第五章 科学认识的形成 科学认识不是人生而知之的，它有一个形科学认识不是人生而知之的，它有一个形成的过程。在这个过程中，人们创造并使用了成的过程。在这个过程中，人们创造并使用了各种科学认识的方法，又在科学认识的实践中各种科学认识的方法，又在科学认识的实践中使这些方法不断得到改进、更新和发展。本章使这些方法不断得到改进、更新和发展。本章讨论与科学事实、科学定律、科学假说和科学讨论与科学事实、科学定律、科学假说和科学理论的形成有关的方法论问题。理论的形成有关的方法论问题。 第一节 科学问题的确立 一、科学问题是科学研究的起点1、科学研究从科学问题开始 科学认识的形成是探索性活动，它从提出科学问题开始。问题对科学认识的形成起着支配作用。确定了问题就确定了求解目标，预设了求解范围和方法。问题是科学认识形成过程的核心。归纳主义的科学方法论认为，科学认识是从观察和收集材料开始的，这只是强调了发现过程的表面现象，而没有揭示它的实质。况且，问题的产生并非总是与观察直接相联系。西方科学哲学家波普尔就曾明确指出：科学始于问题而不是始于观察。唯理论者则认为，科学认识是从观念或理论开始的，这种看法忽视了发现过程中对未知的探求。科学认识实质上是对未知世界的探索，只有在变未知为已知的过程中才能产生新的科学认识。而问题正是已知与未知相互作用的出发点。人们在实践的基础上 ，不断地提出问题和解决问题，也就使科学认识不断地发展。如果没有科学问题，科学也就停滞不前了。所以爱因斯坦说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看待旧的问题，确需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正革命。”（1）“科学认识从问题开始”与“认识来源于实践”并不矛盾，它们实质上是统一的。因为问题也是在实践的基础上提出来的。但是，前者突出了实践过程中产生问题的重要环节，更清楚、深刻地表明了科学认识从一开始就是能动的、创造性思维活动。（1） 爱因斯坦、英费尔德：物理学的进化，第1版，第66页，上海，上海科学出版社，1962。2、科学问题的条件与分类问题的实质即人们思维中的矛盾，也常被称为“疑难”、“困惑”。 科学问题（problem）是指科学认识过程中需要回答而在当时的知识背景下又无法解决的矛盾。科学问题的提出是有条件的，它与所处时代的知识背景有着不可分割的关系，所以是时代的产物。因为对背景知识了解不够，可能会提出一些常识问题甚至是无知问题（question），那些不能称为科学问题。还有一些完全脱离科学背景知识、不可能由人类经验来回答的伪问题，诸如上帝或鬼神问题，那些也不是科学问题。也有一些问题，随着科学背景知识的变化发展，在一定条件下会由虚假问题转化为科学问题，比如宇宙与人的起源问题。在不同的知识背景下，科学问题的意义及解决问题的途径都是不同的。知识背景愈深刻，问题层次愈深化。例如，物质结构的问题在不同时代的深度是大不相同的。正如恩格斯所说：“我们只能在我们时代的条件下进行认识，而且这些条件达到什么程度，我们便认识到什么程度。”（1）而随着层次不断深化的科学问题的不断解决，人们的科学认识从事物的现象逐步深入到本质，并不断深入到更深的本质。（1） 马克思恩格斯选集，第3卷，78页。科学问题依据对背景知识的不同分析，可以分为常规问题和反常问题、事实问题和理论问题等。常规问题是在维持背景知识中相关理论框架的前提下提出的有待解决的疑难，这种疑难的解决将使已知的理论更加充实、完善和系统化。常规问题可以通过核实纠正观察事实的报告来解决疑难，从事实的描述上给予解决，即作为事实问题处理。比如哥白尼解决恒星周年视差的问题。常规问题也可以通过调整解释事实的理论来解决疑难，对理论解释提出质疑，即作为理论问题处理。比如考虑两个以上相互吸引天体同时运动，而对开普勒定律进行修正的问题。反常问题是在拒斥已知理论框架的前提下提出的有待解决的疑难。这些疑难的解决意味着一场科学理论的革命。反常问题的特点是对已知理论提出质疑，所以都是理论问题。比如德布罗意提出的物质波问题。 3 3、科学问题的转换、科学问题的转换在解决问题的过程中，有时会困难重重，长期得不到进展。在这种时候，如果能从一个新的视角对问题变换一下提法，则有可能使人茅塞顿开。问题的恰当变换常常能开辟新的研究领域，引发新的思路。许多在已有的视野中看不到的联系和想法，在新的视野中一下子变得明朗、清晰起来，即使以前已经认识到的内容也仿佛有了崭新的意义。上述爱因斯坦提到的“从新的角度去看待旧的问题”就是在强调问题转换的重要性。问题的转换可以有多种不同的角度，而在科学方法论中，常规问题与反常问题之间的转换，事实问题与理论问题之间的转换，常常具有重要的意义。比如，“以太漂移”问题，在洛仑兹那里是被当作常规问题考虑的，所以终究未能跳出经典理论的制约。而在爱因斯坦那里，一旦被当作反常问题考虑，狭义相对论就应运而生了。再比如，在考夫曼的实验中“高速电子质量为什么不变”的问题，在彭加勒那里是被当作理论问题对待的，由此他怀疑相对论的正确性。但在爱因斯坦那里，则被看作事实问题，果然其他人后来的实验揭示出考夫曼的实验装置有毛病。从变换思路方面来考察，问题转换可以是逆向转换、互补转换、发散转换和立体转换等。所谓“问题逆向转换”是将问题从否定的角度提出来。比如，波义耳把“如何使贱金属变成贵金属”这样的古代炼金术问题变成了“能使贱金属变成贵金属吗”这样的科学问题，从而建立起元素论化学。所谓“问题互补转换”是将问题的两个对立方面统一地提出来。比如爱因斯坦把“光是波还是粒子”的问题变成了“光不能既是粒子又是波吗？”从而创立了光的波粒二象性理论。所谓“问题发散转换”是将问题的提法拓展开去，多角度的发问。比如，克瑞斯汀.爱杰克曼（Christian Eijkman 18581930）把“脚气病是由哪些细菌引起的”问题变成了“为什么食用精白米的人容易得脚气病？”从而为后人发现维生素奠定了基础。所谓“问题立体转换”是将问题的平面思考与立体思考结合起来。比如，罗巴切夫斯基和黎曼把欧几里得几何中的平行公设问题放在不同的曲面中来考虑，终于创立了非欧几何理论。 二、科学问题的主要来源1、为寻求事实之间的联系提出问题在科学认识的过程中，存在着不同类型的问题，它们的来源也不相同。一类是由科学事实的系统化而提出来的问题，试图揭示现象之间某种联系的普遍性，说明某类现象的共同特征。比如，人们逐步认识到铜能导电、铁能导电、金能导电于是就产生了这样的问题：“莫非金属都能导电？”又如，人们一次次看到静止物体受力作用后会运动起来，于是就提出了这样的问题：“物体的运动与作用力是什么关系？”这类问题被称为“经验定律型问题”。对这类问题的肯定回答，就是经验定律的假说。2、从理论与事实之间的矛盾中发现问题科学问题通常是在如何对科学事实给予理论说明或解释时提出的，如果发现了背景知识不能说明或解释的现象时，抑或已有理论的预测不符合观测的事实时，也就出现了有待解决的疑难问题。比如，牛顿力学理论不能解释水星近日点进动，光的波动理论解释不了光电效应。 3、从某一个理论内部的矛盾（非自恰性）中发现问题如果一个理论体系内部在逻辑上存在矛盾，那么就会使得人们对该理论的真理性和适用性产生怀疑，也就会提出问题来。在通常情况下，理论内部的逻辑矛盾不是很容易就能看出来的，需要经过演绎推理才能揭露出来，结果会在演绎推论中证明两个互相矛盾命题的等价性或是从该理论中推出它不能成立的结论。这种理论内部的矛盾在数学中称为“悖论”（如无穷小悖论，康托尔悖论、罗素悖论等），在物理学、天文学等其他学科中称为“佯谬”（如自由落体佯谬、麦克斯韦佯谬、光度佯谬、引力佯谬等）。 4、从不同理论之间的分歧中发现问题如果不同的科学理论，在某些方面各自都取得了成功，但是它们之间却存在着矛盾和不一致，那么就会提出问题来。这些不同的理论可以是同一个学科领域的。比如，物理学中的粒子说与波动说、天文学中的地心说与日心说、地质学中的渐变论与灾变论、生物学中的进化论与突变论。也可以是不同学科领域的不同理论，比如热力学第二定律与达尔文进化论所揭示的非生物与生物演化方向上的对立。 5、从社会需求与已有生产技术手段的差距上发现问题如果社会现有的生产技术手段满足不了人们的需求，自然就会提出很多问题，之中有一些则会转化为科学问题。这些问题的研究将推动人类科学认识的进程。 三、科学问题的选择 1、选题的重要意义自然现象变化多端、丰富多彩，人们可能提出形形色色、各种各样的科学问题。那么，作为科学工作者应当如何选定科学问题作为自己的研究项目呢？所谓“选题”，简单说，就是选定一个科学问题来进行研究。通常所说的“研究课题”就是为了达到一定目标所需要解决的一个或一系列相关科学问题。科研选题得当在研究工作中十分重要，它关系到科研的目标、方法、水平和价值。科学学奠基人贝尔纳曾着重指出：“课题的形成和选择，无论作为外部的经济要求，抑或作为科学本身的要求，都是研究工作中最复杂的一个阶段，一般来说，提出课题比解决课题更困难，所以评价和选择课题，便成了研究战略的起点。”（1）所以，在科学研究过程中，作为起始阶段的选题更为艰难、更需要具有远见卓识的权衡与决断。 （1） 科学学译文集，第1版，2829页，北京，科学出版社，1981。2、选题的基本原则当然，选题是在发现科学问题之后进行的，要以对科学问题比较全面、深入的认识和理解为前提。但是，选题只考虑这样的内容还是不够的。为了更好地选定科学问题，应当遵循一些基本原则。一般来说，可以概括如下：创新性原则。好的选题应当是社会背景知识中没有解决或没有完全解决的问题，也就是真正有新意的科学问题，而不是“无知问题”。应追踪本学科前沿进行选题，这样的研究成果才会有创造性，才能提出新的科学概念、发现新的科学定律，产生新的研究方法或是对已有的概念、定律和方法赋予新的理解、找到更好的表述形式、开拓新的应用领域等。这就需要充分了解前人和他人在相关课题方面的工作，查阅文献资料和进行必要的调研、考察，避免重复别人作过的事情和走过的弯路，吸收别人的先进思想并努力发扬。科学性原则。好的选题一定是与当时的社会背景知识密切相联系的，一定要有相关的科学事实和科学理论作为依托。不要轻率地把与已经得到实践检验的科学理论相违背的课题作为研究对象，比如“永动机”之类的。也不要把毫无科学事实根据的“伪问题”作为选择对象。科学实践和科学理论是不断发展的，选题既要尊重已有的科学成果，又要注意新出现的科学事实对旧理论的挑战，适时调整问题的视角，在科学发展的非常规时期，尤其如此。可行性原则。好的选题还要认真考虑主观条件和客观条件的情况，如研究者的素质、能力，人才结构和研究经费、实验设备、书刊资料、政策环境等，这些都要结合起来加以权衡。选题最好尽可能是研究者思索良久、兴趣浓厚的内容，这样容易扬长避短、发挥优势，更好地激发信心和责任感，有更大的毅力完成研究工作。对于缺乏经验的新手来说，不易把课题选得很宽、很复杂；否则会不知从何下手，或者难度过大，久攻不克，导致半途而废。社会需求原则。对于从社会需求与已有生产技术手段的差距中发现的科学问题来说，选题时还要把握好技术进步与社会经济的需求因素，考虑到科学、技术、经济、社会的内在联系与协调发展。满足社会不断增长的物质和文化需要，应是协调发展的最终目标，但还必须从实际出发，制定一个适应一定阶段的具体目标，并以此规划课题的选择。需要指出的是，科学研究与技术研究是有区别的。虽然科学发展也有总体规律可循，但是还有它的不可预见性。实际的发展途径，在何时、何地由何人实现哪一个具体课题的突破，一般是很难预料的。科学史上不少重大发现都是科学家自由探索的成果。所以，以上提出的选题原则，也只是针对科学研究的总体方向而言的，决不意味着要在科学上设立禁区。这就要求在注重学科前沿问题时，也要重视那些当前虽还不是研究热点但有广阔前景的研究领域，关键是孕育自己原创性的学术思想；在确定科学问题时，应留有相当的余地，以便在实际情况发生变化时可以灵活地加以调整。 有的学者提出有的学者提出: :科研选题遵循七条原则科研选题遵循七条原则 1 1、需要性原则：选择有重大意义或急需解决的问题。、需要性原则：选择有重大意义或急需解决的问题。 2 2、目的性原则：目标集中，不含糊，不笼统。、目的性原则：目标集中，不含糊，不笼统。 3 3、创新性原则：针对科学而言，没有地域性。、创新性原则：针对科学而言，没有地域性。 4 4、先进性原则：针对技术而言，有地域性。、先进性原则：针对技术而言，有地域性。 5 5、科学性原则：有依据；符合客观规律；设计科学。、科学性原则：有依据；符合客观规律；设计科学。 6 6、可行性原则：主要技术指标实现的可能性。、可行性原则：主要技术指标实现的可能性。 7 7、效能性原则：社会效益、经济效益、应用价值等。、效能性原则：社会效益、经济效益、应用价值等。3 3、选题的基本程序、选题的基本程序 （1 1）提出问题：）提出问题： A A、问题通常产生于观察与理论之间的矛盾；、问题通常产生于观察与理论之间的矛盾； B B、问题产生于怀疑精神与科学的创造性思维的结论；、问题产生于怀疑精神与科学的创造性思维的结论； C C、根据生产和实际需要提出问题。、根据生产和实际需要提出问题。 （2 2）查阅文献，提出假说：）查阅文献，提出假说： 建立假说是科研工作的前提和灵魂；假说要以科建立假说是科研工作的前提和灵魂；假说要以科 学的实验为依据，在此基础上要敢于大胆设想。学的实验为依据，在此基础上要敢于大胆设想。 （3 3）确定题目：）确定题目： 体现三要素体现三要素( (问题的指向问题的指向+ +研究的目标研究的目标+ +求解的应答域求解的应答域) )；体现研究内容；留有余地；言简意赅，用词具体；体现研究内容；留有余地；言简意赅，用词具体；2525个个汉字，不用缩写。汉字，不用缩写。 （4 4）提出科研设计：）提出科研设计：专业设计；统计学设计。专业设计；统计学设计。4 4、选题的基本方法、选题的基本方法 A A、同步选择法：与科技发展前沿、主流同步；、同步选择法：与科技发展前沿、主流同步； B B、阶段分析选择法：根据学科发展不同阶段；、阶段分析选择法：根据学科发展不同阶段； C C、交叉点选择法：不同学科的交叉点；、交叉点选择法：不同学科的交叉点； D D、移植选择法：将某学科方法移植到另一学科；、移植选择法：将某学科方法移植到另一学科； E E、机遇线索捕捉法：偶然发现、思想火花等；、机遇线索捕捉法：偶然发现、思想火花等； F F、经验转移选择法：用解决某问题的经验去解决另、经验转移选择法：用解决某问题的经验去解决另一问题；一问题； G G、适应需要选择法：、适应需要选择法： H H、缺点列举选择法：、缺点列举选择法：第二节 科学事实的获取 一、观察与实验是获取科学事实的基本手段1、科学观察的特点与功能科学观察是人们有目的、有计划地利用自己的感官认识和描述各种自然现象，获取经验知识的基本手段。它与人们日常的活动相区别，不是盲目、随意的，而是从一定的问题出发有目的、有计划进行的。它与理论思维方法也不同，它不是通过演绎、类比等抽象过程，而是依赖感官以及观测仪器直接认识外部世界，记录和报道事实。科学观察在科学认识过程中，提供了描述经验事实的原始材料，提供了第一手资料，为科学研究奠定了经验基础。著名生理学家巴甫洛夫曾强调指出：“不管鸟的翅膀怎样完善，它任何时候也不可能不依赖空气飞向高空。事实，就是科学家的空气，没有它你任何时候也不能飞腾起来，没有它，你的理论就是枉费苦心。”（1）科学认识活动所以离不开科学观察，就是因为确认任何一件事实都离不开科学观察，这是无论任何理论思维方法都不能忽视的基本要素。（1） 巴甫洛夫选集，第1版，第113页，北京，科学出版社，1955。这就不难理解，为什么爱因斯坦会说：“理论所以能够成立，其根据就在于它同大量的单个观察关联着，而理论的真理性也正在此。”（1）尽管在现代科学的发展中，表现出理论愈来愈远离经验的趋势，但是追根溯源，理论最终还是要与事实相联系。（1） 爱因斯坦文集第1卷，第1版，商务印书馆，1976。2、直接观察与间接观察科学观察按照是否使用观测仪器可分为直接观察和间接观察。直接观察是人们凭借自身感官直接认识客体的方法，是观察者与观察对象两者之间的相互作用。直接观察直观、生动，但有很多局限性。人们为了克服自身感官能力的生理局限，就在观察者与观察对象之间引进了中介物（观测仪器），从而构成了观察者、观测仪器和观察对象三者之间的关系，间接观察成为“主体仪器客体”之间相互作用的结果。间接观察能够使观察对象不断扩充，日益向自然界的广度与深度延伸；使观察更加精细、准确；越来越能克服人体感官观察速度的局限。随着科学与技术的不断发展，观测仪器不断改进更新，人们的观察能力不断提高。在这个意义上说，每个时代的科学水平又与观测仪器的水平密切相关。值得指出的是，电子计算机在科学观察过程中的应用，引起了观察方法的又一次重大变革。虽然它本身不是观测仪器，但是它与现代观测仪器相结合，更加突破了传统观察的局限，使遥感观测、“无主体观测”等成为可能。3、自然观察与实验观察自然观察是人们在对自然界的现象不加以控制的条件下进行的观察，无论利用何种观测仪器，只要不对观察对象施加控制，它基本保持着自然状态，这时的观察都是自然观察。在自然观察状态下，构成观察对象的因素常常是错综复杂的，必然的与偶然的、主要的与次要的、内在的与外部的相互交织在一起，这样就不利于认清自然现象的本来面貌。因此，实验观察就应运而生了。实验观察是人们依据研究课题，为了达到一定的目的，凭借仪器和设备对观察对象实施人为的变革与控制，在尽可能有利的条件下所进行的观察。它使自然现象的实在的、主要的内容，以理所当然的形式展现在人们面前。实验观察能够在观察对象处于纯粹的状态下进行观察，比如在抽成真空的管子中观察自由落体。实验观察能够在观察对象处于强化的条件下对其进行观察，从而发现在自然状态下不可能或不容易观察到的新现象。比如，在超高温、超低温、超高压、超强磁场、高真空等条件下，能够观察到在地球表面的自然状态下一些材料所没有的性质（超导性、超流性、抗磁性等）。实验观察能够对观察对象的性质及其变化过程进行重复观察，这就使核对观察结果成为可以办到的事情。可重复性也是实验观察应满足的要求。 二、模拟实验观察中模型方法的应用实验观察同自然观察一样，是不断演进发展的。不仅实验手段和实验设备不断改进，实验的类型和方法也不断创新。在当代科学的进程中，模拟实验观察和模型方法发挥着越来越大的作用。 1、模拟实验观察的重要意义实验观察按照实验手段和设备是否直接控制和变革观察对象而分为原型实验观察和模拟实验观察两大类型。科学研究活动丰富多彩，观察对象也多种多样。由于受到各种客观条件的限制，人们不能运用实验观测手段直接作用于观察对象自身（观察原型），于是就要找到或设计一个与原型相似的替代物（观察模型），通过观察模型来间接认识原型。这种对模型的实验观察就称之为模拟实验观察，它是通过模型来认识原型的。 为什么不能对原型直接进行实验观察呢？有这样几种情况：（1）时过境迁，无法再现。比如，地球上原始生命的起源，宇宙大爆炸的初始状况等；（2）涉及的范围广大，变化过程漫长或变幻莫测。比如，地球气象的变化，全球水域洋流的运动等；（3）耗费巨大，代价太高。比如，水库大坝的坍塌条件，飞机的速度界限等；（4）涉及人的性命，须要慎之又慎。比如，药物的疗效，器官移植反应等；（5）当代科学的发展不断向微观领域和宇观领域进军，在那些现有的实验观测手段力所不及的研究对象面前，人们只能求助于模拟实验观察。2、模拟实验观察中的实物模型有一类模拟实验观察是以实物作模型的，这类模型可以是自然界原有的，也可以是人工制造的。依据模型与原型之间相似关系的特点，可以分为物理模型、化学模型、生物模型和功能模型等。前三者分别是以模型与原型之间物理、化学或生物性质的相似为基础的，通过模型来认识原型的物理、化学或生物运动过程，对应的是物理模拟实验观察、化学模拟实验观察或生物模拟实验观察。功能模型是以控制论为理论基础、以模型与原型之间功能相似为目标的，对应的是功能模拟实验观察。 3、模拟实验观察中的形式模型（数学模型）还有一类模拟实验观察，它虽然也以实物作模型，但在模型与原型之间既不是性质相似也不是功能相似，它们只是各自所遵循的数学关系相似。因为这种数学关系相似反映了它们各自作用机制的相似，所以可以通过观察模型来认识原型。因为这种实物模型在外观和性质上似乎与原型风马牛不相及，所以可以称作形式模型。比如，考察地下水的运动情况，可以用一套相应的电路实验装置来代替，依据的是后者的电流场与前者的渗流场都遵循类似的拉普拉斯数学方程。地下水的运动是人们无法直接观察的，有了电路实验装置的形式模型，就可以进行模拟实验观察了。观察模型在模拟实验观察中具有双重性。就模型是进行变革控制的对象而言，模型是实验观察对象；但就模型只是原型的替代物，实验观察的真正目的是要认识原型而言，模型就只不过是人们在实验观察中所运用的手段，这是一种扩展、延伸了的手段。正是由于模型的这种双重性，才使它在实验观察中占有特殊的地位。 4、计算机仿真模型（数学模型）在这类模拟实验观察中，已经不再有实物模型，取而代之的是计算机仿真模型。仿真模型与原型各自遵循类似的数学关系，可以通过计算机求解来认识原型。将原型的数学模型转变成能在计算机上运行的仿真模型；编出仿真程序，运行仿真模型进行实验观察；分析实验结果，对原型作出评价。仿真模型的内容由数学模型决定，但通过运行仿真模型发现数学模型的错误时，也可修改数学模型，它们两者是互动的。应用计算机仿真模型进行模拟实验观察，也被称作系统仿真，具有经济性、安全性、灵活性、可预测性等明显的优点，在科学研究中日益受到人们的青睐。有时，在计算机仿真模型中也可以加入实物模型，称之为“半数学仿真”模拟实验观察。 观察实验中重要的认识论问题1、观察与理论的关系 以培根为代表的古典归纳主义者认为，理论依赖于观察，而观察却独立于理论，不受理论的制约。现代逻辑经验主义者也认为，观察层次处于科学知识结构的底层，理论层次处于科学知识结构的上层，理论层次寄生在观察层次上，观察层次则不受任何理论的影响。而波普尔、汉森、库恩等人则持不同观点，明确提出了“观察渗透理论”。深入的研究表明，后者的见解是合理的。显然，观察需要使观察对象与观察者的感官发生相互作用，并产生感觉图象。但是，观察却并不就等于感官的感觉图象。观察固然要有一定的生理基础，可是要使人的认识得以发生，还必须对感官获得的感觉图象加以组织或联系，即按一定的样式把感觉图象组成有序状态。这样，才能确定观察的对象是什么，才能提供出一份观察报告（经验事实材料）。所以，观察是属于认识领域的范畴，不单纯是生理活动的过程。这就决定了观察要受到观察者已有的经验和所掌握的理论的影响，即观察渗透理论。需要指出的是，“观察渗透理论”并没有取消观察的客观性，科学观察能够反映观察对象的本来面貌，是客观性与主观能动性的统一。“观察的客观性（不是实例，不是枝节之论，而是自在之物本身）”。（1）它是由观察对象物质世界的客观实在性所决定的。尽管观察是一个复杂的认识过程，它的客观性仍然可以从以下几个方面等到保证：（1）在标准条件下，观察者所等到的感觉图象（或观察数据）是能够重演的，当然要排除观察者主观意愿的歪曲；（2）观察中渗透的理论要经受过实践的检验；（3）观察中使用的仪器设备和方法手段，是符合科学理论原理的。 （1） 列宁全集第38卷，第238页。 2、微观领域中仪器的干扰问题在微观领域中，实验仪器对微观客体状态的影响（“干扰”）很大，与宏观测量时的情况有了明显区别。那么，对微观客体的观察是否还具有客观性呢？回答是肯定的。因为，仪器对观察对象的干扰，在宏观领域与微观领域都是存在的，只是程度不同而已，在对客观性的影响方面并没有原则的差异。就拿量子力学中的“不确定性原理”来说，它也没有否定观察的客观性。因为微观粒子本来就不同时具有精确的位置和动量，所以在测量中才不能同时精确地测定粒子的位置和动量，这不正说明了观察的客观性在微观领域也是成立的吗？所以，在微观领域实验观察仍是主客观相统一的过程。3、观察实验中的偶然性科学观察是有的放矢的，还与理论密切关联，在某种意义上可以说，人们可能预料到观察结果。但是，科学认识探索性很强，观察实验中常常又会发生意外情况，带有偶然性，这也是必须重视的。在偶然和意外的机会里，观察到新的现象，往往导致科学问题的解决，这就是机遇观察。按照与科学问题关系的不同，机遇观察可以分为（1）期望型：与研究问题有关，促成了问题的解决，如古特依发明橡胶的硫化技术；（2）意外型：与观察者正在研究的问题无直接关系，但与其他科学问题有联系，如布里尔利发明镍合金钢；（3）线索型：提供了新问题的线索，如伽利略发明望远镜、弗来明发现青霉素、伦琴发现X射线等。机遇观察的合理性在于客观世界本身就是必然性与偶然性的对立统一。因此，观察者能否抓住这些新现象，在很大的程度上就取决于他对这种辩证关系的理解和自觉性的高低，能否在注意预期现象的同时又保持对意外现象的警觉性，能否有开放的思路、好奇善疑和穷追不舍的探索精神。此外，还要求观察者具备一定的背景知识，如巴斯德所说：“在观察的领域里，机遇只偏爱那种有准备的头脑”（1）。 （1） 转引自贝弗里奇：科学研究的艺术，第1版，第165页，北京，科学出版社，1979。第三节 科学假说的形成对科学问题的解答假说科学假说是为了回答科学问题而提出的尝试性解答。所以，提出假说之始必须阐明是什么样的问题有待于去探索，这就需要对问题进行一番分析。被设想的解答问题的定律陈述则是假说的核心内容，它应符合一定的条件。 1、对科学问题的分析为此，先要对科学问题进行中肯的分析。所谓“分析”（或者称“分解”），就是把一个复杂问题划分为相互关联的若干子问题，由此而找到解决问题的途径和关系网络，这对于科学研究的成功是十分重要的。按照分析结果的不同，复杂问题可以分为并列式和链条式两大类。所谓并列式复杂问题是指由它所分解出来的深一层次的若干子问题，是各自独立的，相互之间没有隶属关系。而链条式复杂问题是指由它所分解出的若干子问题，并不处在同一层次上，而是像链条一样，一环扣一环，逐层展开。问题是已知与未知的矛盾，经过恰当的分析，已知和未知相对清晰地分离开来，它们以较为明显的多种方式相互联系着。于是，为了解决问题所涉及的事实、理论和方法的缺欠或空白，就更为明确无误地呈现出来，构成了有合理结构和层次的问题网络。所谓分析问题，就是要得到这样的问题网络，使问题细化和层次化。还需指出，科学问题在解决过程中还可能引伸出新的问题，即为派生问题。已选定的科学问题的解决，有可能引起对相关派生问题的研究。尤其是在科学革命时期，反常问题的突破常常会导致一系列问题解决的可能性，引发科学上的“链式反应”。 2、假说形成的基本条件 对科学问题网络的梳理和考察，将产生对科学问题的解答，提出相应的科学假说。假说的提出需要满足以下具有启发性的基本条件：一致对应性。这是对假说与已有科学理论关系的限定。常规而言，提出的假说应当与经过实践检验的理论相互支持（一致性）。但是，已有的理论也不是完美无缺的，如果它与新的科学事实不断发生冲突时，就暴露了已有理论的缺陷和局限性，新的假说要敢于向已有传统理论挑战。这时，新假说应当继承已有理论中的合理内容，能将已有理论作为特例或极限状况（对应性）容纳进来的新假说往往是成功的，比如量子力学和狭义相对论。可解释性。这是对假说与已有科学事实关系的限定。科学假说皆有多少不等的经验依据，是对科学问题有根有据的解释。假说要尽可能解释已有的科学事实。但是，也不必因为存在个别“异例”或“反例”而不敢提出假说，比如，日心说和门捷列夫周期律的发现就是如此。这就是说，假说应当能够解释已有的科学事实，但又不要受“全部解释”的限制。可预测性。这是对假说与未知科学事实关系的限定。科学假说可以提出当时看来异乎寻常、甚至似乎荒唐的论断，然而它肯定包含有可在实践中检验的陈述，尤其是关于未知科学事实的推论。比如，大爆炸宇宙论、大陆漂移说、广义相对论等。但是，由于实践检验的历史局限性，有些推断虽然原则上是可检验的，不过当时无法完成，要等待条件完全具备时才行。这就是说，假说预测的未知事实应当可以检验，但又不要受当时检验技术水平的限制。 二、经验定律型假说的形成 概括方法科学假说是对已知科学事实或科学定律的说明或解释，分别称之为定律型假说或理论型假说。对它们的形成，将分别予以讨论。1、经验定律型假说的特点及类型人们对科学事实的描述或记录构成了经验知识的内容。经验知识是单一现象的描述，是零乱的、混杂的，而经验定律使用的是全称命题。只有经验定律才使相关的经验知识得以系统化而构成有机的整体，并且能够说明相关的科学事实，使人们对科学事实的认识更全面、更正确。比如，在门捷列夫之前，已经了解到不少化学元素的原子量和它们的一些化学性质，这些都是零散的经验知识；而当门捷列夫发现元素周期律以后，相关的科学事实就被系统化地联系在一起，不仅能够说明一定原子量的元素的化学性质，而且还预言并修正了当时有人通过实验测得的铍、钛、铈、铀、等元素的原子量。因此，从这样的意义上说，经验定律才真正为人们提供科学事实，提供对社会的认识，名符其实地构成科学的基础。换而言之，只有当建立在科学实践基础上的经验知识的描述概括成为经验定律的表述时，才奠定了科学的基础。因此，如何从经验知识向经验定律过渡，就成为科学发现研究的重要组成部分。不过，经验定律在理论知识的系统中处于低层次的地位，它描述的是事物表面的、可以看见的运动的规律，它虽然揭示了现象之间某种联系的普遍性，说明了某类现象的共同特征，但并不能理解这种普遍性，可以说是“知其然而不知其所以然”。比如，自由落体定律是一条经验定律，它说明了自由落体下落的距离与下落时间之间这种联系的普遍性。但是，何以如此呢? 它并未予以解释。当然，经验定律还可以根据认识的普遍性或深刻性的不同水平，分为不同的层次。比如，万有引力定律的层次就要高于开普勒行星运动三定律，因为后者能从前者推演出来，前者更具普遍性。经验定律与原理定律的一个区别是，它采用描述性的语词（具体的科学概念），这些概念有一些可以确定的性质, 是可以直接通过观察或实验程序来测量的（观察概念），从而判定其内涵或意义。因此，经验定律必定包含直接可观察或测量的经验内容，这些内容原则上可通过观察或实验程序所获得的经验证据来加以确定。经验定律的另一个特征是：与原理定律相比，经验定律是相对稳定的。每个经验定律一旦成为科学的基础，就成为比较牢靠的组成部分。只要它所反映的相关现象继续存在，经验定律也就依然起着作用。这就保证了科学在原理定律发生变革的情况下，仍旧有着相当坚实的实践基础，理论定律的发展也才能得以进行。比如，自由落体定律这个经验定律就是相对稳定的，伽利略时代是这样，几百年后恐怕还是如此。如果经验定律经常会变，那么发现这样的规律也就失去了意义，更没有必要研究何以如此的理由了。经验定律按照它概括现象的内容差异可以分为性质描述型和关系描述型两类。性质型经验定律是对某类现象共同性质和特征的普遍化描述，是对已有经验知识的总结和推广。比如，描述液体表面张力的经验定律。关系型经验定律则是对两类现象或若干类现象之间因果关系的普遍化描述。比如，玻意耳马略特气体定律。以上提到的经验定律中都是确定的、非统计性的，它们是对自然界必然事件的描述。还有的经验定律是统计性的，即对大量随机现象的整体概括。每一随机现象的发生是不确定的，但是大量随机现象的整体可以表现出相对稳定的规律性来。比如，麦克斯韦速率分布定律就是如此。 2、经验定律型假说是概括的成果经验定律型假说是对某类现象共同性质和特征的普遍化描述或是对若干类现象之间因果关系的普遍化描述，因此它是由特定的、较小范围的认识，扩展到普遍的、较大范围的认识。而概括就是由个别到一般的认识方法，是追求普遍性认识的方法。经验定律型假说的概括通常以经验概括（偶适概括）开始，而完成于与演绎方式结合的定律概括。经验概括是以不完全归纳方式进行的，它从有限的科学事实出发，上升到普遍性的认识。经验概括不是某种“先入之见”的猜测。比如，“所有的重物都会自由下落”，就是从一件件重物自由下落的事实得到的假说。这时，仅是从现象上来外推的，还没有摆脱认识的表面性，所以往往可能是偶适概括，而不是定律概括。经验材料的不完备性所带来的“归纳问题”是很难回避的疑难，如何解决呢？通过理论演绎。定律概括是指在经验概括的基础上，通过与理论的演绎结果相结合，从而判定现象间联系的必然性，即达到对现象间的规律性认识。这就是说，经验概括的全称命题，应当与更高层次的科学理论发生演绎推理的关系，也就是说，被纳入一个理论演绎系统之中。这样，该经验概括就不仅得到已有科学事实的支持，而且还得到了理论的支持，才有资格成为定律概括。比如，“所有的重物都会自由下落”，能从万有引力定律演绎出来时，就成为定律概括了。 数理统计方法在概括中的应用有些经验定律是统计性的，即对大量随机现象的整体概括。这类经验定律型假说的提出，主要应用统计概括的方法，即在经验概括阶段要运用数理统计的方法，才能得到概率命题式的结论。如孟德尔的遗传定律。如果无视统计概括方法的重要性，那将不可能形成这样的经验定律型假说。孟德尔所以超越他同时代人半个世纪之遥，这是一个主要原因。当然，应用统计概括方法提出的经验定律型假说也可能是偶适概括，也需要与科学理论结合起来进行考察。赖欣巴赫说过：“知识的本质是概括。发现的艺术就是正确概括的艺术。”（1）这话对于经验定律型假说的形成是基本适用的。然而，对于原理定律型假说的形成就无能为力了。 （1）赖欣巴赫：科学哲学的兴起，第1版，第9页，北京，商务印书馆，1983。三、原理定律型假说的形成 溯因方法（猜想、试错）1、原理定律型假说的特点 2、溯因方法与科学猜想 3、理论模型的应用 1 1、原理定律型假说的特点原理定律型假说的特点原理定律由于其自身的高度抽象性、深刻性而处于科学定律的高层次地位，与经验定律相比，它更深刻地揭示了现象的本质、联系及其发展规律。在科学领域，经验定律形成后随即就带来了如何解释这些经验定律的问题。比如，玻意耳马略特气体定律是个经验定律，但是随之而来的又会引起“为什么气体体积与其所受压强之间成反比?”这样的问题，这类性质的问题都是“为什么”的问题，对这些问题的解答将提出原理定律。所以说原理定律寻求的是对经验定律的解释，从而对经验定律概括的该类现象提供更为深刻、更为精确的见解，不仅要“知其然”而且要“知其所以然”。因此，原理定律被认为是科学知识体系中最重要的部分，被誉为“科学的皇冠”，它们的发现被认为是科学发现中最核心的内容。 原理定律怎样来达到这一目的呢?马克思在资本论中指出：理论的任务是“把可以看见的，仅仅是表面的运动归结为内部的现实的运动。”（1）它将五光十色的现象理解为隐藏在其内部的某些现实物质的运动过程的表现并试图揭示这些物质的运动所遵循的规律。这些内部的物质运动并不是由现象所直接提供的，而是猜测出来的，假定它们受某种原理定律所支配，然后借助于这些原理定律来导出和解释已经发现的经验定律，并且通常还能预见出相关领域的新的经验定律。这样，就对所研究的那一类现象提供了更为深入的、往往也是更为精确的理解。并且由此就可以把猜测到的内部的某些现实物质的运动看作是隐藏在现象背后的支配因素(也可以称作“本质”)，而现象只不过是它们的外部表现罢了。（1） 资本论第1卷，第340页，北京，人民出版社，1975。比如，气体分子运动论对玻意耳马略特气体定律的解释就是如此。该理论把气体内部想象为由大量类似弹性小球（服从牛顿力学定律）的分子所构成，所有分子都在无规则地不停运动，它们时而与容器壁发生碰撞，使容器壁受到一个连续而均匀的压力。这样就可以推演出单位体积内的分子数与气体所受压强成正比的结论，而前者又是与全部气体体积成反比的，所以气体体积与其所受压强出反比得到解释。 与经验定律的另一个区别是，原理定律采用的是非描述性的语词（非具体的科学概念），这些概念越来越远离经验，是“思维的自由创造”，没有可以确定的性质或意义能够直接通过观察或实验程序来测量（理论概念）。它们所描述的“内部的现实的运动”不能被直接观察到，而且有时是借助数学符号和公式来表达的。因此，原理定律不包含直接可观察或测量的经验内容，不能被直接检验。原理定律相比于经验定律，还具有变动性大的特点。这是因为原理定律是对经验定律的解释，是对不可直接观察的、隐藏在事物内部的某些现实物质运动过程的描述，于是只能在经验定律的基础上，发挥思维的能动性，展开大胆的猜测和想象。不同的人，自然会有不同的构思，随着科学的发展和人们认识的深入，猜测和想象的内容也会有很大变动。比如，氢原子光谱的经验定律被发现以后，一直具有相对稳定的内容。氢原子有自己的特征光谱以及并合原则的存在，反映了氢原子内部结构的规律性，这就必然导致对原子内部结构的探索。但是，关于氢原子内部结构的理论却几经更迭、不断修改和完善，经历了“有核模型”“定态跃迁”“公共质心”“椭圆轨道”“相对论修正”“电子自旋”等几个阶段。 经验定律与原理定律的认识层次是不同的。经验定律能够说明相关的科学事实，原理定律能够解释经验定律，从而对经验定律概括的该类科学事实提供更为深刻、更为精确的理解，指出经验定律起作用的条件和它们的近似状况。经验定律直接与可观察现象相联系，而原理定律是与经验定律相联系。原理定律所揭示的现象的本质比经验定律所描述的要深刻得多，因而涵盖的领域也就更普遍得多，适应的范围广泛得多。原理定律能解释的经验定律越广，能解释的经验定律差别越大，原理定律就越是深刻而普遍。比如，牛顿的万有引力理论不仅能解释自由落体定律，还能解释开普勒的行星运动三定律、单摆运动定律和潮汐运动定律等，把地面物体的运动和天体的运动统一起来。 原理定律按照它解释经验定律的不同特点可以分为构造性原理定律和分析性原理定律两类。这一划分方法受到爱因斯坦思想的启发。他曾把物理学中的理论区分为两类：构造性理论和原理性理论。前者是“从比较简单的形式体系出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图像”（1）前面提到的气体分子运动论就是一个例子。后者“使用的是分析方法，而不是综合方法。形成它们的基础和出发点的元素，不是用假说构造出来的，而是在经验中发现到的，它们是自然过程的普遍特征，即原理，这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据”（2）热力学、相对论等理论中的原理就是这样的例子。爱因斯坦的这种区分虽然是针对物理学的，但从原理定律的划分来看具有普遍意义。（1） 爱因斯坦文集第1卷，第109页。 （2） 同上，第110页。原理定律还可以按照它与经验定律联系的不同程度分为内部原理和桥接原理。在内部原理中有一类被称作基本原理，那是一些内部原理中（当然也是原理定律中）最高层次的原理。比如相对论中的光速不变原理、相对性原理和等效原理等。桥接原理在原理定律中处于最低层次，介于原理定律与经验定律之间。在基本原理与桥接原理之间还可以有不同层次的原理定律。正因为桥接原理是介于原理定律与经验定律之间的，所以它既包含非描述性语词（理论概念）又使用描述性语词（观察概念），并且将两方面联系起来。比如，气体分子运动论中的气体压强公式就可以称作桥接原理，它找到了宏观的气体压强与微观的气体分子密度、平均平动能之间的统计规律。正因为如此，所以桥接原理执行着解释经验定律和预见科学事实的功能。气体压强公式就可以解释玻意耳马略特气体定律，从气体内部的分子运动来阐明为什么气体压强和气体体积成反比。再比如，从化学元素周期律可以预见新元素的存在。2、溯因方法与科学猜想原理定律型假说试图揭示事物深层的运行机制，将事物表面的运动归结为“内部的现实的运动”。显然，这是不可能观察出来的，不可能通过任何经验认识的方法而获得，也就不可能用概括方法来发现；它们只能被设想、被猜测，它们必定是似然的、合乎情理的可能机制。比如，上面提到的玻意耳马略特气体定律的深层含意是由气体分子运动论揭示出来的，后者是“原因”，前者是结果，后者是为了解释前者而设想、猜测出来的。可见，原理定律型假说的提出是个由结果回溯原因的过程，其基本模式如下： (1)相关的经验定律L； (2)如果H(设定的原理定律型假说)为真，则L可被解释； (3)所以，有理由认为H为真。所谓“解释”就是由原理型假说为经验定律提供因果机制(“内部的现实的运动”)的描述，以使人们理解为什么如同经验定律所表明的那样，在一定的条件下可能产生期望的效应。在上面的案例中，玻意耳马略特气体定律这个经验定律就相当L，气体分子运动论则相当H。那末，通过溯因过程何以能够猜测出因果机制呢?这不仅与科学家的个人因素及其所属的科学共同体的团体因素有关，而且与一定时代的背景知识有关。为了寻求因果机制，人们要善于思考；但是，这种思考不是凭空臆造、胡思乱想，而是在前人所达到的社会科学知识基础上的创造。即使猜测出的原理定律型假说与背景知识的某些内容截然相反，它的提出者对背景知识也必须很熟悉并认真地研究过。任何合理的猜测都离不开一定的背景知识，总是植根于一定时代的科学知识的土壤，从而提出一个对经验定律作出解释的原理定律，这是科学猜测不同于非科学猜测的根本所在。正因为“内部的现实的运动”是猜测到的，所以想象力在理论原理的提出过程中就起着主要作用。爱因斯坦说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”（1）列宁也曾指出：“即使在最简单的概括中，在最基本的一般观念(一般桌子)中，都有一定成份的幻想。”（2）想象力是创造性思维不可缺少的基本素质，它能帮助人们透过那些能被感知的经验事实材料去把握、探求自然现象运动的内部机制。（1） 爱因斯坦文集第l卷，第284页。（2） 列宁全集第38卷，第421页。当然，想象并没有一定成功的把握，也可能一而再、再而三地化成泡影，还得从头开始。那么，如何才能比较顺利地猜测呢？有没有较好的方法呢？回答是肯定的。想象，这种创造性的思维活动并非应当像脱缰的野马，不必驾驭，不管方向，恣意驰骋；而是应当运用一定方法，遵循一些合理性原则，才能实现科学猜测的任务。理论模型方法就是其中十分重要的内容。3、理论模型的应用理论模型是一种思想模型，是在一定的经验认识的基础上，经过分析、抽象、综合、想象、类比等复杂的思维加工而得到的，它们采取的是概念、判断、符号、图表、公式、方程等表现形式。思想模型不同，抽象的程度也不一样。 理论模型在猜测原理定律型假说的溯因过程中是怎样发挥重要作用的呢？因为对欲求的被研究对象的因果机制知之甚少，所以猜测只好从与研究对象相类似的已知对象的思想模型人手来加以想象，这样想象出来的关于未知因果机制的摹本和蓝图就是理论模型。理论原理就是在理论模型的建构过程中逐步明确和完善的。在理论原理的探索中，人们通过研究模型来间接认识未知的因果机制，这就是模型方法。通过模型，因果机制的研究得以符合逻辑地进行；通过模型，对经验定律提供解释的因果机制得到描述；通过模型的修改、更替，对因果机制的认识不断扩展与完善。思考题： 1、科学问题在科学研究中的地位和作用如何? 2、如何理解观察与实验是主观与客观相统一的过程? 3、科学假说形成的主要途径是怎样的?