近代自然科学的科学实验与实验科学的兴起

科学实验是一种以认识自然为首要目的的实践活动。它作为认识自然的研究方法, 在很多方面优于一般的观察和生产实践活动。虽然在古代就已经出现了科学实验的萌芽和雏形, 但始终没有成为科学家们普遍应用的科学方法。伴随着自然科学同宗教神学、经院哲学的激烈斗争, 一批哲学家、科学家极力提倡科学实验, 并把科学实验作为科学战胜对手、壮大自己力量的有力武器。由于科学实验日益成为独立的社会实践方式, 不仅使近代自然知识有了特有的实践基础, 也促进了科学形态的变化, 出现了与古代实用科学、自然哲学不同的崭新的科学形态, 即实验科学。近代自然科学是建立在科学实验基础之上的实验科学。 早在 13 世纪时, 罗吉尔·培根就曾提倡科学实验, 由于时代的限制没有产生多大影响。达·芬奇在反对教会和经院哲学的斗争中,主张向大自然请教, 提倡实验方法, 认为科学如果不是从实验中产生并以一种清晰实验结束, 便是毫无用处的, 充满荒谬的, 因为只有实验才是确实性之母。达·芬奇被称之为近代实验科学的开路先锋。近代实验科学的奠基人和主要代表则是伽利略, 他生在意大利的比萨, 父亲是个酷爱音乐和教学的贫困的贵族。父亲的爱好和性格都在儿子身上重现。伽利略开始学的是医学, 由于爱好数学, 转而学习数学和物理学。通过对物理现象的独立研究, 他发现了被奉为权威的亚里士多德的许多严重错误。尽管因此而遭到非议, 但他认为只要自己的观点同经验和理性相符合便是正确的, 至于是否和旁人观点一致则毫不在乎。他一生不仅宣传哥白尼的天文学说, 而且发展了日心说。他利用合成的镜片, 制成了天文望远镜, 通过观测到的新事实, 批驳了经院哲学的教条。经院哲学认为, 球状天体是绝对完备的, 太阳毫无瑕疵, 宇宙间只能有一个环绕中心。伽利略却用观测事实宣布, 太阳有黑子, 月球表面有山谷, 木星有四个卫星, 犹如一个小太阳系。伽利略因用新的发现支持了哥白尼的学说, 被教会当做异端分子, 遭到了经院哲学的攻击, 说他触犯了亚里士多德的权威。1615 年, 罗马教会传讯伽利略, 教皇保罗五世警告他不得“持有、传授或捍卫”哥白尼的理论。但是伽利略并没有放弃自己的观点, 他于 1632 年发表了轰动整个学术界的 《关于两大世界体系(托勒密的和哥白尼的)的对话》 一书。这部著作被称之为近代天文学的三部最伟大的杰作之一(另两部是哥白尼的 《天体运行论》 和牛顿的 《自然哲学的数学原理》)。1633 年伽利略因发表 《对话》 再次受到罗马教会的传讯, 遭到刑讯逼供。伽利略被迫宣布放弃信仰, 但仍被判处监禁。虽然如此, 他对科学的热忱仍不减当年。在被监禁和半监禁的情况下, 在他一生的最后 9 年中,他一直进行着艰苦的科学研究工作, 完成了 《关于两种新科学(力学和运动的位置)的谈话与数学证明》 一书。这部书被秘密偷运到荷兰于 1638 年出版。伽利略对天文学的贡献固然重要, 从对科学的发展看, 他对力学的贡献更为重要。由于伽利略的工作, 创立了动力学, 即关于运动物体的科学。亚里士多德认为物体下落的速度正比于物体的重量, 所以重物体要比轻物体降落得快。1586 年, 斯台文曾作过一次实验, 把两只重量不同的铅球从 30 英尺的高度同时落下, 发现它们几乎同时落到木板上, 重物体并不比轻物体下落得更快。
据说, 伽利略也曾在比萨斜塔上作过类似的实验。究竟伽利略是否作过这个实验, 科学技术史界至今仍有不同看法。其实伽利略的重要贡献并不在于作过一次实验, 而是在于他作了一系列巧妙的落体实验, 对实验作出了理论分析, 并用数学方法对实验结果定量地加以表示出来, 由此否定了亚里士多德的错误结论, 建立了自由落体运动的定量规律。为了弄清落体运动的过程和原因, 伽利略首先引入匀加速度的概念, 以区别于亚里士多德的匀速度。亚里士多德认为, 力是产生运动(速度)的原因; 伽利略通过实验及理论分析表明, 力是产生加速度的原因, 力所引起的“不是物体的运动, 而是运动的改变”。自由落体的速度与落体重量无关, 但却随时间的增加而增加。其定量关系是: 降落速度 V 与时间 t 成正比, 降落距离 S 与时间 t的平方成正比。这就是自由落体定律。伽利略通过斜面实验和摆的实验检验了上述的结论。由于自由落体运动得太快, 不能直接测量它通过的距离和所用的时间。伽利略便设计和制造了一个光滑的斜面和平面, 让黄铜小球沿斜面下滑到不同的预定距离, 再对其所用时间加以比较, 证明了所经距离之比与时间平方之比相等。通过斜面实验还发现了一些新的重要事实: 小球的末速度与斜面的倾角无关, 仅随垂直高度而变化; 获得一定的末速度的小球, 当进入到一个平面之后, 如果没有外力的作用, 且平面足够长, 它就将按原有速度作匀速直线运动, 一直运动下去。由此又引出来一个重要的力学原理, 即物体在不受外力作用的条件下, 其运动速度将保持不变。这就是惯性定律。在这之前,自亚里士多德以来, 人们却一直认为, 物体只有在不断受到力的作用时才能运动。惯性定律则彻底否定了这个错误的结论, 这也证明了力是产生加速度的原因。为了消除空气阻力对实验中的运动物体的影响, 消除运动物体和斜面接触时所产生的阻力(即摩擦力) , 伽利略又进行了单摆实验, 证明了媒质的阻力在摆的振动中没起多大作用, 同时证明了相同的摆摆动一次所花时间相同, 与摆的振幅大小无关。摆振动的同时性的发现, 使伽利略想到有可能制造摆钟。他曾指示他的儿子和学生动手研制单摆钟。在成功地把摆的振动和落体运动相类比之后, 伽利略又对抛射体的运动进行研究。按亚里士多德的冲力理论, 一个抛射体因获得冲力而直线上升, 然后当冲力耗尽之后, 再在引力作用下垂直下降。伽利略则证明了一个沿平面运动的物体, 当运动到平面的尽头时, 一方面按惯性原理则该物体应按同一方向匀速运动; 另一方面该物体因失去支撑, 按自由落体定律应垂直下落。这两组运动组合起来, 便使该物体的运动路径形成一个半抛物线。当把一个物体沿倾斜面上抛时, 它的路径则恰好是一条抛物线。这可以用力的平行四边形法则求出来。因此, 牛顿把伽利略说成是力的平行四边形法则的发现者。
伽利略作为近代实验科学的奠基人, 不仅以自己的实验成果启示人们如何去进行自然研究, 而且告诫人们必须用实验去获得物理学的基本原理和考核推理的结果, 而不能盲目相信书本。特别是伽利略还把实验的观测同数学的演绎结合起来, 而不是单纯依靠经验。伽利略的实验方法、数学方法和分析方法, 深刻地影响了与他同代和在他以后的科学家们, 成为以后科学研究的基本方法。在伽利略的时代, 还有一些科学家们积极提倡实验方法。英国的吉尔伯特(公元 1540—1605)就是其中之一。他赞赏工匠的经验技能, 反对盲目信仰权威。吉尔伯特对磁学进行了多方面的实验研究, 并把他写成的书“献给那些在实践中寻求知识的人”。由于吉尔伯特是个御医, 他曾在女皇伊丽莎白面前作过磁石实验, 因而吉尔伯特的实验活动和尊重科学实验的思想, 在当时也有较大的社会影响。 科学实验活动的兴起, 近代科学方法的建立, 还有赖于哲学的引导。在科学从中古时代向近代转变的关头, 有两位杰出的哲学家积极倡导近代科学方法, 并对推动科学的发展有重要作用。一个是英国的弗兰西斯·培根(公元 1561—1626); 一个是法国的笛卡儿(公元 1596—1650)。两人虽然在哲学的基本倾向上不同, 性格也各异, 但他们都是看到了新科学的未来前景的人, 并用一种新哲学激励人们去为新科学的发展而奋斗。培根是一位坚持唯物主义传统的哲学家, 在 17 世纪的哲学家中, 他以尊重工匠传统而著称。他认为, 当时学术上的弊端, 一方面是学者不和工匠的经验接触; 另一方面则是工匠没有学问, 他主张学者传统要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”。这种结合将使工匠的手艺因运用科学方法变得更有成效; 学者们则从实际经验中获得教益, 并提高自己的水平。在他看来, 很多科学原理蕴藏在工匠的日常操作中, 这些操作经验是科学的可贵源泉。
培根继承了罗吉尔·培根、达·芬奇等人的思想, 强调了实验对科学的极端重要性, 同时重视理性的作用, 最后建立了实验归纳法。培根认为, 要得到正确的知识必须从事实出发, 通过实验收集大量资料, 然后进行对比分析, 排除无关因素, 找出个别事物中的普遍规律。在 《新工具》 一书中, 他不仅阐明了归纳法的重要性,而且提供了归纳逻辑中判明因果联系的求同法、差异法和共变法。
培根一生并没有作过一次实验, 没有提出一个自然科学概念,但不能因此而否定他对科学发展的贡献。他除了对建立实验科学方法论有贡献外, 在科学的重要社会功能的认识上, 提出了“要征服自然, 必须服从自然”的思想。由于人对自然的科学理解和对自然的技术控制是相辅相成的, 因而培根又提出了“知识就是力量”的口号。他在乌托邦 《新大西岛》 一书中, 勾画了建立学者们的合作团体的计划, 强调了学者们集体合作研究的重要性。在这种思想的倡导下, 17 世纪陆续建立了一批对后来科学发展有影响的科学组织。马克思和恩格斯在评价他的贡献时指出: “英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖是培根。”“按照他的学说, 感觉是完全可靠的, 是一切知识的泉源。科学是实验的科学, 科学就在于用理性方法去整理感性材料。归纳、分析、比较、观察和实验是理性方法的主要条件。”
笛卡儿则倡导科学研究中的演绎法, 强调数学方法的意义。笛卡儿是法国著名的数学家, 他把代数方程和几何学的曲线、曲面联系起来, 创立了解析几何学, 使辩证法进入了数学, 并奠定了近代数学———实验方法的基础。他继承了伽利略等人的思想, 认为科学与数学在本质上是同一的。在哲学上他是近代唯理论的代表, 强调理性在整个认识过程中的作用, 主张依靠人的理性来寻求可靠的知识。他认为科学始于怀疑, 倡导理性演绎法。他认为只有从不可怀疑的或不证自明的公理出发, 严格按照演绎法一步一步地进行推理, 才能推演出可靠的知识。他在一定程度上看到了单凭经验不能提供关于事物的本质的知识, 但认为理性是一切知识的泉源又是片面的。不过他并不排斥实验, 认为实验的功能在于确立演绎的结果与物理实验之间的一致性, 这又与培根的思想产生了共鸣。
笛卡尔致力于自然界观察，并意识到只有牵涉空间的“运动”可以用数学处理。作为解析几何的创始人，笛卡尔把数和几何学联系起来，从而表明空间或广延可以用代数公式表示。“他又引入现代数学符号以及运作方式，并且用x，y等字母代表未知线段，用a，b，c等字母代表已知数量，从而大大简化了代数问题的解决。这在数学的现代革命过程中是具有重大意义的决定性一步，从此数学思考的重心就从几何学的“形”转移到代数学的“计算”上去了。由此，笛卡尔把科学的统一性建立在研究方法——数学上，而数学的确定性就保证了知识的确定性，从而在数学角度为近代科学建立了形而上学的基础。
培根与笛卡儿的观点似乎是相互对立的, 其实他们是互相补充的。注重实验经验成为英国皇家学会和早期法国科学院的一项宗旨。18 世纪和以后的一些法国科学家奉行笛卡儿的原则, 在理论的创造上作出了贡献。培根和笛卡儿都对科学的前景给予充分估计, 相信自然科学将使人类成为自然界的统治者和占有者, 并将给人类带来更多的利益。 由于伽利略、培根、笛卡儿所倡导的科学精神的传播, 使一批科学家受到了感染。为促进实验科学的发展, 一批有影响的由科学家组成的社团, 陆续在各国建立。13 世纪以来建立的大学本来应该在发扬新科学的精神方面作出贡献, 然而由于教会的控制, 不仅把哲学变成了神学的婢女, 大学也变成了希腊童话中的灰姑娘。在近代科学产生时, 近代科学的先驱者们完全脱离了大学。为了适应新时代的需要, 必须有新的脱离教会控制的新组织。科学社团正是在这种需要中建立起来的。
在最早建立的科学社团中, 最有影响的有佛罗伦萨的西芒托学院或称实验学会。这是由伽利略的两个杰出的学生维维安尼(公元1622—1703)、托里拆里(公元 1608—1647)发起建立的。在正式建立之前, 已经有了一个由贵族资助的实验室, 配备有就当时来说很完善的科学仪器。各方面的科学家为了进行实验和探讨问题经常到这里来聚会。西芒托学院是由这种非正式组织发展而来的。在这个实验学会里, 科学家们进行了许多实验, 如关于空气压力的实验,水和其液体的凝固实验, 还对固体和液体的热膨胀、电和磁的基本现象进行了研究。他们采用精密的实验方法, 依观察实验的证据提出结论, 而不靠思辨的遐想。由于这是一种合作研究, 彼此间可以相互批评, 为使别人接受自己的结论, 惟一有效的办法就是要提供实验观察和计算的结果。以至于后来英国的皇家学会也是这样对思辨加以限制的。牛顿之所以厌恶科学上的思辨假说也是出于类似的原因。西芒托学院完全是由科学家自发组成的学术团体, 因缺乏支持仅活动了 10 余年便中止了。
英国的皇家学会是由培根的实验哲学的追随者们的一个非正式团体发展而成的。大约从 1645 年开始, 以威尔金斯(公元 1614—1672)为首的一批年轻科学家每周在伦敦集会。在这个自称为“哲学学会”的组织里, 他们进行实验和讨论科学问题, 涉及领域极其广泛, 但其成员约定神学和政治不在他们讨论的范围之内。由于人员迁居和政治动乱, 哲学学会的活动曾中止一个时期, 到 1660 年,伦敦的科学家们又恢复集会, 并提出建立正式的科学机构, 目的在于探索实验知识。1662 年 7 月 15 日, 蒙英王查理二世之特许, 创立了皇家学会, 创办时成员大约有 100 人。皇家学会一开始就形成一种制度, 即在学会的会议上把具体的探索任务或研究项目分配给会员个人或小组, 并要求他们及时向学会汇报研究成果。因此, 在早期的学会会议上, 都是会员作报告或演说, 演示实验, 展览各种稀奇的东西, 并对由此而提出的各种问题进行讨论。随着时间的推移, 逐渐又建立了各种专门委员会, 用以推进各部门的活动。各学科委员会不仅进行关于天文学、生物学、化学等基础理论的研究,还重视各种技术原理与工艺实践的研究, 反映了这一时期英国科学与生产联系的特点。1633 年由学会干事胡克起草的学会章程中明确规定: “皇家学会的任务和宗旨是增进关于自然事物的知识和一切有用的技艺、制造业、机械作业、引擎和用实验从事发明。”英国皇家学会通过开展活动, 包括出版 《皇家学会哲学学报》,不仅吸引了当时英国的一大批杰出的科学家, 激发了他们的创造活动, 在各个领域作出贡献, 同时对各国的科学家也产生了深远影响。几乎与此同时, 在法国也有一批哲学家和科学家开始进行非正式的聚会活动, 到 1666 年经法国国王路易十四特许, 成立了皇家科学院, 有 12 位科学家被委任为院士, 院士由国王发给薪俸, 研究工作也得到国王的资助。17 世纪的德国也建立了许多社团, 诸如自然研究学会、实验研究学会等。但是真正能与英国皇家学会、法国科学院并驾齐驱的德国科学社团则是柏林学院。这所学院是由微积分的创始人之一莱布尼兹(公元 1646—1716) 经多年规划和不断鼓吹的结果。虽然直到 1700 年才正式建立, 但必须将其看做是17 世纪的产物。
在科学社团的支持下, 开始出现了学术交流和传播知识的新手段, 即科学期刊。如英国皇家学会的 《皇家学会哲学学报》, 法国科学院的 《皇家科学院史以及数学和物理的论文报告》、《外国学者论文报告集》, 柏林学院也创办了自己的杂志。
科学社团的建立, 促进了实验科学的发展, 随之也推动了科学仪器的进步。显微镜、望远镜、温度计、气压计、抽气机、摆钟和一些船用仪表都是在实验活动中, 由科学家们发明的。以前的工具是由工匠们在生产实践中创造出来的。科学工具是从实验室里创造出来的, 但同时它们也在人类的其他活动中加以应用。当然, 这时的科学工具相对来说,还是比较简陋的, 但毕竟有了一个新的开端。初期科学社团的建立, 标志着科学活动方式的转变, 即从科学家的个人自由研究转向有组织的集体研究。它使科学成为一种社会建制, 变成了一种广泛的社会活动。科学家们正是在这种有组织的社会活动中, 取得了杰出的科学成果。牛顿的力学体系也正是在这样的条件下诞生的。