教育技术装备内知识系统的建构和发展（续四）

新乔 赵晓宁 任熙俊

（接上期）

6 实验、实验方法及实证主义

17世纪关于方法的大多数著述都与证实问题相关。波义耳曾说：“它（实验方法）使一个熟练的博物学家能够根据未来现象与它相一致或不相一致来预言这些现象;尤其是像那些易于设计出来用以检验它的实验事件，以及那些应该或不应该随之发生的事物。”他的短短陈述说明了将科学的实验方法从逻辑中区分开来的研究活动的一系列典型特征，包括一个个精彩假设。[2]123

真空实验的验证  亚里士多德认为真空即没有任何物质存在的空间是不可思议的，自然中不可能存在真空。这一观点受到布莱兹·帕斯卡、奥托·冯·盖吕克和其他对气体力学发展作出过贡献的人的挑战，他们证明地球大气产生压力，制造了能从小容器中吸净空气的泵，研究了在他们的实验室中制造的真空。同时，他们中的有些人想了解真空是否可以维持生命或传递光线和声音，另一些人考虑它可能产生的实际用途。德尼·帕潘（1647—1712）即是后者之一。这位法国科学家用蒸汽、抽空的汽缸和活塞进行了最早的一些实验。[10]101

1643年，伽利略的学生托里拆利与伽利略的另一个更加年轻的学生维维安尼一起在佛罗伦萨做了著名的“托里拆利实验”：将水银注满一根四英尺长的一端封闭的玻璃管，用手堵住玻璃管开口的一端，然后将玻璃管倒立后的开口端浸入水银盘中再松开手，此时可以观察到玻璃管中的水银柱高度在下降，当下降到约30英寸（760 mm）时，水银柱停止下降。这个简单的实验说明了两点：一是真空的存在，玻璃管中760 mm以上的部分就是真空，托里拆利第一次制造了真空，推翻亚里士多德的观点;二是证明了大气压力的存在，玻璃管中的水银柱之所以只能降到760 mm而不再继续下降，是因为大气压力的存在，托住水银柱达到平衡。

托里拆利还注意到每天水银柱高度略有变化，是因为每日空气的重量略有变化，这实际上使水银柱成为一个气压计。数百万年来人类一直生活在大气之中，但是并没有感受到它的存在。托里拆利实验之后，人类才能正确解释活塞抽水机为什么最高只能把水升到33英尺高。

托里拆利实验辗转传到科学家帕斯卡（1623—1662）那里，促使帕斯卡深入思考真空问题，他相信：“真空在自然界不是不可能的，自然界不是像许多人想象那样以如此巨大的厌恶来避开真空。”帕斯卡用红葡萄酒重复了托里拆利的实验。由于酒比水银比重小，他使用了一根46英尺长的玻璃管，结果得到一段真空。帕斯卡不满足于此，进一步想到如果水银柱真的是被空气压力顶住的，那么在海拔较高的地方，水银柱高度应该有变化。他本人身体较差，不能爬山，于是委托内兄带着两个水银气压计登上当地的多姆山做实验。果然，在一英里高处，水银柱下降了三英寸。帕斯卡将这个实验重复了五次，进一步支持了托里拆利关于大气压力的观点。[11]

18世纪，荷兰科学家帕潘用新的方式进行真空实验。他填装了少量的火药，通过火药爆炸使一个装了活塞和阀门的直立汽缸中的空气被逼出。爆炸的火药并非是想要驱动活塞，而是想使汽缸中的空气排尽，这样一来，活塞顶端大气压力的重量将使其向下，移向部分真空的空间。火药爆炸后遗留的气状物，使帕潘的汽缸不能产生任何接近理想真空的东西。[10]101

因此，他用蒸汽在他的设备中实验。他将少量的水注入汽缸的底部，然后用手把活塞往下压，直到它抵上这种液体的表面。当帕潘将火贴近外壳很薄的汽缸烧时，水被加热后转化为蒸汽，蒸汽的膨胀力推动活塞缓缓上移。这种活塞被微微上举的运动证明是不大重要的运动，一旦活塞到达运动的最顶端就停止不动了;火焰被移开，汽缸冷却，蒸汽凝结，这样在活塞下就是真空，而在活塞上面有大气的压力。活塞被释放后，它就随着一股强大的作用力向下冲，帕潘能测量这个冲力的强度，发现了常压蒸汽机的主要原理。他认识到：认为汽缸和活塞的大小适当，就可能靠它们做有用功。他发表论文描述这些实验，提出大气的力量可以用来从深井里提起水和矿物、推动枪弹、不用帆便推进船只。[10]101-102

牛顿力学实证实验  在经典力学体系中，时间和空间的量度是绝对不变的，正如牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写的：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而且永远是相同的和不动的。”但随着实验科学的发展，一些由绝对时空观解释不了的事实出现了，比如电磁波、光的传播和快速的电子运动等，都不遵循牛顿的力学定律。[6]

为了检验以太存在的假说，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷做了以太的飘移实验，利用光的干涉效应，观察干涉条纹的移动，试图探测地球相对于以太运动的速度，寻找以太绝对静止坐标系。虽然实验本身达到很高的精确度，但是并未观察到干涉条纹的移动。这个实验被许多人所重复，结果都相同。实验的“零”结果否定了以太风的存在。很显然，新的发现与古典理论发生矛盾，迫使人们重新考虑、大胆怀疑绝对时空观的正确性。[6]

新的实验表明，牛顿力学的致命弱点，就是把时空和物质运动割裂开来，忽视了它们之间的内在联系，因而当物体运动接近光速时，牛顿理论的终极真理性被否定了，表明一种新的更为普遍性的理论的产生已不可避免。[6]

3 系统化实证主义

系統化实证主义观点的创造者奥古斯特·孔德在1830年发表声明：“只有关于事实的知识才是有益的;确实性最终是由实验科学实现的;理智，不管是在哲学上还是在科学上，只有始终与经历相联，才能避免一味地咬文嚼字乃至错误，同时还要避免（由于经验）对每一个获得优先权的事物统统予以抛弃;最后，不但‘事物本质的领域无法进入，我们的思想可以到达的也只能是各种关系以及规律。”[5]170

19世纪著名的生理学家贝尔纳是最坚定的科学实证主义者。贝尔纳从来没有忘记，已确定的事实——实证的事实——必须成为生理学中任何推论的基础。当然，他的观点正像他所激烈断言的那样，极好地与他在生理学实验室的实际工作相符合。贝尔纳认为，实验者的首要任务是去发现，然后去操纵“导致各种现象产生的条件”，这些操纵变化得越多、设计得越仔细，人们对现象的了解、对现象之间和现象与用于研究的工具之间重要的相互关系的了解就越多。贝尔纳的主动生理学使人们越来越多地意识到各种功能之间的关系，并且可能不用去考虑事实上难以接近的“生命的原理”。[5]170

作为一名实验生理学家，他应当强调对所有影响生物体的条件进行控制，在记录数据时应当要求合理的、但不过分的精确性。简单地说，他应当控制住实验的进展，并确定“事实和想法之间、现象与其条件之间的纽带是什么”。因此，贝尔纳的注意力集中在方法问题上，“不管实验者可能采取怎样的实验步骤，他针对的都是现象以及决定它们的条件，而不是生命的本质或生命的最终原因”。[5]171

7 思想实验是实验的重要形式

思想实验的典型例证是伽利略的力学与实验。思想实验是实验的一种特殊形式，一种思维方式，也与仪器使用者的思维模式有很大关系。也就是说科学取决于从事科学活动的人、支持他们的机构、他们用的仪器、他们观察的现象，而最为重要的则是他们的思维模式。更广泛地说，只要有人从事科学的思维和进行科学的活动，包括科学教育，上述论点总是正确的。[8]5

物理学家的倾向是：最好能看到事实与理论相符合。他们从假设出发进行工作，这些假设很可能是根据当时科学领域内的最新发展提出来的，并希望它们能够被实验和观测肯定，理想的情况是理论的发展与实验或观察的结果不断地相互影响。這一过程的步伐速度差别可能很大，当步伐迅速，理论不断地将最新实验观察的结果考虑在内时，就会极大地激励科学上的发现。实验仪器必须变得越来越精密，并且不断地创新，因为，此时实验中测量和计数的准确性尤为重要。[8]10-11

不能否认思想实验是实验的重要形式。任何一个学科领域的中心思想都是由对客观事物的解释构成的，应强调的是，它们很有可能是错误的，关键在于思考，没有思考就没有科学。从这个意义上说，猜想和质疑同样是科学的重要动力，因而不能忽略思想实验的作用。[8]6

伽利略的力学很多只能是思想实验，数学是基本的工具和方法，概念是组成思维的码流。换言之，实验只能在想象中完成，也只有在想象中才是可能的。没有基本的工具和方法以及概念，不仅思维无法进行，而且无法完整表述与交流，尽管有时概念并不完善。

恒星视差与开普勒版本的日心说天文学，作为一个几何假设，它的优点是显而易见的，但一个具有正常智力的人是否有理由相信它是真实的宇宙系统呢？撇开它的几何简单性，没有什么理由赞同它。确实，望远镜已被发明，在1609年伽利略就已经用它来观察天空，已经观察到一些有助于支持日心说体系的东西，但是几乎所有这些东西仅仅只是强化了在其他地方已经得到的证据。或许，木星的卫星另有一种含义。在卫星被发现以前，月亮这颗围绕着一颗行星运行的“行星”，已被认为是日心说系统的一个不能解释的反常物体。在日心说系统中，金星可运行到太阳的背后并且几乎能完全看到。然而，另一件远在哥白尼革命时就受到关注并且无法用望远镜揭示的事实，就是最令人困惑的望远镜观察——望远镜不能揭示恒星视差。[2]11

关于恒星视差理论有托勒密体系和哥白尼体系。在托勒密体系中，金星总是或多或少地显示月牙形;在哥白尼体系中，当它在太阳背面通过时，金星几乎能完整地显示，并且它的大小极大地变化。从哥白尼系统诞生的那一刻起，恒星视差的关键性关联已经是显而易见了，如果地球在一个巨大的轨道上围绕太阳运行，那么固定恒星的位置应随着观察者从轨道的一端到另一端的移动而改变。如图6所示，如果地球事实上是围绕太阳运行，从固定的恒星观察的两个角α应该是不同的。[2]12-13

但正如上述所言，恒星视差在裸眼中没有得到显示，通过望远镜也不能显示恒星视差。固定的恒星离得是如此的遥远，伽利略的望远镜无法分辨这种视差，于是恒星视差的隐而不现至少能抵消由金星的各种状态所提供的肯定性证据。对哥白尼—开普勒系统的论辩，是基于几何的和谐和简单性的证据来进行的。由于注重简单性而非别的东西，要求人们推翻这样一个宇宙概念，即一个囊括自然界的物理学的、哲学的、心理学的和宗教的种种问题的宇宙概念，或许这是一种绝非几何这样一种简单的工具所能承受的重负。[2]13-14

关于惯性及概念  简单地说，对哥白尼天文学提出的问题的解答和新力学的基础是惯性的概念：一个运动着的物体保持匀速运动，直到某种外部作用改变它为止。在回答落球问题时，伽利略说：“同地球保持一致是这个球作为地球上的物体无法摆脱且不可分离地参与了的基本的、永恒的运动，物体凭其本性具有这种运动并且将永远拥有这种运动。”当球从塔上下落到地球上时，由于没有原因促使球自西向东的运动停止，因此，它与塔保持一致。[2]16

在萨尔维阿蒂同辛普利丘的苏格拉底式的一次交流中，萨尔维阿蒂（伽利略为哥白尼体系作辩护的著作《关于两大世界体系的对话》中的人物，为伽利略的代言人）问：假如一个球被放置在一个倾斜的平面上，将会发生什么？它将以恒定地增加的速度滚下平面、它能在平面上向上滚动吗？不能，除非它被给予一个初始的原动力，然后才能朝上作减速运动。假如它被放置在一个水平面上，并且在某一方向上给一个推力，那将会发生什么呢？辛普利丘同意，如没有加速或减速的原因，那么球将随着表面的延伸而不断运动下去。“然而假如这样的一个表面是无界的，那么其上的这种运动同样也是无界的吗？也就是说，它是永恒的吗？在我看来似乎是这样。”这个最固执的亚里士多德主义者这样回答。按照笛卡尔后来对这个问题的总结，这里是在问一个关于运动的错误问题。他们只问了运动物体为何保持运动的问题，而恰当的问题应该是：究竟是什么原因引起运动停止。[2]16

这里伽利略没有使用今天的、形式精确的“惯性”（inertia）这个词。没有人能完全地摆脱过去，即使是伽利略这样的巨人也不例外。在形成一个新的运动概念的过程中，他受到旧宇宙论因素的束缚。他的宇宙（universe）不是一个不受个人情感影响的机械论定律和处于运动中的物质的宇宙;相反，它是一个由无限的智慧组织起来的宇宙。正因为是这样，宇宙就不可避免地按完美的图形圆来确定其秩序。遵循旧传统，伽利略认为是圆周运动，并且只有圆周运动，才能同一个有序的宇宙相匹配，也只有在一个圆上，一个物体才能距同一点总是保持相同的距离，在其固有位置上永远运动下去;并且只有在圆周运动中，宇宙中的种种物体才能永远保持它们的基本关系。而直线运动意味着无序，从其固有位置上移走了的一个物体须沿着一条直线才能返回原处。既然如此，物体将通过恢复一种固有的圆周运动来保持在其本来的位置上。[2]17

在面临一个旋转着的地球上的运动问题时，伽利略也以類似的方式进行思考，并且提出的惯性概念反映了问题本身在他面前呈现的方式。正如在上面已经看到的，萨尔维阿蒂引导辛普利丘承认，在一个水平面上滚动的球，在没有任何原因使其加速或减速时将永远继续滚动下去，这是什么样的水平面呢？当然它是处处都“离中心等距离的”平面。惯性运动被构想为匀速圆周运动，即一个物体在一个十分有序的宇宙中在其固有位置上的固有运动。[2]17

所有运动都是相同的  伽利略杰出的成就之一就是证明了一个抛射物的水平运动与朝着地球的匀加速下降复合，结果这个物体沿抛物线轨迹运动，即便是像炮弹运动这样的剧烈运动而言也是如此。伽利略断言，炮弹离开炮口时其弹道即依曲线行进。如果说固有运动的概念在他的思想中始终占有一席之地，那么区分炮弹在离膛时所参与的运动是固有运动还是剧烈运动，就没有什么意义。所有运动，作为运动来说都是相同的。用以解释在转动着的地球上从塔顶下落的球何以落到塔底的推理，也同样可以解释在移动的帆船上球何以会落到桅杆脚下。所有物体的运动甚或是全部运动都是中立的。■[2]19

参考文献

[1]钱兆华，申玉香.人文主义对西方近代科学诞生的影响[J].江苏大学学报：社会科学版，2008（1）：33-36.

[2]韦斯特福尔.剑桥科学史丛书：近代科学的建构：机械论与力学[M].彭万华，译.上海：复旦大学出版社，2000.

[3]波特.剑桥科学史·第四卷：18世纪科学[M].方在庆，主译.郑州：大象出版社，2010.

[4]哈曼.剑桥科学史丛书：19世纪物理学概念的发展[M].龚少明，译.上海：复旦大学出版社，2000.

[5]科尔曼.剑桥科学史丛书：19世纪的生物学和人学[M].严晴燕，译.上海：复旦大学出版社，2000.

[6]牛顿.自然哲学的数学原理[M].曾琼瑶，译.重庆：重庆出版社，2008

[7]启蒙运动：理性精神与科学方法如何影响未来[EB/OL].http：//www.lishiqw.com/news/201710/1373.html.

[8]克拉普.科学简史：从科学仪器的发展看科学的历程[M].朱润生，译.北京：中国青年出版社，2005.

[9]汉金斯.剑桥科学史丛书：科学与启蒙运动[M].任定成，张爱珍，译.上海：复旦大学出版社，2000.

[10]巴萨拉.剑桥科学史丛书：技术发展简史[M].周光发，译.上海：复旦大学出版社，2000.

[11]邹振阳.浅谈如何使初中物理课堂教学生动有趣[J].学周刊，2012（19）：93-93.