眼見為實：作為科學(xué)概念的觀察、觀測以及驗證

吳以義

1610年3月，一本題為《星際信使》的意大利文小冊子引起了相當(dāng)?shù)淖⒁?，從王公貴族到學(xué)者教士，一時議論紛紛。據(jù)封面上的內(nèi)容介紹，小冊子的作者、比薩大學(xué)的數(shù)學(xué)教授伽利略·伽利萊，在最近發(fā)明的天鏡的幫助下，觀察了月球表面，還有圍繞木星旋轉(zhuǎn)的四顆“行星”，以前從未為人知曉。翻開正文，果然是讓人吃驚。伽利略所看見的月亮確實全然不同：

我以更大的清晰程度在月亮表面區(qū)分出較為明亮的和較為陰暗的兩大部分；明亮的部分似乎向整個月面的四面八方延伸，而陰暗的部分則類似于云……對這些斑點的反復(fù)觀察使我確信，月亮表面不是光滑的，勻稱的…… 而是不平整的，粗糙的，到處都是空穴和隆起，并非和地球的表面很不一樣。

這不是人類第一次用望遠(yuǎn)鏡看月亮。早在1609年7月26日，英格蘭人哈瑞特就做過同樣的事，先于伽利略至少4個月，次年又繪制了17張月面圖。他說他看見的月亮“就像荷蘭人的航海手冊里畫的海岸線”；而在滿月的時候，月亮就像是“我的廚師上星期給我做的果醬餅，一邊一條淺色的東西，那邊又是深色的，看上去整個兒是一塌糊涂”。

可是科學(xué)發(fā)現(xiàn)并不是綜藝節(jié)目的搶答比賽，誰先按下按鈕，誰就是贏家。“觀察”作為科學(xué)研究的一個環(huán)節(jié)，必須建立在一整套科學(xué)研究的程式之中。對于望遠(yuǎn)鏡這么一個新鮮玩意兒，任何對新奇事物抱有好奇心的人拿它到處“看看”，也是常情。事實上，很可能，伽利略最初也只是一種好奇的“隨便看看”—— 他最初對于望遠(yuǎn)鏡認(rèn)真的想法，還首先是軍事應(yīng)用。1609年8月，他最初把這個“有用的和重要的發(fā)明”介紹給威尼斯的行政長官時，也只是因為“在海上我們可以在比以前遠(yuǎn)得多的地方發(fā)現(xiàn)敵人的艦船，比他們看見我們早兩三個小時…… 我們可以獲得優(yōu)勢……”。

但是，當(dāng)月面以一種完全出乎他預(yù)料的樣子出現(xiàn)時，伽利略的反應(yīng)就和哈瑞特很不一樣了：他馬上聯(lián)想到了“哲學(xué)”，亞里士多德關(guān)于天體的教導(dǎo)。他立即領(lǐng)悟到，他在這兒看見的，不是一種現(xiàn)象描述上的抵牾，而在很大程度上，是對整個亞氏理論的詰難。反觀哈瑞特，他的聯(lián)想止于“果醬餅”。原來，科學(xué)發(fā)現(xiàn)不僅在于，甚至完全不在于誰先看見了什么，而在于對所見對象的理解和詮釋。伽利略的“隨便看看”很自然地上升為一種哲學(xué)框架中的一個環(huán)節(jié)。他進一步報告說，

在新月以后的第四或第五天，當(dāng)月亮看上去像是一個明亮的犄角時，劃分明亮部分和黑暗部分的界限不是一種規(guī)則的橢圓形[曲線]，不像在理想的球面上[投影]延展的樣子…… 在月相接近上弦月時，在靠近月亮下角的鄰近區(qū)域，有一個大的黑暗的彎形向明亮區(qū)域延伸。

伽利略注意到上弦月的邊緣不是光滑的、類似橢圓的曲線，并由此進一步推論月面是凹凸不平的，則確實把我們對遙遠(yuǎn)的月亮的認(rèn)識大大推進了一步。然而，在1610年的時候，亞氏的天體觀念已是屢受質(zhì)疑，非議亞氏也不見得多么轟動視聽。但他的讀者很快就要看到，還有更加聳人聽聞的。

1610年初，伽利略開始使用一架新的，約20倍的望遠(yuǎn)鏡。很可能是在上次對上弦月觀察的兩三個星期之后，月相的變化使得類似的觀察變得困難，伽利略于是想到了用望遠(yuǎn)鏡來看看其他星體。伽利略報告說：

今年，1610年，1月7日，入夜以后一時，我用望遠(yuǎn)鏡觀看天體時，木星出現(xiàn)在我的視野里。因為我用的是我自己的品質(zhì)極佳的儀器，我察覺到，在這顆行星的旁邊，有三顆小星星—— 以前的儀器[的性能]不足以讓我看見它們，真的很小，但很明亮…… 兩顆在[木星的]東邊，一顆在西邊，最東邊的那顆和西邊的那顆看起來比別的大。我沒有注意它們和木星的距離，因為在開始的時候我以為它們是恒星……

這也難怪。從望遠(yuǎn)鏡看夜空，簡直是布滿了星星，所以伽利略自然會有這一判斷。第二天，

1月8日，我又重新回到這一探究?！烤故鞘裁匆龑?dǎo)我這么做的，我可說不上來。我發(fā)現(xiàn)，[這些小星的]排布和以前很不一樣。三顆小星現(xiàn)在都到了木星的西邊，靠在一起，相互之間的間隔相等……這時，我還沒有把注意力轉(zhuǎn)向[小]星星聚在一起[的問題]，我開始考慮木星怎么會在這些星星的東邊，而就在前一天它還在[其中]兩顆的西邊。我開始疑心木星此時是不是在向東走……

這時，木星正處于逆行狀態(tài)，但是它卻跑到小星星的東邊去了，這就引起了伽利略的巨大興趣。他的第一個猜想是木星不在逆行，而是在向東運動，所以小星星看上去是跑到木星的西邊去了。這是很合理的推想，他當(dāng)然急切地想知道結(jié)果。

第二天，1月9日，陰天，伽利略徒嘆無奈。至此，出于好奇，想利用望遠(yuǎn)鏡“看看”天上有些什么，清楚地轉(zhuǎn)變成為一個對預(yù)期的觀察，其意義在科學(xué)認(rèn)識的發(fā)展上，較之多看見一顆或是兩顆星星，自是不可同日而語。再一天，1月10日，伽利略看見的，木星看起來移動到了一個更西邊的位置：

只有兩顆，都在東邊，而第三顆，我想，一定是藏在木星后面了…… 我知道沒有其他的辦法可以把這種變化歸結(jié)為木星的運動……

他先前假想，天文學(xué)家算錯了，木星已不再逆行而是在向東移動。顯然，觀察表明，不是這種情形。但是這可不是可以想象的，因為木星不可能在一天的時間里從東到西，從西到東地來回擺動，伽利略說，

我的困惑變成了訝異。我確定[我所看見的]視運動不是來自木星而是來自我正在觀測的[小]星星…… 我現(xiàn)在確定，不存在任何問題，在天上有三顆[小]星星在繞木星游走，正如金星和水星環(huán)繞太陽。這一點通過以后類似的觀察變得明明白白，就像展現(xiàn)在大白天的太陽底下一樣。

當(dāng)由困惑而來的驚訝稍稍平息后，伽利略的觀察變得更加精致；在以后的連續(xù)不斷的觀察中，他定量地記錄了觀察的時刻，方位，以及持續(xù)的時間：

2月26日，入夜后一時正中，只有兩顆星星。一顆在東，距木星10’，一顆在西，6’……到了[入夜后]第五個小時，可見第三顆星，除了已經(jīng)留意的兩顆之外，在木星西邊近旁發(fā)現(xiàn)了第三顆，它起初隱于木星背后，而現(xiàn)在大約[距木星]1’。東邊的那一顆顯得比以前離得更遠(yuǎn)，大約離木星11’…… 2月28日[入夜后]一小時，只看見兩顆星，一顆在東，距木星9’，一顆在西，間距2’……

到三月初，伽利略得出了完整的結(jié)論∶

這就是關(guān)于我近日首先發(fā)現(xiàn)的四顆麥迪奇星的觀察……首先，因為它們[木衛(wèi)]有時在木星之前有時在木星之后，而距木星的距離完全相同，不論在木星逆行還是順行的過程中，只在木星的東西兩邊非常有限的距離中，以恒定的方式伴隨其左右。沒有人能懷疑它們在繞木星運行，同時又完成[木星的]以12年為周期的繞宇宙中心的運動。

兩個月以來對木星的研究，從最初的“看看”，到有目的的觀察，到定量的觀測，到理性的分析，到假說，直到驗證，表現(xiàn)為觀察和觀測在科學(xué)認(rèn)識發(fā)展中的典型運用。由此任何人都可以通過伽利略的觀測，相當(dāng)直觀地看到，這些小星星是圍繞木星運動的。對自然的觀察在這兒發(fā)生了革命性的改變：我們對于外部世界的認(rèn)識不再是感官提供的直接影像；而理性對感官提供的信息所做的分析，則更加突出地成了認(rèn)識的一個不可或缺的部分。伽利略總結(jié)說，

我們由此得到了一種美妙而且雄辯的證據(jù)來平息一種疑慮…… 現(xiàn)在我們可以親眼看見，有四顆星星繞木星運行，就像月亮繞地球運行一樣，同時又以12年為周期，劃出巨大的繞日運行的軌道。

美妙而且雄辯。原來，地球，連同作為衛(wèi)星的月球，一同作繞日運動，并不是不可想象的。事實上，“我們可以親眼看見。”這一點的一個最直接的意義是，木衛(wèi)系統(tǒng)排除了“一些人”的疑慮，為日心學(xué)說提供了一個強有力的證據(jù)：木衛(wèi)系統(tǒng)就像是一個縮微版的太陽系，日心圖景于是呈現(xiàn)在“任何一個觀測者”眼前。