新乔 赵晓宁 任熙俊

（接上期）

4 实验：知识的显著形式

科学实验是人们认识物质世界的一种基本的方法，而实验教学是通过科学实验将验证的理论转化为传承及发展的重要形式。两者实际上共存于一个统一的过程和目标之中，既有共性，又有个性，且都具有承前启后的作用。

实验教学之所以不可或缺，就像过去几个世纪业已证明的，在于它的承前启后的特殊功能或重要作用。实验教学并非仅仅是看似实验演示或教学实验这么简单又平常的活动，在一个过程中，实验可以显示出它的前后联系、推动发展的巨大的力量所在。首先，它通过教学设置把实验过程或结论的信息传达给下一个实验者或者研究者：其次，这些被接受者或学习者包括研究者，对从实验所显示、所传达的理论或实验信息进行加工，进一步验证巩固所学知识，从中分辨出真伪，在这个基础上再进行实验，通过这种周而复始的过程，提升理论以及思维的高度和深度，包括发现新的物质形态。

实验是科学教育的主要方式和手段  18世纪的化学是一门以书本和口头讲演形式组成的实用技术、工具和材料的知识体系。当时的化学是一门没有彻底严格界限的学科，学生被授以吸收新知识的方法，并对这门学科的历史产生一种清楚的认识。它与相邻学科特别是与自然哲学和博物学的相互交流往往是通过概念进行的，化学家用各种各样的理论系统来解释一些现象，在这些现象是否真正属于化学这一范畴的问题上时常产生分歧，这些分歧又往往显示出某些新奇实验结果的重大价值，以及它们对于所要研究的化学理论的含义。[1]325

18世纪化学实验主要涉及的是油、磷和碳的燃烧以及汞的氧化[1]452-453。博尔哈维在其《化学基础》（1732年）中毫不含糊地陈述了热的流体理论。他认为，温度计测量的是热流体的密度，因此，任何物体中的热量都与其温度和体积成比例，物体仅仅起着热容器的作用。丹尼尔·加布里尔·华伦海特（Daniel Gabril Fahrenheit，1686—1736）完成的实验，使博尔哈维相信，物体中的热量与其体积成比例。华伦海特发现，当他把三体积的汞与二体积的水混合起来时，混合物达到一个差不多是两个初始温度之间的平衡温度。根据华伦海特的规则，要得到同样的平衡温度，体积应当相等。这种不一致使人遗憾，但它至少没有出现实验结果与通常持有的规则之间不一致那么糟，通常持有的规则是物体中所含的热与其质量成比例，这个规则要求水在体积上是汞的13倍。[3]77

圣安德鲁斯大学的乔治·马丁（George Martine，1702—

1741）在1739年撰写的一篇论文中描述了一个实验，在这个实验中，他在火上加热等体积的汞和水，发现汞温度升高比水温度升高快两倍，再次表明物体中的热量并非与其体积成比例。[3]77

布莱克从这些结果得出结论说，物体中的热量既非与体积也非与质量成比例。他论证说，不同物质对于热或者对于不同热容量具有不同的亲和力。在相同温度下人们感到一片金属比一片木头热，是因为金属放出了更多的热。因此，不仅是体積或者质量，而且还有材料的本质，决定了它在给定温度下所含热的多少。在不知道是由于与原子化合，还是由于海绵那样的微孔的饱和，对如何使物质中含热的情况，布莱克于1760年简单地假定每种物质有不同的热“容量”。他通过在不同温度下混合不同物质并且观察它们的平衡温度，得出结论：任何物体中的热值都与该物体的温度、质量和热容量成比例。他关于热容量是物质的一种确定的特性的唯一确证便来自这一发现，即热容量因物质而异，但对于任何一种物质来说则保持相同，而无论实验中质量怎样结合以及温度如何。[3]77

1828年，李比希的好友，从1836年起任哥廷根大学化学教授的弗里德利克·维勒（Friedrich W?hler，1800—1882，德国化学家）就用无机质复合成了有机物质尿素，证明了活体动物身上发现的“生命”化学物与实验室中普通的化学品之间没有绝对的屏障。[5]122

18世纪，生理学和病理学建构了医学专有知识和自然哲学领域的桥梁，而自然哲学也试图反过来提供一种广泛的关于世界的基本组成和物质运动的理论知识。因此，只要生理学和病理学解释生命体在健康或疾病状态下的结构和功能，并且提供符合自然哲学的明确解释，它们就能够使医学作为一门科学知识的要求合理化，但实验与实验仪器设施使这一情形及医学教育发生重要变化。[1]402

19世纪30和40年代，威廉·沙比（William Sharpey，

1802—1880）于1836年被聘为伦敦大学大学学院的解剖学和生理学教授。他在从事教学工作之前只做过很短一段时间的外科医师，先是在爱丁堡城外，然后就移居伦敦。沙比常被称为英国的生理学之父，但他作为一名科学实验者，与欧洲大陆的许多同行却不在一个级别上，实际上，他不太多但具有创造性的成就是关于显微镜的研究。他最大的长处在于能随时掌握英吉利海峡两岸的最新科研发展，并具有非凡的能力将它们传授给自己的学生。他有一张专门制作的圆桌，上面有一条槽用来安放一台显微镜，以便于显微镜在学生中传递。这张桌子现在仍保留着。他常常会向学生展示贝尔纳某个最新实验的准备步骤，帮助所谓的实践生理学课取得成效。最初的时候，实践生理学除了显微镜外几乎别无他物，尽管学生被要求最终必须获得相当多的生理学实践经验。[5]140-141

在法国，弗朗索瓦·马让迪早期的教学活动大多是在大学以外进行的，且不得不去诊疗所找一份差事，即使这样，也直到1826年才得到官方的确认。他利用自己在医院的职位进行治疗法研究，五年之后获得法兰西学院医学教授的职位。他在那里开设的选修课上讲解实验方法，并讨论实验生理学和病理学所掲示的生理现象。从这个意义上说，他开创了一个传统。1855年，马让迪去世后，他的门生克劳德·贝尔纳（Claude Bernard，1813—1878，法国生物学家，实验生物学的创立者之一）继承了他的教授职位并承袭了这个传统。[5]129-130

巴黎外科学界很好地留存有创作于1780年的版画（图3），该画描绘了外科学院讲课大厅的一次尸体解剖演示。[5]10

贝尔纳也是从医院系统出来的，与德国同行不同，他的研究从未借助过非常精密的实验器具。贝尔纳早年的研究是在设备匮乏、有时甚至是私人资助的场所逬行的，他的天才在于他那高超的手术技艺，在于他在动物实验研究中使实验动物能活过随访和阐释阶段的能力，在于他实验设计的精确简练。他的主要发现包括肝脏在糖原生成及使血糖保持一定水平中的作用、胰液的消化功能、血管舒张神经以及一氧化碳和箭毒等毒物起作用的位置等，这些发现的共同特点就是都基于简单却富有说服力的实验证据。[5]130-131

贝尔纳曾在医院当过一年实习生，在马让迪手下当了三年的示范讲师，并因此而能够递交出他那篇关于消化之化学原理的论文。然而，他未能通过医学院教师岗位的考试。1847年，他成为马让迪在法兰西学院的副手，从那以后，成功接踵而来，包括任巴黎索邦大学和自然史博物馆的教授，成为科学和医学专业学会的会员，在参议院获得一席之地，并当上了法国科学院主席。[5]130-131

仪器设施及其应用

1）显微镜。在众多实验仪器设施中，显微镜的应用是一个具有典型性的例证。尽管早在17世纪就已有显微镜，但19世纪20年代末的技术进步使显微镜图像失真的两个原因得以纠正，从而使显微镜从边缘走到实验研究的中

心[5]1241，伟大的实验者“通过简单的仪器就能获得伟大的发现”[5]134。如图4所示，巴斯德在实验室中以他惯用的姿势透过显微镜进行观察。

巴斯德这位19世纪最著名的医学科学家甚至不是医生，而是巴黎最重要的理学院巴黎高等师范学校化学和物理学专业的毕业生，这象征着科学对医学正越来越重要。他对微生物的兴趣甚至也是在研究某些化学成分特别是酒石酸盐的旋光性时才产生的。人们早就发现某些化合物能将偏振光的光带向左或向右旋转，几十年后即19世纪40年代末，巴斯德开始注意细菌和酵母等微生物。关于旋光性，巴斯德确定，此类化合物始终是由生物生成的，如果在实验室里合成相同的化合物，那它的光谱就会是中性的。[5]134

1857年，巴斯德在结束了斯特拉斯堡大学和里尔大学的化学教师工作之后回到巴黎，之后就潜心研究微生物：研究由来已久的无生源说（自然发生说）问题;研究发酵的性质以及微生物在诸如牛奶酸败、肉变腐烂等日常现象中的作用;研究葡萄酒、啤酒和醋的酿造;研究微生物的生理学原理及其与蚕、鸡、牛、猪等动物和人类所患疾病的关系;研究传染和免疫的本质;以及研究传染病的预防和治疗。[5]135

巴斯德的研究似乎证实了这一观点，因为尽管他的思想尤其是他的病菌学说具有重要的理论意义，但他的研究工作始终都具有直接的实践价值，如他对发酵和酿酒的研究使葡萄酒、啤酒和醋的酿造者获益匪浅，对桑蚕疾病的研究挽救了法国的丝绸工业。与巴斯德出身于科学而非医学相称的是，第一次使他的病菌学说确定成形的传染病是桑蚕疾病。随后他又研究了鸡霍乱和猪丹毒（它们与人类的霍乱和丹毒没什么关系）以及炭疽。对这些疾病，他都找到了预防用的疫苗（vaccine，他用这个词以示对詹纳的尊敬）。而他的最大成就为狂犬病疫苗，这是用来预防像炭疽一样的动物和人类常见病的，但对给狗咬过的人施用这种疫苗必须有医生的指导。[5]136

显微镜长期以来一直是生物学家缪勒的主要科研工具。“学会用显微镜观察”，他的学生弗休喜欢这样来描述缪勒向所有学生灌输的思想。弗休撰写的《细胞病理学》（1858年）对细胞的研究就像莫尔加尼的《疾病的位置与原因》（1761年）对器官、比沙的《论细胞膜》（1800年）对组织的研究一样，为探究机能和疾病确定了一种新的重要单位。[5]125

弗休在19世纪40年代和50年代用显微镜做的研究具有更广泛的生物学意义，“所有的细胞均来自细胞”是他的重要格言，这句话扩展了缪勒的另一个学生西奥多·施旺（Theodor Schwann，1810—1882）于1839年阐述的細胞理论。施旺的细胞形成模式是还原论的：细胞是动物和植物行为的基本单位，它们由一个细胞核及核周围的一层细胞膜组成，并可以从胚基（施旺的叫法）的不规则器官基质中形成。他将这个过程明确比作液体内结晶的过程。与此相反，弗休则认为细胞永远都是细胞分裂的产物。这一理论对重大的生物活动（如卵的受精）或病理生理学活动（如炎症脓细胞的起源）等，具有特别重要的意义。[5]125

2）电、磁仪器。无线电通信最终依靠的是由麦克斯韦提出的电磁理论。1854—1879年的25年间，这个苏格兰物理学家用数学术语重构了他所了解的当时电与磁研究的一切，包括迈克尔·法拉第关于磁场与电场存在的理论。在麦克斯韦提出他的数学表述的电磁定律时，它们的公式需要一个新术语使其保持一致。这个术语主要是出于数学的需要，而不是实验证明的结果，他解释成是穿过空间的一种电流或波，称为位移电流的这种东西产生一个不断变化的磁场，反过来又产生一种新的电场。这样就有不断交替变化的电场与变化的磁场，一个接着一个，一个激发另一个。因为这一切都发生在空间中，交变电磁场可以被认为是以光速在空间中传播的电磁波。[6]268

至此为止，麦克斯韦并没有做过实验，虽然他的数学公式是建立在已知的电和磁的现象基础上并与之相一致的。麦克斯韦也没有采取行动来证明自己推测的波的存在，并确定其速度。他用于求取数学公式的高强度劳动，和他的公式与已有电学和磁学的知识体系之间的契合使他确信自己不必这么做。[6]268

一个大胆预言一个全新实体的存在，又认为没有必要用事实证明其存在的人肯定不乐意考虑它的技术上和商业上的应用可能性。作为理论家的麦克斯韦对其物理学原理的应用所起的作用很小。1878年，当见到亚历山大·格林厄姆·贝尔的新电话机时，麦克斯韦鄙夷地评论：自己对其鄙陋的模样的失望，只部分地被它确能说话的发现冲淡了一点点。在他眼里，贝尔的装置完全可能是由一个非专业人员把一些常见的零部件装配在一起而构成的设备。

麦克斯韦的电磁波理论堪称知识上的伟大成就，然而要是没有一些英国和欧洲大陆科学家的工作，它有可能得不到一个令人信服的成就。在麦克斯韦首先就此专题发表论文23年后的1887年，德国物理学家海因里希·赫兹用实验证实了电磁波的存在。[6]251

为了做到这一点，赫兹设计了一个波的发射体（发送机）和一个检波器（接收机），这样就能证明波是以人们所宣称的方式传播的。但他用的是当时大多数装备比较充实的实验室中包括麦克斯韦的实验室中都能找到的普通电器设备。赫兹的发送机是一个以电池为能源的感应装置或电火花线圈，跟现代汽车上的点火线圈相似，有一个可调火花间隙的两块与之相连的金属平板，起偶极天线作用。他的检波器是一匝由小缝隙隔开的金属线，火花隙中的电荷在抵达检波器上时，所产生的电磁波引起金属线上的定态电子的运动，并在线圈的缝隙中产生火花，電磁波可以辐射到整个空间。[6]251-252

实验为科学的深度发展开辟了通道  19世纪上半叶，关于理论概念、实验室效果和技术产品之间相互影响问题而进行的讨论中，克罗斯比·史密斯的能量研究与布鲁斯·J.亨特对电科学的分析中分别表明了观点。亨特更关注于技术，并且与克罗斯比·史密斯观点一致，认为威廉·汤姆森的电气工程科学方法的成功，帮助赛勒斯·菲尔德完成了于1865—1866年铺设跨大西洋电报电缆的冒险。亨特解释了19世纪80年代奥利弗·亥维赛、海因里希·赫兹对麦克斯韦电磁理论的重要完善，并说明欧洲大陆电磁学超距作用方法与麦克斯韦场的概念之间的差别。[6]7

H.A.洛伦兹的理论说明了这两者之间的重要联系，即微小电荷在导体中可以自由移动，但在绝缘体中被限制在特定位置。因此，亨特论证说，阿尔伯特·米切尔森反常地未能发现以太效应，可以被视为对物质之电的构成的肯定，直到爱因斯坦1905年独立地为运动物体的电动力学开创了新的基础。[6]7

参考文献

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