科学实验——观念成果的摇篮──谈科学实验在创新中的作用

第24卷第3期 唐山师范学院学报 2002年5月 Vol. 24 No.3 Journal of Tangshan Teachers College May. 2002

────────── 收稿日期：2001-11-08

作者简介：邸淑红（1965-），女，河北乐亭人，唐山师范学院物理系讲师。 - 55 -

✧创新学研究✧

科学实验——观念成果的摇篮

──谈科学实验在创新中的作用

邸淑红，石凤良，姚久民

（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）

摘 要：科学实验在创新中起着重要作用，是观念成果的摇篮。在实验中仪器可扩大人的感知阈，提高创新效率，促成新学科的建立。

关键词：科学实验；创新；仪器

中图分类号：B804.4 文献标识码：A 文章编号：1009-9115（2002）03-0055-03

创新是通过思维活动或实施行为能产生有价值的新成果的活动。所谓新成果，一是观念成果，二是再造成果。[1]观念成果是指经过思维活动直接产生的具有精神产品特征的成果，而再造成果则是把观念成果纳入实施轨道特别是引入生产体系所产生的成果。观念成果是思维活动的产物，但常常需要经过科学实验进行验证，并在验证的过程中有所发现、有所发明、有所创造。可以说，科学实验是观念成果的摇篮。

一、科学实验在创新中的作用

所谓科学实验，就是人们根据创新目标，利用一定的仪器、设备,对自然现象加以控制、模拟，排除干扰，突出主导因素，在有利的条件下研究自然规律的一种重要方法。[2]科学实验并非自古就有，它是随着生产力发展到一定程度，伴随着比较先进的仪器的出现而出现的。实际上，在古代的东方和西方都有不做实验而欲求明白事理的例子，真可谓形而上学东西相映。

欧洲13世纪杰出人物罗杰尔·培根认为：“检验前人说法的唯一方法只有观察与实验。”弗兰西斯·培根在他的代表作《新工具论》中说：“在现实的艺术和科学中，人们的所有发明，也只是依靠实验。”伽利略由于把实验方法与数学方法进行成功结合，被尊称为近代科学之父。

1974年5月3日，请李政道讲一下他获诺贝尔奖的发明，而李政道却说：“我没有什么

发明，就是通过实验得出结果，通过结果求得了解，

又想能不能另外做一些新的实验来校正原来的想法，实验的结果又修改想法，反复不断地进行，从实验开始，引出理论，进行解释和猜想，又进行实验。”达芬奇写到：“在研究一个科学问题时，我首先安排几种实验，因为我的目的是根据经验来决定问题，然后指出为什么物体在什么原因下会有这样的效应。这是一切研究自然界现象所必须遵循的方法。”诺贝尔奖获得者丁肇中则认为：“自然科学理论离不开实验的基础。”

自1901年首次颁发诺贝尔奖以来，将近70%的物理奖获得者是由于在实验工作中做出了杰出成就。在国外，大学的某一个系往往用一个实验室来命名，例如，卡文迪许实验室等同于剑桥大学物理系；Pupin 实验室等同于哥伦比亚大学物理系。这一切足以说明实验在创新中的重要性。

我们认为，科学实验对创新的作用集中体现在两个方面：一是探索、发现新的现象、新的规律，二是对观念成果的正确与否进行检验。

1911年，卢瑟福用α粒子轰击金属膜，在实验中他发现有些α粒子竟几乎被弹射回来。据此，他建立了原子的核式结构模型。爱迪生为了寻找合适的白炽灯丝，曾先后用1 600种矿物和金属材料进行实验，历时一年有余。1956年，杨振宁、李政道提出了“弱相互作用下宇称不守恒”的假说，1957年，被吴健雄领导的科研小组所证实，随后李、杨

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二人共获诺贝尔物理奖。

正如达芬奇所说：“科学如果不是从实验中产生并以一种清晰的实验结束，便是毫无用处的，充满谬误的，因为实验乃是确定性之母。”科学实验已成人类的一种重要的创新活动。

二、实验的重要设备——科学仪器在创新中的作用

科学仪器是科学实验必要的组成部分。所谓仪器是指对待测对象进行感受、转换、处理、显示的一种装置，它是科学实验的重要支柱。没有它，就无法进行科学实验，我们从以下四个方面展开讨论。

1．仪器本身凝结了前人的创新成果

每一种仪器都是人们创新能力的结晶，是一种创新成果的具体体现。随着社会的发展，科学仪器经历了一个从简单到复杂、从普通到高级的过程。其先进性具有明显的时代特征，原来很先进的仪器，现在看来也许很简陋，而现在很先进的仪器，将来也必将被淘汰。当今之仪器较17世纪的望远镜、显微镜、气压计和温度计不知要复杂多少倍。仪器的先进程度，在一定程度上体现着创新层次的高低。

我国是世界上观测天文现象最早、最精确的国家，这同先进仪器的使用是分不开的。2500年以前，我们的祖先确定天体方位的误差可达0.013度。李政道教授认为，正是由于我们的祖先借助于先进的仪器对天文历法的研究，才使得博大精深的中华文化绵延不断，世代相传。

张衡是我国天文理论的奠基人，他于公元117年发明浑天仪，这台浑天仪能准确地显示天体的运动情况。在此基础上，元朝天文学家郭守敬对浑天仪进行科学地简化，创制了简仪。凭借简仪，整个天空一望无遗。简仪是当时世界上最先进的天文仪器。现代的大型天文望远镜仍采用了简仪中的一些重要原理。

核物理学家卢瑟福年轻时对电磁波很感兴趣，为了探测电磁波，他于16年设计了一个简单的磁检波器，该检波器的接收距离可达3.2公里。但这时，他的兴趣却转到了对气体导电的研究，以至于使无线电通信的最后发现权被马可尼获得。但马可尼的成功，在很大程度上取决于他采用了卢瑟福的磁检波器，并加以改进和安装了巨大天线。他在19年3月27日实现了跨越英吉利海峡收发无线电信号，20世纪初，又实现了横越大西洋进行无线电通信。1932年5月3日，卢瑟福代表英国科学和工业部向马可尼颁奖，他当面称赞了马可尼的功绩，并谈到了马可尼是在他的检波器的基础上加以改进

才取得了巨大成功的。在人类永无止境的创新活动中，仪器每前进一步，创新就深入一步的例子不可胜数。

2．仪器可扩大人的感知阈

不借助仪器，人也可以通过自身的感官来感知外界事物。但人的感官有一定的能力范围，即所谓的感知阈。人们对时空的范围、物体颜色的深浅、质量的大小、温度的高低、声音的强弱的感觉是定性的、大概的。不同的人，或同一个人在不同的环境对同样一个事物的感觉会有比较大的差别。而仪器的使用，能扩大或延伸人的感知范围，使人对事物的认识范围更大，层次更深，更便于把握事物的复杂联系。

太阳光是白色的，这是人类共同的感受。而1666年，牛顿借助三棱镜将白光进行色散，他发现多少年来被人们普遍认为是白光的太阳光原来是由各种不同颜色的光组成的。人类只能对大于0.02秒的时间间隔进行分辨，而先进的测时仪器能分辨的

时间间隔可达10-23秒。

人类眼睛能分辨的最小距离为0.01毫米，而射天望远镜的分辨能力足以能分清几百千米以外的细头发丝，且使人类的视野扩展到150亿光年。凭借手感，人类能区分的最小质量充其量不过几克，比较先进的秤量工具的精度可达10-10克。而1999年问世的纳米秤的精度可达10-15克。在此之前，测量单个病毒的质量是不可能的。纳米秤的问世为此提供了最有效的手段。有了纳米秤，样品中病毒的种类是否单纯已无关紧要，这必将导致病毒学研究的一场。总之，借助仪器人类的生理局限能得到部分消除。

仪器能提高人的感知阈，也体现在通过仪器的使用，人的自身感知能力会得到相应的锻炼与提高。李政道无疑是一位理论物理的奇才，这一点他的老师叶企荪是最清楚的。但叶先生从未放弃对李政道实验的严格要求。在他看来，操作仪器能培养人的能力和耐心，人的手指会变得更加灵巧，判断力会更加敏锐。人的感觉能力的增强，会使人迅速捕捉实验中出现的稍纵即逝的问题。

3．先进仪器能提高创新的效率

随着人类创新活动的逐渐深入，不需要精密、复杂仪器就能获得重大发现、发明的时代行将过去。没有相应的最先进仪器，有些创新活动就根本无法展开。而有些利用比较先进仪器就能完成的创新活动，如果利用最先进的仪器，创新效率就有可能大幅提高。

物理学家丁肇中在一次报告中讲过：“为了寻

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找新的夸克，我决定在费米国家实验室和西欧核子中心做实验，但均遭拒绝，他们认为不可能发现新夸克。终于在1972－1974年之间，我在布鲁克海文国家实验室用一个比较低能的加速器，用AGS 来做这个实验，因为它的能量比较低，做实验就变得

更困难了。”

[3]

幸亏有丁肇中花费两年多时间制造的一台高分辨率的探测器以及全体实验人员严格仔细的工作作风，谨慎对待实验中的每一数据。1974年11月10日丁肇中正式宣布发现J 粒子。1976年，他由于这一伟大的发现获得诺贝尔奖。

先进仪器能提高创新效率，最好的例证莫过于高能量的加速器及高效探测器的相继问世对发现新粒子产生的巨大推动作用。[4]1932年，劳伦斯发明回旋加速器，但能量仅为一百万电子伏特。1959年，西欧12国在日内瓦合建了一台能量为280亿电子伏特的加速器。1971年，美国建成了5 000亿电子伏特的加速器。加速器能量的迅速增长，同时由于自动处理数据的大型计算机的广泛使用，到20世纪70年代末，基本粒子的数量已达300多种。从1932年到1982年，半数的诺贝尔物理奖获得者都先后使用过不同能量的加速器。一个个新粒子的发现，都在无声地说明着先进仪器的高效性能。要在高能物理方面做出世界一流的成果，离不开高能量的加速器。

现在，许多科学仪器开始与电子计算机联用，形成机电一体化，使科学仪器达到了一个新的高度，这无疑将极大地推动着人类的创新进程。

当然，并不是有了一流的仪器，就肯定能做出一流的成果。李政道最近在科技论坛的报告中指出：“许多人都以为只要有了高科技工具，信息就都有了，一点就出来了，这实际上是误导。”同样，即使利用一般的仪器，只要我们善于选准创新方向、明确创新目标，仍有可能做出不同凡响的工作。卡文迪许实验室有个历史展览走廊，陈列的仪器都是诺贝尔奖项目用过的各种外观很粗糙的仪器。我国不少当代的著名教育家也一贯主张“瓶瓶罐罐当仪器，凑凑合合做实验”。

4．先进仪器常能促成新学科的诞生

先进仪器的出现，可使某一领域的创新进程发生质的飞跃，进而导致一个新的学科建立的例子比比皆是：由于发明了精密天平，于是便有了分析化学；发明了光学显微镜，便有了细菌学；发明了电子显微镜，便有了分子生物学；有了光谱仪，才有了发射光谱分析学……

参考文献：

[1] 苑玉成.论创新[J].唐山师范学院学报,2001,(4). [2] 宋立军.科学探索之路[M].北京:新华出版社,1981. [3] 中国科学院.科学发展报告[M].北京:科学出版社,2000. [4] 申漳.简明科学技术史话[M].北京:中国青年出版社,1981.

Scientific Experiment ——the Cradle of Creation

──Action of the Scientific Experiment on the Creation

DI Shu-hong, SHI Feng-liang, YAO Jiu-min

(Physics Department, Tangshan Teachers College, Hebei Tangshan 063000)

Abstract: By some concrete example, we mainly discuss the great action of the scientific experiment on the creation .Especially the paper emphasizes on the effect of the apparatus to peoples sense and the contribution to the creative efficiency.

Key Words: creation; instrument; sense power; efficiency

责任编辑、校对：任海生