作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-8-13
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帕斯卡的实验与证伪主义

 

张宇宁

中学物理中我们便学习过压强的基本概念及其国际单位帕斯卡。在流体压强性质的认识过程中,科学家帕斯卡做出了杰出的贡献,继承并进一步发展了托里拆利等前人的工作,得到了今天物理学课本中所熟知的不同高度下压强的计算公式。

1971年,在国际计量大会上,科学家们通过投票,将帕斯卡规定为压强的国际单位,即1个标准大气压等于101325帕斯卡。不仅如此,帕斯卡还对科学研究方法本身做了很多深入的思考,他的一些思想被后续学者逐渐发展为检验一个论断是否是一个科学论断的核心标准,即“可证伪性”。

有关压强的研究历程对于本科生了解科学研究的详细过程很有帮助,“可证伪性”的概念也让本科生更为明确地区分科学和非科学。

1644年,托里拆利实验已经明确证实了真空的存在。当时的人们已经认识到了大气压的一些基本性质,但是,关于压强的诸多问题仍然有待解决。例如,在不同的测量高度下,流体中的压强会发生怎样的变化?压强又跟哪些因素有密切关系?

1647年,帕斯卡接触到了托里拆利采用水银做的真空存在性验证实验,并进一步地获取了托里拆利相关实验的详细细节和主要结论。托里拆利论文中的结论强烈地激发了帕斯卡的研究兴趣,并将这种兴趣贯穿其一生之中。

首先,帕斯卡重复了托里拆利的实验,搭建了大气压测量的相关实验台,基本熟悉了大气压实验的操作要点。值得一提的是,在本科生开展科研的过程中,尤其是在科研的初期阶段,本科生也可尝试性地围绕近期发表的高水平成果进行跟进,这个经历可以让本科生对相关的实验平台和原理较为熟悉,为后续的创新工作打下一定的基础。

其次,帕斯卡更换了气压计中的液体并进行了多次实验,发现了一些规律。1647年,帕斯卡在一篇论文中更为系统地讲述了空气压强对于各类液体所能支撑的高度以及气压计中真空的本质。1648年,帕斯卡又发表了另一篇论文讲述流体静力学相关理论。这些初期的科研工作和勇敢尝试让帕斯卡对于压强的性质更加了解。

这也提醒了本科生,对于一些好的想法,要敢于尝试,否则它们就只会一直停留在想法的阶段。

后续,通过不断地思考,帕斯卡意识到真正决定压强大小的另外一个因素是测量大气压时所在位置的高度。他对这个想法坚信不疑。

帕斯卡居住地附近的法国多姆山高度为1460米左右,是一个很好的测试地点。遗憾的是,帕斯卡因身体虚弱无法爬山,他便拜托他的姐夫代劳。在帕斯卡连续几个月不厌其烦的劝说下,他的姐夫皮埃尔于1648年9月19日携带着水银气压计与其他两个朋友一起攀登了多姆山。

结果是令人鼓舞的。在山脚下,他们用水银气压计测量了大气压力。到了山顶,当他们再一次进行大气压的测量时,发现水银气压计的刻度线显著地下降了,表明山顶处的大气压明显地低于山脚下的大气压。该实验重复了五次之后,结果依然如此。估计皮埃尔没有想到一次爬山便可以验证在后来几百年的几乎所有物理学课本中都会提到的公式——否则他便不会耽搁几个月的功夫了。

帕斯卡仍不满足,他跑到巴黎的圣雅各伯屠宰场教堂的高约50米的钟楼继续测试,结果显示压强也降低了些许。通过上述实验验证工作,帕斯卡最终确认影响大气压强大小的另一个核心因素是测量位置所处的高度。

实际上,帕斯卡的上述科学发现具有广泛的影响力,深刻地揭示了压强的本质特征。浮力原理最早是由阿基米德在公元前3世纪发现的,并被广泛应用。但是,浮力原理的数学证明却需要引入帕斯卡的理论才能够完备。另外,日常生活中使用的咖啡壶以及青藏高原考察所使用的浮空艇均与帕斯卡的贡献有关。

虽然关于真空和压强性质的科学实验已经大体完成了,但真正与已有理论的论战才刚刚开始。从这场论战中,可以看到一项伟大的科学学说的建立所可能遇到的阻力。

论战的另一方是亚里士多德学派。在上述论战的过程中,帕斯卡逐渐明晰了科学论断所应具有的特征,即“可证伪性”。

亚里士多德学派认为,在处于真空状态的管道之中,存在着某种“不可被观测”的物质。但这个论断是不可被证伪的。如果观测到某种物质,说明真空不存在。如果没有看到物质,便可以用存在某种“不可被观测”的物质进行说明。因此,帕斯卡断言亚里士多德学派的论断并不科学。

帕斯卡的一些思想被后续哲学家所继承并发扬,形成了证伪主义。证伪主义突出了经验在检验科学理论方面的重要作用,其虽然是个别对象,但可以为判断科学理论的错误性提供证据。上述思想在科学哲学领域占据着重要地位。

事实上,在开展科学研究以前,科学研究方法的积累对于本科生的长期发展和科学素质提升都是很有必要的。

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《中国科学报》 (2020-08-13 第8版 博客)
 
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