谈谈物理观察的方法

第二节　谈谈物理观察的方法

观察作为物理学研究的基础性工作，在其实际的操作中有着自身的程序和方法。掌握正确的观察方法，按照科学观察自身的规律和特点进行观察，就能获得满意的观察成果；否则，只能劳而无功或事倍功半。以时间为顺序，可以把观察过程简单地分为前期的准备阶段和实际的观察阶段，而正确的观察方法就是要切实做好各个阶段的工作，最终完成观察任务。以下结合观察的两个阶段各应做好的工作，来探讨观察的科学方法。

准备观察

前期的准备阶段，是观察的重要组成部分，不应该也不能视为可有可无。俗话说“不打无准备之仗”，道理就在于此。要完成观察任务，首先要从思想上和物质上做好充分的准备。只有这样，才能心中有底、临阵不乱。具体地说，前期的准备工作主要包括明确观察目的和设计观察方案两个方面。

（1）明确观察目的。

明确观察目的，是一切科学观察的出发点，也是科学观察与一般感知活动的根本区别。只有有了明确的观察目的，以后各环节的工作才有中心，才有依据。著名科学哲学家波普尔为了证明“观察始于目的”的哲学观点，曾做过这样一个实验。在一次讲演中，波普尔突然对听众们大声说：“女士们，先生们，请观察！”他的表情很严肃，两只手也没做任何暗示。

听众的反应是一片愕然，许多人莫名其妙地反问波普尔：“先生，您要我们观察什么？”这个实验生动地说明，只有有了明确的目的，才能进行有效的观察。

哥白尼进行天文观察的明确目的，就是要不断寻找能够证明托勒密理论的错误并证明自己理论正确的事实。于是，他几十年如一日，在他自己的小小天文台里进行着不懈的观察，记下了大量的观察事实，其中包括后来在《天体运行论》一书中引用的1512年、1518年火星的位置，1520年木星和土星的位置，1525年金星与月球的相遇等等。与哥白尼相比，第谷·布拉赫的天文观察目的更为直接，就是要精确观察并记录1000颗星。当然，这只是最基本的、表面化的目的。第谷的本质目的，也是要通过观察事实证实自己介于哥白尼与托勒密之间的折中理论体系。

1599年以后，第谷天文观察的另一目的是编制《鲁道尔夫星行表》，以报答奥皇鲁道尔夫二世对他的天文研究的资助。赫歇尔的天文观察目的已超越了哥白尼和第谷，他把银河系的结构作为自己的研究领域，他观察的初步目的，就是要数清银河系的星星。

由于有了明确的观察目的，所以哥白尼、第谷和赫歇尔都能在自己确定的观察范围内获取大量的有用资料，并由此导致了重大的科学发现。从这三位科学家的经历，我们也可以看到，明确的目的，远大的目标，是科学家们矢志不渝、为之献身的动力之一。

在物理学研究中，从观察与理论的关系的角度，可以把观察分为验证性观察与搜索性观察。一般而言，验证性观察的目的是相当明确的，这就是寻找证据，以证明某个理论是正确的还是错误的。

1873年，麦克斯韦的《电磁学通论》一书出版了。在当时的德国物理界，大部分人对麦克斯韦的理论持怀疑态度，但赫姆霍兹、玻尔兹曼等有远见的科学家则支持麦克斯韦的理论。

1879年冬，柏林科学院根据赫姆霍兹的倡议决定颁布一项科学竞赛奖，而竞赛题就是关于麦克斯韦部分理论的证明。赫姆霍兹希望他的学生赫兹参加竞赛。他对赫兹说：“这是一个很困难的问题，也许是20世纪最大的一个物理难题。你应该去闯一闯！”年轻的赫兹在老师的鼓动下，很想试一试，但不知如何下手。他问老师：“该从哪儿着手呢？”赫姆霍兹明确地答道：“关键在于找到电磁波！不然你就证明永远找不到它。”多么干脆的回答，多么明确的目的！赫兹以后就是在这个目的的驱使下，经过无数次艰苦的实验，终于在1881年观察到了电磁波，成功地证实了麦克斯韦理论的正确性，实现了物理学上的重大发现。

与验证性观察相比，探索性观察目的的范围就显得宽泛一些。它需要更长期、更系统地收集观察资料，以便在大量的观察资料中总结出某种规律。应该指出，探索性观察同样是在一定理论的指导下进行的，其目的虽不限于某种明确的实物或现象，但同样是在一定理论框架范围内探索某种规律。

19世纪中期，真空放电和电的本性的研究引起厂物理学家的兴趣。1838年法拉第在做低气压放电实验时观察到：把两根黄铜棒插入一支玻璃管两端做电极，抽去管中的空气，在两极通上电流；当把两根极棒分开时，一束光柱从负极发出，而正极是暗的；加大两极间距，从正极的一端向负极发出一束紫红色的光或紫色的雾，而且随着距离的增加光束在加长，但在光束与雾之间总有一暗区且暗区的长度几乎不变。后人把这个暗区叫做“法拉第暗区”。法拉第当时曾预言，这种放电现象也许会给以后的电学研究带来重大影响。

1857年，德国物理学家普吕克尔在大为改善的低气压条件下，开始了一系列的真空放电的探索性观察，获得许多新的发现：气压越低，法拉第暗区变得越大，阴极辉光区有所扩展，并且辉光会随磁场的变化组成形状不同的链带。最重要的是，他发现从阴极发出的粒子飞向玻璃管能使管壁发出荧光，荧光斑能被磁场偏转。

1876年，德国物理学家哥尔德茨坦经过一生的研究，得出如下结论：①这种射线不像一般的白炽灯丝发出的光那样向各个方向散射，而是从阴极表面垂直地发射；②这种射线与阴极材料无关；③这种射线还会引起某种化学反应，如可使放在真空管中的银盐改变颜色。并且，哥尔德茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，于是将它命名为“阴极射线”。

阴极射线是在探索低气压放电和法拉第暗区的观察中发现的，那么，阴极射线又是什么呢？由此，物理学家们展开了更大范围、更深层次的探索性研究，并由此导致了更为重大的物理发现。物理学史学家普遍认为，20世纪物理学革命的序幕是由19世纪末的三大发现拉开的。这三大发现就是1895年伦琴关于X射线的发现、1896年贝克勒尔关于放射性的发现和1897年汤姆逊关于电子的发现，而它们几乎都是由对阴极射线的探索研究引起的。

就观察的结果而言，验证性观察通常只有两种可能，即对理论或其预言要么证实，要么证伪。而探索性观察，则常常节外生枝、种瓜得豆，本来是为了探索某一类现象的规律或本质，但却得到超出原命题范围的、有意义的结果。因此，我们说探索性观察的目的应更宽泛一些，理由就在于此。不过，应该肯定的是，观察必须在明确的目的指导下进行。

（2）设计观察方案。

观察前期工作的第二个重要方面，就是依据观察目的和任务，设计一个科学有效的方案。观察方案对于观察的实施有着指导性的意义，关系到观察能否实现预定的目标。

当赫歇尔决定把他的眼光由太阳系转向更为广阔的银河系时，他首先为自己明确了观察目的，就是要数清在英国所能见到的所有恒星，然后根据它们的分布情况，初步确立银河系的模样。浩瀚的天空，星星挨着星星，如何能数得清呢？赫歇尔采取的方案是分区的办法。

1785年，他把天空分成了1083个天区，然后一个天区一个天区地反复观察、记录。在观察仪器上，赫歇尔采取不断改进的办法，以便把目光投得更远，看到更多的星星。l787年，他制成了焦距6米、口径50厘米的望远镜，以后的观察工作用的主要就是这架望远镜。1789年，他又制成了焦距12米、口径122厘米的望远镜，这在当时和以后半个世纪里都是世界上最大的望远镜。用这架望远镜，他又对各天区的观察记录做了许多补充。通过对观察数据的整理，赫歇尔得出银河系是一个扁平状体系的结论。

当我们需要观察的现象不能在自然状态下实现时，就需要人为地干预和控制，此时的观察实际上已是实验观察，而相应的观察方案的设计也就成了实验方案的设计。

17世纪初，人们在抽水时发现，吸气筒式抽水机无论如何也不能把水抽到10米的高度。从1638年起，伽利略注意并开始研究这一现象。他认识到，这是空气的重量引起的，即由大气压强造成的。如何观察到大气压强及其大小呢？

伽利略的学生托里拆利于1643年设计并实际做了一个著名的实验。他在长约1米、一端封闭的玻璃管内装满水银，用手指封住管口后将它倒立于水银槽中，然后放开手。这时可以观察到，原来达到管顶的水银柱下降到高于槽中水银面760毫米左右处便停住了。当把竖直的管倾斜一个角度时，水银面的高度仍然不变。

这个观察结果的意义在于：第一，证明了大气压的存在并得出大气压的具体数值；第二，证明真空的存在，因为当水银下降时玻璃管上端就形成了真空。这样，他就打破了2000多年来人们所信奉的“自然界厌恶真空”的亚里士多德教义。

与托里拆利准确观察大气压大小的目的不同，奥托·格里克的目的是要让人们观察到由大气压造成的奇特有趣的现象。他于1645年设计并做了著名的马德堡半球实验：把两个相同的直径30多厘米的空心铜半球紧贴在一起，用抽气机抽出球内的空气，然后用16匹马分成两队向相反方向拉，马费了好大劲才把两半球拉开；而如果把铜半球上的阀门拧开，让空气经阀门流八球内，用手轻轻一拉，两半球就开了。这使人们非常直观、形象地观察到了大气压的存在及其产生的巨大力量。

一般说来，方案的设汁主要包括理论研究、程序安排和技术设计三个方面。

理论研究是指制订一个具体的设计方案，为此首无必须对与课题相关的理论问题有所涉猎，知道课题的来源、进展情况、发展动向，知道前人取得过哪些成果，他们取得这些成果时观察到哪些事实、采用了什么样的观察方式、这些成果是否完善，等等；从理论研究中发现课题的主要矛盾和关键环节，从别人的观察方式中借鉴有益的经验，作为设汁方案的依据。

第二个方面是观察程序的安排，主要包括可观察量的设定及其观察顺序的选取、观察时间的顺序和观察空间顺序的编排等。在一个观察方案中所设定的可观察量可能有很多，一般是先观察和记录起主导作用的量，然后再观察次要的量。

观察的时间不同，对许多观察的环境会造成很大的影响，时间的顺序和时机的安排对观察也起着重要的作用。例如，有的观察需要定时的、周期性地观察记录，有的观察则需要长时间、不间断地观察记录；有的观察必须在晚上进行，有的观察则必须在白天才能安排，更有的观察必须在一天中、一月中或一年中特定的时间段才可观察记录，等等。显然，时间及其顺序选取不恰当，就很难或根本不可能获得要收集的信息。观察空间及其顺序的安排，直接关系到记录数据的取样范围和先后顺序。例如，在对大范围天区观察时，要注意多观察区域交界处的重叠部分，以避免有所遗漏；对于某特定天区的观察，可由近及远或由远到近分层次地观察；对于细微结构的观察要应用放大手段，对于固定物体的观察要注意变换角度；对于温度计、直尺、秒表等基本仪器数据的读取，必须遵守各自的读数规则，等等。此外，仪器的组装及其操作，都有严格的顺序性，不注意空间顺序的安排，不但可能造成数据的遗漏和误差，而且还可能造成仪器的损坏，甚至导致整个观察的失败。

第三个方面是技术设计，这是方案设计的核心部分，主要包括观察方式的选取和观察仪器的选用与研制；在实验观察中，还包括实验原理。随着科学的发展与进步，观察的方式在不断的改进。

古代人类的观察大都是只应用感觉器官的纯感官观察，而现代的观察绝大多数都是使用工具的仪器观察。从对观察精度要求的角度来看，可把观察分为定性观察和定量观察；从是否对观察对象给予干预和控制的角度来看，可把观察分为自然观察和实验观察；从观察者所处的空间位置的角度来看，可把观察分为地面观察、高空观察和空间观察，等等。

针对不同的观察目的和所具备的条件，选择不同的观察方式是很重要的。例如，由于航天航空技术的发展而产生的空间观察方式，可以使天文学的观察突破地球大气圈的天然屏障，通过人造地球卫星进行天文观察，或者直接到某个天体上进行实地考察，以获得更可靠的观察事实材料。现代科学观察几乎都是仪器观察，因此根据观察目的选用合适的仪器或仪器组合是观察成功的关键。应该指出，一个全新的、特殊的观察，有时是没有现成的仪器可供选用的，这就需要观察者依据观察目的和一定的科学原理，歼发和研制出新的、适用的观察仪器。

实际上，科学观察中许多重要的仪器都是科学家们在实际观察中创造出来的。在现代的科学研究中，观察仪器的水平和现代化程度，几乎代表着一个国家的科学研究水平。

一个良好的观察方案，应有坚实的理论基础、科学的程序安排和先进的技术设计，当然，观察方案的优劣最终还要用观察实践来鉴别。所以，从这个意义上讲，观察方案有着一定的动态的意义，它要在实践中不断地加以修正和完善。

实际观察阶段

经过认真的准备后，观察开始进入实际的操作阶段。这一阶段既是要对前一阶段的准备工作进行检验，又要为以后的理论研究准备事实材料，是观察的最重要的、最实质性的阶段。这一阶段的工作主要是观察工具即仪器的应用和观察事实的记录。

（1）观察仪器的安装与应用。

从古代直至16世纪末，人类的观察都是纯感官的。17世纪初，望远镜和显微镜发明后，人类的视野在宏观和微观这两个方向上都得到了极大的延伸，色差问题得以解决后，更大大地提高了望远镜和显微镜的放大倍数。与近代物理学进步紧密相连的，是各种各样精密的观察仪器的产生，使物理观察实现了由纯感官到仪器、由定性到定量的转变。

在现代的物理观察中，几乎都要使用若干种仪器并通过一定的组合来实现观察目的，所以，仪器的组装、操作和程序设计就成为观察中的一项重要工作。

兰本达教授在她的《物理学家是怎样工作的》一书中，为我们详细地描述了李·奥尔索普和约瑟夫·乔德麦因应用受激辐射的微波放大器观测木星辐射的工作实况。我们看看他们是如何安装和使用观察仪器的。

“在晴朗的春季夜晚和夏季午后，当木星升起来时，李·奥尔索普和约瑟夫·乔德麦因经常带着他们珍贵的‘脉塞’（即受激辐射的微波放大器）来到首都华盛顿的海军研究实验室的屋顶……站在中央控制室里的乔德麦因先生操纵电钮，使碟状天线向北倾斜。奥尔索普先生按下栏杆上的电钮启动一个机构，将一个30英尺高的梯子竖起靠近天线的焦点。从焦点处伸出一个由结实的三角架支撑着装在矩形塑料罩里的聚积器。塑料罩的一部分延及到梯子顶部的平台上。奥尔索普把一个吊钩固定到‘脉塞，上以后就爬到这个平台上。他打电话给中央控制室里的乔德麦因说明他要到平台上操纵绞盘提升‘脉塞’离开地面……奥尔索普轻轻地把‘脉塞’放在平台上，并把它连接到主要设备上。”

“这两位大胆的实验者正在试图收到来自距地球7.77×10⁸千米的木星的辐射……但是，就在进行现在这个使地球上的人们能够从木星的无声语言中看到木星表面温度的实验之前，已经过了两年半的思索和劳动，以及7年的开拓性工作。”

“在1958年8月5日这特定的一天，李·奥尔索普从早晨干第一件事起一直工作到午后5点，对‘脉塞’进行调整和充灌。在乔德麦因的帮助下，仪器最后安装到天线焦点处。午后2点，木星升出地平线，而现在它升高到东南方向的空中。由于下午天很亮，当然看不到它，但是在《美国的天体位置表》这本参考书上给出了它每天各小时所在的精确位置。位置可由安装在中央控制室的操纵盘来找到。在中央控制室里慢慢地旋转那个碟形天线到正确的方位，而后天线仰起指向空中……”

“在8月5日的夜晚，因为工作进入一个新的阶段，仪器需要一定的调整。乔德麦因和奥尔索普分别在中央控制室和天线焦点处通过电话联系进行细致的调节长达3小时，但仍没有得到必要的读数。他们把‘脉塞’拿下来，又对它进行了一些维修，直到夜里1点……”

“在那些令人愉快的日子里，‘脉塞’工作正常，天气晴朗，附近的雷达没有工作，风也很小，乔德麦因和奥尔索普已经取得了许多成功的进展从木星的语言中得到许多有价值的信息。基于观察9500兆赫频率的汁算给出木星在这一波长的温度为165K。这可能存在10%的误差。这两位哲学博士研究生要确定的另外事实是，木星的整个表面是否以均匀的强度发出9500兆赫的辐射。”

从这些摘录中我们可以看到，在进行科学观察时，仪器的安装、调整和使用是多么重要的工作，又是多么艰苦、细致的工作；日可以看到物理学家们对科学研究工作是多么严谨和多么敬业。

（2）记录观察事实。

实际观察阶段的另一方面，也是最主要的工作，就是记录观察事实。早期的观察记录都是手工的，包括数据记录和图像的描绘等，现代的观察一般都配有自动记录装置。近年来，许多观察仪器则直接与计算机相连接，不但可以自动记录数据、描绘图像，而且还可以按一定程序进行观察事实的初步处理。

现代物理学所涉及的空间范围，从电子半径的10^－18米到100亿光年的宇宙天区的10²⁶米，跨越44个数量级，而所涉及的时间范围，则从共振态粒子寿命的10^－23秒到100亿年，贯穿40个数量级。在如此宽广的时空范围内，物质的存在和运动形式是千变万化、多种多样的。所以，相应的观察事实的记录方式也是多种多样的。

例如，对于天体运动，我们所关注的主要是它的运动规律、物理特征等，要记录的则是它在不同时刻的位置、亮度及电磁辐射等。这些观察通常可以用一定的量来表示，即可用一定的数据来表示。与此类似，在物理观察中，大量观察事实的记录是采用数据记录方式的，这正是现代物理学中定量观察的一个显著特征。

对观察事实采用数据记录方式时，特别值得注意的是，要设法减小误差。由分析可知，观察误差的来源主要有以下四个方面：①仪器误差，由仪器本身不完善及安装、调整不当引起的；②个人误差，由观察者生理、心理弱点引起的，所以它因人而异；③环境误差，由客观环境与仪器设备的要求标准存在着差异而引起的；④方法误差，由所采取的观察方法或方法所依据的理论本身的缺陷而引起的。客观地说，在定量观察中，误差只能尽量减小，而无法绝对消除。只有从理论基础、技术手段和思想方法上尽可能地减小误差，使记录的数据越来越逼近真实值，所得到的数据才能越来越有价值。

在望远镜还没发明的16世纪，第谷的天文观察就达到了误差不超过2角分的精度。而他之所以能获得如此精确的数据，主要因为他十分注意仪器的改进以及误差的分析与修正。例如，在记录行星位置时，他考虑到大气折射对观察引起的误差，并确定修正量的大小。

后来，开普勒从确定火星的轨道入手对第谷的大量资料进行整理时，发现用匀速及偏心轮体系计算时有8角分的误差。有人劝说开普勒：对于浩瀚无穷的宇宙，8角分的误差已是微不足道了，何必耿耿于怀呢？更何况，难道你就不怀疑第谷也可能记错吗？

但开普勒却坚定地回答：“我已经查遍第谷关于火星的资料，他20多年如一日的观察数据完全一致——火星轨道与圆周运动有8角分之差。感谢上帝给了我这样一位精通的观测者。这8角分决不敢忽视，我决心从这里打开缺口，改革以往所有的体系。”正是在坚持第谷记录数据不会有错的信念下，1609年，开普勒终于发现了行星运动第一定律和第二定律，1619年又发现了行星运动第三定律。

三定律的发现彻底否定了早已建立起来的行星运动的主观几何模式和托勒密的地心体系，并直接导致了牛顿万有引力定律的发现。开普勒曾回忆说：“就是这8角分误差为改造全部天文学铺平了道路。”可见，科学观察中，精确的数据记录是何等重要。

原则上讲，任何事物都有一定量的规定性，并且，每一种量郡从一个侧面反映了事物的某些本质特征。所以，从这个意义上讲，任何一个观察事实都有一定的量或数据可供记录。然而，在多样性的观察事实中，有的观察事实又的确不易于或不便于仅仅用数据加以描述：如有的过于复杂，无法用一个或一组数据进行全面描述；有的则过于短暂，以至于来不及测量或抽象出有用的数据；还有的瞬息万变，不能用某一静态的数据对其动态过程作完整的处理；更有的是意外相遇，观察者缺少心理准备而不知如何收集或提取数据，等等。在这些情况下，我们希望能把观察事实完整地记录下来，以便能有较充裕的时间从不同的角度对观察事实进行研究。这种完整的记录方式就是图像描绘法。

图像描绘法就是用作图的方式把某类观察事实完整地描摹下来。早期的图像描绘主要用手工的方式。随着科技进步，手工方式逐渐被照相和摄影所替代。特别是现代摄影技术，能把某一观察事实完整地、准确地、真实地记录下来，为科学观察的记录提供了很大的方便。

19世纪末物理学的三大发现，把物理学家的目光引向了陌生而神奇的微观世界。人们在探索微观世界时，首先希望知道微观世界究竟有哪些粒子、这些粒子有哪些性质、它们是如何运动的、相互之间有怎样的作用等。然而，困难的是微观粒子看不见摸不着，用什么方法去认识它、研究它呢？人们自然想到，如果能使粒子运动的踪迹显示出来就好了。

1911年，威尔逊发明了云室，实现了人们的梦想。从此，人们可以直接观察粒子的运动和相互作用情况，同时为观察的摄影记录创造了条件。

人们可以用照相机对着云室（后来发展为气泡室）拍摄粒子运动径迹，以积累观察事实。由于大部分微观粒子的寿命都很短，相互作用和发生变化都是在瞬间完成的，只有用照相的记录方式才能把全部信息完整地记录下来。所以，云室或气泡室加照相的方法，很快成了观察、记录和研究微观粒子的主要方法之一，并由此获得现代物理学的一系列重大发现：1911年，威尔逊从云室照片中找到了α粒子和β粒子的径迹；1923年，威尔逊在云室照片中发现了康普顿效应反冲电子的存在，毋庸置疑地肯定了康普顿效应的真实性；1925年，布拉凯特从云室照片中发现了原子人工转变的证据；1932年，安德森通过云室照片发现了正电子……

应该指出，无论是数据记录或图像记录，都应必不可少地辅以相应的文字说明。实际上文字不仅是观察事实的辅助记录方式，同时也是有别于数据记录和图像记录的基本记录方式之一。