教育技术装备发展传统与基石（续二）

新乔 赵晓宁 任熙俊

（接上期）

4 实验与实践：科学及科学教育发展的基石

实验科学的第一个范例  1600年，一个英国医生威廉·吉尔伯特（1544—1603）出版了《论磁》，该书是科学革命时期的少数几部名著之一。人们普遍认为，吉尔伯特是近代磁学的奠基人。吉尔伯特的《论磁》是以当时盛行的自然哲学来进行阐释的，由于书中如此多的为基础物理学学生所熟悉的事实是建立在确定的证据之上的，因此，他的书常常被称为近代实验科学的第一范例。[13]25

吉尔伯特的《论磁》与伽利略的工作形成鲜明的对比。伽利略主要把实验看作说服他人的手段，至于他本人，则不必费心地完成实验就敢于自信地宣布实验的结果。与伽利略相反，吉尔伯特则通过经验调查确立磁学的基本事实，从他提及并付诸实验的故事里，可以知道磁石曾被看作某种特殊的令人敬畏的东西，是宇宙中充满种种隐秘及神秘力量的集中体现。[13]25

把事实从虚构的故事中分离出来，吉尔伯特将此当作自己的职责。钻石有磁化铁的力量，这是真的吗？在实验了75颗钻石以后，吉尔伯特有把握地回答：这不是真的。在吉尔伯特以前，人们常常将磁现象同静电现象混为一谈，吉尔伯特清楚地、明确地将两者区分开来。他运用丰富的实验证据，论证地球本身是一个巨大的磁体，并且坚持认为吸引仅是五种磁现象（他又将它们称为“运动”）之一;其他四种是磁方向、磁差（即磁偏角）、磁倾角和磁旋转，它们都同地球的磁场相关。[13]26

吉尔伯特不是将磁看作自然界所展示的众多现象之一，而是将其作为理解整个自然的钥匙。按照他的理解，磁是原始地球物质中的活力要素。对吉尔伯特来说，其他的磁行为比所谓的“吸引”似乎更重要。磁方向、磁差、磁倾角这些运动（或转动）表示着组织宇宙的潜在智力。[13]26吉尔伯特认为，南和北才是宇宙中的真正方向，而地球的磁的灵魂存在于对地球的组织和排列活动之中。罗盘是“上帝的手指”，失去磁的铁被视为迷失了方向。磁针的磁倾角可以测量纬度，也许磁差能用作测定经度。吉尔伯特在论述其第五种运动即磁旋转时，将地球的磁的灵魂认作理智本身后，地球每天绕其轴转动。他认为这种运动由磁引起，同样地，他认为当地球绕太阳转时，地极方向保持不变是由磁引起的。吉尔伯特断言，当地球接近太阳时，地球的灵魂感悟了太阳的磁场，这样就可以推断出，如果地球不动，地球的一边将燃烧而另一边则会结冰，所以地球选择围绕着它的轴转动。为了引起季节性的变化，地球甚至选择让它的轴倾斜一定角度。[13]27-28

“新哲学”：一种革命的宇宙观——实验与仪器设施推动的创新发现  地理大探险发现了字面意义上的新世界，天文观测肯定了新的星球（新星）在太空中的存在，而过去认为这些星体的存在是不可思议的，中世纪的学术规范被新的哲学体系所取代;而近代科学，或时人称作“新哲学”的东西，代表了一种革命的宇宙观。至17世纪时，对创新的痴迷到了如此深的地步，以至于出版商的书单充满自封的新学，如一种新炼金术、天文学、植物学、化学、几何学、医学、药学、修辞学和技术。在其中最为著名的有伽利略的《新科学》（1638年）、约翰尼斯·开普勒的《新天文学》（1609年）和弗兰西斯·培根的《新逻辑学》（1620年）。[15]143

18世纪的进步是从17世纪的科学成就中汲取力量的，而这一时期的成果引起世人对科学知识的关注。进步观的支持者们相信现代科技集中了它对事实和理论的储备，揭示了自然的奥秘，获得了对自然资源的控制，人类将沿着进步的阶梯攀升，所有的人类活动都将因感受到科学精神的渐进的推动力量而改变。[15]143

历史上曾经产生一种“燃素”理论。物质为什么会燃烧？燃烧的条件是什么？德国物理学家、化学家乔治·施塔尔（1660—1734）创立了“燃素”理论：所有的物质基本上都是由水和三种不同的土组成的，其中一种是易燃的，当物质燃烧的时候就会释放出来，进入空气，这种成分就是燃素。他的思想是建立在更早的科学家贝歇尔（1635—1682）的思想基础之上的，贝歇尔的思想统治化学界将近一个世纪，直到安东尼·拉瓦锡（1743—1794）将其否定。拉瓦锡和英国化学家普利斯特利（1733—1804）于1774年在发现空气中的新成分（拉瓦锡将它命名为“氧”）的基础上做了一系列实验，这些实验逐渐使其认识到这种被称为“空气中最健康和最纯洁”的部分，正是在燃烧过程中实际起作用的部分，也是解开燃烧秘密的关键。氧气的发现彻底否定了燃素理论。拉瓦锡正确阐述了燃烧：在氧和另一种物质结合的时候，同时释放热量和光，并且使这种物质的重量增加。

到19世纪，普鲁特在1824年证明盐酸是消化液中的酸性物质。他想出一种食物营养成分的分类方法，将它们分成通常所称的碳水化合物、脂肪和蛋白质。他还提出，如果將氢视作1，那么各种元素的原子量就可以用氢的积分来表示。[16]140

近代神经反射理论的详尽阐释尽管已有前人做过，但霍尔和约翰尼斯·缪勒在这方面也均有各自的贡献。贝尔对大脑和神经系统的解剖学研究具有令人愉悦的审美情趣和名副其实的独创性;他对神经功能的思索是敏锐而富启发性的，即使后来他夸大了自己的研究成果，自以为发现了脊神经根的功能。[16]140

电学的发展或可更能表明实验哲学、实验实践对推动科学发展的意义。本杰明·富兰克林（1706—1790）为了证明闪电的电性质，于1752年5月6日进行了闪电实验。在暴风雨中，富兰克林和他的儿子威廉将风筝升到空中，风筝上面装有与麻绳相连的金属线。风筝在空中飘浮不定，当闪电掠过风筝时，富兰克林紧拽着风筝的手一阵麻木，他意识到自己已经被闪电击中了。他做了几次类似实验，将闪电引入并贮存在莱顿瓶中带回实验室，并与人工摩擦产生的电进行比较，发现二者毫无差别，从而证明了雷电与摩擦起电产生的电性质是一样的。富兰克林的这个最著名的实验极端危险。1753年，俄罗斯科学院有才干的物理学家里奇曼（1711—1753）在用他的装置从空中引闪电时被电击死。[12]67

—场关于与钝避雷针相比，尖避雷针优点何在的论战，在18世纪的全部剩余时间里都进行得非常激烈。以本杰明·威尔逊（1721—1788）为首的钝避雷针的支持者论证说，尖针会吸引闪电，而威尔逊认为应当装在屋顶下面的钝避雷针只会带走电击而不会吸引它（图4）。事实上，避雷针的形状与其对付闪电的能力没有什么关系，富兰克林在思考他的避雷针使暴风雨云层失去爆炸性方面尚有不足，避雷针所达到的高度比其形状关键得多。

不怎么戏剧性却比较重要的一批实验是富兰克林完成的最初的那批实验。1747年5月，他写信给柯林森说：“一段时间以来，我一直认为电火不是由摩擦产生的，而是聚集而成的，实际上是其他物质，特别是水和金属之间扩散……和吸引的一种元素。”这个理论的证据来自“摩擦玻璃管并由之取电火使自身带电的不可能性（即使放在蜡上）”实验，实验表明，玻璃管上的电流体不是摩擦产生的，而是从实验者的身体取得的。[12]67

这个实验使人想到四个另外的实验[12]69：

1）—个人站在蜡上摩擦玻璃管，另一个人站在蜡上取电火，在一个站在地板上的人看来，似乎他们两人（假如他们站着而彼此不接触）都带上电，也就是说，他在他们用膝盖靠近的时候将看见电火花;

2）但是，如果站在蜡上的两个人在刺激玻璃管的时候彼此接触，他们两个人看上去都不会带电;

3）如果他们刺激玻璃管并且按上述办法取电火，那么，他们之间的电火花就将比他们两个人中任何一个人与地板上的人之间的电火花更强;

4）在如此强的电火花之后，他们两个人都不会显示出带电。

富兰克林假定有一种单电流体以解释这些实验，每个处于中性状态的人都有一份这种流体。带电的玻璃管起着泵的作用，单电流体在其中可以从一个人的身体移向另一个人的身体。因此，如果甲把流体传给乙，而且两个人都与地面隔开，那么，乙就会有过量的流体（荷正电）而甲则短缺流体（荷负电）。富兰克林的单电流体不能被创造也不能被毁灭，而只能从一个物体传给另一个物体的理论，解释了已知的大多数电现象。电流体排斥其他电流体却吸引普通物质。电的吸引、排斥、火花、传导、感应以及迪费说的玻璃电和树脂电，全都能用富兰克林的理论解释（迪费说的两种电一方面体现流体短缺，另一方面则体现流体过量）。[12]69

丹麦物理学家、化学家H.C.奥斯特（1777—1851）做了60多个实验，考察电流对磁针作用的强弱、电流对磁针的影响，并在1820年7月21日发表了题为“关于磁针上电流碰撞的实验”的论文，向科学界宣布了电流的磁效应，揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。[17]31

最后揭示出放射性现象的本质的是另一个物理学家欧内斯特·卢瑟福（1871—1937，新西兰原子核物理学家），他发现在原子核衰变过程中发射的不是一种而是两种射线，即α射线和β射线。α射线是带两个电荷的氦原子，而β射线就是汤姆逊刚刚发现的电子。由于这两种粒子都带电荷，α带正电荷，β带负电荷，因此可以用电磁场来控制它们的运动路径，就像在电视显像管里的情况那样。因此，只要有足够强的放射源，这两种粒子就都很适于用来做进一步的实验。[9]249

实验的原理是让密封容器中的放射源发出的射线射向一个靶子（通常是一薄片金属箔），靶子使射线散射，然后利用一片闪烁体来观测被散射的粒子。每一个散射事件都会引起一次闪光，闪光持续的时间不超过1/100秒，用这种方法就可以将事件记录下来。在早期对粒子进行研究时，实验者不得不直接用眼睛观测，记录下闪烁体上出现的闪光点，卢瑟福倾向于使用那种用细绳和封蜡组装起来的简单仪器。因为闪光极其微弱，所以必须在几乎是绝对的黑暗中才能进行实验。[9]250

1878年，威廉·克鲁克斯制造了一支近于完美的真空管，其中有两个电极，一个是正极，另一个是负极。当通以电流时，就会出现微弱的光，照亮管中稀薄的空气，并使管壁发出荧光。荧光现象来自阴极，即负极。他发现，这种射线在磁场中会偏转，表明它不可能是纯粹的光线，但它既不是气体，也不是液体或固体。克鲁克斯在困惑之下，称之为“辐射的”物质。实际上他是在毫无所知的情况下，开拓了实验物理学中整個一片新的领域。[9]256

19世纪90年代，许多著名的物理学家用克鲁克斯真空管做实验，其中包括剑桥的J.J.汤姆逊（1856—1940）和沃尔茨堡的威廉·康拉德·伦琴（1845—1923，德国物理学家。发现了X射线，并且发现使介质在充电的固定平行板电容器中旋转时，能产生磁场），他们分别独立地发现，克鲁克斯管外的物质发出荧光的现象是管内的放电作用引起的。当汤姆逊打算对阴极射线进行研究，以便找出产生这一效应的原因时，伦琴已经下决心立即着手研究了。1895年11月8日，伦琴在管子的前面放置了一片屏幕来显示荧光效应。他发现，在克鲁克斯管上覆盖黑纸，并不能阻止这一效应的发生。当他把自己的手放在管子与屏幕之间时，能使效应稍微减弱，同时能在阴影中看见手的骨骼。他在1895年12月发表这一实验结果，震惊了整个世界。

伦琴无法解释自己的这一发现，由于一般常以X来代表未知的事物，因此称之为X射线，并沿用至今。总之，他因此而在1901年成为第一位诺贝尔物理学奖的获得者。X射线被发现之初，虽然它的本质还不清楚，但是已经对许多科学家的研究工作产生深刻影响，其中包括J.J.汤姆逊的工作。直到1912年，冯·劳厄（1879—1960）才阐明了X射线的本质。[9]256-257

1896年1月，法国科学家亨利·贝克勒尔在法国科学院得知伦琴发现了X射线，这一新现象引起他和另外三个人的兴趣，他们想测试一下，看看磷光本身是否有可能用作X射线源。另外的三位科学家没有花费多少时间就为上述看法提出肯定的证据，现在知道，其实他们都是错误的。这三位科学家分别研究的是不同的磷光物质，贝克勒尔做的也是同样的工作，却得不出肯定的结果。但是当他对一个铀盐的样品进行研究时（这个样品是他父亲在15年前留下的遗物），却意外地发现了“金矿”。实验进行至此，似乎一切都正常，但是贝克勒尔决定再做一次确证的实验，这一次他将一薄片铜放在黑纸上遮盖着照相底片。1896年2月的阳光不够充沛，然而贝克勒尔急于知道实验结果，还是将底片显影了，那时正巧威廉·克鲁克斯偶然到他的实验室来访问。令人惊讶的是，在底片黑色的背景上显示出铜片白色的影像。[9]264-265

经过反复试验，证明只有铀才产生这样的效应，而且并不一定必须是能够产生磷光的物质。贝克勒尔发现放射性是因为它具有发现新奇事物的才能，不过他既未使用“放射性”这个名词，也未对它的来源做出解释。这一发现并没有立即广泛地引起兴趣，相比之下，人们对X射线的兴趣要大得多，因为X射线比较容易产生，却几乎无法获得铀。[9]265

贝克勒尔指出，铀使空气变成电的导体。其他人还发现存在某个“饱和点”，它限制着空气的导电性。

同时期，一对年轻的夫妇皮埃尔·居里和玛丽亚·居里（通常称为玛丽·居里或居里夫人，波兰裔法国籍女物理学家、放射化学家）决定测量铀释放出来的能量，同时对其他元素进行测试。他们将两个直径为八厘米的圆盘上下叠置，二者之间相距3厘米;让铀的样品覆盖下面的那個圆盘，然后以高电压电池使之带电，同时测量上面的那个圆盘充电的速率。这个实验依靠的是极为精确的仪器，包括静电计和皮埃尔发明的石英天平，以便能够获得所需要的数据，对实验结果进行分析。[9]268

当时他们并不在学术界工作，却对这一课题产生很大的兴趣。玛丽亚决定自己动手来做实验，从铀开始进行，接着测试了13种其他元素，包括金和铜。在1898年2月17日那天，她转而测试沥青铀矿（从这种矿石里可以提炼出铀），结果测得它产生的电流要比铀产生的强得多。到2月24日，她发现另一件令人惊讶的事实，钋这种元素的放射性也比铀强，但是要比沥青铀矿弱。

进一步的实验是在他们的实验室里进行的，实验室是理化学校提供的一间长期不用的透风漏雨的木棚，里面有两张破旧的桌子、一只炉子和一块皮埃尔用来计算的小黑板，实验材料是廉价买来的十几麻袋废矿渣。在极其艰苦的实验中，这对夫妇发现了另一种矿物，放射性比铀强的天然铜铀云母。这种不正常而且过度的放射性是从哪里来的呢？唯一的解释是它们可能都含有一种尚未被发现的元素，而这种元素的放射性比铀强，这是在科学史上第一次通过放射性来探查和发现新的物质。在对那份分离产物进行分离和纯化中，他们终于获得一种放射性比铀强的物质。在12月20日，皮埃尔在他的笔记本上写下radium（镭）这个名词。[9]268-269

后来他们又花了两年的时间获得纯的镭样品，总共只有1/10克，只比一粒米稍为重一点二。1903年，皮埃尔在一项与别人合作的实验中发现，一克镭在一小时内能使1.3克水的温度从0 ℃升至100 ℃。在同一年，诺贝尔物理学奖授予居里夫妇和贝克勒尔，玛丽亚是第一位获此殊荣的妇女。1905年，皮埃尔终于被选为科学院院士，索邦神学院特别为他设立一个教授职位。玛丽亚·居里则由于发现镭和钋而在1911年获得诺贝尔化学奖。[9]270

（未完待续）