科学仪器是形而下的“器”

《易经》有云：“形而上者谓之道，形而下者谓之器。”撇开哲学上的概念纠缠，在科学领域，我们把“道”理解为自然哲学思想，而把具体的实验、仪器、工具等理解为“器”。

成功的科学发现，“道”与“器”二者不可或缺。“道”引领着科学研究的方向，也是一种动力；“器”则是科学研究的物质基础，是有形的存在物。

对工具在科学研究中的作用，不同科学史家有不同的认识。有些人认为工具在科学研究中有决定性的作用，而有些人则认为，工具仅仅是起辅助作用而已。

从古希腊阿基米德（Archimedes，前287～前212）开始或更早以前，就有发明科学研究工具、仪器的例子。有人认为，阿基米德是利用杠杆原理制作了一种叫作石弩的抛石机，以及巨大的起重机，利用它们抵抗罗马人的进攻。而另有一些人认为，是阿基米德在制造这些机械的过程中，发现了杠杆原理。也许这就是“先有鸡还是先有蛋”的问题，很难厘清，但也能说明工具的重要性。

体现工具的重要性的，首推伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）的天文观测。在伽利略那个时代，望远镜还是个稀罕物。1609年5月，伽利略偶然得到消息，低地国家荷兰有人在使用望远镜，能够观看远处的东西，望远镜被应用于航海、战争等。伽利略对望远镜很感兴趣，但他无法获得一个现成的，于是他自己走进实验室去制造。囿于光学的发展水平，伽利略还不知道望远镜的工作原理，所以只能不停地去尝试。经过3个月的努力，伽利略制作出两台折射式望远镜，并将它们用作上流社会贵族聚会时观赏取乐的工具。但天才的科学家怎么可能让这项人类历史上不可多得的工具闲置呢，怎么可能让它们“不务正业”呢，这不是暴殄天物吗？接着伽利略用他的望远镜观测了金星的位相变化，观测了金星和火星视圆面形状的显著变化，观测了月球表面的“高山”“峡谷”，观测了太阳表面的太阳黑子，观测到木星有4颗卫星及它们的运行规律。这五项观测成果为哥白尼日心说提供了充足的证据，而在此之前，哥白尼日心说只能依靠哥白尼的信徒们用坚定的信念支撑着，用“宇宙是和谐”的理念自我安慰着。但是，当时许多人还是认为望远镜能将远处的景物“拉到眼前”是一种幻术，就连伽利略本人也无法解释它的原理。

伽利略的望远镜

到了1665年，与牛顿（Isaac Newton，1643～1727）有着“剪不断理还乱”的关系的罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635～1703）制作了一台复杂的复合显微镜。胡克比牛顿大8岁，在当时的英国皇家学会里，也是一位举足轻重的人物。胡克一生对科学事业的贡献非常巨大，在英国皇家学会中建立了自己的实验室和图书馆。但他与牛顿同时代，就有“既生瑜，何生亮”之叹！由于他曾控诉牛顿剽窃了他的“万有引力大小与距离平方成反比”的结论，牛顿“恨之入骨”。1703年3月3日，胡克在郁郁不得志中谢世。而在这一年，牛顿当上了英国皇家学会的主席，开始了他对英国皇家学会长达24年之久的统治，直到1727年去世。此时的牛顿，功成名就，跺一跺脚，整个英国甚至全世界的科学界都会颤三颤！胡克去世后，英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆就被解散了，包括胡克一生的科学资料、成果等，凡是烙有胡克印迹的事物，都消失了。在这一点上，科学史对牛顿还是颇有微词的。

但是，胡克的事迹和科学成就毕竟都流传下来了，其中他“用自制的显微镜观察软木薄片，发现死细胞”的事迹，成为细胞发现史上最重要的故事。没有显微镜，还真发现不了细胞，即便胡克观察到的仅仅是死细胞的细胞壁而已。基于此，1665年，胡克出版了《显微术》一书。荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者安东尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632～1723 ）阅读了《显微术》后，对罗伯特·胡克的显微镜镜片进行了改进，对微生物进行了细致的观察和研究。这是列文虎克受《显微术》的启发后，利用他的精巧的磨镜工匠技术达成的。列文虎克一生磨制了400多个镜片，其中有台显微镜放大倍数达300倍，这是一个了不起的创举。

胡克制作的显微镜

当然，牛顿的伟大也是举世瞩目的。 所谓“人怕出名猪怕壮”，包括与胡克的恩怨，牛顿是否在背后报复胡克，史学家自有不同的说法。但牛顿在光学上的贡献，也是前所未有的。1666年，牛顿利用自制的三棱镜研究太阳光，并且得出太阳光是复色光的结论。这表明，牛顿从光的本性上确定了色光，因为不同颜色的光，它们的波长（频率）不同，在三棱镜中的折射率不同。牛顿曾把一个曲率半径较大的凸透镜一面打磨光滑，压在一个十分光洁的平面玻璃上，用白光照射凸透镜时，中心的接触点是一个暗点，周围则是明暗相间的同心圆圈，这就是著名的“牛顿环”。

像这种以工具制作决定了科学发现的事例，还可以举出好多。

1930年，物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901～1958）提出回旋加速器的理论，并于1932年研制成功首台回旋加速器，获得1939年度诺贝尔物理学奖。利用回旋加速器，科学家发现了许多新的核反应，产生了几百种稳定的和放射性的同位素，加速了核反应研究的进程。

综观科学史上伟大仪器、工具的研制历史，并非所有的仪器、工具的研制都能成就科学发现。相反，许多科学仪器、工具的研制，必须是基于科学理论之上的，是自然哲学思想在前方引导着科学仪器的研制。