科學(xué)家巧思種種

王莊林

科學(xué)家的特質(zhì)是好奇與思考。由于好奇，他們不斷地提出問題，再用科學(xué)方法解決這些問題，而在解決問題的過程中，發(fā)展出各種巧妙的思考方式。

科學(xué)方法的步驟

科學(xué)家是一群用科學(xué)方法解決科學(xué)問題的人。所謂的科學(xué)方法，包括以下4個步驟。

觀察——觀察是借助一種或多種感官和儀器從環(huán)境中獲得資訊的歷程。各種問題都來自觀察，觀察的結(jié)果可能是定性的或定量的，定性的觀察不包含數(shù)字，定量的觀察則包含數(shù)字與單位。

假設(shè)與推論——假設(shè)是科學(xué)家對觀察結(jié)果提出的解釋。一個觀察到的現(xiàn)象可能有很多不同的假設(shè)，它們可能是正確的，也可能是錯誤的。推論是指以現(xiàn)有的信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用邏輯思考推導(dǎo)出的結(jié)論，它們可能是正確的，也可能是錯誤的。

預(yù)測——科學(xué)家根據(jù)假設(shè)與推論，再運(yùn)用想象力對可能發(fā)展的結(jié)果做出猜測，稱為預(yù)測。預(yù)測可能是正確的，也可能是錯誤的。

實驗與驗證——科學(xué)家用觀察或進(jìn)行實驗來搜集新的訊息，以決定假設(shè)是否恰當(dāng)，預(yù)測是否正確。換言之，科學(xué)家從觀察或?qū)嶒灥玫降男掠嵪?，來判斷假設(shè)與預(yù)測的正確性。

宏觀思考

我國古人大都相信“天圓地方”，認(rèn)為腳下的大地是方形的。西方的古人也認(rèn)為，人類是生活在一個平面的大地上。只有極少數(shù)科學(xué)家懷疑這個觀念的正確性，出生于公元前276年的埃及學(xué)者埃律吐新尼斯，是第一位用科學(xué)方法成功解答這個問題的學(xué)者。

觀察——埃律吐新尼斯聽說在夏至，即每年白晝最長的那一天的正午，在錫尼的井中可以看到太陽在井底閃耀。根據(jù)這個傳說，他推論夏至當(dāng)天正午，太陽一定在錫尼市的正上方，這樣它才能從錫尼市的井底閃耀。如果太陽是在正上方，那么直立的柱子便不會有影子。

然而在夏至當(dāng)天正午，從他居住的亞力山卓城的深井中，他卻看不到太陽的倒影在井底閃耀，而且直立的長柱也會出現(xiàn)影子。他非常小心地量出陽光與柱子的夾角是7.12°，大約是360°的1／50。

由于好奇心的驅(qū)策。一年之后，埃律吐新尼斯前往距離亞力山卓城800公里的錫尼市，查看有關(guān)太陽在井底閃耀的傳言是否屬實。在夏至那天正午，他低頭往錫尼市的深井一看，果然看到太陽的倒影在井底閃耀，同時直立的長柱沒有影子。

假設(shè)與推論——如果人類居住生息的大地是一個廣大的平面，則在夏至那天的正午，太陽光直射而下時，在大地上的任何城市，直立的柱子都不會有影子。

埃律吐新尼斯在夏至正午，觀察到在錫尼市的直立柱子沒有影子，但在亞力山卓城直立柱子卻有明顯的影子。因此他推論，大地不是平的，地面可能是彎曲的，換言之，大地可能是個球體。

預(yù)測——埃律吐新尼斯根據(jù)觀察的結(jié)果，推論大地可能是個球體。如果把亞力山卓城及錫尼市的兩根直立的柱子想象成兩條直線，把這兩條直線向地下延伸，它們應(yīng)會在地球的中心相交，且交角與亞力山卓城的柱子和夏至正午時陽光的夾角應(yīng)該相同，都是7.12°。于是埃律吐新尼斯用以下比例式，算出地球的圓周大約是4萬公里。

地球的圓周：亞力山卓城至錫尼市的距離=360°:7.12°地球的圓周=(亞力山卓城至錫尼市的距離)=(800公里)×(50)=40000公里

驗證——每年夏至正午，埃律吐新尼斯都到不同的地點，觀察并測量直立長柱的影子，并用前文所述的方式估算地球的圓周，結(jié)果在不同地點算出的值都非常接近，約為4萬公里。由于經(jīng)過錫尼市不同方向的圓周都約為4萬公里，因此，埃律吐新尼斯確信地球是個圓周4萬公里的圓球。

然而，古代的人無法驗證埃律吐新尼斯的假設(shè)與推測正確與否。直到1519年9月，葡萄牙貴族麥哲倫率領(lǐng)一支由5艘大船、200多名水手組成的艦隊，從西班牙出發(fā)，橫渡大西洋到達(dá)美洲，穿過美洲南端的海峽進(jìn)入太平洋，又穿越印度洋，繞過好望角，在1522年9月回到西班牙，第1次用實際行動證實地球是圓的。

到了20世紀(jì)，科學(xué)家利用人造衛(wèi)星觀察到地球是個球體，并且實際測量得到經(jīng)過地球兩極的周長是40，008公里，與埃律吐新尼斯在公元前3世紀(jì)以思考方法算出的結(jié)果完全一致。

先前提到，埃律吐新尼斯從觀察800公里之內(nèi)的現(xiàn)象，把思考的范圍擴(kuò)大到整個地球及部分太陽系。他利用宏觀思考能力，不僅推論出地球是圓的，還準(zhǔn)確計算出地球的圓周。

后來，他繼續(xù)用宏觀思考正確畫出尼羅河的流經(jīng)路線。編制一套包含閏年的歷法，并且利用月蝕資料估算出地球與月亮，以及地球與太陽之間的距離!

定量思考

古代希臘哲學(xué)家認(rèn)為世上一切物質(zhì)都是由4種元素——土、水、火及空氣，以不同的比例組成的。他們相信，每種元素都是兩個性質(zhì)的組合，例如水是濕與冷的元素，土是干與冷的元素。他們認(rèn)為如果用千的性質(zhì)取代水中濕的性質(zhì)，水就能轉(zhuǎn)變成土。

直到18世紀(jì)，歐洲許多科學(xué)家仍然相信這個觀念。他們用玻璃器具裝水，在長時間加熱之后，發(fā)現(xiàn)水中有泥狀白色沉淀物生成。于是用這個實驗結(jié)果，推論古希臘人提出的概念“水能變成土”是正確的。

法國著名化學(xué)家拉瓦錫也對這個問題極感興趣。為了尋求答案，他決定設(shè)計實驗，仔細(xì)觀察水經(jīng)過長時間加熱生成沉淀的現(xiàn)象，用科學(xué)方法尋找問題的正確答案。

觀察——拉瓦錫先把水蒸餾了8次，再把這些水和蒸餾瓶分別稱重，接著把蒸餾水放入已稱重的瓶中，加熱驅(qū)除其中的空氣后，以玻璃塞密封，再重新進(jìn)行稱量。然后加熱至攝氏六七十度，蒸餾水產(chǎn)生的水蒸氣會在蒸餾裝置上端冷凝，又回到蒸餾瓶中，因此在實驗過程中，水蒸氣并不會逸出蒸熘裝置外。

拉瓦錫從1768年10月24日開始實驗，使水溫保持在60℃～70℃之間。一個多月之后，水開始混濁，到了12月中，已有白色沉淀物生成，這些沉淀物隨著時間越來越多。直到1769年2月1日，拉瓦錫才把熱源關(guān)閉，讓蒸餾瓶裝置、蒸餾水及白色沉淀物自然降溫至室溫，再分別量稱它們的重量。他發(fā)現(xiàn)水的重量并未改變，但蒸餾裝置重量減輕了，減輕的重量等于沉淀物的重量。

假設(shè)與推論——在101天的實驗過程中，水的重量并沒有改變，因此，拉瓦錫推論“水不會變成土”。實驗結(jié)果又顯示，實驗后蒸餾裝置的重量加上實驗過程中生成沉淀物重量，等于實驗前蒸餾裝置的重量，因此，拉瓦錫推論沉淀物來自蒸餾裝置。換言之，實驗過程中產(chǎn)生沉淀物，是蒸餾裝置中一部分玻璃溶解所產(chǎn)生的。

預(yù)測——拉瓦錫認(rèn)為實驗產(chǎn)生的沉淀物來自玻璃，預(yù)測這沉淀物的所有元素都應(yīng)包含在蒸餾裝置的玻璃中。

實驗與驗證——拉瓦錫的朋友、瑞典化學(xué)家舍勒，分析了這個沉淀物的成分與玻璃的成分，發(fā)現(xiàn)玻璃果然包含沉淀物中所有的元素。這實驗結(jié)果證實，沉淀物是來自玻璃，而不是水變成的“土”，因此，拉瓦錫的推論“水不會變成土”是正確的。

在18世紀(jì)，受煉金術(shù)的影響，化學(xué)家只注意定性的事物，也就是什么物質(zhì)與什么物質(zhì)反應(yīng)后，會產(chǎn)生什么，很少有化學(xué)家從事定量的觀察與思考。而且多數(shù)科學(xué)家相信德國化學(xué)家貝歇爾和施塔爾共同提出的燃素學(xué)說。

先前提到的實驗使拉瓦錫堅信，精確測定重量是發(fā)現(xiàn)真理的基本法則，因此，他自行開發(fā)高精確度的大型天秤，并使用這個天秤測量肉眼可見的生成物，也測量肉眼看不到的物質(zhì)。具體的方法就是，在完全密閉的裝置中進(jìn)行實驗，精確地測量反應(yīng)前、后各種反應(yīng)物與生成物的重量，并且用定量思考改正過去錯誤的理論與學(xué)說。

從1769年2月～1777年9月，他用前述的方式不斷地在完全密閉的裝置中從事燃燒反應(yīng)，在反應(yīng)前與反應(yīng)后，準(zhǔn)確測量所有反應(yīng)物與生成物的重量，并用定量思考徹底推翻燃素論，代之以自己創(chuàng)立的氧化學(xué)說。此外，他從過去所有定量實驗的結(jié)果歸納出“質(zhì)量守恒定律”：在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前、后物質(zhì)的總重量應(yīng)是相等的。

拉瓦錫的定量思考，使化學(xué)這門科學(xué)由物質(zhì)的定性研究進(jìn)入到定量研究的新階段，拉瓦錫也因此被尊稱為近代“化學(xué)之父”。