教育技术装备发展传统与基石（续三）

2019-05-13新乔赵晓宁任熙俊

中国教育技术装备 2019年21期

新乔赵晓宁任熙俊

（接上期）

5 实验、实践：知识发展的基本途径

生物学：燃烧、呼吸和生命运用实验方法来研究生物体的做法可以追溯到古代。德国机械论（一种在近代科学发展中有着高度影响的自然哲学。在它最早和最简单的阶段，这个理论使自然完全类似于一台机器，甚至基本上就是一部像齿轮或滑轮一样的装置。尽管这一点从某种意义上说确实鼓励了人们把世界当作一个有着内在联系的整体来看待，却证明不适于用以说明活着的有机物及其关系。机械论的一个较为复杂和持久的形式是，它把整个自然都解释成一个在运动中的、完全受制于物理学和化学规律的客观存在的体系。很多哲学家和生态学家认为，这种推理是过分“简化”了，尽管那些被省去的部分经常也难以说得清楚）者中一些较冷静的学者在积极倡导实验的同时，还把实验很好地运用到研究生物材料上去。

在18世纪早期，约翰尼斯·冯·赫尔蒙特做了一个著名的实验：他在仔细称量过的泥土里栽培了一棵柳树，由于只有很少的土被消耗，因此，他断定树增加的质量来自他定时浇入土里的水。1772年，普里斯特利（1733—1804，英国化学家、牧师、教育家）也发现薄荷草可以使它生长于其中的那些空气得到更新，但这实验很难被重复，因为普里斯特利并没有完全认识到光对叶子活动的重要性，他不相信那些附着在玻璃器皿内壁的泡沫似的绿色物质（藻类）也是植物。然而，他确实在1778年从叶子上收集到了一些气泡，发现其中的气体是“脱燃素空气”（氧气）。[12]125

普里斯特利的成功，激励荷兰生理学家简·英根-浩斯（1730—1799）开始研究这一问题。英根-浩斯在他的《论植物实验》（1779年）—书中证明，叶子产生氧气的基本条件是太阳光而不是热。他发现，在黑暗中，叶子逆转了这一过程，释放出少量的“固定空气”（二氧化碳），而在阳光下叶子则产生大量的氧气。他观察到，只有植物的绿色部分产生氧气，并且氧气是从叶子的内面释放出来的。在做实验时，把植物完全放在水里，但仍然有阳光的照射，可观察到氧气气泡出现在叶子的内面。英根-浩斯也发现，必须被放到新鲜泵出的水里时，叶子才能释放出氧气，而在煮沸过的水中则不能。他解释说，这一实验意味着煮沸过的水吸收了从叶子产生的氧气，而泵出的水充满氧气，允许它释放到水的表面。[12]126

为了发现人的胃液与动物的胃液是否相似，他还在自己身上进行实验，吞下各种装了样品的试管和装了样品的袋子，尽管这对自己的食管很危险。在爱丁堡，爱德华·斯蒂文（1755—1834）在狂欢节表演吞石头为生的一个表演者的帮助下，做了很多类似的实验。斯蒂文把实验物放入有孔的银制的球中，让志愿者可以吞下，而后还能吐出来。18世纪的化学状况还没有先进到可以完全分析消化过程，但是这些科学家抛弃了生命力和活力的原则，目的是寻求对消化过程进行直接实验分析，这是非常重要的[12]127。

1740年后，尽管试图创建动物的化学生理学不是很成功，却促使研究化学和生理学的方法发生非常大的转变。生理学家更主要的是强调生命的功能，而不是试图发现生命的结构。[12]127到19世纪中期，现今非常熟悉的实验的方法开始普及，并得到实验者自己的检验。克劳德·伯尔纳在《实验医学导论》（1865年）中对实验医学作了很好的系统描述：实验者首要的任务是要找到与自己感兴趣的问题密切相关的现象，然后明确那些能使这些现象产生或改变的因素——可变条件，并对它们进行研究。合理进行的实验所取得的结果经过整理之后，就可以大胆地用来对身体的各种功能提出概括性的看法。1880年以来，生物学中对实验的兴趣总的来说是持续上升的。实验主义者的工作再加上他们的宣传，很快传遍欧洲和美洲，并给20世纪的生物学留下一个与众不同的标志——实验。[10]13-14

现代生理学家认为，生命依赖于能量有规则的、缓慢的释放，而这种能量则来自对已消化食物的氧化。这种能量为发生在体内的化学反应（包括合成反应）提供了合适的温度，并引起身体的运动、神经的电行为和腺体的分泌活动。这种依赖性通常作为一种因果联系的依赖性的确定，是19世纪呼吸生理学的一个成就。[10]134

古斯塔夫·马格努斯的著名实验，用一个能产生高度真空的汞排空装置以及一些能替换血液中氣体的技术，表明二氧化碳和氧在动脉和静脉系统中都存在，氧的比例在动脉中明显比静脉中高的事实证明，生命的燃烧过程不可能发生在肺部。[10]139

到19世纪70年代初期，血液有呼吸作用的说法仍然受到辩护，这主要以从卡尔·路德维希和他学生的研究工作中反映出来。他们认为（并提出明显能说明问题的实验证据），组织氧化确实是真实的，但要受到血液中化学条件的调控。[10]139

到1850年，一个观察小组开始对隔离材料（通常是肌纤维）的呼吸活动进行实验分析。格奥尔格·利比希（1803—1873）证明，活动的肌肉消耗氧气并产生二氧化碳。如果这两个事件确实是“呼吸作用”的话，那么肌肉可以呼吸，并且与血液没有关系。亥姆霍兹在一系列极出色的研究中，证明在肌肉的收缩过程中伴随有物质的交换（1847）另外，亥姆霍兹检测了肌肉中的热量变化，这对亥姆霍兹关于能量守恒的研究以及对动物能量学更专门的研究来说，都是极其重要的。在肌肉运动的过程中经证明，确实发生化学反应，而这些化学反应转而又与热能的产生有明显的关系。这一关系可以被定量化。[10]139-140

电学：实验的定量化、模型化 1769年，在格拉斯哥，约瑟夫·布莱克的学生约翰·鲁宾逊（1739—1805）用一个排斥地心引力的电斥力平衡装置测量了电荷之间的斥力。他能够说明，电力就像万有引力那样，与荷电物体之间距离的平方成比例地减小。法国军事工程师夏尔·奥古斯丁·库仑（1736—1806）于1785年通过抵抗一根细丝扭力的平衡电力，做出他对电的吸引和排斥的非常著名的测量。他的装置的精密性在实验物理学中建立了一种新的标准。库仑之后，人们倾向于根据任务细致地建造装置，而不是把碰巧躺在实验室周围的什么东西凑起来。[12]73

最成功的量化者是亨利·卡文迪许（1731—1810）。他不仅于1771年测量了电力，还进而对实验误差首次做了仔细分析，发展了测量导体的相对电容和相对电阻率的技巧。他在把自己的身体放得与不同长度的导体平行时感到震摇，通过均衡这种震摇测量了后者。通过这个技巧，他得到一致的结果，误差低于10%。[12]73-74

18世纪的电学家把他们的学科带到一条漫长的路程上。他们提炼了理论，使自己的实验定量化，并且改进了装置。到18世纪末，电的“细微流体”概念发生极大改变：气氛和电以弗的概念一去不复返;电流体仍然被想象为在导体中流动，但是它所施的力不再被理解为物质在空间中的机械作用。当19世纪流电现象持续成倍地增多的时候，甚至电流体的存在都被认为是值得怀疑的。随着电理论的变化，细微流体的本质也发生变化，不过这是一个渐进的过程。说流电的发现创造了一门“新科学”，则是一个错误，定量的电理论的建构在很好地进行着，甚至在伏特建造他的电堆之前，电学家都在试图测量电阻率、电容、电“张力”，以及其他那些通常把它们与流电相联系的量。[12]75

热与温度的测量在所有的细微流体中，热是日常经验最多的部分（可能除了光以外）。在亚里士多德的事物框架中，热就像颜色、气味、粗糙或者潮湿一样，是一种质。质有强烈的高低，但不能测量或者用数目表达;只有长度、重量和时间之类的量才有大小，能测量。中世纪的学者谈论过热度（他们认为有8度），14世纪牛津和巴黎的学者也探究过把热这样的质化为数量的可能性，但只有伽利略在1592年首次建造的温度计才使热的定量研究最终成为可能。伽利略的气体温度计没有固定的标度，因此，它实际上不是测量仪器。膨胀的液体温度计不久就取代了伽利略的气体温度计，到1641年，托斯卡纳大公斐迪南二世建造了一个一头封住了的膨胀液体温度计，这个温度计不受气压或者管中液体蒸汽的影响。[12]75-76

温度计的标度是完全任意的，一些标度只有单个温度，度数是在温度计杆上任意选择一个距离;还有一些标度有两个固定的温度，二者之间的空间被分成若干个度数。安德斯·摄尔修斯于1742年选择水的凝固点和沸点作为固定点，把中间温度划分成100度，创立了摄氏温标。不过，他选择0度表示沸点，100度表示凝固点。按照现在的用法，他把标度弄颠倒了。[12]76

布莱克还测量了把水煮沸成为蒸汽需要的“潜热”。这种测量需要恒定的热源，布莱克起初认为不能得到恒定热源，但在一位制酒者告诉他，在他的炉子状况正常时，他就能够说出一小时之内能够得到的酒量是一品脱之后，布莱克就决定去做这个实验。在一个恒定的火上，他比较了水煮成蒸汽的速率与冷水在同样的火上温度上升的速率，发现煮干给定量的水所需要的热量，会使该水的温度提高华氏810度（如果该水不沸腾），这个数字大约是20%。虽然这个数字太低，但对于布莱克设计的粗糙实验来说就是一个很好的结果了。[12]78-79

如果热是一种实际的物质，而不是一种“不可称量的”，人们就会期待它有重量，而且在整个18世纪做出许多努力去测量它。博尔哈维发现，铁在加热时重量没有变化。然而，布丰却发现，铁在加热时增加了重量，约翰·罗巴克于1755年发现情况正好相反，约翰·怀特赫斯特（1713—1788）于次年确证了罗巴克的结果。他们两人都发现，铁在冷却時重量增加。然而，怀特赫斯特警告说，被称出来的热铁的热也许引起了气流或者天平臂的不均匀膨胀，这也许能说明重量差异。[12]79-81

图5所示为拉瓦锡和拉普拉斯的量热器，该量热器用融冰测量一个物体放出的热[12]80。乔治·福代斯（1736—1802）处理潜热知识时认识到，如果比较水和冰，那么用小的温度差异可以得到大的热差异。他称量了液体时和冻结时的一烧瓶水（两种情况都接近熔点），发现冻结时较重，这与罗巴克和怀特赫斯特的结果一致。1787年，本杰明·汤姆逊（1753—1814）用一架更精密的天平重复了福代斯的实验，并且改变实验去检测由烧瓶上的冷凝和天平臂的不均匀膨胀引起的反常。他的结果发觉热完全没有重量，这使他得出热是一种运动方式而不是一种物质的结论。[12]81

慕尼黑兵工厂的总监朗福德在自己完成的一组更加著名的实验中，注意到镗加农炮时有大量的热产生，在镗具变钝时尤其如此。把镗炮装置封在一个盒子里，他能够用马推动机器时产生的热使水沸腾，而且只要马在动，水就保持沸腾，这似乎表明这是一个无穷的热源。这个实验常常被描述为判决性实验，因为它说明——从现在的观点看——热的机械理论正确，热的流体理论错误。流体理论假定热是被保存着的，这意味着它不能用作无穷的热源。然而，对于20世纪的人们来说，朗福德有说服力的实验似乎说明，历史驳斥了这种主张。流体理论保持着其支持者，因为它可以说明热的传导和保存，说明状态以简单方式发生的变化，使得使用温度计测定热的计量科学成为可能。[12]81-82

当人们探寻一个能适合辐射热的理论时，流体理论就走向终结了。无论是流体理论还是机械理论，解释来自太阳的热都不容易。人们很难相信一种流体从太阳漂流过来的全部距离，或者一种机械运动超越这个距离起作用。19世纪，光的波动理论的复活使人想到一个类似的热的波动理论。按照这个理论，所有的热都是辐射的，甚至热传导也只是热波从一个原子向邻近的原子的辐射。这个错误的理论有效地取代了流体理论，在它享有短暂的统治权后，被机械理论所取代，现在被气体运动理论和更抽象的热力学数学公式所强化。[12]82

细微流体理论在启蒙运动期间使实验物理学的定量化成为可能，并且为占优势的机械论哲学增加了一个较抽象的维度，产生令人惊异的多方面效应。富兰克林的电氛和诺莱的以弗被证明不足以完成说明一切电现象的任务，但是细微流体的主要性质——它的不灭留下来了。热的细微流体理论幸免于朗福德的实验驳斥，因为它简直太有价值，不能抛弃。机械理论没有提供热的守恒或者它从热处流到冷处的模型，在多数情况下，放弃细微流体就意味着放弃能够按照简单方式理解的唯一的模型。细微流体是实验物理学早年的定量化所必需的，但是，随着定量化在19世纪的进步，尤其是新的、更精密仪器的创造，细微流体逐渐让位于更抽象、更数学化的模型。[12]82

光学：折射、波动和微粒说物理学辉格史观（辉格史观一词来自历史学家Herbert Butterfield于1931年的一个演讲。根据Butterfield的观点，辉格史观者相信在历史学中存在演变的逻辑，他们用现在的标准评判过去）把18世纪的光学独断地分为微粒说与波动说。格奥尔格·康托尔曾提出一种三分法：把光视为物质粒子之发射的发射理论;把光视为类似假定中流质的平移运动的流动理论;以及把光视为弥漫在以太中的脉冲的振动运动的振动理论。[8]241

克里斯蒂安·惠更斯提出一个新颖的原理，被称为惠更斯原理，根据这一原理，波前上的各点都是发射子波的波源，这些子波的包络形成新的（有限传播的）波前。惠更斯还运用波动理论的几何学思考方法解释冰洲石呈现出的被称为双折射的奇怪效应。他在一些特殊的实例中得到双折射的规律，并以实验证实了这些实例，但是对他的规律的一般意义上的证实则超出18世纪实验物理学的范围。[8]240-241

介质理论植根于笛卡儿把光视为一束（瞬间传播的）脉冲的观念。介质理论把光视为在弥漫的以太中的一种扰动;粒子说则把光视为粒子，认为这些粒子遵循牛顿力学的规律。光的微粒说起源于牛顿杰出的光学著作，特别是在1704年的《光学》一书中，他在那部作品中用光粒子和力来解释折射和可能的散射现象。[8]241

在19世纪10年代，甚至是在19世纪20年代初期，人们一致公认微粒理论相当成功地解释了光学现象，由此，一场更为剧烈复杂的争论爆发了。在这个时期，尤金·兰克尔已经详细地描述了光的微粒说的优点和成功之处。总的来说，微粒说用来解释偏振及相关现象时更为成功，而波动说则更适合用于解释衍射现象的各个方面。拉普拉斯学派认为偏振现象比衍射现象更为重要，因为他们认为衍射是由于光和物质性实体相互作用而产生的二级现象。在19世纪20年代初期，菲涅耳提出横波的概念，用于解释偏振现象。但是，为了自圆其说，他又不得不接受这样一种前提条件，即以太必须像固体一样具有高度弹性，但这种假设连菲涅耳自己也很难接受。这种弹性的固体以太模型后来被奥古斯丁-路易·柯西（1789—1857）、詹姆斯·麦卡拉（1809—1847）和乔治·格林（1793—1841）进一步完善发挥，不过这种模型会不时地给波动理论家提出许多难以对付的问题。[8]242

参考文献

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