科学家巧思种种

王庄林

科学家的特质是好奇与思考。由于好奇，他们不断地提出问题，再用科学方法解决这些问题，而在解决问题的过程中，发展出各种巧妙的思考方式。

科学方法的步骤

科学家是一群用科学方法解决科学问题的人。所谓的科学方法，包括以下4个步骤。

观察——观察是借助一种或多种感官和仪器从环境中获得资讯的历程。各种问题都来自观察，观察的结果可能是定性的或定量的，定性的观察不包含数字，定量的观察则包含数字与单位。

假设与推论——假设是科学家对观察结果提出的解释。一个观察到的现象可能有很多不同的假设，它们可能是正确的，也可能是错误的。推论是指以现有的信息为基础，运用逻辑思考推导出的结论，它们可能是正确的，也可能是错误的。

预测——科学家根据假设与推论，再运用想象力对可能发展的结果做出猜测，称为预测。预测可能是正确的，也可能是错误的。

实验与验证——科学家用观察或进行实验来搜集新的讯息，以决定假设是否恰当，预测是否正确。换言之，科学家从观察或实验得到的新讯息，来判断假设与预测的正确性。

宏观思考

我国古人大都相信“天圆地方”，认为脚下的大地是方形的。西方的古人也认为，人类是生活在一个平面的大地上。只有极少数科学家怀疑这个观念的正确性，出生于公元前276年的埃及学者埃律吐新尼斯，是第一位用科学方法成功解答这个问题的学者。

观察——埃律吐新尼斯听说在夏至，即每年白昼最长的那一天的正午，在锡尼的井中可以看到太阳在井底闪耀。根据这个传说，他推论夏至当天正午，太阳一定在锡尼市的正上方，这样它才能从锡尼市的井底闪耀。如果太阳是在正上方，那么直立的柱子便不会有影子。

然而在夏至当天正午，从他居住的亚力山卓城的深井中，他却看不到太阳的倒影在井底闪耀，而且直立的长柱也会出现影子。他非常小心地量出阳光与柱子的夹角是7.12°，大约是360°的1／50。

由于好奇心的驱策。一年之后，埃律吐新尼斯前往距离亚力山卓城800公里的锡尼市，查看有关太阳在井底闪耀的传言是否属实。在夏至那天正午，他低头往锡尼市的深井一看，果然看到太阳的倒影在井底闪耀，同时直立的长柱没有影子。

假设与推论——如果人类居住生息的大地是一个广大的平面，则在夏至那天的正午，太阳光直射而下时，在大地上的任何城市，直立的柱子都不会有影子。

埃律吐新尼斯在夏至正午，观察到在锡尼市的直立柱子没有影子，但在亚力山卓城直立柱子却有明显的影子。因此他推论，大地不是平的，地面可能是弯曲的，换言之，大地可能是个球体。

预测——埃律吐新尼斯根据观察的结果，推论大地可能是个球体。如果把亚力山卓城及锡尼市的两根直立的柱子想象成两条直线，把这两条直线向地下延伸，它们应会在地球的中心相交，且交角与亚力山卓城的柱子和夏至正午时阳光的夹角应该相同，都是7.12°。于是埃律吐新尼斯用以下比例式，算出地球的圆周大约是4万公里。

地球的圆周：亚力山卓城至锡尼市的距离=360°:7.12°地球的圆周=(亚力山卓城至锡尼市的距离)=(800公里)×(50)=40000公里

验证——每年夏至正午，埃律吐新尼斯都到不同的地点，观察并测量直立长柱的影子，并用前文所述的方式估算地球的圆周，结果在不同地点算出的值都非常接近，约为4万公里。由于经过锡尼市不同方向的圆周都约为4万公里，因此，埃律吐新尼斯确信地球是个圆周4万公里的圆球。

然而，古代的人无法验证埃律吐新尼斯的假设与推测正确与否。直到1519年9月，葡萄牙贵族麦哲伦率领一支由5艘大船、200多名水手组成的舰队，从西班牙出发，横渡大西洋到达美洲，穿过美洲南端的海峡进入太平洋，又穿越印度洋，绕过好望角，在1522年9月回到西班牙，第1次用实际行动证实地球是圆的。

到了20世纪，科学家利用人造卫星观察到地球是个球体，并且实际测量得到经过地球两极的周长是40，008公里，与埃律吐新尼斯在公元前3世纪以思考方法算出的结果完全一致。

先前提到，埃律吐新尼斯从观察800公里之内的现象，把思考的范围扩大到整个地球及部分太阳系。他利用宏观思考能力，不仅推论出地球是圆的，还准确计算出地球的圆周。

后来，他继续用宏观思考正确画出尼罗河的流经路线。编制一套包含闰年的历法，并且利用月蚀资料估算出地球与月亮，以及地球与太阳之间的距离!

定量思考

古代希腊哲学家认为世上一切物质都是由4种元素——土、水、火及空气，以不同的比例组成的。他们相信，每种元素都是两个性质的组合，例如水是湿与冷的元素，土是干与冷的元素。他们认为如果用千的性质取代水中湿的性质，水就能转变成土。

直到18世纪，欧洲许多科学家仍然相信这个观念。他们用玻璃器具装水，在长时间加热之后，发现水中有泥状白色沉淀物生成。于是用这个实验结果，推论古希腊人提出的概念“水能变成土”是正确的。

法国著名化学家拉瓦锡也对这个问题极感兴趣。为了寻求答案，他决定设计实验，仔细观察水经过长时间加热生成沉淀的现象，用科学方法寻找问题的正确答案。

观察——拉瓦锡先把水蒸馏了8次，再把这些水和蒸馏瓶分别称重，接着把蒸馏水放入已称重的瓶中，加热驱除其中的空气后，以玻璃塞密封，再重新进行称量。然后加热至摄氏六七十度，蒸馏水产生的水蒸气会在蒸馏装置上端冷凝，又回到蒸馏瓶中，因此在实验过程中，水蒸气并不会逸出蒸熘装置外。

拉瓦锡从1768年10月24日开始实验，使水温保持在60℃～70℃之间。一个多月之后，水开始混浊，到了12月中，已有白色沉淀物生成，这些沉淀物随着时间越来越多。直到1769年2月1日，拉瓦锡才把热源关闭，让蒸馏瓶装置、蒸馏水及白色沉淀物自然降温至室温，再分别量称它们的重量。他发现水的重量并未改变，但蒸馏装置重量减轻了，减轻的重量等于沉淀物的重量。

假设与推论——在101天的实验过程中，水的重量并没有改变，因此，拉瓦锡推论“水不会变成土”。实验结果又显示，实验后蒸馏装置的重量加上实验过程中生成沉淀物重量，等于实验前蒸馏装置的重量，因此，拉瓦锡推论沉淀物来自蒸馏装置。换言之，实验过程中产生沉淀物，是蒸馏装置中一部分玻璃溶解所产生的。

预测——拉瓦锡认为实验产生的沉淀物来自玻璃，预测这沉淀物的所有元素都应包含在蒸馏装置的玻璃中。

实验与验证——拉瓦锡的朋友、瑞典化学家舍勒，分析了这个沉淀物的成分与玻璃的成分，发现玻璃果然包含沉淀物中所有的元素。这实验结果证实，沉淀物是来自玻璃，而不是水变成的“土”，因此，拉瓦锡的推论“水不会变成土”是正确的。

在18世纪，受炼金术的影响，化学家只注意定性的事物，也就是什么物质与什么物质反应后，会产生什么，很少有化学家从事定量的观察与思考。而且多数科学家相信德国化学家贝歇尔和施塔尔共同提出的燃素学说。

先前提到的实验使拉瓦锡坚信，精确测定重量是发现真理的基本法则，因此，他自行开发高精确度的大型天秤，并使用这个天秤测量肉眼可见的生成物，也测量肉眼看不到的物质。具体的方法就是，在完全密闭的装置中进行实验，精确地测量反应前、后各种反应物与生成物的重量，并且用定量思考改正过去错误的理论与学说。

从1769年2月～1777年9月，他用前述的方式不断地在完全密闭的装置中从事燃烧反应，在反应前与反应后，准确测量所有反应物与生成物的重量，并用定量思考彻底推翻燃素论，代之以自己创立的氧化学说。此外，他从过去所有定量实验的结果归纳出“质量守恒定律”：在化学反应中，反应前、后物质的总重量应是相等的。

拉瓦锡的定量思考，使化学这门科学由物质的定性研究进入到定量研究的新阶段，拉瓦锡也因此被尊称为近代“化学之父”。