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这就是借助于猜测与反驳,由问题到理论的发展模式。
2、库恩的范式论问题观。
库恩从科学史的实际情况出发,认为问题贯穿于科学研究的全过程:
常规科学是在现有范式指导下解题的活动,而科学革命是面对反常问题带来的危机,需要提出新范式消除反常危机的活动。
无论是常规阶段或是革命时期,问题始终是推动科学认识进步与增长的必要因素。
3、劳丹的科学进步解题观。
劳丹是第一个对科学问题详细分析,并尝试用问题框架解释科学进步的哲学家。
他把科学问题分为经验问题和理论问题,认真剖析了两类问题产生的原因及其价值评价,明确把解决问题的能力作为评价科学进步的标准。
(1)解决问题是衡量科学进步的基本单位。
(2)科学的进步在于解决问题的能力。
(3)判断一个理论的全部解题能力,看它所能解决经验问题和理论问题的数量和重要性程度以及它所减少的反常和概念问题的数量和重要性程度。
(4)研究传统总的进步程度是由最终构成它的理论集合体的解题能力决定的。
(5)研究传统的进步速度是由在特定时期内传统的解题能力的变化决定的(李征坤《对当代西方主要科学哲学家的科学问题观的评析》)。
4、夏皮尔的关联主义问题观。
在夏皮尔看来,科学问题观必须从逻辑与历史的分离困境中解脱出来,在解题的推理链条发展中寻找线索。
他提出了域理论,把科学问题置于中心地位,着力解释科学问题的复杂结构。
但是他的域理论未能将问题结构和推理链条真正结合起来,不可能说明科学发现的微观机制。
正如劳丹所说,“把科学看成是解决问题的活动的这种观点,比起任何其他的参考框架来,为捕获科学最本质的东西提供了更多的希望”(劳丹《进步及其问题》P4)。
以发现解决问题作为科学研究的本质,必将带来科学哲学的重大变革,一种逻辑与历史相统一、宏观与微观相结合的科学哲学就会出现。
在这种新的框架内,科学主体的创造性活动将置于中心地位,对科学史的考察将发挥更大的作用,科学发展的内在逻辑也将得以揭示。
二、科学问题及其链接。
科学问题是有认知价值的未知之谜。
科学始于问题,发现并解决问题,从客观现象出发探究事物的本质和规律,是科学研究的主要特征。
以问题框架去透视科学哲学,关键在于对于科学问题的结构特征及动态演化进行透彻的分析,为科学发现的微观机制和宏观发展提供线索。
1、科学问题是以群的形式存在的。
正如客观事物是以系统形式存在的一样,科学问题也不是独立的。
任何科学问题都有自己的组成要素,各部分之间聚合为一个整体。
经验问题一般包含现象数据、实验仪器、经验定律以及背景知识(观察渗透理论)。
任一实验问题也都包含不同层次的要素:
实验背景知识群、具体实验材料、实验材料的相关理论和经验知识、数据显示仪、数据及处理、实验解释等等(郭贵春《当代科学实在论》P188)。
理论问题的组成要素就更多了,基本公设、概念和原理、定律和现象等。
科学问题各组成要素之间,相互依存并相互作用,这就决定了科学研究的艰巨性和复杂性。
没有驾驭这些相关要素的知识和能力,是不可能解决科学问题的。
近代每门自然科学在创立之初的艰难探索,就说明了科学问题的复杂性。
在一个科学问题单元中,一般有起主导作用的中心问题,由它统领和牵引相关细分问题。
因此在从事科学研究中,不仅要善于把问题分解化为最简单的要素,更要紧紧围绕和抓住中心问题。
科学研究中的分析或受控实验方法,就是通过把研究问题进行分解或纯化,排除影响因素的干扰,从而得出规律性的知识。
2、科学问题之间存在联接链条。
关联性,不仅是科学理论的显著特征,也是科学问题最重要的特点。
每一个科学问题,都有相关技术支持、相关现象及数据特征,并于实验仪器、定律、方法和背景理论相互关联。
这些相关方面由同一科学问题为牵引,由各自存在的内在链条而联系在一起,共同组成一个问题单元。
这些链条可能是技术链、因果链,也可能是指称链、逻辑链。
当然,科学问题之间的联接链条,不是单线、单向的,往往是纵横交错、立体交叉的。
科学理论是对科学问题的解答集合,在科学理论的逻辑结构中,鲜明地体现了科学问题的关联性。
结构分析理论认为,科学理论概念的指称关联是多样的,至少表现为以下几个方面:
一是指称分析与科学方法论的关联;
二是指称集与证据集的关联;
三是事实指称与可能指称的关联;
四是指称的层次与形式关系的关联(郭贵春《后现代科学实在论》P144)。
由此可见,单个概念的内涵只有放在整个概念体系的链条中才能被理解和规定,科学理论与经验命题之间有着一条相当长的逻辑链条(章士嵘《科学发现的逻辑》P346)。
联接决定途径,链条规定进路。
顺着关联寻,沿着链条找,应该成为科学研究的座右铭。
科学问题之间的联接链条,不仅为科学问题的发现提供线索,也为科学问题的解决指明了方向。
探索关联问题的联接链条,就是寻找解决问题的思路;
找到关联问题的联接通道,也就为解决问题构筑了桥梁。
科学问题的交错联接,表明科学研究应该坚持多路思维。
问题之间联接的任何重大变化,都预示着解决科学问题新的可能性。
3、科学问题进化有明显的演进链条。
未知领域是科学问题之海,是科学问题的渊源和发祥地。
所以科学上新奇现象的发现,常常成为科学变革和新学科建立的先导。
知之不多,知之不深,同样是科学问题前进的方向。
因此当实验与理论出现不一致、理论内部呈现矛盾以及各学科之间产生裂口时,就会面临科学的危机和提出重大的科学问题。
这说明科学问题是动态的,始终处于不断演化之中。
凡是有助于科学向未知领域推进、向纵深发展的技术进步、方法革新、概念渗透和理论创新,都可能导致科学问题的产生。
在科学问题的演进过程中,科学问题之间的具体链接关系可能会出现调整,甚至会伴随概念框架的变革出现重大变化,但是科学问题关联性这一本质特征不会变,作为核心基石的实验定律链接链条不会变,而且新的科学问题内部诸要素之间同样存在关连性。
所以不仅科学问题单元之间存在关连性,问题单元与问题单元之间也有关连性。
从一个科学问题到另一个科学问题的演进,必须有着一条显著的关联演进链条。
由此,对科学问题重要性的评价,就应当放到科学发展可能延展的链条中去把握。
凡是可能导致重大科学问题链条延展的,无论是作为先导的新发现还是理论变革,都有极端重要的意义和价值。
至于每门学科理论价值的评价,则不仅要看其在学科内部的解释力,也要考察其在整个科学问题演变链条上的地位和作用。
科学是沿着问题链条不断演进的,科学的力量也是沿着问题链条不断延伸和发散的。
认真考察自然科学发展史和各门学科史,我们都可以看到一条显著的演进链条和科学不断向一个个阵地的渗透和影响。
4、科学问题探索所体现的科学精神。
对未知之谜的解答,是一种追求认知价值的内在动力,激励着科学工作者进行探索。
科学问题引导知识向着新知识、新理论的方向前进,决定知识不断移动的边界。
所以科学问题不仅是科学探索的起点,而且是科学发展的灵魂,最能体现科学的精神气质。
在人类所有职业中,只有科学领域是只能保持世界第一的独特领域。
每一个科学工作者所面对的是整个人类在相关领域的知识背景,不能作别人做过的事,必须始终处于世界科学的最前沿、站在人类科学最高峰去观察思考问题,做出独一无二的成就,这样才能在科学之林中赢得一席之地,留下光辉的历史记录。
这显然对科学工作者提出了很高的要求,促使他们不断更新知识观念,具有一往无前的探索精神,拥有对科学问题深邃的洞察力和对经验材料的综合分析概括能力。
面对错综繁杂的思想观念和理论分歧时,还要具备彻底的批判精神,敢于并善于发现和解决问题,不断拓展人类知识的范围和领地。
正是靠着这些努力,我们的科学才得以发展,认识自然和改造自然的能力不断获得提升,人类逐渐迈向了现代文明进程。
三、从科学史成功案例考察发现解决问题的微观机制。
建立以问题观为基本框架的科学哲学理论,关键在于找到科学中发现解决问题的微观机制,最方便的途径无过于研究分析科学史中的成功案例。
科学研究中的问题千差万别,发现和解决的思路也各有不同,我们可以试着按几个类别进行考察:
1、从迷茫中奠定科学基础。
在科学史上,许多学科初创期都经历了漫长的摸索阶段,在一个关键点上才实现了实质性突破。
是什么原因导致了科学认识的飞跃发展?
新概念是如何形成的?
对这类科学发现的分析,有助于深刻认识早期科学革命的特征。
(1)哥白尼革命。
哥白尼在文艺复兴时期,提出日心说取代地心说,找到了冲破了宗教神学的突破口,为近代自然科学的发展起到了开路先锋的作用。
当时流行的是托列密的地心说,有两大支柱:
一是常识(物体坠落到地球);
二是亚里士多德的权威。
其缺点是均轮与本轮的繁复性。
哥白尼受古希腊史料(日心说)的启发,就萌发了用地球绕日自转和围绕太阳周年公转论证行星运动的想法。
他信奉毕达哥拉斯和新柏拉图学派关于数学和谐与简单性的思想,认为圆周运动是最完美的运动形式。
它研究的中心问题是:
行星应该有怎样的运动,才会产生最简单而又谐和的天体几何学?
经过观察与思考,他用日心说解释天体次序与大小关系,实现了简单优美的天体运行图。
(2)、伽利略为动力学奠定基础。
他在力学上的工作,是被工程上碰到的问题激起的。
抛射体的射程问题,使他开始从事研究物体重力坠落的。
伽利略非常重视数学在应用科学方法上的重要性,认为选择适当的数学证明可以用来探索任何涉及到可量属性的问题。
当时他面对的是混乱的运动观念,尤其是亚里士多德落体定律的似是而非、矛盾与混乱,通过分析批判和落体及斜面实验,澄清了速度、加速度、距离和时间的数量关系,证明了自由落体距离与时间的关系。
他的中心问题是物体怎样降落?
而不是为什么降落?
他要寻找落体运动的数学关系。
“从一团混乱的现象和模糊的观念中创造出新科学,第一步总是要抓住可以确切界说的机关概念。
为了要把他的落体加速度问题变成可研究的问题,他首先将古来关于距离与时间的观念给予确切的数学形式”(丹皮尔《科学史》P199)。
伽利略在动力学的数学方面,迈出了最初也是最艰难的一步,表现出惊人的才能。
正如科学史家所说:
“在动力学方面,从我们经常看到的现象中发现规律,是要有超凡的天才的”(卡约里《物理学史》P34)。
(3)、拉瓦锡的化学革命。
“早起化学家的最大困难,是了解火焰和燃烧的现象。
物体燃烧时,好像有某些东西逃走掉了”(丹皮尔《科学史》P261)。
拉瓦锡系统批判了传统的化学理论,针对“燃素说”就燃烧现象的混乱解释,“他于是遍读并查阅了他的前辈们有关吸收气体或放出气体实验的著作。
他看出不同的作者对于同一系列事实往往给以不同的解释,从而超声了这样的见解,认为现在应当批判地重复许多以前的实验,才能在不同解释之间做出抉择,或者用一种崭新的理论去代替它们”(梅森《自然科学史》P286)。
他的中心问题是:
大气在燃烧中究竟起什么作用?
燃烧中到底是什么因素导致物体重量的变化?
拉瓦锡研究工作的特点在于系统的定量性,认为“做化学实验的全部技艺是基于这样一个原理:
我们必须假定被检定的物体的要素和其分解产物的要素精确相等”(柏廷顿《化学简史》P104)。
他抓住了一个极端重要的事实:
要解释这个和其他许多类似的实验,并不需要“燃素说”。
他用经过称量的不可反驳的证据,证明物质在燃烧过程中重量上的变化完全是物质同氧反应的结果。
2、新现象和定律的发现。
科学中惊奇现象或新定律的发现具有重要意义,往往成为新理论学科诞生或科学革命的先导。
分析实验新现象和定律发现确认的过程,有助于认识科学发现的规律。
(1)、动物电的发现。
伽伐尼发现手术刀碰触蛙腿神经,会出现电火花并造成剧烈痉挛。
对这一新奇现象非常重视,想探讨产生这种现象的原因。
他知道鱼放电和莱电瓶是一样的,就猜测这是一种动物电。
然而这一现象与手术刀有什么关系?
为什么正好这时起电机也放电?
为了澄清问题,他就进行了一系列实验,认为原因必定在蛙腿、金属或铁丝上。
它已经触及到现象的本质,但由于有动物电的先见,坚持用动物电说明这些现象,使他无法做出正确的解释。
伏打对此现象也很感兴趣,也做了相关的实验,发现通过神经放电能产生除颤动以外的效应。
他猜想,电的本质是不同金属的接触。
通过实验,排除了动物电,确认是一种“金属电”。
为了进一步弄清“金属电”,他又用验电器对不同金属接触做了系列实验,发现递次接触定律,有力证明了自己的猜测。
据此发明的伏打电池,不仅为电流学研究提供了前提,而且也奠定了电化学的基础。
(2)电子的发现。
对阴极射线的研究,当时有两种观点,一种从阴极射线能够引起化学反应的性质,推测是以太的波动;
一种从磁场偏转现象,推测是带电粒子流。
为证明是带电粒子流,汤姆孙做了四个方面的实验:
一是测电荷;
二是测受静电偏转;
三是测荷质比;
四是证明电子的普遍性。
最终认定阴极射线是电子,电子是原子的组成部分,是物质更基本的单元。
(3)开普勒三大定律的发现。
开普勒是占星术的信徒,信奉哥白尼日心说,崇奉数学谐和原则。
发现行星运行的数学规律是他的目标,紧紧抓住行星轨迹问题进行研究。
他以火星的轨道入手,发现无法用圆周作为火星轨道。
又以一种偏心圆尝试,70多次计算,发现与观测值差8分。
又以卵形轨道试,否定。
经过4年辛苦计算,在尝试了319种想象的路径并优于或多或少跟观测不一致而否定后,最后才发现了真实的轨道。
精确的测量对于科学发现至关重要,“8弧分也不能忽视,正是这一点,导致了天文学上一场彻底的革命”(郭奕玲等《物理学史教程》P7)。
而作为精准数据的提供者第古本人,优于笃信地心说,自然难以揭开火星轨迹之谜。
(4)牛顿万有引力定律的发现。
研究生时就考虑行星问题,寻找行星轨道运行的原因(力学规律)。
苹果坠地时,找到了解决问题的线索(重力导致坠落),引导他关于重力的思考。
发现重力从最深的矿井到最高的山上不会明显减少,就猜想:
重力可以延伸到月球,是地球的重力使月球保持在它的轨道上(把重力隐身到月球轨道)。
但有两个关键问题:
一是向心力问题,这由惠更斯圆周运动理论解决,向心加速度
。
二是引力的本质问题。
它发明了微积分,证明了质点理论。
然后把天体的力和地球物体坠落的力联系起来,等地球半径的数据出来以后,重新回到重力与月球问题。
验证--推广到行星运动--验证。
后来用新定律考虑太阳和月球共同对地上水的影响,发现了潮汐理论。
3、新理论的创立。
四、科学问题联接的相关效应。
结合自然科学史的实际,发现并说明科学发展演进的规律,是科学哲学的重要任务。
以问题联接为特征的分析框架,恰恰可以提供这种发现和说明的基础,实现了逻辑与历史、微观与宏观的有机统一。
而以往的科学哲学,显然忽视了这一科学发展演进的重要方面。
1、混沌效应。
放眼自然科学史,我们能够发现一个明显的事实,几乎所有科学部门和分科,都是在经历了几千年的漫长摸索后才得以创立。
这里固然有外部社会政治、经济等原因,但也与科学发展的内在逻辑有关。
外部社会制度和政治、经济等因素的影响,必须与科学的内在逻辑演进衔接以后,才能转化为科学创立发展的现实力量。
为什么天文学、力学、化学等学科匍匐潜行数千年才站立起来?
为什么现代许多自然科学部门迅速崛起?
原因只能从科学问题演进的内在逻辑上寻找答案。
人类原始的自然知识,建立在人们日常生产和生活的基础上,与简单的肉眼观察和感觉直觉相联系。
原始的天文、力学以及化学观念,与人们的日常感觉直觉是一致的,尽管充满混乱和矛盾,却很难发现并找出问题所在。
只有在哥白尼、伽利略、拉瓦锡等开拓者以全新的眼光,利用科学实验、定量分析等手段澄清相关概念的时候,才能超越感觉直觉的局限性,走出混沌和迷茫,发现自然现象中隐藏的规律性知识。
化学史家评价拉瓦锡在化学革命中所起的作用时说:
“拉瓦锡没有发现过新物质,没有设计过真正是新的仪器,也没有改进过制备方法。
他本质上是一个理论家,它的伟大功绩在于:
他能够把别人完成的实验工作承受下来,并用自己的定量实验补充、加强,通过严格的合乎逻辑的步骤,阐明所得实验结果的正确解释”(柏廷顿《化学简史》P102-103)。
其实这和科学史上所有革命的开创者一样,正如德布罗意评价爱因斯坦所言:
“这样一个任务的天才和独创性,他能够一眼看穿那疑难重重、错综复杂的迷宫,领悟到新的简单的想法,使得他能够吐露出那些问题的真实意义,并且给那黑暗笼罩的领域突然带来清晰和光明”(李醒民《激动人心的年代》P146)。
当然,我们不能忽视科学创立前期漫长的资料积累过程,所有科学理论只有在一定的量变之后,才能发生质的飞跃。
在论述进化论的创立时,科学史家正确指出:
“事实上,花去了两千年实践,花费了无数沉静而不关心哲学的生理学家与博物学家的心血,才收集到足够的观察与实验证据,使得进化观念值得科学家加以考虑”(丹皮尔《科学史》P369)。
2、聚合效应。
科学问题以群域形式存在的特征,要求探索加爵科学问题时,必须首先把相关要素和方面聚拢在一起,围绕中心问题进行梳理,逐个分析每个要素和方面所涉及的难点及解题方法,寻找解决问题的关键和突破口。
只有把整个问题考虑清楚,才能确立解决问题的正确思路,使问题得以求解。
如果有一两个方面着不到求解办法,就说明没有驾驭这个问题的能力,中心问题就不可得以解答。
近代引力观念的发展很能说明这个问题。
开普勒发现行星运动三大定律以后,新的问题出现了:
推动天体运行并保持其正规格局的原因是什么?
从力学上处理这个问题,涉及三个主要方面:
一是惯性运动定理与椭圆轨道的关系,二是椭圆轨道需要向心力,必须找到支配这种向心力的规律,三是要证明引力能提供约束行星沿闭合轨道的向心力,这就需要导出支配引力随吸引物体间距离变化的规律。
牛顿从苹果坠地发现解决问题的线索,决定把重力引申到月球轨道上。
对惯性定理的认识,促使他用把向心力与椭圆轨道联系起来考虑。
通过惠更斯的圆周运动理论,找到了向心加速度公式。
为了克服地球各部分对表面物体引力总和这一计算困难,他专门发明了微积分,彻底扫除了最后一个障碍,发现了万有引力定律。
相反,“开普勒因为没有惯性观念,认为运动体需要不断增加推动力,才能保持走动;
而他的朋友伽利略则坚持旧天文学的先入之见,认为行星的运动是正圆和均速的(在他看来,天体的格局和运动是不存在问题的。
)但他们并未相互配合,因此两个人虽则都有坑把天文学和力学综合起来,但是谁也没有做到”(梅森《自然科学史》P180)。
3、链径效应。
在科学史上,我们可以看到一条清晰的发展脉络,各个概念是逐步按序列推进的,各学科也是相续建立和演变的。
凯德洛夫运用历史比较法和统计分析法,提出了科学发展的带头学科更替论,明确指出:
“自近代科学诞生以来,单一学科与一组学科相继交替成为带头学科,其更替顺序是:
力学(17-18世纪)——化学、物理学、生物学(19世纪)——微观物理学(20世纪前50年)——控制论、原子能科学、宇宙航行学(20世纪50-70年代)(林雅年《论科学发展不平衡规律的现实意义》《上海水产大学学报》1998年3期)。
考察每一学科内部概念和理论的发展,同样可以发现相继演进的轨迹。
电磁学的发展路线:
静电学-流电学-电动力学-电磁感应-电磁场理论。
化学发现路线:
拉瓦锡元素论和质量守恒原理-当量比例定律、定组成定律-发现新化合物和元素-原子论相对原子质量-元素周期表。
有机化学概念演化脉络:
同分异构体-原子排列问题-结构类型学说-结构与原子数目问题-化合价问题-确定原子量和原子价-化合物结构模型。
原子核物理学:
放射性-α粒子本质-衰变理论-同位素-位移定律-人工核反应。
从上面例子中不难看出,科学发展确实存在着先后顺序和路径依赖,这是科学问题关联性的具体表现,是科学研究的本质特点。
现代科学史也一再证明,每一新学科都是在构成其基础的相关新事实和理论产生后才出现的,作为其前提和基础的要素出现之前,新学科是不可能产生的。
“只有在发现电子和确证原子可分之后,才有可能真正建立原子结构的模型,探索原子结构的理论,从而对光谱的发射和其他原子现象作出正确的解释”(郭奕玲等《物理学史》P225)。
“太阳演化学说就只有等待20世纪物理学革命中出现的新发现和新理论。
爱因斯坦提出质能相当原理,为恒星能源的探索提供了理论基础”(郭奕玲等《物理学史》P381)。
微观上考察科学家解决问题的过程,也有顺着关联性寻找、按照链条求索的特征。
亥姆霍兹是19世纪德国第一流的生理学家、物理学家和数学家。
他科学研究过程中的思想迁移,就是一个路径依赖的典型例子。
“首先,他从研究生理学开始,解剖了眼睛和耳朵,探索它们是怎样起作用的,它们的准确构造怎样?
但是他发现,要研究眼睛和耳朵的作用而不同时研究光和声的本性是不行的,这就导致他研究物理学。
当他开始研究物理学时,他已是这个世纪最有成绩的生理学家之一,以后他又成了这个世纪最伟大的物理学家。
以后他又发现,要研究物理学而不掌握数学是不行的,因此,他又研究了数学,于是他又成为这个世纪最有成就的数学家之一”(卡约里《物理学史》P164)。
4、断链效应。
科学发展有内在的链条,是环环相扣的,中间链条没有找到,后面的发展就是不可能的。
科学问题包含技术链、因果链、证据链和概念之间的逻辑链,它们共同组成科学问题的推理连,任何一个环节存在问题,都会影响到相关问题的解决。
电学比磁学发展较晚,这是因为“电现象的研究困难较多,因为一直没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电进行测量。
只有等到发明了摩擦起电机,才有可能对电现象进行系统的研究”(郭奕玲等《物理学史》P88)。
科学假说的演变表明,只有当假说能够与可观察现象建立关联时,才能起到应有的作用。
否则,就是思辨和空想。
古希腊哲学家早在两千多年前就提出了原子论思想,为什么没有对古代化学的发展产生影响?
因为它与观察实验之间存在巨大的鸿沟,这也是古典思辨哲学的共同问题。
正如科学史家所言:
“古典时代,希腊人关于物质本性的见解,以及关于原子和基本元素的观念,离开观察与实验太远,无法归入化学之中”(丹皮尔《科学史》P123)。
科学史家在考察原子论的发展史曾指出:
“一直到道尔顿赋予化学元素的原子以固定的且各不相同的重量之后,原子学说对化学才是富有成效的”(柏廷顿《化学简史》P141)。
“在道尔顿发现化学上的倍比定律之前,原子论从没有在科学进展中起到什么重大作用”(卡约里《物理学史》P12)。
科学发展中还有一种现象,表明即使是涉及物质数据的测定,也要等新的理论出现以后才能做出。
化学中原子量的测定,
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- 科学研究 中的 问题 及其 效应