圖檔：生态學家亞瑟·哈斯勒（Arthur Hasler，左）因解釋銀大馬哈魚的歸巢行為而聞名。（威斯康星大學麥迪遜分校湖沼研究中心）
銀大馬哈魚（又名銀鲑魚）是一種神奇的魚類。它們原産于太平洋西北部，從淡水中孵化，然後開始向海洋遷移。當繁殖季來臨時，它們會傳回淡水區域生産，這中間間隔400英裡（644千米）。
威斯康星大學的生态學家和生物學家亞瑟·哈斯勒對銀大馬哈魚找到出生的水域的行為十分好奇。1960年，他用了一個基本的科學原則——假說——來尋找答案。
什麼是假說？假說是對自然界中觀察到的現象進行的一種試探性的、可檢驗的解釋。假說關注的範圍很小，這一點與可以涵蓋廣泛的可觀察現象并可以從不同的證據中得到結論的理論不同。而且，如果你的假說或者理論是準确的，那麼真實得出的結果就是你預測的結果。
回到 1960年的哈斯勒和銀大馬哈魚。哈斯勒一個直接的想法是銀大馬哈魚依靠眼睛定位它們的水系。為了測試這個想法，哈斯勒首先找到幾條已經回到出生水系的魚，然後遮住了一部分魚的眼睛，一部分保持不變，然後把這些魚扔到另一片遙遠的海域。如果眼睛定位的猜想是正确的，那麼那些被蒙住眼睛的魚就不會傳回原來的水域。
事情發展超出了預期。蒙住眼睛和沒有蒙住眼睛的魚都以相同的速度回到了原來的水域。（還有其他的佐證明驗證明嗅覺，而非視覺是物種歸巢行為的關鍵。）
雖然哈斯勒的蒙眼假說被證明是錯誤的，但還有其他更好的例子。今天我們來看曆史上三個最著名的實驗，以及檢驗假說所用的方法。
巴甫洛夫和他的狗（1903-1935）
假設：如果一隻狗受到條件反射（比如說流口水）的影響，那麼接受食物之前經常接受相同中性刺激（節拍器或者鈴聲）的狗會将這種刺激和進食行為聯系起來。最後，當這隻狗遇到上述的刺激時，就算沒有投喂任何食物，它也會不自覺流口水。
實驗：諾貝爾獎得主伊萬·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的名字也被認為是人類最好的朋友的代名詞。1903年，這位出生于俄羅斯的科學家開始了長達數十年的實驗，涉及到狗的各種條件反射。
将一盤食物放在饑餓的狗面前，它會流口水。在這種情況下，食物給予的刺激會自動觸發流口水的條件反射，後者是一種天生的，未經訓練的反應。
相比之下，節拍器或者鈴聲是一種中性的刺激。對于狗來說，噪音并沒有任何意義，也不會産生任何本能反應，但是看見食物會産生本能反應。
是以，每當巴甫洛夫和他的實驗助手喂食狗狗時，都會播放節拍器或者鈴聲，進而讓狗在心理上将節拍器或者鈴聲和進餐聯系起來。由于反複實驗，每當聽到聲音，哪怕沒有投喂，狗狗也會不自覺流口水。
根據傳記作家丹尼爾·菲利普·托德斯（Daniel Philip Todes）在傳記《伊萬·巴甫洛夫：俄羅斯的科學生命》（"Ivan Pavlov: A Russian Life in Science"）中的内容，巴甫洛夫的巨大革新在于他能夠通過測量每隻狗産生的唾液的數量來量化它的反應。每隻狗遇到與食物有關的刺激時，都會以一定的速率分泌口水。
巴甫洛夫和他的助手們也利用條件反射來研究其他動物生理學的假設。在一次著名的實驗中，一隻狗被測試了它分辨時間的能力。在節拍器以每分鐘60次的速度敲擊時，這隻狗可以得到食物。但在每分鐘40次的慢節奏之後，它沒有得到任何食物。結果表明：巴甫洛夫訓練的動物可以在較快的節奏而非慢的節奏下分泌唾液。很明顯，它能分辨出這兩個有節奏的節拍。
結論：有了正确的條件反射，再加上大量的耐心，你可以讓一隻饑餓的狗對中性刺激做出反應，以一種既可預測又可科學量化的方式在提示下流口水。
圖檔：巴甫洛夫證明可以讓一隻饑餓的狗在中性刺激下産生流口水的反應。HOWSTUFFWORKS
牛頓的棱鏡（1665）
假設：如果白光是可見光譜中所有顔色的混合，它們以不同的波長傳播，那麼當一束白光穿過玻璃棱鏡時，每種顔色都會以不同的角度折射。
實驗：在艾薩克·牛頓（Isaac Newton）之前，顔色是一個科學謎團。1665年的夏天，牛頓在英國劍橋的一間暗室裡面進行玻璃棱鏡的實驗。
他在一扇百葉窗上開了一個四分之一英寸（0.63厘米）的圓孔，進而可以使一束陽光進入暗室。當牛頓舉起一個棱鏡對着這條光線時，一片長方形的多色光被投射到了對面的牆上。
其中包含紅色、橘色、黃色、綠色、藍色、靛藍和紫羅蘭色的分離層。從上到下，這段光層高13.5英寸（33.65厘米），直徑僅為2.6英寸（6.6厘米）。
牛頓推斷，這些顔色隐藏在陽光中，但當棱鏡以不同的角度彎曲（或“折射”）太陽光時，這些顔色就會被分離開來。
不過，他不是百分之百地确定這一推斷。是以牛頓又做了一個小小的變動，這一次，他拿了另一塊棱鏡将這些彩虹版的光攔截，一旦折射的光進入新的棱鏡，它們會重新組合成一束圓形的白色的光束。換句話說，牛頓把一束白光分解為一束不同的顔色，然後重新組裝成白色，多麼奇妙的實驗技巧啊！
結論：陽光是彩虹中所有顔色的混合體，這些顔色可以通過光的折射進行單獨分離。
圖檔：1665年，牛頓證明陽光是彩虹中所有顔色的混合體，這些顔色可以通過光的折射分離。
潘恩的海星（1963-1969）
假設：如果捕食者限制它們獵食的物種的數量，那麼在消滅主要的捕食者之後，這個區域内的被捕食者的數量就會增多。
實驗：赭色海星（Pisaster ochraceus），又名紫色海星，這種生物的胃延展性很好，以贻貝、帽貝、藤壺、蝸牛和其他倒黴的受害者為食。在華盛頓州的一些海灘岩石（和潮汐池）上，這種海星是頂級捕食者。
羅伯特·潘恩（Robert Paine）也是因為它成為科學界的名人。作為一名生态學家，潘恩對頂級捕食者在環境中扮演的角色非常着迷。1963年6月，他在華盛頓州的尼亞灣展開了一項雄心勃勃的實驗。一年來，潘恩通過人為介入，使得這片海岸線的岩石周圍的紫色海星全部消失。
這是一項艱苦的工作，潘恩不得不經常用撬棍從岩石的各種角落撬出任性的海星，然後把它們扔到海裡。
實驗之前，潘恩在測試的區域觀察到了15種不同種類的動物和藻類生态，到1964年6月，也就是他開始清洗海星的一年後，這個數字已經下降到了8個。
紫色海星消失之後，藤壺的數量猛增，之後，加利福尼亞贻貝取代了這些藤壺，它們開始主宰整個地形。這些贻貝鋪滿了整個岩石區域，進而驅逐了其他的物種，使得岩石區域對于大多數以前的居民來說都不再适合居住：甚至連海綿、海葵和藻類，這些紫色海星不吃的物種都被大量驅逐了。
所有的這些物種在潘恩沒有影響到的另一片海岸線上繼續繁衍生息。後續實驗使他确信，紫色海星是這個生态中的重要一環，它對環境的影響很大。去掉這個物種之後，整個系統都會變得混亂。
結論：頂級捕食者不僅影響它們捕獵的動物。消滅頂級捕食者會引發連鎖反應，從根本上改變整個生态系統。
圖檔：生态學家羅伯特·潘恩從岩石區域移除所有海星之後，他預計贻貝、藤壺和倭奴的數量會增加，他錯了。JERRY KIRKHART/FLICKR (CC BY 2.0)
最後，有趣的是什麼？
與普遍的觀點相反，巴普洛夫在他的實驗中幾乎從未用過鈴铛，他更偏向于用節拍器、蜂鳴器、小風琴和電擊。
作者：Mark Mancini
翻譯：Nuor
審校：C&C
原文連結：
https://science.howstuffworks.com/innovation/scientific-experiments/hypothesis.htm
翻譯内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
編輯：zhenni