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为了了解天性和教养在科学成就上产生的作用，高尔顿发明了另一个新的研究工具：自我问卷。他设计了一套问卷，让被调查者回答有关民族、宗教、社会和政治背景、性格特征和甚至头发颜色及帽子大小的问题，再将问卷分发给皇家协会的200名会员。其中的一些关键问题有：“您的科学品位看上去有多少像是天生的？对科学的这些兴趣很大程度上是在成人之后因为某些事而产生的吗？如果是，是哪些事件呢？”
尽管问卷长得“惊人”——高尔顿自己无奈的用语——但大部分受试者都完成并寄回了问卷。（这是历史上第一份此类问卷；今天的研究者们也许不会遇到这样积极的配合。）高尔顿将反馈列入表中后发现，大部分人相信他们对科学的兴趣是天生的；另一方面，大部分反馈者在教育对他们的帮助或者阻碍这个话题上有很多要说。高尔顿感觉到非得承认环境因素不可，特别是教育，它可以加强或者阻碍科学资质的发展，科学资质的遗传并不一定就会引向成功。可是，他认为，遗传资质是科学成就中最为基本的因素，这一点已经显示出来。
过了很长一段时间以后，由于研究方法在不断发展，人们会发现，高尔顿的问卷和他对数据的分析都有严重的错误。一方面，其中许多问题，特别是有关受试者成功因素的问题，只会得出非常主观的答案。另一方面，高尔顿没有把问卷交给一些不那么出名的科学家和非科学家们来做；第三方面，他没有办法（虽然后来他又发明了一个）用数学办法来衡量任何两个因素之间的关系，因而就无法评判到底是偶然还是重要的因素。不过，高尔顿使用的问卷和数据分析法都是具有极重要意义的发明，并且，从此之后就成了心理学研究当中重要的工具。
在接下来的10年中，已届中年的高尔顿工作更加勤奋，他致力于个人之间的心理学差异的研究。1883年，他发表了一个杂篇，书名是《人类才能及其发展探索》，里面讨论到了约3O个不同的课题，这是科学与思辩、数据和猜想、统计与传闻的奇妙结合。其中一些本来是要传达科学的意义，结果却变成了一位维多利亚时代男子的偏见集。比如，在论“性格”这章里，高尔顿在没有任何证据的情况下提出妄断说：“在妇女的性格中，有一个十分明显的特别之处，那就是，她们反复无常，喜欢忸怩作态，不像男人那么直截了当。”他在进化论基础上证明这个观点：在追求配偶时，如果没有雌性的犹豫和雄性的竞争，“种族可能会因为没有性选择而降低水平，而做爱前拖泥带水的前戏正好就是要提供性选择机会的”。
可是，《人类才能及其发展》中有很大一部分是极有创见的科学研究成果。有一种是要解决唤取心理图象的能力的。高尔顿发现，许多非科学家都以非常鲜明的心理图象思考问题，而许多科学家都是以纯粹抽象的用语来思考的，而他推想，唤取鲜明心理图象的能力会妨碍以高度概括和抽象的形式思考问题。在另一份研究中，他报告了他发明的词汇联想测试；他设计了一个由75个刺激用的单词构成的单词表，让自己一个一个地看这些单词，把自己想到的两个或者三个联想单词写在旁边。他所学的大部分单词都不是什么了不起的，比如，重复测试时，他会得到同样的联想词。可是，他观察到，许多联想单词是从他自己的经验中得来的，而别人是不太可能跟他产生同样的联想的，这个发现有极重要的价值。结果，词汇联想测试成了研究个体间性格特征差异的主要手段。
另一项值得注意的研究是高尔顿的另一个发明。在苦苦思索如何演示天性和教养对意识和性格的影响这个问题时，他想到了一绝妙的主意：检查“两个儿时极相像，但后来分开养；或者原来不太像，后来却一起养大的双胞胎后来的情况。”他知道，双胞胎有两种：有些属于在生理上几乎一模一样的，另一些与普通兄弟姐妹之间的相似性差不多。如果两个双胞胎原来很相像，可后来却又不太相像，这可能是后天的教养使然；如果两个原来不怎么相像，后来却一起同样哺育，因而长得很相像，则很可能是天性使然。
这是个非常了不起的假设，不过，高尔顿证明它的方法却很粗浅。他给认识的双胞胎或者他们的亲戚寄去问卷；他还请他们把其他一些双胞胎的名字告诉他。最终，他找到了94个例子，其中80个“极相像”（也许一模一样），35个提供了足够派上用场的细节。
他对双胞胎的研究报告在很大程度上是由逸闻趣事构成的；报告讲到了一些跟人开玩笑的双胞胎，或者，由于校长分不清哪一个应该受处罚而同时处罚两个人，还讲到有时候弟弟会去追哥哥的女朋友，等等。可是，当高尔顿对档案材料进行分类，希望找到后来性格不一样的双胞胎，他发现，对某些人来说，“肉体和意识的相像到老一直不变，不管生活的环境如何不同”。其他人没有显示出差异，而在每种情况下，这都是因为一种疾病或者事故只影响到了其中的一个。对照而言，儿童时期不相像的双胞胎（可能是兄弟），哪怕是在一起以一样的方法哺养，可在许多年里仍然不相像。
虽然没有人注意到他宣布的内容，可是，他说：“这个结论没有例外，即，当教养的差别不能够超过在同一个国家，同一个社会阶层的人群中常见的那种东西时，天性会极大地胜过教养。”按照现代的观点，这项研究过于简单化，不准确，而且远远构不成一个结论。但是，这仍然是个值得注意的首次，双胞胎研究方法一直以来就成了一个重要的研究策略，而且也是评估遗传和环境对智力、性格特征和其它心理学特征的影响上几乎最有决定性的办法。
最后，高尔顿还在《人类才能及其发展探索》中讨论过一系列的心理测试，以便于快速简单地辨认较高智力的人，因而成为他通过优生学来改善人类的庞大梦想的一部分。《人类才能及其发展探索》发表的那一年，他开始在国际健康展览会上尝试他的试验。展览会闭幕后，他得到南肯辛顿博物馆的许可，在那里再进行几年实验室试验。他在这个时期发明了一系列新的心理测试办法，其中有一根铁棒，上面刻有不同的距离，以测验估计长度的能力。有一块转盘，用来测验判断垂直度的能力，一套重物按照重量排列起来，还有一些瓶子，里面装着芬芳物质，瓶子按气味浓度排列起来。
高尔顿已到了60岁，这个年龄远远超出了科学家们作出其重大贡献的年头，而他却是在这个时候取得重大成就的。相应地，这项工作花费了他毕生的精力，一辈子测个没完。他在“人体测验实验室”里面进行的每一种测量都得出了一个钟形的或然曲线，可是，高尔顿感觉到，如果他能够发现不同的几套测量结果之间的相互关系，兴许可以从中收集到其它一些极为重要的信息。有些关系是非常明显的——比如，个子较高的人倾向于更重些——可是，其它几组测量结果中的关系是怎样的呢？它们当中的哪些一起变化，而且变化的角度相同？只有了解数据是如何相关的，哪些测量与其它一些测量没有什么关系，他才能设计一套理想的测试来指示智力情况。
在他进行遗传天才研究时，其中的一个奇怪发现使他开始考虑到了这个问题：父母不同寻常的孩子一般不那么与众不同。比如，从生理特征上来说，父母很高的孩子倾向于不那么高，不过仍然高于平均值，而父母很矮的孩子却不那么矮，可平均还是比别人矮，这个倾向，高尔顿把它叫做“回归平常”（后来，这个词变成了“回归中间值”）。他希望知道，它在指示遗传力量上有什么意义，以及如何以数学方式表达出来。从表面上看去，这似乎就是一个纯粹的智力谜，但结果，解决这个问题的办法将成为心理学和其它许多学科当中最为有用的研究工具之一。
高尔顿对这个问题考虑了很长一段时间，然后对约3O0名儿童的身高确定了一个“散点方案”。首先，他画一个栅栏，横向的尺度是孩子的高度，垂直尺度为父母的身高（实际上是“中间父母”的身高——每对父母的平均身高）。然后，在每个栅栏的格子里面（特定的某个孩子的身高与某个特定的父母身高之间的交叉点），他填上符合这个条件的孩子们的人数。这张散点图的样子如下所示：
有一阵子，这个图没有给他带来任何启示；接着，一天早晨，他一边等车一边仔细看这个图，突然间，他发现了数字间的规律。如果他画一条线，将任何一组几乎相等的值连接起来，这条线将会描述出一个斜过去的椭圆，其中心点是散点图的中心点（父母和孩子的平均值）。当他这样做，并跨过椭圆画一些线条，将其极点的横点和竖点连接起来时，它们在每个垂直栏上都通过了孩子的平均身高，且在每个横排上通过了父母的平均身高值。该图形状如下所示：
这个椭圆和跨过中间的线条显示了他一直在寻找的关系。在任何给定的父母身高中（“横向正切点轨迹”），孩子的平均身高与中间值（平均值）只有父母身高平均值与中间值偏差的三分之二，换句话说，孩子们已经向中间值“回归了”三分之一。反过来说，对于任何一个孩子的身高来说（“垂直正切点的轨迹”），父母都更加接近中间值了（也就是说，异常孩子的父母没有孩子们那么异常。）高尔顿已经发现了“回归线”这个分析工具。如果孩子们的身高与父母的身高一模一样，两条回归线就会偶合；如果孩子们的身高与父母的身高没有任何关系，则回归线互彼此垂直。而事实是，这两条线相当接近，意思是，在同一情况下的两个变量之间的关系——它们的相关性——约在总量与零之间的某个地方。
那是1886年。10年之后，高尔顿的学生，后来也是他的传记作家，英国生物测定学家卡尔·皮尔逊研究出了一个计算“相关关系系数”的数学平均值——他把它叫做r，代表回归——而不需要再建立散点图。对于任何两组数据，它将会显示出一个相关关系，从1（一种完美的一对一协变关系）到0（没有任何关系），再到——l（完全相反的关系）。到今天为止，皮尔逊法一直是评估相关性的标准方法。在父母孩子的关系中，r系数为0．47（与高尔顿第一次的计算结果稍有不同）：也就是说，孩子们与人口的平均值只有父母的约一半远。
高尔顿对相关性分析的发现，其重要性无论怎么强调都不能算过分。它意味着，无论什么时候，当两个变量朝同一个方向（或者向反方向）改变时，哪怕不是同一种程度，它们也都是相关的，而相关的强度会指示它们之间的关系有多大意义。关系越紧密，它是偶然性的可能性就越小，这种连接的因果关系就越强。一个变量可能是另一个变量的原因（或者是原因之一），反过来亦是一样，或者，它们也许是其它一些原因共同发生和相关的效果。在两种情况下，一种紧密的联系表明可以解�