实验方法在近代科学诞生及发展中的作用

[摘要]文艺复兴运动后，经过弗·培根的大力宣传和伽利略的身体力行，实验方法逐渐成为人类探索自然界、检验科学假说的一种最基本、最重要和最普遍的方法。正是由于系统的实验方法的诞生及其发展，因而最终导致了近代自然科学从自然哲学的母体中分离出来，走上独立发展的道路。实验方法之所以能够促进近代自然科学的诞生及发展，主要是因为它不仅能够创造出典型的、系统的、纯粹的和数量更多的自然现象作为人们进行科学研究的感性材料，而且可以以实验结果对科学假说进行严格检验。

[关键词]自然现象；实验方法；自然哲学；近代科学

[中图分类号]N33　[文献标识码]A　[文章编号]1671－6604(2007)05－0015－05

众所周知，在古代，自然科学和自然哲学是不分家的，它们相互渗透、相互交织在一起，我们很难在它们之间划一条泾渭分明的界线。诸如五行说、阴阳说、元气说和四根说、原子说、种子说等既出现在哲学史书中，也出现在科学史书中，就充分说明了这一点。

然而，经过轰轰烈烈的文艺复兴运动，西方近代科学逐渐从自然哲学的母体中分离出来，走上了独立发展的道路。随着科学的独立发展，它今天对整个社会的几乎所有领域都产生了广泛而深刻的影响。那么我们当然要问，为什么在古代科学和自然哲学不能截然分开，而到了近代，科学又逐渐从自然哲学的母体中分化出来，并获得迅猛发展呢?答案是：实验方法是近代科学从自然哲学母体中独立出来的催化剂，同时也是推动近代科学迅猛发展的一个最基本、最重要和最普遍的方法。

一、历史上科学与自然哲学

同为一家的内在原因

在古代，科学和自然哲学的研究对象、研究目的、研究方法几乎是相同的：科学的研究对象是自然界，而自然界也是自然哲学的研究对象；科学的研究目的是认识自然、解释自然，而自然哲学的研究目的也是如此；科学的研究方法是观察、猜测、直觉、概括、演绎等，而自然哲学的研究方法与之也没有什么重大差异。既然科学和自然哲学之间并不存在什么本质区别，那么我们当然就无法把它们截然区分开。

古代人由于知识非常贫乏，因而对周围的种种自然现象感到非常惊异和迷惑不解：我们周围的万事万物，像山川河海、日月星辰、树木花草、飞禽走兽等是从何而来的?为什么会有春夏秋冬、刮风下雨、洪灾旱灾、地震和火山爆发?为什么太阳每天从东方升起又从西方落下?等等。为了摆脱这种无知的状态，人类就凭借自己先天的直觉和思辨能力对自然现象产生的原因进行猜测，并对之进行解释，这种对自然现象存在、产生和变化原因的猜测和解释就是早期的自然哲学。正如亚里士多德所说：“古今来人们开始哲理探索。都应起于对自然万物的惊异；他们先是惊异于种种迷惑的现象，逐渐积累一点一滴的解释，对一些较重大的问题，例如日月星辰的运行以及宇宙之创生，作成说明。”人类对自然现象产生原因的猜测或解释可分为两类：第一类是对自然现象的总体解释或抽象解释；第二类是对自然现象分门别类的或具体的解释。前者如对“世界万物究竟是由什么构成的或世界万物的本原是什么”，对“世界的本原究竟是物质还是精神”，对“世界万物之间究竟有无联系”，对“世界究竟是静止的还是变化的”等进行猜测或解释；后者如对“太阳为什么每天从东方升起至西方落下”，对“人为什么会生病”，对“光的本性是什么”，对“为什么木头浮在水面上，而石头却沉到水底下”进行猜测或解释。

那么，人们对自然现象所作的猜测或解释如何才能得到检验或验证呢?抑或人们如何才能判别哪些解释是正确的，哪些解释是错误的呢?不用说，这些解释除了必须经得起逻辑分析，或者说必须具有逻辑自洽性以外，还必须与人类经验相吻合。今天我们已经知道，对检验自然知识而言，人类经验只有通过两种方法获得：观察和实验。不言而喻，在实验方法还未诞生的古代，人类只能通过观察获取有关经验。

然而，人类要想通过经验对有关自然知识进行检验，这些知识本身首先必须是具体的、现实的，因为人类经验是具体的、现实的。这就是说，如果知识本身是抽象的、思辨的、概括性的或超验的，那么它们就不可能在人类的经验范围内得到检验，这些知识本质上属于“形而上学”(meta-physics)。对照对自然现象的第一类解释，由于它们属于关于自然界的抽象的、思辨的、概括性的或超验的知识，即形而上学知识，因而它们在本质上不可能在人类经验范围内得到确切的检验。事实上，直到今天我们也无法检验世界的本原到底是什么，世界究竟是简单的还是复杂的，世界究竟有无统一性，世界万物之间究竟是相互联系的还是相互独立存在的等等。很显然，这些知识正是所谓的自然哲学——人类关于自然界的一种总体看法或总体解释。从这里我们不难理解，作为人类对自然界总体看法或总体解释的自然哲学其实是无所谓正确与错误的，事实也是如此，哲学史上有几乎数不清的自然哲学学说，笔者就不知道究竟哪一个学说是正确的，哪一个是错误的，因为无法用经验对之进行检验。

但是对自然现象的第二类解释，情况就不一样。由于这类解释是分门别类的、具体的，因而从理论上讲完全可以在人类经验范围内得到检验。不难理解，这些能够在人类经验范围内得到严格检验的自然知识就属于科学——实证知识。然而遗憾的是，在古代人类只有通过观察才能获得经验，而人类观察到的自然现象是在天然条件下产生的，用这种方法获取经验要受到许多因素的制约。第一，天然的自然现象是在综合因素的作用下产生的，其中有些因素是主要的、必然的、本质的，而有些因素是次要的、偶然的、非本质的，这些因素相互交织在一起，我们根本分不清究竟哪些是主要的、必然的、本质的因素，哪些是次要的、偶然的、非本质的因素。这样一来，人们获得的经验很可能是错误的。比如说，在日常生活中我们通过观察发现，石头、砖头等较重的物体在空中下落得快，而树叶、灰尘、纸屑、鸡毛等较轻的物体在空中下落得慢，于是人们很自然地得到一个经验：物体下落的速度与重量似乎成正比。连亚里士多德这样富有智慧的人都被误导了，何况我们普通人。第二，天然的自然现象由于受到诸多自然条件的限制，有许多重要现象不出现或极少出现，或即使出现我们人类也觉察不到，因而人们就没有或极少这方面的经验。比如住在赤道附近的人就不可能知道水还能变为固体的冰；人们并不知道地球在自转；并不知道在空气中有很多细菌和病毒等等。第三，天然的自然现象的出现受到种种偶然因素的影响，一般都没有系统性和规则性，因而人们获得的经验也没有系统性。

因此，在古代社会人们要想只凭观察，尤其是只凭人的感官而不使用仪器完成的直接观察所获得的经验对第二类解释进行严格检验，几乎是不可能的，或至少要受到极大制约。既然第二类解释在绝大多数情况下同样不可能得到人类经验的

严格检验，那么它与第一类解释在被人们认可或接受的方面就没有什么本质差异。这就是说，在古代社会，科学和自然哲学之间不仅在研究对象、研究目的、研究方法方面是相同的，而且更重要的是它们作为人们对自然界的解释体系都不可能被严格检验。这就意味着，我们实在拿不出一个确定的标准把古代的科学和自然哲学区分开。换句话说，作为分门别类的自然知识的科学，在古代是以一种潜在的形式被包容在作为总体性或概括性的自然知识的自然哲学中的。

二、实验方法是近代科学诞生的决定因素

通过以上讨论我们已经知道，古代社会中之所以科学和自然哲学不可能截然分开，主要是因为它们作为对自然界的解释体系，都不可能在人类经验范围内得到严格检验。但是不难理解，对自然现象的第一类解释和第二类解释从本质上讲是具有内在区别的：前者本身就是超验的、形而上学的知识，因而任何时候都不可能得到经验的检验；而后者在理论上是可以通过经验对之进行严格检验的，只要有合适的、精确的经验即可。这样一来，问题就变成：人类如何才能获得合适的、精确的经验对第二类解释进行检验呢?不言而喻，运用实验方法可以使人们获得这样的经验。 最早认识到实验方法对检验自然知识的重要性的人是哲学家R·培根，他明确指出：“凡是希望对于在现象背后的真理得到毫无怀疑的欢乐的人，就必须知道如何使自己献身于实验。”他自己也是这样做的，他一生中进行过许多物理学、化学，尤其是光学实验，提出过许多有价值的科学设想。“他清晰了解只有实验方法才能给科学以确实性。” R·培根不愧是实验方法的一位先驱。

对实验方法的创立并把它应用于检验科学知识做出巨大贡献的人无疑非伽利略莫属。伽利略有目的、有意识地运用系统的实验方法论证了斜面、落体运动的规律，从而奠定了动力学基础。伽利略把实验方法和逻辑推理方法(包括数学方法，因为数学实质上也是逻辑)和谐地结合在一起，形成了一套完整的行之有效的科学研究方法，使科学知识能够在人类经验范围内得到严格检验，从而最终推动了近代科学从自然哲学母体中分化出来，使之走上了独立发展的道路。正如伽利略自己所说：“我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里定会博得许多人的重视。”伽利略所倡导的科学研究方法大致如下：

如果说伽利略的功绩在于发明创造了系统的实验方法，并身体力行地运用实验方法奠定了动力学基础，从而为人们“树立了科学地把定量实验与数学论证相结合的典范”，那么F·培根的功绩则在于不遗余力地宣传实验方法对科学研究的重要性，从而为实验方法的推广和普及做出了不可磨灭的贡献。他指出：“一切比较真实的对于自然的解释，乃是由适当的论证和实验得到的，感觉所决定的只接触到实验，而实验所决定的则接触到自然和事物本身。”他把人类经验分为两类：一类是自然发生的，叫偶然事件；另一类是有意去寻找的，就叫实验。F·培根认为后者比前者更重要，因为只有从实验中才能达到真理。为了与亚里土多德极力主张的通过“演绎——推理”获得真理的方法《工具论》相区别，他把自己所极力倡导的通过“实验——归纳”获得真理的方法叫《新工具》。那么，为什么当时F·培根认为实验方法可以使人们获得合适的、精确的经验，从而能够成为达到真理的主要方法呢?这正是我们要进行讨论的问题。

大家知道，对科学知识的检验只有两种方法：逻辑方法(包括数学方法)和经验方法。逻辑方法检验科学知识作为理论体系是否能够自圆其说，即是否具有逻辑自洽性；经验方法检验科学知识作为对自然界的认识是否与之相一致。从前面的讨论中我们不难看出，科学和自然哲学之间的区别并不在于它们作为解释体系是否能够自圆其说，而在于它们能否被人类经验所检验。而要想获取能够对科学知识进行严格检验的人类经验，只有借助实验方法。

实验方法的本质在于它是人们根据一定的研究目的，运用适当的物质手段(科学仪器和设备)，人为地控制模拟或创造自然现象，使之以纯粹、典型、精确、系统、明显的形式表现出来，从而获取人类经验的方法。实验方法之所以能够使人们获得合适的、精确的经验，主要由于它具有以下优点：

(一)可以简化和纯化研究对象，使人们获得“纯粹的”经验

马克思曾指出：“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。”科学家之所以要在“纯粹形态”下检验科学假说，就是要排除天然自然现象中的那些偶然的、次要的、非本质的因素的影响或干扰。而实验是由人来控制或创造自然现象的，因此可以通过科学仪器和设备所创造的条件，根据研究目的，突出主要因素、本质因素，排除次要因素、偶然因素和外界影响的干扰，使人们需要认识的某种属性或关系在简化、纯化的状态下显现出来。例如，为了检验扬振宁、李政道所提出的弱相互作用下宇称不守恒假设，著名物理学家吴健雄在1956年成功地进行了钴－60实验。在常温下由于钴－60本身的热运动，其自旋方向是杂乱无章的，因而无法检验。于是吴健雄把钴一60冷却到0.01K，使钴核的热运动停止下来，这样一来，就排除了热运动这种干扰因素，使钴原子核B衰变中上下不对称的现象显示出来，从而证实了弱相互作用下宇称不守恒假设。

再如，我们要想在自然条件下验证气体的压强、体积和温度之间的定量关系几乎是不可能的，然而在实验室中，我们可以利用实验仪器和设备使温度保持不变来单纯显示压强与体积之间的关系，或使体积(压强)保持不变来单纯显示压强(体积)与温度之间的关系，从而最终验证气体的压强、体积和温度之间的关系。

所以说，实验方法可以根据人们的研究目的，简化和纯化研究对象，从而使人们获得“纯粹的”经验，用这些“纯粹的”经验就可以严格检验或证明人们提出的“科学假说”。

(二)可以强化研究对象，使之处于极端状态，从而获得“极端的”经验

一般说来，人类可以直接接触到的自然现象都不会处于极端状态，因为自然界本身通常不会出现极端状态。但是事物的许多性质、许多特征只有在某种极端的状态下才显现出来，而且这些在极端状态下才显现出来的事物的性质或特征对科学研究而言具有非常重要的价值和意义。而通过实验人们可以创造出自然界中通常不可能出现的特殊、极端的条件，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强电场和磁场、超纯物质、过饱和气体等等，以发现事物在这些极端状态下的性质和特征，从而使人们获得“极端的”经验。

例如，在通常情况下物质只有3种状态：固、液、气态。但在超高温条件下，物质会处于由离子、电子及未经电离的中性粒子组成的“等离子体”态，它与气体有非常不同的物理性质。再如，

当光源放在足够强的磁场中时，所发射光谱的谱线会分裂成几条，而且每条谱线的光都是偏振光，这称之为塞曼效应。

很显然，如果我们不通过实验方法制造出诸如超高温、超低温、超高压、超强电磁场这样的极端状态，就永远不可能获得这些重要的“极端的”科学事实或经验，而这无疑将非常不利于对有关科学假说的严格检验或证明。

(三)实验可以延缓、加速或再现自然过程。从而使人们获得“人造的”经验

自然界中有许多现象对人类的认识而言，其过程的变化不是太慢，就是太快，有些现象甚至出现过一次就再也不会重复，这样一来，就给人类研究和检验有关科学假说造成极大困难。要克服这一难题，人们可以根据研究目的的需要，在实验室中通过人为的控制方法加速、延缓或再现所要研究的自然过程，从而获得相关的可靠信息。

比如，人们为了研究地球气象的变化．可以进行大气模拟实验。它可以将距地面几万米的整个大气层的运动在实验室中模拟出来，大气环流模拟的转台，每半小时左右转一圈就能模拟一天气候的变化，3个小时可以模拟一年气候的变化。

此外，实验方法还可以根据研究的需要，不受时间、空间和其他客观环境因素的限制获得系统的实验数据，使人们获得系统的经验等等。

通过以上讨论我们不难看出，实验实质上是人们根据自己的研究需要，使用科学仪器和设备创造自然现象的过程。通过这些自然界中几乎不出现或极少出现的自然现象，人们可以获得定向的、系统的、典型的、精确的、专业的经验，而以这样的经验就可以对科学假说进行严格检验。这样一来，人类就可以借助实验方法把对自然现象的第二类解释和第一类解释严格区分开：第二类解释成了科学，它属于所谓的实证知识或叫实证科学；第一类解释仍然还是原来的自然哲学，它属于所谓的形而上的知识或叫形而上学。

需要补充说明的是，实验方法不仅可以创造出检验科学假说所需的经验事实，而且也可以创造出自然界中不出现或极少出现的自然现象供人们进行更广泛的科学研究，或者说，也可以为人们提供数量更多、质量更高的科学事实作为科研的第一手感性材料。前者通常叫验证性实验，后者叫探索性实验。这就是说，有了验证性和探索性实验，人类不仅可以对通过理性思维而推演得到的科学假说进行严格检验，从而促进近代科学的诞生，而且还可以获得更定向、更系统、更典型、更精确、更专业的科学事实供人们进行更有效的科学研究，从而促进科学不断向前发展。 人们凭直觉就可感到，如果没有实验方法或不借助实验，近代意义上的科学就几乎不可能存在，更谈不上发展。西方人直到牛顿时代，仍把科学与自然哲学看作是一回事，甚至直到今天，他们还认为“科学与哲学两个领域的划分是很不容易的事。”原因很简单，因为科学与自然哲学的研究对象、研究目的、研究方法几乎都相同。现在我们知道，科学与自然哲学的唯一区别仅在于，前者可以获得人类经验的检验：证实或证伪；而后者是超验的形而上学，因而不可能被人类经验加以检验。因此，我们可以把科学看作是可以被人类经验检验的，而把自然哲学看作是不可能被人类经验检验的。

(责任编辑　杨海濒)

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