的方法，虽然用到逻辑论证，但理论是否正确最终仍要由观察实验来验证．合理地解释了已有现象的观点只能是假说，只有被后来的发现多次证实的假说才叫做理论．即使是理论，也要接受新证据的考验．实证，不单是指证实，更重要的是证伪．对于任何理论来说，多少个正例也无法保证今后不会出现反例，因此，理论是不能完全被证实的；但只要有一个反例存在，并且能够通过观察实验来验证它确实存在，就可以证伪一个理论．也就是说，证实作为产生可靠知识的一种方法，无论从逻辑论证的角度去证实还是以观察或实验作为基础，都不是有效的．比如，考虑布朗所调查的花粉的范围．他并未对花粉做穷尽的实验观察，实际上，对所有已知花粉做实验来研究这一运动也是不可能的．并且，在某些地方可能还存在某种未知的花粉，这种花粉也可能不会表现出运动的特质，考虑到这种假设的合理性，也就更好理解证实与证伪在科学发展中的作用．

因此，在一些情况下，一个科学家不得不声明，依据某些标准已对足够的事实进行了调查．但是，这些标准并不是客观的，因为这些标准并非源自某一领域的专家之外，而是由这一领域的成员所决定，因而是相互主观的．

2.3 布朗运动的发现过程所折射的布朗对批评意见的态度

布朗的批评者们对他的研究结果提出了强烈的反对意见，并且对实验结果给出了其他的解释．布朗注意到了这些反对意见和解释．

1829年，第一篇文章发表后一年，布朗又发表了题为“再论运动的分子”的论文．在这篇论文中，他重述了他的原始探究所基于的假设，并再次声称，他无法解释观察的结果．

布朗没有否定活力论的观点，但他在文章中暗示活力论需要其他现象的支持．活力论是布朗所处年代许多人持有的观点，可能布朗本人也持有这一观点．只拿这一个实验作为否定活力论的证据，他认为是不够的．

他在文章中陈述道，他重复做了之前的实验，并且发现所有足够小微粒所具有的运动特质，并表明，这些实验无论用新的(消色差的)或旧的显微镜来做，所得结论是一致的．他陈述了其他科学家所提出的对这一运动的某些解释，但他认为，这些观点要么太荒谬，要么就是否定他作为显微镜学家的技能．基于这样的原因，他直接拒绝考虑这些观点．

布朗认为只有两种解释是值得考虑的：一是微粒的运动是由于微粒之间的吸引力或排斥力所致；二是微粒的运动是由于承载微粒的水滴的蒸发所致．布朗在文章中陈述了他所设计的两个实验及实验结果．首先，取一些含有小颗粒的水，并把它在与水具有基本相近密度的杏仁油中摇匀．以这种方式，就形成了在油中悬浮的小水滴，而水滴中悬浮着“活跃的分子”．实际上，一些水滴很小以至于只包含着一个“活跃的分子”．

布朗观察到两个现象：首先，水滴在油中不能蒸发而微粒的运动仍持续；第二，在那些小到只包含一个小颗粒的水滴中，仍能看到这个小颗粒的运动．

布朗认为，第一个现象预示小颗粒的运动与蒸发无关，第二个现象表明运动不是由于颗粒间的相互作用所致．

布朗设计的第二个实验是观察表面效应是不是小颗粒运动的原因．这次他向杏仁油中滴加了其中悬浮有小颗粒的水滴，将其摇匀以使水中既含有小颗粒又含有小油滴．

他观察到水表面的小油滴没有动，而那些在水中的小油滴表现出和临近“活跃分子”相似的运动．

布朗设计了两个简单但很有创造性的实验，证伪了反对者对这一运动所做的解释．

我们知道，科学应当是民主的．这种民主的主要表现之一就是所有的知识主张应当被公平对待，无论这些知识主张的来源如何．即普遍性与公正性标准．但是，从上述过程我们看到，布朗好像没有遵守这样的标准．他遵循的是完全忠于和偏爱一种理论的标准．反对意见是否被接受或考虑，要取决于布朗依照与自己观点的比较，或对其提出者的科学能力做出评判．所以，在布朗那里，不是所有的观点都具有相同的价值，并且不是所有的提议都能够或应当接受实验的检验，这要取决于由谁提出以及他的科学研究背景如何．

2.4 布朗运动的发现过程体现了科学的发展性本质

布朗对批评的意见做了成功的反驳，但没能对所观察到的运动提供解释．布朗的第二篇文章不像他的第一篇文章那样被广泛地阅读．当时在植物学领域，活跃分子这一问题也并非是一个主流研究问题，所以布朗没有继续对这一问题进行研究．他在花的分类方面还有许多工作可做．1831年，布朗通过清楚地描述植物细胞的结构，加强了他在植物学领域的声望．布朗是第一个给细胞核命名的人．“核”的名称和概念在20世纪也被物理学家用来描述原子的结构．

由于没人注意到布朗的第二篇文章，在之后的许多年中，很多人重复着布朗所做的工作．

从1880年开始，对布朗运动比较一致的看法是，它与一些对热力学的解释有关，但是却没人提出任何检验这些理论观点的方式．

1888年，法国科学家古伊，通过对文献的回顾并设计新的实验，确定了以下知识：

布朗运动与电场、磁场、光的强度和振动无关；

运动的速度依赖液体的温度(可以是任何液体，不只是水)和粘性以及布朗颗粒的大小．

古伊也指出，想要测量布朗颗粒运动速度的想法可能是不恰当的，因为这些颗粒是不连续的并且变化太频繁．

19世纪末20世纪初，原子是否真实存在广受争论．法国物理化学家贝兰也参与了这场争论．他是一个对原子假设及其伴随的动力学理论的热心支持者，他一生主要的一部分工作是专注于寻找原子真实存在的证据．

他的工作使得他与布朗运动密切接触．并且，对有关胶体中漫射现象的博士论文的指导(这一论文1904年完成)，启发了他研究与原子真实性相关的研究课题的观点．

作为物理化学家，贝兰对范霍夫在渗透作用上的研究工作较为熟悉，范霍夫的研究表明，分子的稀溶液表现出遵守气体定律．贝兰推测如果气体定律对假定的溶质微粒适用，如果他信奉的动力学理论是正确的，那么，布朗颗粒的乳浊液也应遵守动力学理论的预测结果．特别是根据气体指数定律，它们应当在溶液中呈等温分布．如果是这样，他推理布朗颗粒应遵守动力学理论．这一论点的下一步是如果对肉眼可见的微粒是这样，那么肉眼看不到的微粒确当遵守同样的规律，如果这一论点是可以被认可的，那么任何大小的任何微粒的运动都由动力学理论所支配．换句话说，通过观察可见微粒遵守动力学理论，我们可以由此推测假定的不可见微粒遵守同样的规律．这不只为范霍夫的工作提供了真实的解释，而且也支持原子真实存在的观点．

贝兰了解古伊的工作，自然对研究布朗运动这一现象的相关和无关因素有着清楚的概念．

贝兰设计实验测定了阿伏加德罗数值．他的测定结果在6.5×1023~ 7.2×1023之间，他认为这一结果与通过动力学理论预测的数值(6.2×1023)足够接近，可以表明布朗运动的起因是动力学理论．

贝兰在1908年发表了他的结果，他大约从1905年开始这项研究．这一年，爱因斯坦发表了3篇文章，一篇是关于狭义相对论，一篇是关于光波量子化，第三篇称为“关于由分子热动力学理论所决定的悬浮在静止液体中的小颗粒的运动”．

在后来的回忆中，爱因斯坦说道，他的主要目的是提供一种理论，这种理论可以导致证实原子真实存在的实验预测．他也坦言，他没注意到布朗的工作．

贝兰立刻意识到爱因斯坦文章的重要意义，他拥有检验这些观点的仪器并且具有相应的技能，他和他的博士生在1909、1910和1911年持续发表了他们的实验结果，并在法国以及欧洲其他地方从事了许多关于布朗运动和分子真实存在的口头演讲．贝兰的丰富而彻底的研究文章，除此之外还有他的名为《原子》的书迅速传播开来．同时进行的关于放射性、阴极射线、黑体辐射以及胶体溶液对光的散射的实验与理论工作，都是原子论者反驳其反对者的证据的一部分．

1926年，在布朗所做的最初实验99年之后，贝兰作为物理化学家因其在布朗运动上所做的实验获得了诺贝尔奖．

从上述过程我们可以看出，科学的核心是探究，科学通过探究而不断发展．布朗运动的发现直至对这一现象的解释经历了布朗的实验观察、古伊的定性研究、爱因斯坦的定量理论模型、贝兰的实验验证等几个阶段．所以，科学具有一种动态的品质，它的一个永恒不变的性质就是变化，就科学的理论内容而不是就其精神价值而言，科学“永远是临时的”．

Discovery of Brownian Motion and Its Nature of Science

CHEN Yan-fen

(College of Chemical Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

There are many views about how to realize the objective of education of the nature of science. HPS model is paid great attention. The process of the discovery of Brownian Motion implied many views of the nature of science. That is, to become a scientist who is recognized as a significant contributor to any field requires dedication, time, and particular technical and theoretical competences recognized by the peer group. Science is a social activity and that the creation of scientific theories and the acceptance of procedures and results is also a matter of social negotiation. Science is an inquiry process which mainly includes observing and raising questions, hypothesizing, verifying with experiments, giving results and communicating. Science is democratic and all knowledge claims should be treated equally, independent of their source, adhering to the norms of universalism and impartiality. Science is in continuous evolution, and the discovery of Brownian Motion experienced Brown’s experimental observation, Gouy’s qualitative research, Einstein’s quantitive theoretical model and Perrin’s experiments. Science has a dynamic nature and change is its invariability. As for the theoretical contents, science is always “temporary”.

nature of science;Brown; Brownian Motion;science education

(责任编校：李建明 英文校对：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.027

G642

A

1673-2065(2015)01-0097-05

2014-09-25

陈彦芬(1965-)，女，河北冀州人，衡水学院化工学院教授，教育学硕士.