第二十八章 假设与实验在科学 研究中有什么作用 ——创造假设与实验思维方法
20世纪50年代初，胡适先生自美返台，在台湾大学作关于治学方法的演讲，他提出了一个观点——“大胆假设，小心求证”，一时间这句名言远播海内外。当时台大校长钱思亮先生对胡适说：“学理、工、农、医的人，应该注重上一句话‘大胆假设’，因为他们已经养成了‘小心求证’的态度和习惯了；至于学文史科学和社会科学的人，应该特别注重下一句‘小心求证’，因为他们没有养成求证的习惯。”对此，胡适表示大体赞成。[1]
自那以后，对胡适的这个观点，赞成者有之，反对者亦有之。甚至在一个较长的时期内，大陆从意识形态和政治需要出发，对胡适先生的这个观点进行了猛烈的批判，给他扣上许多莫须有的罪名。这显然是牵强附会的，是那个特殊年代极“左”路线的表现。
本来，胡适先生是在讲治学方法时提出这个观点的，因此任何离开这个前提来解释“大胆假设，小心求证”都是不实事求是的。无论是从治学方法还是科学思维方法来说，“大胆假设，小心求证”的观点都是正确的，它形象地概括出了学术研究中一对重要的相互依存的思维方法——假设思维方法与实验思维方法。
什么叫假设?假设或假说，是指以一定的科学原理和科学事实为根据，对于未知事物及其规律的假想性的解释。在认识客观世界时，人类总是从不知到知，这是从必然王国到自由王国的发展过程。在这个过程中，假设对于认识客观真理具有重要的作用，它是科学发展中的一种必不可少的重要形式。这正如恩格斯所说：“只要自然科学应用思维，它的发展形式就是假说。一个新的事实一旦被观察到，对同一类的事实的以往的说明方式便不能再用了。从这一刻起，需要使用新的说明方式——最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观察材料会使这些假说纯化，排除一些，修正一些，直到最后以纯粹的形态形成定律。”[2]
纵观科学发展的历史，科学假设是十分普遍的现象，而且在各个学科领域里都提出过有重大影响的假说。例如，在数学中的各种猜想；在天文学中关于天体起源的“星云说”与“大爆炸宇宙论”，天体运行的“地心说”与“日心说”；在物理学中关于光的本质的“微粒说”与“波动说”，关于热的本质的“热质说”与“热动说”等；在化学中关于原子结构的“均匀式模型”、“行星式模型”与“量子化模型”，关于燃烧本质的“燃素说”与“氧化说”；在生物学领域中关于物种的“不变论”与“进化论”，关于生物遗传的“基因论”与“获得性遗传说”；在地质学中关于地壳形成的“固定论”与“大陆漂移说”，关于岩石成因的“水成论”与“火成论”，关于地质变化的“灾变论”与“渐变论”……总之，科学假设是科学理论发展中的重要阶段，它是发现科学理论重要的步骤。正如牛顿所说：“没有大胆的猜测就作不出伟大的发现。”[3]
那么，科学假说是怎样提出来的呢?毛泽东在《实践论》中阐明了人的认识过程，他说：“从感性认识而能动地发展到理性认识，又从理性认识而能动地指导革命实践，改造主观世界和客观世界。实践、认识、再实践、再认识，这种形式，循环往复以至无穷，而实践和认识之每一循环的内容，都比较地进到了高一级的程度。”[4]根据辩证唯物主义的认识论，假说的提出一般是两个途径：一是从感性认识中提出来的，它是人们因为现有理论不能解释新发现的现象而提出的假设。例如，关于生命遗传的“精原说”和“卵原说”，关于天体运行的“地心说”与“日心说”等都是典型的例证。二是从理性认识中提出来的，这种情况往往是理论研究上的重大突破，试图应用新理论对已知现象作新的解释，或者应用新理论预测可能出现的未知现象。与第一种假说不同的是，第二种假说是从理性认识中提出的，虽然这种情况不是主要的，但在科学研究中也是不可忽视的。
科学假设作为认识客观世界的一种思维方法，它具有自身的特点，掌握这些特点对于避免在科学研究中少走弯路是十分重要的。一般来说，假设思维方法具有以下几个特点：[5]
(1)推测性。所谓推测，就是根据已有的科学知识和掌握的必要资料，为解释新发现的现象提出假想性的说明。假设与真理之间的根本区别在于，前者仅仅只是一种尚未获得证明的猜想，而后者是被反复证明了的定理(或定律)，并为科学界所普遍认同。魏格纳(Alfred Lother Wegener，1880—1930)本是德国天文气象学家，他创立大陆漂移学说就是由假设到逐步证明的过程。1910年圣诞节期间，他因病在家休息。躺在病床上，他凝视着墙上的世界地图，忽然一个智慧火花在他大脑中点燃了。他惊奇地发现，大西洋两岸地貌是那样的吻合。也就是说，巴西海岸的每一个凸出部分，都与非洲西岸相当形状的一个凹陷部分对应；同时，巴西海湾每一个凹陷部分，非洲那边就有一个凸出部分。怎样这么巧合呢?于是，一个新思想在他脑海里产生了，他假想大陆早先是连接在一起的，是后来逐步裂开的，这时大陆漂移假说还仅仅只是推测。
如果说大陆漂移假设产生于瞬间，那么证明这个假说的正确性，却是经历了曲折的、漫长的道路。自此以后，魏格纳以及其他许多科学家都致力于大陆漂移学说的证明，他们从古生物化石、现代生物的分布等方面证明了大陆原先是连接在一起的，由于某种强大的外力作用才使得大陆分开。对大陆漂移学说的最终证明是1960年美国普林斯顿大学的赫斯(H.Hess，1906—1969)提出的，他根据对海底热流速率的测定，提出了海底扩张说，后来又逐步演变为板块结构说。这一学说现在已经被学术界公认，它是大陆漂移假说的直接证明和更新。
(2)合理性。假说虽说是对某一现象推测性的说明，但并不是毫无根据的猜测，更不能是凭空的杜撰。作为一种科学的假设，必须具有一定的科学前提，这是证明假设必须满足的条件。在数学(包括几何学)里的定理或命题的证明，是一个逻辑体系推演的结果。在这个体系里，定理证明的前提是合理体系和逻辑推演体系。依此而论，欧几里得的毕达哥拉斯定理的证明就属于这样的体系。在自然科学的各个领域里，任何一个假说都必须具有合理的前提，否则假说也就不成其为假说了。
(3)多重性。假说的多重性表现在两个方面：一是任何假说都不仅仅只有一种说法，可能有两种或多种；二是假说有被证明、部分被证明或被证伪的多种可能性。如果假说被证明，那它就成为定理或是真理；如果被部分证明，那它就是部分真理，尚有待后人继续去证明；如果不能获得证明，那这个假说仅仅只是假说而已。例如，曾经统治地球长达1亿年之久的恐龙，为什么在6500万年的白垩纪末突然绝灭了呢?关于这个问题，曾经提出了许多假说，如陨石撞击地球说、彗星撞击说、火山爆发说、气候干旱说、微量元素污染说……各种假说，都有一定的道理，但也有各自的局限性，所以一直争论不休。随着科学技术的不断进步，学科之间的互相渗透，特别是新的检测技术的应用，科学家们将继续不断地探索，终有一天将会揭开这个千古之谜。[6]
在分析了某些假说的主要特点后，还有一个如何正确地对待假说的问题。有的人会说，假说是未被证明的，所以不必相信它；另一种情况是，一旦假说被证明是错误的，就会有人出来对错误的假说兴师问罪。这两种态度都是不可取的。
首先，对待假说应当抱着实事求是的态度，既不能盲目轻信，也不能轻率地否定。对那些持之有故、推理严密、假设前提合理的假说，应当设法去证明它，或等待他人最后的证明；如果对某些假说存在怀疑，应当向当事人提出来，或者提出自己的假说，运用学术讨论与争鸣的方法澄清是非。总之，对待假说应当抱着宽容的态度，正确的假说终究是可以证明的，真理总是越辩越明的。
其次，对待错误的假设，也要作具体的分析，不能一概否定。从科学发展史来看，错误假说的产生有其必然性。根据概率统计，科学研究中的假说，能够被证明的仅仅只是少数，大多数都会被淘汰或否定。但是，错误往往是正确的先导，正确的科学学说正是从错误的假说中通过比较、鉴别与争论而找到正确的方向，从而建立科学的理论。
假说思维方法与实验思维方法是相辅相成的，二者密不可分。上面我们叙述了假设思维方法的定义、产生与特点，接下来应当分析与之对应的实验思维方法，以便更好地在科学研究中应用它们。
在论述实验思维方法时，我们不能不首先提到培根(Francis Bacon，1561—1626)。他是文艺复兴的巨人，被称为哲学史和科学史上划时代的人物。他虽然不是科学家，但马克思却称他为英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖。这究竟是怎样一回事呢?一个并非专事科学的人，怎么会成为现代实验科学的始祖呢?原来这源于一个鲜为人知的故事：1626年3月底，培根坐车经过伦敦北郊，那时他正在思考冷热理论及其实际应用。当路过一片雪地时，他突发灵感想做一个实验。于是，他宰了一只鸡，把雪填进鸡肚里，以观察冷冻在防腐上的作用。这兴许就是现代科学史上第一个科学实验。但是，培根为此却付出了生命的代价，因为他身体太虚弱，经不起风寒的袭击，以至于支气管炎复发，于1626年4月9日不幸逝世。
虽然培根被誉为实验科学的始祖，但科学实验方法作为一门独立的学科却是由伽利略(Galieo Galilei，1564—1642)创立的。伽利略是意大利的天文学家和物理学家，是科学革命的先驱，是改变人类世界的伟大科学家之一。他自幼聪慧，颇受音乐家父亲的影响，对音乐、诗歌、绘画和机械都有浓厚的兴趣，不迷信权威，兼有爱思考和勤动手双重的优良素质。19岁时，在教堂观察到一盏吊灯的摆动后，他用一根线悬吊铜球模拟摆动实验，由此发明了脉搏计来测量时间的间隔。著名的伽利略落体实验是人所共知的，由他首创的科学实验还有声学实验、斜面实验等。那时，进行这些实验所用的仪器都非常简单，也许其他的人也能够做得到，可是就是没有人能想到做这些实验。通过科学实验，他还发明了望远镜、温度计、浮力天平和显微镜等科学仪器，所以伽利略作为现代实验科学的创始人是当之无愧的。[7]
从事科学研究，最主要的是依赖于两种能力：一是思维能力，二是实验能力。但是，在实际研究中，有的人擅长于思维，而另一些人则具有较强的实验能力，当然，也不乏二者兼备的杰出人才。例如，上面提到的伽利略以及牛顿、第谷、开普勒、法拉第、麦克斯韦等，他们都具有动脑与动手两种能力，所以他们作出了重要的发现。
就拿法拉第(Michael Faraday，1791—1867)来说，他出身于贫苦家庭，只读过短期的小学，他的全部学问都是靠读书自学得来的。[8]他13岁当学徒，用从微薄的工资中节省下来的钱购买制造科学仪器的原材料，从事化学和电学实验，表现出了杰出的实验才能。他在电学三大领域(电磁感应、电化学和电磁波)里都作出了巨大的贡献。另外，他还提出了能量守恒的概念和电磁学说的基本思想，后来也都被科学家所证明了。
实验作为科学研究的一种方法，它必须具备一些要素，遵循一定的原则。我们所指的实验，是在人为的控制条件下，应用实验仪器对研究的对象进行观察或测量，并对实验中的变量和所获得的数据进行计算或分析处理，以得到正确的结论。那么，科学实验方法需要具备哪些要素和原则呢?一般来说，它应当具备四个要素和四个原则。
(1)假设要素和假设证明的原则。一般来说，科学实验源于假设，没有假设也就没有假设所需要的证明，最终也就不能发现科学真理。科学上的假设或假说的证明，大体上分为三个步骤：第一是假设的提出，它以一定的观察资料和已有的科学知识为基础，而不是随意的假想；第二是对已提出的假设进行推理，对它的合理性作出初步的结论；第三是用科学实验方法对假设进行科学的证明，其结果是假设被证明，或者被否定，或者被修正。这些都是科学实验所需要的，应当抱着实事求是的态度，不能一味地追求某一个结论而忽略其他的结果。
(2)变量要素和变量控制的有效原则。变量亦称为因子，科学实验中的变量是指实验控制的因素和条件，由于人为的或是实验本身的变化，实验中的变量是多种多样的。根据不同的学科，变量可以分为两类：一是实验变量，或叫自变量；二是复反应变量，或叫因变量。这二者存在因果关系，前者是因，后者是果。人是从事实验的主体，对于控制实验变量拥有主动权。那么，怎样控制实验中的变量呢?一般来说，控制变量的原则是减少干扰因素，使科学实验按照设计的目标朝着有效的方向进行。例如，影响化学反应的变量很多，如温度、压力、催化剂的选择与用量，参加反应的化学试剂的纯度与用量等。为了使化学反应获得成功，必须选择最佳的变量，以最少的代价获得最大效益。
(3)对照要素和科学地选择对照实验的原则。所谓对照要素是指进行对比实验，这是科学实验中普遍采用的方法。对照实验分为空白对照、自身对照、条件对照和互相对照，每一种对照都有其自己的用途。例如，在化学分析和医学检验中，多采用空白对照；在植物细胞质壁分离与复原实验中，采用自身对照；对小动物进行饲喂激素的等组实验中，可以是空白对照，也可以是条件对照；如果在等组实验中不设空白对照组，则大都是运用互相对照。
(4)重复要素和反复重复的原则。在科学研究中，凡是正确的科学实验结论，都必须是能够反复重复的，这已是科学中约定俗成的原则。对于某些不能重复或部分不能重复的实验，至少尚不能马上作出最后的结论，需要继续进行重复验证。一个典型的例子是关于冷核聚变的实验，一直存在着争议，至少目前还不能完全否定，也不能最后肯定。
1989年3月，美国犹他大学的庞斯(S.Pons)和英国南安普敦大学的弗莱希曼(M.Fleichmann)宣布他们发现了室温核聚变。随后，美国伯明翰杨大学的琼斯(S.Jones)也宣布独立地发现了冷核聚变。一瞬间，冷核聚变成了世界爆炸性的新闻，世界各大媒体纷纷以醒目的栏目作了报道。这个实验之所以引起轰动，是因为它颠覆了过去需要在上亿度温度下才能实现核聚变的传统理论。紧接着，世界各国几百个科学实验小组很快地加入了这项研究。但是，这股热潮很快就衰退了，因为世界一些权威的研究机构没有能够重复庞斯他们的实验，于是质疑的、反对的声浪迅速代替了成功的喜悦。几所大学宣布收回早先发布的新闻，停止对几位科学家的资助，甚至《科学美国人》杂志要为庞斯和弗莱希曼颁发可耻诺贝尔奖。[9]
尽管某些研究机构没有重复冷核聚变的实验，但是要完全否定这项实验为时尚早。自那以后，虽然反对者不少，但也有许多科学家继续进行这项研究实验，如日本每年仍然给予重金支持。到底谁是谁非呢?一位罗马尼亚的学者讲的一则笑话颇值得深思。他作了如下的对经：一，在已发表的317篇冷核聚变论文中，有56篇给出了正结果，因此，从统计上说冷核聚变是不成功的；二，罗马尼亚的独裁者齐奥塞斯库被判处死刑，执行枪决时发射了302发子弹，但只有43发是致命的，因此，从统计上说齐奥塞斯库仍然活着。这虽然是笑话，但却说明应当以什么态度对待科学实验，无论什么时候都不能以多数人的意见否定少数人的实验结果，否则就有可能扼杀科学上重大的发明创造，更何况像冷核聚变这样复杂的超前沿的顶尖研究项目呢!
2005年是爱因斯坦相对论发表100周年，联合国通过决议，确定2005年为世界物理年。这是因为爱因斯坦百年前发表的5篇论文不仅改变了传统的物理学，而且也为后世诸多新学科和新技术的发展奠定了理论基础。
为了纪念世界物理年，英国《焦点》月刊发表了罗伯特·马修斯(Robert Mathews)的文章《实验改变人类：震撼世界的十大科学实验》，回顾了200多年以来世界上影响最深远的科学实验。它们是：
(1)英国医生詹纳(Edward Jenner，1749—1823)于1796年成功地进行了接种牛痘实验，从而发明了预防天花的牛痘接种法。这是人类历史上最重要的医学实验，为预防和消灭天花疾病作出了卓越的贡献。1980年世界卫生组织宣布：天花这种一年能够夺去上百万人生命的病毒性疾病，已经完全被消灭了。
(2)奥地利神父、遗传学家孟德尔于1857年进行豌豆杂交实验，发现了遗传定律。令人奇怪的是，这个重要的发现被人们忽视了数十年，直到20世纪初才被科学界承认。他的发现被称为孟德尔定律，是生物遗传的最基本规律。
(3)1860年，法国杰出的化学家、微生物学家巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)用带S形瓶颈的瓶子做实验时发现了微生物，揭示了疾病的真正原因。他很快把这个发明用于实践，不仅用于医学上的疾病治疗，而且还用于防止蚕卵中细菌的产生，促进了当时法国的丝绸工业。
(4)1887年，美国物理学家迈克尔逊(Albert Abrahan Michelson，1852—1931)和莫利(Esward William Morley，1838—1923)在真空中进行光速传播的实验，发现光速是恒定不变的。这个重要发现对于推动爱因斯坦相对论的发展作出了巨大的贡献。
(5)1888年，年仅31岁的德国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Herz，1857—1894)在一个黑暗的实验室里，发现了电磁波的存在。他是世界上第一个播出并接收到无线电波的人。说电磁波的实验改变了人类，一点也不夸张，如果没有无线电波的发现，那么我们今天的无线电广播、电话、电视、电子通讯和网络技术的应用简直就是不可思议的。
(6)1919年5月，英国天体物理学家亚瑟·埃丁顿(Athur Stanley Eddington，1882—1944)根据对太阳引力的测定，宣布爱因斯坦的引力理论广义相对论将牛顿的古老定律淘汰了。
(7)从原子中释放出能量的想法，包括爱因斯坦在内的不少科学家都认为是不可能的。可是，1942年12月一个寒冷的冬日，意大利裔美国物理学家恩利克·费米(Enrico Fermi，1901—1954)完成了世界上第一个原子堆的建设，并证明核反应是可能的，也是可以控制的，为原子能的利用提供了实验和理论根据。
(8)长期以来，科学家们都认为蛋白质是遗传信息的载体，没有认真考虑DNA在生命多样化方面的重要性。1944年，加拿大裔美国细菌学家埃弗里(Oswald Theodore Avery，1877—1955)经过多年艰苦的细菌实验，发现把一个细菌的DNA转移到另一个细菌里，这个细菌的特性也会在另一个细菌里出现。虽然对这项实验存在争议，但是克里克(Francis Harry Compton Crik，1916—2004)和沃森(James Dewey Watson，1928—)沿着埃弗里的思路继续研究，结果发现了DNA双螺旋结构，因而他们与威尔金斯(Maurice Wilkins，1916—)一起获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。
(9)1961年6月，时年27岁的耶鲁大学心理学家斯坦利·米尔格拉姆(Stanley Mirglam，1934—)教授进行了一项关于记忆力的实验，但实际上做的是关于服从权威的特殊实验。尽管人们对这项实验有争议，但这毕竟是与自然科学完全不同的另类实验，他证明了每个人都会被权威唆使去虐待一个陌生人。因此，也有人认为在一个权威社会里，米尔格拉姆的实验并没有过时。
(10)1997年2月，克隆绵羊多莉(Dolly)的照片刊登在世界各大报的首页，令世人震惊。这是英国苏格兰罗斯林研究所威尔穆特(Ian Wilmut)等人实验培育的。动物克隆成功，为研制生产人用药物开辟了新的道路，其发展前景未可估量。但是，关于克隆人类问题，涉及伦理道德，引起了世界极大的关注，联合国和不少国家都通过立法禁止克隆人类。可惜，多莉于2003年感染肺炎而死亡，只活到6岁，相当于普通绵羊寿命的一半，这是克隆动物的致命弱点。
以上改变人类的十个实验，肯定是很不完全的，甚至个别的还有争议。据报道，有人另外提出了十大辉煌的科学实验，除有些与上面相同的外，还包括阿基米得的固体浮力实验、米勒的生命起源实验、卡文迪许的不变的万有引力实验、维勒的尿素合成实验等。[10]很显然，如果没有这些改变世界的实验，人类可能将是另一种情况。所以，当我们今天享受这些先进的物质文明时，应当感谢那些科学家的贡献，并应当以他们为榜样，在科学实验的道路上继续前进。
科学是一把双刃剑，它能够造福人类，但也可能给人类带来危害。科学实验也是一把双刃剑，我们应当坚决杜绝那些危害人类安全的实验，如地下核爆炸试验、化学和生物武器试验、污染环境的各种实验等，使科学实验朝着有利和改善人类生活质量的方向发展。同时，科学实验也要与科学假设相辅相成，创造出更多的新理论、新方法、新技术和新产品，为揭开宇宙中和人的生命领域里尚不被认识的奥秘而努力。
思考训练参考题
1.什么叫假设思维方法?它有哪些特征?
2.什么叫实验思维方法?它有哪些要素和原则?
3.假设与实验之间是什么关系?请以具体的例子予以说明。
4.请你列举自己最熟悉的专业领域已被证明的假设。
5.你能否自己提出几个假设，并且设计出能够证明这些假设的实验方案?
6.请你以“大胆假设，小心求证”为题，写一篇评论短文。
【注释】
[1]丁晓山.海外学者对“大胆假设小心求证”的不同意见［EB］．http：// www．gmw．cn．
[2]马克思恩格斯选集(第4卷)［M］．北京：人民出版社，1995：336．
[3]杨栩.外国名人名言录［M］．北京：新华出版社，1983：222．
[4]毛泽东著作选读(上册)［M］．北京：人民出版社，1986：136．
[5]徐炎章.科学的假说［M］．北京：科学出版社，1998：2-5．
[6]魏伟：千古之谜——恐龙的绝灭［N］．国际先驱导报，2006-07-02．
[7]关洪.一部迟来的经典名著［N］．中国图书商报，2006-12-19．
[8]王梓坤.科学发现纵横谈［M］．北京：中华书局，1998：31．
[9]张信威，等.冷聚变：一项争议很大的科学发现［J］．科学，1994(46)：39．
[10]参考消息，2003-04-21．
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