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科學(xué)推理的邏輯導(dǎo)論第 三 章觀 察 和 實(shí) 驗(yàn)第一節(jié)判決性觀察 為了檢驗(yàn)假說，也就是為了確證或反駁假說，科學(xué)家進(jìn)行觀察，同時也進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。就觀察不與外界事件相干涉這個意義上來說，觀察是被動的(這里我們忽略了對亞原子現(xiàn)象的觀察)。在這個方面，觀察可和實(shí)驗(yàn)形成對照。實(shí)驗(yàn)要求操縱事件，它包括創(chuàng)造條件，以便產(chǎn)生一些本來不會發(fā)生的情況。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)也包括觀察，但它還包含著比觀察更多的東西，因?yàn)橛眉僬f作指導(dǎo)，科學(xué)家按照計(jì)劃能觀察到那些在事件通常的“自然”過程中所不能觀察到的結(jié)果。然而，操縱事件不是隨時都可能的，所以，判決性的觀察在科學(xué)研究中起著重要作用。也許天文學(xué)領(lǐng)域是最明顯的不可能做實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，科學(xué)家不能影響天體的運(yùn)動，他所能做的一切便是對天體進(jìn)行觀察。但他能選擇那些最適合于他研究目的的天體和時刻。例如；當(dāng)天文學(xué)家開普勒(157l-1630)試圖檢驗(yàn)與行星軌道有關(guān)的多種假說時，他就決定研究火星的運(yùn)動，即它在不同時刻的位置。開普勒使用了非常精確的觀察資料，這些觀察資料是由一個比他稍早一些的天文學(xué)家第谷布拉赫所得到的。開普勒采用了一個假說，根據(jù)這含假說，就能夠演算出一個行星在某種時刻會在什么位置，或者過去曾經(jīng)在什么位置，然后他可以觀察，或檢查記錄，看這個行星是否占據(jù)了或已經(jīng)占據(jù)過演算出來的位置。如果在演算和觀察之間達(dá)到一致，假說就被確證；如果不一致，假說則被反駁。開普勒最初的假說是，火星運(yùn)行的軌道是圓形的，但由于觀察資料(布拉赫的觀察資料)與這種軌道不相符合，這個假說就不不被放棄。在經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)觀察薊的位置符合橢圓形的軌道后，開普勒形成了這樣一個假說，即行星運(yùn)行的軌道是橢圓形的。這個假說被觀察資料確證了。然而作為一個進(jìn)步的假說，他認(rèn)為其他行星軌道也是橢圓形的。隨后而來的許多觀察資料證實(shí)了這個假說，以后又得到牛頓萬有引力理論的部分確證(參看第五章第三節(jié))。 這是應(yīng)用假說一演繹法的一個例子。一個假說被提出來了，然后便是演繹或演算。據(jù)此可推算出，如果假說是正確的，什么是可望觀察到的東西。人們希望，觀察能與已被演算或演繹出來的東西相一致。如果觀察和演算或演繹相一致，就認(rèn)為假說得到了確證，否則，假說便被反駁，科學(xué)家必須再進(jìn)行思考。假說一演繹法在第四章第七節(jié)將得到更加充分的討論。必須指出的是，盡管在對這一方法進(jìn)行說明時沒有提到歸納，但并不意味著歸納推理是無效的。如果我們不通過歸納法概括并推出在將來假說會被同樣的觀察所確證(或反駁)，那么假說被觀察所確證(或反駁)這一事實(shí)就幾乎沒有什么價值。在確證了火星運(yùn)行軌道 事實(shí)上軌道還不完全是橢圓的，因?yàn)槊總€行星都受其他 行星的影響，也受太陽的影響，但是布拉赫的資料不夠精確， 因而開普勒還無法發(fā)現(xiàn)這種差別。他所有的資料對他來說僅僅 精確到足以提出橢圓軌道(參看本章第五節(jié))。 是橢圓形的以后，開普勒再次通過歸納推出它將繼續(xù)沿一橢圓形軌道運(yùn)行。進(jìn)一步的假說即其他 行星的運(yùn)行軌道也會是橢圓形的便是一個類比推理。已知行星在某些方面是相似的，例如：它們都圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，本身都不發(fā)光。通過類比便推出，如果一個行星運(yùn)行軌道是橢圓形的，那么其他行星的運(yùn)行軌道也是橢圓形的。就所有的類比推理都涉及到某種歸納(考看第二章第二節(jié))而言，這個推理中也含有歸納 通過考察對愛因斯坦廣義相對論的確證，我們可以研究判決性觀察在科學(xué)研究中的另一種應(yīng)用。從廣義相對論有可能推出：行星繞太陽運(yùn)行的軌道應(yīng)該是旋轉(zhuǎn)的而不是固定的橢圓形。在19世紀(jì)，法國天文學(xué)家列維耶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金星的軌道顯示出一種繞太陽旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。愛因斯坦計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的總幅度。假定他的理論是正確的，則人們可望觀察到的旋轉(zhuǎn)幅度將與計(jì)算相一致。愛因斯坦還預(yù)測：當(dāng)光線靠近像太陽這類能產(chǎn)生一個大的引力場的巨大物體時，光線就會彎曲而不成直線，因此太陽就應(yīng)該使來自于其他行星的光線 就像上面已經(jīng)指出的，行星的橢圓形軌道可以說是從牛頓的萬有引力理論中演繹出來的，所以事實(shí)上它不必依靠類比推理，至少對于我們來說不必依靠于它。然而對于開普勒來說還是要依靠類比推理的彎曲。這種彎曲在一次日蝕中得到了測量，因而愛因斯坦的理論再次得到了確證。從愛因斯坦的理論還有可能預(yù)測：在一個巨大天體中的元素的光譜線將移向光譜的紅端。觀察表明太陽中某種元素的光譜線確實(shí)移向了紅端，這又一次證實(shí)了愛因斯坦的理論。因此我們看到判決性觀察能幫助建立一些非?；镜睦碚?，且有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)并不是非有不可。 使用判決性觀察而不使用實(shí)驗(yàn)的另一個領(lǐng)域是社會科學(xué)領(lǐng)域，或者說是社會科學(xué)。在這里要操縱事件自然也是不可能的。而且，在某些情況下，就像在考察取消重要商品市場的效果的情況下，即便操縱事件按自然律是可能的，道義上也不可能。為了研究判決性觀察在這些事例中的作用，我們可以以弗蘭西斯高爾頓(18421911年)關(guān)于祈禱效能的研究為飼。在這個例子中，高爾頓要檢驗(yàn)假說：在獲得所祈求的東西中。祈禱有效。必須強(qiáng)調(diào)，高爾頓不是研究對于一個正在祈禱的人來說祈禱的價值，這是心理學(xué)研究的問題，而不是社會學(xué)研究的問題。 高爾頓說，如果祈禱有效這個假說是真的。那么人們經(jīng)常祈禱的東西就會出現(xiàn)。這是從假說得出的一個演繹結(jié)論。如果能夠表明：祈禱在獲 高爾頓的祈禱效能的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究于1872年出版。取祈求的東西上是成功的，那么假說因此就會得到確證。在19世紀(jì)，人們經(jīng)常去做禮拜，而且總有許多人每個星期天都在祈禱王后和王室成員健康、長壽。高爾頓查看了那些經(jīng)過確證的關(guān)于王室成員死亡年齡的記載，并與那些同樣被確證過的關(guān)于較高社會階層成員死亡年齡的記載進(jìn)行比較，如果結(jié)果表明王室成員比其他人活得長，那么祈禱似乎是有效的。但事實(shí)卻相反，王室成員的情況似乎更糟。平均說來，王室成員相對于 貴族成員、紳士、陸軍和海軍以及各種職業(yè)的人員要少活26年。這可以表明：祈禱有效這個假說已經(jīng)被反駁。但是，一個假說或理論不會如此輕易地遭到反駁，這就是觀察為什么必須是機(jī)警的、判決性的原因。人們有理由論證說：為王室成員作的祈禱是不忠誠的，其中有許多祈禱是由那些卑微的人作出的，盡管這些人經(jīng)常出入教堂!也許只有虔誠的人所作的忠誠的祈禱才能夠有效?？紤]到這種反駁，高爾頓決定研究神父為他們自己的小孩所作的祈禱的效果。沒有人能夠懷疑為自己的小孩作的祈禱是不虔誠的，人們還不至于會說大多數(shù)神父是不虔誠的。那么由此說來在神父階層中的死胎因此就要少于其他職業(yè)階層中的死胎(將關(guān)于勞動階級的記載包括在內(nèi)不是好策略，盡管已經(jīng)得到了這些記錄，因?yàn)樗麄兩顦?biāo)準(zhǔn)太低)。高爾頓考察了Record報和泰晤士報的出生和死胎的通告，發(fā)現(xiàn)在神父家庭里，死胎和活胎的比率和其他家庭是一樣的。 但是，也許高爾頓對這個理論最有力的反駁是他對保險公司獲取據(jù)以確定其年金保險率信息的實(shí)踐的考察所揭示的。他注意到，保險公司在接受人身保險時，對于申請保險者的健康狀況和過去的醫(yī)療史作出了保密性的研究，但是從來沒有問及過“他習(xí)慣于用家庭祈禱和私人祈禱嗎?”這樣一類的問題。還有，如果一個祈禱者可望延長壽命，增進(jìn)健康，那么對于虔誠的祈禱者來說，其年金率就應(yīng)該比那些不敬神的人要高一些。 總的來說，高爾頓的觀察(通過嚴(yán)格選擇的觀察和對記錄下來的某些種類的觀察資料的反駁)沒有證實(shí)祈禱有效論。它們還表明，判決性觀察在科學(xué)研究中起著很有價值的作用，它能幫助我們確證或反駁理論，就像能動的實(shí)驗(yàn)所能做的那樣。觀察在科學(xué)中還有另一個非常重要的功能，即對反例、反常事件或反?，F(xiàn)象的觀察。一個反例可以包括具有某種特定屬性的事件的異常高或異常低的部分。在某種社會研究中，當(dāng)對事實(shí)進(jìn)行分類時，可能注意到反常。這一類反常被塞麥爾維斯觀察到了(參看下一節(jié))。我們可以看到：正是對一個朋友在特殊情況下死亡這一個反常事件的觀察，給塞麥爾維斯的解釋性假說提供了一個線索，這個假說能說明他已觀察到的原來那個反例。在一個實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，可以觀察到一 個偶然反常，這一類反常被普利斯特列觀察到了 (參看本章第三節(jié))。反常有時也可以在常規(guī)研究中被觀察到。我們已經(jīng)知道(第二章第三節(jié))羅利是如何注意到在大氣中獲得的氮比在氮化物中用化學(xué)方法獲得的氮密度要大這個反常事實(shí)的。在所有這些事例以及在其他事例中，對反常的觀察促進(jìn)了假說的提出和進(jìn)一步研究。但是反常不是被那些僅靠幸運(yùn)的人觀察到的，它們只能被那些對研究課題具有豐富的經(jīng)驗(yàn)以致他們知道期望什么因而什么才能被看作反常的人觀察到。因此，判決性觀察還有一個進(jìn)一步的功能。它不僅可用于檢驗(yàn)假說，而且也可以促進(jìn)有經(jīng)驗(yàn)的聰明的科學(xué)家作出新假說來解釋一個反常。對一個反常的觀察也可以為新的解釋性假說提供線索。第二節(jié) 能動的實(shí)驗(yàn) 判決性觀察可以以能動的實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充。在實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家可以有意識地控制某一事件，先擁有一個指導(dǎo)性假說，并以此來決定他對實(shí)驗(yàn)的安排。這個假說可能得到證實(shí)或遭到反駁，但不論是哪種情況，他的研究都取得了進(jìn)展。通過考察19世紀(jì)維也納婦科醫(yī)生塞麥爾維斯的研究，可以正確地評價輔助判決性觀察的能動性實(shí)驗(yàn)的價值。 塞麥爾維斯觀察到，在他醫(yī)院的第一產(chǎn)房生孩子的婦女與在第二產(chǎn)房以及在維也納其他醫(yī)院生孩子的婦女有區(qū)別。這個區(qū)別就在于，前者有更大的可能患一種嚴(yán)重的通常是致命的疾病，即產(chǎn)褥熱。1844年在第一產(chǎn)房，病人的死亡率是8.2，1845年為68，1846年為114；而在附近的第二產(chǎn)房以及維也納其他醫(yī)院病人的死亡率一般在2到3之間。塞麥爾維斯的問題便是要發(fā)現(xiàn)在第一產(chǎn)房產(chǎn)生這種不尋常的高死亡率的情況的原因。我們可以說他是希望發(fā)現(xiàn)在第一產(chǎn)房中病人的重要的正類比。 必須強(qiáng)調(diào)，塞麥爾維斯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在第一產(chǎn)房中存在著一種反常，即由于產(chǎn)褥熱而導(dǎo)致一種反常的高死亡率。他沒有把這些數(shù)據(jù)當(dāng)作是偶然的波動而加以忽視，這本身便表明了他關(guān)于疾病的經(jīng)驗(yàn)。這是判決性觀察類型的一個例子，這種判決性觀察在上一節(jié)的結(jié)尾已提到過，它們對于奇怪的或反常的結(jié)果是很敏感的，并且促使科學(xué)家提出解釋性假說。 然而，在注意到這些反常數(shù)字之后，塞麥爾維斯也要有經(jīng)驗(yàn)才能提出，在第一產(chǎn)房中的病倒和維也納所有其他地方的病例之間那些重要的有關(guān)的區(qū)別可能是什么。他之所以決定用第二產(chǎn)房的病例作為實(shí)驗(yàn)的對照物或者標(biāo)準(zhǔn)病例，是因?yàn)樗卺t(yī)院中能控制局勢，即這是一個他能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域。他把第一產(chǎn)房的病例和第二產(chǎn)房的病例進(jìn)行了比較。他首先考慮在第一產(chǎn)房中存在一種流行病傳染的可能性，但他又認(rèn)為這是不可能的，因?yàn)樵跀?shù)月之內(nèi)，這種流行病會被消滅或者會擴(kuò)散到第二產(chǎn)房。他也懷疑那種認(rèn)為產(chǎn)生高死亡率是由于過分擁擠的建議，第二產(chǎn)房比第一產(chǎn)房擁擠得多，因?yàn)椴∪酥懒说谝划a(chǎn)房的名聲后，都盡最大努力避免進(jìn)第一產(chǎn)房而進(jìn)入第二產(chǎn)房。飲食的差別也可能站不住腳，因?yàn)閮蓚€產(chǎn)房中病人吃的是同樣的食物。也有人認(rèn)為：第一產(chǎn)房中的病人是醫(yī)學(xué)院的學(xué)生治療，而第二產(chǎn)房中的病人是助產(chǎn)士護(hù)理，前者比后者粗率得多。塞麥爾維斯不接受這種看法，因?yàn)獒t(yī)學(xué)院學(xué)生和助產(chǎn)士接受的都是同樣的訓(xùn)練。因此，所有這些條件之中的任何一個都不必加以改變，在考慮應(yīng)改變哪些條件時，塞麥爾維斯在腦海中形成了其他的假說。他首先提出假說：分娩的方式也許影響著死亡率。在第二產(chǎn)房中的產(chǎn)婦是用側(cè)臥法分娩的，而在第一產(chǎn)房中，產(chǎn)婦是用仰臥法進(jìn)行分娩的。 因此，塞麥爾維斯命令第一產(chǎn)房的產(chǎn)婦也應(yīng)用側(cè)臥法分娩。然而這對死亡率并沒有什么影響，所以分娩的方法與死亡率有關(guān)這個假說也遭封了反駁。隨后他又提出一個涉及到心理原因的假說，在第一產(chǎn)房中，牧師對臨盆的婦女作圣禮時，在接近病人之前不得不經(jīng)過5個病房。牧師跟著一個搖著鈴的侍者奇跡般地出現(xiàn)，也許會驚嚇著其他病人，而使他們更有可能引起發(fā)燒。而在第二產(chǎn)房中的病人便不會受到這種驚嚇，因?yàn)槟翈熤苯幼呓煲劳龅膵D女。塞麥爾維斯說服了那些到第一產(chǎn)房給病人作圣禮的牧師不經(jīng)過那5個病房，也不要有一個搖鈴的侍者，但是死亡率并沒有下降，所以這個假說也不得不放棄。其他假說也同樣遭到了反駁。最后在1847年，塞麥爾維斯得到了一個新線索，一個偶然的事件促使他提出了一個新的假說。塞麥爾維斯的一個同事在解剖一具尸體時，被解剖刀刺傷后顯示出產(chǎn)褥熱的跡象，結(jié)果死了。當(dāng)時，關(guān)于細(xì)菌在感染中的作用人們還一無所知，但是塞麥爾維斯認(rèn)為從尸體中(他稱之為尸體物質(zhì))取出的死組織可能會引起感染和死亡。他知道醫(yī)學(xué)院的學(xué)生在他們實(shí)習(xí)護(hù)理婦女時是直接從解剖室來的，因此他命令所有學(xué)生在進(jìn)入產(chǎn)房護(hù)理病人之前要用漂自粉洗手，因?yàn)槠追圩鳛橐环N漂白劑會損毀尸體物質(zhì)。在這個命令下達(dá)之后，第一產(chǎn)房的死亡率馬上下降，在1848年下降到127，可以和第二產(chǎn)房的死亡率133相媲美了。塞麥爾維斯的假說得到了確證。通過在經(jīng)驗(yàn)和觀察的指導(dǎo)下對病人的實(shí)驗(yàn)，塞麥爾維斯揭示了第一產(chǎn)房病例和第二產(chǎn)房病例之間重要的不同之處。在第一產(chǎn)房病例中重要的正類比就是這些病人都是由那些一直在進(jìn)行尸體解剖的學(xué)生檢查的。這個研究需要運(yùn)用一定的方法進(jìn)行認(rèn)真的有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)，但也需要判斷和想象，以決定哪些因素應(yīng)加以改變，同時利用那些沒有經(jīng)驗(yàn)的或缺乏想象力的研究者可能已忽視的線索。這個說明到今天對我們來說似乎顯得很明顯，但在19世紀(jì)就一點(diǎn)也不明顯了。畢竟這是第一次將與尸體接觸和感染相聯(lián)系，這個結(jié)論是判決性觀察和有計(jì)劃性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)際上，塞麥爾維斯是用一種在今天的維也納不能容忍的方法來進(jìn)一步確定他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。在確認(rèn)了尸體物質(zhì)引起了致命的感染之后，他通過實(shí)驗(yàn)確立了一條病理組織引起感染的基本原則，他和他的同事檢查了一個即將死于日益惡化的子宮頸癌的婦女，然后不洗手繼續(xù)檢查沒有受感染的其他12位婦女，這12位婦女后來都死于產(chǎn)褥熱。這個假說得到了證實(shí)，但這是以12條生命作為代價的。 在社會學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中，在某種程度上控制事件是可能的，但我們現(xiàn)在不認(rèn)為塞麥爾維斯的實(shí)驗(yàn)是有道理的。假如在今天做實(shí)驗(yàn)的話，他就不得不用動物。即便如此，也必須獲得特殊的批準(zhǔn)。同樣，許多心理學(xué)實(shí)驗(yàn)也是用動物來完成的，因?yàn)橛萌藖碜鲞@類實(shí)驗(yàn)在道德上是行不通的，同時也因?yàn)閯游锉热顺墒斓每煨?，所以有可能更快地獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。還有可能對幾代動物進(jìn)行連續(xù)的觀察，并由此檢驗(yàn)?zāi)切╆P(guān)于動物特征遺傳的假說。 但是，甚至在用動物所做的實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于哪些是可能而且容許的控制，仍有許多客觀上的和道義上的限制。正是因?yàn)樵谖锢韺W(xué)和化學(xué)這些自然科學(xué)中，存在著廣泛的能動的實(shí)驗(yàn)，所以在這些領(lǐng)域中科學(xué)家能隨心所欲地控制事件，以達(dá)到產(chǎn)生某種希望的結(jié)果，或發(fā)現(xiàn)某一特殊事件是否會發(fā)生的目的。沒有某種期望，就不會有實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家在不知道可能發(fā)生什么或他希望(或害怕)什么東西發(fā)生的情況下，不會毫無根據(jù)地改變條件。他總是受某種假說指導(dǎo)，即使這個假說的表述很模糊。就像我們已經(jīng)看到的那樣，某些偶然事件可能被觀察到，而且這些偶然事件對某種新的假說來說可能是一種啟發(fā)因素，這是確實(shí)無疑韻。就像我們將要看到的，這就是為什么科學(xué)家對于偶然事件的發(fā)生和反常事例如此關(guān)注的原因。但是偶然事件只對那些通曉規(guī)則性的人才是有益的。再者，甚至當(dāng)一反常被看作是一個反常時，要提供一種解釋還需要進(jìn)一步的知識。不是所有假說都是作為對反常的解釋而產(chǎn)生的，更通常的情況是：一個科學(xué)家往往是因?yàn)橛兄o出一種更明顯更確切的表述的抱負(fù)，而從一種模糊的常識性假說開始的。例如：已經(jīng)觀察到某種石灰質(zhì)泥土，當(dāng)它們加進(jìn)酸時發(fā)出劇烈的嘶嘶聲。蘇格蘭醫(yī)生和科學(xué)家約瑟布萊克(17281799年)做了各種實(shí)驗(yàn)，表明這種石灰質(zhì)泥土和強(qiáng)堿的關(guān)系以及在這種嘶嘶作響中自然產(chǎn)生的氣體所引起的結(jié)果。 布萊克用一種很細(xì)的白色粉末氧化鎂來開始他的研究。他一開始便選擇這種物質(zhì)，是因?yàn)樗J(rèn)為這種物質(zhì)與石灰石和石灰石泥土有共同的性質(zhì)，同時他還認(rèn)為這種物質(zhì)在減輕由于膽結(jié)石產(chǎn)生的痛苦方面比石灰、石灰水更有效。然而在這一點(diǎn)上他失望了，不過由此卻把他引向了其他方面的研究。 在對制備氧化鎂的方法給出了詳細(xì)的論述之后，布萊克描述了氧化鎂與各種酸的反應(yīng)； “氧化鎂發(fā)出一種強(qiáng)烈的泡沫或者空氣的爆炸聲，很快就被硫酸鹽、硝酸鉀、硝酸鹽以及蒸餾醋溶解，因此而產(chǎn)生的中性鹽溶液有其特殊性質(zhì)。” 我們應(yīng)該注意到布萊克所指的“空氣”不是指大氣層的空氣，他把大氣層的空氣稱作是“普通空氣”，“空氣”這個術(shù)語與“氣體”所表達(dá)的含意相同。一種氣體對于布萊克和大多數(shù)18世紀(jì)的同時代人來說就是一種空氣。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還表明了氧化鎂在加熱過程中會失去重量，而且加熱了的或燃燒了的氧化鎂與酸反應(yīng)時不再產(chǎn)生泡沫。布萊克小心翼翼地稱量了他的這些物質(zhì)：“把1英兩氧化鎂放在一個坩堝里大約1個小時，坩堝里的熱量達(dá)到足以融化銅的程度，當(dāng)拿出來稱量時只有3英錢零10分，或者說失去了它原來重量的712。 我用以這種方式制備好的氧化重重復(fù)在煅燒之前我做過的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如下： 它能在所有的酸中溶解，而且這樣化合而成的鹽與第一組實(shí)驗(yàn)中描述過的那些完全類似。但是應(yīng)該特別注意的是，它溶解時沒有任何泡沫產(chǎn)生。” 結(jié)論很明顯：加熱失去重量是由于“空氣”的失去。“觀察到了在火中氧化鎂的重量失去了如此之多后，我的下一個打算便是直接研究這些易揮發(fā)的成分化學(xué)家們在他們進(jìn)行蒸餾的過程經(jīng)常看到，盡管他們盡最大的努力以保留它，但物體的那那分總是從他們的感覺中消失。經(jīng)過進(jìn)一步研究，他們發(fā)現(xiàn)：以一固體形式隱藏在物體中的那一小部分空氣，通過火而被釋放出來，而且變成液體和有彈性的物質(zhì)。因此我們可以說：在氧化鎂的煅燒中失去的易揮發(fā)的物質(zhì)多半是空氣。因此煅燒過的氧化鎂，當(dāng)它與酸混合時不會放出氣體，或者不會產(chǎn)生泡沫?！?然后布萊克檢驗(yàn)_了把從煅燒過的氧化鎂和酸中形成的鹽加到低碳物質(zhì)中(已經(jīng)知道后者與酸反應(yīng)時產(chǎn)生泡沫)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一種不可溶解的物質(zhì)，這種物質(zhì)很像原來的氧化鎂，也就是煅燒之前的種氧化鎂。再者，新形成的氧化鎂的重量幾乎完全等于原來的氧化鎂的重量，細(xì)微的差別也能夠加以說明(參看下文)。用稱量過的樣本作進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，布萊克發(fā)現(xiàn)不管是在加熱之前還是在加熱之后，一定重量的氧化鎂事實(shí)上需要同樣重量的酸來溶解，他很容易地說明了重量的這種細(xì)微的差別： “通過加熱，易揮發(fā)的物質(zhì)從物體的固定部分分離，后者的一小部分重量通常就隨前者而消失，這可能是煅燒過的氧化鎂為什么被一定數(shù)量的酸所中和，而這一定數(shù)量的酸少于在煅燒之，溶解它所需要的酸，同樣也是阻止我們通過溶解和沉淀保留住全部原來的重量的原因?！辈既R克總結(jié)說：盡管天然的氧化鎂和煅燒過的氧化鎂看上去不同，但它們的區(qū)別僅僅在于天然的氧化鎂包含了相當(dāng)數(shù)量的“空氣”。這樣一種發(fā)現(xiàn)鼓舞著布萊克作進(jìn)一步的假定。他想：金屬在酸中溶解所獲得的多余的重量及后來被低碳物質(zhì)沉淀，可能不是由于這種低碳物質(zhì)所具有的“空氣”(他是正確的，一種低碳物質(zhì)如碳酸鈉，會使那種從金屬的鹽溶液中產(chǎn)生的金屬碳酸鹽沉淀)。他在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上還總結(jié)說：石灰質(zhì)泥土之間的關(guān)系如石灰石和石灰之間的關(guān)系，以及天然氧化鎂和煅燒過的氧化鎂之間的關(guān)系是一樣的。布萊克的實(shí)驗(yàn)是化學(xué)中早期工作的一些例證。這說明對配備材料的精確方法的評價以及關(guān)于物體重量的知識的相互關(guān)系。但是我們這里要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)。第一，像所有實(shí)驗(yàn)一樣，布萊克有必要擁有某種假說，某種對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的期望。這種期望可能不會實(shí)現(xiàn)，但它指導(dǎo)著工作，第二，我們看到在這種研究中，實(shí)驗(yàn)是必要的，在對化合物的變化的研究中，僅有觀察，哪怕是判決性觀察也是不夠的。調(diào)整那些在自然變化中發(fā)生的情況(例如使溫度和酸的強(qiáng)度增高)，以便發(fā)現(xiàn)更多的有關(guān)化合物的知識是必要的。在我們對自然過程的理解中，實(shí)驗(yàn)比純粹的觀察更能使我們?nèi)〉眠M(jìn)步。第三節(jié)偶然反常推動實(shí)驗(yàn) 前面的論述已對偶然反常的判決性觀察的價值有所涉及?？茖W(xué)家預(yù)見會出現(xiàn)類似于原先已觀察到的一組事例，而實(shí)際上卻出現(xiàn)了不同于已觀察事例的一個新事例，即使這些新事例還不能得到解釋，也必定會增加科學(xué)家關(guān)于世界的知識。但是，如果能找到某種解釋，就會更進(jìn)一步地增加知識。換句話說，如果反常推動科學(xué)家設(shè)計(jì)一種解釋性假說，而隨后的檢驗(yàn)又確證了它的話，那么，科學(xué)家將會學(xué)到更多的東西。偶然反常是如此重要，以致于許多科學(xué)家認(rèn)為偶然反常比任何假說都重要。例如我們引用第一個分離出氧氣的英國自然哲學(xué)家約瑟普利斯特列(17331844年)的陳述： “比起任何合適的設(shè)計(jì)或預(yù)設(shè)的理論來說，功勞更多的是屬于我們稱為偶然的東西，也就是歸功于對從未知原因中產(chǎn)生的事件的觀察之中，無論怎么重復(fù)這一點(diǎn)也不過分?！?然后他肯定地說在他開始用“空氣”作實(shí)驗(yàn)時，他沒有任何會導(dǎo)致他的發(fā)現(xiàn)的假說。但是，普利斯特列并不是在正確地分析他或其他科學(xué)家工作的方法。有必要區(qū)分根本沒有假說和用一種不大精確的假說，盡管后者可能與解釋反常的那個最終的假說很不一樣。就可能不存在精確的公式化的假說而言，普利斯特列是對的，同時在這個模糊的假說甚至可能得不到經(jīng)驗(yàn)證實(shí)這方面，他也是正確的。但是在他的隱意即假說是不重要的，而僅有偶然情況就能經(jīng)常導(dǎo)致科學(xué)家對事件作出正確的解釋這方面，他是錯誤的。就像已指出的那樣，除非科學(xué)家對他所期望的東西擁有某種理論，否則他不能夠辨認(rèn)反常。 沒有某種目的，科學(xué)家就不會進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)。他必須擁有某種假說或理論，以便達(dá)到他所期望的東西，雖然這個假說或理論是模糊的，也可能是不正確的。對觀察作出反映和整理是科學(xué)具有的本質(zhì)，但是這種調(diào)整必須從某種其他的見解中產(chǎn)生，這個見解是由另一個早先的假說所決定了的。正如我們將看到的那樣，普利斯特列的研究實(shí)際上是由假說所支配的，雖然作為一個真正的科學(xué)家，他最終能夠根據(jù)他做的觀察而改變自己的看法。正因?yàn)槿绱?，他發(fā)現(xiàn)了一種以前沒有被人們所認(rèn)識的物質(zhì)，我們稱之為氧氣。在發(fā)現(xiàn)氧氣之前，普利斯特列已制備了很多氣體。他研究了普通空氣的不同樣品，并且用一氧化一氮(他稱為“含氮空氣”)設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)，據(jù)此他能估計(jì)出普通空氣的不同樣品的“純凈度”。原來的實(shí)驗(yàn)是通過觀察1只老鼠在一給定空氣樣品中能生存多長時間來進(jìn)行的，但是普利斯特列認(rèn)為，既然沒有兩只完全相同的老鼠，那么這個實(shí)驗(yàn)就不可靠。他所設(shè)計(jì)的一氧化一氮實(shí)驗(yàn)是在一個空氣純度測定管中進(jìn)行的?？諝獾募儍舳饶軌蛲ㄟ^混合氣體體積的下降來估計(jì)(可以這樣做的原因普利斯特列還不知道，實(shí)際是一氧化一氮與氧氣化合能產(chǎn)生二氧化氮，它是一種可溶性氣體，因此這種氣體就溶解在試管底部的水中)。通過用普通空氣的不同比例和含氮?dú)怏w所做的反復(fù)試驗(yàn)，普利斯特列發(fā)現(xiàn)：顯示_出“純凈”的氣體的最佳比例是1體積的含氮空氣比2體積的普通空氣，或者0.5個單位的含氮空氣比1個單位的普通空氣。如果空氣是“純凈的”，那么在空氣純度測定管中把0.5單位的含氮空氣加到1個單位的普通空氣中，將不會導(dǎo)致試管中氣體體積的增加，事實(shí)上還會有所下降。換句話說，0.5單位的含氮空氣加上1單位的普通空氣等于比1單位氣體還少的氣體。普利斯特列備制了很多不同氣體，并且他知道加熱金屬化合物可能產(chǎn)生一種氣體。1774年通過加熱氧化汞(他稱為汞煅灰)，獲得一種新的氣體。他指出：蠟燭在這種氣體中能燃燒得更加充分。起初他認(rèn)為這種氣體是笑氣(他稱為脫燃素空氣)，早先他已備制了這種脫燃素空氣，而且證明了這種氣體能助燃.但是他對這種氣體可以從一種汞化合物中獲得感到迷惑不解。正象通常遇到的反常情況一樣，第一個而且事實(shí)上是合理的反應(yīng)便是懷疑存在著某種錯誤。在這種情況下，普利斯特列重復(fù)了他的實(shí)驗(yàn)。他首先采用從他朋友沃爾泰那里得到的汞煅灰的樣品，后來又用來自在巴黎的化學(xué)家凱德特的一種肯定是純的氣體的樣品。為獲得這種化合物的純樣品，他遇到了某些麻煩，但是他仍得到了同樣的氣體，即像他的脫燃素空氣一樣能助燃的氣體。但是他卻得出這樣一個結(jié)論，這種新的氣體不可能是脫燃素空氣。他的最初的假說被反駁了，這是因?yàn)樗^察到，這種新的氣體在各個方面的表現(xiàn)不像脫燃素空氣。但他仍然沒有產(chǎn)生這種新的氣體能適合于呼吸以及維持生命的想法。“這些事實(shí)完全使我相信，在來自汞煅灰的空氣構(gòu)成中和脫燃素空氣的構(gòu)成中，一定存在著一種十分重要的區(qū)別，盡管它們在某些特定的方面很相似。但是，雖然我不懷疑從汞煅灰中產(chǎn)生的空氣在水中搖動之后還適合于呼吸。我也不懷疑在第一個事例中它是可供呼吸的，但到目前為止，我不認(rèn)為這種空氣在這方面真的比大氣中的空氣要優(yōu)越。” 1755年3月，普利斯特列決定用空氣純度測定管來檢驗(yàn)這種新的氣體。他把已作出的這個發(fā)觀當(dāng)作一種最佳比例，即1個單位的這種新空氣比0.5個單位的含氮空氣。他發(fā)現(xiàn)，體積的減少幾乎和他把普通空氣和含氮空氣相混合時體積的減少一樣。這種一致是如此的巧合，以致手如果這種比例是普利斯特列所認(rèn)為的那樣，純氧將產(chǎn)生幾乎同等數(shù)量的可溶的二氧化氮，就像普通空氣一樣。這實(shí)際上是偶然結(jié)果妨礙發(fā)現(xiàn)的一個例子。后來普利斯特列提出了一個假說，即認(rèn)為這種新的空氣就是普通空氣： “此后，我雖然懷疑從汞煅灰中產(chǎn)生的空氣適合于呼吸，而且這種空氣具有普通空氣的所有其他性質(zhì)，但是我沒有注意到我可能已經(jīng)觀察到的東西，如果我不是完全地被不存在比普通空氣更好的氣體這樣一種觀念所支配，我也就會承認(rèn)某物的減少量大于普通空氣的減少量這個事實(shí)!” 他所獲得的新空氣為普通空氣的假說阻止了他正確評價某些事實(shí)的重要性。在這些事實(shí)中有這樣一個事實(shí)，即當(dāng)含氮空氣與這種新的空氣混合時體積上的減少量，比起通過混合給定比例的含氮空氣和普通空氣已經(jīng)獲得的體積上的減少量要稍微大一些。但是，雖然他說他不能確切地回憶起他為什么要這樣做，他還是把一根燃燒著的蠟燭放進(jìn)這種檢驗(yàn)過的混合物中。在把含氮空氣加進(jìn)去之后，他把蠟燭放進(jìn)殘留在空氣純度測定管中的氣體中。如果這是用普通空氣作實(shí)驗(yàn)的殘余物，那么這支蠟燭就會熄滅，而且根據(jù)普利斯特列的假說，這正是他希望發(fā)生的。然而使他驚奇的是，他注意到這支蠟燭仍在繼續(xù)燃燒著。即使如此，他仍然不愿意放棄他的假說，即這種氣體是普通空氣，而且他說他總是和他的朋友談?wù)撨@種空氣，并把它看成是和普通空氣一樣的氣體。他決定用1只老鼠來做實(shí)驗(yàn)，并聲稱這是為了使別人滿意而不是使他自己本人滿意。我們可能懷疑這話嚴(yán)格說來是否真實(shí)，有可能普利斯特列自己都為蠟燭繼續(xù)燃燒而感到莫名其妙，因?yàn)楦鶕?jù)他的假說，這是一個反常的異例。他說：“我得到1只老鼠，并把它放入1個玻璃容器中，容器中裝有兩個英兩單位的從汞煅灰中釋放出的空氣。如果它是普通空氣，像這樣1只完全成熟的老鼠將會在其中活大約15分鐘。但在這種空氣中，老鼠活了足足半個小時，而且盡管拿出來時它好像死了，但它卻顯得僅僅是凍僵了，因?yàn)榘阉平鹋赃?，它馬上又復(fù)活了，而且似乎沒有受過因?qū)嶒?yàn)而帶來的任何傷害?！彼呀?jīng)證實(shí)了這種新的空氣和普通空氣一樣好，但他仍然認(rèn)為這不是一種更好的空氣?！耙?yàn)楸M管某1只老鼠在一定量的空氣中只能活15分鐘，但是我知道另1只老鼠可能在中活半個小時并不是不可能的?！比欢?jīng)過考慮，他開始懷疑起來。他決心用老鼠還在呼吸的那種空氣作空氣純度測定的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然如果這種空氣是普通空氣，那么在空氣純度測定管的實(shí)驗(yàn)中，老鼠呼吸后所剩下的物質(zhì)就不應(yīng)該減少。使他感到驚奇的是(普利斯特列為他經(jīng)常重復(fù)“驚奇”二字而道歉)，他發(fā)現(xiàn)這剩余物產(chǎn)生了一個比普通空氣更好的結(jié)果。 最后他用不斷增加含氮空氣的數(shù)量的方法做空氣純度測定實(shí)驗(yàn)。很清楚，體積的減少表明這種空氣比普通空氣要好45倍。 “既然普通空氣通常在開始接受任何體積的含氮空氣之前，總是中和了大約一半容量的含氮空氣，而這種空氣在中和了4.5個單位以上的含氮空氣之后，其體積不再因加入更多的含氮空氣而縮小，甚至5.5個單位的也不能增加原來的體積，因此我認(rèn)為這種空氣比普通空氣要好45倍?！?普利斯特列已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了我們稱之為氧氣的氣體。我們已經(jīng)看到偶然結(jié)果是怎樣幫助普利斯特列的，盡管這些偶然結(jié)果也阻礙著他。我們也可以看到在整個過程中他的實(shí)驗(yàn)是如何受他當(dāng)時的假說所指導(dǎo)的，不是他按這一假說所提出的常規(guī)辦事，就是他研究一個反常，也就是他的假說沒有引導(dǎo)他去期望一個令人驚訝的事件，或者這種假說致使他不去做這種期望。我們也可能懷疑，有時候他對反常的敏感要高于他所作的說明。他說他是偶然地把燃燒著的蠟燭放入老鼠呼吸后的剩余物中的，但是這樣一個實(shí)驗(yàn)要是由一個缺乏經(jīng)驗(yàn)或天賦的人來做是不可能的。我們已看到，普利斯特列說他不能回憶起當(dāng)他做這個實(shí)驗(yàn)時，他頭腦中想的是什么，但他可能部分地意識到了在空氣純度測定管中的這種反應(yīng)，在用普通空氣做的實(shí)驗(yàn)中不能完全找到。他的說明證明：只有具有豐富的背景知識和一個能說明什么是期望發(fā)生的公認(rèn)的假說，才能正確地把偶然事件當(dāng)作一個重要的事件。第四節(jié) 證據(jù) 沒有人能掌握對于充分證實(shí)一個假說(哪怕是一個簡單的假說)所必要的全部觀察證據(jù)，必須大量依靠他人的證據(jù)。例如：當(dāng)開普勒作出演算以確定火星運(yùn)行軌道時，他不僅使用了自己的觀察資料，而且也使用了丹麥天文學(xué)家第谷布拉赫(1546一1601年)的觀察資料。他曾和第谷布拉赫一起工作過一段時間。布拉赫的證據(jù)比開普勒自己觀察的資料要好，因?yàn)殚_普勒相信第谷布拉赫是一個更加熟練和更加精確的觀察者。再者，即使他對自己觀察資料的數(shù)量和質(zhì)量都很滿意，他也總會依靠其他人所使用的儀器(即鐘和六分儀)的可靠性這種證據(jù)。即使制作、設(shè)計(jì)了自己的儀器，開普勒仍然不得不依靠其他人關(guān)于用來制作儀器的金屬和其他材料的可靠性證據(jù)。 前幾章描述的大量實(shí)驗(yàn)將使我們得出結(jié)論，即其他人的證據(jù)在任何科學(xué)研究中都起著關(guān)鍵性的作用。像開普勒一樣，愛因斯坦也不得不依靠他人的證據(jù)來預(yù)測日蝕、月蝕的時間，并且也得依靠在月蝕過程中已作出的觀察。還有，在考慮行星軌道的旋轉(zhuǎn)時，愛因斯坦依靠了列維耶關(guān)于金星軌道旋轉(zhuǎn)的計(jì)算。列維耶本人在為他的計(jì)算搜集材料時，也可能依靠了其他天文學(xué)家的證據(jù)。 很清楚，當(dāng)高爾頓為了正確估計(jì)祈禱效能而收集證據(jù)的時候，他不得不依靠其他人的證據(jù)，而且這些證據(jù)有著許多不同的來源。他不能親自搜集從Record報和泰晤士報中得到的那些數(shù)據(jù)，他不能親自去調(diào)查各職業(yè)階層的個別成員的壽命長度，甚至包括王室個別成員的壽命長度，并因此求出他擁有的平均數(shù)。 在做一個簡單的實(shí)驗(yàn)時，只使用我們自己的觀察資料，盡管常常行不通，但也許是可能的，但是當(dāng)使用統(tǒng)計(jì)資料時，我們就必須依靠證據(jù)，這種證據(jù)能夠而且必須加以嚴(yán)格的檢驗(yàn)。我們必須了解已觀察到的事例的數(shù)量以及他們所具有的細(xì)節(jié)，我們必須努力去研究這些事例是不是一個合理的樣本。當(dāng)使用統(tǒng)計(jì)證據(jù)時，我們可能需要一個統(tǒng)計(jì)學(xué)家來向我們保證：統(tǒng)計(jì)學(xué)的證據(jù)本身是可靠的。換言之，我們需要這樣的證據(jù)，即最初的證明是有價值的。這一點(diǎn)對所有的證據(jù)也是適用的，但是當(dāng)證據(jù)以統(tǒng)計(jì)形式出現(xiàn)時就更加如此，因?yàn)閷σ粋€外行來說，要正確估計(jì)其可靠性是太困難了。統(tǒng)計(jì)學(xué)從技術(shù)上來說可以是正確的，卻也可能是高度致錯的。但是在涉及到特定事件發(fā)生的證據(jù)時，當(dāng)然存在著可靠性的不同程度。我們可以撇開大量的證據(jù)，懷疑這些證據(jù)是由于感情用事，或帶有偏見，或是由于敵意或偏愛，而不把它們放在科學(xué)領(lǐng)域之內(nèi)的。但是我們?nèi)匀槐仨毧紤]證據(jù)中的偶然錯誤，考慮到在堅(jiān)持一個給定假說的過程中所包含的偏見。普利斯特列擁有當(dāng)?shù)厮巹熽P(guān)于其汞煅灰初始樣品的純度的證據(jù)，但他沒有像看待他的同事沃爾泰的證據(jù)一樣看待這一證據(jù)的價值。在關(guān)于化合物的純度上，他把凱德特證據(jù)的價值看得更高。盡管我們有時在估計(jì)我們對其有所了解的那些人的證據(jù)的價值時會帶有某些偏見(贊成或反對)，但是要對一個與給定領(lǐng)域相關(guān)的個體的證據(jù)的價值做出一個合理的客觀估計(jì)，還是有可能的。這種評估牽涉到那個個體的確定的、被檢驗(yàn)過的技巧和知識。但是我們不能如此肯定地說另一個人的證據(jù)在贊成或反對一個假說時就沒有偏見。事實(shí)上，感情是科學(xué)中的一種因素，因?yàn)橐粋€假說能帶著一種強(qiáng)烈的感情色彩而被接受或遭到反駁，這種感情的效果等同于感情偏見。我們所能希望的不過是，我們應(yīng)該知道這種情況對自己和他人的危險，因而要努力去避免它。就像以上所述，科學(xué)的理想是要不在任何假說中附加感情成分，但是既然科學(xué)家必須要由一個假說作指導(dǎo)，那么他要完全排除這種感情的卷入也許是不可能的。 我們認(rèn)為，那些由許多單個的人甚至相對來說一小部分經(jīng)過訓(xùn)練的有經(jīng)驗(yàn)的個人證明了的證據(jù)是可靠的。因此在許多獨(dú)立的沒有任何聯(lián)系的工人看來令人滿意的儀器，便被毫不懷疑地得到信任。由一個人或一個有很好聲譽(yù)的公司制作和設(shè)計(jì)的哪怕是一個薪儀器，人們也會毫不猶豫地加以使用。再者，如果實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得到許多彼此獨(dú)立的科學(xué)家的同意，那么他們的證據(jù)就將作為一種可靠的證據(jù)而加以接受。在這些情況下，只有存在某種肯定的理由來懷疑某種普遍的或許是基本的錯誤時，懷疑才會產(chǎn)生。如果這種情況確實(shí)發(fā)生了，那么就有必要仔細(xì)地觀察我們自己，或者做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)先前已接受了的證據(jù)。當(dāng)然那些本身便有疑問的觀察資料在其他研究過程中將不會被作為證據(jù)而使用。不管一個科學(xué)家或一個研究小組的工作多么著名、多么有聲望，他們關(guān)于某個新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的證據(jù)都將得到進(jìn)一步的研究。對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的說明總是和大量的實(shí)踐細(xì)節(jié)一起出版，所以其他人可以盡可能以相同的方式重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)。這不是懷疑研究者的誠實(shí)或誠懇，而是因?yàn)樗麄冇锌赡懿恍⌒牡睾鲆暳四撤N或某些特征，這些特征能成功地使那些已經(jīng)取得的結(jié)果無效。例如：羅伯特波義耳(16271691年)認(rèn)為，他已經(jīng)決定性地證明了熱具有重量。他在一個封閉容器中加熱某種錫，這種錫在加熱前后都被稱量過，他發(fā)現(xiàn)加熱后容器變重了，于是得出結(jié)論說重量的增加一定是來自用來加熱的熱量。他的建立在似乎是決定性證明基礎(chǔ)上的證據(jù)便是熱具有重量。起先，這個證據(jù)很有價值，因?yàn)椴x耳是他那個時代最著名的科學(xué)家之一(而且是皇家協(xié)會的締造者)，但是他忽視了一個重要事實(shí)。為了使在加熱過程中發(fā)生的封閉空氣的擴(kuò)張不擊碎器壁，他不得不部分排出容器中使用的熱量，但是在加熱之后重新稱量之前，波義耳已經(jīng)打開了容器，因此便有空氣進(jìn)入了容器，波義耳所看到的重量的增加，事實(shí)上是由于這種空氣的進(jìn)入，而不是由于熱具有重量。 作為另一個例子，我們可以利用18世紀(jì)英國天主教牧師約翰尼德漢的證據(jù)。他認(rèn)為他已經(jīng)證明了微生物是在生命物質(zhì)中自發(fā)產(chǎn)生的。他肯定地說他從肉湯中獲得了微生物，這肉湯是經(jīng)過消毒并與空氣隔離開來的。他的基于顯然是很好的證明的證據(jù)，便是認(rèn)為生命能從非生命物質(zhì)中自發(fā)地發(fā)生。后來人們證明尼德漢的消毒是不徹底的，所以他的證據(jù)是錯誤的。 人們可能認(rèn)為在今天不會發(fā)生這樣的錯誤，但這未免過于自信。上面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過，如果沒有假說的指導(dǎo)要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是不可能的，但是假說有34著潛在的危險性，它們十分輕易地決定了我們應(yīng)該觀察的東西。在對普利斯特列關(guān)于氧的發(fā)現(xiàn)的說明中我們看到，他認(rèn)為那種新氣體只是普通空氣的一種形式，這個信念阻礙了他正確地估計(jì)他的第一個空氣純度測定管實(shí)驗(yàn)的重要性，即這種新空氣產(chǎn)生的結(jié)果比那種從普通空氣中所希望的結(jié)果稍為要好些。普利斯特列在那個時候提供給他朋友的證據(jù)是錯誤的。很可能當(dāng)今的假說也正同樣地使科學(xué)家陷入歧途，錯誤可能正在產(chǎn)生，而這些錯誤對以后幾代科學(xué)家來說將是明顯的錯誤。正因?yàn)槿绱?，即使是一個很好地被確認(rèn)了的證據(jù)，也不可能被看作是毫無問題的。然而科學(xué)家必須承認(rèn)大量的事實(shí)，這些事實(shí)對他確立起來的工作提供了精確的基礎(chǔ)，就像那些根據(jù)證據(jù)而不是根據(jù)科學(xué)家自身的事實(shí)一樣。他對他自己的觀察的描述將成為他的同事所能運(yùn)用的證據(jù)。觀察和實(shí)驗(yàn)對于科學(xué)家來說是十分重要的，但是一個個體甚或一組個體不能僅僅依靠這些觀察和實(shí)驗(yàn)。對于任何科學(xué)家來說，他所擁有的個別的觀察資料可能不如其他同事的證據(jù)有價值。證據(jù)是任何科學(xué)研究的一個重要成分。如果沒有它，要取得進(jìn)步是不可能的。 第五節(jié) 測量 在測量任何一種屬性時，其測量值都是和某種標(biāo)準(zhǔn)相比較而言的。如果我們能夠提出一個程序，根據(jù)這個程序，任何數(shù)量的合格的觀察者就某一屬性相對于該標(biāo)準(zhǔn)的值存在著獨(dú)立一致看法的話，我們就把這些屬性看作是可測量的?？梢杂脧?fù)雜的儀器進(jìn)行非常精確的測量，或者用原始的儀器進(jìn)行非常粗糙的測量。但是，關(guān)于所期望的精確性程度，如果這個程序被當(dāng)做一個定量測量的程序，那么對所測量的值就必然存在著主觀上的相互一致。在這一節(jié)里，我們不考慮精確測量的細(xì)節(jié)，也不考慮精確測量和非精確測量之間的實(shí)際區(qū)別，我們要討論的是在經(jīng)驗(yàn)科學(xué)的進(jìn)步當(dāng)中測量不同性質(zhì)的重要性。 在古希臘時代，只有重量、長度和時間被看作是可測量的屬性。今天科學(xué)家倒寧愿把“質(zhì)量”作為一個基本單位，而不愿意把“重量”作為一個基本單位。重量是我們所有的人能直接感受到的一種屬性，但是牛頓已表明，重量事實(shí)上是一種力。地球上的重量是由于地球的引力場作用于物體而引起的結(jié)果(地球上的每一個物體與地球之間都存在一種相互作用力，但因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量是如此之大，所以這些相互作用力可以忽略不計(jì))。質(zhì)量這個概念是復(fù)雜的，我們必須通過考慮重量來理解它。在外層空間中物體是失重的，宇航員們不得不遇到失重的問題，但是這樣的物體仍然具有質(zhì)量。在月球上，這些物體又有了重量，但是其重量要小于它們在地球上的重量，因?yàn)樵虑虻囊鲆∮诘厍蜮x引力場。重量可以被看成是引力場與有質(zhì)量的物體作用的結(jié)果，但質(zhì)量是根本的，是所有物涔的一個屬性。 對于科學(xué)家來說，某些量度單位可以被選為基本量度單位。通過國際協(xié)定，有7種基本的量度單位，但是所選擇的實(shí)際量度單位和量度的數(shù)量是一個隨意決定的問題。這可參看ML門格拉森在RI C專為教師所寫的題為物理學(xué)、化學(xué)量及單位的參考書(1971年第二版)。大多數(shù)通常的物理屬性能根據(jù)長度、質(zhì)量和時間加以表述。用三代表長度，M代表質(zhì)量，丁代表時間，那么我們就有。 密度=ML3； 速度=L丁， 加速度=L丁2； 力=重量=MLT； 能量=熱量=ML2/T2等等。長度、質(zhì)量和時間是本質(zhì)上不同的概念，我們將按順序?qū)λ鼈円灰挥枰钥疾?。我們將發(fā)現(xiàn)，盡管它們彼此是有區(qū)別的，而且是從不同種類的感覺經(jīng)驗(yàn)中產(chǎn)生的，但測量它們的基本過程卻是一樣的，都須使某種尺度上的標(biāo)記和一邊界或指示物相一致。分析所有的量度，它們都要依靠這個程序。 讓我們首先考慮長度的含義，因?yàn)樗钪苯訝可娴交镜臏y量過程。首先我們必須決定某種任意的長度，比如說“米”這個長度將被作為長度的單位。早期的長度標(biāo)準(zhǔn)是基于身體的某些部位，如腳、拇指、伸長的手臂的長度等，盡管它們看來似乎比“米”具有較少的隨意性，但是，米是從氪86發(fā)射出來的某種輻射線的波長的165676383個波長來定義的。其實(shí)采用任何標(biāo)準(zhǔn)作為一個單位的決定都是而且一定是隨意的。 當(dāng)然這樣一個決定必須得到承認(rèn)，然后在采用了一長度作為標(biāo)準(zhǔn)長度之后，也可以選擇其他被定義概念為這個標(biāo)準(zhǔn)長的一部分或這個標(biāo)準(zhǔn)長的3倍的長度單位，毫米、分米、千米等等都是根據(jù)它們與米的關(guān)系來定義的。有幾種大小不同的單位是方便的，因?yàn)楦鶕?jù)一個大小合適的單位可更好地測定任何給定的屬性。用毫米或是用米來測量從愛徹斯特到倫敦之間的距離，將是非常不方便的，因?yàn)闇y出來的數(shù)字會很大；用米來表示血細(xì)胞的直徑也是很不方便的，因?yàn)闇y出來的數(shù)值會太小，因此我們要把大小合適的單位與我們的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來。如果我們最終不得不測量那些與我們以前已測量過的性質(zhì)有著不同大小規(guī)則的那些性質(zhì)，我們就得定義一種新的單位(仍然是根據(jù)我們的標(biāo)準(zhǔn))。例如光年(光在1年之內(nèi)走過的距離)就已被用來測量天體之間的距離，微微米或者毫微米已被用來測量由原子發(fā)出來的輻射線的波長。任何已測量的長度都不是一個絕對的量，而是一種比率，是一種測量了的長度和合適標(biāo)準(zhǔn)的比較。當(dāng)我們說某一跑道是100米長，我們是在有根據(jù)地說它是我們的標(biāo)準(zhǔn)長度的100倍。所有的測量都是這種情況，測得的量表明被測量的東西與特定的標(biāo)準(zhǔn)單位之間的關(guān)系。這就是為什么在任何測量中我們都必須說明它所涉及到的單位。只說某物的長度為3是不夠的，我們必須知道它是3厘米、3米還是3公里。長度可以用這種方法來測量，即：把一個標(biāo)準(zhǔn)尺靠近物體，并且觀察與物體相一致的在標(biāo)準(zhǔn)尺上標(biāo)記的位置是什么。小孩用學(xué)生尺測量一根線的長度說明了我們所有人測量長度的方式。不管我們是借助于顯微鏡測量微小距離，還是借助于望遠(yuǎn)鏡測量天體距離，實(shí)際的測量必定是找出被測物體和測量儀器刻度的一致之處。 關(guān)于標(biāo)尺應(yīng)具有剛性以便保持“同一長度”的問題，已作了很多說明，但是我們對標(biāo)準(zhǔn)尺的剛性要求與其說是一個必然性，還不如說是一個方便的問題。對于我們來說，沒有邏輯理由必須避免使用用蠟燭或橡膠制成一個可變的標(biāo)尺，我們也可以把那種標(biāo)尺定義為標(biāo)準(zhǔn)，然而如果我們決定采用這樣一種標(biāo)尺作為標(biāo)準(zhǔn)，那么我們將會發(fā)現(xiàn)許多其他物體的長度會經(jīng)常變化。因此，選用一種相對于盡可能多的物體來說是較堅(jiān)硬的標(biāo)尺，會更加方便和簡單，在同樣條件下使盡可能多的長度保持不變。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最“堅(jiān)硬的標(biāo)尺”是一種包含著一定數(shù)量的電磁波的標(biāo)尺(參看以上關(guān)于“米”的定義)。但是，雖然這是我們的最終標(biāo)準(zhǔn)，我們?nèi)匀豢梢赃x擇那些與最終標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的盡可能堅(jiān)硬的次級標(biāo)準(zhǔn)。再者，既然這不是一個邏輯必然性問題，而是一個方便的問題，采用那些簡單的與最終標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的次級標(biāo)準(zhǔn)則要方便得多。 我們知道，相對于我們的最終標(biāo)準(zhǔn)(某種光線的波長)，如果溫度升高，所有固體的長度則增大?，F(xiàn)在我們假定選擇了一種金屬標(biāo)尺作為我們的最終標(biāo)準(zhǔn)，我們不會根據(jù)邏輯的必然性來確定溫度，但是如果不始終認(rèn)為它是在某一特定溫度下的標(biāo)準(zhǔn)長度就會很不方便。因?yàn)槿绻贿@樣，我們將發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時，許多物體的長度按我們的標(biāo)準(zhǔn)測量時就會發(fā)生變化，而且由不同物質(zhì)構(gòu)成的物體，其變化的程度也會不同，因此任何給定物體的大小將依賴于這個標(biāo)準(zhǔn)尺的溫度，而且實(shí)際的增減會因不同的質(zhì)料而有所不同。雖然沒有邏輯理由阻礙我們擁有一種導(dǎo)致此種結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)尺，但是很清楚它會使測量本身，以及有關(guān)測量的物理定律極為復(fù)雜。既然質(zhì)量比起長度概念要復(fù)雜得多，所以測量質(zhì)量的含義不如測量長度的含義那樣容易理解。長度能直接地被感覺到，但是我們已經(jīng)清楚，質(zhì)量是從重量中推導(dǎo)出來的。在地球上所有具有質(zhì)量的事物都有因引力場而引起的重量，從這一目的出發(fā)，我們能把質(zhì)量看成是正比于重量的量，而且在這個地球上，我們能把貢量的測量看成是直接從重量的測量中獲得的。重量能感覺得到，而且能通過直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)單位加以測量，因此，重量的一個標(biāo)準(zhǔn)單位能被看成是質(zhì)量的一個標(biāo)準(zhǔn)單位。 我們選擇質(zhì)量的一個標(biāo)準(zhǔn)單位，然后決定定義那些較小的和較大的單位以便測量大小不同的物體。標(biāo)量重量的基本過程是兩個天平盤的平衡，其中個天平盤裝有標(biāo)準(zhǔn)重量，而另一個天平盤裝有待稱量的物體，這個過程類似于把一支尺放在一根線旁邊。我們知道，當(dāng)一個指示針在兩個天平盤之間的刻度上指向一個確定點(diǎn)時，兩個盤里的重量便是相等的。當(dāng)然為了測量質(zhì)量很小的物體，必須有非常精密的儀器，同時也必須有其他儀器來測量天體的巨大質(zhì)量，但是他們最終必須通過與一刻度記號上的指示針的這種一致來與一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。通過測量，我們可以判斷一給定質(zhì)量是標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的一定比率，這個實(shí)際的過程和那種判定一給定長度是標(biāo)準(zhǔn)長度的一定比率的過程是一樣的。其次，我們應(yīng)該注意到，任何被測量的質(zhì)量都是一種比率，而且對所甩