赫歇尔对“科学发现方法”与“科学证明方法”的区分

赫歇尔对“科学发现方法”与“科学证明方法”的区分

约翰·赫歇尔（John Herschel，1792—1871）是著名天文学家威廉·赫歇尔的儿子，在父亲的影响下，他从小就对科学非常感兴趣，在天文学和光谱学方面取得了诸多成就。在科学哲学方面，赫歇尔1830年出版的《试论自然哲学研究》一书被认为是当时最全面论及元科学的著作。赫歇尔在科学哲学领域最重要的贡献就是区分了“科学发现的方法”与“科学证明的方法”，他指出科学理论的提出和对科学理论的辩护和证明是两个不同的问题，关于科学发现，他认为从观察到定律和理论有两个途径：归纳和假设，他指出得到科学理论的方式并不是唯一的，无论是细致的归纳还是大胆的猜测，只要其理论演绎结果与观察一致，就是合理的；关于科学证明，他认为科学定律和理论推导的结果应与观察相一致。赫歇尔指出有三种类型的事例能使定律或理论得到确证：一是在比较极端情况下的事例；二是意料之外的事例；三是“判决性”实验。

（一）科学发现的程序

在赫歇尔看来，科学发现的第一步首先是分析现象，即将复杂的现象划分为其组成部分或不同的方面，并将注意力集中到对解释现象具有决定性作用的性质上来。为此，赫歇尔专门举了人能够听到声音这种自然现象以说明如何还原复杂现象。他指出，声音现象可以初步分解为：“第一，一个发声体本身受激运动。第二，这一运动传到介于发声物体和我们的耳朵之间的空气或其他媒介物上。第三，这样的运动按照天然顺序沿这种媒介物的粒子传播。第四，这一运动从贴近耳朵的媒介物粒子传到耳朵上。第五，这一运动在耳朵里按照一定的机理传给听觉神经。第六，引起感觉。”^[50]因此，通过对声音现象的初步“分析”，就可以得到两个最基本的方面，即发声体的振动和人耳的感觉。对应地，要完整地解释人听到声音这个现象就需要用到有关声源物体振动时内部运动的知识以及与听觉相关的心理学知识。

在将复杂现象分解为简单现象之后，科学发现的第二步就是试图将这些简单现象作为原料，从中提取出自然定律。“赫歇尔的自然定律包括性质的相关和事件的顺序两方面。”^[51]他分别就这两个方面举了例子，关于性质的相关，赫歇尔是借用波义耳定律和惠更斯假说来说明的，他指出波义耳通过研究气体在恒定温度下体积和压力的相关变化，对大量实验数据进行了归纳总结，得出了体积和压强成反比的结论，这就是得到自然定律的第一个途径——“通过应用特定归纳格”；与之不同的是，惠更斯假说不是通过归纳而是通过大胆假设的方法得到的，因为该假说认为在双折射的冰洲石中异常光线是以椭圆形的方式传播的，但是惠更斯的时代，人们并没有光是横波的概念，因此他只能使用类比的方式来提出椭圆传播这样的假说，而不能从诸多观察与实验事件中通过归纳的方式得到。另一方面，赫歇尔针对事件的顺序所举的例子是伽利略的自由落体定律，可以看出该自然定律是通过归纳法得到的，在此不做赘述。

得到自然定律还并没有完成科学解释，更重要的一步是将一些相互有关联却又相对独立的自然定律归并为理论。与上一步的方式相类似，赫歇尔认为理论或者来自于对自然定律的进一步概括和归纳，或者来自于通过大胆地创造假说将原先没有联系的定律相互联系起来所形成的一系列定律。关于赫歇尔的理论发现模式，我们可以用下图表示：

赫歇尔的理论发现模式^[52]

（二）科学证明的方法

赫歇尔认为，理论是依靠合理地提出假说和对相关自然定律的归纳概括得到的，反过来理论也应该能够解释定律，并且应该能够被观察和实验所证实，这一证实的过程就是科学证明过程，因此他强调科学理论或定律能够被证明的具有可接受性的最重要的标准就是它们能否与观察相一致。对于确证科学理论的程度来说，赫歇尔认为有三种类型的经验事例比其他事例更具有意义。

第一类重要的经验事例是极端情况下的事例，即特例，赫歇尔所举的例子是在验证伽利略自由落体定律时，检验一块银币和一根鸡毛在真空环境中是否具有相同的加速度，这样就可以更加严格和准确地验证该定律是否为真。

第二类重要的经验事例是意料之外的事例，即该事例并未被包含在提出理论时所预计会观察到的那些事例集合之内。赫歇尔指出：“一种有充分根据的和广泛的归结的最可靠和最好的特征……是当它的证实可以说是由于几乎不可能料到会证实的那些方面，或者甚至在最初被认为对证实不利的那类事例中自发地引起注意时。”^[53]针对这样的事例，赫歇尔举了发现双星系统椭圆轨道的例子，他认为这并不是牛顿在提出其力学理论时所预计到的现象，因此属于意外的确证，从而对于证明牛顿力学理论来说意义更加重大。

第三类重要的事例就是“判决性实验”，赫歇尔认为其至关重要，一个理论能否经受住这类实验的检验，对于我们是否接受这个理论具有决定性的影响。赫歇尔举了弗朗西斯·培根提出的一个实验作为案例来说明判决性实验的意义，这个实验就是比较在高海拔地区和矿坑内以重力作为驱动力的钟摆走时的变化情况，并对照在这两个地方以弹簧作为驱动力的钟走时的变化情况，由此来判定物体在地球表面上表现出的向下的加速度是由于地球引力造成的还是物体内部自身的某种机制导致的结果。当然，这只是培根设想的而非真实完成的一个实验，因此赫歇尔还讨论了帕斯卡设计的一个判决性实验，该实验通过比较在山顶和山底密闭细管中的汞柱的高度，证实了汞柱在密闭细管内上升的原因是大气压强，而非自然界“厌恶真空”的结果，从而证明了托里拆利“空气海”假说的正确性。当然，现代科学哲学对于判决性实验是否存在及其效力都还是有争议的，但是通过一些特别的事例来否证理论的方法在科学研究过程中非常有意义，并且也说明了理论的价值正在于它经得起实验的反驳和攻击，同时也有利于为理论划定一个合理的适用范围。