科学的观察与描述

    观察是一种经验活动的方法,是科学家认识问题的窗口,也是解决问题的重要手段。科学家通过观察,可以发现许多经验事实,为科学理论的建立提供感性的经验基础。观察可以分为自然观察和实验观察两大类。前者主要指在不变革观察对象的条件下,用人的感觉器官(主要是视觉器官)或借助于一定的观察仪器对客观对象自然形态的观察。例如对生物形态及其生活习性、生态平衡等的观察,或是对遥远星体的亮度、空间位置等的观察。后者主要指人们通过科学实验的途径,在变革观察对象的条件下,人的感觉器官或通过各种实验仪器对实验对象特定方面的观察。

   一 观察与问题

    科学是人类对自然界的一种认识活动,这种认识活动与观察和问题有着密切的关系。一旦科学家头脑中产生出对自然界的某个问题时,他就有一种强烈的探索的欲望,想要通过有目的的观察加以解决。反之,如果观察是没有目的的,那他观察到的只是事物表面的一些东西,因为他不知道要观察什么。
        观察实际上并不是科学家特有的认识活动,而是每一个人随时都在进行着的认识过程。但是只有那些目的是为了解决科学问题的观察,才可以称为科学的观察。换句话说,观察有目的性或者无目的性,是科学观察与非科学观察的分界。当代英国理论物理学家霍金在牛津大学当学生时,有一年暑假,他到格林威治天文台给台长邬莱当助手。霍金通过天文望远镜观察星空,觉得只是一些模糊的光点,趣味索然,儿时 对神秘星空的美妙幻想顿时烟消云散。可是当他提出了有关黑洞的一系列问题以后,他的观察就变成有目的的了。在广漠的星空,他特别注意观察天鹅星座中X-1这颗星体。因为这颗射电源星体是否是黑洞,对他的理论检验关系重大,所以对射电源星体的观察可以为黑洞理论提供感性的经验基础。
    又如对候鸟的冬去春来,花草的春荣秋实,湖泊的冰封化冻,某些动物的冬眠春惊,这些观察事实是许多人司空见惯的,可是他们并没有提出什么科学理论。当竺可祯带着气候与生物有什么内在关系这个问题进行观察时,这一草一木、一鸟一虫,就给物候学理论提供了丰富的感性经验基础。
     达尔文在随“贝格尔舰”作环球旅行时,开始他尽管也观察、作记录,但是并没有形成科学理论。只有当他提出了一系列“是什么?”“是多少?”的事实问题和“为什么?”“能不能?”等理论问题以后,他的这些观察事实才成为进化论思想的有力证据。
实际上,科学研究的过程就是发现问题、提出问题和解决问题的过程。而这个过程又是和科学的观察密切相关的。

二 观察渗透理论

     在科学研究中,老一辈的科学家往往告诫青年一代的科学工作者:不要有先为主的思想,要实事求是地观察,看到什么就是什么,要力求做到中性的观察等等。中性观察实际上要求人带着“空脑”去观察,这只有刚生下来的婴儿的观察才有可能。刚生下的婴儿,对这个陌生世界的一切都很好奇,对周围的一切都要认真地“观察”一番,但这又是什么观察呢?它并不属于科学观察范畴,而只能是人类发生学范畴的观察。
英国科学哲学家汉森最先系统而深入地阐述了观察渗透理论的观点,认为观察是一个有理性因素渗入其间的感性反映形式。因为不同理性因素对观察的影响,所以使不同的个体对同一事件的观察很不一样。
     设想哥白尼和托勒密“观察日出”。公元二世纪时的托勒密看日出,看到的是东方的晨曦驱赶着沉沉的黑夜,玫瑰色的朝霞迎来了令人心醉的黎明。一轮红日,带着光和热从地平线上腾起,太阳神阿波罗接替了他的双生姐姐月神阿耳忒尼斯。可是十六世纪时的哥白尼看日出,看到的又是什么呢?他必定看到他所站立的那一座山头,随着自西向东转动的地球,逐渐接近太阳迷人的光锥,在光锥与地球上这座高山的相切处,就是阿波罗与阿耳忒尼斯交接班的地方,这里呈现出一切令人心旷神怡的美景。沐浴着温暖日光的哥白尼和欣赏清晨美景的托勒密观察到的是同一个东西吗?
     我们说他们观察到的 既是同一个东西,又不是同一个东西。
哥白尼和托勒密观察日出的物理过程是完全相同的。那些同样的光子被太阳辐射出来,它们穿过太阳系空间和地球大气层。假定哥白尼和托勒密都有正常的视觉器官,所有这些光子以同样的方式穿过他们眼睛的角膜、水状液、虹膜、晶状体和玻璃体,同样的光子刺激他们的视网膜,产生同样的图形。直到这时,他们二人都在进行同样的观察,也就是说他们可以毫不含糊地告诉我们,他们观察的那个东西是什么?他们都认为这是一个闪耀着迷人光芒的橘红色的圆球,这个图象是不变的,唯一的,从几何学的角度来看,是没有什么区别的。可是哥白尼和托勒密观察到的是同一个东西吗?不是。托勒密观察到的是一个动态的太阳,哥白尼观察到的却是一个静态的太阳。这是因为托勒密坚持的是“地心说”,而哥白尼坚持的却是“日心说”。他们是在不同的理论指导下进行观察的。
       在科学史上类似哥白尼和托勒密的例子多得很,普利斯特列和拉瓦锡,牛顿和爱因斯坦,玻尔和海森堡……可以说这些人中的每一对都作了相同的观察,但是观察到了极不相同的东西。这就给科学理论的检验和选择带来了巨大的困难。人们不仅要分析这些理论所赖以建立的经验事实,而且还要进一步分析这些经验事实是如何观察的。
正因为观察渗透理论,所以不存在中性的观察。这就使我们以往的感觉经验可以运用到每一项新的观察过程中去,而不必在认识每一个新事物时,完全排除我们以往的认识史,保持一个白板式的大脑,事事要重新认识。对于科学观察,理论渗透尤其重要。实际上,如果没有一定的科学理论渗透到观察过程中,那么根本就不存在科学的观察。一束日光通过三棱镜被分解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色。不懂光学的人只是观察到这七种颜色组成了一条绚丽的彩带。可是光学家却观察到日光中含有不同频率的电磁波。又如1960年诺贝尔奖金获得者美国物理学家格拉泽发明了探测高速度短寿命粒子的“气泡室”,这个“气泡室”每星期要拍摄几十万张照片。对于这几十万张照片的观察,训练有素的基本粒子物理学家与一个普通的正常人,观察到的是同一个东西吗?对于基本粒子物理学家来说,他可以在几十万张照片中,观察到某一个新粒子出现的证据。可是对一般正常的普通人来说,他只是观察到一大堆杂乱无章粗细不匀的线条而已。这是因为对这几十万张照片的观察,需要基本粒子物理学的理论指导。

三 观察过程是按照有关概念的不同组织方式进行的

  观察不但包括观察者的感官接受到被观察对象的信息,而且包括大脑对感官输送来的信息的组织过程。这种组织过程与每一个观察者所具有的背景知识密切相关。这就是说,观察过程是按着有关概念的不同组织方式进行的。因此这种观察过程总是和以往的认识史有联系。我们说:“桂林山水甲天下,阳朔山水甲桂林”,这是因为漓江两岸的青山绿水,可以给任何人以美的享受,每个人可以根据各自生活的经验和对漓江山水的观察,充分发挥自己的想象力。正因为不同的观察者对同一处山水可以产生完全不同的感觉,可以观察到不同的东西,所以才使漓江山水具有一种永久的魅力。
    科学的观察从某种意义上说,也正是这种漓江山水式的观察。汉森曾设想有两个生物学家观察同一个原生动物——阿米巴。一个人把它看成单细胞动物,因为阿米巴从各方面来说,都类似于一个单细胞,有细胞壁、细胞核和细胞质等。只不过阿米巴的特点是它能够独立生活。然而,在另一个人看来,它却是非单细胞动物。与一切动物一样,阿米巴也摄取食物、消化、吸收和排泄,它也能繁殖,而且能活动——它更象一个完整的动物,而不象一个单体的组织细胞。
      我们在观察过程中感到观察对象象什么,那我们必定在头脑中存在相应的表象。当我们把土星看作是一个戴着草帽的人头时,那我们是把人戴草帽这种形象归并到观察过程中去了。当我们把同一颗土星看作是浮在浴盆里的一个大球时,那是把浮球、浴盆等形象归并到观察过程中去了。因此背景知识在观察过程中,对有关概念不同组织方式所起的作用是不容忽视的。

四 观察离不开语言描述

      观察所产生的图象和把观察到的东西用语言形式描述出来,这两者是完全不同的逻辑类型。前者属于视象逻辑类型,后者属于认识逻辑类型。这两种不同的逻辑类型通过观察过程结合起来了。视象与认识都是观察的必然结果。视象主要表现为图象,认识主要表现为语言。如果没有图象因素,我们的感官对外界的反映就失灵,就不存在观察的表象,也就没有观察。如果没有语言因素,观察到的东西就不能与我们原有的背景知识接通,也不能表达为有科学意义的观察陈述,这种不能表述出来被他人间接感知的观察,显然不能对人类精神财富的增殖有什么贡献。当观察到的东西用语言陈述的形式表达出来以后,就会以知识的形态贮存起来,作为新的观察的背景知识。
      语言在观察中的作用还 仅在这一点,它还表现在语言的抽象性、约定性和提示性这些特点对观察的作用上。图象与语言都是对观察对象的反映,但两者的摹写程度不一样。图象是对原物在形式上的忠实反映,但两者的摹写程度不一样。图象是对原物在形式上的忠实反映,图象中的各种线条摹仿原物的各个构成部分,图象各部分的关系反映原物各部分的关系。例如反映南京玄武湖的图象就很接近原物,照相、录相、电影,就是这种与原物十分接近的图象。但是,作为南京市地图来说,玄武湖在地图上只是占据了一定地位的相似曲线,它对原物的忠实反映表现在玄武湖和鼓楼、中山陵等建筑物在空间的相互关系上。在航空照片上维妙维肖的玄武湖,在地图上只是一个符号标志了。语言与图象的关系一样。语言对观察对象的反映具有高度的抽象性,并不企求每一部分都完全一致。这种反映还具有事先的约定性,用什么符号来反映,并不影响我们对事物的认识。利用语言的提示性我们还可以通过联想和逻辑推理建立起观察对象与原有知识的因果联系。
       由此我们知道,对于同一对象的观察是十分复杂的。这种复杂性还不是来自观察的理论解释,而是来自观察本身。怪不得美国科学家费耶阿本德挑衅性地提问,天文学家观察到的红移是天体本身具有的吗?因为我们对红移的观察是在视向速度变化的理论指导下得到的。同样的,对基本粒子径迹的观察是它自身吗?在显微镜下对细胞染色体的观察也是它自身吗?等等。但是我们认为观察渗透理论并不意味着观察不能解决任何科学问题,而只是说我们在观察时,必须要选择一个标准条件,只有在这个标准条件下观察到的东西,才是观察对象本质的属性,而在任何非标准条件下所作的观察都是观察对象非本质的属性。要选择标准条件,就非要依靠理论不行。由此可知,任何一个观察都不是中性的。

                                 摘自 徐纪敏著   “科学学纲要”