新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

5 實驗、實踐：知識發(fā)展的基本途徑

生物學：燃燒、呼吸和生命 ?運用實驗方法來研究生物體的做法可以追溯到古代。德國機械論（一種在近代科學發(fā)展中有著高度影響的自然哲學。在它最早和最簡單的階段，這個理論使自然完全類似于一臺機器，甚至基本上就是一部像齒輪或滑輪一樣的裝置。盡管這一點從某種意義上說確實鼓勵了人們把世界當作一個有著內在聯(lián)系的整體來看待，卻證明不適于用以說明活著的有機物及其關系。機械論的一個較為復雜和持久的形式是，它把整個自然都解釋成一個在運動中的、完全受制于物理學和化學規(guī)律的客觀存在的體系。很多哲學家和生態(tài)學家認為，這種推理是過分“簡化”了，盡管那些被省去的部分經(jīng)常也難以說得清楚）者中一些較冷靜的學者在積極倡導實驗的同時，還把實驗很好地運用到研究生物材料上去。

在18世紀早期，約翰尼斯·馮·赫爾蒙特做了一個著名的實驗：他在仔細稱量過的泥土里栽培了一棵柳樹，由于只有很少的土被消耗，因此，他斷定樹增加的質量來自他定時澆入土里的水。1772年，普里斯特利（1733—1804，英國化學家、牧師、教育家）也發(fā)現(xiàn)薄荷草可以使它生長于其中的那些空氣得到更新，但這實驗很難被重復，因為普里斯特利并沒有完全認識到光對葉子活動的重要性，他不相信那些附著在玻璃器皿內壁的泡沫似的綠色物質（藻類）也是植物。然而，他確實在1778年從葉子上收集到了一些氣泡，發(fā)現(xiàn)其中的氣體是“脫燃素空氣”（氧氣）。[12]125

普里斯特利的成功，激勵荷蘭生理學家簡·英根-浩斯（1730—1799）開始研究這一問題。英根-浩斯在他的《論植物實驗》（1779年）—書中證明，葉子產生氧氣的基本條件是太陽光而不是熱。他發(fā)現(xiàn)，在黑暗中，葉子逆轉了這一過程，釋放出少量的“固定空氣”（二氧化碳），而在陽光下葉子則產生大量的氧氣。他觀察到，只有植物的綠色部分產生氧氣，并且氧氣是從葉子的內面釋放出來的。在做實驗時，把植物完全放在水里，但仍然有陽光的照射，可觀察到氧氣氣泡出現(xiàn)在葉子的內面。英根-浩斯也發(fā)現(xiàn)，必須被放到新鮮泵出的水里時，葉子才能釋放出氧氣，而在煮沸過的水中則不能。他解釋說，這一實驗意味著煮沸過的水吸收了從葉子產生的氧氣，而泵出的水充滿氧氣，允許它釋放到水的表面。[12]126

為了發(fā)現(xiàn)人的胃液與動物的胃液是否相似，他還在自己身上進行實驗，吞下各種裝了樣品的試管和裝了樣品的袋子，盡管這對自己的食管很危險。在愛丁堡，愛德華·斯蒂文（1755—1834）在狂歡節(jié)表演吞石頭為生的一個表演者的幫助下，做了很多類似的實驗。斯蒂文把實驗物放入有孔的銀制的球中，讓志愿者可以吞下，而后還能吐出來。18世紀的化學狀況還沒有先進到可以完全分析消化過程，但是這些科學家拋棄了生命力和活力的原則，目的是尋求對消化過程進行直接實驗分析，這是非常重要的[12]127。

1740年后，盡管試圖創(chuàng)建動物的化學生理學不是很成功，卻促使研究化學和生理學的方法發(fā)生非常大的轉變。生理學家更主要的是強調生命的功能，而不是試圖發(fā)現(xiàn)生命的結構。[12]127到19世紀中期，現(xiàn)今非常熟悉的實驗的方法開始普及，并得到實驗者自己的檢驗。克勞德·伯爾納在《實驗醫(yī)學導論》（1865年）中對實驗醫(yī)學作了很好的系統(tǒng)描述：實驗者首要的任務是要找到與自己感興趣的問題密切相關的現(xiàn)象，然后明確那些能使這些現(xiàn)象產生或改變的因素——可變條件，并對它們進行研究。合理進行的實驗所取得的結果經(jīng)過整理之后，就可以大膽地用來對身體的各種功能提出概括性的看法。1880年以來，生物學中對實驗的興趣總的來說是持續(xù)上升的。實驗主義者的工作再加上他們的宣傳，很快傳遍歐洲和美洲，并給20世紀的生物學留下一個與眾不同的標志——實驗。[10]13-14

現(xiàn)代生理學家認為，生命依賴于能量有規(guī)則的、緩慢的釋放，而這種能量則來自對已消化食物的氧化。這種能量為發(fā)生在體內的化學反應（包括合成反應）提供了合適的溫度，并引起身體的運動、神經(jīng)的電行為和腺體的分泌活動。這種依賴性通常作為一種因果聯(lián)系的依賴性的確定，是19世紀呼吸生理學的一個成就。[10]134

古斯塔夫·馬格努斯的著名實驗，用一個能產生高度真空的汞排空裝置以及一些能替換血液中氣體的技術，表明二氧化碳和氧在動脈和靜脈系統(tǒng)中都存在，氧的比例在動脈中明顯比靜脈中高的事實證明，生命的燃燒過程不可能發(fā)生在肺部。[10]139

到19世紀70年代初期，血液有呼吸作用的說法仍然受到辯護，這主要以從卡爾·路德維希和他學生的研究工作中反映出來。他們認為（并提出明顯能說明問題的實驗證據(jù)），組織氧化確實是真實的，但要受到血液中化學條件的調控。[10]139

到1850年，一個觀察小組開始對隔離材料（通常是肌纖維）的呼吸活動進行實驗分析。格奧爾格·利比希（1803—1873）證明，活動的肌肉消耗氧氣并產生二氧化碳。如果這兩個事件確實是“呼吸作用”的話，那么肌肉可以呼吸，并且與血液沒有關系。亥姆霍茲在一系列極出色的研究中，證明在肌肉的收縮過程中伴隨有物質的交換（1847）另外，亥姆霍茲檢測了肌肉中的熱量變化，這對亥姆霍茲關于能量守恒的研究以及對動物能量學更專門的研究來說，都是極其重要的。在肌肉運動的過程中經(jīng)證明，確實發(fā)生化學反應，而這些化學反應轉而又與熱能的產生有明顯的關系。這一關系可以被定量化。[10]139-140

電學：實驗的定量化、模型化 ?1769年，在格拉斯哥，約瑟夫·布萊克的學生約翰·魯賓遜（1739—1805）用一個排斥地心引力的電斥力平衡裝置測量了電荷之間的斥力。他能夠說明，電力就像萬有引力那樣，與荷電物體之間距離的平方成比例地減小。法國軍事工程師夏爾·奧古斯丁·庫侖（1736—1806）于1785年通過抵抗一根細絲扭力的平衡電力，做出他對電的吸引和排斥的非常著名的測量。他的裝置的精密性在實驗物理學中建立了一種新的標準。庫侖之后，人們傾向于根據(jù)任務細致地建造裝置，而不是把碰巧躺在實驗室周圍的什么東西湊起來。[12]73

最成功的量化者是亨利·卡文迪許（1731—1810）。他不僅于1771年測量了電力，還進而對實驗誤差首次做了仔細分析，發(fā)展了測量導體的相對電容和相對電阻率的技巧。他在把自己的身體放得與不同長度的導體平行時感到震搖，通過均衡這種震搖測量了后者。通過這個技巧，他得到一致的結果，誤差低于10%。[12]73-74

18世紀的電學家把他們的學科帶到一條漫長的路程上。他們提煉了理論，使自己的實驗定量化，并且改進了裝置。到18世紀末，電的“細微流體”概念發(fā)生極大改變：氣氛和電以弗的概念一去不復返;電流體仍然被想象為在導體中流動，但是它所施的力不再被理解為物質在空間中的機械作用。當19世紀流電現(xiàn)象持續(xù)成倍地增多的時候，甚至電流體的存在都被認為是值得懷疑的。隨著電理論的變化，細微流體的本質也發(fā)生變化，不過這是一個漸進的過程。說流電的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了一門“新科學”，則是一個錯誤，定量的電理論的建構在很好地進行著，甚至在伏特建造他的電堆之前，電學家都在試圖測量電阻率、電容、電“張力”，以及其他那些通常把它們與流電相聯(lián)系的量。[12]75

熱與溫度的測量 ?在所有的細微流體中，熱是日常經(jīng)驗最多的部分（可能除了光以外）。在亞里士多德的事物框架中，熱就像顏色、氣味、粗糙或者潮濕一樣，是一種質。質有強烈的高低，但不能測量或者用數(shù)目表達;只有長度、重量和時間之類的量才有大小，能測量。中世紀的學者談論過熱度（他們認為有8度），14世紀牛津和巴黎的學者也探究過把熱這樣的質化為數(shù)量的可能性，但只有伽利略在1592年首次建造的溫度計才使熱的定量研究最終成為可能。伽利略的氣體溫度計沒有固定的標度，因此，它實際上不是測量儀器。膨脹的液體溫度計不久就取代了伽利略的氣體溫度計，到1641年，托斯卡納大公斐迪南二世建造了一個一頭封住了的膨脹液體溫度計，這個溫度計不受氣壓或者管中液體蒸汽的影響。[12]75-76

溫度計的標度是完全任意的，一些標度只有單個溫度，度數(shù)是在溫度計桿上任意選擇一個距離;還有一些標度有兩個固定的溫度，二者之間的空間被分成若干個度數(shù)。安德斯·攝爾修斯于1742年選擇水的凝固點和沸點作為固定點，把中間溫度劃分成100度，創(chuàng)立了攝氏溫標。不過，他選擇0度表示沸點，100度表示凝固點。按照現(xiàn)在的用法，他把標度弄顛倒了。[12]76

布萊克還測量了把水煮沸成為蒸汽需要的“潛熱”。這種測量需要恒定的熱源，布萊克起初認為不能得到恒定熱源，但在一位制酒者告訴他，在他的爐子狀況正常時，他就能夠說出一小時之內能夠得到的酒量是一品脫之后，布萊克就決定去做這個實驗。在一個恒定的火上，他比較了水煮成蒸汽的速率與冷水在同樣的火上溫度上升的速率，發(fā)現(xiàn)煮干給定量的水所需要的熱量，會使該水的溫度提高華氏810度（如果該水不沸騰），這個數(shù)字大約是20%。雖然這個數(shù)字太低，但對于布萊克設計的粗糙實驗來說就是一個很好的結果了。[12]78-79

如果熱是一種實際的物質，而不是一種“不可稱量的”，人們就會期待它有重量，而且在整個18世紀做出許多努力去測量它。博爾哈維發(fā)現(xiàn)，鐵在加熱時重量沒有變化。然而，布豐卻發(fā)現(xiàn)，鐵在加熱時增加了重量，約翰·羅巴克于1755年發(fā)現(xiàn)情況正好相反，約翰·懷特赫斯特（1713—1788）于次年確證了羅巴克的結果。他們兩人都發(fā)現(xiàn)，鐵在冷卻時重量增加。然而，懷特赫斯特警告說，被稱出來的熱鐵的熱也許引起了氣流或者天平臂的不均勻膨脹，這也許能說明重量差異。[12]79-81

圖5所示為拉瓦錫和拉普拉斯的量熱器，該量熱器用融冰測量一個物體放出的熱[12]80。喬治·福代斯（1736—1802）處理潛熱知識時認識到，如果比較水和冰，那么用小的溫度差異可以得到大的熱差異。他稱量了液體時和凍結時的一燒瓶水（兩種情況都接近熔點），發(fā)現(xiàn)凍結時較重，這與羅巴克和懷特赫斯特的結果一致。1787年，本杰明·湯姆遜（1753—1814）用一架更精密的天平重復了福代斯的實驗，并且改變實驗去檢測由燒瓶上的冷凝和天平臂的不均勻膨脹引起的反常。他的結果發(fā)覺熱完全沒有重量，這使他得出熱是一種運動方式而不是一種物質的結論。[12]81

慕尼黑兵工廠的總監(jiān)朗福德在自己完成的一組更加著名的實驗中，注意到鏜加農炮時有大量的熱產生，在鏜具變鈍時尤其如此。把鏜炮裝置封在一個盒子里，他能夠用馬推動機器時產生的熱使水沸騰，而且只要馬在動，水就保持沸騰，這似乎表明這是一個無窮的熱源。這個實驗常常被描述為判決性實驗，因為它說明——從現(xiàn)在的觀點看——熱的機械理論正確，熱的流體理論錯誤。流體理論假定熱是被保存著的，這意味著它不能用作無窮的熱源。然而，對于20世紀的人們來說，朗福德有說服力的實驗似乎說明，歷史駁斥了這種主張。流體理論保持著其支持者，因為它可以說明熱的傳導和保存，說明狀態(tài)以簡單方式發(fā)生的變化，使得使用溫度計測定熱的計量科學成為可能。[12]81-82

當人們探尋一個能適合輻射熱的理論時，流體理論就走向終結了。無論是流體理論還是機械理論，解釋來自太陽的熱都不容易。人們很難相信一種流體從太陽漂流過來的全部距離，或者一種機械運動超越這個距離起作用。19世紀，光的波動理論的復活使人想到一個類似的熱的波動理論。按照這個理論，所有的熱都是輻射的，甚至熱傳導也只是熱波從一個原子向鄰近的原子的輻射。這個錯誤的理論有效地取代了流體理論，在它享有短暫的統(tǒng)治權后，被機械理論所取代，現(xiàn)在被氣體運動理論和更抽象的熱力學數(shù)學公式所強化。[12]82

細微流體理論在啟蒙運動期間使實驗物理學的定量化成為可能，并且為占優(yōu)勢的機械論哲學增加了一個較抽象的維度，產生令人驚異的多方面效應。富蘭克林的電氛和諾萊的以弗被證明不足以完成說明一切電現(xiàn)象的任務，但是細微流體的主要性質——它的不滅留下來了。熱的細微流體理論幸免于朗福德的實驗駁斥，因為它簡直太有價值，不能拋棄。機械理論沒有提供熱的守恒或者它從熱處流到冷處的模型，在多數(shù)情況下，放棄細微流體就意味著放棄能夠按照簡單方式理解的唯一的模型。細微流體是實驗物理學早年的定量化所必需的，但是，隨著定量化在19世紀的進步，尤其是新的、更精密儀器的創(chuàng)造，細微流體逐漸讓位于更抽象、更數(shù)學化的模型。[12]82

光學：折射、波動和微粒說 ?物理學輝格史觀（輝格史觀一詞來自歷史學家Herbert Butterfield于1931年的一個演講。根據(jù)Butterfield的觀點，輝格史觀者相信在歷史學中存在演變的邏輯，他們用現(xiàn)在的標準評判過去）把18世紀的光學獨斷地分為微粒說與波動說。格奧爾格·康托爾曾提出一種三分法：把光視為物質粒子之發(fā)射的發(fā)射理論;把光視為類似假定中流質的平移運動的流動理論;以及把光視為彌漫在以太中的脈沖的振動運動的振動理論。[8]241

克里斯蒂安·惠更斯提出一個新穎的原理，被稱為惠更斯原理，根據(jù)這一原理，波前上的各點都是發(fā)射子波的波源，這些子波的包絡形成新的（有限傳播的）波前?；莞惯€運用波動理論的幾何學思考方法解釋冰洲石呈現(xiàn)出的被稱為雙折射的奇怪效應。他在一些特殊的實例中得到雙折射的規(guī)律，并以實驗證實了這些實例，但是對他的規(guī)律的一般意義上的證實則超出18世紀實驗物理學的范圍。[8]240-241

介質理論植根于笛卡兒把光視為一束（瞬間傳播的）脈沖的觀念。介質理論把光視為在彌漫的以太中的一種擾動;粒子說則把光視為粒子，認為這些粒子遵循牛頓力學的規(guī)律。光的微粒說起源于牛頓杰出的光學著作，特別是在1704年的《光學》一書中，他在那部作品中用光粒子和力來解釋折射和可能的散射現(xiàn)象。[8]241

在19世紀10年代，甚至是在19世紀20年代初期，人們一致公認微粒理論相當成功地解釋了光學現(xiàn)象，由此，一場更為劇烈復雜的爭論爆發(fā)了。在這個時期，尤金·蘭克爾已經(jīng)詳細地描述了光的微粒說的優(yōu)點和成功之處。總的來說，微粒說用來解釋偏振及相關現(xiàn)象時更為成功，而波動說則更適合用于解釋衍射現(xiàn)象的各個方面。拉普拉斯學派認為偏振現(xiàn)象比衍射現(xiàn)象更為重要，因為他們認為衍射是由于光和物質性實體相互作用而產生的二級現(xiàn)象。在19世紀20年代初期，菲涅耳提出橫波的概念，用于解釋偏振現(xiàn)象。但是，為了自圓其說，他又不得不接受這樣一種前提條件，即以太必須像固體一樣具有高度彈性，但這種假設連菲涅耳自己也很難接受。這種彈性的固體以太模型后來被奧古斯丁-路易·柯西（1789—1857）、詹姆斯·麥卡拉（1809—1847）和喬治·格林（1793—1841）進一步完善發(fā)揮，不過這種模型會不時地給波動理論家提出許多難以對付的問題。[8]242

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