科学理论与科学理论的区别

科学术语

一个词语或一句话往往有很多含义。如“bar”一词可能指长杆子，或大气压力单位“巴”，或沙洲，或法律界，或乐谱上的小节线，或酒吧。因此，要确定一个词语的意思，乍看之下实在不容易。但是，当词语或句子被置入内文，它的意义便立刻清晰起来。比如我们读到一段文字，记述某人于回家的路上，曾进入一家“bar”小酌，我们会立刻断定，“bar”与气象和法律无关。

“科学”一词虽然没有这么多的歧义，但至少有三个相互关联而又彼此不同的意思。它可能指:(1)一门特殊的学问或知识领域(如天文学、植物学或化学);(2)研究或解释数据的一套精确方法，例如，我们曾追溯其发展过程的现代科学方法;(3)或运用准确方法研究自然现象而获得的系统知识。许多作者在使用“科学”一词时，概念常常混淆不清。

在理解自然现象上，既没有独一的“科学方法”，在设立科学理论上，也没有一个标准公式。我们讨论过对于自然界的现代科学观点，以及融理论、观察和实验于一炉的数学程序。现在，让我们更仔细地研究一下科学的目的。

我们已知道，亚里士多德的科学是要弄清自然现象的四因，即形式因、物质因、动力因和目的因。继伽利略和牛顿之后，科学的焦点集中在物质因和动力因上，把计划和目的问题(形式因和目的因)划入哲学和神学范围。今日的科学家研究某一范畴——如天文学或物理学的现象，是要发现什么力量在产生作用，并如何发挥功用。在这一方面，某些用语和含义十分重要。

例如，“科学事实”是怎样构成的?我们日常观察的事物多不胜数，但可称为“科学观察”者，却寥寥无几。如不避粗略，我们可作普遍描述和科学解释之分。^[1]前者往往是从感知(即我们所见、所闻、所感)而报导事物的特质。比如，让白光通过棱镜，我们可以看见光是由许多颜色组成的。尽管从一般常识而言，这项观察是科学事实，但却不能成为光学理论的依据。只有当我们设法把这些颜色加以测量，逐一记下它们的波长和折射角度，我们才是为科学解释作了必要的计算。由于科学使用的是数学语言(包括量度和计算)，它要求可定量的数据。在自然科学领域里，一项事实必须由可测的量来界定。由于科学家寻求的是运动模式，现象必须重现，或在实验中重复。生命科学和社会科学虽多偏重于质的分析和描述，但也正朝量的方向发展。

试以电阻线圈加热液体为例。根据一般的描述，所作的报告可能如下:“我把水倒入烧瓶内，然后加热。经过一段时间，水便热起来。”这些观察得来的事实，不足以构成科学资料，因为这些事实无从确切地重复、分析，或用来发展成为一套传热的定律。一份有价值的科学报告，至少应作如下的描述:“我把500毫升的水注入一个硅酸硼玻璃制成的烧瓶内，它的容积为1公升，然后把烧瓶置于1000瓦的电热器上加热，过了5分钟，温度由25℃升至95℃。”

如果只是煮一杯咖啡，第一份报告的陈述已经足够。但是为了计算液体和烧瓶的传热速度和热学特性，就非要有量的描述不可。而且唯有量的描述，才可为概括和预测提供依据。换句话说，得出的公式也当让我们能够描述其他液体的传热特性，并预测它们在某时刻的温度(或是煮定量的咖啡所需的能量)。

科学总是从日常观察所提出的问题，或公认的理论所衍生的问题而开始的。科学理论的基本工具，是一些无可解释的基本抽象概念，如热、能量、质量等。这些概念可用以组织和解释观察数据，也可作为设计实验和选择量度变量的指南。科学家量度实验室里的现象时，不会像吸尘器般将所有尘埃吸入，而是严加选择有价值的数据。

由此可知，研究员对于实验室内木凳的高度、加热器的重量，或温度计的长度，丝毫不感兴趣。他若开始研究传热概念，便需测量水的体积和温度，以及电热器的功率和加热时间。科学家不只观察“原始的事实”。一开始研究时，大量观察资料“满载着理论”，^[2]要根据预设的概念加以选择和分析。不过，那些数据亦可供其他科学家测证自己的理论。连接理论概念和实验观察的环节，有时称为“对应规则”。^[3]

我们已略述了何谓科学事实和科学概念，现在要讨论科学方法不可少的另外三个术语，即:假设、定律、理论。

1.假设。它是科学定律或理论的胚胎。假设就是猜想，根据一些知识而猜测或预设，然后设计实验以测试之。假设多以数学模式为主，告诉我们某现象是怎样。反复测试并不能证明假设为“真”(如一般人所想)，但却能去伪，即确定它能否被推翻。^[4]要在不同环境下验证一项假设，往往需倾毕生之力，甚至终生也无法完全确定它。科学家想知道一项新的假设可适用于什么范围;他们也寻求假设与经验相符的程度，要测出它的适用性。

建立假设的过程，颇似在松软、泥质的土壤上建造地基。建造者需要把桩打入深土，以承托大楼之重量。建楼愈高，埋桩就要愈深。同样的道理，科学理论所担负的愈大，便需要愈多的测试，以便检查它在何处不堪承重。但理论绝不能成为可靠而坚固的地基。

哥白尼测试了他的假设，就是太阳系以太阳而非地球为中心。在摒除许多可能性之后，开普勒证明火星轨道是椭圆形的。伽利略最初以为加速度与物体落下的距离有关，但终于发现它受物体落下的时间所影响。牛顿最初为万有引力所作的计算，总有百分之十五的误差，显然有所差错，致使他把这假设搁置了很久，直到他找出究竟是他的假设还是观察犯错。在每个例子中，科学家致力于透过不断测试数据之间的吻合程度，以证明其假设是否有误。

2.实验定律。自然律这名称(或称科学定律、自然定律)虽然应用很广，但始终不是一个严格界定的科学用语。在历史上，它的意义已经历多次变化，即使在今日的科学界中，仍没有统一的定义。^[5]不过，有一点是公认的，它可应用于某些普遍论点。

科学定律的作用，是使人们对自然事物的秩序有所了解。作为解释和预测的工具，它最后的测验便是与观察所得是否吻合。试举一例，随着大气压力升高，液体的沸点也升高。某些用于综合系统的定律，所解释的事情是无法直接观察到的。以水的分子结构来解释其沸腾现象时，这定律便不是源于观察，因为分子及它们的活动状态，都不能直接观察到。

第一种定律可称为实验定律，后者则是理论定律(或称为理论)，因为它使用的名词如“分子”，是无法借着实验直接观察或确定的。不过，这不是说理论完全是思辨性的，或无法得到显而易见的证明。定律和理论的区分似乎很模糊，但恰如我们在划分头部时用“前半”和“后半”这两个概念一样，虽然无法定出严格的界线，但此区分仍是有效的。同样，虽然无法准确区别定律和理论，但两者某些特征仍可鉴别出来。

定律涉及可观察和实验的明证，不过其范围颇受局限。开普勒的行星运动定律和伽利略的加速定律都有这个特点。科学定律可借数学方程式，或图表，或定量性词语来表达。它们采用大量数据来形容自然规律。“实验定律”所包含的，远不止于从一连串实验得来的直接数据，它可以确定某种普遍的关系。举例说，尽管开普勒只基于对火星的观察而计算出椭圆轨道，但该定律却适用于所有的行星。

定律是直接以实验数据为基础，因此可在任何时候测试它们。定律不仅描绘眼前的自然现象，还可以精确预测在某些环境下将会出现的结果。所以定律为科技提供了基础——把科学应用在实际的目的上。

最后，实验定律还具有极大的延续力，即使它已融入一大套理论的架构里，仍可超然于理论之外，保持其特有的意义。由于定律是建基于观察得来的事实，即使旧理论被取代了，但它仍得到新的理论支持。例如，牛顿的理论或其对宇宙的学说，早已让位予一个截然不同的现代观点，但他那三项运动定律，却在大部分的物理范畴里仍然生效。

3.理论。科学理论不仅是由经观察得来的数据归纳而成。虽然理论常由观察所启发，但它们有时称之为思想的自由创作。例如牛顿发现万有引力，就显示了科学突破的基本特点:“破旧立新——改变固有的观念，创造新的理论。”^[6]

理论尽管得不到直接地证明，但仍带来不少成果。有时一个新理论还未有实验佐证，便被科学家接纳了，而他们之所以接纳，是因为新理论可为现有的数据提供更佳的相互关系。最好的例子便是哥白尼的太阳系理论，因为直到19世纪中期，物理学才为地球的运动提出了证据。

虽然定律是在单项陈述中成立，但理论是由若干更加概括和包容的相关陈述所构成。杰出的科学理论包含广泛而多样的实验定律，处理范围广阔的不同材料。理论有严密的体系，把概念和定律组建为模式(多为数学模式)，以解释实验数据。

如何判断一个理论?爱因斯坦提出两个标准:“外在的证明”和“内在的完备”。^[7]第一个是指“用手头的经验去证明理论基础的真伪”。理论不应与经验相矛盾;这是一条否证原则，或证伪原则，而非确证原则。第二个是指理论建构(基本概念及两者的关系)的“本真性或逻辑简明性”。所谓“统一性和节约性”的要求，是指选取理论时以“立论最简”为佳。爱因斯坦也提到理论发展的另一个重要过程，即科学界对于“外在的证明”和“内在的完备”的一致意见(见第十三章)。

还有两个标准可用来判断理论是否可被接纳:理论的广泛性和预知能力。如上所述，理论当以能联系各样现象为佳。此外，有效的理论应是简单而直接的;如果有两个立论相同的理论，当取简者。最后，理论必须在实验尚未进行时，已能预知其可见的结果。

科学理论不仅描述物质世界的运行，还提供对物质世界的透视。它们尝试提出相互关系当中的数学解释。