“自上而下”与“自下而上”的科学方法特点分析

可以将以上所谈的称为“自上而下”的科学方法。它是从某个假说或原则(这些假说与原则以其简单性、美妙性著称,且能以简练的数学形式表达)出发,得到对所考察事物的描述,从而得到对特殊事例的预言。爱因斯坦的大部分工作是致力于“自上而下”的研究的。狭义相对论是建立在同时性的相对性以及在惯性系内的相对性原理和光速不变原理上的,导出了洛伦兹(Lorentz)表达式和质能关系式;广义相对论是建立在引力和惯性力等价原则,以及物理是不依赖于描写事件的坐标系的原则上的,从而导出了引力场方程。这些表达式和方程以美妙性、简单性和紧凑性而闻名。其优美令人叹服,但在应用上颇具局限性。直到100年后的今天,这个理论蕴含的所有现象还没有被完全揭示。我在《爱因斯坦“狭义相对论”的科学方法试析》与《爱因斯坦“广义相对论”的科学方法试析》两文中就是以这种“自上而下”的思路来剖析爱因斯坦的科学思想的。

另一个或许是更为普遍的科学方法,可被称为“自下而上”的方法。这一科学研究方法的过程如图4所示。这种方法从现象的实际出发,系统地整理实验的原始数据,并推导出某些规律。这些规律被提炼成假说(假设、假想),并被推广到更普遍的定律,根据定律在新的领域对现象做出预言,再用实验验证预言。通过一点点的积累,科学家们得出了比这些事实的总和更深刻的理论。由此可见,“自下而上”的方法总是伴随着实验的进展而发展的。对于大部分科学与技术问题,这种方法在确定突破口后,须拟定技术途径和方案,进行预备性实验。当预备性实验被证明是可行时,便可按此科研路线进行实验研究、理论推导、规律探索,即进行前验评价。然后在后验评价中,提炼假说(定理、原理),总结出一些规律性的东西,也就是提到理论高度来认识这一科学问题。

图4　科学研究的途径框图(自下而上法)

在我们分析“自上而下”和“自下而上”两种科学方法的过程中,便可发现有以下值得注意之点:

(1)idea始于问题,终于问题。所谓终于问题,实际上只是告一段落而已,因为旧问题的结束标志着新问题的开始。idea的产生既来自学问和经验,也来自对科学研究方法的掌握以及不懈的思考和探索。可以这样说,科学研究的过程,实际是不断产生idea的过程;或者说,idea贯穿于科学研究的全过程。

(2)进一步考察上述两种科学方法所提出的科学研究五步骤,可以发现:前面3步:疑难问题、突破口、假说或技术方案——主要偏向于归纳法,是先考察眼前的特殊的事实和情形,然后做出一些假说或技术方案。后面2步:前验评价和后验评价——主要偏向于演绎法。对于“自上而下”的方法,是先提出假说,再把这个假说的涵义(所包含的意义)一一演绎出来,看有什么结果——前验评价。然后用直接或间接的方法,证明某种前提(假说)是否真能发生某种结果——后验评价。一般来说,形式逻辑的方法在这里是远远不够的。“自下而上”的方法,是先提出技术方案,进行实验与理论论证。在后验评价中,当被确证后,须提炼假说(理论)和一些规律性的东西。

(3)科学研究五步骤中最重要的是第三步:假说或技术方案。很明显,第一步、第二步是要引起第三步的种种假说,而第四步、第五步则是把第三步的假说或技术方案演绎出来,加上实践验证,以确定“假说或技术方案”是否符合实际。因此,第三步是承上启下的关键。从一般科学研究方法来看,它是归纳法的结果和演绎法的开始。在提出第三步假说或技术方案时,涉及许多问题,如对问题总体上的把握、前人成果的理解,甚至有灵感、机遇等问题。在做假说或技术方案时,一方面要思考问题的各个方面和各个环节;另一方面要拿当前的问题来限制我们假说的范围,不至于上天下地胡思乱想。此外,每提出一个假说,都要推想它所包含的意义和效果,并用这种推想出来的效果来评判所提出假说的价值。或者在每提出一个技术方案时,就要想到这个方案的方方面面,如方案的先进性、经济性与现实可能性等。

(4)科学研究的途径实际是猜想-反驳的过程。猜想(提出假说)是一个过程,它要经过艰难曲折的道路,要不断地消除错误。消除错误的过程,即反驳的过程,也是一个批判的、革命的过程。因此,科学在本质上是批判的、革命的。

我们提出的假说、猜想必须接受批评和检验。有的被淘汰,而有的则暂时被证明为成功。后者虽被看作确认度高的理论,但它必须接受更严格的批评和检验;当它最终被证伪时,一个与原来的问题截然不同的新问题便产生了。这个新问题要求创立新假说,接着又开始了新的批判和检验。

科学哲学家波普尔把科学发展描述为一个不断猜测和不断批判的永不止息的动态过程。他认为,科学家要站在科学发展的前列,就必须怀着批判和革命的精神,勇于冒险创新,敢于犯错误,直至取得成功。这些思想无疑是符合辩证法的,因为辩证法“对每一种既成形式都是从不断的运动中,因而也是从它的暂时性方面去理解。辩证法不崇拜任何东西。按其本质来说,它是批判的和革命的”。这些思想是符合科学发展的事实的。

因此,在科学的发展过程中,竞争和选择进行得越充分,科学的生命力就愈旺盛,科学就愈繁荣,进步就愈迅速。

科学研究在得出新的成果,并建立新的理论时,只有具备解释、相融和预见这3个条件才能成立:

(1)解释——能概括科学研究中出现的新现象,解释新发现的事实。

(2)相融——同旧理论相融,或使旧理论成为新理论的一个特例。

(3)预见——做出新的科学预见,并被实践证实。

任何新理论的建立,在逻辑上都要具备这3个条件。缺乏其中的任何一条,都会使提出的新理论失去应有的科学价值。上述第三步到第五步的进程正是为了严格遵循上述逻辑思维规则。