陳彥芬

?

布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)及其所蘊(yùn)涵的科學(xué)本質(zhì)探析

陳彥芬

(衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水053000)

對(duì)于如何在科學(xué)教育過(guò)程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育這一目標(biāo)，研究者提出了多種模式和觀點(diǎn)．其中，在科學(xué)課程與教學(xué)中融合科學(xué)史，即HPS教育模式受到人們的重視．布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)本質(zhì)觀教育內(nèi)容．從布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程可以看出，要成為在某一領(lǐng)域有重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家，需要奉獻(xiàn)、時(shí)間以及被相應(yīng)的科學(xué)共同體認(rèn)可的特殊技術(shù)和理論能力；一個(gè)科學(xué)問(wèn)題的提出和研究，會(huì)受到社會(huì)文化和技術(shù)水平的影響；科學(xué)的本質(zhì)就是一種探究過(guò)程，這種探究過(guò)程主要包括觀察和提出問(wèn)題、形成假設(shè)、實(shí)驗(yàn)求證、得出和交流結(jié)論四大基本步驟；科學(xué)應(yīng)當(dāng)是民主的，這種民主的主要表現(xiàn)之一就是所有的知識(shí)主張應(yīng)當(dāng)被公平對(duì)待，無(wú)論這些知識(shí)主張的來(lái)源如何，即普遍性與公正性標(biāo)準(zhǔn)；科學(xué)是不斷發(fā)展的，布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)直至解釋經(jīng)歷了布朗的實(shí)驗(yàn)觀察、古伊的定性研究、愛(ài)因斯坦的定量理論模型、貝蘭的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)階段．所以，科學(xué)具有一種動(dòng)態(tài)的品質(zhì)，它的一個(gè)永恒不變的性質(zhì)就是變化，就科學(xué)的理論內(nèi)容而言，科學(xué)“永遠(yuǎn)是臨時(shí)的”．

科學(xué)本質(zhì)；布朗；布朗運(yùn)動(dòng)；科學(xué)教育

近年來(lái)，在國(guó)外一些主要的科學(xué)教育改革中，將科學(xué)本質(zhì)教育作為科學(xué)教育的目標(biāo)廣受關(guān)注和強(qiáng)調(diào)，并將其作為科學(xué)素養(yǎng)的核心成分之一．我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革中，也對(duì)科學(xué)本質(zhì)教育問(wèn)題有所關(guān)注，并在相應(yīng)的理科課程標(biāo)準(zhǔn)中有所體現(xiàn)．

毋庸置疑，科學(xué)教育目標(biāo)的關(guān)鍵在于落實(shí)．對(duì)于如何在科學(xué)教育過(guò)程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育這一目標(biāo)，研究者提出了多種模式和觀點(diǎn)．其中，在科學(xué)課程與教學(xué)中融合科學(xué)史，即HPS教育模式受到人們的重視．

本文以布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程這一科學(xué)史實(shí)作為案例，分析其中所蘊(yùn)涵的科學(xué)本質(zhì)觀，以期對(duì)相應(yīng)的教學(xué)有所啟示與借鑒．

1 羅伯特·布朗的教育與訓(xùn)練背景

所謂布朗運(yùn)動(dòng)，是指在液體或氣體中懸浮顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)．雖然懸浮顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)在布朗之前早就被一些研究者注意到，但布朗首次強(qiáng)調(diào)了這種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的普遍性并反對(duì)把它解釋為生命現(xiàn)象．因此，這種運(yùn)動(dòng)便以他的姓氏命名．

那么，1827年夏天，羅伯特·布朗為什么要研究花粉顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)呢？現(xiàn)有的教科書(shū)中都沒(méi)有提到這一點(diǎn)．應(yīng)該說(shuō)，這并非是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，布朗不會(huì)偶然把昂貴的顯微鏡與花粉、水和載片裝配在一起．要理解布朗當(dāng)時(shí)的觀察目的，需要對(duì)他的生活和科學(xué)文化背景做一些介紹．

羅伯特·布朗1773年出生于蘇格蘭的蒙德羅斯(Montrose)，在蘇格蘭長(zhǎng)大并接受教育．他曾在阿伯丁和愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，并成為一名軍醫(yī)．1798年，他遇到博物學(xué)者、倫敦科學(xué)會(huì)的老前輩約瑟夫·班克斯爵士，在班克斯的支持與鼓勵(lì)下，布朗改變了自己的職業(yè)，成為班克斯的科學(xué)學(xué)徒．1801—1805 年，布朗以博物學(xué)者的身份隨英國(guó)“勘測(cè)者”號(hào)航行到澳洲和新西蘭．1806年成為林納(Linnaean)協(xié)會(huì)的圖書(shū)館館長(zhǎng)．布朗作為一個(gè)植物學(xué)家的技能深受班克斯的賞識(shí)，幫助班克斯對(duì)其收集品進(jìn)行分類(lèi)．與此同時(shí)，布朗也對(duì)自己的收集品進(jìn)行分類(lèi)．1810年，布朗成為班克斯的資料收藏管理員，他對(duì)植物的性別特點(diǎn)尤感興趣，在1810—1820年的10年間，他發(fā)現(xiàn)并描述了有花植物和無(wú)花植物的性別差異，這一工作需要具備操作顯微鏡的良好技能．

1820年，班克斯去世．布朗負(fù)責(zé)照管班克斯的房屋、圖書(shū)館和植物標(biāo)本室．1827年，布朗把這一切交給了大英博物館，前提條件是建立一個(gè)植物學(xué)部．他隨即成為館長(zhǎng)．

從上述背景中不難看出，要成為在某一領(lǐng)域有重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家，需要奉獻(xiàn)、時(shí)間以及被相應(yīng)的科學(xué)共同體認(rèn)可的特殊的技術(shù)和理論能力．

2 布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及其所蘊(yùn)涵的科學(xué)本質(zhì)

2.1 布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程體現(xiàn)出一個(gè)科學(xué)問(wèn)題的提出和研究，受社會(huì)文化和技術(shù)水平的影響

布朗為什么在1827年花費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)觀察花粉？

從布朗的教育與訓(xùn)練背景中可見(jiàn)，作為一個(gè)植物學(xué)家，布朗長(zhǎng)期從事植物的分類(lèi)學(xué)研究，在思考著植物中的性別問(wèn)題．實(shí)際上，當(dāng)時(shí)一些科學(xué)家也在思考著性別問(wèn)題．有些人較為關(guān)注的是生命起源問(wèn)題，也就是說(shuō)，生命的活力來(lái)源于何處？它如何在有生命的機(jī)體中傳輸并展現(xiàn)這種活力？對(duì)這一問(wèn)題的看法，當(dāng)時(shí)比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為生命的活力源于雄性部分，認(rèn)為活躍、主動(dòng)是雄性部分的自然特點(diǎn)，而雌性部分則是被動(dòng)的．

布朗假設(shè)，植物中這種生命活力也應(yīng)當(dāng)由“活躍的”雄性部分來(lái)傳輸，即通過(guò)雄性部分的運(yùn)動(dòng)到達(dá)雌性部分，使得雌性與雄性相遇或混合以進(jìn)行再生．

由以上假設(shè)布朗做出了實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)：通過(guò)顯微鏡觀察，花粉中的小顆粒應(yīng)當(dāng)展現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)．

不難看出，當(dāng)時(shí)社會(huì)文化對(duì)性別問(wèn)題上的看法，影響著布朗對(duì)這一研究問(wèn)題的假設(shè)及預(yù)測(cè)．

另外，布朗的研究也得助于顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步．1824年，消色差雙合物鏡的成功發(fā)明，使得顯微鏡學(xué)家能夠更清楚地看到較小的物體．設(shè)備的改進(jìn)極大地促進(jìn)了布朗的研究方法．也就是說(shuō)，技術(shù)發(fā)展使得新科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施成為可能．

2.2 布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程體現(xiàn)了科學(xué)的本質(zhì)就是一種探究過(guò)程

布朗觀察了花粉的顆粒，并確實(shí)觀察到了不能歸因于熱氣流或水的蒸發(fā)作用所導(dǎo)致的花粉顆粒的運(yùn)動(dòng)．應(yīng)當(dāng)說(shuō)，布朗并不是第一個(gè)注意到這種運(yùn)動(dòng)的人，但他是首位在力所能及的條件下深入研究這一運(yùn)動(dòng)的人．

出于植物學(xué)家的本能，布朗考慮這種運(yùn)動(dòng)會(huì)不會(huì)是有機(jī)物的某種活力在起作用？也就是說(shuō)，這些花粉微粒作為有生命植物的一部分，運(yùn)動(dòng)是不是這些微粒的固有本質(zhì)呢？他研究了死去幾天、幾十年乃至100年的植物的花粉后發(fā)現(xiàn)，在所有情況下，這些花粉都表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)．由此，布朗推斷“運(yùn)動(dòng)是植物的雄性部分的固有本質(zhì)”這一假設(shè)是合理的．

既然假設(shè)得到了證實(shí)，那么雄性部分的運(yùn)動(dòng)是否可以作為區(qū)分植物的不同部分以確定其性別的標(biāo)準(zhǔn)？帶著這一問(wèn)題，他選擇了一些有疑問(wèn)的苔類(lèi)作為觀察的對(duì)象．

首先，他選擇了他認(rèn)為是雄性的部分進(jìn)行觀察，假設(shè)又得到了證實(shí)——他觀察到了這些微粒的運(yùn)動(dòng)．然后，他又觀察了被認(rèn)為是雌性部分的顆粒，他也發(fā)現(xiàn)了這些顆粒的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)．布朗繼而搗碎一些樹(shù)葉，放在載片上觀察，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了樹(shù)葉顆粒的運(yùn)動(dòng)．也就是說(shuō)，植物所有部分的顆粒都表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)！觀察所得的結(jié)果，使布朗失去了對(duì)其原有假設(shè)的信心，但是他又認(rèn)為，他的觀察結(jié)果支持當(dāng)時(shí)的植物和活力論中通行的另一種假設(shè)：所有有機(jī)體的所有部分會(huì)包含基本的小“分子”，并具有生命力．

觀察的結(jié)果否定了布朗原有的假設(shè)，因此他放棄了原有的假設(shè)．

既然運(yùn)動(dòng)不能用來(lái)區(qū)分植物的性別部分或植物的生或死，那么用于實(shí)驗(yàn)觀察的小顆粒所表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)，是不是因?yàn)檫@些小顆粒都來(lái)源于有機(jī)體？帶著這一問(wèn)題，他又嘗試了一系列植物尤其是樹(shù)脂膠，并發(fā)現(xiàn)了這些植物中小顆粒的運(yùn)動(dòng)．他也觀察了來(lái)自動(dòng)物組織的小顆粒，他發(fā)現(xiàn)，無(wú)論動(dòng)物的死活，都能觀察到取自于這些動(dòng)物的小顆粒的運(yùn)動(dòng)．

從這一過(guò)程可以看出，布朗進(jìn)行的是一項(xiàng)以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為導(dǎo)向或啟發(fā)的探究活動(dòng)．在這一探究活動(dòng)中，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果又導(dǎo)致了相應(yīng)的新實(shí)驗(yàn)．這一過(guò)程建立在他對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的信心之上．

受好奇心的驅(qū)使，布朗也觀察了植物的化石殘余物．他發(fā)現(xiàn)，只要這些顆粒足夠小，就能夠觀察到這些小顆粒的運(yùn)動(dòng)．他還注意到倫敦煤煙全部包含了這些“分子”．布朗還探究了石化的木頭，其中的碳完全被硅酸鹽替代，在這一無(wú)機(jī)物材料中，只要顆粒足夠小，也可以觀察到這些顆粒的運(yùn)動(dòng)．由此，布朗得出推論：運(yùn)動(dòng)的“分子”不僅僅局限于有機(jī)體，也不局限于它們的產(chǎn)物．

原有的假設(shè)被證偽了，布朗力圖證實(shí)上述的推論．他嘗試了玻璃、金屬、火成巖石、沉積性巖石，他甚至觀察了斯芬克司的碎片和鱈魚(yú)眼上的顆粒！他發(fā)現(xiàn)，任何物體，只要能變成足夠小的顆粒，就能觀察到這種運(yùn)動(dòng)．

雖然他無(wú)法對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋，但他堅(jiān)信，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果已表明，運(yùn)動(dòng)是所有物質(zhì)的特點(diǎn)．

布朗并未聲明他證偽了活力論，他只是認(rèn)為活力論不能為其觀察結(jié)果提供解釋．

1828年，布朗將他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)成論文，并在蘇格蘭、德國(guó)和法國(guó)的一些刊物上發(fā)表．文章發(fā)表之前，布朗將實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布給了他所知道的有名的科學(xué)家．這確保了布朗對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果所擁有的優(yōu)先權(quán)．因?yàn)橹辽僭诨始覍W(xué)會(huì)形成時(shí)期，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)這是一個(gè)共同的慣例，在科學(xué)領(lǐng)域中流行著優(yōu)先權(quán)．也就是說(shuō)，作為一個(gè)科學(xué)研究家，最新的研究結(jié)果代表著他的水平．如果作為第二個(gè)人去發(fā)現(xiàn)了某個(gè)事物，則不會(huì)享有聲譽(yù)，在某一領(lǐng)域也得不到認(rèn)可．布朗不是第一位發(fā)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)的人，但他肯定是第一個(gè)對(duì)這種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行如此詳細(xì)研究的人，并且發(fā)現(xiàn)只要顆粒足夠小，不管它來(lái)自于什么物體，這一運(yùn)動(dòng)都會(huì)存在．

布朗的文章在當(dāng)時(shí)被廣泛地進(jìn)行了閱讀．其中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果所暗示的無(wú)機(jī)物具有自我活力的結(jié)論遭到了反對(duì)．反對(duì)者認(rèn)為，布朗所觀察到的運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)歸因于表面效應(yīng)、氣流的對(duì)流、微粒之間的電吸引與排斥．有些科學(xué)家甚至懷疑他的推測(cè)或?qū)嶒?yàn)技能．許多人甚至認(rèn)為，布朗在做實(shí)驗(yàn)之前就已經(jīng)斷言了這些顆粒是運(yùn)動(dòng)的．

分析上述過(guò)程可以看出，布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程體現(xiàn)了科學(xué)的本質(zhì)就是一種探究過(guò)程．盡管在對(duì)科學(xué)探究環(huán)節(jié)的具體劃分上目前還存在一定的差異，但總體而言，研究者們對(duì)科學(xué)探究基本框架的認(rèn)識(shí)是基本一致的．即這種探究過(guò)程主要包括觀察和提出問(wèn)題、形成假設(shè)、實(shí)驗(yàn)求證、得出和交流結(jié)論四大基本步驟．布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程正體現(xiàn)了這一基本框架．

布朗在觀察和提出問(wèn)題、形成假設(shè)的基礎(chǔ)上，做了一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)其假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證．他沒(méi)有只依賴新的顯微鏡頭，而是注意使他的大部分實(shí)驗(yàn)使用比較普通的單鏡頭，以便其他人也能重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)．這也就保證了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性原則，意味著他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能僅僅歸因于由新鏡頭產(chǎn)生的未知偏差．通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他證偽了自己原有的假設(shè)．

分析這一過(guò)程，我們也可以看出證實(shí)與證偽在科學(xué)發(fā)展中的作用．科學(xué)研究采用實(shí)證的方法，雖然用到邏輯論證，但理論是否正確最終仍要由觀察實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證．合理地解釋了已有現(xiàn)象的觀點(diǎn)只能是假說(shuō)，只有被后來(lái)的發(fā)現(xiàn)多次證實(shí)的假說(shuō)才叫做理論．即使是理論，也要接受新證據(jù)的考驗(yàn)．實(shí)證，不單是指證實(shí)，更重要的是證偽．對(duì)于任何理論來(lái)說(shuō)，多少個(gè)正例也無(wú)法保證今后不會(huì)出現(xiàn)反例，因此，理論是不能完全被證實(shí)的；但只要有一個(gè)反例存在，并且能夠通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證它確實(shí)存在，就可以證偽一個(gè)理論．也就是說(shuō)，證實(shí)作為產(chǎn)生可靠知識(shí)的一種方法，無(wú)論從邏輯論證的角度去證實(shí)還是以觀察或?qū)嶒?yàn)作為基礎(chǔ)，都不是有效的．比如，考慮布朗所調(diào)查的花粉的范圍．他并未對(duì)花粉做窮盡的實(shí)驗(yàn)觀察，實(shí)際上，對(duì)所有已知花粉做實(shí)驗(yàn)來(lái)研究這一運(yùn)動(dòng)也是不可能的．并且，在某些地方可能還存在某種未知的花粉，這種花粉也可能不會(huì)表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的特質(zhì)，考慮到這種假設(shè)的合理性，也就更好理解證實(shí)與證偽在科學(xué)發(fā)展中的作用．

因此，在一些情況下，一個(gè)科學(xué)家不得不聲明，依據(jù)某些標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)足夠的事實(shí)進(jìn)行了調(diào)查．但是，這些標(biāo)準(zhǔn)并不是客觀的，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)并非源自某一領(lǐng)域的專家之外，而是由這一領(lǐng)域的成員所決定，因而是相互主觀的．

2.3 布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程所折射的布朗對(duì)批評(píng)意見(jiàn)的態(tài)度

布朗的批評(píng)者們對(duì)他的研究結(jié)果提出了強(qiáng)烈的反對(duì)意見(jiàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了其他的解釋．布朗注意到了這些反對(duì)意見(jiàn)和解釋．

1829年，第一篇文章發(fā)表后一年，布朗又發(fā)表了題為“再論運(yùn)動(dòng)的分子”的論文．在這篇論文中，他重述了他的原始探究所基于的假設(shè)，并再次聲稱，他無(wú)法解釋觀察的結(jié)果．

布朗沒(méi)有否定活力論的觀點(diǎn)，但他在文章中暗示活力論需要其他現(xiàn)象的支持．活力論是布朗所處年代許多人持有的觀點(diǎn)，可能布朗本人也持有這一觀點(diǎn)．只拿這一個(gè)實(shí)驗(yàn)作為否定活力論的證據(jù)，他認(rèn)為是不夠的．

他在文章中陳述道，他重復(fù)做了之前的實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)所有足夠小微粒所具有的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)，并表明，這些實(shí)驗(yàn)無(wú)論用新的(消色差的)或舊的顯微鏡來(lái)做，所得結(jié)論是一致的．他陳述了其他科學(xué)家所提出的對(duì)這一運(yùn)動(dòng)的某些解釋，但他認(rèn)為，這些觀點(diǎn)要么太荒謬，要么就是否定他作為顯微鏡學(xué)家的技能．基于這樣的原因，他直接拒絕考慮這些觀點(diǎn)．

布朗認(rèn)為只有兩種解釋是值得考慮的：一是微粒的運(yùn)動(dòng)是由于微粒之間的吸引力或排斥力所致；二是微粒的運(yùn)動(dòng)是由于承載微粒的水滴的蒸發(fā)所致．布朗在文章中陳述了他所設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果．首先，取一些含有小顆粒的水，并把它在與水具有基本相近密度的杏仁油中搖勻．以這種方式，就形成了在油中懸浮的小水滴，而水滴中懸浮著“活躍的分子”．實(shí)際上，一些水滴很小以至于只包含著一個(gè)“活躍的分子”．

布朗觀察到兩個(gè)現(xiàn)象：首先，水滴在油中不能蒸發(fā)而微粒的運(yùn)動(dòng)仍持續(xù)；第二，在那些小到只包含一個(gè)小顆粒的水滴中，仍能看到這個(gè)小顆粒的運(yùn)動(dòng)．

布朗認(rèn)為，第一個(gè)現(xiàn)象預(yù)示小顆粒的運(yùn)動(dòng)與蒸發(fā)無(wú)關(guān)，第二個(gè)現(xiàn)象表明運(yùn)動(dòng)不是由于顆粒間的相互作用所致．

布朗設(shè)計(jì)的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是觀察表面效應(yīng)是不是小顆粒運(yùn)動(dòng)的原因．這次他向杏仁油中滴加了其中懸浮有小顆粒的水滴，將其搖勻以使水中既含有小顆粒又含有小油滴．

他觀察到水表面的小油滴沒(méi)有動(dòng)，而那些在水中的小油滴表現(xiàn)出和臨近“活躍分子”相似的運(yùn)動(dòng)．

布朗設(shè)計(jì)了兩個(gè)簡(jiǎn)單但很有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)，證偽了反對(duì)者對(duì)這一運(yùn)動(dòng)所做的解釋．

我們知道，科學(xué)應(yīng)當(dāng)是民主的．這種民主的主要表現(xiàn)之一就是所有的知識(shí)主張應(yīng)當(dāng)被公平對(duì)待，無(wú)論這些知識(shí)主張的來(lái)源如何．即普遍性與公正性標(biāo)準(zhǔn)．但是，從上述過(guò)程我們看到，布朗好像沒(méi)有遵守這樣的標(biāo)準(zhǔn)．他遵循的是完全忠于和偏愛(ài)一種理論的標(biāo)準(zhǔn)．反對(duì)意見(jiàn)是否被接受或考慮，要取決于布朗依照與自己觀點(diǎn)的比較，或?qū)ζ涮岢稣叩目茖W(xué)能力做出評(píng)判．所以，在布朗那里，不是所有的觀點(diǎn)都具有相同的價(jià)值，并且不是所有的提議都能夠或應(yīng)當(dāng)接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，這要取決于由誰(shuí)提出以及他的科學(xué)研究背景如何．

2.4 布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程體現(xiàn)了科學(xué)的發(fā)展性本質(zhì)

布朗對(duì)批評(píng)的意見(jiàn)做了成功的反駁，但沒(méi)能對(duì)所觀察到的運(yùn)動(dòng)提供解釋．布朗的第二篇文章不像他的第一篇文章那樣被廣泛地閱讀．當(dāng)時(shí)在植物學(xué)領(lǐng)域，活躍分子這一問(wèn)題也并非是一個(gè)主流研究問(wèn)題，所以布朗沒(méi)有繼續(xù)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究．他在花的分類(lèi)方面還有許多工作可做．1831年，布朗通過(guò)清楚地描述植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了他在植物學(xué)領(lǐng)域的聲望．布朗是第一個(gè)給細(xì)胞核命名的人．“核”的名稱和概念在20世紀(jì)也被物理學(xué)家用來(lái)描述原子的結(jié)構(gòu)．

由于沒(méi)人注意到布朗的第二篇文章，在之后的許多年中，很多人重復(fù)著布朗所做的工作．

從1880年開(kāi)始，對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)比較一致的看法是，它與一些對(duì)熱力學(xué)的解釋有關(guān)，但是卻沒(méi)人提出任何檢驗(yàn)這些理論觀點(diǎn)的方式．

1888年，法國(guó)科學(xué)家古伊，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的回顧并設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，確定了以下知識(shí)：

布朗運(yùn)動(dòng)與電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光的強(qiáng)度和振動(dòng)無(wú)關(guān)；

運(yùn)動(dòng)的速度依賴液體的溫度(可以是任何液體，不只是水)和粘性以及布朗顆粒的大?。?/p>

古伊也指出，想要測(cè)量布朗顆粒運(yùn)動(dòng)速度的想法可能是不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@些顆粒是不連續(xù)的并且變化太頻繁．

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，原子是否真實(shí)存在廣受爭(zhēng)論．法國(guó)物理化學(xué)家貝蘭也參與了這場(chǎng)爭(zhēng)論．他是一個(gè)對(duì)原子假設(shè)及其伴隨的動(dòng)力學(xué)理論的熱心支持者，他一生主要的一部分工作是專注于尋找原子真實(shí)存在的證據(jù)．

他的工作使得他與布朗運(yùn)動(dòng)密切接觸．并且，對(duì)有關(guān)膠體中漫射現(xiàn)象的博士論文的指導(dǎo)(這一論文1904年完成)，啟發(fā)了他研究與原子真實(shí)性相關(guān)的研究課題的觀點(diǎn)．

作為物理化學(xué)家，貝蘭對(duì)范霍夫在滲透作用上的研究工作較為熟悉，范霍夫的研究表明，分子的稀溶液表現(xiàn)出遵守氣體定律．貝蘭推測(cè)如果氣體定律對(duì)假定的溶質(zhì)微粒適用，如果他信奉的動(dòng)力學(xué)理論是正確的，那么，布朗顆粒的乳濁液也應(yīng)遵守動(dòng)力學(xué)理論的預(yù)測(cè)結(jié)果．特別是根據(jù)氣體指數(shù)定律，它們應(yīng)當(dāng)在溶液中呈等溫分布．如果是這樣，他推理布朗顆粒應(yīng)遵守動(dòng)力學(xué)理論．這一論點(diǎn)的下一步是如果對(duì)肉眼可見(jiàn)的微粒是這樣，那么肉眼看不到的微粒確當(dāng)遵守同樣的規(guī)律，如果這一論點(diǎn)是可以被認(rèn)可的，那么任何大小的任何微粒的運(yùn)動(dòng)都由動(dòng)力學(xué)理論所支配．換句話說(shuō)，通過(guò)觀察可見(jiàn)微粒遵守動(dòng)力學(xué)理論，我們可以由此推測(cè)假定的不可見(jiàn)微粒遵守同樣的規(guī)律．這不只為范霍夫的工作提供了真實(shí)的解釋，而且也支持原子真實(shí)存在的觀點(diǎn)．

貝蘭了解古伊的工作，自然對(duì)研究布朗運(yùn)動(dòng)這一現(xiàn)象的相關(guān)和無(wú)關(guān)因素有著清楚的概念．

貝蘭設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了阿伏加德羅數(shù)值．他的測(cè)定結(jié)果在6.5×1023~ 7.2×1023之間，他認(rèn)為這一結(jié)果與通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測(cè)的數(shù)值(6.2×1023)足夠接近，可以表明布朗運(yùn)動(dòng)的起因是動(dòng)力學(xué)理論．

貝蘭在1908年發(fā)表了他的結(jié)果，他大約從1905年開(kāi)始這項(xiàng)研究．這一年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了3篇文章，一篇是關(guān)于狹義相對(duì)論，一篇是關(guān)于光波量子化，第三篇稱為“關(guān)于由分子熱動(dòng)力學(xué)理論所決定的懸浮在靜止液體中的小顆粒的運(yùn)動(dòng)”．

在后來(lái)的回憶中，愛(ài)因斯坦說(shuō)道，他的主要目的是提供一種理論，這種理論可以導(dǎo)致證實(shí)原子真實(shí)存在的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)．他也坦言，他沒(méi)注意到布朗的工作．

貝蘭立刻意識(shí)到愛(ài)因斯坦文章的重要意義，他擁有檢驗(yàn)這些觀點(diǎn)的儀器并且具有相應(yīng)的技能，他和他的博士生在1909、1910和1911年持續(xù)發(fā)表了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在法國(guó)以及歐洲其他地方從事了許多關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)和分子真實(shí)存在的口頭演講．貝蘭的豐富而徹底的研究文章，除此之外還有他的名為《原子》的書(shū)迅速傳播開(kāi)來(lái)．同時(shí)進(jìn)行的關(guān)于放射性、陰極射線、黑體輻射以及膠體溶液對(duì)光的散射的實(shí)驗(yàn)與理論工作，都是原子論者反駁其反對(duì)者的證據(jù)的一部分．

1926年，在布朗所做的最初實(shí)驗(yàn)99年之后，貝蘭作為物理化學(xué)家因其在布朗運(yùn)動(dòng)上所做的實(shí)驗(yàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)．

從上述過(guò)程我們可以看出，科學(xué)的核心是探究，科學(xué)通過(guò)探究而不斷發(fā)展．布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)直至對(duì)這一現(xiàn)象的解釋經(jīng)歷了布朗的實(shí)驗(yàn)觀察、古伊的定性研究、愛(ài)因斯坦的定量理論模型、貝蘭的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)階段．所以，科學(xué)具有一種動(dòng)態(tài)的品質(zhì)，它的一個(gè)永恒不變的性質(zhì)就是變化，就科學(xué)的理論內(nèi)容而不是就其精神價(jià)值而言，科學(xué)“永遠(yuǎn)是臨時(shí)的”．

Discovery of Brownian Motion and Its Nature of Science

CHEN Yan-fen

(College of Chemical Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

There are many views about how to realize the objective of education of the nature of science. HPS model is paid great attention. The process of the discovery of Brownian Motion implied many views of the nature of science. That is, to become a scientist who is recognized as a significant contributor to any field requires dedication, time, and particular technical and theoretical competences recognized by the peer group. Science is a social activity and that the creation of scientific theories and the acceptance of procedures and results is also a matter of social negotiation. Science is an inquiry process which mainly includes observing and raising questions, hypothesizing, verifying with experiments, giving results and communicating. Science is democratic and all knowledge claims should be treated equally, independent of their source, adhering to the norms of universalism and impartiality. Science is in continuous evolution, and the discovery of Brownian Motion experienced Brown’s experimental observation, Gouy’s qualitative research, Einstein’s quantitive theoretical model and Perrin’s experiments. Science has a dynamic nature and change is its invariability. As for the theoretical contents, science is always “temporary”.

nature of science;Brown; Brownian Motion;science education

(責(zé)任編校：李建明 英文校對(duì)：李玉玲)

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.01.027

G642

A

1673-2065(2015)01-0097-05

2014-09-25

陳彥芬(1965-)，女，河北冀州人，衡水學(xué)院化工學(xué)院教授，教育學(xué)碩士.