這一章開始前，咱們先來做一個小測驗。噢，別擔心，不是考你前幾章所學的內容。問題其實很簡單，是有關現實世界中常見的物體運動方面的知識，問題只有三個。
首先，你需要一張紙。想像如下場景：一個人拿著一根細繩在他的頭頂上繞圈，繩子的另一端系著一個球。畫一個圓來代表從上方俯瞰這個球的運動軌跡。在這個圈的一處畫一個點，然後用一條線把這個點和此圓的圓心連接起來。這條線就代表那根細繩，那個點就代表特定時刻的球。想像在某一旋轉瞬間，細繩斷了。你的第一項任務是用筆畫出這個球飛出後的運行軌跡。
第二個問題，假設你是一個轟炸機的飛行員，現在正以每小時500英里的速度在20000英尺 的高空飛向目標，為了簡單起見，假設沒有空氣阻力。問題是：什麼地方是投擲炸彈的最佳位置，是在到達目標地點之前，還是目標的正上方，或者是在你經過目標之後？無論你選擇的是目標之前、目標正上方，還是飛越了目標之後，都請你指出投放點與目標的具體距離。
最後，想像你正拿著一把來複槍從肩膀高度開火，假設沒有空氣阻力，且步槍與地面是平行的。如果子彈從與槍相同的高度落地需要1.5秒鐘的時間，那麼假設你現在由槍管中射出一發子彈，初速度是每秒2000英尺 ，那麼子彈落地需要多長時間？
答案——對了，還有答案這檔子事兒。答案會在本章的後面揭曉。但在此之前，為了便於理解掌握這些運動方面的知識與心理學有什麼關係，我們需要先探入地探討實驗邏輯的本質，這些實驗邏輯經常被科學家們所使用。在本章，我們將要討論實驗控制和操縱的一些原理。
在前一章我們講到，約瑟夫·戈德伯格對糙皮病的研究，一定程度上是受「糙皮病是不會傳染的」這種預感的指引。但是比戈德伯格早70年，約翰·斯諾（John Snow）在對霍亂起因的研究過程中，則將病因放在相反的猜想上，但同樣獲得了成功（Goldstein & Goldstein, 1987; Tufte, 1977）。早在19世紀50年代的倫敦，人們對不斷暴發的霍亂提出了許多理論，並且彼此爭論不休。很多醫生認為霍亂病人呼出的氣體會將此疾病傳染給別人，此理論被稱為「穢氣理論」。但是，斯諾卻提出，該疾病是通過被病人排泄物污染的供水系統傳播出去的。
斯諾開始著手驗證他的理論。幸運的是，當時倫敦有許多不同的供水源，每個供水源給不同的地區供水，所以不同供水系統受感染的程度不同，霍亂的發生率應該因供水源受污染程度的不同而存在差別。但是斯諾發現，這種比較會出現嚴重的選擇性偏差（請回想一下第5章的討論）。在倫敦，不同地區的貧富差距非常大，因此，供水系統和各地區患病率之間的任何相關都會受到其他能夠影響健康的、與該地區的經濟發展水平相關的變數的影響，如飲食、壓力、工作危機或生活質量。簡而言之，獲得虛假相關的可能性很大，這和第5章所討論的糙皮病和污水的關係類似。但是斯諾非常機敏地注意到了一種已經出現過的特殊條件，並利用這一點解決了問題。
在倫敦的一個市區，碰巧有兩家自來水公司對同一個社區供水，但從供水布局上來說是雜亂無章、毫無規劃的。在某條街道上，一部分住宅是由其中一家自來水公司供水，一部分是由另外一家自來水公司負責供水，這種情況發生的原因是由於最初兩家公司存在競爭。甚至有這樣的情況，一棟房子由一家公司供水，而與它毗鄰的房子卻是由另一家公司供水。因此斯諾找到了幾個由兩家公司分別供水的家庭，並且這些家庭的社會經濟地位基本相同，或至少是非常接近的。如果兩家自來水公司都受到污染，那麼這種選擇仍舊是沒有任何意義的，因為這樣斯諾就不能發現水污染與霍亂的發病率有什麼關係了。所幸的是，這種情況並沒有發生，這兩家公司的水並未同時受到污染。
在一波霍亂流行過後，蘭姆博斯（Lambeth）公司為了避免水污染，將公司遷到泰晤士河的上游，而南沃克-沃克斯霍爾（SouthwarkScVauxhall）公司卻仍然固守在下游。因此，蘭姆博斯公司的水系統受污染的可能性比南沃克-沃克斯霍爾公司要小得多。斯諾通過化學檢驗也證明了這一點。剩下的工作就是統計由兩家不同公司供水的家庭的霍亂髮病率：蘭姆博斯公司供水的每10000個家庭里有37人死亡，南沃克-沃克斯霍爾公司供水的每10000個家庭里有315人死亡。
在這一章我們要討論的是，斯諾和戈德伯格的故事是如何體現科學思維的邏輯性的。如果不能理解這種邏輯性，科學家們的所作所為看上去就會顯得很神秘、怪異或是荒唐透頂。
儘管市面上關於科學方法論的書已經汗牛充棟，但是對於從未做過實驗的外行人士來說，這些書可能都如同浮雲一般，因為外行人只想知道一個大概，並不想搞清楚實驗設計的所有複雜細節。科學思維最重要的特點很容易掌握，那就是科學思維所基於的理念是比較、控制和操縱。要想獲得對一個現象更為深入的了解，科學家就要比較世界上存在的各種情況。沒有這種比較，我們所觀察到的都是一些孤立的事件，並且對這些孤立的觀察結果也解釋不清，就像我們第4章所討論的見證敘述和個案研究一樣。
科學家通過比較在不同條件下得到的結果，可以排除一些錯誤的解釋，並證實正確的解釋。通過比較，科學家可以排除許多先前被當作既定答案的理論。也就是說，他們試圖在一個實驗設計中儘可能多地排除錯誤解釋。他們這麼做的途徑無外乎兩種：要麼是在實驗條件下直接進行控制；要麼在自然情境下觀察，以便比較各種可能的解釋。
後一種情形在霍亂這個例子中得到了很好的詮釋。斯諾並不是簡單地隨意選擇兩家自來水公司，他清楚自來水公司可能給不同地區供水，並且這些地區的社會經濟水平會有很大差異，這種社會經濟水平的差異很有可能會影晌人們的健康水平。僅僅觀察不同地區霍亂的發病率，難以避免「同時存在許多不同解釋」的問題。斯諾清楚地知道，科學的不斷發展需要盡量減少對一個問題的各種不同解釋（請回想一下第2章所討論的可證偽性），因此他不斷尋找並且最終找到一種比較方式，此方式可以排除一大堆解釋，這類解釋都是與健康有關的社會經濟地位方面的因素。
斯諾幸運地找到了一種自然情境，這種情境使得他能夠排除其他的可能性。這種在自然情況下產生的「比較」條件並不多見。讓科學家坐在那裡等待這類情況發生是十分荒謬的。事實上正相反，很多科學家都試圖以一種區分各種不同假設的方式來重構世界。為實現這一目的，他們必須操縱被認為是誘因的變數（在斯諾的實驗里是被污染的供水系統），然後在保持其他所有相關變數不變的情況下，觀察是否會有不同的結果（霍亂的發病率）。被操縱的變數稱為自變數，隨著自變數變化而變化的變數稱為因變數。
因此，一個好的實驗設計應該是這樣的：科學家能夠操縱他感興趣的變數，並對其他可能影響實驗的無關變數進行控制。需要注意的是，斯諾並沒有這麼做。他不可能操縱供水系統的污染程度，但是他找到了這樣一種條件，即供水系統受污染的程度是不同的，並且與社會經濟水平有關的其他變數僥倖得到了控制。可是這種自然發生的情境不僅很少見，而且也不如直接的實驗操縱那麼有說服力。
約瑟夫·戈德伯格就是直接操縱變數，他假設這個變數就是引起某種特別現象的原因。戈德伯格不僅對與糙皮病相關的變數進行觀察和記錄，他還在一系列研究中直接操縱了其他兩個變數。回想一下，他安排了低蛋白飲食的囚犯組來誘發糙皮病，同時安排吞食糙皮病患者排泄物的志願者，其中還包括他妻子和他自己。因此，戈德伯格不僅觀察了自然發生的情境，還創設了特殊條件組，從而排除一系列其他可能性並獲得實驗結果，這種推論要比斯諾的方法更具說服力。這也正是為什麼科學家要試圖操縱一個變數並保持其他所有的變數不變的原因：為了排除其他的可能性。
我們這裡並不是說斯諾的方法毫無可取之處。但科學家們的確願意更為直接地操縱實驗變數，因為直接操縱變數能夠產生更具說服力的推論。細想斯諾的兩組被試：一組由蘭姆博斯公司供水，另一組由南沃克-沃克斯霍爾公司供水。由於處在同一個地區，可能保證了兩組被試的社會地位幾乎相同。但是類似斯諾這類實驗設計的缺陷是：它是由被試決定自己屬於哪一個組的。因為他們早在幾年前已與兩家自來水公司簽訂了供水合同。我們還必須考慮為什麼一些人與這家公司簽約，而另外一些人與那家公司簽約。是不是一家公司比另外一家公司的口碑好？是由於這家的價錢比較便宜，還是廣告說這家的水有很好的藥用價值？我們不得而知。關鍵的問題是：這些人選擇其中一家公司是不是因為該公司做廣告