第六讲 科学认识的经验基础

1、第六章第六章 科学认识的经验基础科学认识的经验基础 科学事实科学事实 观察方法观察方法 实验方法实验方法 一、科学事实一、科学事实 1、什么是科学事实？、什么是科学事实？ 通过观察和实验所获得的经验事实，是通过观察和实验所获得的经验事实，是 经过科学整理和鉴定的确定事实。经过科学整理和鉴定的确定事实。 事实事实 1：对客体与仪器相互作用结果的表征：对客体与仪器相互作用结果的表征 如：观测仪器所显示的数据、图象如：观测仪器所显示的数据、图象 事实事实 2：对观察所得结果的陈述和判断：对观察所得结果的陈述和判断 如：如：“金属燃烧是一个氧化过程金属燃烧是一个氧化过程” 事实事实 1 =（客体本性，

2、认识手段）（客体本性，认识手段） 事实事实 2 =（客体本性，认识手段，概念系统）（客体本性，认识手段，概念系统） 燃素说：金属灰燃素说：金属灰+ +燃素燃素= =金属金属 氧化说：金属灰氧化说：金属灰= =金属金属+ +氧氧 对同一客观事件，可以因为认识条件对同一客观事件，可以因为认识条件 （观测仪器，概念系统）设置的合理而描述为（观测仪器，概念系统）设置的合理而描述为 精确的科学事实，也可以因为认识条件设置的精确的科学事实，也可以因为认识条件设置的 不合理而描述为粗糙的乃至歪曲的事实。不合理而描述为粗糙的乃至歪曲的事实。 客观事件没有正确与错误之分，而经验事客观事件没有正确与错误之分，而经

3、验事 实则存在着可错性。实则存在着可错性。 2、科学事实的特征、科学事实的特征 以下判断是否是以下判断是否是“科学事实科学事实”？ “所有微观客体都具有波粒二象性所有微观客体都具有波粒二象性” “整个宇宙在膨胀着整个宇宙在膨胀着” 科学事实应满足一定的条件科学事实应满足一定的条件 1）科学事实应该是个别存在的陈述）科学事实应该是个别存在的陈述 例：例：“铀具有放射性铀具有放射性”“”“氩具有化学惰性氩具有化学惰性” 2）科学事实应该是可重复的）科学事实应该是可重复的 J / J / 粒子的发现（粒子的发现（19761976，丁肇中），丁肇中） 伪科学：伪科学：“信则有，不信则无信则有，不信则无

4、” 3）科学事实应该比较精确、系统）科学事实应该比较精确、系统 超常人创造力超常人创造力研究（研究（1921192119721972，门特尔），门特尔） 3、科学事实在科学认识中的作用、科学事实在科学认识中的作用 不管鸟的翅膀怎样完善，它任何时不管鸟的翅膀怎样完善，它任何时 候也不能不依赖空气飞向高空。事实，候也不能不依赖空气飞向高空。事实， 就是科学家的空气，没有它，你任何时就是科学家的空气，没有它，你任何时 候也不可能飞起，没有它，你的理论就候也不可能飞起，没有它，你的理论就 是无用的挣扎。是无用的挣扎。 巴甫洛夫巴甫洛夫 形成新概念、新理论的基础形成新概念、新理论的基础 概念是思维的自由

5、创造，但仍有概念是思维的自由创造，但仍有 其经验基础（其经验基础（Einstein)Einstein) 对假说进行评价的根据对假说进行评价的根据 二、观察二、观察 观察的特点观察的特点 观察的分类观察的分类 观察在科学认识中的作用观察在科学认识中的作用 观察的客观性原则观察的客观性原则 1、观察的特点观察的特点 观察是人们对自然现象在自然发生观察是人们对自然现象在自然发生 条件下进行的一种有目的的考察活动。条件下进行的一种有目的的考察活动。 观察的显著特点：观察的显著特点：“自然发生条件自然发生条件 下下”的观察。的观察。 例：例：“布朗运动布朗运动” 2、观察的分类、观察的分类 直接观察（肉

6、眼观察）直接观察（肉眼观察） 间接观察（仪器观察）间接观察（仪器观察） 被动观察（自发观察）：意想不到的观察被动观察（自发观察）：意想不到的观察 主动观察（诱发观察）：有意识地安排的主动观察（诱发观察）：有意识地安排的 自然观察法：自然发生条件下自然观察法：自然发生条件下 实验观察法：人工控制条件下实验观察法：人工控制条件下 3、观察在科学认识中的作用、观察在科学认识中的作用 （1）获取科学事实的基本方法）获取科学事实的基本方法 （2）做出科学发现的重要手段）做出科学发现的重要手段 20世纪世纪60年代天文学的四大发现：类星体、年代天文学的四大发现：类星体、 射电脉冲星、宇宙微波背景辐射、星际

7、有机分射电脉冲星、宇宙微波背景辐射、星际有机分 子。（射电望远镜：雷伯，子。（射电望远镜：雷伯，1937） 2000年十大科学成就之一：太阳系中的行年十大科学成就之一：太阳系中的行 星越来越星越来越“水灵水灵”了（火、木卫了（火、木卫“欧罗巴欧罗巴”） （3）检验科学假说重要手段）检验科学假说重要手段 1781 W.赫歇尔：天王星，赫歇尔：天王星，“越轨越轨” 184345， 亚当斯：计算出海王星轨道亚当斯：计算出海王星轨道 1846.8.31， 勒维烈：同样计算出海王星轨道勒维烈：同样计算出海王星轨道 加加 勒：发现海王星勒：发现海王星 勒维烈：水星勒维烈：水星“火神星火神星” 光线弯曲假说

8、的验证：爱丁顿，光线弯曲假说的验证：爱丁顿，1919 理论所以能够成立，其根据就在于它同理论所以能够成立，其根据就在于它同 量的单个观察关联着，而理论的真理性也在量的单个观察关联着，而理论的真理性也在 于此。于此。 爱因斯坦爱因斯坦 4、观察的客观性原则、观察的客观性原则 观察的易误性：戈廷根会议观察的易误性：戈廷根会议 1篇：错误少于篇：错误少于20% 14篇：有篇：有2040%的错误的错误 25篇：有篇：有40%以上的错误以上的错误 半数以上的报告：半数以上的报告：60%的细节纯属臆造的细节纯属臆造 产生虚假观察的几种可能：产生虚假观察的几种可能： 错觉（感官局限）错觉（感官局限） 误观察

9、（无意识联想）误观察（无意识联想） 未观察（未观察（“背景背景”不同）不同） 观察应遵循客观性原则观察应遵循客观性原则 （1） 观察结果可以用某种标准方法观察结果可以用某种标准方法 进行重演（消除主观的偶然失误）进行重演（消除主观的偶然失误） 引力波的引力波的“发现发现”：韦伯，：韦伯，19591959 （2）要求以正确的理论为指导）要求以正确的理论为指导 （消（消 除假象与误差）除假象与误差） “中性粒子流中性粒子流”：约里奥：约里奥. .居里居里 “ “中子中子”( (卢瑟福预言）：查德威克，卢瑟福预言）：查德威克，19321932 （3 3）要求使用先进的观测技术和观测）要求使用先进的观

10、测技术和观测 仪器仪器 （提高观察的客观性）（提高观察的客观性） （4 4）要求科学工作者要有严谨的实事）要求科学工作者要有严谨的实事 求是的学风（科学家的基本行为规范）求是的学风（科学家的基本行为规范） 不要篡改、捏造数据！不要篡改、捏造数据！ 三、实验三、实验 实验及其特点实验及其特点 实验方法在科学研究中的作用实验方法在科学研究中的作用 实验方法的分类实验方法的分类 1、实验及其特点、实验及其特点 实验是人们根据一定的研究目实验是人们根据一定的研究目 的，运用一定的物质手段，在人为的，运用一定的物质手段，在人为 控制或变革事物的条件下获得科学控制或变革事物的条件下获得科学 事实的方法。事

11、实的方法。 例：例：J.J.Thomson 电子（电子（1897） 原子结构模型（原子结构模型（1901） 粒子散射实验（粒子散射实验（a） 预期实验结果预期实验结果 卢瑟福，卢瑟福，1909 炮弹炮弹 靶子靶子 粒子散射实验粒子散射实验(b) 实际实验结果实际实验结果 卢瑟福，卢瑟福，1909 计数器计数器 金箔金箔 粒子发射粒子发射 源源 粒子散射实验粒子散射实验(c) 原子有核行星模型原子有核行星模型 卢瑟福，卢瑟福，1911 实验方法与观察方法的比较：实验方法与观察方法的比较： 实验：实验：“人为控制条件下人为控制条件下”去考察事物；去考察事物； 主动从自然现象中索取期望的东西主动从自

12、然现象中索取期望的东西 观察：观察：“自然发生条件下自然发生条件下”去考察事物；去考察事物； 搜集自然现象所提供的东西搜集自然现象所提供的东西 实验方法的特点：对象的可控性实验方法的特点：对象的可控性 （1）实验可以简化和纯化研究对象）实验可以简化和纯化研究对象 否定热素说的实验：戴维，否定热素说的实验：戴维，17991799 （2）实验可以强化研究对象）实验可以强化研究对象 （超高温、超低温、超高压、高真空）（超高温、超低温、超高压、高真空） 超导现象：昂尼斯，超导现象：昂尼斯，19111911 R 4.2 k T （3）实验可使对象的属性及变化过程重复出现）实验可使对象的属性及变化过程重复

13、出现 “斜面实验斜面实验”：伽利略：伽利略 实验结果的重现性：成功实验的标志实验结果的重现性：成功实验的标志 h h h” （4）实验可以模拟对象的运动过程）实验可以模拟对象的运动过程 模拟原始大气实验：米勒，模拟原始大气实验：米勒，19531953 甲烷（甲烷（CH4） 甘氨酸甘氨酸 氨（氨（NH3） 放电放电1周周 丙氨酸丙氨酸 水水（H2O） 谷氨酸谷氨酸 氢（氢（H2） 天门冬氨酸天门冬氨酸 2、实验在科学研究中的作用、实验在科学研究中的作用 (1)实验方法可以获取精确可靠的科学事实，实验方法可以获取精确可靠的科学事实， 科学实验是推动科学发展的动力科学实验是推动科学发展的动力 新实验

14、与旧理论的矛盾新实验与旧理论的矛盾 两朵两朵“乌云乌云”引来一场风暴引来一场风暴 19世纪末物理学的三大发现：世纪末物理学的三大发现： X射线：伦琴，射线：伦琴，1895（1901） 放射性：贝克勒尔，放射性：贝克勒尔，1896（1903） 电子：电子：J.J.汤姆逊，汤姆逊，1897（1906） 开尔文勋爵：开尔文勋爵：1900年新年献词年新年献词 “乌云乌云”之一：迈克尔逊之一：迈克尔逊莫雷实验莫雷实验 检验检验“以太风以太风”假说：零结果，假说：零结果，1887（1907） M1 v M S M2 T 狭义相对论：爱因斯坦，狭义相对论：爱因斯坦，1905 光速不变原理光速不变原理 狭义相

15、对性原理狭义相对性原理 迈克尔逊获迈克尔逊获1907年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 另外一朵另外一朵“乌云乌云”：黑体辐射实验：黑体辐射实验 “紫外灾难紫外灾难” U（ ,T) 实验曲线实验曲线 瑞利瑞利金斯公式金斯公式 维恩公式维恩公式 0 1900.12.14，能量子论，能量子论， 1905 光量子论光量子论 1913 原子结构理论原子结构理论 1927 量子力学量子力学 （2）实验方法是检验假说的基本手段）实验方法是检验假说的基本手段 例：例：“ 疑难疑难” ” （19531953） 奇异粒子：奇异粒子： 介子；介子； 介子介子 质量、寿命、电荷、自旋相同质量、寿命、电荷、自旋相同 宇

16、称不同宇称不同 宇称和宇称守恒宇称和宇称守恒 镜像对称（左右对称）镜像对称（左右对称） 镜像对称变换镜像对称变换（X -X） 宇称宇称 （Parity） 宇称守恒定律宇称守恒定律 ：“自然规律在镜像反射自然规律在镜像反射 下是不变的下是不变的”。 传统上认为传统上认为“宇称守恒定律是普适的宇称守恒定律是普适的” 宇称守恒的困难与杨李提出弱相互作用宇称守恒的困难与杨李提出弱相互作用 中宇称不守恒的假说中宇称不守恒的假说 1953 + + + + + - + + + 0 1956.4 纽约罗切斯特国际粒子物理会议 纽约罗切斯特国际粒子物理会议 1956.5 关键性突破：把宇称守恒是否成立，单独关键

17、性突破：把宇称守恒是否成立，单独 放在弱相互作用中来检验放在弱相互作用中来检验 1956.10 对弱相互作用中宇称守恒的质疑，对弱相互作用中宇称守恒的质疑，物理评物理评 论论 对称与不对称对称与不对称 宇称不守恒的实验验证：杨李的实验设计宇称不守恒的实验验证：杨李的实验设计 平平 面面 镜镜 0 100 001 0 吴健雄与李政道在一起吴健雄与李政道在一起( (1958年年) ) 初到伯克利时的吴健雄（初到伯克利时的吴健雄（一九三六年）一九三六年） 吴健雄设计的实验方案吴健雄设计的实验方案 吴健雄和她的实验合作者（一九五六年） 吴健雄和她的实验合作者（一九五六年） 宇称不守恒的实验验证：吴健雄

18、，宇称不守恒的实验验证：吴健雄，1956.12 “钴钴-60核极化核极化 衰变实验衰变实验” 27Co-60 28Ni-60 + e- + 27Co-60 e- 0.31Mev 28Ni-60 1.17Mev 1 1.33Mev 2 27Co-60原子核衰变图 原子核衰变图 1.2 赤道光子计数器赤道光子计数器A 1.0 光子各向异性光子各向异性 极向光子计数器极向光子计数器B 0.8 1.2 H 1.0 不对称性不对称性 H 0.8 时间时间 0 4 8 12 16（分）（分） 吴健雄宇称实验结果曲线吴健雄宇称实验结果曲线 1957.2.15 吴健雄发表实验结果（吴健雄发表实验结果（1956

19、.12.25） Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay, Physical Review 1957.10 杨振宁、李政道荣获诺贝尔物理学奖杨振宁、李政道荣获诺贝尔物理学奖 李正道接受诺贝尔物理学奖（一九五七年） 要敢于向要敢于向“权威结论权威结论”提出挑战提出挑战 （合理的怀疑性）（合理的怀疑性） “大胆假设，小心求证大胆假设，小心求证” 做实验要知难而进，要有坚韧不拨的勇做实验要知难而进，要有坚韧不拨的勇 气和毅力气和毅力 3 实验方法的分类实验方法的分类 （1）定性实验）定性实验 检验电磁波的存在：赫滋，检验电磁

20、波的存在：赫滋，18871887 电子衍射实验：电子衍射实验：G.P.G.P.汤姆逊，汤姆逊，19271927（19391939） 裂脑术实验：裂脑术实验：R.W.R.W.斯佩里（斯佩里（19811981） （2）定量实验）定量实验 测定引力常数实验：卡文迪许测定引力常数实验：卡文迪许 测定光速实验：斐索测定光速实验：斐索 测定热功当量实验：焦耳测定热功当量实验：焦耳 测定电子荷质比实验：汤姆逊测定电子荷质比实验：汤姆逊 （3）结构分析实验）结构分析实验 粒子散射实验：卢瑟福，粒子散射实验：卢瑟福，19111911 测定测定DNADNA分子结构实验：沃森、克里克，分子结构实验：沃森、克里克，1

21、9531953 （19621962） 测定前列腺素的化学结构：测定前列腺素的化学结构：S.K.S.K.贝格斯特姆贝格斯特姆 （19821982） （4）对照实验（生物，医学，医药学）对照实验（生物，医学，医药学） 对照组，试验组对照组，试验组 光作用于植物的什么部位而使植物向光光作用于植物的什么部位而使植物向光 生长？达尔文生长？达尔文 （5）模拟实验（相对直接实验）模拟实验（相对直接实验） 物理模拟物理模拟 数学模拟数学模拟 功能模拟功能模拟 （6）判决性实验（判别假说的存亡）判决性实验（判别假说的存亡） 否定否定“热素说热素说”的实验：戴维，的实验：戴维，17991799 否定光否定光“以

22、太以太”实验：迈克耳逊、莫雷，实验：迈克耳逊、莫雷， 18871887（19071907） 证实弱相互作用下宇称不守恒的实验：证实弱相互作用下宇称不守恒的实验： 吴健雄，吴健雄，19571957 四、观察实验中的机遇四、观察实验中的机遇 成功的条件：智力；勤奋；机遇成功的条件：智力；勤奋；机遇 四十年前，经吴大猷教授的推荐，我获取四十年前，经吴大猷教授的推荐，我获取 了中国政府的一笔奖学金赴美留学，在物理学了中国政府的一笔奖学金赴美留学，在物理学 方面继续深造。这一难得的机会改变了我的一方面继续深造。这一难得的机会改变了我的一 生。一个人的成功有着各种各样的因素，其中生。一个人的成功有着各种各

23、样的因素，其中 “机遇机遇”也许是最重要的，也是最难驾驭的。也许是最重要的，也是最难驾驭的。 尽管成功的机遇不可预定，但它的几率却可以尽管成功的机遇不可预定，但它的几率却可以 大大增加。通过吴教授，我方能得到这一机遇。大大增加。通过吴教授，我方能得到这一机遇。 （李政道六十回忆）（李政道六十回忆） 吴 大 猷 教 授 1 1、什么是机遇、什么是机遇 观察和实验中导致发现的出乎意料观察和实验中导致发现的出乎意料 的现象和事件。的现象和事件。 绝大部分划时代的发现，或多或少都是绝大部分划时代的发现，或多或少都是 意外作出的。意外作出的。 2 2、如何把握机遇、如何把握机遇 “在观察的领域中，机遇只

24、偏爱那种有准在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准 备的头脑。备的头脑。”（巴斯德）（巴斯德） 主动增加机遇的出现率（主动去尝试新步骤）主动增加机遇的出现率（主动去尝试新步骤） 保持对意外事物的警觉性（敏锐的观察力）保持对意外事物的警觉性（敏锐的观察力） 善于解释线索（敏锐的判断力）善于解释线索（敏锐的判断力） 一切观察都含有两个因素：一切观察都含有两个因素： （1 1）感官知觉因素）感官知觉因素 （2 2）思维因素）思维因素 有有“训练的训练的”的观察者总是有意识地搜寻根的观察者总是有意识地搜寻根 据自己所受教育认为有价值的事物。这往往据自己所受教育认为有价值的事物。这往往 能把一个卓越的发明家同一个只是老实肯干能把一个卓越的发明家同一个只是老实肯干 的人区别开来。（格雷格）的人区