科学理论发现的模式

二、科学理论发现的模式

什么是科学理论发现的模式？它指的是科学定律、科学原理、科学学说等科学理论形式的发现所采用的程序、推理方式或方法。显然，探讨科学理论发现的模式，是以承认科学理论发现是一个理性的过程、承认科学发现有逻辑作为前提的。倘若把科学理论的发现理解为有萌发某一想法的瞬间行动，它就不会有什么模式。科学发现模式的探讨可以追溯到亚里士多德，他提出过一种归纳-演绎的发现模式。在近现代，则有所谓归纳主义模式、演绎主义模式、假说-演绎模式、逆推（溯因）模式等。这里，我们首先对这几种主要的发现模式作简要的分析与评估。

1.亚里士多德的归纳-演绎模式

亚里士多德是历史上最早系统研究科学发现模式的科学家和哲学家。他对于科学认识论和方法论最有影响的贡献之一，就是他提出的归纳-演绎模式。他认为，科学认识的第一阶段是从对自然的观察归纳出解释性原理；第二阶段是从解释性原理出发，演绎出符合观察现象的陈述。只有这两个步骤都完成之后，对自然现象的科学解释才得以完成。在这个过程中，解释性原理是第一阶段归纳而得出的结论，又是第二阶段进行演绎的前提。因此，解释性原理又称为科学的“第一原理”。在他看来，科学的“第一原理”一定是真的，“因为科学的第一原理反映了自然界除此以外不可能是其他的关系，所以这些原理不可能是假的”⁽¹²⁾。科学的第一原理的真实性，才保证了科学解释的真实性与可信性。科学的探索和研究就是这样交替地运用归纳和演绎的步骤。

在这一科学发现模式中，亚里士多德着重讨论了两类归纳法：简单枚举归纳法与直觉归纳法。所谓简单枚举归纳法，就是在简单的枚举过程中，关于单独对象的陈述提供出作为普遍结论的基础或前提。例如，观察过许多成年人都具有32颗牙齿，归纳的论证就可以作出结论：所有的成年人都具有32颗牙齿。所谓直觉归纳法就是直觉法，它是对体现在现象中的一般原理的直接把握，是一种洞察，是一种从感觉经验中直接获得本质的方法。他举例说，某人看见月球明亮的一面总是朝着太阳，因此，通过直觉归纳法推理出月球发光是由于对太阳光的反射⁽¹³⁾。亚里士多德认为“直觉就是科学知识的创始性根源，而科学的创始性根源是掌握原始的基本前提”。他强调指出：“我们必须借助归纳法去获悉原始的前提；因为感官知觉借以牢固树立普遍的方法是归纳的。”⁽¹⁴⁾亚里士多德对演绎三段论的论述也是广为人知的，他认为只有大前提、小前提和结论都是全称命题时，所获得的知识才是必然的真理。

2.F·培根的归纳主义模式

图7-1　F·培根的归纳主义发现模式

英国哲学家F·培根是继亚里士多德之后，系统地阐述科学发现模式的学者。他反对亚里士多德通过直觉建立基本原理的方法，强调“不能够允许理智从特殊的事例一下跳到和飞到遥远的公理和几乎是最高的普遍原理上去”⁽¹⁵⁾。他认为，“寻求和发现真理”的“真正的道路”是“从感觉与特殊事物把公理引伸出来，然后不断地逐渐上升，最后才达到最普遍的原理”⁽¹⁶⁾。他说：“在确立公理的时候，必须制定一种与一向所用的不同的归纳形式；这种形式不仅是要用来证明和发现（所谓）第一原理，并且也要用来证明和发现较低的公理、中间的公理，也就是说，要用来证明和发现一切公理。”⁽¹⁷⁾这就是说，科学发现的模式是从经验事实出发，逐步归纳上升为“较低公理”、“中间公理”直至“普遍公理”（图7- 1）。F·培根所说的“特殊的事例”是指来源于系统的实验以及整个自然史中搜集的事例；“较低公理”、“中间公理”和“普遍公理”是三种不同普遍程度的理论知识，是用所谓归纳推理的程序从搜集的经验事实中推引出来的，这是一个没有间断的归纳过程。

F·培根的这一科学发现模式是有意义的，它在形式上改善和丰富了亚里士多德的归纳过程，并且也曾谈到过演绎程序，他说：“我对于解释的指导含有两个类别的分部：一部是指导人们怎样从经验来抽出和形成原理；另一部是指导人们怎样从原理又来演出和推出新的实验。”⁽¹⁸⁾但是，F·培根从未把他解释自然的后一部分加以阐述，也就是从未对演绎及其程序进行过认真的讨论。这反映了他对归纳法的过分强调及对演绎法有意无意地忽视，表现出唯物主义的经验论的倾向。此外，他还反对假说，因为每一种假说都是想象力发挥的产物，F·培根不主张想象力的发挥，他说：“决不能给理智赋以翅膀，倒要系以重物，以免它跳跃和飞翔。”⁽¹⁹⁾这是他限制想象力，贬低和抑制假说，对理性方法的作用缺乏理解的一个典型的经验主义的箴言。

3.R·笛卡儿的演绎主义发现模式

在R·笛卡儿时代，F·培根的归纳主义发现模式，在经验科学中有深刻的影响。作为哲学家和科学家的R·笛卡儿，也十分强调科学方法的重要性，他认为如果没有方法，想去探求真理，那是绝不可能的。但是，他又不同意F·培根的方法。由于R·笛卡儿精通科学，深知数学的重要性，尤其是几何学的演绎证明方法给他留下深刻的印象，使他认识到理智的直观能力和演绎方法在科学发现中的作用。他认为，人类一切知识都可以如同几何学那样找出一些最基本的知识原理，可以从中推演出人类一切其他知识。于是，逻辑学和形而上学的知识、物理学和数学的知识等，都可以从共同的原理中演绎出来。如何找到这种作为演绎推理的基本原理，在R·笛卡儿看来，这无须借助于归纳法从经验中抽取出来，而要靠理智的直觉。并且，他认为最一般的原理是不证自明的、先验的。

R·笛卡儿的演绎主义模式，肯定了理性和演绎在科学认识中的重大作用。但是，它完全抹煞了公理的经验基础，无法回答人们是怎样认识那些不证自明的公理的，无法回答演绎推导出来的结论为什么有时与经验事实完全一致，有时又不相吻合。

4.假说-演绎模式

这一模式考虑到了假说的形成问题，并在一定的程度上体现了归纳和演绎模式的结合。其起源可追溯到19世纪中叶英国哲学家W·惠威尔所倡导的假设主义。之后，英国哲学家、逻辑学家W·S·杰文斯则将W·惠威尔的假设主义思想发展成为更为明确的假说-演绎模式。

假说-演绎模式的程序是：先发明新概念，并用它来综合事实而形成假说，再从假说中演绎出经验事实命题，最后将这些命题与观察实验的结果相对照，即对假说进行检验和修正。对这一科学发现模式争论最多的问题是假说是怎样形成的。归纳主义者强调最好的假说是满足归纳法要求的，而演绎主义者和假设主义者则强调假说要靠创造性的想象、直觉和灵感来建立，假说或理论是为解释事实而发明的。

假说-演绎模式揭示了科学理论发现的尝试性与创造性，强调了理性和演绎在科学发现过程中的重要作用，又强调了由假说演绎得出的结论须用经验来检验，以及假说的最后标准是与经验事实的对应。这种科学发现逻辑的确立，体现了经验论与唯理论的互相融合，反映了自然科学从近代向现代转变时出现的方法论要求。

现代科学的发展日益鲜明地显示了假说-演绎模式的重大作用。1952年，A·爱因斯坦在给挚友M·索洛文的信中所阐述的思维与经验联系的著名图式（图7-2），即是对W·惠威尔、W·S·杰文斯等人的假说-演绎模式的进一步发展与具体化。

图7-2　A·爱因斯坦的思维同经验联系图式

对于这一图式，A·爱因斯坦作了如下的解释：“（a）ε（直接经验）是已知的。（b）A是假设或者公理。由它们推出一定的结论来。从心理状态方面来说，A是以ε为基础的。但是在A同ε之间不存在任何必然的逻辑联系，而只有一个不是必然的直觉的（心理的）联系，它不是必然的，是可以改变的。（c）由A通过逻辑道路推导出各个个别的结论S，S可以假定是正确的。（d）S然后可以同ε联系起来（用实验验证）。这一步骤实际上也是属于超逻辑的（直觉的），因为S中出现的概念同直接经验ε之间不存在必然的逻辑联系。”⁽²⁰⁾

这里所表述的是A·爱因斯坦的一贯思想，他在1918年就说过：“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律”，而“要通向这些定律，并没有逻辑道路；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”⁽²¹⁾。他认为感觉经验对于物理学理论基础的关系“只能直觉地去领悟”⁽²²⁾。他还特别指出：“从某些最一般的原理出发，从它推出个别特殊的结论，然后再把这些结论同经验相比较”，是理论物理学工作者“一般采用的方法”⁽²³⁾。

5.逆推（溯因）模式

系由现代美国哲学家C·S·皮尔士、N·R·汉森等人提出的科学发现模式。它以逆推或溯因（abduction）的推理形式为依据。在逻辑上原是亚里士多德提出的一种叫做“”的不明的推理形式，即大前提完全正确，但小前提有问题的一种三段论式。20世纪初，C·S·皮尔士将其译作“逆推”或“溯因”，并首先将这种推理形式作为说明假说的逻辑模式，即把逆推看作形成假说的推理形式。他认为科学研究有三个阶段，分别使用了三种不同的逻辑方法：（a）通过逆推形式形成假说；（b）通过演绎从假说中推出可检查的命题；（c）用归纳和实验使假说合理化。C·S·皮尔士认为，逆推法与传统的归纳法和演绎法的重要区别在于：“演绎法表明某物必定如此；归纳法表明某物实际上在起作用；逆推只是提示某物也许如此。”⁽²⁴⁾

1958年，美国科学哲学家N·R·汉森在《发现的模式》一书中进一步用自己的“理论负荷论”（theory‐loaded theory）阐述了C·S·皮尔士的逆推模式，并从科学史上寻找到这一模式的历史根据，使这一模式在理论上更充实、更具体化。

图7-3　理论与观察的关系

N·R·汉森认为，观察与理论的关系有方向相反的两个方面，即一方面是理论通过“渗透”而影响观察；另一方面则从观察可以通过“提炼”而追溯出新理论（图7-3）。

N·R·汉森强调这个原理包含了他的两点基本思想。其一，平时人们用旧理论框架去“渗透”已熟悉的观察对象，觉得理当如此。可是当人们碰到新事实而不能用旧理论框架解释时，便会感到“令人惊奇”。这就预示客观上有某种新理论还未被人们所掌握。其二，这种新理论已“溶化”在新的观察事实之中，人们可以顺藤摸瓜，从新事实中“结晶”出那种已渗透于观察之中的新理论。这就是说，N·R·汉森把“令人惊奇”的事实看作某种新理论作用的结果；有果必有因，可以从结果中倒推出原因（新理论）。

所以，N·R·汉森对C·S·皮尔士的逆推发现模式作了这样的表述：“（a）某一令人惊异的现象P被观察到；（b）若H是真的，则P理所当然地是可以解释的；（c）因此，有理由认为H是真的。”⁽²⁵⁾

那么，怎样从新现象逆推出新假说呢？N·R·汉森认为主要靠科学家有牢固的专业基础，要有丰富的想象力，善于猜测。由P逆推到H，往往需要猜测产生个别经验事实的多种原因，经过逐个检验、试错，逐步逼近，最后才概括出真正的普遍性原因。

考察一下科学史可以发现，许多科学家在科学发现的过程中都运用了这种逆推模式。N·R·汉森以J·开普勒发现火星轨道的案例说明了这一点。

N·R·汉森指出，归纳主义者J·S·穆勒在《逻辑体系》一书中（第3册第2章第3节），把J·开普勒发现行星运动定律的思维方法，化归为归纳法，认为它们只不过是“对一组直接观察到的事实的简洁表述”。这是错误的、“荒诞可笑的”。假说主义者W·惠威尔等则把J·开普勒的思维方法归结为假说方法，认为“开普勒的成功”是由于想出了一种假说，从中推出能被观察检验的理论。这也是错误的。只要仔细地阅读一下J·开普勒的《论火星运动》一书就不难发现，他使用的是溯因法。

N·R·汉森指出，J·开普勒的研究不是从假说开始，而是从他的老师第谷·布拉赫所积累的大量观察材料开始的。他为了解释这些材料而首先提出的假说是“火星运行的轨道是正圆的”。这是由于他受亚里士多德的天体“完善运动”思想的影响。但是这种假说给出的距离与第谷观察到的距离不相符，这迫使他一次又一次地修改假说，从正圆的假说改为蛋形（完善的椭圆形）的假说，直到最后改为椭圆的假说，才达到与第谷的材料相符。于是他把对火星研究的结果又推广到解释整个太阳系，从而发现了著名的行星运动的三个定律。而这三个定律又为牛顿运用溯因法推论出万有引力定律提供了材料。因此，N·R·汉森推崇它是“科学史上的一次溯因法的最伟大的运用”⁽²⁶⁾。

N·R·汉森等人建立的逆推发现模式，以科学理论的可错性作为认识论基础，吸收了假说演绎模式的合理成分，强调了假说形成中创造性思维的作用，揭示了观察和因果说明中的理论渗透，并指出假说的最终标准是经验检验。因此，这个模式为当代许多科学家所接受。

6.逻辑-超逻辑发现模式

这是著者在分析、借鉴、改造上述模式的基础上所提出的一种科学理论发现模式。

对于科学发现模式的研究，最主要的是要对在科学发现中起决定作用的创造性思维的过程和方法进行研究。只有如此，人们才能断言存在着科学发现的模式，以及它应该和可能是什么样的。事实上，上面述及的各种科学发现模式的理论，都在试图回答这样的问题：科学理论是怎样产生的？它的真理性的标准是什么？科学认识又是怎样发展的？只是他们所主张的科学理论发现的途径不同罢了。一种观点主张逻辑的道路，是采用归纳、演绎等逻辑方法逐步上升到科学理论；另一种观点则主张“超逻辑”的道路，是通过想象、直觉、灵感形成科学理论。他们各执一端，把逻辑与“超逻辑”绝对地对立起来了。这两种关于科学理论发现的方法观点，实际上并不完全符合科学理论发现过程的真实情况。

应当充分地注意到，科学理论的发现是一种非常复杂的创造性思维活动的结果，其中既有归纳、演绎等逻辑因素，又有想象、直觉、灵感等“超逻辑”的因素。科学发现的创造性思维过程是逻辑的和“超逻辑”的方法的综合运用。所谓“超逻辑”，是说不是通常形式的逻辑思维。想象、直觉和灵感的思维过程，并不是根据一定的形式逻辑规则按部就班地进行的，它们不遵循固定的逻辑通道，而有意无意地打破固定不变的逻辑规则，在“非逻辑”方面另辟蹊径。也就是说，它比较“自由”，“不受约束”，常常表现为一种逻辑的中断，表现为思维操作的压缩或简化。想象、直觉、灵感等思维发生机制从本质上讲是“超逻辑”的，但从思维发生的过程来看，又有逻辑渗透在其中，特别是在“超逻辑”过程之前和之后，都离不开“逻辑”。脑科学的成就，尤其是美国心理生物学家R·W·斯佩里对“裂脑人”及大脑半球功能的研究，证明人脑的左右半球虽然在功能上高度专门化（左脑专司抽象思维，右脑专司形象思维），然而又是互补的，亦即人脑思维的发生，不论是逻辑思维，还是“超逻辑”思维的想象、直觉、灵感等，都是大脑两半球相互关联协调作用的结果。因此，从经验事实过渡到科学理论，不仅同时存在着逻辑的和“超逻辑”的道路，而且这两条道路也不是彼此平行、互相分离的，而是彼此交织、相互融通、相辅相成的。我们认为，科学理论发现的逻辑的与超逻辑的两个互斥的观点应该是互补的。由这两个观点互补而成的逻辑-超逻辑的科学发现模式，应该和可能成为科学理论发现的更真实的模式。

还需说明的是，无论是运用逻辑方法还是“超逻辑”方法，科学理论形成的过程都应该是经验与试探性理论并进的过程。A·爱因斯坦在谈到采用直觉思维形成科学理论时，就认为理论知识的形成应该是“理智的发明”与观察事实的比较，即公理的产生要基于试探性理论与经验的比较。所不同的是，超逻辑的直觉思维是从这种比较中飞跃到公理，而逻辑的道路则是采用逻辑方法逐步上升到科学理论。逻辑-超逻辑的发现模式，既不同于归纳主义和演绎主义的发现模式，又不同于假设主义的假说演绎模式，其重要区别之一便是它认为不存在纯粹的、不渗透理论的经验，经验与理论之间有着不可截然分离的联系。