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曾宝俊
科学史体现了人类探索和逐步认识自然世界的现象、特性、规律和本质的历程.任何一个具体的科学知识和理论体系都是汇集许多人的研究成果而建立起来的,常常是经过几十年甚至上百年的努力才能迈出有意义的一步,这个过程伴随着探索者的艰辛与悲欢,体现着认识过程中理论与实践、继承与突破、理性与非理性的辨证统一.
改变历史的苹果
【案例1】《研究重力》导入师：（讲桌上放有一棵苹果树模型,上面有一个很大的苹果.教师将拴苹果的细线剪断,苹果落到讲桌的海绵上）哪位同学愿意把“苹果落地”的故事讲给同学们听？
生：牛顿看到苹果落地而引发了思考,树上落下的苹果为什不向别的地方飞去,而是向下落？是否与星星在天上运动有某种联系呢？在此基础上,牛顿提出了“万有引力”,知道了苹果落地的原因.
师：相信这位同学能像牛顿一样,细心观察周围的事物,提出更有价值的问题进行研究.我将这只象征创新的苹果送给这位未来的牛顿.时至今日,人们说起科学,或者说起科学家都不约而同地谈起牛顿,谈起砸在牛顿头上的那只苹果.从某种程度上说,牛顿和砸在他头上的苹果就是科学家及科学的代表.英国诗人亚历山大·浦伯曾写过一首诗赞美牛顿：
自然界和自然规律隐藏在黑暗中,上帝说：
让牛顿出生吧！
于是,一切都成为光明.
乔布斯逝世后,微博上疯传着一个段子：迄今为止,有三个著名的苹果对人类历史产生了重大影响,一个诱惑了夏娃,一个砸醒了牛顿,一个现在握在乔布斯手中.还有一种说法是：三只苹果改变了世界.伊甸园的苹果改变了亚当和夏娃,让人类脱离了愚昧；英国乡下的苹果改变了牛顿,让世界脱离了黑暗；硅谷的苹果改变了乔布斯,让人们再也离不开手机.夏娃偷吃禁果是《圣经》里的故事,带着神话色彩.乔布斯的苹果则给人们设计了一个全新的感知世界,让一种产品促使一部分人开始思考新世界的可能性,可大部分人却从此不需要思考,只需要接受.只有砸在牛顿头上的苹果,是人们平时嗅得到香、尝得到甜的水果.一个处于苦苦思索中的大科学家被来自自然的力量所点醒,发现了伟大的自然科学规律,这个苹果使得牛顿的故事更具传奇色彩,然而,真有一只苹果砸在牛顿头上吗？
【案例2】“苹果落地”故事的若干个版本
版本一：少年时代的牛顿发现苹果落地
牛顿,1642年12月25日生于英国林肯郡伍尔索普村的一个农民家庭.
他12岁在格兰撒姆的公立学校读书时,就表现了对实验和机械发明的浓厚兴趣,自己动手制作了水钟、风磨和日晷等.苹果落地引起他的注意是偶然的.一个炎热的中午,小牛顿在他母亲的农场里休息,一个熟透了的苹果落下来,这个苹果不偏不倚,正好打在牛顿头上.牛顿想：苹果为什么不向上跑而向下落呢？他问妈妈,妈妈也不能解释.大凡科学家都保留一颗童心,牛顿更不例外,当他长大成了物理学家后,他联想到了少年时的“苹果落地”,可能是地球某种力量吸引了苹果掉下来.
于是,牛顿发现了万有引力.
版本二：青年时期的牛顿发现苹果落地
中世纪1347年左右,欧洲爆发的“黑死病”夺取了近四分之一的人口.
300年后,黑死病卷土重来,欧洲紧急疏散城市人口.正在剑桥大学读书的牛顿回到了他的家乡林肯郡的小村庄.为了排遣心中的苦闷,他经常到父亲的庄园里读书和散步.有一天,一颗苹果从苹果树上落下来,引起了他的思考,苹果为什么会落地呢？它怎么不朝天上去呢？一定是有什么力在牵引着它.在苹果落地的启发下,他发现了万有引力.这大约是1666年的事情.
版本三：老年时期的牛顿发现苹果落地
目前流传较广的这个版本的故事是经过大名鼎鼎的格林和伏尔泰之口讲出来的.格林是在牛顿去世那一年在《哲学原理》这本书中谈到苹果落地的故事的,他在书中记叙说：“有一天,牛顿在花园中思考问题,突然有一个苹果从树上落下,使得牛顿想到万有引力定律.”可是,格林却是从福克斯那儿听到牛顿苹果落地的故事.法国的伏尔泰也是从牛顿的外甥女凯瑟琳·巴沃那儿听来的.在伏尔泰所著的《哲学通信》中,对苹果落地的故事这样写道：“牛顿回到剑桥大学附近的故居.有一天,他在花园中散步,看到一个苹果从苹果树上落下,这使牛顿想到许多科学家所研究而未获突破的重力起源问题.”这时的牛顿已经到了老年了.
其实,苹果落地的故事版本很多,时至今日,课堂上不断上演着各种版本的苹果落地和解释苹果落地的环节.
【案例3】解释“苹果为什么落地？”
师：苹果为什么落地呢？对这一问题你是怎么想的？
生：因为地球有引力.
生：我认为是地球引力使苹果落到了地上.
生：我也认为是地球引力的作用.
师：地球真的有引力吗？生活中还有哪些例子能证明？
生：比如一个球,你将它抛向空中,它仍然会落到地面上来.
生：羽毛虽然很轻,但它也会落到地面上.
生：水往低处流.
……
师：同学们说得很好,类似这样的例子还有很多很多.下面,我们利用实验桌上的物品来进一步感受一下地球引力.比如用手提一提物体,手有什么感觉？抛一抛物体,物体会怎样？
（学生分组实验.）
【案例4】感受物体重力的存在老师出示米尺并提起,问：如果松手,米尺会怎样？（演示松手,米尺落地）怎样让米尺不掉到地上呢？（演示用手抓）下面我们就来做一个抓尺子的游戏.
游戏由两个同学配合完成,甲同学将右手抬起与腰齐平,张开右手虎口,乙同学提起米尺,将米尺的一半放于甲同学右手虎口中（注意米尺不能碰到甲同学的手）.当乙同学放下米尺时,甲同学迅速捏紧右手虎口去抓米尺.完成两次游戏后,甲乙同学交换再做两次游戏.游戏过程中,要求学生观察手的运动方向,体会手里的感觉.游戏后请学生交流：
1.在抓住尺子的一瞬间,甲同学的右手会向哪个方向运动？
2.在抓住尺子的一瞬间,你手里有什么感觉？
3.这股力来自哪里？
最后老师揭示：物体由于地球吸引而受到的力叫做重力.
【案例5】解释“什么是重力？”
甲、乙、丙、丁四个同学在一起议论重力的大小问题.
甲同学说：“我感觉物体静止时的重力比运动时的重力大.”
乙同学说：“我感觉物体被举起时的重力比将物体放下时的重力大.”
丙同学说：“月亮小,地球大,物体在地球上的重力大于这个物体在月球上的重力.”
丁同学说：“无论是静止还是运动,无论物体运动得快还是慢,物体受到的重力大小是相等的.”
这些神情严肃的孩子讨论的哪一个不是事关人类的历史和未来的问题？你认为他们谁说的正确？可是,即使错了又何妨呢？
【案例6】谁让牛顿的苹果家喻户晓？
其实,最详细记载苹果落地故事的人是英国人布雷斯特,1831年,他在著作《牛顿的生平》一书中提到这件事.1855年,他又在《牛顿的生平、著作和发现的回忆》一书中再次提到此事.他是这样记载的：
“苹果从沃尔斯索普的树上落下来,因而使牛顿想到这个问题.
1814年,我在沃尔斯索普时,曾经看到这棵苹果树,树的一部分已经开始枯萎,一部分树干已经脱离树根.到1820年,这棵树已经完全腐朽而倒下去了.这棵树的标本后来由伊·特纳小心地保存着.”
关于伊·特纳保存这棵树的标本的故事,是他的曾孙在1939年告诉塔仑兹的.他的曾孙说,他的曾祖父伊·特纳到沃尔斯索普村牛顿的故居时,看到在原来枯死的苹果树的地方又补栽了新的苹果树,而且已经结果了.至今,在英国仍有许多观光客到牛顿故居瞻仰这棵苹果树.
布雷斯特在书中还指出：苹果落地的故事又经过大名鼎鼎的格林和伏尔泰之口说过,在读者心中产生了较大的影响,并广为流传.
伏尔泰认为牛顿在自然科学方面有很多贡献,而且对法国有很大的影响,所以应该把牛顿的创见介绍到欧洲大陆来.伏尔泰在《哲学通信》和《牛顿的哲学思想》两本书里,以大量的篇幅介绍引力理论,同时也转述了苹果落地的故事.
因此,苹果落地的故事成为家喻户晓的科学佳话.
【案例7】这是最权威的苹果落地的故事！
在牛顿逝世后不久,斯图克莱在他所著的《牛顿的生平传记》一文中写道：1726年4月15日,我到牛顿的寓所去拜访他,和他在一起待了一整天.在谈话中,他向我谈起苹果落地的事.他说有一天,他在花园里思考引力问题的时候,一个苹果从树上落下来.这时候,他就想,为什么苹果总是垂直落向地面呢?为什么苹果不向外侧或向上运动,而总是向着地球中心运动呢?无疑地,这是地球向下拉着它,有一个向下的拉力作用在物体上,而且这个向下的拉力总和必须指向地球中心,而不是指向地球的其他部分.所以苹果总是垂直下落,或者总是朝向地球的中心.苹果向着地球,也可看成是地球向着苹果,物体和物体之间是相互朝着对方运动的.物体之间的作用力必须正比于它们的质量.这个力,我们称之为引力.
斯图克莱是牛顿的好朋友,他所记述有关苹果落地的故事比较完整.和格林、伏尔泰不同的是,斯图克莱是直接从牛顿那儿引述的,而格林和伏尔泰则是从别人那里听来的.这是科学史上第一次直接来自牛顿的苹果落地故事,因此具有很大的权威性.
惊鸿一瞥的瞬间
昙花只有瞬间的辉煌,但它盛开的惊鸿一瞥,美得是那么惊心动魄.科学史上也有很多让人意想不到的瞬间,恰恰就是这样的一个个瞬间,在不断地改变着人类的文明进程.
俗话说：工欲善其事,必先利其器.人类对微观世界的认识,离不开观察工具——显微镜.然而,微生物的发现却是一场意外,完全取决于一个看门老头无意中的惊鸿一瞥,这个老头叫列文·虎克,是荷兰德尔夫特市政大厅的看门人,就是他推开了微生物世界的大门.
【案例1】列文·虎克发明显微镜的故事
小时候,列文·虎克父亲早逝,家境贫寒,6岁就辍学了,没有受过系统的自然科学教育.他16岁便在一家布店里当学徒,后来在当地开了家小布店.当时人们经常用放大镜检查纺织品的质量,列文·虎克从小就迷上了用玻璃磨放大镜.中年以后,他得到一个做德尔夫特市政府管理员（看门人）的差事,这是一个很清闲的工作,使他有较充裕的时间从事他自幼就喜爱的磨透镜工作,并用透镜来观察自然界的细微物体.因为有很多时间用来磨放大镜,他磨的放大镜放大倍数越来越高.由于勤奋及特有的天赋,他磨制的透镜远远超过同时代人.经过多年的努力,1665年,他终于磨制出一块自己满意的透镜.这个透镜的直径约为0.38厘米.在铁匠师傅的帮助下,他动手做成了一个小小的金属支架.他把透镜镶嵌在支架的木板上,这样,看东西就方便多了.
不久,他听人说,如果两块镜片叠在一起,放大的倍数会更大.因为放大倍数越高,透镜就越小,为了用起来方便,他用两个金属片夹住透镜,再在透镜前面安上一根带尖的金属棒,把要观察的东西放在尖上观察,并且用一个螺旋钮调节焦距,这样就制成了最初的显微镜.后来,他又在原来的凸透镜装置上,将两个镜片用圆桶套起来,在支架中间设计了一个旋钮,以调节两个镜片之间的距离.为了解决光线问题,他在透镜的下方装上一块铜板,上面钻了一个孔,使光线能够反射到被观察的东西上,观察效果大大增加.他把这个装置称为“显微镜”.
列文·虎克一生先后制作了491架显微镜,其中放大倍数最高的达到300倍.有了显微镜后,这位看门人兴致勃勃地将能够想到的小东西一个接一个地放在镜下,观看它们的庐山真面目.在显微镜下,蜜蜂腿上的短毛,竟然如缝衣针一样地竖立着,让人有点害怕.他还观察了蜜蜂的螫针、蚊子的长嘴、一种甲虫的腿、蝌蚪的尾巴、人的肌肉、市长的头发、虱子、青蛙卵、辣椒水、男人的以及婴儿的手指头等.只要他觉得好玩有意思,他就用自制的显微镜看一看,然后把看到的如实画下来,自娱自乐.时至今日,荷兰国家博物馆还保留着一架他当年亲手制作的简单显微透镜,其放大率达270倍.
【案例2】雨水中的“小人国”1673年的一天,注定是惊鸿一瞥的一天！这一天,天空下着磅礴大雨,狭小的实验室里又黑又闷.列文·虎克不能再观察显微镜,便站在屋檐下的窗口边上,望着门外的雨发愣.这时,他忽然萌生了一个念头：我们经常见到的雨水中到底有什么东西呢？
于是,他在门外装满雨水的大缸里舀了一杯水,用吸管吸了一滴放在显微镜下,然后凑上去看,结果他一下子惊呆在那儿——他看到雨水里有无数奇形怪状的东西在蠕动.他简直不敢相信自己的眼睛,揉了揉眼再观察,结果还是一样.他感到十分惊骇,就呼唤自己的女儿玛丽亚过来一同观察.
玛丽亚凑到显微镜下,惊奇地叫道：“哎呀,这是什么东西呀？就跟童话里的‘小人国’一样”.
“这是雨水中的王国.”
“真是不可思议.”
难道这些小生命是从天而降的吗？为了验证这一想法,他又把杯子放在地上,接了半杯从天上直接落下来的雨水,然后取出一滴放在显微镜下观察,结果没有发现什么.可是,过了几天再观察,雨水中又有小生命在蠕动,只是数量不多了.
雨水里有“小人国”,那么,其他物质中有没有呢？
过了几天,列文·虎克把牙齿里的牙垢取出来,用水稀释后放在显微镜下观察,结果又发现了“小人国”.同样,在雨水搅拌过的湿泥土里,他也发现了“小人国”.
列文·虎克经过反复观察验证,发现这个“小人国”始终是存在的,他实在弄不懂“小人国”这些成员究竟是怎么回事.最后他把他的观察记录整理成文,寄给英国皇家学会,报告了他发现“小人国”的消息.
1673年的一天,英国皇家学会收到了寄自荷兰的观察记录,文章的名字是《列文·虎克用自制的显微镜,观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》.列文·虎克在报告中写道：“我用4天时间,观察了雨水中的小生物.我很感兴趣的是,这些小生物比直接用肉眼看到的东西小到万分之一……
这些小生物在运动的时候,头部会伸出两只小角,并不断地活动,角与角之间是平的……如果把这些小生物放在蛆的旁边,就好比一匹高头大马旁边的一只小小的蜜蜂……在一滴雨水中,这些小生物要比我们全荷兰的人数还多许多倍.”
面对一个陌生的“学者”和一篇名字拗口的学术文章,英国皇家学会的专家们带着轻视的态度开始阅读观察记录.令他们惊奇的是,这篇文章记录的内容是从未有人深入研究的微观世界,作者对显微镜下活体的描写生动有趣：“大量难以相信的各种不同的、极小的‘狄尔肯’……它们活动相当优美,它们来回地转动,也向前和向一旁转动……”“啊！看来这是一项非常有价值的研究成果.”学会专家们开始重视起来.文章最后的结论惊呆了各位专家,作者宣称“一个粗糙沙粒中有100万个这种小东西；而在一滴水中,‘狄尔肯’不仅能够生长良好,而且能活跃地繁殖——能够寄生大约270多万个‘狄尔肯’”.这太令人难以置信了.
列文·虎克的报告实在太过于另类了,和传统的报告相比不仅没有规范的格式,甚至连文法修辞也不讲,这在英国学术界引起了强烈争议,很多人认为在胡说八道.英国皇家学会有着严格的验收科技成果的法规,为了验证他的报告,皇家学会组织了一个考察团到荷兰拜会这位“怪杰”.在列文·虎克的家里,他们用列文·虎克制作的显微镜观察了水中的小生物,证实了列文·虎克关于“小人国”的描述不是无稽之谈.列文·虎克那些看似荒诞不经的“狄尔肯”故事,在微观世界里竟然都是真实的.随后,英国皇家学会对列文·虎克的发现给予了高度肯定和赞扬,认为该发现“具有里程碑的意义”.
考察结束后,他们向英国皇家学会递交了书面报告,称“列文·虎克在他的小实验室里创造了奇迹”.这样,列文·虎克的实验报告就得到了承认,并译成英文发表在皇家学会的刊物上.不久,英国皇家学会吸纳列文·虎克为正式会员.这个默默无闻的荷兰平民,一下子成为欧洲的知名科学家,他发现的“狄尔肯”（拉丁文中“细小活泼的物体”的意思）就是人们常说的微生物.
后来,人们这样评价列文·虎克：“他是一个看门人,但他看守的是微生物世界的大门！”
【案例3】阅读故事后的交流师：阅读了列文·虎克的故事并听了老师的介绍,你们有什么想法？
生：我觉得列文·虎克真了不起,他居然从一个看门人成为了一个世界有名的科学家.
生：我也很佩服列文·虎克,他一生居然自己造出了490架显微镜！
生：我觉得列文·虎克富有钻研精神,所以他揭开了微生物的惊世秘密.生：我也想像列文·虎克那样成为一名科学家.
师：让你再用显微镜观察,你想观察哪些物体？
生：我也想像列文·虎克那样用显微镜观察树叶、花.
生：我想用显微镜看看血液是什么样的.
生：我想用显微镜看看蚊子叮人的“嘴”是否真的有根小管子.
生：我想用显微镜看看人的头发是怎样的.
生：我想用显微镜看看井水、河水、雨水到底有什么区别？
……
事实上,到目前为止,绿色的地球是唯一为人类所认知的一块生命的栖息地.除了我们熟知的动物、植物,还有一个神秘的群体.长期以来,人们对它们视而不见,触而不觉,嗅而不闻,食而不察,得其益而不感其恩,受其害而不知其恶.这是因为它们太微小了,以至于用肉眼看不见或看不清楚,它们的名字叫微生物.在列文·虎克发明显微镜之前,人们根本不知道微生物的存在.正是列文·虎克的惊鸿一瞥,人们对这个世界开始了新的认识,对自身及疾病有了更加有针对性的探索.
【案例4】望远镜的发明16世纪末的荷兰,眼镜和放大镜制造业成为重要产业.
一天,眼镜商人李普希的3个儿子在阳台上玩镜片.其中一个孩子将两个镜片叠在一起,忽然,他大叫起来：“快来看,教堂的塔尖变近了！”另外两个孩子照着他说的那样,将两镜片叠在一起,果然,前方的教堂、树木变得高大清晰了.这个发现让李普希眼前一亮,“也许这是一桩赚钱的制造行业.”
于是,他向荷兰国会提出了申请专利的要求.这就是望远镜的发明.
1609年6月,居住在意大利威尼斯的物理学家伽利略,从同行中听到了这一消息,设想用望远镜观测天体.他从眼镜店里买来镜片,加工了一个铜筒,然后将镜片装入铜筒中,一架望远镜制成了.在一个群星璀璨的夜晚,伽利略将望远镜对准了月球.自古以来,人们认为月球皎洁无瑕,然而透过望远镜,伽利略看到月球表面凹凸不平,既有平原,也有山脉,他不禁惊叹道：“月球原来是一个满脸麻子的美人！”此后,伽利略还用望远镜观察了木星,发现木星边上有4颗小星星围绕着它转；用望远镜观察太阳,发现了太阳的自转；用望远镜观察银河系,发现它是由无数暗弱的恒星组成的.
此后,新型望远镜、巨型望远镜不断问世,星空探测从此有了一件强有力的武器.正是眼镜商人儿子的惊鸿一瞥,使人类将目光投向更为浩渺的星空,人类探索的边界更加遥远.
【案例5】巴甫洛夫和狗一天,巴甫洛夫在实验室里来回踱步,脑子里思考着消化分泌系统的问题.无意间他观察到身穿实验室外衣的助理正倾下身体逗着一只小狗,小狗的嘴里流出口水.
那一定是灵光一现的时刻！
这一常见的现象打断了这位科学家的思路：助理逗小狗,小狗淌口水,这种无意识的流口水证实小狗正在想着食物,然而它的眼前并没有食物.
巴甫洛夫发现,这个助理穿着白大褂.这个助理经常穿着实验室的外衣喂小狗,所以小狗一看到他的这件外衣就知道食物快来了.许多人在看到狗淌口水时所做的事情是摇着头马上取来纸巾给它擦拭,但是巴甫洛夫没有这样做,他想通过研究狗来了解人类的消化系统.
为了获得刺激与反应的关系,巴甫洛夫将实验室外衣换成了一种铃声,开始了条件反射领域的探索.1904年,巴甫洛夫获得了诺贝尔消化生理学奖.
【案例6】魏格纳和大陆漂移说1910年的一天,年轻的魏格纳因病住进了医院.当魏格纳躺在病床上的时候,是绝对不会想到自己的惊鸿一瞥会改变人类对地质结构的直接认识.
由于性格豪放、天性好动,魏格纳在静谧舒适的病室里坐卧难安,实在无聊时,就面对病房里的地图,呆呆地出神.突然,魏格纳仿佛发现了什么,他站起来,用食指沿着地图上的海岸线,画着各个大陆的海岸线,他画完了南美洲,又画非洲；画完了大洋洲,又画南极洲.画着画着,他的手指慢了下来,停在地图上南美洲巴西的一块突出部分,眼睛却盯住非洲西岸呈直角凹进的几内亚湾.瞧！这两者的形状竟然不可思议的吻合！魏格纳被自己偶然的发现惊呆了,他精神大振,难道这是真的?他站在地图面前,仔细端详着美洲、非洲大陆外形上的不同特点.果然,巴西东海岸的每一个突出部分,都能在非洲西海岸找到形状相似的海湾；巴西的每个海湾,又能在非洲找到相应的突出部分.
这不会是一种巧合吧？
兴奋至极的魏格纳一口气将地图上所有的一块块陆地都进行了比较,结果发现,从海岸线的相似形状上看,地球上所有的大陆块都能够较好地吻合在一起.
于是,这位病中的年轻人的脑海里形成了一个崭新的惊人奇想：在太古时代,地球上所有的陆地都是连在一起的,即只有一块巨大的大陆板块.后来因为大陆不断漂移,才分成今天的各个大陆.
穷经皓首的坚守
天文学是科学的一个典型分支,是人和自然最为直接的互动.天文学实际上是一门观测科学,数千年来,无数观测者的努力,让我们对这个宇宙有了初步的了解.但是又有几个人知道,这些苦心孤诣的观测者,过的是一种什么样的生活呢？
【案例1】守星人
传统意义上的天文观测者过的是“晚九朝五”的日子,日入而作,日出而息,众人皆睡,唯我独醒.虽然辛劳,但也得“天”独“厚”！说他们得“天”独“厚”,是因为天文台多半盖在远离人烟的深山里,远离尘世,只有苍天星月怜悯他们,所以说他们是得“天”独“厚”的一群人.也只有他们可以体会傍晚的闲适、中夜的宁静和早晨的清新.
天文观测者似乎可以无忧无虑地享受山林之乐,其实不然.他们最担心,却一点也没办法控制的东西,就是“天气”.虽然传统观天受制于天气,但这并不意味着观测者可以关上圆顶,回屋睡觉.一般而言,即使乌云满天,观测者仍然必须“等天”,因为没有人知道什么时候能够守得云开见月明.记得我在南京紫金山天文台参观时,听过讲解员口耳相传的戒律：要是好天气却自行收工睡觉,是会遭天谴的——以后观测就都会碰上坏天气.大型的天文台,因为观测时间得来不易,甚至特别规定,即使天气不佳,也要熬到半夜两点以后才能归寝.天文观测者多半利用“等天”的时间看书读报写文章.
【案例2】第谷发现新星
第谷是丹麦天文学家,他一辈子做的唯一一份工作就是晚上观测天空,从不间断.
1572年11月11日晚上,第谷习惯地像查户口似的,扫过一个又一个星星.当他“查”到仙后座附近时,突然发现那儿多了一颗星星.
“难道这是一颗新星？”第谷喃喃自语道.要知道,在当时,古希腊著名科学家亚里士多德的“天不变”的理论还统治着天文学界,人们普遍认为,天空中的星星是永远不会变的,第谷能立即闪过这样的念头,实属不易.在这以后,第谷紧紧地盯住这颗“陌生的星”——它一天比一天亮,甚至有时在白天太阳光下也能见到它的“倩影”.
“这一定是颗新星！”三个月后,第谷终于做出了判断.这无异于一声春雷,使沉闷的天文学界听到了春天的脚步声.第谷紧迫不舍地对新星作了长达1年零4个月的观测,直至1574年3月这颗星消失为止.在这期间,他详尽记录了新星的颜色、光度、所处方位等情况.
后来,人们为了纪念他的功绩,将这颗新星命名为“第谷新星”.由于在天文学研究方面取得了丰硕成果,他获得了“星学大王”的美誉.
值得一提的是,第谷还发现了“一颗”更大的“新星”——开普勒.是他,发现了开普勒的才识,并加以精心栽培.他在临终时,对助手开普勒说：“我一生都在观测星星,总想绘一张准确的星表,目标是1000颗星,可如今……我希望你能把我的工作继续下去,我把一生中收集的所有观测资料送给你,请你把我的观测结果发表出去,你不会令我失望吧！”
开普勒后来不负第谷的期望,完成了第谷未竟的事业,成为“天空的立法者”,是天文学界一颗璀璨的明星！
【案例3】威廉·赫歇尔发现天王星
1781年3月13日夜,星斗满天,是一个观测星空的好日子.英国天文学家威廉·赫歇尔和平常一样,支起高倍望远镜,沉浸在星星的海洋里.突然,赫瑟尔的镜头里出现了一颗他从没见过的新星.
“不可能吧？”赫歇尔使劲揉了揉自己的眼睛,怀疑是自己看花了.在确信无疑之后,赫歇尔取下了他刚才所用的能放大270倍的望远镜头,更换为能放大460倍的,最后又用上了能放大930倍的望远镜头.
在天文观测上,换用望远镜是一种判断星体是恒星还是行星或彗星的一种办法.在更换镜头后,星体如果增大,则是行星或彗星；如果星体不变,则是恒星.在几次更换镜头之后,赫歇尔发现星体不断增大,这说明它是一颗行星或彗星.
最后,天文学界达成共识：这不是彗星,而是一颗行星.赫歇尔的发现,使太阳系增加了一位新成员——天王星.
【案例4】冥王星的发现
发现冥王星应该是冥冥中注定的,但是由谁发现？怎样发现？
却是一个传奇.自从海王星被发现之后,科学家一直在计算海王星轨道.科学家发现海王星的轨道存在着一种不稳定性,于是推测海王星之外还有一颗不知名的行星存在,于是全世界的天文台都希望发现这颗未知行星.最终,好运落在了美国一个不起眼的洛厄尔天文台一个叫汤博的小伙子身上.
洛厄尔天文台是美国已故科学家洛厄尔创办的.洛厄尔生前认为,在海王星之外还有一颗未知的行星存在.因为海王星并不完全遵循人们根据引力理论预期的轨道运动,很可能在海王星之外还有一颗行星,它的引力使海王星改变预期的运行轨道.洛厄尔将这颗未知的行星称为“行星X”,并且花了很长时间寻找它的“倩影”,但直到他去世为止,这颗遥远的行星仍未露面.
这颗未知的行星真的存在吗？谁也无法回答.从小酷爱天文的汤博,自从进入天文台工作,就开始了寻找未知行星的艰苦而细致的工作.在数以百万计的星点中,要找到这颗未必存在的行星,其难度可想而知.汤博深知,行星看起来只是个恒星状的光点,似乎和恒星没有什么区别,但如果从动态观察看,行星会绕着自己的恒星转,因而它的位置也在不断变化,哪怕这种变化极其缓慢微小.
“怎样才能发现星点位置的变化呢?”汤博问自己,“如果只是用仪器观察,不可能发现那些细微的位置变化,必须把它们的分布状态随时拍摄下来,再从比较中发现变化.”确定了观察方法后,汤博首先把天空区域划分成一小块一小块.每隔二三天时间,他就要重新拍摄相同的天空区域,然后认真比较.
拍摄工作不难,但比较起来却极其费事——每张照片上平均有16万颗恒星,要在这么多星点中找到位置发生变化了的行星,无异于大海捞针.而且,有些小行星的位置也在发生变化,但它们并不是洛厄尔预言的那颗在“海王星之外的大行星”.
为此,汤博特地设计了一种特殊的观测装置,可以同时比较两张底片,并能够较快地寻找到发生闪烁的光点,这项艰苦的工作持续了近一年之久.1930年2月18日,汤博终于发现在双子座附近的恒星中,有一个移动十分缓慢的星点.
“难道这就是洛厄尔预言但没能找到的行星X？”面对日思夜盼的发现,汤博还不敢相信自己的眼睛.为了进一步确证清楚,他继续拍摄这个星点的照片.几个星期过去了,汤博终于确证：这个星点正是期盼已久的“行星X”.它正如洛厄尔所说的那样,运行在海王星之外.由于这颗行星远离太阳,接收到的阳光远远少于其他行星,它的星体上是一片黑暗、寒冷、阴森的世界.因此,人们用希腊神话中生活在幽暗阴冷之中的冥界之神普鲁托的名字来为它命名,即今天我们所说的“冥王星”.
1930年3月3日,在洛厄尔生日这一天,汤博正式向世界宣布发现了新的行星.这一年,汤博年仅24岁.
另辟蹊径的尝试
科学从来没有一条固定不变的路径,科学家在攀登科学高峰的时候,都是在披荆斩棘开辟一条新路.鲁迅先生说：“这世界上本没有路,走的人多了,就成了路！”第一个走的人无疑就是勇者和智者,正是他们的探索才有了新路.
【案例1】琴纳和牛痘的故事
琴纳是18世纪英国一个叫伯克利的小镇上的医生.在他生活的时代,欧洲大陆流行着一种非常可怕的疾病——天花,它如同死神的阴影,出现在哪里,那里就要遭殃,即使是侥幸活下来的人,满身满脸也会布满由天花的水泡留下的难看疤痕,变成令人可憎的丑八怪.当时预防天花的唯一办法是把天花患者身上水泡中的脓液,接种到健康人身上,叫做种“人痘”.
种人痘的手术非常复杂,也非常危险,许多人因为种人逗而染上天花,送了性命.很多医生都在寻找一种更为安全可靠的方法来预防天花.
有一天,琴纳偶然听人谈起牧场里的挤奶女工因为得过“牛痘”,终身不会传染上天花.他作了调查,证实情况果然是这样.在乡下,琴纳经过长期蹲在牛棚里观察奶牛出痘的情况,终于有了发现.原来,牛痘是发生在奶牛和其他牲畜身上的一种疾病,症状很像天花,当牲畜发病的时候,身上也会长出许多充满脓液的水泡.女工在挤奶的时候,手上沾上牛痘的脓液,就会感染上牛痘病.得牛痘病并没有危险,只不过发几天低烧,长一两个小水泡罢了,而且复原以后,可以终身对天花免疫.琴纳想,能否将牛痘接种在人身上,让人产生预防天花的功能呢？
经过深思熟虑,琴纳做了一次大胆的实验.1796年5月14日,琴纳找到一个正在患牛痘病的挤奶女工,他把一根细针刺进这个女工手臂上的水泡里,沾了一点脓液,然后用这个针划破了一个从未出过牛痘也没染过天花的小男孩的皮肤.第二天,小男孩开始发低烧,胖乎乎的胳膊上生出一个小水泡,到了第八天,他的烧开始减退,水泡也逐渐消失,只是在原来生水泡的地方,留下一个小小的疤痕.
6个星期以后,琴纳冒着极大的风险,又用一根刺过天花水泡的针划破这个男孩子的皮肤.他辗转反侧,夜不成眠,提心吊胆地注意着这个男孩子的每一点变化.
几个星期过去了,小男孩安然无恙,他对天花免疫了.
这样一次另辟蹊径的大胆尝试,让人类拥有了征服天花的强大武器.现在,孩子出生以后,父母就会自觉地带他们到医院或卫生站去接种牛痘.
【案例2】伽利略和摆的研究1580年的一个星期天,年轻的伽利略正在教堂里做礼拜.突然,他注意到什么东西在晃动.那是大厅的巨大吊灯,几个修理房屋的工人使它摆动起来.
伽利略抬起头来注视着吊灯,奇怪！一开始,吊灯以一个很大弧度晃动,晃动得快些,弧度变得小些时,摆动得慢些.这时,作为一个医科学生的伽利略不自觉地用右手手指按在他左手腕的脉搏上,他根据均匀的脉搏跳动来计算晃动的时间.更奇怪了！不管弧度的大小如何,这盏灯每摆动一次所需要的时间是相同的.
伽利略想,如果不是自己的感觉欺骗了自己,就是亚里士多德关于摆经过的弧度越小所需时间越少的论述错了.伽利略回到自己屋里用各种不同重量的物体,如铅球、铁球等,在不同长度的绳子上做实验,进行精确的比较,以寻求真理.他狂热地投入到一个又一个摆的实验中,房椽太低,挂不下长的摆,他就爬到窗外树上,把长摆挂在高树枝上,做进一步的实验.在实验过程中,他详细记录了观察结果.最后他在比较中发现：1.不管弧的长短如何,重量相同的摆每摆动一次所需时间相同；2.摆末端的重量的大小不影响摆动所需的时间；3.长摆和短摆每摆动一次所需的时间不同.于是,伽利略发现了摆的运动规律：决定摆动周期的仅仅是绳子的长度,而与摆末端重量及摆动弧度无关.后来,伽利略还依据上述原理发明了一种“测脉计”,它上面装了一个小摆,医生可以用来测量病人的脉搏.
【案例3】麦哲伦的环球航行
在世界航海探险史上,真正实现环球航行梦想的是葡萄牙航海家斐迪南·麦哲伦.
麦哲伦出生于葡萄牙的一个骑士之家.从青少年时代起,他就被达·伽马、哥伦布等航海家的探险故事所吸引.
1519年8月1日,在西班牙国王的支持下,麦哲伦组建了一支船队,由西班牙的塞维利亚码头出发,进行东方探险.按照计划,麦哲伦沿着哥伦布当年的航线前进.一路上,他率领船员们战胜了无数艰难险阻,镇压了船队内部西班牙人发动的叛乱,终于使全体船员成为自己的忠实追随者.
1520年10月18日,麦哲伦的船队继续行驶在南美洲海岸的南部.这一天,麦哲伦对船员们宣布说：“我们沿着这条海岸向南航行了这么久,至今仍然没有找到通向‘南海’的海峡.现在,我们将继续往南前进,如果在西经75°处找不到海峡人口,我们将转向东航行.”
于是,这支船队又沿着海岸向南方前进了3天.21日,麦哲伦在南纬52°附近发现了一个通向西方的狭窄入口.
麦哲伦激动地看着这个将给他带来希望的入口,坚定地命令船队向这个看上去险恶异常的通道前进.船员们紧张地看着两旁耸立着的1000多米高的陡峭高峰,小心翼翼地迎着通道中的狂风怒涛前进.
海峡越来越窄,没有人知道再往前走面临的是死亡还是希望,但是一种坚定的信念和冒险的精神推动着麦哲伦义无反顾地勇往直前.他大胆而且豪迈地鼓舞士气：“眼前的海峡正是我们所要寻找的从大西洋通向东方的通道.穿过这个海峡,我们就成功了！”
在麦哲伦的鼓舞下,船队一步一步地绕过了南美洲的南端.
1520年11月28日,船队在经历了千辛万苦之后,突然看见了一片广阔的大海——他们终于闯出了海峡,找到了从大西洋通向太平洋的航道！这个海峡后来就被称作“麦哲伦海峡”.
此后,麦哲伦的船队在太平洋上继续航行了3个月,最后终于回到了西班牙.在途中,他们水尽粮绝,只得靠饮污水、吃木屑甚至捕食船上的老鼠,许多水手因此得了坏血病在途中死去.
【案例4】哥伦布的不破不立
哥伦布发现美洲大陆后,他就成了英雄,受到西班牙国王和王后的隆重接待.科学家、航海家、探险家还有一些附庸风雅的绅士为他举行了一次又一次的欢迎宴会.
在一次宴会上,人们正在觥筹交错、欢乐非常的时候,忽然有人高声说道：“我看这件事不值得这样庆祝.大陆是地球上原来就有的,并非哥伦布所创造.他只不过是坐着船往西走,再往西走,碰上了这块大陆而已.其实只要坐船一直向西航行,谁都会有这项发现.”
宴会席上顿时鸦雀无声,绅士们面面相觑.这时,哥伦布笑着站起来说：“这位先生讲得似乎很对,其实不然,我们不妨一试.”说着,他顺手抓起桌上放着的熟鸡蛋说：“请各位试试看,谁能使熟鸡蛋的小头朝下,在桌上立起来?”
气氛又活跃起来,大家都拿起面前的熟鸡蛋,试着、滚着、笑着,但谁也没能把它立起来.
刚才说话的那位绅士挑衅地说：“既然哥伦布提出了这个问题,那么他自己一定能办到.现在就请他把熟蛋小头朝下立在桌面上吧！”
全场的眼光都朝哥伦布看过来,只见他微笑着,手握鸡蛋,小头朝下,“啪”的一声敲在桌上,手一松,那蛋就牢牢地立在桌上了.
那人高叫起来：“这不能算,你把蛋壳摔破,当然可以站住.”
哥伦布说道：“对！你和我的差别就在这里,你是不敢摔,我是敢摔.你我之间只是敢与不敢之别.”
【案例5】哥白尼的天体运行论
远古时代,人类祖先站在洪荒漠野上,抬头凝望着天上的日月星辰,产生出无穷的遐想.
有人说,天是由站在地上的擎天神扛在肩上的,“盖天说”由此形成了：地是平的,天是圆的,中间隆起,四周下垂,就像盖在地上的一个半球形的大帐篷.后来,人们在观察中发现,“盖天说”无法解释日月星辰的东升西落,只有在“盖天说”的半个球壳下面再加上半个球壳才对,于是,“浑天说”产生了.
到了公元前4世纪,亚里士多德创立了“地心说”.亚里士多德认为,宇宙是一个有限的球体,分为天地两层,地球位于宇宙中心,所以日月围绕地球运行,物体总是落向地面.地球之外有9个等距离天层,各个天层自己都不会运动,是上帝推动了恒星天层,才带动了所有的天层.人类居住的地球,巍然不动地居于宇宙中心.作为古希腊的最后一位大天文学家,托勒密全面承袭了亚里士多德的“地心说”,把亚里士多德的9层天扩大为11层.
托勒密设想,各行星都绕着一个较小的圆周运动,每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动.他把绕地球的那个圆叫“均轮”,每个小圆叫“本轮”,同时假设地球并不恰好在均轮的中心,而是偏开一定的距离,均轮都是一些偏心圆；日、月、行星除了在上述轨道运行外,还与众恒星一起,每天绕地球转动一周,从而使计算结果与实测一致,取得了航海上的实用价值.
托勒密的“地心说”恰好迎合了基督教义,便被基督教用来维护自己的宗教学说.《圣经》宣扬,宇宙和地球都是上帝耶和华创造的,地球不动位居宇宙中心,圣地耶路撒冷位居大地,人类是神的骄子,宇宙间的万物都是神为了满足人的需要创造出来的……
于是,托勒密的“地心说”成了圣经,天文学成了宗教的奴婢,这种状况一直延续到哥白尼时代.
1473年,哥白尼出生在波兰托伦小城的一个商人家庭里.18岁的时候,舅父把他送进了克拉科夫大学,那个时候,思想敏锐的哥白尼对天文学和数学产生了极大的兴趣.他钻研了数学,广泛涉猎古代天文学书籍,潜心研究过“地心说”,做了许多笔记和计算,并开始用仪器观测天象,头脑里开始孕育新的天文体系.后来,哥白尼来到意大利,在学术气氛十分活跃的帕多瓦大学学习.
该校的天文学教授诺法拉对“地心说”表示怀疑,认为宇宙结构可以通过更简单的图式表现出来.
在他的思想熏陶下,哥白尼萌发了关于地球自转和地球及行星围绕太阳公转的见解.
回到波兰后,哥白尼继续进行长期的天象观测和研究,进一步认定太阳是宇宙的中心.因为行星的顺行逆行,是地球和其他行星绕太阳公转的周期不同造成的假象,表面上看起来好像太阳在绕地球转,实际上是地球和其他行星一起,在绕太阳旋转.这一点就像我们坐在船上,明明是船在走,却感觉岸在往后移一样.哥白尼夜以继日地观测着、计算着,终于冲破重重阻力,创立了以太阳为中心的“日心说”,并开始了《天体运行论》一书的写作.一直到临终前一个小时,哥白尼才完成这部6卷本的科学巨著《天体运行论》.
《天体运行论》明确地提出所有的行星都是以太阳为中心并绕着太阳进行圆周运动的.书中写道：
“地球是动的.”
“地球除了旋转外,还有某些运动,还在游荡,它其实是一颗行星.”
“在所有这些行星中间,太阳傲然坐镇……太阳就这样高踞于王位之上,统治着围绕膝下的子女一样的众行星.”
《天体运行论》虽然也存在缺点,但它在人类历史上第一次描绘出了太阳系结构的真实图景,揭示了地球围绕太阳转的本质,把颠倒了一千多年的日地关系重新颠倒过来,引起了中世纪宇宙观的彻底革命.
【案例6】牛顿和七色光的研究
随着显微镜的发明,人们对光的研究渐成风尚,各种新式的光学元件被用于观察五花八门的光学现象.凸透镜能将细小的物体放大,凹透镜则可以将大的东西缩小,而三棱镜就更奇妙了,它能将一束阳光折射成一条色带,按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列,后来人们称之为“光谱”.
为什么白色的阳光透过三棱镜后会变成七彩色带？当时比较流行的一种说法是：从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度不同,造成三棱镜对这些光线折射的不同,从而形成不同的颜色.
在光学上颇有造诣的牛顿对此深感怀疑.为了判定太阳光谱的形成是否由于折射的不同,他于1666年亲手制作了两个质量很好的光学三棱镜,并精心设计了一个“判决性实验”.
首先,牛顿将房间的百页窗放下,房内顿时暗了下来.百页窗上有一个事先挖好的小洞,外面的阳光透过这个小孔投射在三棱镜上,色散成一条彩带投射在牛顿设置的屏幕上.屏幕中间开有一条垂直的的狭缝,牛顿随后将棱镜不断转动,使光谱的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七条色带,依次投射在狭缝上.在屏幕的后面,牛顿又设置了一个三棱镜,这样,七色光依次透过第一个屏幕狭缝,再经过第二个三棱镜,最后投射在第二个屏幕上.这时,奇异的现象出现了,第二个屏幕上只出现单一的色光,不再出现七色光谱.
显然,这种关于光谱形成是由于光在入射时角度不同,而导致棱镜对它的折射不同的说法站不住脚.因为要真是那样的话,各色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入射角也不相同,理应由于折射的不同,再一次造成色散形成新的光谱,但实验的结果与此不符.
那么,如何正确解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成光谱的现象呢？经过一番思考,牛顿得出以下结论：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的.当白光透过棱镜时,由于各种色光的折射能力不同,于是“各奔前程”,导致这些色光彼此远离而形成一条七彩色带.对于其中一种色光而言,由于它已经是单一成分了,即使再透过棱镜也不会造成色散,依然“保持本色”,只不过折射得更厉害一些而已.
牛顿的这一发现宣判了旧光学理论的“死刑”,然而,他并没有因此止步,而是回到实验室,再设计了一个“支持性实验”,迎来了新理论的“诞生”.牛顿在这次实验中,用一个很大的凸透镜代替了第二个棱镜,结果,经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上,所有七种颜色的光会聚成一束白光！这个实验雄辩地证实：白光是由这些色光混合而成的.
牛顿终于揭开了光谱的奥秘.
罗马作家西塞罗说过：“一个人不了解他出生之前的事情,那他始终只是一个孩子.”哲学家培根也说过：“读史可以明智.”近年来,国际科学教育界已认识到了科学史在科学教育过程中对提高学生科学素养的重要性,大力提倡把科学史纳入到科学课程中.我国科学教育界也逐渐认识到了这一点,现行的小学科学各版本教材中均不同程度地渗透着科学史的教育.科学大师的经典故事是最好的榜样,教材中这样的例子还有很多：伏打电池的巧妙、爱迪生的创意、道尔顿的敏锐、孟德尔的严谨和执着、沃森和克里克的完美合作与非凡想象……他们的成功绝非偶然,我们应当引导学生从中得到更多的启示.
浙江省宁波市北仑区滨海国际合作学校（315830）
（责任编辑刘绍江）
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