科学发现的真正起点

一、科学问题：科学发现的真正起点

1.科学发现始于问题

科学发现的起点是什么？长期以来，一种广为流行的观点认为，科学是依据人们对自然界进行观察的产物；科学发现始于观察实验，或者说是经验。因而在语源学上，人们最初采用“实验科学”或“经验科学”这类词语指称科学，实属必然。

在历史上，古希腊的亚里士多德曾提出过“归纳-演绎”的程序理论，近代的牛顿则总结出“分析-综合”的程序观，他们都认为科学发现的起点是通过观察实验所获得的经验事实。在现代也有人依据认识源于实践的哲学基本命题，进一步推出科研始于观察实验，认为观察实验是实践活动，是人们获得感性认识的方法；既然认识从实践开始，从感性上升到理性，科学研究自然应当而且必须从观察实验开始。

科学发现当然与观察事实有关，但是，如果被观察到某一事实并非引出问题，那么这种事实，即使是观察到前人从未观察到的新事实也不会因此而进入新的研究。例如，德国物理学家W·C·伦琴1895年发现了X射线，而在此之前，英国的W·克鲁克斯等人也曾观察过类似的异常现象，但他们并未由此引出新问题，做出新发现。科学中关于氧的发现、青霉素的发现等，也各有一段类似的历史。可见，科学观察本身不足以成为科学发现的起点。再从理论上看，研究对象越是远离经验世界，如各门学科中的理论研究部分，其研究越是不可能直接从观察实验入手。如果否认这一点，无异于从根本上取消理论研究本身。

实际上，作为科学发现的第一个环节，即引导科学家作出发现的起点不是观察实验，而是问题。针对科学发现始于观察这一基本信念，20世纪一些科学哲学家提出了强烈的质疑。英国的K·R·波普尔明确指出，如果从收集事实的观察实验开始，然后再建构理论，实际上是不可能的。这是因为：首先，要求研究者第一步就去“观察并记录一切事实”，这一点实际上是永远无法完成的。“一切事实相对于人的认识来说是一个无穷集合，研究者永远不可能穷尽一切事实”；其次，观察和实验离不开理论，尽管通过观察可以引出问题，但观察过程总是要渗透、伴随着预设的问题，观察总是有选择性的，它需要有一个挑选出来的观察对象，需要明确一定的任务，需要带有一定的兴趣，需要持有一定的观点，需要怀着一定的疑问。观察要首先回答观察什么、为什么观察和如何观察的问题。在维也纳，K·R·波普尔为了让一群学物理的学生意识到这一思想，给他们作了一个演讲。一上来，他就指令他们：“拿出一张纸和一支笔，仔细地观察，并且把你观察到的写下来！”学生们莫名其妙，不知道要观察什么。K·R·波普尔指出，这就是没有问题而引起的。科学认识主体总是以解决科学问题为目标，有选择地搜集事实材料，有目的地进行科学观察和实验，而与问题无关的东西往往任其流散，不在科学认识主体中引起信息效应或思维共鸣。由此，1967年K·R·波普尔在“没有认识主体的认识论”的论文中提出了一种新的科学认识活动的模式，即著名的猜想与反驳的模式。按照这种模式，科学和知识的增长永远始于问题，终于问题⁽¹⁾。

当代美国科学哲学家T·S·库恩也持这种观点。一方面，T·S·库恩认为常规科学就是解决难题。这里的所谓难题，就是出现了理论无法解释的现象和问题，库恩认为常规科学家的科学研究正是从这些难题开始的；另一方面，在T·S·库恩看来，当大量难题出现，“范式”发生危机时，就需要用新的“范式”来代替旧的“范式”，这时就需要发明新的理论。科学的危机，实际上就是理论结构内在矛盾的暴露，也是理论自身问题的显现。所以，处于科学革命时期的科学家的科学活动也是从科学问题开始的。

“科学发现始于问题”和“科学发现始于观察”这两种观点有着原则上的区别。前者把科学发现看作是能动的、创造性活动，后者则把科学发现看成是自发的、消极的活动。科学发现就是为了解决科学问题。如果在科学家的大脑中没有任何问题，那就不会激发科学家去作出创造性的科学发现。

当然，“科学发现始于问题”并不否认以实践为基础的认识一般规律，它们是从不同角度提出的不同命题。它们既相互区别又相互联系。科学发现始于问题是对于具体的科学认识过程而言的，它告诉我们从何着手研究，它与人类认识源于实践并不矛盾。从认识发生学的角度和科学认识的总秩序来说，问题最终来自观察实验，科学始于观察和实验，认识源于感性经验。我们既不能由认识源于实践简单地断言科学发现始于观察，也不能由科学发现始于问题错误地推出科学始于问题。

2.科学问题的界定与逻辑结构

什么是科学问题？科学问题是指在特定时代，科学认识主体在分析当时科学背景知识基础上提出的科学认识上和科学实践中需要解决的矛盾。在思维形式上，科学问题表现为科学认识主体的疑问和认识矛盾。疑问是由“知道怎么办”的常识性认识过渡到“为什么如此这般”的理性思考的思维活动，而认识矛盾则反映了现象事实与以往知识背景所发生的冲突。不管是疑问还是认识矛盾，都反映了认识主体所处的特定的认识状态。这也就是说，科学问题的具体确定都是与科学家个体或科学共同体的“当前状态”有关。就个体而言，某一“问题”的确定是合理的，但置于群体（科学界）则不成为“问题”，或是一个早已解决的问题。所以，从科学的角度看，广义的问题定义是：“某个给定的智能活动过程的当前状态与智能主体所要求的目标状态之间的差距。”⁽²⁾这就是为什么在科学研究的起始阶段，常要求科学家全方位、系统地查阅国内外已有的研究成果和资料，目的就在于评价该问题研究是否存在差距，是否具有探索意义。

科学问题是一定时代的产物，一定的时代所提供的知识背景决定着科学问题的内涵深度。比如，探索遗传的奥秘是一个古老的问题，在19世纪末的知识背景下，A·F·L·魏斯曼提出的是“种质”的问题，20世纪初T·H·摩尔根提出的则是“基因”问题，到了20世纪50年代，J·D·沃森和F·H·C·克里克则提出了生物大分子DNA的结构问题。由此可见，科学问题的内涵因知识背景的不同而有所变化。除此之外，背景知识还制约着解决问题的途径。有些问题受目前认识和实践水平的限制，一时尚无法进行研究，这些问题还不能称为科学问题，只有在一定条件下，它才能转化为科学问题。例如，追溯宇宙的起源，是一个早已提出而未解决的问题。20世纪以前，这主要是用神学进行解释的宇宙创生问题，直到20世纪40年代，G·伽莫夫把广义相对论理论同宇宙演化结合起来，又进一步引入基本粒子理论和核物理理论加以研究，才使宇宙起源变成一个科学问题。

科学问题是有逻辑结构的。在科学问题中蕴涵着问题的指向（即问题所指的研究对象）、与特定的疑问词相联系的“疑问项”（简称问项）和求解的应答域（简称答域）。问项即是提问的内容。例如，“燃素的比重是多少？”“DNA分子的结构是怎样的？”这两个问题所指示的认识对象分别是“燃素的比重”和“DNA分子的结构”。科学问题的问项对于科学研究具有重要的指导作用，只有正确的问项才能使问题获得正确的答案，而虚假错误的问项则将研究者引入歧途。答域是指问题的提法本身所假定的问题解的范围或“存在域”，即在问题的提法中所确定的域限，并假定所提出问题的解必定在这个域限之中。科学问题作为一种特殊的知识形态，它所提供的知识不仅表现在提出探索的对象，而且表现在提示答案的存在范围。这意味着，在科学问题的结构中已经包含了问题求解的目标、预设的求解范围和方法。尽管这种预设仍是一种猜测，是可错的，但在科学探索过程中却能起定向和指导作用。其原因在于，这种包含应答域的科学问题，排除了许多因素，能对解决问题提供明确的指向，有利于科学探索。N·维纳在1948年所提出的关于信息论如何发展的问题就是如此。他明确指出：“我们必须发展一个关于信息量的统计理论，在这个理论中，单位信息量就是对具有相等概念的二中择一的事物作单一选择时所传递出去的信息。”⁽³⁾N·维纳在这里提出了一个需要探索的科学问题，问题的目标是发展一个关于信息量的统计理论，问题的应答域是应用统计理论和单位信息量的基本概念。

科学问题中所设定的答域可能是各种各样的。它可能是一个限定得非常具体的类域，也可能是一个无所限定的全域。当我们问：“脚气病是由什么细菌引起的？”这时，它所设定的应答域是一个非常具体的类：细菌。相应地，它排除了自然界中无数其他的类。而当我们问：“脚气病是由什么原因引起的？”这时，除了假定引起脚气病总是有原因的以外，对于问题的应答域几乎没有作任何限定，它是一个全域。显然，问题的提法中所设定的应答域愈小，限定得愈具体，它的指向性愈明确，对于科学研究的指导性就愈强；反之，在问题的提法中所设定的应答域愈宽，愈缺少限定，它所排除的东西就愈少，指向性就愈不明确，因而对科学研究的指导性就愈弱；那些泛泛提出的全域性应答域的问题，由于它没有作任何排除，因而它所包含的信息量就微乎其微，它对科学研究也就没有什么指导作用。若一个科学问题预设的应答域是错误的，即问题的解不在所设定的应答域之内，它将会使人劳而无获。只有改换应答域，才可能获得成功。试图证明欧氏几何中的第五公设就是这样的案例。寻求第五公设的直接证明是数学史上持续了两千多年的科学问题。尽管前人在寻求证明的应答域中已多次失败，后人仍然坚信只要改变证明方法，迟早会找到它的直接证明。许多数学家为此一无所获仍不肯放弃求证第五公设的目标，在已有的应答域中不能解脱。19世纪初，俄国数学家N·I·罗巴切夫斯基对求证这一疑难问题的做法产生了怀疑。他大胆地提出了反问题，即第五公设不可证明，改变了应答域和问题的目标。他采用反证法，创立了非欧几何，为几何学开拓了新领域。事实说明科学问题中应答域设立得是否合理，直接决定着该问题是否有解。

一切科学问题都具有问题的指向、与特定疑问词相联系的“问项”和求解的答域三要素。这就是科学问题的基本逻辑结构，也是科学问题的实质所在。它说明，问题不仅意味着无知，而且包含着已知，是“未知”与“已知”的对立统一。P·B·科普宁说：“问题不仅是未知性，而且是关于未知东西的某种知识。问题不单是不知，而且是关于不知的知识。”⁽⁴⁾“所谓关于不知的知识”，一是指对于“未知”这一特定研究对象的已具备的确定的知识，二是指在“已知”中蕴涵着关于所要求解的对象的某些不确定的知识，即问题的问域所提供的关于问题之解存在范围的假设。问题所表达的知识，显然是不完整的、部分的，以至于要求人们对它进一步开展研究。同时，问题所表达的知识又是某种确定的知识，我们确实知道一些东西，它在问题中构成一种约束与限制，它约束问题的解答范围与解答空间，从而为寻求解答确定一个方向。倘若没有对问题的一定的预设和约束，就不可能表达任何一个问题。而如果我们没有一定的知识空隙，我们所要知道的东西都知道了，就同样不可能形成任何问题。所以要求提供信息的同时也提供了一定的信息；有时问题甚至有很大的信息量，它可以帮助形成假说，它自身包含了解决问题的途径。

3.科学问题的分类

根据科学问题的性质和研究的需要，对科学问题可以进行不同的分类。如根据学科的性质可以将问题区分为基础理论问题和应用研究问题；根据问题在整个所要达到的目标中的地位可分为关键问题与一般问题。此外，科学问题还有如下两种重要的区分。

（1）常规问题与非常规问题

根据科学问题与背景知识的关系，可以把科学问题划分为常规问题和非常规问题。

所谓常规问题，是指已获得实践检验和社会公认的背景知识即主导背景知识为前提而形成的科学问题。它的问项和答域都是在主导背景知识启发下提出的。其中正确的常规问题存在正确的解答，它的解答和主导背景知识是相容的。这种解答将使已知的理论更加充实、完善和系统化。错误的常规问题的问项和答域也是在主导背景知识的启发下提出的，但它在常规理论的框架内却找不到正确的答案。在根据该类问题进行研究的过程中，会发现主导理论所不能说明的科学事实，这些科学事实构成了非主导的背景知识，由此而引出非常规问题。例如，在19世纪末，根据经典电磁理论提出的测定“以太风”的速度问题是一个问项错误的常规问题。由于测得“以太风”的速度为零，因而导出了一个与经典电磁理论不相容的问题即非常规问题：“以太确实是存在的吗？”

在一定历史时期内，根据非主导背景知识（即未获得实践检验和社会公认的背景知识）提出的科学问题是非常规问题。非常规问题要求突破主导理论的框架解释新的科学事实，或是要求进一步发展和证实非主导知识。非常规问题的内容是和主导理论不相容的，它的提出是对主导背景知识的挑战。例如在19世纪和20世纪之交，在经典物理学已经获得完满的发展和占据统治地位的情况下，出现了“两朵乌云”，即该理论无法解释的实验事实，一个是迈克尔逊-莫雷实验，一个是热辐射实验。根据前者，A·爱因斯坦提出了“如果绝对运动是不存在的，那么自然规律将是什么样子的？”的问题；根据后者，M·K·E·L·普朗克提出了“能量是否不连续？”的问题。这两个问题都是非常规问题。又如在能量守恒和转化定律的普适性被公认的情况下，提出“在β衰变过程中能量是否不守恒？”在宇称守恒定律的普适性被公认的情况下，提出“在弱相互作用中宇称是否不守恒？”这些也都属于非常规问题。

非常规问题的提出和解决往往会导致对主导背景知识的否定和更换，甚至引发新的科学革命。

（2）经验问题与概念问题

如果人们对自然界发生的许多奇异的现象和事件试图进行解释，就构成了一个经验问题。例如，“为什么重物会自然下落？”“为什么孩子的相貌很像他们的父母”等等，就是一些经验问题。经验问题总是发生在一定的背景之中，部分地受到背景的规定，在某一背景中提出的问题在另一种背景中就未必成为问题，因此什么可以被看作是经验问题，部分地依赖于我们的理论。

经验问题又可以分三类：（a）未解决问题，是那些未被任何一个理论有效解决的经验问题；（b）已解决问题，是那些已经被某种理论所解决了的经验问题；（c）反常问题，某一理论虽然未能解决，但却已成为与此理论相竞争的一个或多个理论解决的经验问题。在这里，已解决问题有利于理论地位的确立，反常问题为反对某个理论提供了证据。未解决问题只为我们指出新的理论探索方向。科学进步的重要标志，就是把未解决的问题和反常问题转变为已解决的问题。

所谓概念问题，是指这种或那种理论所显示出来的问题。它是理论所特有的，不能独立于理论而存在。如果说，经验问题是有关某一领域的实体的第一层次问题，那么概念问题就是有关理论的概念结构基础是否牢靠的更高层次问题。概念问题又可分为两类：一是内在概念问题，即由理论内部逻辑不一致或基本范畴不清而造成的问题；二是外在概念问题，即由同一领域或不同领域的两个理论之间的矛盾冲突而造成的问题。一般认为，解决一个概念问题比解决一个经验问题重要得多。科学理论的发展，常常起因于对概念的非难。著名物理学家E·马赫正是通过对牛顿的绝对空间和绝对时间的概念和批判，认识到牛顿力学的局限性所在，而A·爱因斯坦正是通过对同时性概念的分析促成了相对论的创立。

概念问题往往隐藏在科学理论的深处，科学家常常通过所谓的“悖论”或“佯谬”来揭示概念问题的存在。如果从一个理论中能推出它不能成立的结论，就构成一个悖论或佯谬。悖论或佯谬或者表明理论本身有缺陷，或者表明理论中蕴涵着未被人察觉的深刻内容。物理学、天文学中的佯谬如麦克斯韦妖佯谬、薛定谔猫佯谬、引力佯谬等，都是如此。

4.科学问题的意义

通过对科学背景知识的分析而提出的科学问题，特别是基础自然科学中的问题，常常是向那个时代的科学理论提出的挑战或诘难，而且这种挑战或诘难有时甚至动摇了那一时代的科学的根基，以致被某些人称为“灾难”，由此造成了科学的“危机”。然而，正是这种挑战或诘难，有力地推动了科学的进步。

1935年，A·爱因斯坦和L·英费尔德合著的《物理学的进化》一书曾剖析了G·伽利略在《关于两门新科学的对话》（1683年）中提出的光速问题，认为G·伽利略是以独创的新思想巧妙地解释了人们早已司空见惯的传统观念——亚里士多德关于光是瞬间传播的经验现象和结论，提出了光的传播即使再快也有速度的问题。当时，G·伽利略曾试图在相距较远的两座山上测定光信号的速度，但是因为历史条件的局限、实验的技术条件不具备而失败，然而从此测量光速就成为物理学领域的基本问题之一，被许多物理学家当作毕生科学研究的课题。正是基于对光速这个基本物理常数的测定，才引出了迈克尔逊-莫雷的以太实验零结果。由于物理学在以太问题上陷入了困境，才引出A·爱因斯坦的“光学悖论”，提出了狭义相对论和广义相对论，并导致了物理学的伟大革命。所以，爱因斯坦称伽利略是“近代物理学之父”。对于G·伽利略提出光速问题的普遍意义，A·爱因斯坦进行了高度的概括，他指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”⁽⁵⁾

“科学本质上是解决问题的活动”⁽⁶⁾。科学探索的逻辑是：提出问题→解决问题→提出新的问题。由于问题的解决是相对的，在科学的历史上，没有一个已经完全解决的问题，也没有一个永远不变的问题。因而又导致新问题的出现。德国著名数学家D·希尔伯特对此曾作过十分深刻的说明：“历史教导我们，科学的发展具有连续性。我们知道，每个时代都有它自己的问题，这些问题后来或者解决，或者因为无所裨益而被抛到一边并代之以新的问题。”他说：“只要一门科学分支能提出大量问题，它就充满生命力；而问题的缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”⁽⁷⁾

1990年，D·希尔伯特本人作为当时众望所归的国际数学权威，应邀在第二届国际数学家大会上作了题为“数学问题”的报告。这篇报告的视野囊括当时几乎整个数学领域，从中概括出了最富有生命力的23个问题，即著名的希尔伯特问题。这些问题，从它们被提出的那天起，就始终像一块块强大的磁石那样，吸引着全世界数学家们的兴趣，激励着数学的发展。即使在今天，这些问题也仍然散发着诱人的魅力。因为其中有些问题虽然已经解决，但又引出了新的问题；有些问题虽被否定，但因此找到了一条新的研究途径；有些问题虽尚在研究之中，但也已经结出累累硕果，并且肯定还会由此揭露出许多更新的问题。有鉴于希尔伯特问题对20世纪数学发展的伟大推动作用，国际数学家们专门为此撰写了一本文集，并于1976年以美国数学学会纯数学讨论会会报的形式出版，其题目就是《希尔伯特问题引起的数学发展》。

问题不仅推动研究，并且指导研究。由于科学问题本身蕴涵着“问题的指向”、“问题的应答域”，而问题的指向指示了研究对象，指明了研究方向；问题的应答域指示了求解范围，所以，科学问题本身能指导科学研究。例如，A·弗莱明提出的一个问题：是否绿霉具有某种作用而把它周围的葡萄球菌杀死了？这个问题所含问题的指向是：葡萄球菌的死因；问题的应答域是：假定绿霉具有的某种作用。A·弗莱明在这一假定的指引下从事葡萄球菌死因研究，获得了成功。

一个问题的提法是否正确，当然十分重要。正确地提出问题常常能引导人们在科研中获得成功，而一个错误的问题则往往使人遭受失败。但是，我们决不能因此断言，被事后的检验判定为错误的问题，在科学上必然是没有意义的。历史上许多提法错误的问题实际上曾经为科学带来巨大的收益。例如，17世纪、18世纪的时候，许多有志之士提出制造永动机的设想。虽然实践已经证明这种设想根本不能实现，但从历史发展上看，它仍然是有一定意义的，因为关于能量守恒定律的最初思想以及热力学第二定律的最初发现，几乎就是从永动机的失败中得来的。又如，在R·克劳修斯发现了热力学第二定律以后，由于同时引出了“宇宙热寂”的结论，造成了新的难题。为了解决这一难题，J·C·麦克斯韦设想了一种“麦克斯韦妖”，从而提出了自然界中存在一个反热力学第二定律过程的可能性问题。这实际上是从一个新的角度又提出了研制第二类永动机的可能性问题。从当今科学的角度看，J·C·麦克斯韦关于“妖”的设想以及由此提出的问题，并不是合乎实际的；但是，历史表明，J·C·麦克斯韦所提出的问题决不是没有意义的，它极大地加深了人们对热力学和统计物理学的探讨，一直到20世纪中期以后，它还极大地促进了非平衡态统计物理的研究，甚至还直接影响到量子物理学、化学热力学、控制学、人工智能、天体物理学等许多重要的学科领域。科学史证明，许多在今天看来似乎毫无价值的问题，在历史上却曾经起过重大的积极作用。

正是因为这种通过对科学背景知识的分析而提出科学问题对于科学发现的重要性，所以许多科学家都把善于提出问题看作是科研工作者的一种最重要的素养。著名物理学家E·费米认为，一个学生必须会解答习题，而一个研究工作者则还必须会提出问题。1949年，他和他的学生杨振宁合作写了一篇题为“介子是基本粒子吗？”的论文，当时杨振宁不打算发表它，而E·费米却提议发表，其理由是：“我们提出的问题值得发表”，至于问题是否被解决，“我们不存在任何幻想，不能认为我们无论提出什么见解都能符合实际”⁽⁸⁾。