中国科学史研究中的模拟实验方法探析，本文主要内容关键词为：探析论文,中国论文,史研究论文,科学论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N09 文献标识码：A 文章编号：1008-7095(2009)020-0042-07
随着科学史研究的深入，各种新方法不断涌现，模拟实验就是其中一个典型代表。当学者对古代文献记录的释读产生歧义时，模拟实验能够在一定程度上检验文献纪录并提供参考信息，起到以今证古的作用，是很好的辅助研究手段。正因为如此，自上世纪七八十年代以来，模拟实验方法在当代中国科学史研究中得到了越来越广泛的应用。但学者们往往只是在自己的研究中简单地运用这种方法，很少从理论角度对之进行探讨。即使有个别针对该方法的研究，也仅限于个案介绍的范围，对这种重要的科学史研究方法的历史流变、模式分类、功能分析、应用效果及弊端等从理论上加以探讨的尚付阙如。笔者不敏，对此做些拾遗补阙的工作，不当之处，祈望识者指正。
一、模拟实验方法的应用历史
利用模拟实验方法研究古代科学史并非当代学者首创，我国清代学者郑复光即曾成功地运用这种方法解决了中国古代科学史上著名的“以冰取火”记载是否可信的问题。成书于西汉的《淮南万毕术》中有以冰取火的记载，原文为：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”该记载在古代颇为常见，西晋张华《博物志》中就有类似记载，后世有不少学者也一再提及此事，这表明古人对以冰取火的事情颇为认真。但冰火性质相反，以冰究竟能否取火？如何才能实现以冰取火？单凭文献记载难以对之作出判断，由此导致该问题成为一个千古疑问。到了清代，郑复光用模拟实验的方法解决了这一问题。在其著作《费隐与知录》中，他详细纪录了其实验的整个过程：
“《博物志》云，削冰令圆，向日，以艾承景则有火，何理？”曰：“余初亦有是疑。后乃试而得之。盖冰之明澈，不减水晶，而取火之理，在乎镜凸。嘉庆己卯，余寓东淘，时冰甚厚，削而试之，甚难得圆。或凸而不光平，俱不能收光。因思得一法：取锡壶底微凹者，贮热水旋而熨之，遂光明如镜，火煤试之而验。但须日光盛，冰明莹形大而凸稍浅（经约三寸，外限须约二尺），又须靠稳不摇方得，且稍缓耳。盖火生于日之热，虽不系镜质，然冰有寒气，能减日热，故须凸浅径大，使寒气远而力足焉。”[1]33
从其实验目的来看，郑复光确实是要用模拟实验手段来解决这一问题。对于古籍中以冰取火的记载，他“初亦有是疑”，“后乃试而得之”。而当实验遇到障碍，无法得到文献中“削冰令圆”的效果时，他“思得一法”，用锡壶盛热水熨烫冰块，制成冰透镜，最终完成了实验，证实古人“以冰取火”的记载是可信的。郑复光进行模拟实验的时间是嘉庆己卯年即公元1819年。由此看来，用模拟实验来验证古籍记载的做法在当时即已存在。
当代科学史学者也充分认识到了模拟实验方法的重要性，王振铎在复原古代司南时，就曾在文献考辨的基础上，采用了模拟实验的方法来证实他的推论[2]。新中国成立后，模拟实验方法在科学史研究中得到了更为广泛的应用。就模拟实验方法在当代中国科学史研究中应用的数量来看，中国科学技术大学科技史学科在我国科学史各研究单位中对这一方法应用较广。上世纪80年代初，李志超就在对沈括浮漏的研究中利用模拟实验方法有力地证明了我国古代时间计量的高度精确性。之后孙毅霖、张秉伦在关于古代秋石方中是否含有性激素的研究中的模拟实验也为解决这一争议不休的问题提供了重要参考。除此之外，张秉伦、刘云完成的泥活字印刷的模拟实验也是科大科技史研究者应用模拟实验方法的成功范例[3]。中国科技大学该学科的负责人胡化凯对该学科利用模拟实验方法进行研究的效果曾经有过如下评价：
该学科点对一些仅凭历史文献难以解决的重要学术问题，运用模拟实验手段和现代检测技术对之进行分析验证，取得了一批重要的研究成果。如：“泥活字印刷模拟实验研究”，否定了国内外学者关于泥活字不能印刷的猜测；“中国古代漏刻计时技术精度模拟实验研究”，证实了中国古代时间计量的高度精确性。……“饾版印刷工艺模拟实验研究”，再现了我国传统雕版彩印最高水平的饾版印刷工艺；“传统加工纸制作工艺调查和模拟实验研究”，恢复了一系列重要的古代加工纸制作工艺，其中有些研究成果已被厂家开发生产。[4]
中国古代科学史研究中的模拟实验并不仅限于实验室内的实验，模拟古代条件进行的观测也属于模拟实验的范畴。1981年中国科学院自然科学史研究所组织肉眼观测木卫三的活动就是这一类型模拟实验的典型代表。1980年，席泽宗通过对古文献的辨析，提出中国战国时期的天文学家甘德在公元前364年夏天用肉眼观察到了“木卫三”[5]，这比之前学界认为木卫三被发现的时间要早了近2000年。但这一说法是否成立，缺乏旁证，因为伽利略发现“木卫三”，使用了望远镜，而肉眼能否观测到“木卫三”，人们对之存在疑虑。为了验证肉眼观测木卫三的可能，1981年3月9日～11日，中国科学院自然科学史研究所组织了10名人员到位于河北省兴隆县山区的北京天文台兴隆观察站进行肉眼观测[6]。整个观测过程中先后有8人看到了木卫，其中1人看到3颗木卫，3人看到2颗木卫。后来，中科院北京天文台杨正宗、蒋世仰、郝象梁又使用照相方法来模拟人眼观测木卫的实验结果[7]，这些模拟实验的结果表明，在良好的条件下，甘德用肉眼发现木卫三是可能的，从而有力地证实了席泽宗的观点。
与此相类似的是薄树人组织的古代日食观测模拟实验[8]和陕西天文台在新疆对于“天再旦”现象的模拟观测[9]，前者在一定程度上证实了中国古代日食观测方法的有效性，后者则辅助证明了发生在公元前899年4月21日的日食是“懿王元年天再旦于郑”记录的合理解释。
另外值得注意的是模拟实验方法在冶金史研究中的应用。作为科学史研究的一个分支，冶金史研究因其对象的特殊性而对研究方法有着不同的要求。冶金史研究往往是对古人技术水平或冶炼方法展开研究，要求技术性高，可靠性强，而古代相关记载对这些内容往往失之阙如，这使得当代研究者难以通过对文献的辨析了解古代所达到的技术水平。鉴于这些原因，近年来模拟实验方法在冶金史研究中得到了较为广泛的应用。何堂坤的古青铜热处理模拟试验研究证实了我国古代青铜镜存在热处理工艺[10]；卢本珊的商周选矿技术及其模拟实验证明早在两千九百年前溜槽选矿法在我国的应用已臻于成熟并达到较高水平[11]；朱寅华、周建勋等在对中国古代铸钱工艺进行研究时作了造型工艺的复原试验，探讨了母钱法的工艺细节及其铸型属性[12]；李迎华、董亚巍、周卫荣、王昌燧的汉代铜范铸钱工艺模拟实验证实了铜范铸钱的可行性，并对有关工艺的发展作了探讨[13]；王楚栋、董亚巍、王金华、周卫荣、李秀辉的中国古代石范铸钱模拟试验研究证明用石范直接铸钱是完全可行的[14]；戴志强、周卫荣、施继龙、董亚巍、王昌燧的萧梁钱币铸造工艺与模拟实验则验证了萧梁公式女钱的制范和浇铸工艺[15]。这些，都是冶金史研究成功运用模拟实验方法的范例。
二、证实性模拟实验
笔者认为，从实验结果达到的效果来看，模拟实验可以分为两类：证实性模拟实验和证伪性模拟实验。在中国古代科学史研究中，这两类模拟实验研究方法都发挥了重要作用。相对于证伪性模拟实验，证实性模拟实验在科学史研究中出现的次数更多。中国科学技术大学的李志超及华同旭关于中国漏刻的研究成功证实了中国古代时间计量的高度精确性，这一研究是证实性模拟实验的成功例证。
当代中国科学史学者中，李志超是在研究中实际应用模拟实验方法较早的一位。在对沈括浮漏的研究中，李志超利用模拟实验方法有力地证明了历史纪录的可信性。这一研究起源于他对沈括的探讨，在《梦溪笔谈》一书中，沈括曾经有过如下记载：
古今言刻漏者数十家，悉皆疏谬。历家言晷漏者，自《颛帝历》至今，见于世谓之大历者，凡二十五家，其步漏之术，皆未合天度。余占天候景，以至验于仪象，考数下漏，凡十余年，方粗见真数，成书四卷，谓之《熙宁晷漏》，皆非袭蹈前人之迹。其间二事尤微：一者，下漏家常患冬月水涩，夏月水利，以为水性如此，又疑冰澌所壅，万方理之，终不应法。余以理求之，冬至日行速，天运已期，而日已过（按：当为“未至”）表，故百刻而有余；夏至日行迟，天运未期，而日已至表，故不及百刻。既得此数，然后覆求晷景漏刻，莫不脗合。此古人之所未知也。[16]39-40
引文中括号内的文字，是据文意所做的校改[17]72-73。沈括在这里明确指出，在不同的季节，百刻有余有不足，即一年中昼夜的长度有变化。我们知道，昼夜长度是太阳连续两次上中天的时间间隔，是地球自转的反映，这就是说，沈括用自己的漏刻测得了地球自转的不均匀性。现代科学对于地球自转不均匀性的认定要到20世纪。沈括没有地球自转的概念，但他发现了一日之内百刻有余有不足的现象，要得到这一结论需要有很高精度的计时器才行，沈括是通过漏刻计时得到这一结论的，这说明当时我国漏刻的计时精度已经达到了相当高的水平。
但是，漏刻这种貌似原始的计时装置居然能达到如此之高的精度，这难免让人生疑。正因为如此，对于沈括的漏刻究竟能否达到发现地球自转不均匀性的高精度，学界一直存在争议。这一争议不可能通过文献研究得到解决。1978年，李志超开始采用模拟实验方法来解决这一问题。他在对沈括《浮漏仪》做了细致的考释工作的基础上，按照沈括记载的尺寸，制作了漏壶，并于1979年底在中国科学技术大学进行了沈括浮漏的模拟实验。实验结果显示，“一昼夜计时在7℃和14℃分别为：标准误差11秒、12秒；相对误差0.013%、0.014%。”在此之前，人们并未想到沈括的漏刻能够达到如此之高的精度，这有力地证明了沈括的记载是可信的。由此，李志超提出，“沈括在《梦溪笔谈》中所说‘冬至日行速，夏至日行迟’的命题完全可以用他的时计来进行检验。”“在惠更斯(1629～1695)发明摆钟以前，中国的刻漏时计是世界上最精密的时计。”[18]3321980年3月成都天文学史交流会上，李志超提交了《刻漏精度的实验研究》一文，公布了这一重要发现，并于此后将其发表于《中国科学技术大学学报》1982年6月增刊上。
同时，沈括还提到，“下漏家常患冬月水涩，夏月水利，以为水性如此。”即温度变化会影响到水的性质的变化，温度低时水变得粘滞，使得冬天漏刻流量变小；温度高时水变得滑利，使得夏天漏刻流量变大。水的这种本性造成了漏刻的不稳定。对于这种现象，下漏家们“万方理之，终不应法。”沈括讲的，实际上是水的粘滞系数随温度的变化而改变的问题，李志超在模拟实验中，重点关注了这一问题，结果取得了超越常理的新发现：在一定的范围内，漏刻流量不受温度变化的影响。李志超分析了该现象产生的原因，认为，“影响刻漏精度的因素不仅是流管中的粘滞性，还有其它因素，其作用可以互相补偿”，“漫流壶中表面张力随温度变化可以调节水压，从而补偿了粘滞性对流量的影响”。李志超发现的水的粘滞系数和其表面张力所具有的互补作用对漏刻的稳定运行具有重要作用的现象，在此前的科学史研究中从未有人提及。在此之后，李志超的博士生华同旭又进行了大量古代漏刻模拟实验并以之为基础对中国漏刻进行了深入系统的研究，证实了中国古代时间计量的高度精确性。
当科学史研究者就同一问题产生分歧而这些分歧又难以通过对文献的释读加以解决时，一个比较好的做法是使研究者在与古人类似的工作环境和条件下通过重复古人研究过程进行实验分析，得到最接近历史事实的研究结果，这就是模拟实验方法的思想基础。运用这种方法，只要实验是在严格地模拟古代的条件下进行的，其结果如果是肯定的，就可以起到很强的证史作用。我们把这类模拟实验称为证实性模拟实验。中国当代科学史研究中的绝大多数模拟实验都是证实性模拟实验，李志超和华同旭对于中国漏刻的研究很好地体现了证实性模拟实验的特点。
三、证伪性模拟实验
模拟实验的结果并非都是肯定的，也有一些模拟实验的结果不支持古籍的记载或当代研究者所提出的一些观点，对之起到了否定作用。我们把这类模拟实验称作证伪性模拟实验。当科学史研究者对古代科技成果的研究产生歧义时，证伪性模拟实验同样有助于人们对之作出科学的判断。中国科学技术大学的孙毅霖、张秉伦关于秋石方的研究就是证伪性模拟实验的典型代表。
秋石方的问题最早是由李约瑟和鲁桂珍提出的。1963年，李约瑟和鲁桂珍在《自然》杂志发表文章称：“我们从一本药草全集（即《本草纲目》）中偶然发现，在10～16世纪之间，中国古代医学化学家以中医传统理论为指导，从大量人尿中成功制备了较为纯净的雄性激素和雌性激素混合制剂（秋石方），并利用它们治疗性功能衰弱者。”[19]此后，李、鲁又先后发表多篇论文阐述秋石方为性激素的观点。这是一个石破天惊的观点，因为在欧洲，性激素的发现和制备是20世纪的事情，如果李、鲁之说成立，那就意味着中国人比欧洲人早1000年就已经制备出性激素了。正因为如此，该观点问世之后，在科学史界引起了较为广泛的争论。以台湾大学刘广定为代表的一些学者不同意李、鲁的判断，认为秋石方并非性激素[20]。1988年，孙毅霖和张秉伦提出，既然从理论角度分析秋石方问题会得出两种相反的结论，那就需要利用模拟实验方法对之做进一步研究，以帮助学者进行科学的判断。
为了严格按照古人记载进行实验，孙毅霖和张秉伦选择了沈括提炼秋石的地点宣城作为进行模拟实验的场所。他们根据沈括《苏沈良方》和明代药学家陈嘉谟《重刊增补图象本草蒙荃》的记载，对秋石方三种典型提炼法“阳炼法”、“阴炼法”及“石膏提炼法”进行了模拟实验。获得实验样品后，他们又借助中国科学技术大学结构成分分析中心的设备对之进行了科学检测及分析。物理检测及化学检测的结果均表明三种方法得到的实验样品都是以无机盐为主的混合物，不含甾体性激素成分。也就是说，三种提炼法所得到的秋石都不是李约瑟和鲁桂珍所认为的性激素。因此，孙毅霖、张秉伦在论文中指出，“中国古代炼丹方士和医药化学家制备的秋石方不是甾体性激素制剂，而仅仅是与人中白具有类似功能的、以无机盐为主要成分的药物。”[21]
后来，张秉伦、高志强、叶青又对古籍中记载的另五种秋石方制备方法（颐氏秋冰法、刘氏秋石法、秋石还原丹、阳炼法、乳炼法）进行了模拟实验考察。对实验得到的产物进行物理化学检测的结果表明，这些“秋石”都不是“较为纯净的雄性激素和雌性激素混合制剂”，而是一些无机盐，或含有少量其他非性激素类的有机物。[22]这就是说，针对古籍中所有秋石方制备方法所进行的模拟实验的结果，对于李约瑟和鲁桂珍的观点而言，都是否定性的。从模拟实验的角度来说，中国古人依据秋石方制备出来的产物中不含有性激素。
作为证伪性模拟实验的典型案例，秋石方模拟实验系列研究为国际科学史界提供了这一多年来争论不休问题的实验结果，对问题的解决提供了可靠的参考。
四、模拟实验方法的有效性及理论意义
模拟实验方法是解决古代科学史研究中争议问题的重要辅助手段，这是科学史界的共识。科学史研究的任务之一是客观评价古人科技实践活动所达到的效果，要做到这一点，一般是通过对古文献的解读而得以实现的。但古代科学不像现代科学一样有一套严格的规范。古人记载其科技活动，随意性很强，有些具体技术细节未必都记载了下来，这就使得现代人在解读这些文献时，难以判断其所达到的具体效果。科技史上出现的许多争论，大都是由于这样的原因造成的。在这种情况下，通过严格仿古条件下的实验，可以有效地弥补古人记载中缺失的中间环节，用实验的结果帮助研究者作出正确的判断。因此模拟实验是以今证古的有效途径，中国科学史研究的大量实践，已经有力地证明了这一点。
但是，对模拟实验方法本身也要有客观的分析，对实验结果的可信度要有理性的判断，要把对实验结果的分析与对古文献的解读结合起来，以获得尽可能接近客观真实的结论。
首先，对于证伪性模拟实验的有效性，要持谨慎态度。模拟实验的结果为伪，不能保证古人的科技实践结果亦为伪，这是模拟实验本身的性质所决定的。
模拟实验是以古代文献为基础进行的科学史研究，然而，古代文献提供给现代研究者的却往往是并不完备的信息。当能够得到的信息同要进行模拟实验必须获得的信息有所不同时，要想完成模拟实验，研究者势必要自己构建一些模拟实验的细节乃至架构。类似的构建往往会导致研究者无法保证进行的模拟实验同古人所完成的实验是一致的。这样的情况下，实验结果同古人研究结果的一致性自然也无从保证了。我们还应注意到的是，即使获得了足够多的信息，研究者仍然无法保证所做的模拟实验同古人所完成的实验能够完全一致。在中国古代文献中，水运仪象台留下的文献堪称最为丰富详细，尽管如此，后代研究者多次试图复原却并未获得成功。从这一角度来看，模拟实验研究是与复原研究相类似的。历史真相是否存在尚是学者争论的话题，后人实施的模拟实验又怎么能保证是对历史真实的还原呢？
例如，对于张秉伦等所做的关于秋石方的证伪性模拟实验系列研究，鲁桂珍就认为：“有关模拟实验可能存在问题，例如实验的条件、方法等，一个环节的疏漏就可能导致整个模拟实验的失败。而且古书上提到的炼制法也并没有全部尝试过。在这样的情况下，不宜过早下否定结论。”[23]628尽管这一看法并不代表学界对这一问题的主流意见，但仍然值得科学史研究者深思。
在证伪性模拟实验情况下，研究者为使自己的结论更接近历史真实，就需要想方设法尽可能穷尽各种可能的情况。即以秋石方研究为例，孙毅霖和张秉伦在完成了对秋石方三种典型提炼法“阳炼法”、“阴炼法”及“石膏提炼法”的模拟实验之后，为了使自己的结论更加可信，又花了几年的时间，对古籍中记载的各种秋石方制法逐一做了模拟实验，实验结果无一阳性。但研究者并未就此截止，而是进一步结合现代科学理论及当时中国社会实际，对古文献的记载作了详尽而深入的分析。理论分析和实验结果是一致的，都不赞成用秋石方可以制备出性激素的说法。正是在这样的努力之下，他们的工作才得到科学史界主流意见的肯定。
证实性模拟实验也存在同样的问题。证实性模拟实验从理论上说可信度更大。只要研究者严格按照古代技术、材料、条件实施自己的模拟实验，只要实验结果是肯定的，就提供了一种理论上的可能性：如果古人的实验也是如此进行的，他们的结果也毫无疑问是肯定的。但由于各种原因，实验者对古代文献的理解有时会有误解，按照误解时的方案设计的模拟实验，尽管得到了肯定性的结论，也不排除是一种伪证实的可能。这种伪证实在对候风地动仪的研究、对司南的研究中屡见不鲜。这一点，必须引起科学史工作者足够的注意。
尽管存在各种不足，模拟实验仍然是对科学史有益的研究方法之一。它不但可以起到以今证古的作用，对科学史研究来说，也还有一些别的潜在意义。例如，证伪性模拟实验就具有“挑战权威”的意义。袁媛在其论文《挑战权威：用模拟实验检验古代科技成就——从有关秋石方的学术之争谈起》曾经提到过这一现象[24]。在秋石方的争论中，当李约瑟发表观点时，他的身份和话语权决定了他的观点是以权威的形态出现的。后来的研究者如果有了新的发现，如何挑战权威乃至挑战其话语权就成为研究者的观点能否得到同行承认的重要前提。在此种情况下，后来的研究者最好通过采用科学方法的途径来达到挑战权威的目的。在现代科学评价体系中，通过科学方法得到的研究成果比某位科学家的个人判断显得更为权威。证伪性模拟实验无疑就是这样的一种现代科学研究方法。由此可见，尽管有时无法完全达到否证的目的，但证伪性模拟实验的方法仍然有助于科学史研究者打开思路，实施创新，这对中国古代科学史的研究工作不无裨益。
模拟实验对于科学史研究的另一个意义在于研究者实施模拟实验的过程中，往往会有超越古人记载的新发现。当模拟实验的实际进程、数据乃至结果同操作者事先的设想有所不同时，操作者势必要探讨个中缘由，类似情况下往往会有新的研究成果出现。以李志超研究沈括浮漏的模拟实验为例，在实验中，李志超发现温度变化引起水的粘度变化对玉权流量的影响同此前的估计值大小相同但方向相反。由此李志超提出“影响刻漏精度的因素不仅是流管中的粘滞性，还有其它因素，其作用可以互相补偿”，“漫流壶中表面张力随温度变化可以调节水压，从而补偿了粘滞性对流量的影响”等观点，由此解决了一直困扰学者的水的粘滞系数随温度的变化而改变这一影响漏刻精度的问题。
任何一种研究方法都不可能是十全十美的，模拟实验方法也不例外。但无论如何，这一方法的出现，是科学史研究的一个重大突破，它为长期以来众说纷纭的一些科技史难题的解决提供了新的方法。它的出现，推进和丰富了中国科学史研究的实践。
收稿日期：2008-10-06