第四讲：科学中的观察与实验(2)

观察的基本特征

我们来讨论作为上述一切基础的“观察”的基本特征，主要讨论如下四个相互关联的问题：

• 观察是主动的还是被动的？
• 观察是公开的还是私人的？
• 观察是客观的还是主观的？
• 观察是可错的还是不可错的？

常识科学观认为，观察是被动的、个人性的、主观的、不可错的。这一观点有较大的问题。

我们对常识科学观进行批评，并把这四个问题的答案归纳为观察的基本特征：主动性、公开性、客观性和可错性。

不仅日常观察活动具有主动性，科学观察活动也具有主动性。这个主动性称为“实践介入”。科学上的实验都是主动的观察，而并非是仅仅张开眼睛，然后被动地把映到眼中的图像记录下来。科学的成果过去而且是现在都是公共性的，而不是个人性的。其他人可以对它们进行核对、批评和补充。

观察是客观的，我们通过实验仪器可以矫正我们知觉的错误。对科学来说，知觉的主观性不一定是无法克服的难题。作为观察的背景知识是可错的，因此观察也是可错的。适于构成科学知识基础的观察结果，既是客观的，也是可错的，这在之前就已经讨论过。

事实的相关性与观察的理想化

“事实是科学的基础”，这句话并非全错，而是因为对“事实”的理解有误。

实验是一种理想化的观察方式。在实验的过程中，观察的主动性、公开性、客观性、可错性可以得到淋漓尽致的体现。

常识科学观认为，观察独立于理论。这样就无法回答应该记录哪些内容，而不记录哪些内容。而科学实验可以告诉我们要记录哪些内容，而不记录哪些内容。与实验内容不相关的内容就可以不予记录，比如世界某地区地震这件事就不用记录在实验中，因为这是与实验无关的内容。

正是这种事实的相关性，实验需要进行精心地设计，以最大限度地排除那些无关因素的干扰，而保留下来与实验结果密切相关的内容，以使事实得到最清楚的解释。

有一种应当注意的观点认为，科学中所需要的不仅仅是事实，还须是相关的事实。

——查尔默斯

为了获得既相关又重要的事实，我们就必须进行实验。实验结果其实才是科学所需要的事实。这个事实并非独立于理论，而是要靠理论来判断它是不是重要的。把主动的观察、公开的观察、客观的观察、可错的观察通过实验的手段理想化地得到，它就是我们所需要的科学的基础。

我们由此从常识科学观前进了一步：实验而非仅仅是观察为科学提供了基础。

从科学哲学的历史来讲，直到上世纪八十年代才认识到实验的重要性，才开始对实验进行哲学上的讨论，这称为“实验哲学的转向”。相较于之前的理论，科学哲学界产生了名为“新实验主义”的流派，他们认为，“实验具有自己独立的生命”。

既然科学实验是获得相关事实的理想化的观察方式，那么前面关于观察的讨论也可以应用于实验上：

• 实验结果不是感官的直接产物。
• 对实验结果的评判不能直接诉诸于感官的经验。
• 实验与理论是彼此相关的。
• 实验结果具有可错性。

案例研究：科学基础转变的历史例证

稍微回顾一下之前的内容。获得事实有两种方法：一个是通过知觉直接获得，另外一种是把观察的方式理想化处理（实验）。常识科学观认为事实是与观察者的知识无关。我们对这一问题进行了批评，认为观察的基本特征是主动性、公开性、客观性和可错性。实验是一种理想的观察，它更适合作为科学的基础。我们得出如下结论：实验而非仅仅是观察为科学提供了基础。

我们将讨论三个历史例证，来对上面的讨论进行解释：

1. 阴极射线

从低压放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子流就成为阴极射线。对阴极射线的研究始于19世纪60年代。起初人们猜测阴极射线是一种带电粒子，为了验证这一猜想，赫兹将电场作用于阴极射线之上。赫兹并未观察到阴极射线的偏转，由此赫兹认为阴极射线不是带电微粒。

后来汤姆孙进行了更细致的实验。他分析了赫兹的实验，认为赫兹实验的失败在于真空管中气体真空度不够。汤姆孙改进了实验，进行了更高精度的测量，终于发现了阴极射线在电场中的偏转。由此证明了阴极射线带负电。汤姆孙进而测量了阴极射线的荷质比，由此确认了电子。

正是由于改进了技术和对这种状况改进的认识，使得汤姆孙有可能修正并拒绝赫兹的实验结果。汤姆孙之所以能够改进赫兹的实验，主要是由于它利用了改进的真空管技术，从而可以吧更多的气体从管中排出。

从这一例子中我们可以看到，实验的设计、对实验的认识、实验结果的判断，是与理论息息相关的。正是由于这种相关性，使得它更加明显地体现了理论的可错性（理论如果错误，实验结果就会偏离理论）。

2. 光速测量

历史上，光的粒子性和波动性的争论由来已久。它们各自可以解释一些现象。

后来麦克斯韦写下了麦克斯韦方程组，认为光的本质就是电磁波。麦克斯韦理论的一个很重要的可观测的预言就是光速的大小。为了验证麦克斯韦的理论，就需要对光速进行较为精确的测量。

赫兹完成了光速测量的实验，验证了麦克斯韦对光速的预言的可靠性。但是后期的一些实验（比如迈克尔孙-莫雷实验）又对麦克斯韦的理论提出了新的挑战。这些实验认为，麦克斯韦假说中的“以太”实际上是不存在的，光速在任何参考系中都相等。

借由这一新的实验现象，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，很好地解释了光在真空中传播的机理。人们对光的认识又走上了一个新的台阶。

由此可以看出，实验和理论是高度相关的。实验进行的目的，本身就是为了验证这些理论哪个更恰当，验证理论的可靠性。理论本身是可错的，它可以被实验所否定，并且被更合理的理论所代替。

3. 元素和化合物分子质量的测定

普劳特假说认为，所有元素最基本的单位是氢。由此可以认为，任何化合物的质量都是氢原子的整数倍。为此人们进行实验测量各种化合物的质量，结果推翻了普劳特假说。

随着理论和技术的进步，人们发现了所谓的“同位素现象”，这样就很好地解释了实验现象。这个例子进一步说明了实验结果的相关性和解释依赖于理论背景的方式。恰当地完成实验是实验结果的可接受性的必要条件而不是其充分条件。它们还必须是相关的和有意义的。

对上述三个实验进行小结：

• 作为科学中理想化的观察方式，科学实验当然具有前边所说的观察的基本特征：主动性、公开性、客观性、可错性。
• 对科学实验是否恰当的评判，依赖于相关理论和技术的发展。
• 既然观察是依赖于理论的，无疑实验更是依赖于理论的。前边所说实验结果的可接受性必须要求实验事实是相关的、有意义的，其实正是相对于特定理论而言的。

理论与实验的关系

如何解释实验和理论的循环论证问题？实验结果依赖理论，而理论也要依赖于实验结果，这应该如何解释？

它们只是表面上的循环，实际上不是循环。当我们说观察依赖与理论的时候，我们这里指的是背景理论。而当我们说观察作为理论的基础的时候，我们指的是待检理论。背景理论和待检理论并非是相互依赖的理论。这样就消除了循环论证的问题。

无论理论给一个实验提供什么信息，一个实验的结果是由世界决定的而不是由理论决定的，这是非常有道理的。

——查尔默斯

更深入的讨论涉及到实在论与反实在论的问题，我们将在之后进行讨论。

编辑于 2020-08-03 11:02
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