教育技術裝備內知識系統的建構和發展（續四）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

6 實驗、實驗方法及實證主義

17世紀關于方法的大多數著述都與證實問題相關。波義耳曾說：“它（實驗方法）使一個熟練的博物學家能夠根據未來現象與它相一致或不相一致來預言這些現象;尤其是像那些易于設計出來用以檢驗它的實驗事件，以及那些應該或不應該隨之發生的事物。”他的短短陳述說明了將科學的實驗方法從邏輯中區分開來的研究活動的一系列典型特征，包括一個個精彩假設。[2]123

真空實驗的驗證? 亞里士多德認為真空即沒有任何物質存在的空間是不可思議的，自然中不可能存在真空。這一觀點受到布萊茲·帕斯卡、奧托·馮·蓋呂克和其他對氣體力學發展作出過貢獻的人的挑戰，他們證明地球大氣產生壓力，制造了能從小容器中吸凈空氣的泵，研究了在他們的實驗室中制造的真空。同時，他們中的有些人想了解真空是否可以維持生命或傳遞光線和聲音，另一些人考慮它可能產生的實際用途。德尼·帕潘（1647—1712）即是后者之一。這位法國科學家用蒸汽、抽空的汽缸和活塞進行了最早的一些實驗。[10]101

1643年，伽利略的學生托里拆利與伽利略的另一個更加年輕的學生維維安尼一起在佛羅倫薩做了著名的“托里拆利實驗”：將水銀注滿一根四英尺長的一端封閉的玻璃管，用手堵住玻璃管開口的一端，然后將玻璃管倒立后的開口端浸入水銀盤中再松開手，此時可以觀察到玻璃管中的水銀柱高度在下降，當下降到約30英寸（760 mm）時，水銀柱停止下降。這個簡單的實驗說明了兩點：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，推翻亞里士多德的觀點;二是證明了大氣壓力的存在，玻璃管中的水銀柱之所以只能降到760 mm而不再繼續下降，是因為大氣壓力的存在，托住水銀柱達到平衡。

托里拆利還注意到每天水銀柱高度略有變化，是因為每日空氣的重量略有變化，這實際上使水銀柱成為一個氣壓計。數百萬年來人類一直生活在大氣之中，但是并沒有感受到它的存在。托里拆利實驗之后，人類才能正確解釋活塞抽水機為什么最高只能把水升到33英尺高。

托里拆利實驗輾轉傳到科學家帕斯卡（1623—1662）那里，促使帕斯卡深入思考真空問題，他相信：“真空在自然界不是不可能的，自然界不是像許多人想象那樣以如此巨大的厭惡來避開真空?！迸了箍ㄓ眉t葡萄酒重復了托里拆利的實驗。由于酒比水銀比重小，他使用了一根46英尺長的玻璃管，結果得到一段真空。帕斯卡不滿足于此，進一步想到如果水銀柱真的是被空氣壓力頂住的，那么在海拔較高的地方，水銀柱高度應該有變化。他本人身體較差，不能爬山，于是委托內兄帶著兩個水銀氣壓計登上當地的多姆山做實驗。果然，在一英里高處，水銀柱下降了三英寸。帕斯卡將這個實驗重復了五次，進一步支持了托里拆利關于大氣壓力的觀點。[11]

18世紀，荷蘭科學家帕潘用新的方式進行真空實驗。他填裝了少量的火藥，通過火藥爆炸使一個裝了活塞和閥門的直立汽缸中的空氣被逼出。爆炸的火藥并非是想要驅動活塞，而是想使汽缸中的空氣排盡，這樣一來，活塞頂端大氣壓力的重量將使其向下，移向部分真空的空間。火藥爆炸后遺留的氣狀物，使帕潘的汽缸不能產生任何接近理想真空的東西。[10]101

因此，他用蒸汽在他的設備中實驗。他將少量的水注入汽缸的底部，然后用手把活塞往下壓，直到它抵上這種液體的表面。當帕潘將火貼近外殼很薄的汽缸燒時，水被加熱后轉化為蒸汽，蒸汽的膨脹力推動活塞緩緩上移。這種活塞被微微上舉的運動證明是不大重要的運動，一旦活塞到達運動的最頂端就停止不動了;火焰被移開，汽缸冷卻，蒸汽凝結，這樣在活塞下就是真空，而在活塞上面有大氣的壓力?；钊会尫藕?，它就隨著一股強大的作用力向下沖，帕潘能測量這個沖力的強度，發現了常壓蒸汽機的主要原理。他認識到：認為汽缸和活塞的大小適當，就可能靠它們做有用功。他發表論文描述這些實驗，提出大氣的力量可以用來從深井里提起水和礦物、推動槍彈、不用帆便推進船只。[10]101-102

牛頓力學實證實驗? 在經典力學體系中，時間和空間的量度是絕對不變的，正如牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中寫的：“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關而且永遠是相同的和不動的?！钡S著實驗科學的發展，一些由絕對時空觀解釋不了的事實出現了，比如電磁波、光的傳播和快速的電子運動等，都不遵循牛頓的力學定律。[6]

為了檢驗以太存在的假說，1887年，美國物理學家邁克爾遜和莫雷做了以太的飄移實驗，利用光的干涉效應，觀察干涉條紋的移動，試圖探測地球相對于以太運動的速度，尋找以太絕對靜止坐標系。雖然實驗本身達到很高的精確度，但是并未觀察到干涉條紋的移動。這個實驗被許多人所重復，結果都相同。實驗的“零”結果否定了以太風的存在。很顯然，新的發現與古典理論發生矛盾，迫使人們重新考慮、大膽懷疑絕對時空觀的正確性。[6]

新的實驗表明，牛頓力學的致命弱點，就是把時空和物質運動割裂開來，忽視了它們之間的內在聯系，因而當物體運動接近光速時，牛頓理論的終極真理性被否定了，表明一種新的更為普遍性的理論的產生已不可避免。[6]

3 系統化實證主義

系統化實證主義觀點的創造者奧古斯特·孔德在1830年發表聲明：“只有關于事實的知識才是有益的;確實性最終是由實驗科學實現的;理智，不管是在哲學上還是在科學上，只有始終與經歷相聯，才能避免一味地咬文嚼字乃至錯誤，同時還要避免（由于經驗）對每一個獲得優先權的事物統統予以拋棄;最后，不但‘事物本質的領域無法進入，我們的思想可以到達的也只能是各種關系以及規律?！盵5]170

19世紀著名的生理學家貝爾納是最堅定的科學實證主義者。貝爾納從來沒有忘記，已確定的事實——實證的事實——必須成為生理學中任何推論的基礎。當然，他的觀點正像他所激烈斷言的那樣，極好地與他在生理學實驗室的實際工作相符合。貝爾納認為，實驗者的首要任務是去發現，然后去操縱“導致各種現象產生的條件”，這些操縱變化得越多、設計得越仔細，人們對現象的了解、對現象之間和現象與用于研究的工具之間重要的相互關系的了解就越多。貝爾納的主動生理學使人們越來越多地意識到各種功能之間的關系，并且可能不用去考慮事實上難以接近的“生命的原理”。[5]170

作為一名實驗生理學家，他應當強調對所有影響生物體的條件進行控制，在記錄數據時應當要求合理的、但不過分的精確性。簡單地說，他應當控制住實驗的進展，并確定“事實和想法之間、現象與其條件之間的紐帶是什么”。因此，貝爾納的注意力集中在方法問題上，“不管實驗者可能采取怎樣的實驗步驟，他針對的都是現象以及決定它們的條件，而不是生命的本質或生命的最終原因”。[5]171

7 思想實驗是實驗的重要形式

思想實驗的典型例證是伽利略的力學與實驗。思想實驗是實驗的一種特殊形式，一種思維方式，也與儀器使用者的思維模式有很大關系。也就是說科學取決于從事科學活動的人、支持他們的機構、他們用的儀器、他們觀察的現象，而最為重要的則是他們的思維模式。更廣泛地說，只要有人從事科學的思維和進行科學的活動，包括科學教育，上述論點總是正確的。[8]5

物理學家的傾向是：最好能看到事實與理論相符合。他們從假設出發進行工作，這些假設很可能是根據當時科學領域內的最新發展提出來的，并希望它們能夠被實驗和觀測肯定，理想的情況是理論的發展與實驗或觀察的結果不斷地相互影響。這一過程的步伐速度差別可能很大，當步伐迅速，理論不斷地將最新實驗觀察的結果考慮在內時，就會極大地激勵科學上的發現。實驗儀器必須變得越來越精密，并且不斷地創新，因為，此時實驗中測量和計數的準確性尤為重要。[8]10-11

不能否認思想實驗是實驗的重要形式。任何一個學科領域的中心思想都是由對客觀事物的解釋構成的，應強調的是，它們很有可能是錯誤的，關鍵在于思考，沒有思考就沒有科學。從這個意義上說，猜想和質疑同樣是科學的重要動力，因而不能忽略思想實驗的作用。[8]6

伽利略的力學很多只能是思想實驗，數學是基本的工具和方法，概念是組成思維的碼流。換言之，實驗只能在想象中完成，也只有在想象中才是可能的。沒有基本的工具和方法以及概念，不僅思維無法進行，而且無法完整表述與交流，盡管有時概念并不完善。

恒星視差與開普勒版本的日心說天文學，作為一個幾何假設，它的優點是顯而易見的，但一個具有正常智力的人是否有理由相信它是真實的宇宙系統呢？撇開它的幾何簡單性，沒有什么理由贊同它。確實，望遠鏡已被發明，在1609年伽利略就已經用它來觀察天空，已經觀察到一些有助于支持日心說體系的東西，但是幾乎所有這些東西僅僅只是強化了在其他地方已經得到的證據?；蛟S，木星的衛星另有一種含義。在衛星被發現以前，月亮這顆圍繞著一顆行星運行的“行星”，已被認為是日心說系統的一個不能解釋的反常物體。在日心說系統中，金星可運行到太陽的背后并且幾乎能完全看到。然而，另一件遠在哥白尼革命時就受到關注并且無法用望遠鏡揭示的事實，就是最令人困惑的望遠鏡觀察——望遠鏡不能揭示恒星視差。[2]11

關于恒星視差理論有托勒密體系和哥白尼體系。在托勒密體系中，金星總是或多或少地顯示月牙形;在哥白尼體系中，當它在太陽背面通過時，金星幾乎能完整地顯示，并且它的大小極大地變化。從哥白尼系統誕生的那一刻起，恒星視差的關鍵性關聯已經是顯而易見了，如果地球在一個巨大的軌道上圍繞太陽運行，那么固定恒星的位置應隨著觀察者從軌道的一端到另一端的移動而改變。如圖6所示，如果地球事實上是圍繞太陽運行，從固定的恒星觀察的兩個角α應該是不同的。[2]12-13

但正如上述所言，恒星視差在裸眼中沒有得到顯示，通過望遠鏡也不能顯示恒星視差。固定的恒星離得是如此的遙遠，伽利略的望遠鏡無法分辨這種視差，于是恒星視差的隱而不現至少能抵消由金星的各種狀態所提供的肯定性證據。對哥白尼—開普勒系統的論辯，是基于幾何的和諧和簡單性的證據來進行的。由于注重簡單性而非別的東西，要求人們推翻這樣一個宇宙概念，即一個囊括自然界的物理學的、哲學的、心理學的和宗教的種種問題的宇宙概念，或許這是一種絕非幾何這樣一種簡單的工具所能承受的重負。[2]13-14

關于慣性及概念? 簡單地說，對哥白尼天文學提出的問題的解答和新力學的基礎是慣性的概念：一個運動著的物體保持勻速運動，直到某種外部作用改變它為止。在回答落球問題時，伽利略說：“同地球保持一致是這個球作為地球上的物體無法擺脫且不可分離地參與了的基本的、永恒的運動，物體憑其本性具有這種運動并且將永遠擁有這種運動。”當球從塔上下落到地球上時，由于沒有原因促使球自西向東的運動停止，因此，它與塔保持一致。[2]16

在薩爾維阿蒂同辛普利丘的蘇格拉底式的一次交流中，薩爾維阿蒂（伽利略為哥白尼體系作辯護的著作《關于兩大世界體系的對話》中的人物，為伽利略的代言人）問：假如一個球被放置在一個傾斜的平面上，將會發生什么？它將以恒定地增加的速度滾下平面、它能在平面上向上滾動嗎？不能，除非它被給予一個初始的原動力，然后才能朝上作減速運動。假如它被放置在一個水平面上，并且在某一方向上給一個推力，那將會發生什么呢？辛普利丘同意，如沒有加速或減速的原因，那么球將隨著表面的延伸而不斷運動下去。“然而假如這樣的一個表面是無界的，那么其上的這種運動同樣也是無界的嗎？也就是說，它是永恒的嗎？在我看來似乎是這樣?！边@個最固執的亞里士多德主義者這樣回答。按照笛卡爾后來對這個問題的總結，這里是在問一個關于運動的錯誤問題。他們只問了運動物體為何保持運動的問題，而恰當的問題應該是：究竟是什么原因引起運動停止。[2]16

這里伽利略沒有使用今天的、形式精確的“慣性”（inertia）這個詞。沒有人能完全地擺脫過去，即使是伽利略這樣的巨人也不例外。在形成一個新的運動概念的過程中，他受到舊宇宙論因素的束縛。他的宇宙（universe）不是一個不受個人情感影響的機械論定律和處于運動中的物質的宇宙;相反，它是一個由無限的智慧組織起來的宇宙。正因為是這樣，宇宙就不可避免地按完美的圖形圓來確定其秩序。遵循舊傳統，伽利略認為是圓周運動，并且只有圓周運動，才能同一個有序的宇宙相匹配，也只有在一個圓上，一個物體才能距同一點總是保持相同的距離，在其固有位置上永遠運動下去;并且只有在圓周運動中，宇宙中的種種物體才能永遠保持它們的基本關系。而直線運動意味著無序，從其固有位置上移走了的一個物體須沿著一條直線才能返回原處。既然如此，物體將通過恢復一種固有的圓周運動來保持在其本來的位置上。[2]17

在面臨一個旋轉著的地球上的運動問題時，伽利略也以類似的方式進行思考，并且提出的慣性概念反映了問題本身在他面前呈現的方式。正如在上面已經看到的，薩爾維阿蒂引導辛普利丘承認，在一個水平面上滾動的球，在沒有任何原因使其加速或減速時將永遠繼續滾動下去，這是什么樣的水平面呢？當然它是處處都“離中心等距離的”平面。慣性運動被構想為勻速圓周運動，即一個物體在一個十分有序的宇宙中在其固有位置上的固有運動。[2]17

所有運動都是相同的? 伽利略杰出的成就之一就是證明了一個拋射物的水平運動與朝著地球的勻加速下降復合，結果這個物體沿拋物線軌跡運動，即便是像炮彈運動這樣的劇烈運動而言也是如此。伽利略斷言，炮彈離開炮口時其彈道即依曲線行進。如果說固有運動的概念在他的思想中始終占有一席之地，那么區分炮彈在離膛時所參與的運動是固有運動還是劇烈運動，就沒有什么意義。所有運動，作為運動來說都是相同的。用以解釋在轉動著的地球上從塔頂下落的球何以落到塔底的推理，也同樣可以解釋在移動的帆船上球何以會落到桅桿腳下。所有物體的運動甚或是全部運動都是中立的?！鯷2]19

參考文獻

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