科学理论发展的内在逻辑

二、科学理论发展的内在逻辑

由于科学在整个社会中是一种相对独立的系统，它的内在矛盾运动是科学理论发展的内在逻辑。科学发展的内在矛盾运动主要有科学理论与科学实验的矛盾、科学理论之间的矛盾、科学理论内部的逻辑矛盾以及由此而表现的不同观点和学派的争论等。

1.科学理论与科学实验的矛盾

在科学内在的各种矛盾运动中，科学理论与科学实验的矛盾运动是一个基本的起决定作用的要素，它贯穿于科学发展的全过程，构成了科学发展的最基本的内在逻辑。

科学理论与科学实验的对立统一，是由于科学实验把感性的实践活动与理性的理论思维紧密地联系于自身之中。一方面，科学理论是建立在由科学实验所提供的经验事实的基础之上的，倘若没有科学实验，科学理论也就成为无源之水、无本之木。“不论在哪里，实验方面的研究总是理论认识的必要前提，而且理论方面的主要进展只是在实验结果压力下而不是依靠思辨来取得的。”⁽⁵⁾另一方面，任何实验又不是盲目的、自发的，而总是在一定的科学理论指导下，有目的地、自觉地进行的；无论是实验课题的确定、实验的构思和设计，还是对实验结果的分析和概括，都离不开一定的科学理论。正如I·康德所描述的：“理论只是按照自己的计划而产生的东西里面才有其洞见，绝不可使自己让自然的引带牵着走，而必须自己依据固定的规律所形成的判断原理来指导前进的道路，迫使自然对理性自己所决定的各种问题作出答案来。凡不是依据预先设计的计划而作出的偶然的观察是永远不能产生任何必然性的规律的，而发现必然性的规律就是理性的惟一任务。理性一手拿着原理（惟有按照这些原理，互相一致的出现才可能被认为等价于规律），另一手拿着它依据这些原理而设计的实验，它为了向自然请教，而必须接近自然。”⁽⁶⁾

科学实验作为科学认识活动中的活跃因素，它不仅能为科学理论提供新的证据而使科学理论获得检验，而且还能产生与已有科学理论不相容的更新、更深刻的经验事实，构成科学理论与新的经验事实的矛盾。为了解决科学理论与经验事实的矛盾，就需要提出新的假说，而新的假说又必须通过科学实验的检验而成为科学理论。因而理论又回复到实验，但这已是更高一级的实验。实验之中又出现了新的经验事实，使科学理论与经验事实之间产生了新的矛盾，促使科学理论又向前发展。这样，从实验到理论，又从理论回到实验，如此循环往复，科学也就不断向新的层次、新的领域前进。

2.科学理论内部的逻辑矛盾：悖论

科学认识活动的成果是科学理论的逻辑体系。这种体系是借助于形式逻辑的规则建构而成的一个严密的、连贯的系统。形式逻辑的无矛盾性是其重要的特征。但是，这种无矛盾性要求的严格演绎结构只是一种理想情况。随着科学认识的发展，不能不偏离这种理想情况，从而导致逻辑矛盾的产生。这种逻辑矛盾是客观自然界普遍存在的矛盾运动在人们认识中的反映，也是科学认识本身所固有的矛盾的表现。因此，科学理论内部的逻辑矛盾也是推动科学发展的一个重要因素。

科学理论内部的逻辑矛盾主要表现在以下两个方面：

其一，科学理论的完整体系，是“由概念，被认为对这些概念是有效的基本定律，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的”⁽⁷⁾。其中，基本概念和基本假设，组成了理论的根本部分。但是，所研究的客体的不可穷尽性和我们的语言的局限性，不可避免地产生着认识中的矛盾。这些基本概念和基本假设往往包含着某些与客观实际不相符合的因素，或者其适合的边界、范围不清楚，而这些又往往被人们的感性直观经验或以往的认识图式所掩盖。只有在从旧的概念体系向新的、更完善的概念体系过渡的时候，这些蕴涵于基本概念或基本假设中的问题才会被揭示出来。例如，作为牛顿力学出发点的是所谓“绝对空间”、“绝对时间”和“同时性的绝对性”等基本概念、基本假设，而当把它运用于考察高速运动物体的时候，便遇到无法克服的困难。为了解决这一矛盾，就必须认定空间和时间是相对的，不能用“绝对空间”、“绝对时间”来描写，这就从逻辑上导致了相对论力学的出现。

其二，从一定的理论前提出发，可以同时导出在逻辑上互相矛盾的命题。它往往以“悖论”的形式出现。

“悖论”是英文“paradox”一词的意译，也有译为“佯谬”、“反论”的⁽⁸⁾。它在各种语言中都是一个多义词，广而言之，凡“似是而非”或“似非而是”的论点，“似矛盾而实包含真理”的言论，思维中出现的各种疑难，乃至普遍的自相矛盾的话语，都被人们称为“悖论”。而在科学文献中，“悖论”这个词是在一种特定意义上使用的，即指从某些公认正确的背景知识中逻辑地推导出来的两个相互矛盾的命题等价式。

构成一个悖论须具备如下因素：

①悖论都表现为两个互相矛盾的命题的等价式，其一般形式为

读作p当且仅当非p。经典逻辑的矛盾律（即拒斥逻辑矛盾式命题），是科学研究所普遍遵循的，因而，悖论也是科学家们所要尽力排除的。

②悖论作为一种特殊的逻辑矛盾，具有与普通的逻辑矛盾相区别的两个特征。第一，任何一个悖论都是相对于某些公认的背景知识（简称“共识”）而言的。这些共识既可以是人们公认的明晰的知识，也可以是人们不自觉地确认的共同直觉；既可以就普通人类思维而言，也可以就某一学科领域而言。第二，任何一个悖论都是从某些共识合乎逻辑地推导出来的。普通的逻辑矛盾大都是由于推导过程中发生了逻辑错误或思维混乱造成的，悖论则不然。如果推导过程本身出了问题，即使符合上述其他条件，也并不构成悖论。

具体理论悖论的一个典型代表，是与20世纪物理学革命密切相关的“追光悖论”。它在少年A·爱因斯坦的思想中已形成如下雏形：

“这个悖论我在16岁时就已经无意中想到了：如果我以速度c（真空中的光速）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”⁽⁹⁾

这个素朴的理想实验是否可以表述为一个严格的逻辑悖论呢？A·爱因斯坦在对该问题“十年沉思”的过程中，对它有了如下明晰的认识：

“上述悖论现在就可以表述如下。从一个惯性系转移到另一个惯性系时，按照经典物理学所用的关于事件在空间坐标和时间上的联系规则，下面两条假定：（a）光速不变；（b）定律（并且特别是光速不变定律）同惯性系的选取无关（狭义相对性原理），是彼此不相容的（尽管两者各自都是以经验为依据）。”⁽¹⁰⁾

显然，追光悖论建构的实质，就是在经典物理学的背景知识之下，经典相对性原理（以经典速度合成法则为本质要素）和光速不变这两个相互矛盾的命题均可推出，从而建立了两者之间的矛盾等价式。

“悖论”，在各门科学中都有所出现。如数学中的毕达哥拉斯悖论、无限小量悖论（贝克莱悖论）、集合论悖论等，物理学中的“可逆悖论”、“EPR悖论”、“光速悖论”、“双生子悖论”等，宇宙学中的“光度悖论”、“引力悖论”等，系统科学中的系统悖论等。

“悖论”的出现及其解决，对于科学发展具有特别重大的意义。尤其是科学上的所谓“危机”往往与“悖论”的发现息息相关，而“悖论”的解决，即导致了科学的突破性进展。例如，数学史上的三次“危机”，也就是数学领域的三次革命，都与出现的“悖论”及其解决有着直接的联系。第一次数学危机是由于不可通约的发现而引起的。毕达哥拉斯学派的希帕索斯发现了等腰直角三角形的直角边与斜边不可通约，它是一个无理数，这就和毕达哥拉斯学派所确认的一切量都可以用有理数来表示的普遍信条相冲突，从而被看作一个谬论，相传希伯索斯因此被抛入大海。但第一次数学危机却导致了古典逻辑和欧几里得几何学的诞生。微积分的诞生引起了第二次数学危机。因为在它诞生之初，它作为基础的无穷小概念是含糊不清的，导数、微分、积分概念也不清楚。这遭到了一些人特别是英国哲学家G·贝克莱的责难，称为贝克莱悖论。但克服第二次数学危机的努力导致了极限论及集合论的产生。最为深刻的第三次数学危机，危及到了现代数学的基础，它是由一连串的集合论悖论引起的。集合论悖论的研究，对于数学基础理论、逻辑学、语言学和哲学的发展都产生了深远的影响。

又如，20世纪30年代中期，A·爱因斯坦、B·波多尔斯基和R·罗森从定域实在论的观点出发，借助于思想实验提出了量子力学存在的一个悖论，即著名的“EPR悖论”：要么量子力学对物理实在的描述是不完备的，要么存在一种神秘的超距作用。这个悖论被某些物理学家称为20世纪的“新狂飙”，导致了一场举世瞩目的长期论战，涉及相对论与量子论的互斥性及其统一问题，极大地促进了物理学的发展。

此外，就科学理论的检验而言，悖论作为一种特殊的逻辑矛盾，是一种重要的证伪手段。在一个理论内部出现逻辑矛盾，便说明该理论是有问题的。虽然，一般的逻辑矛盾的出现，并不能宣布理论的崩溃，也许是在推导过程中或在某些枝节问题上出了毛病，经过适当调整和修改即可解决问题，排斥矛盾；但是，如果经过反复检查、修正仍然不能排除矛盾，便意味着悖论的产生。由于悖论是从理论的基本原理推导而来的，所以对于理论的证伪是具有“判决性”的。

可见，“悖论在知识的历史中已经起到了极其重要的作用，它常常预示着科学、数学和逻辑学的革命性的发展。在任一领域，每当人们发现某一问题不能在已有框架下得到解决时，就会感到震惊，而这种震惊将促使我们放弃旧的框架，采用新的框架。正是这样一种知识融合的过程，才使数学和科学中诸多重要观念得以诞生”⁽¹¹⁾。

3.科学理论之间的矛盾与不同学派之间的争论

科学理论之间的矛盾，主要有一门学科内部不同理论之间的矛盾和不同学科的不同理论之间的矛盾。

（1）一门学科内部不同理论之间的矛盾

如物理学中“微粒说”与“波动说”、“热素说”与“热之惟动说”，“原子论”与“反原子论”；化学中的“燃素说”与“氧化说”、“价键理论”与“分子轨道理论”；生物学中的“特创论”与“自生论”、“机械论”与“活力论”、“预成论”与“卵源论”、“物种不变论”与生物进化论、摩尔根学说与米丘林学说、“自然选择学说”与“中性学说”；天文学中的“地心说”与“日心说”、关于太阳系起源的“俘获说”与“旋涡说”、“灾变说”与“星云说”；地学中的“水成论”与“火成论”、“渐变论”与“灾变论”、“固定论”与“活动论”等。

（2）不同学科的不同理论之间的矛盾

如J·C·麦克斯韦所建立的电动力学本质上就与牛顿力学发生逻辑矛盾。因为在J·C·麦克斯韦建立的电磁理论中，光速不变是一条重要原理，它意味着光速是不可超越的极限速度；而在牛顿力学中，相对性原理即伽利略原理是一条重要原理，根据这一原理，光速不应存在极限速度。又如，R·克劳修斯的热力学第二定律与C·R·达尔文的进化论之间的矛盾。因为按照R·克劳修斯的热力学第二定律，世界是朝着消灭信息、产生混乱、增熵的方向发展的，而且其有效性又是无可怀疑的；但是，按C·R·达尔文的进化论，世界则是朝着由简单到复杂、由低级到高级、由信息量少到信息量多，即朝着产生信息、产生有序、减熵的方向发展。

不同的科学理论之间的矛盾，在科学领域中最终表现为不同观点和不同学派之间的争论。通过这种争论，极其有力地推动了科学理论的发展。归纳起来，大体上有下述三种情形。

第一，两种理论的矛盾是正确认识与错误认识的对立，通过争论，其结果是正确的理论更替了错误的理论，达到了正确的认识。在科学史上，N·哥白尼的“日心说”与C·托勒密的“地心说”之争，A·L·拉瓦锡的“氧化说”与G·E·斯塔尔的“燃素说”之争，“热素说”与“热之惟动说”之争等等，就属于这种性质的争论。但是，正确的理论对错误的理论的否定并非全盘的否定，错误理论中所积累的大量事实材料往往被正确理论所采用。就以“燃素说”来说，虽然这一学说被“氧化说”否定了，“但是燃素说者的实验结果并不因此而完全被排除。相反地，这些实验结果仍然存在，只是它们的公式被倒过来了，从燃素说的语言翻译成了现今通用的化学语言，因此它们还保持着自己的有效性”⁽¹²⁾。

但是，理论的更替并不是一成不变的。有时候原来被更替的理论会在新的条件下在科学共同体中“复活”。比如地质学中“渐变论”与“灾变论”之争，在19世纪上半叶是G·居维叶一方占上风，而在下半叶则是C·赖尔一方占上风，进入20世纪，德国大地构造学家H·施蒂勒再次使灾变论复兴，以致至今难分高下。

在大多数情况下，被更替的理论的复活是其部分内容的复活。某一科学理论在与其他理论竞争中，由于该理论缺乏经验证据的有力支持，被其他更富有成果的理论所替代。但是，后来出现新理论时，又把被更替理论中合理的部分吸收进去，从而使更替理论中的部分内容得到复活。奥地利气象学家A·L·魏格纳在1910年提出了地壳运动的“大陆漂移说”。然而，他的学说碰到了难以解答的“驱动力”问题，即什么力量会使大陆漂移？当时，许多地球物理学家指出，海底并不是液态物质，大陆根本不可能在坚硬的海底上滑动，以后的事实也证明海底并不是平坦的。A·L·魏格纳的学说遭到了“固定论”的种种非议，就连他本人也不得不承认，形成大陆漂移的动力问题一直是处在游移不定的状态中，还没有一个能满足各个细节的完整答案。在漂移说与反漂移说的理论竞争中，鉴于传统“固定论”的反对，又加之“驱动力”论证不充分，到了20世纪30年代，“大陆漂移说”逐步沉寂下来，几乎被人们遗忘了，也可以说是被更替了。可是到了20世纪50年代，由于对古地磁学的研究取得了很大进展，鉴于对岩石剩余磁性的测定，发现了古磁极迁移的轨迹。这个奇特现象，其他学说无法解释，而用“大陆漂移说”就能解开疑团。从此，大陆漂移说由于新的证据的支持而得到复活。

第二，两种不同的科学理论从不同的侧面反映了自然事物的本质，通过争论之后，它们在更高层次上得到了统一，即综合而成一种新的科学理论。例如，I·牛顿的“微粒说”和C·惠更斯的“波动说”之争，地学中的“水成论”与“火成论”之争，等等，就属于此类性质的争论。在17世纪、18世纪，由于I·牛顿的威望，“微粒说”占优势。19世纪初，人们通过对光的干涉、衍射的研究，“波动说”逐渐占据优势。19世纪下半叶，麦克斯韦电磁理论的建立，有力地支持了光的“波动说”，但它与光电效应等实验结果相悖。1905年A·爱因斯坦根据M·K·E·L·普朗克的量子学说，提出了光量子假说，复兴了光的“微粒说”。1924年，法国科学家P·L·V·德布罗意在光有波粒二象性这一事实的基础上，提出实物粒子也具有波粒二象性的假说。1927年美国科学家C·J·戴维逊和L·H·革末以电子衍射实验确证了这一假说。至此，两种学说之争终于克服了各自的片面性，达到了辩证的综合。

第三，通过争论，发现存在于两种科学理论之间的冲突是虚拟的，并以创建的新理论为之提供了科学的解释和说明。例如，热力学第二定律所表现出来的退化规律与达尔文进化论所揭示的进化规律之间的矛盾，曾使许多科学家感到困惑。一种观点认为，生命有机体的行为与无生命物质的行为截然不同，热力学原理只适用于死的、无生命的物体；生命对于热力学第二定律是个例外，必须援引“生命原理”才能理解违反热力学第二定律的生命现象⁽¹³⁾。还有一种观点认为，进化论“违背了”热力学第二定律，生命不可能从简单到复杂地自发演变⁽¹⁴⁾。比利时科学家I·普里戈金则通过对这一问题的探究，创立了耗散结构理论。根据这一理论，系统究竟是趋向无序还是有序，那得看系统是趋向平衡态还是远离平衡态。趋向平衡态，则遵循热力学第二定律；远离平衡态，则在一定的内外条件下，出现新的有序结构，即耗散结构。生命有机体就是这样的结构。R·克劳修斯的热力学第二定律所体现的退化规律与达尔文进化论所揭示的进化规律，正好分别对应于趋向平衡态和远离平衡态这两种状态。这样，生命和非生命现象、生物与非生物规律便在一个统一的理论体系中获得了科学的解释和说明。