近代实验科学方法论

（一） 实验科学的先驱

实验方法在古代已经萌芽，杰出的代表人物就是阿基米德，他用实验方法发现了浮力原理和杠杆原理。不过总的说来，古代人轻视实验，崇拜思辨，认为实验是低贱的活动。近代实验科学的创始人公认是伽利略，但是在他之前已有不少先驱者，其中著名的代表人物有意大利艺术家达·芬奇（1452年—1519年）、英国王室医生吉尔伯特和荷兰工程师斯台文（1548年—1620年）等人。

达·芬奇不仅是艺术家，也是科学家，并自称是“实验的信徒”。他说：“在研究一个科学问题时，我首先安排几种实验，因为我的目的是根据经验来决定问题，然后指出为什么物体在什么原因下会有这样的效应。这是一切从事研究自然现象所必须遵循的方法……我们必须在各种各样情况和环境下向经验请教，直到我们能从这许多事例中引申出它们所包合的普遍规律。这些规律有什么用处呢？它们将引导我们对自然界作进一步的研究和进行艺术创造。它们防止我们自欺欺人，使我们不至于向自己保证取得那些得不到的结果。”^[1]他用实验方法证明了在连通器中液面高度相等；用模型实验研究了柱和梁所能承受的重量是如何随其粗细、长短而变化的，并且找出了它们的数学关系；他还是在科学史上最早对固体摩擦进行实验研究的人，而且得到了一些宝贵的科学结论。总之，他是近代实验科学的开路先锋。

吉尔伯特是英王的御医、皇家医学院的院长，又是物理学家，爱好科学实验。他在1600年出版的《磁石》一书，被认为是近代实验方法的开端，是用实验方法探索自然界和从理论上解释自然界这两者结合的范例，是工匠经验和学术的范例。吉尔伯特在研究磁针倾角偏角变化的时候，特地用大磁石制成一个“小地球”，然后再把磁针放在它的附近，试验在不同地点上的磁针的倾斜度，并用粉笔划出“小地球”的磁子午线，他发现磁针在“小地球”上的倾角和偏角的情况，就同在地球上的一样，从而发现了地球本身就是一个硕大无比的大磁石。磁吉尔伯特把他的《磁石》一书献给那些“不在书本中而在事物本身中寻求知识”的人。

斯台文是先于伽利略做落体实验的荷兰工程师。他在1586年出版了《静力学》和《流体静力学》两本书，推进了阿基米德的工作。在《静力学》一书的附录中，记载了他所做的落体实验。他说：“反对亚里士多德的实验是这样的：让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下来，落在一块木板或者什么可以发出清晰响声的东西上面，那末，我们会看出轻铅球并不需要比重铅球10倍的时间，而是同时落到木板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”^[2]

从哲学上充当近代实验科学发言人的是弗兰西斯·培根（1561年—1626年）。培根出身于伦敦一个新贵族家庭，父亲是伊丽莎白女皇的掌玺大臣。培根在詹姆士一世的斯图亚特王朝时代历任宫廷要职；1613年受命为首席检察官，1618年为大法官。尽管一生大部分时间在官场中度过，但培根从没有放弃推进人类知识的大志。作为新兴资产阶级的代言人，培根非常重视科学技术的作用，认为操纵时代、影响人类生活的力量，不是政治、宗教、思想，而是“机械技术上的发明”。培根在《论科学的价值和发展》一书中，为即将到来的科学时代而欢呼。他高度评价印刷术、火药和指南针的发明，认为它们改变了整个世界面貌。他意识到科学技术将成为一种重要的历史力量，满怀激情地写道：在所能给予人类的一切利益中，我认为最伟大的莫过于发现新的技术、新的才能和以改善人类生活为目的的物品。“知识就是力量”这句名言，就是在这样的背景下提出来的。

培根深感中世纪的经院哲学不能增进人类对自然的认识和支配自然的能力，因此致力于创立一种新的关于实验方法的理论。培根认为对自然界的科学理解和对自然界的技术控制是相辅相成的。在他看来，很多科学原理蕴藏在工匠的日常操作中，他们的操作经验是科学知识的可贵源泉。培根认为工匠的操作方法对于自然事物具有能动地改造即实验的性质。另一方面，培根也认识到单凭经验还不足以得到自然知识，还要对经验进行一定的加工，而思维加工的材料必须来自经验。针对当时学者沉溺于思辨，而工匠虽有经验却因没有文化，不能把经验的东西记载下来加以分析，培根主张把学者传统和工匠传统结合起来，从而形成“经验和理性职能的真正的合法的婚配”。他说经验主义者好像蚂蚁，只知道收集材料，理性主义者（经院哲学家）好像蜘蛛，只凭着自己吐的丝来结网，这两者都是片面的。他主张要像蜜蜂那样“从花园和田野里面的花采集材料，但是用他自己的一种力量来改变和消化这种材料。”他强调“学者与工匠的结合”，“知识与力量的统一”，从根本上解决思想上的贫困，他称此为“学问大革新”。马克思、恩格斯称培根是“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”^[3]。

（二）科学实验与生产实践及科学观察的关系

在中世纪的末期，随着生产力的进一步发展，知识的不断积累，人们要求更多地认识自然现象的奥秘，同时技术进步也给人们揭示自然规律提供了日益多样、复杂、强大的认识手段。正如恩格斯所说：“从十字军远征以来，工业有了巨大的发展，并展示出力学上的（纺织、钟表制造、磨坊）、化学上的（染色、冶金、酿酒）以及物理学上的（眼镜）许多新的事实，这些事实不但提供了大量可供观察的材料，而且自身也提供了和以往完全不同的实验手段，并使新的工具的设计成为可能。可以说，真正有系统的实验科学这时才成为可能。”^[4]

科学实验就其人为地控制和变革自然过程而言，属于实践活动范畴，但它有别于生产实践。科学实验与生产实践的不同在于：生产实践的直接目的是把自然物改变为满足人们需要的物质产品，创造物质财富。而科学实验则是以认识自然为其首要目的，它的主要任务是研究还未认识或未充分认识的自然过程，去发现自然规律，发明新的材料、新的器件、新的工艺，从而推动社会生产力的发展。就直接意义来说，科学实验目标主要不是生产物质产品，而是要生产（或检验）观念形态的知识，创造精神财富。作为认识自然事物和自然过程的研究方法，科学实验在许多方面是优越于一般观察和生产实践活动的。

科学实验在科学认识中具有以下的特殊作用。

第一，具有简化和纯化的作用。

自然界的事物千差万别，彼此之间又有千丝万缕的联系。为了集中精力认识某一个对象，我们需要对影响这一对象的各种因素进行简化和纯化，突出主要因素，舍弃次要因素，排除与对象没有本质联系的因素的干扰，以便在比较单纯的状态（或理想化状态）下来认识对象。马克思说：“物理学家是在自然过程表现得最确实、最少受干扰的地方考察自然过程的，或者，如有可能，是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下从事实验的。”^[5]这里所说的干扰，就是外界的一些偶然因素、非本质因素的影响。例如，1799年英国科学家戴维完成的否定“热质说”的实验；他在真空中用一只钟表机件使两块冰相互摩擦，并把整个实验仪器都保持在水的冰点，这样就排除了实验物和周围环境的热交换，使实验在较纯粹的条件下进行。在这样纯化了的条件下，冰在相互摩擦下融化了，由此表明冰融化所需的热，只能来源于摩擦，有力地驳斥了“热质说”。

第二，可以控制研究对象的变化。

自然事物的变化，有的速度极快，转瞬即逝，我们很难观察；有的变化速度极其缓慢，会使我们的观察旷日持久。通过实验，我们可以在一定范围内控制对象的速度，使其根据我们的需要变慢或变快，以便于我们研究。伽利略在研究自由落体运动时，由于小球下落速度快，看不清楚；于是，伽利略就想“冲淡引力”，使小球落得慢些，他通过斜面实验做到了这点。斜面的夹角可以变化，所以他可以控制小球在斜面上滚动的速度，当夹角为90度时，小球在斜面上的滚动便成了自由落体运动。

第三，可以在理想状态下认识自然。

有些自然事物的特殊性质、特殊规律，在常态下很难显现出来。科学家通过实验，可以使对象处于一些特殊条件、极端状态下（如超高压、超高温、超低温、超真空和超强磁场等），使研究对象的特殊性质突显出来，从而达到认识对象的特殊性质的目的。1956年，李政道、杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒的结论，这个结论和人们传统观念中的宇称守恒大相径庭。另一位美籍华人吴健雄用钻-60作为实验材料，试图用实验来验证李政道、杨振宁的假说。可是，在常温下钻-60本身的热运动和自旋方向杂乱无章，无法进行实验。于是，吴健雄把钻-60冷却到0.01 K，使钻核的热运动停止，实验便达到了预期效果。

第四，是较经济、可靠的探索手段。

人类对自然界的认识和实践的过程是非常曲折、复杂的，往往要经历多次失败以后才能获得成功。实验方法相对于生产实践来说，规模较小、周期较短、费用较少，即使发生多次失败，损失也较小。加之实验对环境及人身安全的影响比生产易于控制。这样，就可以使人们以科学实验中付出的较小代价，去换取认识自然和改造自然的更大胜利。在技术领域中，新产品的试制都要经过多次实验来研究，以检验其性能。

至于科学实验与科学观察的关系，它们都是获得感觉经验的方法，但二者有性质上的区别。观察所看到的对象的变化，是对象在没有人影响下的变化，也称为“自然变化”或“自然现象”。实验对象在实验中的变化，是人的操作行为所引起的变化，可称为“人造变化”或“实验现象”。有的实验现象在自然条件下也会出现（如小球在斜面上滚动），有的在现有自然条件下却很难出现，甚至不可能出现（如生命起源的模拟实验）。

实验方法比单纯的观察方法有明显的优点。观察只能在自然发生的条件下进行，当然要受自然条件的局限；而实验方法是人为地去干预、控制所研究的对象，是在有意识地变革对象中去认识对象，更有利于发挥人的能动性去揭示隐藏的本质。

科学实验由“设计→操作→观察→思考”四个环节构成。在思考以前，最后一个环节是观察。纯粹观察，是在自然状态下观察自然事物；实验观察，是在人工条件下观察自然事物。观察犹如打开一扇面向自然事物的窗口，实验则像一条通向自然事物内部的通道。实验是观察的超越、观察的升华，在科学实验中，认识主体的主观能动性得到了更大的发挥。

（三）实验科学方法论的基本特点

实验科学方法论的基本特点有以下三点。

第一，实验的受控性。近代科学与古代科学不同，它所取得的感性资料不是直观的经验，而是科学的实验事实。这种实验事实主要是利用一定的物质手段（科学设备或仪器）使研究对象置于严格的控制条件下而取得的。这种受控实验所取得的实验事实，由于排除了各种偶然因素、次要因素的干扰，因此，这些实验事实具有简化与纯化的特征。只要严格重复控制条件，实验事实就可以以稳定的几率再现。

第二，推理的逻辑性。近代科学吸取了古代希腊科学重视逻辑的传统，并且在许多成熟的学科把形式逻辑推理提高到严格的数学推导（逻辑推理数学化是形式逻辑的高级形式）水平。

第三，严格的实验检验。科学研究的最终结果都必须经受严格的实验检验，要求理论的预测必须全部与实验结果相符。如果不符，就必须修改理论之前提，直到相符为止。

实验的受控性、推理的逻辑性（或数学化）、严格的实验检验，这三者之结合构成实验科学方法论的传统。这是近代科学的成果能够取得全人类共识的保证，也是近代科学能蓬勃发展并经过技术转化成为生产力的重要原因。