伽利略的科研方法

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-01

伽利略在科学研究工作中用到的科学研究方法。

伽利略在长达几十年的科学研究工作期间开创了许多物理学研究方法,这些方法对今天的科学研究人员来说,仍然具有十分重要的指导作用。爱因斯坦曾经对伽利略及其科学方法给予高度评价,他说: “伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,标志着物理学的开端。”下面就来看一下伽利略在科学研究工作中用到的主要科学研究方法。

科学精神 科学方法

① 观察方法

我们从上述描述中已经知道,伽利略对于天文学的研究主要靠的是观察的方法,更加确切地说是间接观察法。观察方法是指人们通过感觉器官(如眼、耳)直接地,或者借助于科学仪器间接地进行有目的、有计划的感知客观对象活动,从而得到该对象的知识和观念的科学方法。伽利略的观察方法已经不同于古代的肉眼直接观察,而是借助于天文望远镜这一工具进行观察。他对天体的观察,使他发现了许多人们以往所不知道的重大信息,揭开了宇宙神秘的面纱。他在物理学力学方面的研究也离不开观察。据说,摆针就是因为他偶然仔细观察吊灯的摆动而发明的。伽利略的观察方法在科学研究中的重大作用也被后来许多学科的科学家所公认。如前苏联著名的生理学家巴甫洛夫对他的学生说,他成功的秘诀就是 “观察、观察、再观察”,“应该先学会观察,观察,不会观察,你就永远当不了科学家。”发明青霉素的英国细菌学家弗莱明在1945年获得诺贝尔医学奖时,深有感触地说: “我的唯一功劳是没有忽视观察。”

② 实验方法

实验方法是指人们根据研究目的,借助一些物理设备,人为控制地进行一系列活动,进而重复研究自然现象和规律的一种方法。伽利略是观察和实验方法的积极倡导者,是倡导可重复、可检验性实验的第一人,被誉为在实验中真正应用观察实验这一科学方法的大思想家,是近代实验科学的奠基人之一。他反对亚里士多德式的纯属思辨的科学方法,主张只有观察实验才是掌握真理的科学方法,反对过度相信权威,主张只有实验才能帮助我们更好地认识自然。他有一句名言: “科学的真理不应在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的。这本书就是宇宙,就是自然本身,人们必须去读它。”这句名言充分说明了伽利略的态度。同时,他自己就是这一观点的坚决执行者。除了天文学方面不能进行实验以外,伽利略其他的研究无一不是建立在实验的基础上。例如,为了验证自己关于自由落体问题的正确性,他设计了“斜面实验”,并试验了近百次才得到正确的结论;还有著名的“比萨斜塔实验”。伽利略的实验方法的最大特点是可重复性和可检验性,他的实验方法对现在的科学研究仍有很大意义。

③ 数学方法

数学方法即用数学语言表述事物的状态、关系和过程,并加以推导、演算和分析,以形成对问题的解释、判断和预言的方法。数学方法在科学研究中占有十分重要的地位。马克思说: “一种科学只有成功地运用数学时,才算达到真正完善的地步。”爱因斯坦也说: “在我们全部知识中,那个能够用数学语言来表达的部分,就划为物理学领域。”

伽利略在科学研究中用到的第三种重要的科学方法就是数学方法。伽利略把他的物理研究与数学紧密结合起来,为物理学的发展开辟了新的途径。他以准确的数学语言证明物质运动的规律和表达物理的定律。他在数学方面有很深的造诣,早在1582年前后,他经过长久的实验观察和数学推算,得到了摆的等时性定律。在1585年因经济原因辍学离开比萨大学后,他深入地研究过古希腊欧几里得、阿基米德等人的著作,对于几何学了解也很深。正是因为他对数学的浓厚兴趣,才促使他在进行“斜面实验”时运用了数学方法,从而发现小球沿斜面滚下的距离总是与时间的平方成正比,最后得到自由落体定律,即s=1/2gt^2。

④ 其他方法——理性方法

除了上述三种最主要的科学方法外,伽利略还用到了其他的科学方法。例如,在理论上驳斥亚里士多德的自由落体观点时,用到了反证法和演绎法,利用自身的矛盾来证明其错误是反证法的体现,而由小球到世界万物是演绎法的特征。在推导“惯性定律”的过程中,还第一次采用了理想化的方法。他假定小球从一个无摩擦的斜面上滚下来,然后在一个无限延伸的光滑平面上运动。很显然,没有摩擦的斜面和无限延伸的平面是不存在的,这只是一种理想化的状态。同样,关于自由落体定律的实验也是一样,生活中非真空环境下,阻力是无可避免的。

总之,伽利略的最主要的研究方法还是观察方法、实验方法、数学方法。尤其是他在力学研究过程中把实验和数学结合在一起,既注重逻辑推理,又依靠实际观察和实验检验,同时灵活抽象理想化状态的科学研究方法非常值得我们学习。这完全可以总结成为一套完整的科学研究方法程序: 观察现象→提出假设→逻辑推理→实验检验→数学演绎→形成理论。伽利略所运用的这套科学研究方法后来得到许多科研工作者的认可,直到今天对科学工作者在科技创新方面仍有着重要的指导作用。

摘自《科技史与方法论》清华出版社授权登载

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