观察和实验是现代科学的主要方法

科学家通过观察和实验寻求问题的答案。

英国著名科学专栏作家布赖恩·阿普尔亚德把科学分为两个阶段。前一阶段为伽利略之前的科学,或称“智慧”,主要建立在推理基础上;后一阶段为从1609年(伽利略用望远镜观察天体的那一年)开始的现代科学,主要建立在观察与实验基础上。对物理世界的研究,早期的科学家主要是靠观察,后来才涉及对它的控制,即进行实验。观察与实验研究已成为现代科学的主要手段。

先谈观察。观察以有目的性的特点区别于感觉(客观世界事物和现象的反映)。观察是有心的留意。人们仅仅观察那些对他们在理论上和实践上有兴趣的东西。因此,科学的观察就是对周围世界事物和现象有针对性的感觉。关于观察的重要性,普朗克说:“物理定律的性质和内容,都不可能单纯依靠思维来获得,而唯一可能的途径是致力于对自然的观察,尽可能搜集最大量的各种经验事实,并把这些事实加以比较,然后以最简单、最全面的命题总结出来。换句话说,我们必须采用归纳法。”

在科学研究中,观察有两个重要作用:首先,观察帮助确定问题;其次,观察在实验中是至关重要的因素。观察既不是所感受的信息的被动吸收,也不是感觉的证据的转录。观察应是一个有目的的过程。观察时应十分清醒,对事物和事件保持敏锐的“眼睛”。观察的能力来自清醒的意识和持有问题的态度。观察者始终在寻求问题的答案。

观察能力是人所特有的一种感知外部世界、捕捉对象特有的能力。科学研究中的观察,无论是自然条件下的观察,还是实验条件下的观察,都是搜集科学事实、获取感性材料的基本途径。科学家的成就与这种高度的观察能力有着密切的关系。

在科学史上,科学家得力于精细入微的观察,促成某些突破的事例不胜枚举。弗莱明发现青霉素、琴纳发明牛痘接种法、伦琴发现X射线、瓦特发明蒸汽机等,都和他们用心观察,从日常生活中捕捉不平常的现象,从而得到某种有益的启示有关。生理学家巴甫洛夫对学生说过:“应该先学会观察。观察,不学会观察,你就永远当不了科学家。”弗莱明就发现青霉素荣获诺贝尔奖时说过:“我的唯一功劳是没有忽视观察。”达尔文也说过:“我既没有突出的理解力,也没有过人的机智。只是在觉察那些稍纵即逝的事物并对其进行精细观察的能力上,我可能在众人之上。”这些从亲身经验总结出来的真知灼见告诉我们,观察和观察能力对于科学家、对于科学发现是多么重要。

应该指出,在观察与理论的关系上,由于观察总是有选择的,故理论先于观察。这是因为观察需要选定对象,确定任务、兴趣、观点和问题,而且观察中渗透理论。因此,我们在观察中必须注意理论的先导作用。

自然,观察的深入状况很大程度上取决于观察的工具。随着时代的进步,观察的世界也在改变。

与观察不同,实验研究是创造一个人为的环境,在研究者给定的条件下进行观察,并能对被研究的对象进行控制。其特点是研究人员的主动作用影响着研究对象的过程。

实验研究可以

(1)排除附带因素的影响,简化所研究的对象;

(2)引入新的因素,使所研究的对象复杂化;

(3)多次再现研究的对象(若有必要);

(4)研究自然界中以纯粹形式不存在的现象的特性;

(5)创立新的人工对象。

和研究真实对象模型的理论研究不同,实验研究是在环境对象中进行。后者既是自然界的物体、现象和技术对象,在某些情况下又是实际对象的模型。实验研究对于自然科学工作者正如生活实践对于作家一样,是创造概念的源泉,更不用说工程科技工作者了。实验工作正是捕捉新概念的良好时机。这些新概念可提供假说(假设),建立理论,规划新的实验,发现物理现象,解决生产实际中的难题。

实验的设计和实施是一门科学,但有的实验(如工艺)可被称为“实验的艺术”,取决于不断的实践。年轻的研究人员往往心怀侥幸,希望一两次实验就获得成功。这是不切实际的想法。在实验上不严谨老实或急于求成是一种十分有害的态度。应该指出,做新的实验极少只做一次就能成功。只有专心致志和勤奋劳动,才能取得成果。

实验是科学拟定的试验。这个试验是在准确估计到的条件下对现象进行指定的研究,可以在试验的进程中监视现象的变化,并可人为地施加影响,以及多次反复试验。

实验研究须具有3个主要特点:

(1)从经验的全体中抽象出一个要特别加以研究的范围;

(2)实验者要有明确的目的,知道要解决什么问题;

(3)实验者须精心设计,正确安排。

科学实验的实质是驱使自然界“动作”起来,使其呈现深藏的真相。科学家通过实验“询问”自然。正如美国微生物学家雷内·杜博斯(Rene J.Dubos)所说:“实验有两个目的,彼此往往不相干:观察迄今未知或未加释明的新事实,以及判断为某一理论提出的假说是否符合大量可观察到的事实。”

通常,实验研究可分为以下几类:

(1)定性实验:判定某因素是否存在、某些因素是否有联系、某对象的结构等。如迈克尔逊—莫雷的实验证实了不管光线的方向如何,光的速度总是一样,从而否定了宇宙中以太的存在。

(2)定量实验:目的是测量某对象的数值,或求出对象与因素之间的数量经验公式,如汤姆逊求电子荷质比的实验。

(3)模型实验:根据观察和研究,设想研究对象的大致轮廓,从而提出模型。如卢瑟福以α粒子束照射金属,发现粒子轨道有大角度的散射,于是领悟到原子核的存在,提出原子结构的行星系模型。

(4)析因实验:寻找主要原因或因素的实验。

(5)模拟实验:在实验中创造条件,以模拟自然条件或自然演变过程。

(6)理论实验:抓住本质(忽略非本质的次要因素)的实验。

实验时的思维活动大致有3种情况:思维落后于、紧随着、先于实验进程。一般来说,若能做到最后一种情况,实验工作的质量就是高水平的。在预见在先的实验中,一可以集中注意力,发现新现象、新概念;二可以防止导致失败的种种事故。

保证实验工作高质量的首要条件是思维活动与实验进程的紧密配合。人们认识客观世界的进程,总是借助于一定的理论模式。诚然,理论模式的孕育和概念的捕捉,与科学研究的整个环节——开题调研、理论探讨、实验筹划、实验进行、结果整理等——都有关联,但实验是孕育概念、酝酿模式的思维活动的关键环节,要善于利用这个环节取得突破。

在实验研究中,要注意的事项有:

(1)实验前对问题要心中有数,要精确调整实验设备。开始实验前,要有意识地分析尚缺乏哪些概念、数据和手段。对于要解决什么问题,会出现什么问题,都要心中有数。总之,要预先在脑子里造成悬念,以便在实验时有意识地思考、寻找和观察。

在实验中,一个科学工作者不但要求实验反映真实,而且要求精确测量。一个好的实验的标志是井井有条的计划和有条不紊的实施。计划必须考虑以下方面:实验项目和控制的数目,试验条件,分析方法,其中包括统计试验。所有的实验设备须进行预先调整,以确定其测量的正确度(实际值与理论值的接近程度)和精确度(重复测量的变化程度)。

(2)实验应由小到大,由简略到复杂。在最初阶段,就进行复杂的试验,试图对所有的问题做出全面的回答,往往很难得出理想的结果,不如随着研究工作的逐步进展,逐步修订实验。只有当简略实验(试验性实验)能作为某项能得出可靠结果的复杂实验的初步实验时,才有理由进行这项实验。

(3)实验时要集中注意力,寻找、观察、发现所需要的东西。进行实验时,有两个问题必须引起研究人员的重视。首先,一个熟练的实验研究人员,对其所用的仪器、设备的使用已几乎形成“本能”,在实验时就能集中注意力“观察”,攻克难关。因之,有意识地提高自己的实验水平,熟练掌握实验技术,是十分重要的。其次,观察的水平与实验者的理论水平同样密切相关。只有对本课题有关基础理论“吃得透”的人,才有可能有深入的观察。

应该指出,在实验中,为了证实假说而“各取所需”,选择或记录“有利”的数据,制造假象,是科学上的一种不道德行为,为正直的科学工作者所不齿。

(4)实验记录的分析要过细和耐心。实验中要进行详细的记录是无疑的,但不是一切都记。选择记录的内容本身就促使注意力集中于有关东西,有助于现场思考,获得概念。其次,实验记录的分析要过细,注意现象间的深刻联系,为以后建立理论体系,引入抽象概念做准备。再次,在实验的分析阶段,要有极大的耐心。这是因为概念的联系总是深藏的,只有具有抽象思维并耐心分析的人才能洞察它们。在有些情况下,可以过些时日再整理。在悠闲的状态下,概念有时会突然来临。

(5)要注意实验结果的有效适用范围。应该记住,实验结果的有效性,仅仅是对于实验进行所处的条件而言。在必然受到限制的条件下,注意所得到的实验结果有多大的适用范围。关于这一点,在做结论时必须十分小心谨慎。还应该指出,如同研究工作所使用的其他手段一样,实验并不是万无一失的。不能从实验上论证一种假说并不等于证明这种假说是不正确的。

大多数有经验的指导教师知道实验研究的难处。他们有时指定研究生去重复一些过去的研究生已经完成的实验,以帮助学生提高实验技艺并提供一次机会去复查以前研究的结果。指导教师总是鼓励自己的研究生对所建议的实验方案进行预备性实验(即试验性实验),如模型实验、原理性实验等,即以较为简单的方案进行实验,以确定实验方案可行的程度。对于一个较为困难的实验问题,较好的方案是把它“分裂”成几个较小的实验,然后分步去完成它。试验性实验具有它自己的位置。对于确定性实验,它是不可取代的。不少青年学人为了急于出成果,而且野心勃勃,不愿做试验性实验,往往把自己的首例实验搞得很大、很复杂,结果为此吃苦头。此外,最好是将容易的实验放在最前面去完成。实验先易后难是明智的。有些学生会说:“如果我把最困难的实验首先完成,那么其他就不在话下了。”这是一种貌似聪明,实则愚蠢的想法。它将会带来不必要的失败和沮丧。须知,实验的初步成功对于你要达到的目标是最大的鼓舞。在没有取得某些有价值的结果之前,实验总是这出毛病,那不顺利,这时特别需要坚持,直到做出结果来。一旦取得一两个令人满意的结果,面对未来的实验(哪怕是不可避免的失败)也会抱乐观的态度。对一名科研人员来说,自信心是非常重要的。它将有助于意气风发、高效率地工作,使实验最终取得成功;而成功的实验将更鼓舞、激发自信心。

某些青年学人幻想碰运气偶然取得成功,即期望获得意想不到且意义重大的结果。机遇或偶然发现在科学发现中的确会起到重大的作用。如我在评论《机遇》一文中已述,机遇偏爱垂青她的人——苦苦追求,十分倾心于她的人,或是经验丰富的人。弗莱明发现青霉素来自微生物菌培养时无意受到污染,但如果没有博识的洞察力,那个受到污染的盘子将会被清理掉,首例抗生素的发现便会被推迟。因之,为了不使机遇错过,在实验时,思想要开放,不要拘泥于现有的假设,而在真理面前视而不见。

应该指出,大学生的实验与研究生的实验有很大的差别。大学生习惯于按照实验指导说明书去精确地完成实验。有些大学生做实验仅是为了在实验上要个好分数。研究生在实验中要求有深思熟虑的方案并做出更多的奉献。这就需要化时间去研究背景和实验方案,构造实验平台,并从平凡的实验中寻求深奥的内容。指导教师通过核心课程和个别的研究问题会给予一些帮助,但实验主要靠研究生通过顽强的劳动独立地去完成。这是成长为一个真正的学者所必需。