科学理论的逻辑结构与性质

一、科学理论的逻辑结构与性质

1.科学理论的逻辑结构

科学理论的逻辑结构，是指构成科学理论体系的知识元素（概念、定律、原理等）的一种相对稳定的联系方式，表明知识元素在一个科学有机体中以何种方式结合起来。20世纪以来，关于科学理论的逻辑结构的研究，主要有N·R·坎贝尔的“假说加词典”理论、R·卡尔纳普的“两层语言模型”、C·G·亨普尔的“安全网理论”、A·爱因斯坦的“构造性理论”和“原理性理论”。

（1）N·R·坎贝尔的“假说加词典”理论

N·R·坎贝尔，系英国杰出的物理学家和科学哲学家，他的研究以对测量理论和科学理论结构的分析著称。1919年，他在撰写的书稿《科学的基础》中提出：“一个科学理论的形式结构是由一个假说和一本词典组成的。”⁽¹⁾他认为，理论的“假说”包括公理和从公理中演绎出来的定理；一个理论的“假说”是其真理性不能在经验上确定的陈述的集合；由于假说的术语并无经验意义，因此询问一个假说本身的经验真理性是没有意义的。“词典”即所谓“对应定义”或“符合规则”，是由关于假说的观念和具有不同性质的某些其他观念之间的关系的陈述构成的。词典中的陈述把假说的术语与其经验真理性能够确定的陈述联系起来。而借助于词典与假说相联系的那些观念，即不是假说观念的观念，N·R·坎贝尔称之为“概念”。“如果按照词典，一个由假说推导而来的关于假设观念的命题蕴涵关于概念的真命题，即蕴涵定律，我们就说该理论为真；因为关于概念的一切真命题都是定律。而如果那些关于假设观念的命题蕴涵某些定律，那么我们说，该理论说明了这些定律。”⁽²⁾

N·R·坎贝尔关于科学理论结构的观点可以用图8-1来表示。图中α、β、γ、……表示公理系统的项，连接项的线代表公理。公理系统与感觉经验领域之间的界线是通过词典的词条相连接的，这些词条把公理系统的某些项与实验上的可测量的性质联系起来。

图8-1　N·R·坎贝尔的“假说加词典”理论

N·R·坎贝尔强调指出，在许多理论中存在着没有词典词条的项：为了获得作为整体的一个理论的经验意义，并不需要把每个假说的项与实验上可检验的断言联系起来。在图8-1中，δ和ω在词典中没有提及。然而，整个公理系统（δ和ω是系统内的项）通过联系α和A、β和B、γ和C的词典词条与经验相联系。气体分子运动理论即是一个很好的例证。这个理论的公理陈述个别分子的质量和速度间的关系，但是个别分子的速度在词典中没有词目。虽然如此，个别分子速度与所有分子的均方根速度有关系，而均方根速度通过词典与气体温度和压强相关。

（2）R·卡尔纳普的“两层语言模型”

“两层语言模型”是逻辑经验主义关于科学理论结构的一种“正统”的观点，曾为人们普遍接受的标准看法。它是德国著名哲学家R·卡尔纳普在继承和发展坎贝尔关于科学理论结构的观点的基础上提出来的。

1939年，R·卡尔纳普在发表于《国际统一科学百科全书》第1卷的一篇有影响的论文“逻辑和数学的基础”中指出：“任何物理理论甚至整个物理学都能够用一个解释系统的形式来描述，包括具体的演算（公理系统）及其解释的语义规则系统。”⁽³⁾之后，他在“理论概念的方法论性质”一文中详尽而具体地论述了科学理论的“两层语言模型”。

在这种模型中，“全部科学语言L被看作包含两个部分：观察语言L₀和理论语言L_T”⁽⁴⁾。观察语言L₀由观察语词V ₀和一些逻辑常词组成。“V ₀是标示事件或事物的可观察属性（例如“蓝”、“热”、“大”等等）或它们之间的可观察关系（例如“X较暖于Y”、“X接近于Y”等等）的谓词。”⁽⁵⁾理论语言L T由理论语词V T和数学语言（包括一些逻辑常词）组成。理论语词V T用来标示一般是不可观察的或非观察的对象（例如电子、原子、电磁场或引力场等）。观察语言L₀中的语句应该是能够完全地被解释的，因为它们是能被经验所直接验证的。而理论语言V T由于在一开始尚未同观察语言L₀建立联系，因而其中的理论语词V T是未曾加以解释的。“系统T本身是一个未经解释的公设系统。”要使某科学理论中的理论语词V T得到解释，必须借助于对应规则C。对应规则C对于科学理论语言系统L T是根本性的，“没有它们，V T的名词就将没有任何观察意义。”⁽⁶⁾对应规则C可以看作是一种“操作定义”，它可以使理论语词V T与观察语词V ₀联系起来。联系的做法是：先从这个理论中推演出一些可观察的定理（观察陈述），而有了这些可观察的定理，就能够用观察的方法得到经验的证实。因此，科学理论体系中的理论语词是能够被经验间接地证实并获得意义的。

概括地说，R·卡尔纳普提出的科学理论体系的“两层语言模型”，其下层是关于观察事实的陈述（单称陈述），其上层是关于理论的陈述（全称命题），人们通过对应规则将上述两者联系起来，使理论陈述还原到观察陈述，从而使理论语词及整个理论陈述系统得到经验的解释。例如，在光谱学中，观察术语有“原子的线状光谱”，理论术语有“能级”、“电子跃迁”等，对应规则是：电子在不同能级轨道之间的跃迁对应于不同波长的光。

以R·卡尔纳普为代表的逻辑经验主义从科学语言的层次结构分析入手，用精细、严格的逻辑分析澄清了一些模糊的概念，求得了作为形式语言层次结构与作为内容的科学理论之间的统一，清晰地表明了科学理论内部的逻辑关系，使从经验上升到原理和从原理回到经验得到了很好的沟通。这样的分析是有益的，对科学理论的进步也起到了积极作用。但是，逻辑经验主义的观点也受到了广泛的批评，特别是20世纪50年代后期到60年代受到不断的抨击。这些批评指出：第一，观察语词与理论语词的严格区分是不可能的。一切名词，包括“观察名词”都至少有应用于不可观察东西的可能性。例如，当I·牛顿假设红光是由“红的微粒”（不可观察者）组成的时候，他就使用了“红的”这个“观察名词”。第二，观察陈述与理论陈述的严格区分也是不可能的。很容易找到这样的例子，在这种例子中，观察陈述是含有理论名词的。譬如，在“电子束被磁场吸引而偏斜”这一观察陈述中，“电子束”、“磁场”、“吸引”都是“理论名词”。可见，观察陈述和理论陈述不能截然分开。第三，把科学语言截然分成观察层次与理论层次，就是主张观察无需负荷理论，观察不会渗透理论，即只承认观察为理论提供经验基础和检验理论的作用，而不承认理论对观察的引导作用。

（3）C·G·亨普尔的：“安全网理论”

针对上述批评，美国科学哲学家C·G·亨普尔改进了“两层语言模型”，于1952年在发表于《国际统一科学百科全书》第2卷的论文“经验科学中概念形成的基础”中提出了关于科学理论结构的“安全网理论”。

C·G·亨普尔认为，逻辑经验主义关于传统意义标准的判据的一般意向基本上是合理的，但是在用法上过于简单化，观念也极其笼统，因而，他“不大相信，这个笼统的观念有可能改述成一条准确的普遍的判据，（a）在有纯逻辑意义的陈述与有经验意义的陈述之间，（b）在确有认识意义的句子与确无此种意义的句子之间，划定截然分明的界线”⁽⁷⁾。他认为，首先，科学理论中语言的认识意义具有解释系统的特征，它只能为整个理论系统所具有，其根本标志表现为由可观测的术语对该理论系统作出的解释。因此，并不是单个陈述，而是整个陈述系统，才能作为意义的最基本的单位。他说：“在科学理论中，单独一句句子照例不能推出任何观察句；要能从它推导出断定某种可观察现象出现的推论，非把它同其他辅助假说的某个集合连接在一起不可。在后者之中，有一些通常是观察句，另一些则是预先采纳的理论命题。”⁽⁸⁾例如，论断光线在太阳引力场中偏斜的相对论，要能推出关于可观察现象的论断，就非把它同相当大的一套天文学和光学理论连接在一起不可，正如非把它同大量的与检验该假说的日蚀观测中所用仪器有关的专门命题连接在一起不可。“所以，假使认识意义是能够赋予某种东西的，也只能够赋予表述在有良好结构的语言中的整个理论系统。在这类系统中认识意义的决定性标准仿佛就是存在一种用可观察对象给出的该系统的解释。”⁽⁹⁾换句话说，意义的最基本的单位不是单独的陈述，而是陈述的系统。认识意义具有解释系统的特征，认识意义只能为整个理论系统所具有。由此出发，他认为在确有认识意义的语句和确无认识意义的语句之间，没有明确的界线，同时，在有纯逻辑意义的陈述和有经验意义的陈述之间，也没有明确的界线。

C·G·亨普尔指出，理论的经验内容是由科学理论的结构来保证的。一个理论包含了两个部分：一是所谓的内在原理，内在原理描述了理论概念的属性和行为，是纯粹的理论语句；二是所谓的连接原理，连接原理将理论中的部分理论概念与可观察的经验联系起来。由于内在原理，理论的所有理论概念之间形成了完备的逻辑联系，由于一部分理论概念通过连接原理与可观察经验发生了联系，内在原理与连接原理的结合使所有的理论概念产生了经验意义，使人们能够从理论中推导出经验定律来。他说，各种有意义的系统按一定层次排列成一个系列：首先是那样一些系统，它们的全部非逻辑词汇均由观察词汇组成；其次是那些主要依赖理论构想来表达的理论；最后是些很难同潜在的经验发现有任何关系的系统⁽¹⁰⁾。

显然，C·G·亨普尔的意义理论是一种整体观的意义理论，而不是传统逻辑经验主义的一分为二的意义理论。C·G·亨普尔把他这种关于科学理论结构的意义学说形象地称为“安全网理论”，它可用图8-2来表示。图中，这个安全网的上层是理论系统，由公理（网线）与未定义的词项（网结）组成。安全网的支撑杆表示语义规则。在安全网的底层，则是观察层次，它由观察陈述组成。理论系统中只有少数理论陈述，即未定义的词项（网结），通过语义规则（支撑杆）与观察层次中的观察陈述有直接联系；有相当一部分理论陈述，即未定义的词项要通过公理（网线）与其他的理论陈述连接起来，因而它们与观察陈述只有间接的联系。整个理论系统就像是由未定义的词项和公理形成的一张纵横交叉的理论语言网络，它由语义规则固定地支撑在观察层次的平面之上，从而取得其经验基础，获得其意义，所以显得安全而可靠。

图8-2　C·G·亨普尔关于理论“安全网”的想象图

C·G·亨普尔的“安全网理论”说明，不同的理论陈述在取得意义的过程中，与观察陈述的联系是非常不同的，有的是直接联系，有的是间接联系。即使看起来几乎与观察陈述没有什么联系的那些理论陈述（它们处于安全网的中心），在整个理论系统中同样是有意义的，当然其认识意义的程度是有区别的。C·G·亨普尔的这一理论极大地模糊了有意义命题和无意义命题、理论语言和观察语言的严格区别，阐述了科学理论的整体性的结构观。

（4）A·爱因斯坦的“构造性理论”与“原理性理论”

A·爱因斯坦认为，可以把物理学理论区分为两种不同的类型：“构造性理论”（constructive）和“原理性理论”（principle‐theory）。物理学中大多数理论都是“构造性理论”。这种理论是“从比较简单的形式体系（formal scheme）出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图像”⁽¹¹⁾。就是用某种更广泛的假说，将有关的理论、定律、经验公式构造成一个理论体系。如分子物理学，就是把有关的机械过程、热的传递和扩散过程、固体液体不同状态的物质运动特点等，都归为分子运动，用分子运动的假说来构造这些过程。具体地说，在19世纪60年代，热现象的微观理论才发展起来，R·克劳修斯、J·C·麦克斯韦、L·E·玻尔兹曼、J·D·范德瓦尔斯等人建立了关于气体热容量、热扩散、热传导、黏滞现象和液化的微观理论，并相应地发展了一整套系统的理论方法，在此基础上诞生了分子物理学。在分子物理学诞生之前，计温学、量热学都有相当的成就。但是，那时有关固体、液体、气体的基本属性如温度、密度、压强的理论都是独立存在的，这些经验定律和经验公式之间并没有表现出根本的联系。在分子运动假说提出之后，温度被看成是分子热运动的一项最基本的标志，密度和压强也从分子运动角度得到解释。因此，分子运动假说的提出，就把过去有关的经验公式和理论都集合起来，构成了一个更一般的分子物理学的理论体系。

构造性理论的优点是有适应性，容易形成。一般来说，只需把已有的定律、经验公式集合在某种假说之下，使这些经验公式得到统一的解释，就可以构成一个理论体系。由于这是一个综合的过程，所以，只要这些经验公式不存在根本的错误，也就不会影响构造理论的基础。

所谓“原理性理论”，“使用的是分析方法（探索性的演绎法），而不是综合方法。形成它们的基础和出发点的元素，不是用假设构造出来的，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”⁽¹²⁾。相对论就属于这一类，如狭义相对论中的狭义相对性原理是力学相对性原理的直接发展，光速不变原理则有麦克斯韦和洛伦兹电动力学成就的支持。原理性理论的形成，比起构造性理论来要困难一些，它需要直觉；而且，从原理演绎出一系列结论，还需要有良好的数学基础。但是，原理性理论的优点在于它逻辑上严谨、完美。此外，原理性理论演绎出来的所有结论都可以成为理论正确与否的判据，只要其中有一个结论与经验事实发生矛盾，整个理论体系都必须加以修正，甚至被推翻和重建。比如，狭义相对论推演出的时间变慢效应、空间收缩效应、质量增加效应、质能关系式等结论，都必须得到经验的支持。

A·爱因斯坦关于科学理论体系的这种区分虽然是针对物理学的，但对各门基础学科均有普遍意义。尽管这两类理论的构造方法并不相同，但在结构形式中都有共同性，即从若干基本概念（可以作描述性说明但无需定义）出发，通过揭示概念的关系而形成基本原理（可以来自假说也可以从经验中得到），再运用基本原理而推导出（或证明）各种定律，这些定律中常常包括由基本概念经过定义而形成的派生概念。比较成熟的科学理论体系一般都具有这种结构。

2.科学理论的基本性质

科学理论是人们在社会实践中所获得的关于客观事物的本质及其规律性的认识，是经过逻辑论证和实践检验并由一系列概念、判断和推理表达出来的知识体系。它具有下述基本性质。

①系统性。科学理论不是各种孤立的概念、原理的简单堆砌，也不是互不相关的各种论点、论据的机械组合，而是根据自然对象的有机联系，由它的知识单元（概念、定律、原理等）按系统性原则组成的有内在联系的知识体系。

②逻辑性。科学理论是一种具有严密逻辑联系的概念、范畴体系。它概念明确、判断恰当、推理正确、论证严密，亦即合乎逻辑。不但能从基本命题和基本原理出发推论出各种具体的命题和结论，而且各种具体的命题和结论可以从逻辑上加以推演和证明。

③真理性。科学理论是客观事物的本质及其规律性的正确反映。它通常具备三个基本条件：第一，建立科学理论所凭借的事实材料是经过实践复核且证明是真实的；第二，根据这些事实材料所提出的试探性理论已经得到实践确证，并经得起实践的进一步检验；第三，根据这种理论所作出的科学预见已在实践中得到证明。但是实践是历史的活动，受到历史条件的制约，因而科学理论也是一定历史条件下的产物，并在一定的实践条件下经受检验，它只能从一定的侧面，在一定的深度和广度上反映客观事物的本质及其规律性。所以，任何科学理论既有客观性⁽¹³⁾、绝对性的一面，又有条件性、相对性的一面。

④预言性。科学理论能够预言及说明其建构时尚属未见的现象，从而还能拓宽人们的知识及理解。借助于科学理论，人们不仅能理解许多起初令人困惑不解的现象，理解许多在历史上发生过的事件，而且还能显示一些预料不到的关系，远远超出这些原理所依据的实在范围，科学地预言人类尚未认识的新事物和新现象，预测客观事物的运动、变化、发展的趋势与特点。例如，A·爱因斯坦的广义相对论不仅解释了已知的水星轨道的缓慢进动，而且也预言了光在引力场中的弯曲。这一预言与后来的天文观测结果相符合。J·C·麦克斯韦的电磁理论意味着电磁波的存在，并预言了电磁波传播的重要特性。这些推论后来得到了H·R·赫兹的实验工作的确认，并为无线电传输技术等应用技术提供了基础。

⑤主体间性。其英文是intersubjectivity，亦译作主体际性、主观际性、主体通性，是“表征自我与他我关系的现象学概念”⁽¹⁴⁾。科学理论能够被科学共同体所理解，接受他们用实验重复检验，并在他们之间进行讨论、交流，这就是主体间性。早在18世纪70年代，I·康德就以先天形式表示主体间具有一定的共同性质即主体间性，指出只有用先天形式去整理、综合、改造经验，才能产生科学知识。后来，H·庞加莱提出“约定论”，认为科学理论之所以为“真”，取决于科学家们的“约定”。H·庞加莱的所谓的“约定”，其实就是主体间性。科学理论的客观性，是与科学共同体中的主体间认可相互联系的。恰如E·莫兰所指出的：“客观性是一个绝对确定的事物。它是由明显的相互协调的观察和验证加以确定的。这些观察和验证本身的成立需要有主体间的交流。而这些交流显然是在一个环境内部、在人们所说的科学共同体的内部进行的。”⁽¹⁵⁾当主体间性成为科学理论的一个因素，当科学理论与科学事实成为一个自治的系统时，主体间性就获得其客观性。

⑥多元性。是指理论模式的多元性。即“对应于同一个经验材料的复合，可以有几种理论，它们彼此很不相同”⁽¹⁶⁾。比如，在同一微观领域，对于同一对象，就有E·薛定谔的波动力学和W·K·海森堡的矩阵力学两种形式完全不同的但同样有效的物理学理论。波动力学运用的是微分方程，其出发点是波动性，而矩阵力学运用的是代数方法，其出发点是粒子性。1926年，E·薛定谔和W·E·泡利等人证明，波动力学和矩阵力学是完全等价的，只要经过一个数学变换，就可以从一个理论过渡到另一个理论。

但须说明的是，科学理论的多元性只是表明科学真理的形式并非是惟一的，它绝不是指真理是“多元”的。因为认识论上的所谓真理“多元论”，其含义是指真理从其根本来源、标志和标准来说，不是一元的，而是“多元”的。

⑦还原性。即从逻辑和认识论的角度来看，一个科学理论能够用另一个科学理论来解释或理解。在这里，被还原解释的理论称为次级理论，而用于解释次级理论的理论称为初级理论（它通常是最原始、最本质，也最为人们所熟悉的理论）。换言之，如果有一个科学理论T₁被另一个内涵更丰富、覆盖范围更大的科学理论T₂所吸收、融合，我们就说，理论T₁已被还原为理论T₂。例如，G·伽利略的天体运动论和地球上物体的运动学可以还原为牛顿力学，而牛顿力学又可以还原为相对论。遗传学中基因的变化可用DNA分子的组成与结构变化来解释，这也就是经典遗传学的一部分还原为分子生物学。科学理论的还原，非但可以在两个同类的学科之间实现，而且能够在两个不同质的学科之间进行。在后一种情况下，次级理论所特有的某些描述性术语或理论术语是初级理论中所没有的。例如，在分子生物学中就不出现“基因”、“染色体”这些词语。科学理论的还原性，反映了两个知识领域在逻辑上和经验上的联系，是科学知识的综合性与统一性的具体表现。