教育技術裝備發(fā)展傳統(tǒng)與基石（續(xù)二）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

4 實驗與實踐：科學及科學教育發(fā)展的基石

實驗科學的第一個范例? 1600年，一個英國醫(yī)生威廉·吉爾伯特（1544—1603）出版了《論磁》，該書是科學革命時期的少數(shù)幾部名著之一。人們普遍認為，吉爾伯特是近代磁學的奠基人。吉爾伯特的《論磁》是以當時盛行的自然哲學來進行闡釋的，由于書中如此多的為基礎物理學學生所熟悉的事實是建立在確定的證據(jù)之上的，因此，他的書常常被稱為近代實驗科學的第一范例。[13]25

吉爾伯特的《論磁》與伽利略的工作形成鮮明的對比。伽利略主要把實驗看作說服他人的手段，至于他本人，則不必費心地完成實驗就敢于自信地宣布實驗的結果。與伽利略相反，吉爾伯特則通過經(jīng)驗調查確立磁學的基本事實，從他提及并付諸實驗的故事里，可以知道磁石曾被看作某種特殊的令人敬畏的東西，是宇宙中充滿種種隱秘及神秘力量的集中體現(xiàn)。[13]25

把事實從虛構的故事中分離出來，吉爾伯特將此當作自己的職責。鉆石有磁化鐵的力量，這是真的嗎？在實驗了75顆鉆石以后，吉爾伯特有把握地回答：這不是真的。在吉爾伯特以前，人們常常將磁現(xiàn)象同靜電現(xiàn)象混為一談，吉爾伯特清楚地、明確地將兩者區(qū)分開來。他運用豐富的實驗證據(jù)，論證地球本身是一個巨大的磁體，并且堅持認為吸引僅是五種磁現(xiàn)象（他又將它們稱為“運動”）之一;其他四種是磁方向、磁差（即磁偏角）、磁傾角和磁旋轉，它們都同地球的磁場相關。[13]26

吉爾伯特不是將磁看作自然界所展示的眾多現(xiàn)象之一，而是將其作為理解整個自然的鑰匙。按照他的理解，磁是原始地球物質中的活力要素。對吉爾伯特來說，其他的磁行為比所謂的“吸引”似乎更重要。磁方向、磁差、磁傾角這些運動（或轉動）表示著組織宇宙的潛在智力。[13]26吉爾伯特認為，南和北才是宇宙中的真正方向，而地球的磁的靈魂存在于對地球的組織和排列活動之中。羅盤是“上帝的手指”，失去磁的鐵被視為迷失了方向。磁針的磁傾角可以測量緯度，也許磁差能用作測定經(jīng)度。吉爾伯特在論述其第五種運動即磁旋轉時，將地球的磁的靈魂認作理智本身后，地球每天繞其軸轉動。他認為這種運動由磁引起，同樣地，他認為當?shù)厍蚶@太陽轉時，地極方向保持不變是由磁引起的。吉爾伯特斷言，當?shù)厍蚪咏枙r，地球的靈魂感悟了太陽的磁場，這樣就可以推斷出，如果地球不動，地球的一邊將燃燒而另一邊則會結冰，所以地球選擇圍繞著它的軸轉動。為了引起季節(jié)性的變化，地球甚至選擇讓它的軸傾斜一定角度。[13]27-28

“新哲學”：一種革命的宇宙觀——實驗與儀器設施推動的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)? 地理大探險發(fā)現(xiàn)了字面意義上的新世界，天文觀測肯定了新的星球（新星）在太空中的存在，而過去認為這些星體的存在是不可思議的，中世紀的學術規(guī)范被新的哲學體系所取代;而近代科學，或時人稱作“新哲學”的東西，代表了一種革命的宇宙觀。至17世紀時，對創(chuàng)新的癡迷到了如此深的地步，以至于出版商的書單充滿自封的新學，如一種新煉金術、天文學、植物學、化學、幾何學、醫(yī)學、藥學、修辭學和技術。在其中最為著名的有伽利略的《新科學》（1638年）、約翰尼斯·開普勒的《新天文學》（1609年）和弗蘭西斯·培根的《新邏輯學》（1620年）。[15]143

18世紀的進步是從17世紀的科學成就中汲取力量的，而這一時期的成果引起世人對科學知識的關注。進步觀的支持者們相信現(xiàn)代科技集中了它對事實和理論的儲備，揭示了自然的奧秘，獲得了對自然資源的控制，人類將沿著進步的階梯攀升，所有的人類活動都將因感受到科學精神的漸進的推動力量而改變。[15]143

歷史上曾經(jīng)產(chǎn)生一種“燃素”理論。物質為什么會燃燒？燃燒的條件是什么？德國物理學家、化學家喬治·施塔爾（1660—1734）創(chuàng)立了“燃素”理論：所有的物質基本上都是由水和三種不同的土組成的，其中一種是易燃的，當物質燃燒的時候就會釋放出來，進入空氣，這種成分就是燃素。他的思想是建立在更早的科學家貝歇爾（1635—1682）的思想基礎之上的，貝歇爾的思想統(tǒng)治化學界將近一個世紀，直到安東尼·拉瓦錫（1743—1794）將其否定。拉瓦錫和英國化學家普利斯特利（1733—1804）于1774年在發(fā)現(xiàn)空氣中的新成分（拉瓦錫將它命名為“氧”）的基礎上做了一系列實驗，這些實驗逐漸使其認識到這種被稱為“空氣中最健康和最純潔”的部分，正是在燃燒過程中實際起作用的部分，也是解開燃燒秘密的關鍵。氧氣的發(fā)現(xiàn)徹底否定了燃素理論。拉瓦錫正確闡述了燃燒：在氧和另一種物質結合的時候，同時釋放熱量和光，并且使這種物質的重量增加。

到19世紀，普魯特在1824年證明鹽酸是消化液中的酸性物質。他想出一種食物營養(yǎng)成分的分類方法，將它們分成通常所稱的碳水化合物、脂肪和蛋白質。他還提出，如果將氫視作1，那么各種元素的原子量就可以用氫的積分來表示。[16]140

近代神經(jīng)反射理論的詳盡闡釋盡管已有前人做過，但霍爾和約翰尼斯·繆勒在這方面也均有各自的貢獻。貝爾對大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的解剖學研究具有令人愉悅的審美情趣和名副其實的獨創(chuàng)性;他對神經(jīng)功能的思索是敏銳而富啟發(fā)性的，即使后來他夸大了自己的研究成果，自以為發(fā)現(xiàn)了脊神經(jīng)根的功能。[16]140

電學的發(fā)展或可更能表明實驗哲學、實驗實踐對推動科學發(fā)展的意義。本杰明·富蘭克林（1706—1790）為了證明閃電的電性質，于1752年5月6日進行了閃電實驗。在暴風雨中，富蘭克林和他的兒子威廉將風箏升到空中，風箏上面裝有與麻繩相連的金屬線。風箏在空中飄浮不定，當閃電掠過風箏時，富蘭克林緊拽著風箏的手一陣麻木，他意識到自己已經(jīng)被閃電擊中了。他做了幾次類似實驗，將閃電引入并貯存在萊頓瓶中帶回實驗室，并與人工摩擦產(chǎn)生的電進行比較，發(fā)現(xiàn)二者毫無差別，從而證明了雷電與摩擦起電產(chǎn)生的電性質是一樣的。富蘭克林的這個最著名的實驗極端危險。1753年，俄羅斯科學院有才干的物理學家里奇曼（1711—1753）在用他的裝置從空中引閃電時被電擊死。[12]67

—場關于與鈍避雷針相比，尖避雷針優(yōu)點何在的論戰(zhàn)，在18世紀的全部剩余時間里都進行得非常激烈。以本杰明·威爾遜（1721—1788）為首的鈍避雷針的支持者論證說，尖針會吸引閃電，而威爾遜認為應當裝在屋頂下面的鈍避雷針只會帶走電擊而不會吸引它（圖4）。事實上，避雷針的形狀與其對付閃電的能力沒有什么關系，富蘭克林在思考他的避雷針使暴風雨云層失去爆炸性方面尚有不足，避雷針所達到的高度比其形狀關鍵得多。

不怎么戲劇性卻比較重要的一批實驗是富蘭克林完成的最初的那批實驗。1747年5月，他寫信給柯林森說：“一段時間以來，我一直認為電火不是由摩擦產(chǎn)生的，而是聚集而成的，實際上是其他物質，特別是水和金屬之間擴散……和吸引的一種元素?！边@個理論的證據(jù)來自“摩擦玻璃管并由之取電火使自身帶電的不可能性（即使放在蠟上）”實驗，實驗表明，玻璃管上的電流體不是摩擦產(chǎn)生的，而是從實驗者的身體取得的。[12]67

這個實驗使人想到四個另外的實驗[12]69：

1）—個人站在蠟上摩擦玻璃管，另一個人站在蠟上取電火，在一個站在地板上的人看來，似乎他們兩人（假如他們站著而彼此不接觸）都帶上電，也就是說，他在他們用膝蓋靠近的時候將看見電火花;

2）但是，如果站在蠟上的兩個人在刺激玻璃管的時候彼此接觸，他們兩個人看上去都不會帶電;

3）如果他們刺激玻璃管并且按上述辦法取電火，那么，他們之間的電火花就將比他們兩個人中任何一個人與地板上的人之間的電火花更強;

4）在如此強的電火花之后，他們兩個人都不會顯示出帶電。

富蘭克林假定有一種單電流體以解釋這些實驗，每個處于中性狀態(tài)的人都有一份這種流體。帶電的玻璃管起著泵的作用，單電流體在其中可以從一個人的身體移向另一個人的身體。因此，如果甲把流體傳給乙，而且兩個人都與地面隔開，那么，乙就會有過量的流體（荷正電）而甲則短缺流體（荷負電）。富蘭克林的單電流體不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，而只能從一個物體傳給另一個物體的理論，解釋了已知的大多數(shù)電現(xiàn)象。電流體排斥其他電流體卻吸引普通物質。電的吸引、排斥、火花、傳導、感應以及迪費說的玻璃電和樹脂電，全都能用富蘭克林的理論解釋（迪費說的兩種電一方面體現(xiàn)流體短缺，另一方面則體現(xiàn)流體過量）。[12]69

丹麥物理學家、化學家H.C.奧斯特（1777—1851）做了60多個實驗，考察電流對磁針作用的強弱、電流對磁針的影響，并在1820年7月21日發(fā)表了題為“關于磁針上電流碰撞的實驗”的論文，向科學界宣布了電流的磁效應，揭開了電磁學的序幕，標志著電磁學時代的到來。[17]31

最后揭示出放射性現(xiàn)象的本質的是另一個物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（1871—1937，新西蘭原子核物理學家），他發(fā)現(xiàn)在原子核衰變過程中發(fā)射的不是一種而是兩種射線，即α射線和β射線。α射線是帶兩個電荷的氦原子，而β射線就是湯姆遜剛剛發(fā)現(xiàn)的電子。由于這兩種粒子都帶電荷，α帶正電荷，β帶負電荷，因此可以用電磁場來控制它們的運動路徑，就像在電視顯像管里的情況那樣。因此，只要有足夠強的放射源，這兩種粒子就都很適于用來做進一步的實驗。[9]249

實驗的原理是讓密封容器中的放射源發(fā)出的射線射向一個靶子（通常是一薄片金屬箔），靶子使射線散射，然后利用一片閃爍體來觀測被散射的粒子。每一個散射事件都會引起一次閃光，閃光持續(xù)的時間不超過1/100秒，用這種方法就可以將事件記錄下來。在早期對粒子進行研究時，實驗者不得不直接用眼睛觀測，記錄下閃爍體上出現(xiàn)的閃光點，盧瑟福傾向于使用那種用細繩和封蠟組裝起來的簡單儀器。因為閃光極其微弱，所以必須在幾乎是絕對的黑暗中才能進行實驗。[9]250

1878年，威廉·克魯克斯制造了一支近于完美的真空管，其中有兩個電極，一個是正極，另一個是負極。當通以電流時，就會出現(xiàn)微弱的光，照亮管中稀薄的空氣，并使管壁發(fā)出熒光。熒光現(xiàn)象來自陰極，即負極。他發(fā)現(xiàn)，這種射線在磁場中會偏轉，表明它不可能是純粹的光線，但它既不是氣體，也不是液體或固體?？唆斂怂乖诶Щ笾拢Q之為“輻射的”物質。實際上他是在毫無所知的情況下，開拓了實驗物理學中整個一片新的領域。[9]256

19世紀90年代，許多著名的物理學家用克魯克斯真空管做實驗，其中包括劍橋的J.J.湯姆遜（1856—1940）和沃爾茨堡的威廉·康拉德·倫琴（1845—1923，德國物理學家。發(fā)現(xiàn)了X射線，并且發(fā)現(xiàn)使介質在充電的固定平行板電容器中旋轉時，能產(chǎn)生磁場），他們分別獨立地發(fā)現(xiàn)，克魯克斯管外的物質發(fā)出熒光的現(xiàn)象是管內(nèi)的放電作用引起的。當湯姆遜打算對陰極射線進行研究，以便找出產(chǎn)生這一效應的原因時，倫琴已經(jīng)下決心立即著手研究了。1895年11月8日，倫琴在管子的前面放置了一片屏幕來顯示熒光效應。他發(fā)現(xiàn)，在克魯克斯管上覆蓋黑紙，并不能阻止這一效應的發(fā)生。當他把自己的手放在管子與屏幕之間時，能使效應稍微減弱，同時能在陰影中看見手的骨骼。他在1895年12月發(fā)表這一實驗結果，震驚了整個世界。

倫琴無法解釋自己的這一發(fā)現(xiàn)，由于一般常以X來代表未知的事物，因此稱之為X射線，并沿用至今?？傊?，他因此而在1901年成為第一位諾貝爾物理學獎的獲得者。X射線被發(fā)現(xiàn)之初，雖然它的本質還不清楚，但是已經(jīng)對許多科學家的研究工作產(chǎn)生深刻影響，其中包括J.J.湯姆遜的工作。直到1912年，馮·勞厄（1879—1960）才闡明了X射線的本質。[9]256-257

1896年1月，法國科學家亨利·貝克勒爾在法國科學院得知倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，這一新現(xiàn)象引起他和另外三個人的興趣，他們想測試一下，看看磷光本身是否有可能用作X射線源。另外的三位科學家沒有花費多少時間就為上述看法提出肯定的證據(jù)，現(xiàn)在知道，其實他們都是錯誤的。這三位科學家分別研究的是不同的磷光物質，貝克勒爾做的也是同樣的工作，卻得不出肯定的結果。但是當他對一個鈾鹽的樣品進行研究時（這個樣品是他父親在15年前留下的遺物），卻意外地發(fā)現(xiàn)了“金礦”。實驗進行至此，似乎一切都正常，但是貝克勒爾決定再做一次確證的實驗，這一次他將一薄片銅放在黑紙上遮蓋著照相底片。1896年2月的陽光不夠充沛，然而貝克勒爾急于知道實驗結果，還是將底片顯影了，那時正巧威廉·克魯克斯偶然到他的實驗室來訪問。令人驚訝的是，在底片黑色的背景上顯示出銅片白色的影像。[9]264-265

經(jīng)過反復試驗，證明只有鈾才產(chǎn)生這樣的效應，而且并不一定必須是能夠產(chǎn)生磷光的物質。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性是因為它具有發(fā)現(xiàn)新奇事物的才能，不過他既未使用“放射性”這個名詞，也未對它的來源做出解釋。這一發(fā)現(xiàn)并沒有立即廣泛地引起興趣，相比之下，人們對X射線的興趣要大得多，因為X射線比較容易產(chǎn)生，卻幾乎無法獲得鈾。[9]265

貝克勒爾指出，鈾使空氣變成電的導體。其他人還發(fā)現(xiàn)存在某個“飽和點”，它限制著空氣的導電性。

同時期，一對年輕的夫婦皮埃爾·居里和瑪麗亞·居里（通常稱為瑪麗·居里或居里夫人，波蘭裔法國籍女物理學家、放射化學家）決定測量鈾釋放出來的能量，同時對其他元素進行測試。他們將兩個直徑為八厘米的圓盤上下疊置，二者之間相距3厘米;讓鈾的樣品覆蓋下面的那個圓盤，然后以高電壓電池使之帶電，同時測量上面的那個圓盤充電的速率。這個實驗依靠的是極為精確的儀器，包括靜電計和皮埃爾發(fā)明的石英天平，以便能夠獲得所需要的數(shù)據(jù)，對實驗結果進行分析。[9]268

當時他們并不在學術界工作，卻對這一課題產(chǎn)生很大的興趣?，旣悂啗Q定自己動手來做實驗，從鈾開始進行，接著測試了13種其他元素，包括金和銅。在1898年2月17日那天，她轉而測試瀝青鈾礦（從這種礦石里可以提煉出鈾），結果測得它產(chǎn)生的電流要比鈾產(chǎn)生的強得多。到2月24日，她發(fā)現(xiàn)另一件令人驚訝的事實，釙這種元素的放射性也比鈾強，但是要比瀝青鈾礦弱。

進一步的實驗是在他們的實驗室里進行的，實驗室是理化學校提供的一間長期不用的透風漏雨的木棚，里面有兩張破舊的桌子、一只爐子和一塊皮埃爾用來計算的小黑板，實驗材料是廉價買來的十幾麻袋廢礦渣。在極其艱苦的實驗中，這對夫婦發(fā)現(xiàn)了另一種礦物，放射性比鈾強的天然銅鈾云母。這種不正常而且過度的放射性是從哪里來的呢？唯一的解釋是它們可能都含有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的元素，而這種元素的放射性比鈾強，這是在科學史上第一次通過放射性來探查和發(fā)現(xiàn)新的物質。在對那份分離產(chǎn)物進行分離和純化中，他們終于獲得一種放射性比鈾強的物質。在12月20日，皮埃爾在他的筆記本上寫下radium（鐳）這個名詞。[9]268-269

后來他們又花了兩年的時間獲得純的鐳樣品，總共只有1/10克，只比一粒米稍為重一點二。1903年，皮埃爾在一項與別人合作的實驗中發(fā)現(xiàn)，一克鐳在一小時內(nèi)能使1.3克水的溫度從0 ℃升至100 ℃。在同一年，諾貝爾物理學獎授予居里夫婦和貝克勒爾，瑪麗亞是第一位獲此殊榮的婦女。1905年，皮埃爾終于被選為科學院院士，索邦神學院特別為他設立一個教授職位?，旣悂啞ぞ永飫t由于發(fā)現(xiàn)鐳和釙而在1911年獲得諾貝爾化學獎。[9]270

（未完待續(xù)）