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个有价值，如果不说是繁重的研究项目：他检查和统计一些家庭，一些在过去40年时间内赢得了剑桥的古典知识和数学高分的人。如他所料，高分一直是被一些特别家庭的子弟所获取的，这个比例极不匀称。他于1865年发表了自己的结果，从那以后，他的生活与工作就一直围绕着人类心理能力的遗传本质和通过选择繁殖而改进人类。高尔顿一定感到这是个令人百思不得其解的恶作剧，因为他和妻子从没有能够生出孩子来。一位弗洛伊德主义的心理学家可能会说，他对这个课题的固结是对他不能生育的补偿。
尽管高尔顿在剑桥一直不能拿到数学荣誉，但他的研究方法却是有数学特征的；跟古希腊雄辩家狄摩西尼一样，虽然有语音障碍，可偏要成为演说家一样，高尔顿使自己的弱点变成了最大的长处。他研究智力，或者说是研究任何使他感兴趣的问题的办法，就要找到某种能够计量的东西，这样他就可以计算比例，比较平均值，然后得出结论。在非洲，他测量了当地妇女的一些数字（在一个明智的距离之外），在与英国妇女的相应比较时，他发现这些数字相当不同。回到家后，在他到过的城市里，他记录了遇到的女人是漂亮、一般还是很丑的数据，他发现，漂亮女人的发生率在伦敦最高，在阿伯丁最低。在科学会议上，他数过每分钟发生烦燥不安的次数，在一个由50名听众组成的样品会议上，他发现，当讲演使听众感兴趣时，烦燥不安的情形会减少一半。
高尔顿1869年出版了《遗传天赋》，这是他第一部，也是他论心理能力遗传的4本书中最有影响的一部著作。他在该书中的方案是要选择一系列非同寻常的人，看看在这些人的家庭中，才智的普及率与一般家庭比较起来有多高。他的超常心理能力的标准，在这个时候，是在公众中的名声：
我认为社会及职业生涯是一个连续的检查。一切都是为了赢得别人的好感，也为了在自己的职业里获取成功，他们取得的成功与对他们总体的优越之处的普遍估计成比例。
为了确立这样的声望（因而是心理能力）有多么频繁，他计算了1868年和更早些年《伦敦时报》上的讣文，结果发现，在超过中年的100万人口当中，只有250人登了讣文，也就是只有四千分之一。
然后，他又着手将一些杰出人士家庭中的显著人物的比例与之相比较：如自宗教改革以来的英国法官、过去几百年以来的首相和著名军事首领、文学人物、科学家、诗人、画家、音乐家和新教神职人员的抽样结果。他计算出，这些人出现的比例与四千分之一的比例少得多；他估计，他们的频率为百万分之一。如果天才是遗传的，他应该在他们的亲戚中发现一个比百万分之一甚至四千分之一的比例大得多的杰出人物出现率。
高尔顿是根据“平均值的偏差率”来作为其对天才人物稀少率的估计的。这个定律是在那个世纪的初期由一些数学家推算出来的，他们要表示天文观测和靠运气赢牌的游戏中的数字或牌型的误差分布率。可是，它也适用于人类特征的可变性。1835年比利时天文学家阿道夫·奎特勒利用有关法国兵员的信息报告说，一些人很高，一些人很矮，其它的人都处在中间，最大数量的人是平均值或者接近平均值。这个数据，如果在图形上表示出来就会得出一个钟形曲线，大部分人都处在中间位置。从中间于始，越向两边走人越少。人类特征的“正常分布曲线”概念在今 天是如此熟悉，但这个问题在奎特勒的时代竟然会成为一个新发现。
高尔顿推想，有关身高的实际情况，在人体的其它一些特征中也应该是一样的，如脑重、神经纤维的数量、感官灵敏度－因而也就是心理能力。果真如此，一个人的心理能力就应该遵守正常分布曲线。他把人类智力曲线分成16个等分——8个在平均值以上，8个在平均值以下——然后，根据曲线的形状计算每段的人口比例。他说，两个最高的段加起来只有百万分之二百四十八，这符合四千分之一的杰出人物讣文比例。可是，在曲线的两端，人数变得很少。真正杰出的人只有百万分之一，而且，他希望证明的是，这些人是天生如此，而不是造就或者自我教育而成的：
有人提出，婴儿生下来大都差不多，而且，在一个孩子与另一个孩子，一个人与另一个人之间造成差别的惟一原因就是稳步的教育和道德培养，我对这个假设没有什么耐心……对于天生平等这样的观点，我是持极力反对意见的。育儿园、中小学和大学的经验，再加上职业生涯的体验，都是与此相反的证据。
高尔顿感觉确定的是，在一个“进步的”社会里（他的原话），比如维多利亚时代的英国，天生能力一定会得到成功的嘉奖：“如果一个人有很高的智力水平，有愿意工作的急迫心情还有工作的力量，我无法理解这样一个人怎么可能被压抑住……（反过来，）他一定会受到万众的欢呼。”
高尔顿在宗谱研究上付出的辛勤劳动得出了成果，他发现，在他抽样调查的286位法官当中，约有九分之一是另一位法官的父亲、儿子或者兄弟；另外，在这些法官的亲戚当中，还有许多人是主教、海陆将军、小说家、诗人和医生。在这些人的家庭里面，杰出人物出现的几率比在普通家庭里面的出现几率高好几百倍；杰出人物其他方面的特征亦是如此。
他总结了有关杰出人物所有范畴里面的数据，并报告说，有百分之三十一的人有杰出的父亲，百分之四十一的人有杰出的兄弟，有百分之四十八的人有杰出的儿子。另外，一位杰出人物与其亲戚的关系越近，这位亲戚也会出名的可能性就越大。高尔顿很高兴，因为他已经彻底证明了他提出的假设——“人天生的能力来自遗传，与整个有机世界的自然特性遵守同一些严格规律。”
现代心理学家可以指出高尔顿方法学中好些天真的缺点，尤其是没有能够指出杰出人物成长的环境；如果大部分人是在极有利的环境中成长的，这些数据也许就会得出环境和遗传具有同样的影响力的结果。可是，不管高尔顿的方法中存在什么样的局限，他已经确立了智力当中的的遗传性，认为它是心理学研究当中一个有效的课题，从那以后，情况也的确如此。
可是，高尔顿的名声却蒙上了污点，因为根据其发现和历史给他显示出的意义，他提出一种社会政策。正是他合成了“优生学”这个术语的，从他1869年出版有关遗传天才的第一本书，到1911年死时为止，他一直认为，如果社会鼓励并奖励优秀人种的繁殖，社会就一定会有改善和进步：
（优生学是）改善血统的科学，它……认识到各种影响力的作用，而这些影响力倾向于以无论多么渺小的程度给予更合适的种族或者血统以更好的快速发展的机会，而不是给予那些不那么合适的种族以否则也会很快的速度发展的机会。
紧随着纳粹分子企图鼓励纯种“雅利安人”的繁殖，消灭犹太人、吉普赛人和其它被他们认为是人类害虫的人种之后，高尔顿的这个观点看上去就十分可怕了。按照他的传记作家们的说法，高尔顿本人看上去却是位温文尔雅和举止不俗的人，显然不是种族灭绝论的倡导者，可是，在有关对于不想要的民族的合适处理这个问题上，高尔顿所说的一些话就已经离这条线很近了：
我看不出，等级制度的蛮横之处，怎么可能会妨碍有天赋的社会阶层，因为他们有能力用慈爱对待同胞，只要他们保持住自己的独身生活。可是，如果这些人还接二连三地生出一些道德感、智力和生理素质都很差的孩子，很容易相信，这些人被视为国家的敌人，并且使许多仁慈之举前功尽弃的一天也许就会到来。
人们兴许会想，像这样一位把自己所属的这个种族以外的种族都看作下等人的人，他一定就是个种族歧视分子，可高尔顿却不是。尽管他估计黑人的平均智力比英国人低两个级别，但他却认为英国人比古希腊人的智力水平也低两个段位；他还说过，他倒想去调查一下意大利人和犹太人：“这两个国家好像都有很多具备高智商种子的家族。”
高尔顿有关优生学的思想并没有成为今日心理学的任何一个部分，不过，他的这些想法倒是引导他发明了一些在这个领域里非常有价值的研究方法。心理特征遗传学上的家族研究只是其中一例。另一例，也是更有用的一例是由对《遗传天赋》的评论引起的，这个批评指出了环境对智力的影响，特别是由瑞士植物学家阿方斯·康多尔提出的统计学数据，证明伟大的科学家倾向于来自气候温和、宗教宽容、政体民主和有健康商业兴趣的国家——这些都是环境的影响。
这刺激了高尔顿，使他想到要去区分遗传和环境在显著成就中的影响，特别是对科学的影响。1874年，在《科学英国人》中，他很公平地提出了这个问题，其对进入了语言的基因及环境对成长影响的论述非常简洁：
“天性和教养”这个词组是词汇方便的二轮马车，因为它把性格所从构成的无数元素分在两个不同的名目之下。天性是一个人随身带到这个世界里来的一切；教养是他出生之后对他造成的每一种影响。区别很清楚：一种使婴儿就是它实际的样子，包括它潜在的生长功能和意识；另一种提供生长的环境，这样，天性的倾向可能会加强或者受到阻碍，或者会造成全新的环境。
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�