（一） 實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)

實(shí)驗(yàn)方法在古代已經(jīng)萌芽，杰出的代表人物就是阿基米德，他用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了浮力原理和杠桿原理。不過總的說來，古代人輕視實(shí)驗(yàn)，崇拜思辨，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)是低賤的活動(dòng)。近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的創(chuàng)始人公認(rèn)是伽利略，但是在他之前已有不少先驅(qū)者，其中著名的代表人物有意大利藝術(shù)家達(dá)·芬奇（1452年—1519年）、英國(guó)王室醫(yī)生吉爾伯特和荷蘭工程師斯臺(tái)文（1548年—1620年）等人。

達(dá)·芬奇不僅是藝術(shù)家，也是科學(xué)家，并自稱是“實(shí)驗(yàn)的信徒”。他說：“在研究一個(gè)科學(xué)問題時(shí)，我首先安排幾種實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槲业哪康氖歉鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)來決定問題，然后指出為什么物體在什么原因下會(huì)有這樣的效應(yīng)。這是一切從事研究自然現(xiàn)象所必須遵循的方法……我們必須在各種各樣情況和環(huán)境下向經(jīng)驗(yàn)請(qǐng)教，直到我們能從這許多事例中引申出它們所包合的普遍規(guī)律。這些規(guī)律有什么用處呢？它們將引導(dǎo)我們對(duì)自然界作進(jìn)一步的研究和進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)造。它們防止我們自欺欺人，使我們不至于向自己保證取得那些得不到的結(jié)果?！?sup>[1]他用實(shí)驗(yàn)方法證明了在連通器中液面高度相等；用模型實(shí)驗(yàn)研究了柱和梁所能承受的重量是如何隨其粗細(xì)、長(zhǎng)短而變化的，并且找出了它們的數(shù)學(xué)關(guān)系；他還是在科學(xué)史上最早對(duì)固體摩擦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的人，而且得到了一些寶貴的科學(xué)結(jié)論。總之，他是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的開路先鋒。

吉爾伯特是英王的御醫(yī)、皇家醫(yī)學(xué)院的院長(zhǎng)，又是物理學(xué)家，愛好科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他在1600年出版的《磁石》一書，被認(rèn)為是近代實(shí)驗(yàn)方法的開端，是用實(shí)驗(yàn)方法探索自然界和從理論上解釋自然界這兩者結(jié)合的范例，是工匠經(jīng)驗(yàn)和學(xué)術(shù)的范例。吉爾伯特在研究磁針傾角偏角變化的時(shí)候，特地用大磁石制成一個(gè)“小地球”，然后再把磁針放在它的附近，試驗(yàn)在不同地點(diǎn)上的磁針的傾斜度，并用粉筆劃出“小地球”的磁子午線，他發(fā)現(xiàn)磁針在“小地球”上的傾角和偏角的情況，就同在地球上的一樣，從而發(fā)現(xiàn)了地球本身就是一個(gè)碩大無比的大磁石。磁吉爾伯特把他的《磁石》一書獻(xiàn)給那些“不在書本中而在事物本身中尋求知識(shí)”的人。

斯臺(tái)文是先于伽利略做落體實(shí)驗(yàn)的荷蘭工程師。他在1586年出版了《靜力學(xué)》和《流體靜力學(xué)》兩本書，推進(jìn)了阿基米德的工作。在《靜力學(xué)》一書的附錄中，記載了他所做的落體實(shí)驗(yàn)。他說：“反對(duì)亞里士多德的實(shí)驗(yàn)是這樣的：讓我們拿兩只鉛球，其中一只比另一只重10倍，把它們從30英尺的高度同時(shí)丟下來，落在一塊木板或者什么可以發(fā)出清晰響聲的東西上面，那末，我們會(huì)看出輕鉛球并不需要比重鉛球10倍的時(shí)間，而是同時(shí)落到木板上，因此它們發(fā)出的聲音聽上去就像是一個(gè)聲音一樣。”^[2]

從哲學(xué)上充當(dāng)近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)發(fā)言人的是弗蘭西斯·培根（1561年—1626年）。培根出身于倫敦一個(gè)新貴族家庭，父親是伊麗莎白女皇的掌璽大臣。培根在詹姆士一世的斯圖亞特王朝時(shí)代歷任宮廷要職；1613年受命為首席檢察官，1618年為大法官。盡管一生大部分時(shí)間在官場(chǎng)中度過，但培根從沒有放棄推進(jìn)人類知識(shí)的大志。作為新興資產(chǎn)階級(jí)的代言人，培根非常重視科學(xué)技術(shù)的作用，認(rèn)為操縱時(shí)代、影響人類生活的力量，不是政治、宗教、思想，而是“機(jī)械技術(shù)上的發(fā)明”。培根在《論科學(xué)的價(jià)值和發(fā)展》一書中，為即將到來的科學(xué)時(shí)代而歡呼。他高度評(píng)價(jià)印刷術(shù)、火藥和指南針的發(fā)明，認(rèn)為它們改變了整個(gè)世界面貌。他意識(shí)到科學(xué)技術(shù)將成為一種重要的歷史力量，滿懷激情地寫道：在所能給予人類的一切利益中，我認(rèn)為最偉大的莫過于發(fā)現(xiàn)新的技術(shù)、新的才能和以改善人類生活為目的的物品?！爸R(shí)就是力量”這句名言，就是在這樣的背景下提出來的。

培根深感中世紀(jì)的經(jīng)院哲學(xué)不能增進(jìn)人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和支配自然的能力，因此致力于創(chuàng)立一種新的關(guān)于實(shí)驗(yàn)方法的理論。培根認(rèn)為對(duì)自然界的科學(xué)理解和對(duì)自然界的技術(shù)控制是相輔相成的。在他看來，很多科學(xué)原理蘊(yùn)藏在工匠的日常操作中，他們的操作經(jīng)驗(yàn)是科學(xué)知識(shí)的可貴源泉。培根認(rèn)為工匠的操作方法對(duì)于自然事物具有能動(dòng)地改造即實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)。另一方面，培根也認(rèn)識(shí)到單憑經(jīng)驗(yàn)還不足以得到自然知識(shí)，還要對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一定的加工，而思維加工的材料必須來自經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)者沉溺于思辨，而工匠雖有經(jīng)驗(yàn)卻因沒有文化，不能把經(jīng)驗(yàn)的東西記載下來加以分析，培根主張把學(xué)者傳統(tǒng)和工匠傳統(tǒng)結(jié)合起來，從而形成“經(jīng)驗(yàn)和理性職能的真正的合法的婚配”。他說經(jīng)驗(yàn)主義者好像螞蟻，只知道收集材料，理性主義者（經(jīng)院哲學(xué)家）好像蜘蛛，只憑著自己吐的絲來結(jié)網(wǎng)，這兩者都是片面的。他主張要像蜜蜂那樣“從花園和田野里面的花采集材料，但是用他自己的一種力量來改變和消化這種材料?！彼麖?qiáng)調(diào)“學(xué)者與工匠的結(jié)合”，“知識(shí)與力量的統(tǒng)一”，從根本上解決思想上的貧困，他稱此為“學(xué)問大革新”。馬克思、恩格斯稱培根是“英國(guó)唯物主義和整個(gè)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的真正始祖”^[3]。

（二）科學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐及科學(xué)觀察的關(guān)系

在中世紀(jì)的末期，隨著生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展，知識(shí)的不斷積累，人們要求更多地認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象的奧秘，同時(shí)技術(shù)進(jìn)步也給人們揭示自然規(guī)律提供了日益多樣、復(fù)雜、強(qiáng)大的認(rèn)識(shí)手段。正如恩格斯所說：“從十字軍遠(yuǎn)征以來，工業(yè)有了巨大的發(fā)展，并展示出力學(xué)上的（紡織、鐘表制造、磨坊）、化學(xué)上的（染色、冶金、釀酒）以及物理學(xué)上的（眼鏡）許多新的事實(shí)，這些事實(shí)不但提供了大量可供觀察的材料，而且自身也提供了和以往完全不同的實(shí)驗(yàn)手段，并使新的工具的設(shè)計(jì)成為可能?？梢哉f，真正有系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)這時(shí)才成為可能。”^[4]

科學(xué)實(shí)驗(yàn)就其人為地控制和變革自然過程而言，屬于實(shí)踐活動(dòng)范疇，但它有別于生產(chǎn)實(shí)踐。科學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐的不同在于：生產(chǎn)實(shí)踐的直接目的是把自然物改變?yōu)闈M足人們需要的物質(zhì)產(chǎn)品，創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富。而科學(xué)實(shí)驗(yàn)則是以認(rèn)識(shí)自然為其首要目的，它的主要任務(wù)是研究還未認(rèn)識(shí)或未充分認(rèn)識(shí)的自然過程，去發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，發(fā)明新的材料、新的器件、新的工藝，從而推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。就直接意義來說，科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要不是生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品，而是要生產(chǎn)（或檢驗(yàn)）觀念形態(tài)的知識(shí)，創(chuàng)造精神財(cái)富。作為認(rèn)識(shí)自然事物和自然過程的研究方法，科學(xué)實(shí)驗(yàn)在許多方面是優(yōu)越于一般觀察和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)認(rèn)識(shí)中具有以下的特殊作用。

第一，具有簡(jiǎn)化和純化的作用。

自然界的事物千差萬別，彼此之間又有千絲萬縷的聯(lián)系。為了集中精力認(rèn)識(shí)某一個(gè)對(duì)象，我們需要對(duì)影響這一對(duì)象的各種因素進(jìn)行簡(jiǎn)化和純化，突出主要因素，舍棄次要因素，排除與對(duì)象沒有本質(zhì)聯(lián)系的因素的干擾，以便在比較單純的狀態(tài)（或理想化狀態(tài)）下來認(rèn)識(shí)對(duì)象。馬克思說：“物理學(xué)家是在自然過程表現(xiàn)得最確實(shí)、最少受干擾的地方考察自然過程的，或者，如有可能，是在保證過程以其純粹形態(tài)進(jìn)行的條件下從事實(shí)驗(yàn)的。”^[5]這里所說的干擾，就是外界的一些偶然因素、非本質(zhì)因素的影響。例如，1799年英國(guó)科學(xué)家戴維完成的否定“熱質(zhì)說”的實(shí)驗(yàn)；他在真空中用一只鐘表機(jī)件使兩塊冰相互摩擦，并把整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器都保持在水的冰點(diǎn)，這樣就排除了實(shí)驗(yàn)物和周圍環(huán)境的熱交換，使實(shí)驗(yàn)在較純粹的條件下進(jìn)行。在這樣純化了的條件下，冰在相互摩擦下融化了，由此表明冰融化所需的熱，只能來源于摩擦，有力地駁斥了“熱質(zhì)說”。

第二，可以控制研究對(duì)象的變化。

自然事物的變化，有的速度極快，轉(zhuǎn)瞬即逝，我們很難觀察；有的變化速度極其緩慢，會(huì)使我們的觀察曠日持久。通過實(shí)驗(yàn)，我們可以在一定范圍內(nèi)控制對(duì)象的速度，使其根據(jù)我們的需要變慢或變快，以便于我們研究。伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于小球下落速度快，看不清楚；于是，伽利略就想“沖淡引力”，使小球落得慢些，他通過斜面實(shí)驗(yàn)做到了這點(diǎn)。斜面的夾角可以變化，所以他可以控制小球在斜面上滾動(dòng)的速度，當(dāng)夾角為90度時(shí)，小球在斜面上的滾動(dòng)便成了自由落體運(yùn)動(dòng)。

第三，可以在理想狀態(tài)下認(rèn)識(shí)自然。

有些自然事物的特殊性質(zhì)、特殊規(guī)律，在常態(tài)下很難顯現(xiàn)出來。科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)，可以使對(duì)象處于一些特殊條件、極端狀態(tài)下（如超高壓、超高溫、超低溫、超真空和超強(qiáng)磁場(chǎng)等），使研究對(duì)象的特殊性質(zhì)突顯出來，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)對(duì)象的特殊性質(zhì)的目的。1956年，李政道、楊振寧提出弱相互作用下宇稱不守恒的結(jié)論，這個(gè)結(jié)論和人們傳統(tǒng)觀念中的宇稱守恒大相徑庭。另一位美籍華人吳健雄用鉆-60作為實(shí)驗(yàn)材料，試圖用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證李政道、楊振寧的假說。可是，在常溫下鉆-60本身的熱運(yùn)動(dòng)和自旋方向雜亂無章，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。于是，吳健雄把鉆-60冷卻到0.01 K，使鉆核的熱運(yùn)動(dòng)停止，實(shí)驗(yàn)便達(dá)到了預(yù)期效果。

第四，是較經(jīng)濟(jì)、可靠的探索手段。

人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的過程是非常曲折、復(fù)雜的，往往要經(jīng)歷多次失敗以后才能獲得成功。實(shí)驗(yàn)方法相對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐來說，規(guī)模較小、周期較短、費(fèi)用較少，即使發(fā)生多次失敗，損失也較小。加之實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境及人身安全的影響比生產(chǎn)易于控制。這樣，就可以使人們以科學(xué)實(shí)驗(yàn)中付出的較小代價(jià)，去換取認(rèn)識(shí)自然和改造自然的更大勝利。在技術(shù)領(lǐng)域中，新產(chǎn)品的試制都要經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)來研究，以檢驗(yàn)其性能。

至于科學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)觀察的關(guān)系，它們都是獲得感覺經(jīng)驗(yàn)的方法，但二者有性質(zhì)上的區(qū)別。觀察所看到的對(duì)象的變化，是對(duì)象在沒有人影響下的變化，也稱為“自然變化”或“自然現(xiàn)象”。實(shí)驗(yàn)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)中的變化，是人的操作行為所引起的變化，可稱為“人造變化”或“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在自然條件下也會(huì)出現(xiàn)（如小球在斜面上滾動(dòng)），有的在現(xiàn)有自然條件下卻很難出現(xiàn)，甚至不可能出現(xiàn)（如生命起源的模擬實(shí)驗(yàn)）。

實(shí)驗(yàn)方法比單純的觀察方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)。觀察只能在自然發(fā)生的條件下進(jìn)行，當(dāng)然要受自然條件的局限；而實(shí)驗(yàn)方法是人為地去干預(yù)、控制所研究的對(duì)象，是在有意識(shí)地變革對(duì)象中去認(rèn)識(shí)對(duì)象，更有利于發(fā)揮人的能動(dòng)性去揭示隱藏的本質(zhì)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)由“設(shè)計(jì)→操作→觀察→思考”四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在思考以前，最后一個(gè)環(huán)節(jié)是觀察。純粹觀察，是在自然狀態(tài)下觀察自然事物；實(shí)驗(yàn)觀察，是在人工條件下觀察自然事物。觀察猶如打開一扇面向自然事物的窗口，實(shí)驗(yàn)則像一條通向自然事物內(nèi)部的通道。實(shí)驗(yàn)是觀察的超越、觀察的升華，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)識(shí)主體的主觀能動(dòng)性得到了更大的發(fā)揮。

（三）實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法論的基本特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法論的基本特點(diǎn)有以下三點(diǎn)。

第一，實(shí)驗(yàn)的受控性。近代科學(xué)與古代科學(xué)不同，它所取得的感性資料不是直觀的經(jīng)驗(yàn)，而是科學(xué)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這種實(shí)驗(yàn)事實(shí)主要是利用一定的物質(zhì)手段（科學(xué)設(shè)備或儀器）使研究對(duì)象置于嚴(yán)格的控制條件下而取得的。這種受控實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，由于排除了各種偶然因素、次要因素的干擾，因此，這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)具有簡(jiǎn)化與純化的特征。只要嚴(yán)格重復(fù)控制條件，實(shí)驗(yàn)事實(shí)就可以以穩(wěn)定的幾率再現(xiàn)。

第二，推理的邏輯性。近代科學(xué)吸取了古代希臘科學(xué)重視邏輯的傳統(tǒng)，并且在許多成熟的學(xué)科把形式邏輯推理提高到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)（邏輯推理數(shù)學(xué)化是形式邏輯的高級(jí)形式）水平。

第三，嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?？茖W(xué)研究的最終結(jié)果都必須經(jīng)受嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，要求理論的預(yù)測(cè)必須全部與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。如果不符，就必須修改理論之前提，直到相符為止。

實(shí)驗(yàn)的受控性、推理的邏輯性（或數(shù)學(xué)化）、嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，這三者之結(jié)合構(gòu)成實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法論的傳統(tǒng)。這是近代科學(xué)的成果能夠取得全人類共識(shí)的保證，也是近代科學(xué)能蓬勃發(fā)展并經(jīng)過技術(shù)轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)力的重要原因。