科學實驗

科學實驗是觀察的一種形式。由於科學實驗在經驗自然科學研究中具有特殊重要的地位，因此，需要對科學實驗單獨加以論述。

當人們不滿足在自然條件下去觀察對象，要求對被研究對象進行積極的干預時，這就導致科學實驗的產生。

在古代社會，科學實驗就已在人們探索自然界奧秘的過程中逐步醖釀產生。但是那時的實驗還只是以原始樸素形式出現，它還沒有成為一種獨立的社會實踐活動形式。嚴格意義上的科學實驗是從近代開始的。實驗方法的運用成為近代自然科學的主要特點。這種情況之所以在近代出現，根本原因在於工業生產在這時得到了長足的發展。恩格斯説：“從十字軍遠征以來，工業有了巨大的發展，併產生了很多力學上的（紡織、鐘錶製造、磨坊）、化學上的（染色、冶金、釀酒）、以及物理學上的（眼鏡）新事實，這些事實不但提供了大量可供觀察的材料，而且自身也提供了和已往完全不同的實驗手段，並使新的工具的製造成為可能。可以説，真正有系統的實驗科學，這時候才第一次成為可能。”（《馬克思恩格斯選集》 第3 卷人民出版社1972年版，第523-524頁）

從近代到現代，科學實驗經歷了很大發展，科學實驗的社會性也逐步提高。到了1940年代以後，科學實驗的規模愈來愈大。科學實驗再也不是科學家個人的事業，而成為整個社會事業的一個有機部分。

科學實驗和科學觀察一樣，也是蒐集科學事實、獲得感性材料的基本方法，同時也是檢驗科學假説，形成科學理論的實踐基礎，二者互相聯繫、互為補充。但實驗是在變革自然中認識自然，因而有着獨特的認識功能。原因是科學實驗中多種儀器的使用，使獲得的感性材料更豐富、更精確 ，且能排除次要因素的干擾，更快揭示出研究對象的本質。

科學的方法應該包括六個重要步驟：

觀察即對事實和事件的詳細記錄。

對問題進行定義是有確切程序可操作的。

提出假設是對一種事物或一種關係的暫時性解釋。

收集證據和檢驗假設，一方面要能提供假設所需的客觀條件，一方面要找到方法來測量相關參數。

發表研究結果：科學信息必須公開透明，真正的科學關注的是解決問題。

即建構理論。孤立的問題無法建立理論，科學的理論是可以被證偽的。

科學實驗之所以受到人們的重視，之所以能比自然觀察優越，這是和科學實驗本身的特點密切相關的。

科學實驗具有純化觀察對象的條件的作用。

自然界的對象和現象是處在錯綜複雜的普遍聯繫中的，其內部又包含着各種各樣的因素。因此，任何一個具體的對象，都是多樣性的統一。這種情況帶來了認識上的困難，因為對象的某些特性或者是被掩蓋了起來，或者受到其他因素的干擾，以致對象的某些特性，或者是人們不容易認識清楚，或者是通常情況下根本就不能察覺到。而在科學實驗中，人們則可以利用各種實驗手段，對研究對象進行各種的人工變革和控制，使其擺脱各種偶然因素的干擾，這樣被研究對象的特性就能以純粹的本來面目而暴露出來。人們就能獲得被研究對象在自然狀態下難以被觀察到的特性。

例如，肉湯腐敗這個常見的現象究竟是什麼原因引起的？巴斯德認為煮沸的肉湯後來又變質，這是由於空氣中的微生物進入肉湯造成的結果。但是，在自然的條件下，肉湯總要接觸空氣，而空氣中又必然會有無數塵埃，塵埃上則攜着微生物。所以在自然條件下，要使空氣中的微生物不進入肉湯裏是不可能的。於是，巴斯德就求助於實驗的純化作用。他設計了一種曲頸瓶，把肉湯注入瓶內並加熱殺菌。由於瓶子是曲頸的，它使外界空氣中的塵埃很不容易進入瓶內。結果肉湯並不腐敗。這就是通過一定的實驗手段，排除了空氣中的微生物對肉湯的作用，觀察到了肉湯在比較純粹的狀態下是不會腐敗的。

科學實驗具有強化觀察對象的條件的作用。在科學實驗中，人們可以利用各種實驗手段，創造出在地球表面的自然狀態下無法出現的或幾乎無法出現的特殊條件，如超高温、超高壓、超低温、超真空等等。在這種強化了的特殊條件下，人們遇到了許多前所未知的在自然狀態中不不能或不易遇到的新現象，使人們發現了許多具有重大意義的新事實。

例如，人們能通過一定實驗手段，造成接近絕對零度的超低温，從而使我們能把幾乎所有的氣體液化。在這種超低温下，人們也能發現某些材料具有特殊優良的導電性能，即具有無電阻、抗磁等超導態特性。

科學實驗具有可重複的性質。

在自然條件下發生的現象，往往是一去不復返的，因此無法對其反覆地觀察。在科學實驗中，人們可以通過一定實驗手段使被觀察對象重複出現，這樣，既有利於人們長期進行觀察研究，又有利於人們進行反覆比較觀察，對以往的實驗結果加以核對。

例如，英國化學家普利斯特列在1774 年用聚光鏡加熱汞的氧化物而分解出一種氣體，它比空氣的助燃性要強好多倍。普利斯特列把這種氣體稱之為失燃氣體。當普利斯特列把這個消息告訴法國科學家拉瓦錫後，拉瓦錫馬上動手重複了這個實驗，使他終於發現加熱氧化汞而分解出來的能助燃的氣體不是別的而是氧氣。

正是由於科學實驗具有這些特點，因此科學實驗越來越廣泛地被應用，並且在現代科學中佔有越來越重要的地位。在現代科學中，人們需要解決的研究課題日益複雜，日益多樣，使得科學實驗的形式也不斷豐富和多樣。

人們對利實驗類型的分類，還缺少較系統的研究。我們也只是粗略地介紹以下兩種分類：

按照實驗的目的不同，可以把科學實驗分為定性實驗、定量實驗和結構分析實驗。

定性實驗是用以判定某種因素、性質是否存在的實驗。

定量實驗是用以測定某種數值或數量間關係的實驗。

結構分析實驗是用以瞭解被研究對象內部各種成份之間空間結構的實驗。

根據實驗手段（儀器、設備工具等）是否直接作用於被研究為標準，實驗可分為直接實驗、間接實驗和模型實驗等。

直接實驗就是實驗手段直接作用於被研究對象的實驗。模型實驗就是根據相似原理，用模型來代替被研究對象，即代替原型，實驗手段則直接作用於模型而不是原型的一種實驗。在現代自然科學中，模型已不限於與原型具有同樣物理性質的物理模型，而是又發展出數學模型、控制論模型等等。數學摸型是建立在模型和原型的數學形式相似的基礎上。控制論模型是建立在控制功能的相似性基礎上的。因此，人們就可以在具有不同運動形式的對象之間進行模擬實驗。

根據實驗對象性質的多樣性，可以分為物理實驗、化學實驗、生命實驗、人體實驗等。

根據實驗者的預定目的可分為定性實驗、定量實驗、測量實驗、對照實驗、驗證性實驗、判定性實驗和中間實驗等。

根據實驗對象的透明度，可以分為黑箱實驗、灰箱實驗和白箱實驗等。

另外，研究者應充分利用試驗方法來研究特定的事物，但是必須懂得實驗方法的侷限性，如實驗不能替代理論研究；實驗總是特殊的，特殊的結果與普遍的理論之間總是有距離的；實驗只能是在有限的範圍內進行，許多問題是無法通過實驗進行研究的。

科學實驗過 ^[2]  程的第一個階段，可以叫做實驗的準備階段。

一項科學實驗的價值，它的成功或失敗，很大程度上取決於科學實驗的準備階段。在這一階段，人們需要進行四項工作。其中的每項工作，都不能離開理論的運用，不能離開邏輯思維活動。

這是為了明確我們為什麼而進行實驗。

例如，邁克爾遜和莫雷關於光的干涉實驗，其目的就在於檢驗當時流行的以太理論是否正確。這個目的的

實現，對於推動物理學的發展有着十分重要的作用。確定實驗目的是一個理論的邏輯演繹的過程。明確指導實驗設計的理論。

在確立實驗目的之後，並不能馬上着手設計實驗，而是要先明確以什麼理論來指導實驗的設計。這種指導性理論，就是啓發實驗者應採用什麼方法並從什麼方向上去實現已確立的目的。沒有這一步驟，就不能從實驗目的過渡到具體的實際設計上去。

例如，恩格斯早就提出生命是通過化學進化的途徑產生的。在恩格斯之後，很多科學家都想用實驗來檢驗恩格斯的論斷。但在很長一段時間裏，人們始終不能進入具體的實驗設計。其原因就在於實驗設計所依據的指導性理論還不具備，人們還不知從何處着手去設計這種實驗。也就是説，在實驗目的和具體實驗設計之間還缺少一個把兩者聯繫起來的中間環節。

進入20世紀後，人們才提出了一個理論：在原始的不同於今天的大氣條件下，在漫長的歲月裏，非生命物質可以轉化為生命。以後，海登又提出了原始大氣和原始湯液的概念。這些理論相繼提出之後，實驗設計就有了依據，有了方向。人們就可以根據這些理論進一步作出邏輯推理：假定我們模擬了原始地球的大氣成分，並創造相應的條件，那麼就可以進行模擬原始地球時期使無機物轉化為生命所必需的有機物的實驗。1953 年米勒的實驗就是依據這種指導性理論而進行設計並取得成功的。指導性理論不僅關係到一個實驗目的應從何處着手實現的問題，而且還直接影響到實驗設計的成效。

馬克思説：“蜜蜂建築蜂房的本領使人間的許多建築師感到漸愧。但是，最蹩腳的建築師從一開始就比最靈巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蠟建築蜂房以前，已經在自己的頭腦中把它建成了。勞動過程結束時得到的結果，在這個過程開始時就已經在勞動者的表象中存在着，即已經觀念地存在着。”（《馬克思恩格斯全集》第23 卷，人民出版社1972年版，第202 頁）這就是説，人們在實際行動之前，要先考慮到自己在未來應如何行動，採取哪些步驟，每步行動可能帶來什麼結果，假如某些條件突然改變了，將發生什麼影響等等問題。科學實驗是人們為了認識自然界而進行的一種變革自然界對象的社會實踐活動。人們當然更要在採取具體實驗行動之前，先在思維中以觀念形態大致完成這個變革的行動過程。哪些干擾因素應設法排除，哪些次要因素要暫時撇開，這一切都應在實驗設計中給以考慮。實驗設計的任務，就是為了在實施實驗之前，先把這個實驗在自己的觀念中完成。實驗設計是運用一定理論進行邏輯推論的過程。實驗設計的優劣很大程度上取決於設計過程中的邏輯思維是否嚴密。比如，在實驗設計中，要細緻思考到，在實驗的實施中可能會有哪些偶然性因素髮生，這些偶然性因素會對實驗效應帶來什麼影響。拿某種藥物效應的實驗來説，在實驗設計時就要考慮到，如果病人知道了是在做藥物效應的實驗，那麼他的心理反映就可能影響到生理上，從而使實驗發生偏差，如果某醫生知道了哪些病人屬實驗組，哪些病人屬對照組，那麼他的心理反應也可能會影響到診斷上，從而使實驗發生偏差。因此，在實驗設計中就要採取相應的嚴格措施，以消除這種偶然因素對實驗效應的影響。這些思考過程，都是運用一定理論而進行的邏輯分析和邏輯推理的過程。

當然，在實驗設計中還有許多具體的工藝和技術方面的問題。但是貫穿實驗設計的一根主線，則是運用一定理論而進行的邏輯推論。相應的工藝和技術問題也只有在一定邏輯思維基礎上，才能聯結成為一個完整的設計。

人們往住把實驗儀器、設備、材料的準備，當作是一種純物質的活動。其實，每一種儀器都是以某種或某些理論為依據而進行設計和製造的。例如，伽利略、托里拆利等人使用的温度計，就是根據液體和氣體與“受熱程度”按比例膨脹的假定而製作的。1878 年國際度量衡委員會關於標準温度計的決議則作如下規定：“温度應當用化學上純的氫在定容情況下的壓力來測量，它在冰的熔解點時的壓力為1000 毫米水銀柱高”。所以，每採取一種儀器，實際上就意味着引進了一些理論。材料的選用也是根據一定的理論進行的。

例如，孟德爾選擇豌豆作為實驗材料，就是因為豌豆有嚴格的自花授粉，易於栽培，生長期短，有明顯的可區分性狀等特點。離開了一定的理論和邏輯思維，實驗儀器、設備、材料的準備工作就無法進行。

科學實驗的第二個階段，可以叫做實驗的實施階段。

這個階段就是實驗者操作一定的儀器設備使其作用於實驗對象，以取得某種實驗效應和數據。儀器設備與實驗對象的相互作用是不依人的意志為轉移的合乎規律的表現。因此，這個階段的活動是—種客觀的物質活動。作為客觀的感性物質活動的實驗實施過程正是對人們已有認識的檢驗，也是提供了給人們認識的新事實。

科學實驗的第三個階段，可以叫做實驗結果的處理階段。

在這—階段上，人們對實驗結果進行分析。因為儘管人們在實驗設計中作了周密考慮，但在實驗的實施過程，仍會有一些事前沒估計到的主客觀因素影響到實驗結果。所謂客觀因素主要是指實驗儀器設備的偶然變化，實驗初始條件、環境條件的偶然變化、實驗材料在品種規格上的某些差異等等。所謂主觀因素主要是指，在實驗設計時，遺漏了對一些可能產生的系統誤差的考慮，在讀取數據時，感官上造成的偏差，等等。這些因素造成的影響是混合在一起的。因此，人們就必須對實驗最初所呈現出來的結果作出分析，以區分什麼是應該消除的誤差，什麼是實驗應有的結果。

在科學實驗中，人們變革着客觀的物質對象，這就使它和人們的生產活動有相同的方面。因為生產活動作為人們能動地改造客觀世界的活動，也是一種變革物質對象的活動。正是由於這一點，科學實驗也和生產活動一樣，屬於改造客觀世界的實踐活動的範疇，成為實踐的一種基本形式。但是科學實驗和生產活動又有區別。

首先，它們的直接目的不同。科學實驗的直接目的在於解決一定的科學研究任務。生產活動的直接目的在於提供人們生活和再生產所需要的物質財富。

其次，它們產生的結果不同。科學實驗產生的結果是人們獲得了對事實的認識，是檢驗一定的理論。而生產活動產生的結果，則是使人們獲得了所需要的產品。當然，這種區別不是絕對的。尤其是在現代，科學實驗和生產活動已經明顯地互相滲透。生產的發展為科學實驗提供了前提和條件，科學實驗則為發展生產指明方向、開闢道路。不僅如此，很多科學實驗直接解決生產中的問題，成為生產活動的一部分，而很多生產活動又帶有科學實驗的性質，它在生產物質產品的同時也解答了某些科學研究的課題。關於科學實驗與生產活動的互相關係問題，這是科學社會學研究的一個重要課題。

實驗法是指經過特別安排，在人為控制下確定事物相互關係的研究方法。實驗法是自然科學研究領域最早被人們普遍使用的研究方法之一，是近代自然科學建立的基礎，以致國外有的學者竟認為，研究(research)就是實驗、實驗、再實驗，反覆(re)尋找(search)的過程。達·芬奇、伽利略、牛頓等人都充分利用實驗方法做出了巨大的科學成就。

無論何種類型的科學實驗，它們都是由三個部分構成的。

這是組織、設計和進行科學實驗的人。實驗目的的確定，實驗方案的設計、實驗步驟的制定、實驗過程的操作、實驗結果的處理解釋等，沒有一個環節可以脱離實驗者。實驗者是實驗活動的主體。實驗者從事科學實驗是為了取得對自然界特定對象的認識。沒有實驗者這個認識主體，科學實驗就不會發生。不過在此需要指出的是，不能把實驗者理解為孤立的個人。在任何情況下。實驗者都不是作為孤立的個人在活動，而是作為社會的人在活動。實驗者繼承着前輩們所已經建樹起來的積極成果，也借鑑着同時代的成功經驗與失敗教訓，同時還依賴着人們之間進行的各方面的協作勞動。因此，實驗者所取得的任何一點有益成果，都將融匯到社會精神財富的總體中去。這樣説，並不是要否認實驗者個人的創造能力，而是説這種創造能力只有不脱離社會這個基礎時才能得到發揮。

這是實驗者所要認識的對象。實驗對象可以是自然界的物體及其現象，例如太陽光，也可以是人們生產出來的物體及其現象，例如機牀、布匹。但是，不管何種種實驗對象，它既是實驗者進行變革和控制的對象，又是實驗者的認識對象。因此，從認識論上看。實驗對象是處於認識客體的地位。

實驗手段是由實驗的儀器、工具、設備等客觀物質條件組成，實驗儀器是其中的主要成分。

實驗手段的作用主要表現在兩個方面：

一方面是實驗者通過實驗手段把自己變革和控制實驗對象的意圖傳遞給實驗對象，使實驗者的意圖得到物化。

另一方面，實驗手段又顯示實驗對象的特性，而把實驗對象在經受變革與控制後呈現的狀態傳遞給實驗者，使實驗者能夠獲得關於實驗對象的有關認識。

所以，實驗手段是實驗者和實驗對象之間的中介環節。沒有適當的實驗手段，實驗對象的某些特性就不能暴露出來，人們就不能獲得對這些特性的認識。

在這個意義上，實驗手段的狀況，決定着科學實驗所能達到的認識水平。實驗手段的每一步改進，都意味着人們對實驗對象的可觀察量的增加，意味着科學實驗水平的提高。從科學史上可以看出，新的實驗手段的採用，往往會帶來科學理論上的重大突破和發展。因此，有意識地改進實驗手段是一項具有戰略意義的措施。但是，一個時代的實驗手段又是那個時代生產力水平的具體表現，為當時的生產力發展狀況所制約。因此，實驗手段的改進，新實驗手段的裝備，只有伴隨着整個社會生產力水平的提高才能實現。

模型實驗產生以後，人們用模型來代替原型進行實驗。那麼模型在科學實驗的結構中是屬於哪一部分?在科學實驗中，模型具有雙重的性質。就模型是實驗者運用實驗手段而對之進行實際的變革和控制的對象來説，模型是實驗對象。實驗者是對模型進行各種實驗，從而取得關於模型的各種認識。但就模型只是原型的替代物，實驗者的真正目的是要獲取關於原型的認識這一點來説，實驗的真正認識對象是原型，而模型則不過仍然是實驗者所運用的實驗手段。這是一種擴展了的手段。也許正是由於模型的這種雙重性質，使它在科學實驗中佔有特殊重要的地位。

實驗方法可以利用科學儀器和設備所造成的條件，根據研究目的，突出研究對象的主要因素，排除次要因素、偶然因素以及外界的干擾，使要認識的事物的某些屬性在特定的狀態下顯示出來，從而能更準確地認識事物的本質和規律。如1799年英國物理學家亨利·戴維把實驗儀器保持在水的冰點，排除了實驗物品和周圍環境的熱交換，證明冰融化所需要的熱來自於磨擦，否定了當時佔統治地位的“熱素説”。

許多事物在常態下並不能充分暴露其本質，利用實驗可以創造出自然界中不可能出現的環境，從而更好地認識研究對象。如1911年荷蘭科學家昂尼斯把汞的温度降到O'C以下時，發現汞的電阻突然消失，變成了所謂的超導體，並由此打開了超導研究的大門。美籍科學家吳健雄讓鈷-60處於超低温這一極端狀態，成功地驗證了弱相互作用下宇稱不守恆這一假設。

自然界中許多事物有的轉瞬即逝，有的曠日持久，有的事過境遷，給人們認識某些事物帶來了困難。而實驗方法可以在人為的控制下，根據研究的需要來改變自然界中事物的狀態。1953年美國科學家米勒進行地球大氣及閃電的實驗，他仿照地球雷電交加的自然條件，對放入真空管中的各種氣體進行火花放電。經過八天的反覆作用，最後得到了五種構成蛋白質的重要氨基酸，而這個過程在自然狀態下要經過上億年。

應熟練掌握與實驗課題有關的理論和經驗。

實驗方法是在人為的控制下對研究對象進行研究的一個過程，所以要精心設計實驗方案。在設計實驗方案和進行具體實驗的過程中，離不開理論的指導和前人經驗的積累。實驗者只有具備必要的理論知識和實驗技能，才能對實驗中出現的新事物有敏鋭的觀察力，當事物表現超出原來的理論框架時，能夠及時加以捕捉，並發現其本質。

應事先提出假説或需要檢驗的觀點、理論等。實驗在科學研究中主要有兩種目的：一是探索和發現新現象或新規律；二是檢驗已有知識或理論的正確性。

1902年到1907年，德國化學家費舍爾對蛋白質的化學結論進行深入研究，提出了蛋白質的肽鍵理論，然後在實驗中合成了18個氨基酸的多肽長鏈，從而驗證了其反映蛋白質結構理論的正確性。

應精心設計，嚴密組織。

俗話説，“知己知彼才能百戰不殆”。對所要做的實驗，必須精心設計，嚴密組織，做到心中有數，這樣才能使成功率更大。根據一定的理論，結合具體的研究對象，可以採取不同的研究方式。如泰勒通過精心設計和嚴密組織，利用搬運鐵塊實驗、鐵砂和煤炭的挖掘實驗、金屬切削實驗等，提出了科學管理的方法。

應選擇好實驗環境，準備好實驗工具。

實驗環境對於實驗的成功與否有很大關係，如在對天體進行觀察時，要選擇天氣很好的時候，才能取得理想的效果。

俗話説“磨刀不誤砍柴工”，實驗工具是實驗取得成效很關鍵的一個方面。它的狀況決定着實驗能達到的認識水平。如沒有高分辨率的光譜食品，就無法認識原子光譜的精細結構。丁肇中正是由於不斷把實驗的精度提高，最終發現了丁粒子。

應保持受實驗者的常規狀態。

不論研究對象是自然界中的事物，還是人類自己，為了保持實驗結果的客觀性，要儘量保持受驗者的常規狀態。只有在常態下，事物或人所表現出來的才是其真實的情況。在保持正常狀態下，通過改善工作條件和環境等因素，梅奧通過照明實驗、福利實驗、電話線圈裝配實驗、訪談實驗等提出了以人為本的管理思想。

應能有效地控制影響實驗的各種因素。

在實驗過程中，要根據研究目的來儘量控制實驗中的各種因素。要突出主要因素，排除次要因素、偶然因素以及外界的干擾，從而能更準確地認識事物的本質規律。伽利略的落體實驗、斜面實驗和單擺實驗都是在突出主要因素、排除次要因素的條件下獲得成功的。

應仔細觀察，儘可能得到精確的數據。

在科技史上，當某些重大發現公佈之後，經常使一些科學家後悔莫及，因為他們也曾見到過類似現象，但由於未加註意而失去了發現的大好良機。法國的約里奧·居里在用。粒子轟擊鈹時打出了中子，但他沒有留心而誤認為是Y粒子，讓它溜走了。後來，查德威克證明了不是γ射線而是中子，獲得了諾貝爾物理學獎。可見，在科學實驗過程中只有仔細觀察，才能得到理想的結果。

應從小到大、反覆多次進行實驗。

一般説來，在做深入的大規模的實驗前，先要做一些探索性的試實驗，先簡單後複雜，這樣可以為以後的實驗工作積累相關的信息和思路。實驗要注意其可重複性。只有多次重複，才能表明其成果是可以讓大家認可的。1959年美國物理學家韋伯曾宣佈，他的實驗裝置已直接收到了從銀河系一天體發出的引力輻射，直接驗證了愛因斯坦關於引力波的預言。但是，它的實驗在世界上十幾個實驗室都未能重複，因而也就沒有被科學界承認。

應仔細核對實驗後所得出的結論。

實驗結束後，要對實驗中獲得的數據作進一步的加工、整理，從中提取出科學事實或某種規律性的理論。在分析過程中，要利用統計分析的方法，藉助於計算機等手段來從數據之間的因果關係、起源關係、功能關係、結構關係等多角度、多層次地進行處理。