新喬 趙曉寧 任熙俊

1 引言

在歐洲中世紀(jì)漫長的近一千年時間里，科學(xué)發(fā)展近乎處于停滯狀態(tài)，之所以如此，其中一個主要原因就是科學(xué)方法上的缺陷。由于宗教神學(xué)和經(jīng)院哲學(xué)一統(tǒng)天下，除了與之相適應(yīng)的那種抽象、空洞、思辨、脫離實(shí)際的煩瑣論證方法外，實(shí)際的觀察實(shí)驗(yàn)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评矸椒◣缀鯖]有得到任何運(yùn)用和發(fā)展。按照今天的眼光看，之所以將達(dá)·芬奇、哥白尼、開普勒、伽利略等稱為近代科學(xué)主要奠基人，一方面是由于他們?nèi)〉昧司哂袆潟r代意義的科學(xué)成就，創(chuàng)立了近代科學(xué);另一方面則是由于他們創(chuàng)立了用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法進(jìn)行科學(xué)研究，從而為更有效地探索自然界奠定了方法論基礎(chǔ)。[1]

實(shí)驗(yàn)方法不像行星運(yùn)動三大定律或折射定律，并不是一個只歸功于17世紀(jì)科學(xué)的特定發(fā)現(xiàn)。然而，只有到了17世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)方法才成為科學(xué)研究的一個被廣泛使用的工具。18世紀(jì)開始逐漸使用“實(shí)驗(yàn)哲學(xué)”觀點(diǎn)來描述—些自然科學(xué)領(lǐng)域[2]123，事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)的發(fā)展是18世紀(jì)自然哲學(xué)的驚人特征之一。實(shí)驗(yàn)哲學(xué)的發(fā)展除了主要?dú)w功于儀器設(shè)施的進(jìn)步特別是該世紀(jì)最后20年中與之相伴隨的科學(xué)儀器精密性的增強(qiáng)之外，還有數(shù)學(xué)形式的普及。自然研究和實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用之間日益增長的聯(lián)系，連同牛頓影響的一個更明確的方面，即數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性一起，越來越用以將自然科學(xué)同傳統(tǒng)意義上的哲學(xué)明確地區(qū)別開來，并用以為自然科學(xué)成為知識的特定形式奠定基礎(chǔ)。尤其是實(shí)驗(yàn)與科學(xué)儀器設(shè)施的應(yīng)用，極大啟發(fā)了人們的思維，進(jìn)而上升到方法論的維度。[3]255

實(shí)驗(yàn)本身就是一個多維度的探索過程，當(dāng)然也不適合以某一科學(xué)研究環(huán)節(jié)或單一實(shí)驗(yàn)來判斷得失對錯，這未免過于魯莽或失于絕對化，且難免脫離實(shí)踐。因此，選擇從實(shí)驗(yàn)方法的角度進(jìn)行探討，以區(qū)別于其他研究。

2 無形的儀器——實(shí)驗(yàn)方法

“全盤拋棄早期的自然哲學(xué)乃是科學(xué)革命的一個中心特征”，除了有形的儀器之外，無形的儀器——實(shí)驗(yàn)方法更為重要[2]122。自17世紀(jì)以來，有相當(dāng)多的人致力于方法的研究，培根寫了《新工具》，笛卡爾寫了《方法論》，帕斯卡、伽桑狄、牛頓等在這方面都有或多或少的著作和陳述。這些著述對當(dāng)時科學(xué)發(fā)展無疑都有積極意義，但顯然也有一定的時代局限性。[2]122

培根（1561—1626）作為實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)始人，享有很高的聲譽(yù)，提倡和強(qiáng)調(diào)把普遍的自然史作為科學(xué)的必要基礎(chǔ)，反映出支配其觀點(diǎn)的基調(diào)是不偏不倚的觀察。笛卡爾則認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)只與科學(xué)的細(xì)節(jié)相關(guān)，要建立自然哲學(xué)的一般原則，光靠推理就行了。他明確斷言的推理在探索自然界時具有的功能，對17和18世紀(jì)的思想產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，然而對今天所說的科學(xué)方法的形成所起作用卻很小。帕斯卡關(guān)于方法的簡短論文試圖“把實(shí)驗(yàn)和笛卡爾的計(jì)劃更加密切地聯(lián)系起來，但這些論文并不完善”。[2]122

實(shí)驗(yàn)研究的先例很多，在蓋倫的生理學(xué)著述中可以找到它的例子。源于羅伯特·格羅塞特的中世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)方法以及16世紀(jì)帕多瓦大學(xué)的邏輯學(xué)家們對類似于假設(shè)演繹體系的方法做過考察。到17世紀(jì)末，科學(xué)發(fā)展已然將實(shí)驗(yàn)方法鍛造成一種可以一直運(yùn)用的重要工具。這是一次重要的突破，而之所以說它重要，就在于科學(xué)發(fā)展出適合其需要的方法，自此之后的成功范例導(dǎo)致廣泛的越來越多的效仿。[2]123-124

哈維生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的簡單性說明了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的基本方面。當(dāng)他將自己的胳膊纏上繃帶切斷血液循環(huán)，觀察接下來發(fā)生什么變化時，實(shí)際上他是在加給自然界一組被他的問題所支配的人為條件。[2]123哈維證明了血液循環(huán)的必然性，但問題在于，如何證明血液循環(huán)是一個事實(shí)。沒有顯微鏡，他無法觀測到連接動脈系統(tǒng)與靜脈系統(tǒng)的毛細(xì)血管。為了證明血液循環(huán)，哈維設(shè)計(jì)了一個辦法，通過在自己身上進(jìn)行的一個巧妙的實(shí)驗(yàn)，他能夠表明血液確實(shí)從動脈流向了靜脈。他用繃帶緊緊系住胳膊，這樣既切斷了動脈，也切斷了靜脈，這時胳膊變涼但并未變色，而繃帶的動脈則脹起并顫動;繼之，他將繃帶稍稍放松，讓動脈恢復(fù)暢通，但靜脈仍處于阻斷狀態(tài)，他感到熱流洶涌，有新鮮血液流過胳膊，胳膊立刻呈現(xiàn)出紫色，繃帶以下的靜脈明顯鼓脹。下臂靜脈中的血不可能來自仍處于切斷狀態(tài)下的靜脈系統(tǒng)，這證明血一定是從動脈流向了靜脈。[2]95

類似的還有托里拆利（埃萬杰利斯塔·托里拆利，意大利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家）的實(shí)驗(yàn)，他所進(jìn)行的氣壓計(jì)的實(shí)驗(yàn)就是一種方法論的探索。在這個實(shí)驗(yàn)中，托里拆利根據(jù)一個仔細(xì)定義了的問題，將水銀裝入玻璃試管，然后把它直立于一個盤子里。沒有實(shí)驗(yàn)者的設(shè)計(jì)，托里拆利觀察到的現(xiàn)象將永不會發(fā)生。[2]123

17世紀(jì)最好的實(shí)驗(yàn)研究是牛頓的一系列很難說與自然現(xiàn)象相關(guān)的顏色起源實(shí)驗(yàn)。牛頓設(shè)計(jì)了一組人為條件，在這組條件下，實(shí)驗(yàn)者的意圖完全定義了與自然相關(guān)的問題。自然，他不得不默認(rèn)答案，但是這種實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)決定了自然界除了回答“是”或“否”外沒有別的選擇。[2]123-124

3 實(shí)驗(yàn)方法：觀察方法和邏輯方法

近代實(shí)驗(yàn)主要依賴兩種方法：觀察方法和邏輯方法（包括數(shù)學(xué)方法，因?yàn)閿?shù)學(xué)本質(zhì)上也是邏輯）。前者是獲取經(jīng)驗(yàn)材料或科學(xué)事實(shí)和進(jìn)行科學(xué)檢驗(yàn)的方法，后者是整理科學(xué)事實(shí)并建構(gòu)理論體系的方法。[1]

牛頓的“假設(shè)”實(shí)驗(yàn)方法? 牛頓的研究方法可以看作自然哲學(xué)的伽利略風(fēng)格和波義耳風(fēng)格的不同方面的結(jié)合。他關(guān)于科學(xué)方法的權(quán)威陳述在此后的兩個世紀(jì)中起到科學(xué)上的“十誡”作用。從1669年接受盧卡斯數(shù)學(xué)教授的任職開始，他抨擊同時代者的蓋然論，并指出關(guān)于顏色的科學(xué)可以像光學(xué)的任何其他部分一樣確定。在于1672年初遞交給皇家學(xué)會的關(guān)于光與顏色的理論中，他宣稱他的白光是由不同成分的光構(gòu)成的理論，具有數(shù)學(xué)上的確定性，該理論可由一個“判決性實(shí)驗(yàn)”加以證明。在對同時代的所有可能的科學(xué)哲學(xué)，特別是訴諸“假設(shè)”的科學(xué)哲學(xué)加以痛責(zé)之時，牛頓對哲學(xué)共同體的其余部分做了一個嚴(yán)格的方法論規(guī)定：以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，然后通過歸納，上升為一般數(shù)學(xué)關(guān)系或自然定律。[3]235

實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用和牛頓的研究在17世紀(jì)以后的歐洲更廣泛地流行開來，如威廉·雅各·格雷弗桑德關(guān)于牛頓自然哲學(xué)的教科書就在法國被廣泛傳播。當(dāng)牛頓學(xué)說在法國和英國贏得支持的時候，其他研究，如對“人的科學(xué)”、醫(yī)學(xué)甚至宗教的研究，都試圖給予其研究同牛頓力學(xué)一樣的認(rèn)識論地位。在1740年后的幾十年間，牛頓“方法”——即使不是“吸引力”學(xué)說——一度統(tǒng)治了歐洲。與本體論一起，這種方法能以多種方式被解讀，達(dá)朗貝爾等法國學(xué)人將《原理》中的數(shù)學(xué)分析視為理性研究的典范，讓·西奧菲勒斯·德薩居利耶以及荷蘭的牛頓主義者格雷弗桑德和彼得·范·米森布魯克——他們在其教材中贊美以實(shí)驗(yàn)為依托的“牛頓”方法——促進(jìn)了在大量觀眾面前有形地顯現(xiàn)牛頓原理的演示裝置的發(fā)展。牛頓體系在蘇格蘭的大學(xué)中特別盛行，正如保羅·伍德所指出的，大衛(wèi)·休謨和托馬斯·里德等人在編纂其道德哲學(xué)時訴諸牛頓的“方法”，盡管他們的研究途徑之間有巨大的差異。[3]243-244

牛頓的《光學(xué)》一書是他留給18世紀(jì)的偉大的遺產(chǎn)之一。這本著作主要講與顏色有關(guān)的現(xiàn)象，把牛頓讓白光穿過一塊棱鏡折射而分解成它的各個不同顏色的組分的著名分光實(shí)驗(yàn)作為出發(fā)點(diǎn)，還包括牛頓對薄膜、厚板和自然物體的顏色的先驅(qū)性研究的詳盡敘述，以及對雙折射和“拐射”（即衍射）研究的更簡要的敘述。[3]314

菲涅耳的演示驗(yàn)證方法? 1815年，菲涅耳才對當(dāng)時微粒光學(xué)的復(fù)雜性有比較清醒的認(rèn)識。菲涅耳提出用干涉原理去解釋光的衍射現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)的辦法，發(fā)現(xiàn)衍射帶的觀測位置和理論預(yù)示的位置十分接近，以此將衍射帶解釋為是由波的建設(shè)性干涉和破壞性干涉引起的結(jié)果。菲涅耳在1816年的第一篇關(guān)于光的衍射的論文中討論了衍射光帶的成因。當(dāng)一根發(fā)絲或其他細(xì)絲被一束窄光束照射時，可以看到屏上明暗相間的條紋，這就是菲涅耳所研究的光的衍射現(xiàn)象。他主張光是一種擾動，正是這種擾動的疊加和光波的干涉原理解釋了這一衍射效應(yīng)。擾射體（AB）反射的光波和從光源（S）來的直接光波同位相處，即出現(xiàn)互相加強(qiáng)的亮條紋;當(dāng)來自光源和來自擾射體反射的光振動位相相反時，兩束光互相抵消，就出現(xiàn)一條一條的暗條紋。[4]23

菲涅耳對光波干涉的理論處理所預(yù)言的衍射條紋的位置同實(shí)驗(yàn)得到的值十分接近，他的實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證了這一結(jié)果，用光波的疊加和抵消來解釋衍射條紋，有力地支持了光的波動說。當(dāng)他從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)自己的理論判斷時，波動說解釋受到強(qiáng)有力的支持。阿拉戈很好地報(bào)道了菲涅耳的工作，表示支持光的波動說，并希望做進(jìn)一步探入的研究。畢奧則用微粒說來解釋衍射現(xiàn)象以致作答。拉普拉斯的微粒光學(xué)的支持者們還就這一課題提出開展一場研究競賽的提議，以便使衍射得到微粒說解釋，并以此來拒絕光的波動說。菲涅耳的論文于1819年呈交巴黎科學(xué)院，為光的波動說的勝利立下汗馬功勞。在對論文進(jìn)行審讀的時候，泊松指出，菲涅耳的理論能解釋意料之外的結(jié)果：在用作衍射體的圓盤陰影的中心所出現(xiàn)的那個亮點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)上證明是確實(shí)存在的。[4]23

奧斯特和韋伯的測量方法? 1820年，丹麥物理學(xué)家H.C.奧斯特（1777—1851）發(fā)現(xiàn)了電磁學(xué)，這使人們千方百計(jì)要建立電力在電以太中傳播的理論。普通物質(zhì)周圍粒子構(gòu)成電“大氣”的概念與18世紀(jì)物理學(xué)理論工作者在著述中所描繪的完全一致，但到18世紀(jì)后期，電“大氣”的概念已演變?yōu)椤盎钚郧颉钡母拍睢Ｋ^“活性球”，就是電力空間的換一種說法，很多電氣理論的作者在探討電在空間分布的物理基礎(chǔ)時，把電的作用表述為以太介質(zhì)所產(chǎn)生的應(yīng)力。[4]31

奧斯特認(rèn)為電流是一種動力學(xué)振蕩，是相反方向的引力和斥力之間不平衡所產(chǎn)生的力的波動。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁針分別置于載流導(dǎo)線的上面或下面時，磁針的偏轉(zhuǎn)方向是相反的。他猜想由于導(dǎo)線中的電力波動，引起導(dǎo)線周圍的空間發(fā)生一種圓周運(yùn)動。奧斯特的實(shí)驗(yàn)表明，電、磁力只沿圓周方向才有作用，電、磁力的分布也是一種立體分布。[4]31

韋伯的“電動式電表”是于1848年為準(zhǔn)確測量電作用力而精心設(shè)計(jì)的儀表。其中由銅絲繞制的小線圈置于固定不動的大線圈之內(nèi)，一旦電流同時從兩個線圈中通過，懸掛著的小線圈就發(fā)生轉(zhuǎn)動。懸掛小線圈的支架能抑制小線圈的轉(zhuǎn)動角度，并使轉(zhuǎn)動角度正比于流過線圈電流的大小。其儀表的結(jié)構(gòu)十分精巧，線圈的轉(zhuǎn)動十分靈活，即使很小的電流流過，線圈也會有所反映。這一儀表充分說明，物理學(xué)家和儀表制作者間的關(guān)系十分密切。物理學(xué)家韋伯所關(guān)心的是如何定量測量的問題，他強(qiáng)調(diào)指出，實(shí)驗(yàn)測量必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的定性分析的方法應(yīng)當(dāng)拋棄。[4]32

19世紀(jì)中期，德國物理學(xué)已出現(xiàn)專業(yè)化的傾向，不但強(qiáng)調(diào)研究的價值，強(qiáng)調(diào)采用數(shù)學(xué)方法和準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測量，而且強(qiáng)調(diào)開展創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。這些觀念促進(jìn)了19世紀(jì)德國物理學(xué)的發(fā)展并對德國研究工作起到極為重要的促進(jìn)作用。德國的物理學(xué)研究成為當(dāng)時的研究和專業(yè)分工的典范，國家大學(xué)研究基金給物理研究以資助，并直接分配給各大學(xué)的教職人員，促成物理學(xué)的專業(yè)化。[4]34

分類學(xué)的方法? 17世紀(jì)，新知識的潮流沖擊著生命科學(xué)領(lǐng)域：越洋探險(xiǎn)帶來一大批新的動植物知識;顯微鏡掲示生命的新領(lǐng)域;更加深入的解剖學(xué)研究則在已知領(lǐng)域里發(fā)掘出新的知識。在這種形勢下，分類學(xué)不可避免地顯示出其具有的重要性。[2]87

植物學(xué)方面，加斯帕德·鮑欣在17世紀(jì)初將草本植物描述為6000個不同品種。法國人約瑟?！てゎD·德·土爾恩福爾（1656—1708）和英國人約翰·雷（英國博物學(xué)家。在17世紀(jì)時，他是第一個提出要對物種進(jìn)行分類的人。他是系統(tǒng)動物學(xué)的奠基人）使植物學(xué)研究達(dá)到頂峰。土爾恩福爾第一個系統(tǒng)地劃分出高于“屬”的各種類別，將所有的植物分為22綱，依次向下分別為科、屬。約翰·雷在其寫于17世紀(jì)末的《植物通史》中則收錄了1.8萬多種植物。處理如此多的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于分類體系。至1750年，林耐為植物學(xué)提出25種分類體系。雖然這些大部分是人為劃定的，正如植物學(xué)家所愿意承認(rèn)的那樣，他們往往武斷地抓住植物的某一特征作為分類標(biāo)準(zhǔn)，而沒有通過考察一切植物及其天然屬性以形成一個所謂的自然體系的體系。然而無論他們的做法存在多少不足之處，這些分類體系確已成功地將大量物種歸入序的類別，可以說他們?yōu)?8世紀(jì)那些更優(yōu)秀的分類學(xué)者開辟了道路。[2]88

動物學(xué)也同樣面臨多種多樣的動物形式，如四足動物、鳥類、爬蟲類、魚類、貝類和昆蟲以及在17世紀(jì)增加的微生物等。然而，幸運(yùn)的是，古代世紀(jì)已出現(xiàn)亞里士多德這樣的分類者，他將混亂的物種歸結(jié)為有序的系統(tǒng)。毫無疑問，亞里士多德體系的存在有助于解釋這樣一個事實(shí)：17世紀(jì)更注重的是植物分類學(xué)而非動物分類學(xué)，動物學(xué)擺脫亞里士多德分類學(xué)還要等待一個世紀(jì)之久——18世紀(jì)動物分類學(xué)得到發(fā)展。[2]89

此外，這個時期生理學(xué)也一直在尋找科學(xué)的方法。17世紀(jì)，生理學(xué)已經(jīng)形成一系列用來研究生物功能的方法。這些方法主要包括觀察和比較、病理解剖、活體解剖，以及后來加入的系統(tǒng)的物理—化學(xué)實(shí)驗(yàn)。[5]157

（未完待續(xù)）