科學實驗是壹種以認識自然為首要目的的實踐活動。它作為認識自然的研究方法, 在很多方面優於壹般的觀察和生產實踐活動。雖然在古代就已經出現了科學實驗的萌芽和雛形, 但始終沒有成為科學家們普遍應用的科學方法。伴隨著自然科學同宗教神學、經院哲學的激烈鬥爭, 壹批哲學家、科學家極力提倡科學實驗, 並把科學實驗作為科學戰勝對手、壯大自己力量的有力武器。由於科學實驗日益成為獨立的社會實踐方式, 不僅使近代自然知識有了特有的實踐基礎, 也促進了科學形態的變化, 出現了與古代實用科學、自然哲學不同的嶄新的科學形態, 即實驗科學。近代自然科學是建立在科學實驗基礎之上的實驗科學。 早在 13 世紀時, 羅吉爾·培根就曾提倡科學實驗, 由於時代的限制沒有產生多大影響。達·芬奇在反對教會和經院哲學的鬥爭中,主張向大自然請教, 提倡實驗方法, 認為科學如果不是從實驗中產生並以壹種清晰實驗結束, 便是毫無用處的, 充滿荒謬的, 因為只有實驗才是確實性之母。達·芬奇被稱之為近代實驗科學的開路先鋒。近代實驗科學的奠基人和主要代表則是伽利略, 他生在意大利的比薩, 父親是個酷愛音樂和教學的貧困的貴族。父親的愛好和性格都在兒子身上重現。伽利略開始學的是醫學, 由於愛好數學, 轉而學習數學和物理學。通過對物理現象的獨立研究, 他發現了被奉為權威的亞裏士多德的許多嚴重錯誤。盡管因此而遭到非議, 但他認為只要自己的觀點同經驗和理性相符合便是正確的, 至於是否和旁人觀點壹致則毫不在乎。他壹生不僅宣傳哥白尼的天文學說, 而且發展了日心說。他利用合成的鏡片, 制成了天文望遠鏡, 通過觀測到的新事實, 批駁了經院哲學的教條。經院哲學認為, 球狀天體是絕對完備的, 太陽毫無瑕疵, 宇宙間只能有壹個環繞中心。伽利略卻用觀測事實宣布, 太陽有黑子, 月球表面有山谷, 木星有四個衛星, 猶如壹個小太陽系。伽利略因用新的發現支持了哥白尼的學說, 被教會當做異端分子, 遭到了經院哲學的攻擊, 說他觸犯了亞裏士多德的權威。1615 年, 羅馬教會傳訊伽利略, 教皇保羅五世警告他不得“持有、傳授或捍衛”哥白尼的理論。但是伽利略並沒有放棄自己的觀點, 他於 1632 年發表了轟動整個學術界的 《關於兩大世界體系(托勒密的和哥白尼的)的對話》 壹書。這部著作被稱之為近代天文學的三部最偉大的傑作之壹(另兩部是哥白尼的 《天體運行論》 和牛頓的 《自然哲學的數學原理》)。1633 年伽利略因發表 《對話》 再次受到羅馬教會的傳訊, 遭到刑訊逼供。伽利略被迫宣布放棄信仰, 但仍被判處監禁。雖然如此, 他對科學的熱忱仍不減當年。在被監禁和半監禁的情況下, 在他壹生的最後 9 年中,他壹直進行著艱苦的科學研究工作, 完成了 《關於兩種新科學(力學和運動的位置)的談話與數學證明》 壹書。這部書被秘密偷運到荷蘭於 1638 年出版。伽利略對天文學的貢獻固然重要, 從對科學的發展看, 他對力學的貢獻更為重要。由於伽利略的工作, 創立了動力學, 即關於運動物體的科學。亞裏士多德認為物體下落的速度正比於物體的重量, 所以重物體要比輕物體降落得快。1586 年, 斯臺文曾作過壹次實驗, 把兩只重量不同的鉛球從 30 英尺的高度同時落下, 發現它們幾乎同時落到木板上, 重物體並不比輕物體下落得更快。
據說, 伽利略也曾在比薩斜塔上作過類似的實驗。究竟伽利略是否作過這個實驗, 科學技術史界至今仍有不同看法。其實伽利略的重要貢獻並不在於作過壹次實驗, 而是在於他作了壹系列巧妙的落體實驗, 對實驗作出了理論分析, 並用數學方法對實驗結果定量地加以表示出來, 由此否定了亞裏士多德的錯誤結論, 建立了自由落體運動的定量規律。為了弄清落體運動的過程和原因, 伽利略首先引入勻加速度的概念, 以區別於亞裏士多德的勻速度。亞裏士多德認為, 力是產生運動(速度)的原因; 伽利略通過實驗及理論分析表明, 力是產生加速度的原因, 力所引起的“不是物體的運動, 而是運動的改變”。自由落體的速度與落體重量無關, 但卻隨時間的增加而增加。其定量關系是: 降落速度 V 與時間 t 成正比, 降落距離 S 與時間 t的平方成正比。這就是自由落體定律。伽利略通過斜面實驗和擺的實驗檢驗了上述的結論。由於自由落體運動得太快, 不能直接測量它通過的距離和所用的時間。伽利略便設計和制造了壹個光滑的斜面和平面, 讓黃銅小球沿斜面下滑到不同的預定距離, 再對其所用時間加以比較, 證明了所經距離之比與時間平方之比相等。通過斜面實驗還發現了壹些新的重要事實: 小球的末速度與斜面的傾角無關, 僅隨垂直高度而變化; 獲得壹定的末速度的小球, 當進入到壹個平面之後, 如果沒有外力的作用, 且平面足夠長, 它就將按原有速度作勻速直線運動, 壹直運動下去。由此又引出來壹個重要的力學原理, 即物體在不受外力作用的條件下, 其運動速度將保持不變。這就是慣性定律。在這之前,自亞裏士多德以來, 人們卻壹直認為, 物體只有在不斷受到力的作用時才能運動。慣性定律則徹底否定了這個錯誤的結論, 這也證明了力是產生加速度的原因。為了消除空氣阻力對實驗中的運動物體的影響, 消除運動物體和斜面接觸時所產生的阻力(即摩擦力) , 伽利略又進行了單擺實驗, 證明了媒質的阻力在擺的振動中沒起多大作用, 同時證明了相同的擺擺動壹次所花時間相同, 與擺的振幅大小無關。擺振動的同時性的發現, 使伽利略想到有可能制造擺鐘。他曾指示他的兒子和學生動手研制單擺鐘。在成功地把擺的振動和落體運動相類比之後, 伽利略又對拋射體的運動進行研究。按亞裏士多德的沖力理論, 壹個拋射體因獲得沖力而直線上升, 然後當沖力耗盡之後, 再在引力作用下垂直下降。伽利略則證明了壹個沿平面運動的物體, 當運動到平面的盡頭時, 壹方面按慣性原理則該物體應按同壹方向勻速運動; 另壹方面該物體因失去支撐, 按自由落體定律應垂直下落。這兩組運動組合起來, 便使該物體的運動路徑形成壹個半拋物線。當把壹個物體沿傾斜面上拋時, 它的路徑則恰好是壹條拋物線。這可以用力的平行四邊形法則求出來。因此, 牛頓把伽利略說成是力的平行四邊形法則的發現者。
伽利略作為近代實驗科學的奠基人, 不僅以自己的實驗成果啟示人們如何去進行自然研究, 而且告誡人們必須用實驗去獲得物理學的基本原理和考核推理的結果, 而不能盲目相信書本。特別是伽利略還把實驗的觀測同數學的演繹結合起來, 而不是單純依靠經驗。伽利略的實驗方法、數學方法和分析方法, 深刻地影響了與他同代和在他以後的科學家們, 成為以後科學研究的基本方法。在伽利略的時代, 還有壹些科學家們積極提倡實驗方法。英國的吉爾伯特(公元 1540—1605)就是其中之壹。他贊賞工匠的經驗技能, 反對盲目信仰權威。吉爾伯特對磁學進行了多方面的實驗研究, 並把他寫成的書“獻給那些在實踐中尋求知識的人”。由於吉爾伯特是個禦醫, 他曾在女皇伊麗莎白面前作過磁石實驗, 因而吉爾伯特的實驗活動和尊重科學實驗的思想, 在當時也有較大的社會影響。 科學實驗活動的興起, 近代科學方法的建立, 還有賴於哲學的引導。在科學從中古時代向近代轉變的關頭, 有兩位傑出的哲學家積極倡導近代科學方法, 並對推動科學的發展有重要作用。壹個是英國的弗蘭西斯·培根(公元 1561—1626); 壹個是法國的笛卡兒(公元 1596—1650)。兩人雖然在哲學的基本傾向上不同, 性格也各異, 但他們都是看到了新科學的未來前景的人, 並用壹種新哲學激勵人們去為新科學的發展而奮鬥。培根是壹位堅持唯物主義傳統的哲學家, 在 17 世紀的哲學家中, 他以尊重工匠傳統而著稱。他認為, 當時學術上的弊端, 壹方面是學者不和工匠的經驗接觸; 另壹方面則是工匠沒有學問, 他主張學者傳統要和工匠傳統結合起來, 從而形成“經驗和理性職能的真正的合法的婚配”。這種結合將使工匠的手藝因運用科學方法變得更有成效; 學者們則從實際經驗中獲得教益, 並提高自己的水平。在他看來, 很多科學原理蘊藏在工匠的日常操作中, 這些操作經驗是科學的可貴源泉。
培根繼承了羅吉爾·培根、達·芬奇等人的思想, 強調了實驗對科學的極端重要性, 同時重視理性的作用, 最後建立了實驗歸納法。培根認為, 要得到正確的知識必須從事實出發, 通過實驗收集大量資料, 然後進行對比分析, 排除無關因素, 找出個別事物中的普遍規律。在 《新工具》 壹書中, 他不僅闡明了歸納法的重要性,而且提供了歸納邏輯中判明因果聯系的求同法、差異法和***變法。
培根壹生並沒有作過壹次實驗, 沒有提出壹個自然科學概念,但不能因此而否定他對科學發展的貢獻。他除了對建立實驗科學方法論有貢獻外, 在科學的重要社會功能的認識上, 提出了“要征服自然, 必須服從自然”的思想。由於人對自然的科學理解和對自然的技術控制是相輔相成的, 因而培根又提出了“知識就是力量”的口號。他在烏托邦 《新大西島》 壹書中, 勾畫了建立學者們的合作團體的計劃, 強調了學者們集體合作研究的重要性。在這種思想的倡導下, 17 世紀陸續建立了壹批對後來科學發展有影響的科學組織。馬克思和恩格斯在評價他的貢獻時指出: “英國唯物主義和整個現代實驗科學的真正始祖是培根。”“按照他的學說, 感覺是完全可靠的, 是壹切知識的泉源。科學是實驗的科學, 科學就在於用理性方法去整理感性材料。歸納、分析、比較、觀察和實驗是理性方法的主要條件。”
笛卡兒則倡導科學研究中的演繹法, 強調數學方法的意義。笛卡兒是法國著名的數學家, 他把代數方程和幾何學的曲線、曲面聯系起來, 創立了解析幾何學, 使辯證法進入了數學, 並奠定了近代數學———實驗方法的基礎。他繼承了伽利略等人的思想, 認為科學與數學在本質上是同壹的。在哲學上他是近代唯理論的代表, 強調理性在整個認識過程中的作用, 主張依靠人的理性來尋求可靠的知識。他認為科學始於懷疑, 倡導理性演繹法。他認為只有從不可懷疑的或不證自明的公理出發, 嚴格按照演繹法壹步壹步地進行推理, 才能推演出可靠的知識。他在壹定程度上看到了單憑經驗不能提供關於事物的本質的知識, 但認為理性是壹切知識的泉源又是片面的。不過他並不排斥實驗, 認為實驗的功能在於確立演繹的結果與物理實驗之間的壹致性, 這又與培根的思想產生了***鳴。
笛卡爾致力於自然界觀察，並意識到只有牽涉空間的“運動”可以用數學處理。作為解析幾何的創始人，笛卡爾把數和幾何學聯系起來，從而表明空間或廣延可以用代數公式表示。“他又引入現代數學符號以及運作方式，並且用x，y等字母代表未知線段，用a，b，c等字母代表已知數量，從而大大簡化了代數問題的解決。這在數學的現代革命過程中是具有重大意義的決定性壹步，從此數學思考的重心就從幾何學的“形”轉移到代數學的“計算”上去了。由此，笛卡爾把科學的統壹性建立在研究方法——數學上，而數學的確定性就保證了知識的確定性，從而在數學角度為近代科學建立了形而上學的基礎。
培根與笛卡兒的觀點似乎是相互對立的, 其實他們是互相補充的。註重實驗經驗成為英國皇家學會和早期法國科學院的壹項宗旨。18 世紀和以後的壹些法國科學家奉行笛卡兒的原則, 在理論的創造上作出了貢獻。培根和笛卡兒都對科學的前景給予充分估計, 相信自然科學將使人類成為自然界的統治者和占有者, 並將給人類帶來更多的利益。 由於伽利略、培根、笛卡兒所倡導的科學精神的傳播, 使壹批科學家受到了感染。為促進實驗科學的發展, 壹批有影響的由科學家組成的社團, 陸續在各國建立。13 世紀以來建立的大學本來應該在發揚新科學的精神方面作出貢獻, 然而由於教會的控制, 不僅把哲學變成了神學的婢女, 大學也變成了希臘童話中的灰姑娘。在近代科學產生時, 近代科學的先驅者們完全脫離了大學。為了適應新時代的需要, 必須有新的脫離教會控制的新組織。科學社團正是在這種需要中建立起來的。
在最早建立的科學社團中, 最有影響的有佛羅倫薩的西芒托學院或稱實驗學會。這是由伽利略的兩個傑出的學生維維安尼(公元1622—1703)、托裏拆裏(公元 1608—1647)發起建立的。在正式建立之前, 已經有了壹個由貴族資助的實驗室, 配備有就當時來說很完善的科學儀器。各方面的科學家為了進行實驗和探討問題經常到這裏來聚會。西芒托學院是由這種非正式組織發展而來的。在這個實驗學會裏, 科學家們進行了許多實驗, 如關於空氣壓力的實驗,水和其液體的凝固實驗, 還對固體和液體的熱膨脹、電和磁的基本現象進行了研究。他們采用精密的實驗方法, 依觀察實驗的證據提出結論, 而不靠思辨的遐想。由於這是壹種合作研究, 彼此間可以相互批評, 為使別人接受自己的結論, 惟壹有效的辦法就是要提供實驗觀察和計算的結果。以至於後來英國的皇家學會也是這樣對思辨加以限制的。牛頓之所以厭惡科學上的思辨假說也是出於類似的原因。西芒托學院完全是由科學家自發組成的學術團體, 因缺乏支持僅活動了 10 余年便中止了。
英國的皇家學會是由培根的實驗哲學的追隨者們的壹個非正式團體發展而成的。大約從 1645 年開始, 以威爾金斯(公元 1614—1672)為首的壹批年輕科學家每周在倫敦集會。在這個自稱為“哲學學會”的組織裏, 他們進行實驗和討論科學問題, 涉及領域極其廣泛, 但其成員約定神學和政治不在他們討論的範圍之內。由於人員遷居和政治動亂, 哲學學會的活動曾中止壹個時期, 到 1660 年,倫敦的科學家們又恢復集會, 並提出建立正式的科學機構, 目的在於探索實驗知識。1662 年 7 月 15 日, 蒙英王查理二世之特許, 創立了皇家學會, 創辦時成員大約有 100 人。皇家學會壹開始就形成壹種制度, 即在學會的會議上把具體的探索任務或研究項目分配給會員個人或小組, 並要求他們及時向學會匯報研究成果。因此, 在早期的學會會議上, 都是會員作報告或演說, 演示實驗, 展覽各種稀奇的東西, 並對由此而提出的各種問題進行討論。隨著時間的推移, 逐漸又建立了各種專門委員會, 用以推進各部門的活動。各學科委員會不僅進行關於天文學、生物學、化學等基礎理論的研究,還重視各種技術原理與工藝實踐的研究, 反映了這壹時期英國科學與生產聯系的特點。1633 年由學會幹事胡克起草的學會章程中明確規定: “皇家學會的任務和宗旨是增進關於自然事物的知識和壹切有用的技藝、制造業、機械作業、引擎和用實驗從事發明。”英國皇家學會通過開展活動, 包括出版 《皇家學會哲學學報》,不僅吸引了當時英國的壹大批傑出的科學家, 激發了他們的創造活動, 在各個領域作出貢獻, 同時對各國的科學家也產生了深遠影響。幾乎與此同時, 在法國也有壹批哲學家和科學家開始進行非正式的聚會活動, 到 1666 年經法國國王路易十四特許, 成立了皇家科學院, 有 12 位科學家被委任為院士, 院士由國王發給薪俸, 研究工作也得到國王的資助。17 世紀的德國也建立了許多社團, 諸如自然研究學會、實驗研究學會等。但是真正能與英國皇家學會、法國科學院並駕齊驅的德國科學社團則是柏林學院。這所學院是由微積分的創始人之壹萊布尼茲(公元 1646—1716) 經多年規劃和不斷鼓吹的結果。雖然直到 1700 年才正式建立, 但必須將其看做是17 世紀的產物。
在科學社團的支持下, 開始出現了學術交流和傳播知識的新手段, 即科學期刊。如英國皇家學會的 《皇家學會哲學學報》, 法國科學院的 《皇家科學院史以及數學和物理的論文報告》、《外國學者論文報告集》, 柏林學院也創辦了自己的雜誌。
科學社團的建立, 促進了實驗科學的發展, 隨之也推動了科學儀器的進步。顯微鏡、望遠鏡、溫度計、氣壓計、抽氣機、擺鐘和壹些船用儀表都是在實驗活動中, 由科學家們發明的。以前的工具是由工匠們在生產實踐中創造出來的。科學工具是從實驗室裏創造出來的, 但同時它們也在人類的其他活動中加以應用。當然, 這時的科學工具相對來說,還是比較簡陋的, 但畢竟有了壹個新的開端。初期科學社團的建立, 標誌著科學活動方式的轉變, 即從科學家的個人自由研究轉向有組織的集體研究。它使科學成為壹種社會建制, 變成了壹種廣泛的社會活動。科學家們正是在這種有組織的社會活動中, 取得了傑出的科學成果。牛頓的力學體系也正是在這樣的條件下誕生的。