科学理论发现的“超逻辑”方法

科学理论发现的“超逻辑”方法_当代科学技术哲学

四、科学理论发现的“超逻辑”方法

科学发现是一种富有探索性、创造性的活动，没有一个可以机械照搬的公式，也不存在一条凝固不变的逻辑通道。人们在提出和创立科学概念、定律、原理等理论形式的过程中，还需要借助于科学想象、直觉和灵感等超形式逻辑的思维方法。

1.形象思维与科学想象

（1）形象思维

所谓形象思维，是在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上，通过意象、联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维形式。它始于宗教和文学艺术领域。中国古代文人曾用“神思”、“想象”、“幻想”和“形象”等词语来描述文人墨客的思维活动。但是，形象思维并非文学艺术创造活动所独有或专利，它也是科学认识的一种普遍形式。几何学以形象思维为主，这是很显然的，因为几何主要是研究“形”。在电磁学中，电力线、磁力线等都是一些形象的概念；在分子物理学中，分子的光滑、弹性小球的模型也有具体的形象；固体物理学的形象概念，则有晶体结构的面心立方、体心立方等。此外，现代宇宙学中“黑洞”、“白洞”的形象描述；现代地学中对“板块”构造的形象描述；粒子物理学中的“夸克”模型或层子模型；分子生物学中脱氧核糖核酸（DNA）复制图等等都有明显的形象思维的痕迹。运用形象思维的方法，有助于新的科学概念、科学原理的提出，理想模型的建立，思想实验的构思以及科学假说的形成。

形象思维具有如下一些基本特征：一是运用形象，如图形——视觉形象，音响——听觉形象，运动——综合形象等等；二是依靠想象力，借助于类比、联想、想象把记忆中能反映自然本质特征的那些形象，加以选择、提炼、塑造，构思出新的形象；三是无一定程式束缚的创造性思维活动，通过个别来表现一般。它与逻辑思维的主要区别在于：逻辑思维的“细胞”是抽象的概念，而形象思维的“细胞”是形象的意象。意象是对同类事物形象的一般特征的反映，它是从印象、表象这些处于感性阶段的关于对象的生动形象，经过形象分析和综合而建立起来的。其思维过程的一般形式是运用意象进行联想和想象，而不是像逻辑思维那样运用概念进行判断或推理。

（2）科学想象

形象思维总是与想象力密切联系在一起的。在心理学中，想象被看作是“在现有感性形象的基础上创造出新形象的心理过程”。其生理机制是由于在大脑皮层上产生了暂时神经联系的重新组合。想象是根据过去贮存在大脑中的知识、经验、方法及其在人脑中已经形成的暂时联系进行重新组合的思维活动，包括对已经形成的暂时联系的重新建构。要想形成对未来可能出现事物的形象，就需要把过去在大脑中产生的兴奋点和形成的暂时联系，依靠自己的想象力重新组合，建立新的联系。不过，科学认识中的想象——科学想象，并非一定要“创造出新形象”，它是以感性形象为基础，在头脑中把握无法直接感知的事物及其本质、规律的一种思维过程。这个过程，一般地可以理解为经验材料和知识的巧妙组合。而经验材料和知识，不仅包括自然界各种物质存在的具体形象，而且包括科学概念自身和由符号所表示的科学概念等。

科学想象，在科学认识中具有十分重要的作用。A·爱因斯坦指出：“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。严格地说，想象力是科学研究的实在因素。”⁽³⁷⁾英国物理学家J·廷德尔认为：“有了精确的实验和观察作为研究的依据，想象力便成为自然科学理论的设计师。”⁽³⁸⁾阿根廷学者M·邦格指出，创造性想象“能够创造概念和概念体系，这些概念在感觉上没有和它相应的东西，但是在现实中是有某种东西和它对应的，因此它孕育着新奇的思想”⁽³⁹⁾。科学想象，有时表现为形象的类比，有时表现为大胆的猜测，有时又表现为浪漫的幻想，并无统一的模式可以遵循。然而，所有的科学想象都是在联想的基础上形成的。所谓联想，系指由一事物（形象物或知识）到另一事物（形象物或知识）的推测。通常把前者称为“引发物”，把后者称为创造物。科学想象往往就是由引发物（形象物或知识）通过联想而得到创造物（新的形象物或知识）的。

任何科学想象都是植根于一定时代科学知识的土壤里，依赖于一定的背景知识的。因此，“具有丰富的知识和经验的人，比只有一种知识和经验的人更容易产生新的联想和独到的见解”⁽⁴⁰⁾。只有掌握丰富的经验材料，涉猎多方面的学问，具备广博的知识，才可能使想象的鲲鹏展翅自由翱翔，作出科学上的发明与创造。

根据科学想象所依赖的背景知识，可以将科学想象分为常规性想象和非常规性想象两种不同的类型。所谓常规性想象，就是提出与原有理论相一致的原理来解释经验事实；所谓非常规想象，就是突破原有的理论，提出与原有理论不一致的原理来解释经验事实。遇到一个新的经验事实，或一个科学上的问题，为解释这个经验事实和回答这个问题，是作常规性想象还是作非常规性想象，这是一个重要的科学方法论问题。在一般情况下，人们总是囿于已有的理论框架，习惯于作常规性想象的尝试。毕竟，常规性想象比非常规性想象更容易一些。但是，常规性想象与非常规性想象在科学发现中的地位与作用是不同的。非常规性想象突破了原有理论的框架，它在科学的继承与创新的统一中，着眼于创新，对科学的进步具有更大的贡献。例如，为了解释1887年“迈克尔逊-莫雷实验”的否定结果，曾有过常规性想象，也曾有过非常规性想象。爱尔兰物理学家G·F·斐兹杰拉德根据流行的“以太说”，提出了他的猜想，认为物体在相对于“以太”运动时沿着运动方向收缩，收缩率为。G·F·斐兹杰拉德的这一科学想象是在“以太说”的旧理论框架里进行的，因此，这种科学想象属于常规性想象。荷兰著名物理学家H·A·洛伦兹也接受了这个猜想，并以他的电子理论说明了这个收缩。但是，由I·牛顿的绝对时空观所带来的经典物理学危机四伏，H·A·洛伦兹和G·F·斐兹杰拉德的猜想并不能从根本上缓解这个危机。正是在这个时候，A·爱因斯坦抛弃了I·牛顿的绝对时空观念和“以太说”，从同时性的相对性得出时间间隔的相对性和长度的相对性，指出运动着的物体将在前进的方向上发生长度缩短的现象。与G·F·斐兹杰拉德和H·A·洛伦兹的科学想象相比，A·爱因斯坦的科学想象是一种非常规性的科学想象。显然，作非常规性科学想象，这需要科学家具有敏锐的判断力，善于摆脱旧的传统观念和勇于创新的气质。

2.直觉与灵感

“直觉”一词导源于拉丁文“intueri”，即凝视、聚精会神地观看的意思。后来被引伸到哲学认识论领域中，泛指人的主观意识对客观事物及其关系的一种直接的理解和认识。其含义有二：一是“感性直觉”，又叫“感性直观”或“直观感觉”，即人的感官对外界事物的直接感知；二是“理性直觉”，又称“理智直观”，是人的思维直接把握事物体质的一种认识。在实际的认识活动中，感性直觉和理性直觉是不可分割的、统一的。“直觉”不仅包含直接的感受，而且包含理智之光对事物本质的洞察。不过，科学发现所要求讨论的是理性直觉。在科学认识中，通常把直觉理解为不受某种固定的逻辑规则约束而直接领悟事物本质的一种思维形式。直觉往往伴随着被称之为“灵感”的特殊心理体验和心理过程，它是认识主体的创造力突然达到超水平发挥的一种特殊心理状态。灵感实际上是一种顿悟式的、突发性的直觉，是直觉思维的特殊状态。

（1）直觉的基本类型

按照触发信息的来源，可以将直觉分为偶然机遇型和积淀意识型两种基本类型。

①偶然机遇型。指直觉的激发信息来自外界的偶然机遇。它又有两种不同情况：一是思想点化。其触发信息是在阅读或交流中偶然得到的某种闪光思想的提示。例如，伟大的生物学家C·R·达尔文有一天躺在沙发上阅读T·R·马尔萨斯的《人口论》作为消遣，当他读到T·R·马尔萨斯关于繁殖过剩而引起生存竞争的理论时，头脑中好像电光一闪，立刻得到：“在生存竞争的条件下，有利的变异可能被保存，而不利的变异则被淘汰。”由此促成了生物进化论的形成。二是原型启示。系指由各种实物、图像、符号等“原型”的诱导所产生的直觉现象。例如，奥地利地球物理学家A·L·魏格纳关于大陆漂移的最初想法，就是在他阅读世界地图时得到的。他在《海陆的起源》一书中写道：“大陆漂移的想法是著者于1910年最初得到的。有一次，我在阅读世界地图对，曾被大西洋两岸的相似性所吸引，但当时我也即随手丢开，并不认为具有什么重大意义。1911年秋，在一个偶然的机会里我从一个论文集中看到这样的话：根据古生物的证据，巴西与非洲间曾经有过陆地相连接……这段文字记载促使我对这个问题在大地测量学与古生物学的范围内为着这个目标从事认真的研究，并得出了重要的肯定的论证。”⁽⁴¹⁾

②积淀意识型。指直觉的激发信息来自大脑内部的积淀意识，来自大脑意识阈下的潜存知识（简称“潜知”或“隐知”）。这种“潜知”是人们从经验中获得的，由于时间的变迁而不断储存、下沉至心理的深处、意识或潜意识的不同层次中的知识。潜意识活动和无意遐想是调动、激活这类“潜知”的主要方式，因而积淀意识型的直觉又有下述两类不同的情况：一是潜意识活动。潜意识（unconscious），亦译“无意识”、“下意识”，它同意识一样，也是主体对客体的一种反映形式，只是这种反映形式比人们熟知的意识活动更为复杂罢了。人们所习惯的意识活动是一种自觉的、有意的、明确的反映形式，而潜意识则是一种不自觉的、无意的、模糊的反映形式。现代实验心理学通过对于人脑意识阈下的各种不同的潜意识信息的电反应（诱发电位）的测定表明，人脑的潜意识的思想和情绪相当活跃。与意识形式相比，直觉思维的潜意识性，主要是思维过程的非自我意识性和无目的控制性。所以，它往往与那些没有被目的控制和指导的心理现象如睡眠做梦的心理、认识现象相联系。例如，德国化学家F·A·凯库勒在梦中显现了苯分子结构式，就是其中典型一例。英国化学史家J·R·柏廷顿曾在《化学简史》一书中描述了这一发现的由来。1865年，有一天F·A·凯库勒在书房中打瞌睡，梦见碳原子的长链像蛇一样盘绕卷曲，忽见一个抓住自己的尾巴，这幅图像在他的眼前嘲弄般地旋转不已。在他醒来之后，花了整夜工夫弄清了苯分子的六角环形结构。二是无意遐想。这类积淀意识型的直觉，是一种不经意的、非“一本正经”的真正的自由猜想。由于它有可能产生超常的信息组合，冒出极其可贵的思想闪光，因而不少突破性直觉往往出现于无意遐想。例如，现代分子生物学中DNA双螺旋结构的发现就来自于这类积淀意识型的直觉。J·D·沃森就曾在《双螺旋链》一书中描述了这一发现的由来：有一次他的“手指冻得没法写字，只好蜷缩在炉火边，胡思乱想，想到一些DNA链怎样美妙地蜷缩起来，而且可能是以很科学的方式排列起来”⁽⁴²⁾。又有一次，他“在户外欣赏番红花，至少还能希望出现一种美妙的基本排列”⁽⁴³⁾，他说：“有时，在刹那之间我会发生恐惧，生怕这种想法太巧妙，可能有错误时，便常和另一位发明者F·H·C·克里克一起互相告慰说如此美妙的结构一定存在。”⁽⁴⁴⁾果然，这个美妙的模型开创了分子生物学的新篇章。

（2）直觉和灵感的基本特征

直觉和灵感具有以下三个基本特征。

①突发性。即从认识的发生看，直觉和灵感都是认识主体偶然受到某种外来信息的刺激而突然产生的随机过程。正如德国哲学家L·费尔巴哈所说：“灵感是不为意志所左右的，是不由钟点来调节的，是不会按照预定的日子和钟点迸发出来的。”⁽⁴⁵⁾法国数学家H·庞加莱曾讲到，他在紧张地进行了一段时间的数学研究之后，到乡间去旅行，“我的脚刚踏上刹车板，突然想到一种设想……我用来定义富克斯的变换方法同非欧几何的变换方法是完全一样的”⁽⁴⁶⁾。

②突变性。即从认识过程来看，直觉和灵感是一种突变性的创造活动。人的思想质变有两种形式：一种是随着感性认识的积累，经过反复思考，渐进式地上升为理性认识；另一种是突变式的急剧飞跃。直觉和灵感实际上是思维过程的简化、凝缩，采取了“跳跃”的形式。也就是说，直觉和灵感是思维过程实现质变的、表现为逻辑上跳跃的突变形式。它们一旦触发，就会像突然加了催化剂一样，使感性材料迅速升华为理性认识。著名科学家M·K·E·普朗克将这种思维的“质的飞跃”称作“智力的跃进”⁽⁴⁷⁾。A·爱因斯坦在回忆他于1905年6月写作关于狭义相对论的第一篇论文《论动体的电动力学》的情景时曾经说过，他为了解决光速不变与力学中的速度合成法则的矛盾，白白用了近一年的时间试图修改洛伦兹理论。有一天晚上，他躺在床上，又在思考那个折磨他的难题，一下子答案出现了，办法是分析时间这个概念。时间不能绝对定义，时间与信号速度之间有不可分割的联系。他马上进行工作，使用新的概念，第一次满意地解决了这一难题。五个星期之后，他的论文写成了。在这篇论文中，他创造性地把“相对性原理”这个猜想“提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度v传播着，这速度同发射体的运动状态无关”⁽⁴⁸⁾。

③突破性。即从认识成果来看，直觉和灵感能打破常规的思路，突破思维定势和逻辑规则的束缚，成为突破性发现的催生婆。它是认识主体的意识和潜意识与客观对象在特定条件下的一种突然沟通。不过，由直觉和灵感思维的闪光而获得科学发现的突破，其雏形往往带有模糊性，尚有待于用逻辑方法等手段进一步改造、制作和加工。例如，F·A·凯库勒由于受梦幻蛇咬的启迪产生了灵感，从而发现了苯的环状结构。但他的有机化合物苯分子（C⁶ H⁶）的环状结构，却不是一次完成的。F·A·凯库勒说：“那晚我为这个假说的结果工作了整夜。”⁽⁴⁹⁾开始，灵感所给的“雏形”仅仅是苯的无键六边形的结构式；接着，他从碳原子的四价出发又勾画了一个有单、双键的空间模型的草图；最后经过综合研究，才形成了苯的正式结构（图7-7）⁽⁵⁰⁾。

直觉思维的方法论意义在于它们是非形式逻辑思维的重要形式，也是发挥科学认识主体思维能动性的突出表现。直觉和灵感都是创造主体长期从事科学研究活动的实践经验和知识储备得以集中利用的结果，是创造者日积月累地针对要解决的问题所思考的各种线索凝聚于一点时的集中突破，是创造者显意识与潜意识的豁然贯通。灵感还包含着丰富的情感因素，是创造主体整个身心的活动。A·爱因斯坦认为，物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，然而要通向这些定律并没有逻辑的道路，“只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律”。因此他明确提出“我相信直觉和灵感”⁽⁵¹⁾。

图7-7　C₆H₆环状结构

【注释】

(1)列宁：《哲学笔记》，人民出版社1993年版，第78页。

(2)同上书，第223页。

(3)转引自周林等主编：《科学家论方法》第1辑，内蒙古人民出版社1983年版，第357页。

(4)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第118页。

(5)W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第133页。

(6)《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1971年版，第601页。

(7)鲍亨斯基：《当代思维方法》，上海人民出版社1987年版，第40页。

(8)转引自许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第438页。

(9)C·G·亨普尔：“归纳在科学研究中的作用”，《自然科学哲学问题丛刊》1981年第2期，第32页。

(10)卡尔·波普尔：《猜想与反驳——科学知识的增长》，上海译文出版社2005年版，第65页。

(11)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第438页。

(12)转引自约翰·洛西：《科学哲学历史导论》，华中工学院出版社1982年版，第15～16页。

(13)亚里士多德：《工具论》，广东人民出版社1984年版，第216页。

(14)同上书，第256页。

(15)F·培根：《新工具》，商务印书馆1984年版，第80页。

(16)同上书，第12页。

(17)同上书，第82页。

(18)F·培根：《新工具》，商务印书馆1984年版，第117页。

(19)同上书，第81页。

(20)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第541～542页。

(21)同上书，第102页。

(22)同上书，第372页。

(23)同上书，第68页。

(24)转引自N·R·汉森：《发现的模式》，中国国际广播出版社1988年版，第92页。

(25)N·R·汉森：《发现的模式》，中国国际广播出版社1988年版，第93页。

(26)N·R·汉森：《发现的模式》，中国国际广播出版社1988年版，第78页。

(27)公元前1世纪，西赛罗（公元前106年至前43年）在论述修辞学的论文中，将“ε ＇ παγωγη ＇”翻译成拉丁文“inductio”，这就成了英文“induction”（归纳）的词根。

(28)列宁：《哲学笔记》，人民出版社1993年版，第150页。

(29)G·J·孟德尔之所以能够作出这样的猜想，除了运用统计性归纳法，还由于借助了“简单性”的预设。显然，是由于借助了长期习惯形成的约定俗成的理论认识，当前的现象就像其他无数已知的物质世界的现象一样，都是一些简单的原则，都是一些简单的比例值。

(30)汤川秀树：《创造力和直觉》，复旦大学出版社1987年版，第88页。

(31)《维纳著作选》，上海译文出版社1978年版，第35页。

(32)A·爱因斯坦、L·英费尔德：《物理学的进化》，上海科学技术出版社1962年版，第158页。

(33)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第24页。

(34)范岱年、赵中立、许良英编译：《爱因斯坦文集》第2卷，商务印书馆1977年版，第89页。

(35)同上书，第224页。

(36)陈克晶：“思想实验在科学认识中的作用”，《哲学研究》1985年第10期。

(37)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第284页。

(38)转引自W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第56页。

(39)转引自周昌忠：《创造心理学》，中国青年出版社1983年版，第211页。

(40)W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第58页。

(41)A·L·魏格纳：《海陆的起源》，商务印书馆1964年版，第8页。

(42)J·D·沃森：《双螺旋链》，今日世界出版社1970年版，第120页。

(43)同上书，第154页。

(44)同上书，第194页。

(45)L·费尔巴哈：《费尔巴哈哲学著作选集》下卷，三联书店1984年版，第504页。

(46)转引自W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第74页。

(47)M·K·E·普朗克：《从近代物理学来看宇宙》，商务印书馆1960年版，第27页。

(48)范岱年、赵中立、许良英编译：《爱因斯坦文集》第2卷，商务印书馆1977年版，第84页。

(49)转引自W·I·B·贝弗里奇：《科学研究的艺术》，科学出版社1979年版，第60页。

(50)J·R·柏廷顿：《化学简史》，商务印书馆1979年版，第299页。

(51)许良英、范岱年编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第102页。