三、科学事实发现的方法
1.观察
什么是观察？简言之，观察就是人们有目的、有计划地通过自己的感官去反映自然状态下的事物现象的一种经验方法。它作为人类获得经验事实的方法，具有两个显著的特征。首先，观察是一种感性认识活动。感性认识活动是通过人的感官进行的，是人脑对外部世界的直接反映。在感性认识活动中，人们获得关于事物对象的外部特征和外在联系的经验知识。观察像其他感性认识活动一样，具有直接的感受性、生动的形象性。其次，观察是对处于自然状态下的事物现象进行的观察，也就是说，是指观察者在对被观察对象不作任何变革的情况下所进行的观察。正如法国著名生理学家C·伯尔纳指出的：“观察的特点在于科学观察者注意自然界自发产生而未经他们干预的现象。”(22)比如，观测天文学只能观察天体的位置、分布、运动、形态、结构、化学组成等因素，不能干预、控制和改变这些因素，因而它主要是一门观察的科学。P·S·拉普拉斯说：“在地球上我们可用实验的方法使现象改变，对于天象我们便只能仔细地测定天体运动呈现出的各种现象。”(23)此外，如地质学、地理学、生态学等学科也有类似的情况。
按观察的方式来分，有直接观察和间接观察两种基本类型。所谓直接观察，就是凭借人的感觉器官直接进行的观察。换言之，观察者和观察对象之间不存在任何中介物，这就是直接观察。在直接观察中，人们通常是依靠移动观察点、转换背景、延长观察时间以及增加观察次数等办法，来改善观察效果的。它具有简单、直接、受客观条件限制较少、可随时随地进行等优点。但是，人的感官的感知能力是极其有限的，这就使得直接观察受到生理上的局限。这种生理上的局限性主要表现在下述几方面：
一是感官所能感知的范围极其有限。人的感官对自然界中时空尺度上极其有限的范围内的对象才有可直接感知。例如，过远、过细的对象，眼睛就不能看见或分辨。即使在人可能感知的时空尺度上，也只能接受一定范围内的自然信息。因为必须存在一个引起感觉所必需的最小刺激量（临界感觉），刺激量小于这个量，感觉就不能发生。比如，视力再好的人，也不能用肉眼观察到小于第六等的星星。人们的眼睛只能接受390～750纳米波长范围内的电磁波。在这个范围之外，如红外线、紫外线、X射线、γ射线等，单凭肉眼就什么也观察不到。而人的耳朵也只能听到20～20 000赫兹频率范围内具有一定音响强度的声波，超出这个频率范围之外，或尽管在这频率范围之内，但音响强度不够的声波，人的耳朵也不能感知。
二是感官的观察精确性较低。依靠人的感官只能对观察对象作出大致的估计，而不能作出精确的定量的测定。当人们由感官直接观测度量色、味、冷、热、软、硬等等属性时，虽然在某种程度上对它们是可以进行比较的，但是人们却不能制定出适当的单位对它们作出数量上的测定。
三是人的感官使观察的速度受到局限。观察对象都是处于不断运动变化的过程之中，有的运动变化非常迅速，有的运动变化非常缓慢。但是，人类感官的观察速度是非常有限的。例如，对于高速掠过眼前的物体的形状，人眼就无法分辨，甚至于运动变化极其缓慢的物体，人眼也不易觉察出来。
四是人的感官会发生错觉。人的感官在知觉过程中还常常会产生错觉。错觉就是知觉与物理世界的偏离。如人的皮肤感觉往往会将冷热判别错误。倘若你将一只手浸入热水中，另一只手浸入冷水中去，几分钟后再把两只手同时浸入同一盆温水中，这时对同样的温水，一只手感到热，另一只手则感到冷。
可见，“要认识客观世界，我们的感官只是一些多少不够完善的辅助工具”(24)。人们为了克服感官的天赋本能的局限性，就借助于某种物质的属性来制造出可供观测的科学仪器(25)，在观察者和观察对象之间引进科学仪器这一中介物。于是观察者不再用感官去直接感知被观察对象，而是通过观察仪器去间接地感知被观察事物，这就从直接观察发展到间接观察。例如，天文学家用望远镜观察天体运动，生物学家用显微镜观察细菌、病毒等微生物的活动等。
从直接观察发展到间接观察，是观察方法的一次变革。由于科学仪器的介入，使得间接观察具有直接观察所不具有的作用。科学仪器作为人的感官的延长，使人们的观察得以向自然界的广度和深度延伸。它把人的感官不能直接观察的对象转化为可以观察的对象。从原则上讲，凭借着不断发展的科学仪器的无限潜力，人类感知对象的能力也有可能不受任何限制。人类运用科学仪器，不但能使自己的感官本来所不能感知的运动“转化成我们能觉察到的运动”(26)，而且还能使人们单凭感官本质上不可度量的运动变成可以度量的。这也说明了人类感觉器官的“特殊构造并不是人的认识的绝对界限”(27)。
但是，不论直接观察还是间接观察，本质上都是自然观察。由于自然观察是在不改变观察对象的自然状态下进行的观察，这就使得观察对象的许多重要的、隐蔽的、内在的属性无法显示到科学仪器上或者直接呈现到人的感官面前，因而它们就不能为观察者所认识。另一方面，自然观察只适用于那些能够重复出现或变化不太急剧的自然现象和过程，而对于那些时过境迁、转瞬即逝或不能重复的自然现象和过程，则不能单纯使用它。观察的这两个局限性，在实验中得到了克服。
2.实验
所谓实验，是人们根据科学研究的目的，运用科学仪器和设备等物质手段，人为地控制或模拟所研究的自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下进行观察的一种经验方法。它一方面把观察寓于自身之中，另一方面又有别于一般的观察，其根本区别就在于它人为控制和干预对象的进程。正如法国科学家G·居维叶所形象描述的：“观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并且迫使自然袒露她的奥秘。”(28)在科学认识活动中，由于运用实验，人们可以对自然界形形色色的现象积极地进行干预，就使得经验认识活动突破了自然观察的界限，而获得了比自然观察更多的、更为可靠的经验事实。因此，与观察相比，实验具有更大的积极意义，更加充分地体现了人的主观能动性和创造性。
实验具有下述三个显著的特点和作用：
①简化和纯化自然现象。“实验再现出纯真的自然现象。”(29)自然界的事物和现象是极其错综复杂地联系在一起的，其中包含了各种偶然的因素。事物的某些特征，或者是被掩盖起来，或者是受到其他因素的干扰，以致在通常情况下不能觉察到。在实验中，人们可以利用各种手段，把所研究的对象从复杂的联系中分离出来，排除各种次要的、偶然的、附属的因素，使事物现象的发展变化过程以简化了的、纯粹的状态显现出来。例如，对于检验电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一的假说所做的实验，就是这方面的一个典型的实验。S·温伯格、S·L·格拉肖、A·萨拉姆等人在美国克利夫兰市以东40千米一个废弃的盐矿里，在地下600米的深处，建造一个能灌入1万吨纯水的大洞，目的在于从这个池子中寻找质子衰变的闪光，从而验证三种相互作用的统一性的假说。这个实验装置之所以要安置在地下深处，之所以要灌入很纯的过滤水，就在于排除来自宇宙空间的射线和水中其他杂质的干扰，使整个研究工作得以在纯粹状态下进行。
②强化和再现自然现象。在自然状态发生的现象或过程，往往一去不复返，因此无法对其反复地进行观察。而在实验中，由于是人工控制的，因而可以使被观察的对象重复出现，以便核对以往的实验结果，从而保证观测资料和数据的准确性。
在实验中，人们还能利用各种实验手段，借助于科学仪器和设备，使某些物理过程在人为控制的条件下得到定向强化，创造出在地球上自然状态下难以出现的特殊条件，如超高温、超低温、超高压、超真空、超强磁场、超导电性等等。在这种强化条件下，人们就可能发现前所未有的有重大意义的新事实。例如，科学家通过实验手段制造出接近绝对零度的超低温环境，从而能把几乎所有的气体液化，并且在这种超低温条件下，发现某些材料具有十分罕见的无电阻、抗磁等超导态特性。科学家还发现，在超高温条件下，能量极大的核外电子脱离稳定轨道变为自由电子，中性原子变为离子。于是，原有物质就会转入既非固体也非液体和气体的“等离子态”。
③延缓和加速自然过程。在自然界中，有些现象的发展过程十分短暂，转瞬即逝，如基本粒子的寿命一般只有10－10～10－8秒，而“共振态”粒子的寿命仅为10－24～10－23秒；有些则十分缓慢，相当漫长，天体演化、生命起源经历了多少亿年的时间，人们无论如何也不能让它倒转头来进行观察。但是，对于这些对象，人们却可以通过各种模拟实验，对研究对象的发生变化过程，人为地加以扩大或缩小、加速或延缓，便能捕捉转瞬即逝的现象，探讨其规律性。例如，1953年美国芝加哥大学研究生S·L·米勒用甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢（H2）和水蒸气（H2O）混合成一种与原始地球大气大体相同的气体，放入真空玻璃仪器中，连续对它进行火花放电来模拟原始地球大气层的闪电，结果只用了短短一个星期，便在其中得到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸等四种构成蛋白质的重要氨基酸。而这个过程，在大自然中却需要经历几百万年的漫长岁月。
正是由于实验方法的上述特点，它才越来越广泛地被应用着，并且在现代科学研究中占有越来越重要的地位。随着现代科学技术的发展与人们在科学研究中所要解决的课题日益复杂和多样，实验的水平就越来越高，实验的形式也越来越多。
实验方法按其目的及其在整个科学认识中的作用来分，有探索性实验和验证性实验两种基本类型。所谓探索性实验，就是根据实验目的，利用已知的外加因素去干预研究对象，考察它会产生什么结果而安排的一种实验。所谓验证性实验，则是在对研究对象有一定了解，并提出了关于研究对象的某种假说或理论后，为了验证这种假说或理论是否具有真理性而安排的一种实验。验证性实验又可分为两类：一是直接验证，即通过实验直接验证理论；二是间接验证，即不是去验证理论本身，而是去验证其推论，这是理论科学研究中运用得最普遍的实验验证方法。
实验方法按照实验中研究对象的质和量来分，有定性实验和定量实验。所谓定性实验，即是为了判断某种因素或性质是否存在的实验，例如迈克尔逊莫雷实验判定以太是否存在的实验。定量实验，则是为了测定某种对象的数据或获得某些因素之间的数量关系的实验，例如J·P·焦耳关于热功当量的实验，A·H·L·斐索测定光速的实验，J·J·汤姆逊测定荷质比的实验等。
根据实验手段是否直接作用于被研究的现象或对象，实验又可分成直接实验和模拟实验。所谓直接实验，是实验手段直接作用于所研究的现象或对象的实验。它由实验者、实验手段和实验对象三个基本部分构成（图6-2）。显然，上述所提到的各种实验都属于直接实验。
图6-2 直接实验的构成
模拟实验，是根据相似原理，用模型来代替被研究对象（原理），实验手段只直接作用于模型而不直接作用于原型，然后将模型实验的结果推广到原型上去，从而达到对原型进行认识的目的实验。由于是通过观察模型而间接地认识原型，因而模拟实验也叫间接实验。模拟实验由实验者、实验工具、实验模型、客观原型四部分组成（图6-3）。在模拟实验中，模型具有两重性：从模型是实验者运用实验工具进行实验变革的对象来说，模型是实验对象；另一方面，模型只是原型的代替物，实验的真正对象是原型，而模型只是实验者用以认识原型的工具。模型既可以是人工制造出来的代替原型进行实验的某种装置，也可以是从自然界已有的事物中选择出来以代替原型作为实验对象的事物。例如，在医学和生物学中，选择某种动物作为人类的替代物，进行药物反应试验。在现代科学中，模型已不限于与原型具有同样物理性质的物理模型。由于控制论的产生，又出现了控制论模型，它是建立在控制功能相似基础上的实验。这样，人们就可以在不同质料的对象之间进行模拟实验。
图6-3 模拟实验的构成
此外，按照实验在认识过程中的作用来分，还有析因实验、对照实验、中间实验等。从研究领域来划分，有力学实验、物理学实验、化学实验、生物学实验等。限于篇幅，这里不再详述。
3.观察实验中的机遇性发现
在人们认识事物现象的过程中，始终存在着主观与客观的矛盾。人们通过自己的科学认识活动，能够认识事物的属性，揭示事物之间的联系，把握事物的发展规律，但永远不可能穷尽事物的属性和规律。因此，一方面，科学的观察实验是人们在一定的理论指导下认识未知的实践活动，具有明确的目的性、高度的组织性和严密的计划性；另一方面，思想、理论、目的和计划又具有主观性，人们所进行的观察实验只能根据对事物的已有的认识，提出设想和制定计划。一切都在预料之中是不可能的。这样，观察和实验作为科学认识过程的一部分，就难免具有一定的不确定性、意外性。而这种意外性，有时却能导致科学的重大发现。这就是我们在这一章的最后一部分所要讨论的所谓机遇性发现。
（1）机遇的本质及其发现的基本类型
所遇机遇，主要包含两层意思：其一，机遇是一种良机。即是说机遇是一种机会，但不是一般的机会，而是一种有利的机会，是能够导致科学发现的机会。按照这层意思，则把不能导致科学发现的机会，排除在机遇的内涵之外。其二，机遇是一种意外的、偶然的事件，即是说机遇不是一般的事件，而是出乎意料的、异常的事件。机遇是相对于原来预定的研究计划和目的而言的。倘若没有一定的科学预测或科学研究的目的、计划，机遇就失去了比较的参照和标准，当然也就无所谓机遇了。所以，完整地表述，所谓机遇就是一种有可能导致科学发现的机会和出乎意外的异常事件。
学术界也有人提出，“机遇的实质是一个过程，是从无意识的知觉转化为有意识的、独立的知觉过程”。这种看法首先把机遇看作是“一种知觉活动”，它是“由于客观对象作用于感觉器官引起的，或者是由代表客观对象特征的符号反映到人脑中所产生的”；其次，认为“机遇是一个转化过程，而有意识的知觉则是人类所特有的，因此，研究这种转化过程，是认识机遇方法的核心。我们掌握机遇方法，关键也是掌握这种转化过程”(30)。从哲学上讲，机遇是一种属于人类的实践活动的范畴，因此它往往同作为观察实验的实践有着密切的联系。
按照“意外”程度的不同，可以将机遇性发现分成如下几种类型：
①同向性发现。又称预言性发现，即指与原有理论（假说）预言相一致的发现。例如著名的海王星的发现，填补化学元素周期表上的空格的各种元素的发现，正电子的发现，中微子的发现，胶子的发现等等。科学家在发现这些客体之前，早已从理论上预言了它们的存在，因而发现它们的科学家从一开始就知道他们所要寻找的是什么。这一类机遇性发现，能使原有的理论或假说得到确证，或者使其更加深化。
②背向性发现。即指与原有理论（假说）预言完全相反的发现。例如迈克尔逊-莫雷实验的否定结果，即根据经典力学测定相对静止“以太”的地球运动速度的实验，得到同理论预言相反的否定结果。又如E·卢瑟福的α粒子散射实验，发现个别粒子在薄金属片上反弹回来的现象。E·卢瑟福说：“这是我所曾遇到的最难以置信的事，这就如同你向一张薄纸发射出16英寸的炮弹，而它居然反弹回来把你打中一样。”(31)
③异向性发现。即指与原有理论或假说预言毫不相干，原有理论或假说不能给予解释的、更加重要的新发现。所谓“射马得獐”，说的就是这种情形。例如，L·伽伐尼关于生物电流的发现，W·C·伦琴关于X射线的发现，A·贝克勒尔关于天然放射性现象的发现，A·A·彭齐亚斯和R·W·威尔逊关于微波背景辐射的发现等。就以微波背景辐射的发现来说，就是完全出自机遇。A·A·彭齐亚斯和R·W·威尔逊本来研究的项目是与人造天体联系的高灵敏天线，可是在研究过程中，发现太空中输入无法消除的噪声。心理定势使他们对噪声高度警觉，从而转化为微波背景辐射的发现。由于这一发现使大爆炸宇宙论得到了一个观测事实的验证，A·A·彭齐亚斯和R·W·威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖。
（2）机遇性发现的方法
观察和实验中的机遇性发现是有着自身的客观规律性的，不能归于“侥幸的意外”。基于各种机遇性发现的案例分析，正确的做法是：
第一，研究者要进行自我培养，使自己除了掌握精湛的专门学问外，还应该具有广博的知识基础。学问如果过“专”太“窄”，就会缺乏无意识知觉的主要条件，对很多现象视而不见。倘若知识面广博，就容易知觉到更多的现象，为机遇的发生作好准备。正如法国生物学家L·巴斯德所说：“在观察的领域里，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”(32)
第三，在观察实验中，对机遇所提供的每一意外事件、现象或观测结果都应给予高度的重视。南极臭氧（O3）洞的发现即是一个典型的案例。1984年，英国科学家法尔曼等人在研究英国南极考察站哈利湾站的O3观测资料时，惊讶地发现这个站10月份的平均O3总量出现了出人意料的低值，即比1974年10月份低36%。这意味着南极上空同周围地区的O3总量相比，就像出现了一个O3的空洞，即所谓“臭氧空洞”。他们并没有忽视这个异常现象，或是舍掉这个似乎是有观测误差的极低的数据，而是抓住了这个机遇，将其公布于世，从而发现了南极臭氧洞。而美国航空与航天局的科学家自1979年以来，就一直在利用极轨卫星“雨云七号”上安装的O3总量绘图光谱仪对全球的O3总量进行监测，但他们根据常规的知识，在给计算机编制程序时，把凡是低于某一个截止值的O3测量结果都排除了。他们认为任何低于这一截止值的数据必然都是错误的。为此，他们付出了重大的代价，失去了作出一个重大发现的机会。而法尔曼却正是把握了这个机遇，发现了南极臭氧洞，使他荣获了1988年度联合国的环境科学奖。
第四，善于抓住别人的无意识知觉，使之变成研究者本人的知觉。因为，机遇的起始环节不一定是自己所碰到的无意识知觉，而往往是他人的无意识知觉。别人的无意识知觉传达给了研究者本人，就成了他的无意识知觉。经过进一步思维活动，可以把别人的无意识知觉转化成研究者的有意识知觉。这样，便有可能获得新的科学发现。例如，英国物理学家S·J·查德威克对于中子的发现。S·J·查德威克是E·卢瑟福的学生，他在1920年就知道老师提出了关于中性粒子的假说。当他于1932年1月18日看到居里夫妇发表的实验报告后，立即意识到居里夫妇发现的不是γ射线，而是一种新的粒子，很可能是中子。在这一思想的指引下，S·J·查德威克经过不到一个月的研究，就验证了这种粒子正是中子。
（3）机遇在科学发展中的作用
主要表现在如下几方面：第一，科学史上重大的、革命性的科学发现，几乎都是包含着机遇的机遇性发现。英国科学家W·I·B·贝弗里奇就曾指出：“绝大部分生物和医学上的新发现都是意外作出的，或至少含有机遇的成分；特别是那些最重要的和最革命性的发现。对于确实开辟了新天地的发现，人们很难作出预见，因为这种发现常常不符合当时流行的看法。”(34)还有的学者甚至指出，不存在“纯粹的非机遇性的发现”，“只要科学发现的过程是在已知的指导下探索未知的过程，那么人们在事先就不可能预见和计划出探索过程中所有的细节，就不能避免不发生任何意外的事情”，从而“在不同方面或不同程度上，产生一定的机遇”。因此，“任何一项发现都是包含着机遇的机遇性发现”(35)。
第二，机遇性发现能为科学发现和技术发明提供线索，成为突破旧理论、提出新理论的先导，推动科学技术和生产技术的重大发明与创造。例如，上面述及的背向性和异向性的机遇性发现，由于既不能用原有理论或假说预言，也不能用原有理论或假说解释，从一开始就超越了原有理论的框架，因而毫无疑问地就成为新的科学问题的来源，而为了解决这一科学问题，又形成了说明、解释这一问题的新理论。
此外，机遇还能为科学技术的发明提供线索，推动科学技术的重大发明与创造。例如，L·伽伐尼的“生物电”的机遇性发现，使C·A·G·伏打在18世纪发明了电池，成了化学电源的起点，同时为以后电学上的一系列新发现和新进展创造了条件。对于“生物电”这一机遇性发现给技术进步所带来的影响，德国物理学家M·T·F·劳厄明确地指出：“难得有一个观察结果会对人类的理解像这个一样提出如此之多的疑难；但是，为了解决这些疑难也打开了一个完全预想不到的境地的道路。”(36)
【注释】
(1)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第21页。
(2)岩崎允胤、官原将平：《科学认识论》，黑龙江人民出版社1984年版，第290页。
(3)转引自洪谦主编：《西方现代资产阶级哲学论著选译》，商务印书馆1964年版，第235～236页。
(4)《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1971年版，第388页。
(5)同上书，第387页。
(6)N·R·汉森：《发现的模式》，中国国际广播出版社1988年版，第7页。
(7)J·洛克：《人类理解论》下册，商务印书馆1981年版，第409页。
(8)转引自W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第53页。
(9)R·卡尔纳普：《理论概念的方法论性质》，载洪谦主编：《逻辑经验主义》上卷，商务印书馆1982年版，第138页。
(10)R·卡尔纳普：《卡尔纳普思想自述》，上海译文出版社1985年版，第128页。
(11)R·卡尔纳普：《理论概念的方法论性质》，载洪谦主编：《逻辑经验主义》上卷，商务印书馆1982年版，第138页。
(12)同上书，第141页。
(13)Karl Popper.Two faces of common Sense.Objective Knowledge，Oxford，1972，p.60～63.
(14)N·R·汉森：《发现的模式》，中国国际广播出版社1988年版，第6页。
(15)卡尔·波普尔：《猜想与反驳——科学知识的增长》，上海译文出版社2005年版，第32页。
(16)H.Radder （ed.）.The Philosophy of Scientif ic Experimentation.University of Pittsburgh Press，2003.
(17)托马斯·库恩：《必要的张力》，福建人民出版社1981年版，第169页。
(18)托马斯·库恩：《科学革命的结构》，北京大学出版社2003年版，第105页。
(19)同上书，第106页。
(20)托马斯·库恩：《科学革命的结构》，北京大学出版社2003年版，第49页。
(21)著名科学家J·D·贝尔纳指出：“发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念。”（J·D·贝尔纳：《历史上的科学》，商务印书馆1982年版，第22页。）
(22)克劳德·伯尔纳：《实验医学研究导论》，知识出版社1985年版，第3页。
(23)皮埃尔·拉普拉斯：《宇宙体系论》，上海译文出版社2001年版，第6页。
(24)W·K·海森堡：《严密自然科学基础近年来的变化》，上海译文出版社1978年版，第71页。
(25)从一定的意义上说，人的感官也是一种“仪器”，它也具有一定的物质构造以及由这种物质构造所决定的对外部刺激的反应能力。只不过它不是人造的仪器，而是自然界长期发展中孕育出来的生物仪器。
(26)《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1971年版，第579页。
(27)《马克思恩格斯选集》第4卷，人民出版社1995年版，第332页。
(28)转引自克劳德·伯尔纳：《实验医学研究导论》，知识出版社1985年版，第2～3页。
(29)《马克思恩格斯全集》第1卷，人民出版社1956年版，第78页。
(30)王志健：“论机遇的本质”，《哲学研究》1987年第3期。
(31)转引自罗伯特·奧本海默：《真知灼见》，东方出版中心1998年版，第86页。
(32)转引自W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第165页。
(33)转引自《现代物理学参考资料》第1集，科学出版社1976年版，第48页。
(34)W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第33页。
(35)沈殿忠：《机遇》，辽宁人民出版社1987年版，第12～13页。
(36)M·T·F·劳厄：《物理学史》，商务印书馆1978年版，第46页。
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