科学理论的形式及其发现的本质

科学理论的形式及其发现的本质_当代科学技术哲学

一、科学理论的形式及其发现的本质

1.科学理论的基本形式：科学概念、科学定律、科学原理、公理、学说

科学概念与作为科学命题的科学定律、科学原理、公理等，都是反映事物本质和普遍必然性的科学理论形式。它们之间有着极为密切的联系：一方面，科学概念是作为科学命题的科学定律、科学原理等的组成部分，虽然各个科学命题陈述在范围和复杂性方面互不相同，但所有的科学命题均由科学概念构成；另一方面，形成的科学定律、科学原理等科学命题又深刻地揭示科学概念的内涵。

（1）科学概念

科学概念是在科学认识中反映事物本质属性的一种思维形式。它的形成是科学认识过程中的一次重大飞跃，是科学认识从经验层次进入理论层次的重要标志。

科学概念在科学认识活动中具有十分重要的作用。首先，科学概念是科学思维的“细胞”，是思维结构的基本单位。在科学认识活动中，只有形成科学概念，才能把握事物的本质和规律。概念、判断和推理是理性的三种形式。抽象思维的过程就是运用概念进行判断和推理的过程，因而只有形成科学概念，才能进行判断、推理的思维活动。其次，科学概念是科学理论的基础，是“认识和掌握自然现象之网的网上纽结”⁽¹⁾。科学认识的成果，首先是通过制定各种科学概念来加以总结和概括的。列宁说过：“自然科学的成果是概念。”⁽²⁾任何一门科学都有其特定的一些科学概念。例如，数学中的常量、变量、函数、极限、微分、积分、集合等科学概念，牛顿力学中的力、质点、速度、加速度、质量、万有引力、绝对空间、绝对时间等科学概念，量子力学中的量子、波函数、几率、跃迁等科学概念，化学中的元素、原子、分子、化合、分解、氧化、还原、化学键等科学概念，生物学中的基因、细胞、物种、变异、遗传、自然选择等科学概念，宇宙学中的宇宙、星系、恒星、黑洞、白洞等科学概念，等等。第三，科学概念是一定历史阶段科学认识的结晶，科学认识发展的过程就是科学概念发展的过程。随着科学实践的发展、科学认识的深化，当旧的概念与新的事实发生矛盾时，就需要创立新概念，以说明科学实践中出现的新事实，推翻或修正旧理论，推动科学认识不断发展。

科学概念有广、狭之分，反映事物的比较普遍本质的思维形式，通常称之为基本概念或范畴。并且，科学概念还常是成对成双的，例如力学中的引力与斥力，化学中的化合与分解、氧化与还原，生物学中的同化与异化、遗传与变异，宇宙学中的黑洞与白洞，等等。

科学概念具有不同于其他概念的逻辑特征。主要是：

①可确定性。是指科学概念在逻辑上的可确定性。即是说，作为一个科学概念应该是可以明确地规定其含义的。任何一个科学概念都不是孤立地存在的，在科学概念发生史的一定阶段，概念与概念之间必定构成可演绎的网络。因此，处于概念网络之中的某一概念，其内容和规定就可以通过内在固有的演绎和概念发生史上概念的联系与转化来得到保证。M·玻恩就曾建议把科学概念的“可确定性”这种逻辑特征提高到科学思维的基本法则的高度来认识，他说：“一个概念，不管是否可以应用于特殊情形，只要它是可确定的就使用它。”⁽³⁾例如，量子力学中的“量子”这一概念为什么能够成为现代物理学中的基本概念呢？关键就在于它具有可确定性，它与辐射、波粒二象性、物质波、测不准关系和波动力学等概念与理论处于一定的语义网络之中。正是这些科学概念的网络构成了对微观世界运动规律的描述与概括。

②可检验性。科学概念是思维对客观事物的本质属性的反映，因而具有在实践上的可检验性。可检验的含义是指从科学概念所蕴涵的意义出发，加上其他的辅助条件，能够导出可由实验直接检验或间接检验的命题。正如A·爱因斯坦所说：“物理学中没有任何概念是先验地必然的，或者是先验地正确的。惟一地决定一个概念的‘生存权’的，是它同物理事件（实验）是否有清晰的和单一而无歧义的联系。”⁽⁴⁾如“量子”这一科学概念，人们就可以间接地进行检验。人们虽不能直接地感觉到“量子”，但通过仪器的帮助和逻辑上的辅助条件，通过引入“波粒二象性”、“几率”和“测不准关系”等原理，就能将“量子”这一科学概念与一定的物理实验联系起来。各种物质的衍射实验可以直观地将物质射线解释为一种波动过程。A·H·康普顿研究的X射线的散射实验则可以为电磁辐射具有粒子性提供直接的验证。

③可变易性。科学概念并非静止的、僵化的。它的内涵和外延都可能随着科学认识和观测手段的发展而发生变化，甚至发生根本性的变化。科学概念的变易一般采取两种形式：一是在原有概念的基础上赋予新的含义，如遗传学中“基因”的概念，随着生物学、遗传学的发展而不断取得新的含义；二是扬弃原来的概念，引入新的概念，如在A·爱因斯坦的相对论中，扬弃了牛顿力学中的绝对时间、绝对空间的概念，引入相对性的时间、空间概念等等。

④可移植性。即指从一个学科的科学概念借用或移植到另一个学科，常常导致新的领域开拓和发现以及新学科的建立。英国科学家W·I·B·贝弗里奇指出：“有的时候，决定一项研究的基本思想是来自应用或移植其他领域发现的新原理或新技术。”⁽⁵⁾20世纪30年代，美国著名化学家L·C·鲍林将量子力学的波函数概念移植到化学中用以研究分子的微观结构，阐明化学键的本质。20世纪40年代，波动力学的创始人E·薛定谔将“量子”概念移植于生物学，率先引入“遗传密码”的概念，阐明了有机体的物质结构、生命活动的维持和延长、生物的遗传和变异等问题，开拓了研究生命现象的新途径。1981年，中国学者张颖清借用物理学激光全息照相的“全息”（holography）概念来描述生物相关全息性，提出了生物全息律，从而导致了全息生物学的建立。

（2）科学定律

即是一种反映自然过程必然关系的科学命题。它大致相应于必然关系判断，在于揭示自然过程的普遍必然性。在科学定律的表述中，常用“任何”、“都”、“总”或“总是”之类的词，典型形式为“任何……都……”，“每一……都……”等。例如牛顿第一定律：“任何物体，在没有外力作用的条件下，都将保持静止状态或匀速直线运动不变。”热力学第二定律：“孤立系统中热量总是自发地从高温物体流向低温物体，而不能自发地从低温物体流向高温物体。”有些科学定律的表述，虽然没有直接出现“任何”、“都”之类的词，但从上下文中可以看出，包含着这些词所表达的含义。例如，化学中稀溶液的主要定律之一的亨利定律通常表述为：气体溶解于液态溶剂而成稀溶液时，如气体分压力不太大，且气体在溶液中不与溶剂起作用，或虽起作用而极少电离，则被溶解气体的重量与其分压成正比例。

科学定律是有层次结构的，不同层次的科学定律表现科学认识的普遍性或深刻性的不同水平。从总体上说，科学定律可以分为经验定律和理论定律。前者相对地是处于较低的层次，它主要回答经验的普遍性问题，反映现象之间某种联系的普遍性，但并不能理解、解释这种普遍性，即只知其然而不知其所以然。例如，自由落体定律是一条经验定律，它说明了自由落体下落的距离与下落时间之间这种联系的普遍性。但是，何以如此呢？这并未予以解释。1869年D·I·门捷列夫建立的元素周期律揭示了元素性质随原子量递增而发生周期性变化，但不能理解为什么元素性质随原子量递增而周期变化。J·开普勒行星运动三定律是开普勒直接从第谷留下的天文观测资料中发现的。这些定律与观测资料相比，已具有理论总结的性质。然而，它们毕竟还只是对行星运动状况的描述，还不是对这些状况的解释，因而它们又具有经验定律的性质。经验定律作为低层次的理论，也有不同的层次。例如宇宙学中的哈勃定律：星系的退行速度（视向速度）同星系离我们的地球的距离成正比。这一经验定律是E·P·哈勃根据星系光谱线的红移现象概括出来的，而对星系光谱线的红移现象的解释是依赖于多普勒-斐索效应这一经验定律的。但是，不论是哪一层次的经验定律，都具有三个重要特征。第一，经验定律是直接从经验资料（观测数据、实验数据等）中抽象、概括出来的，因而直接与经验资料相联系；第二，经验定律的描述性，它只确定了一类事物“如何”或“怎么样”，并没有说明“为什么”，即它只知其然而不知其所以然；第三，经验定律不是对经验材料的简单描述，而是通过思维揭示了现象间的本质联系。这就是说，从经验资料到经验定律，是认识上飞跃；从经验资料中发现和确立经验定律，不仅需要一定的概念、理论或观念的帮助，而且需要科学家的创造性的思维活动。

理论定律是反映事物之间必然的因果联系，是对经验定律的理论解释。在科学知识的系统中，它是相应地处在比经验定律更高层次的地位。同时，理论定律还可以分出不同层次。相对于某种经验定律的理论定律，在另一种场合，又可以面对比它更普遍的或更为深刻的理论定律，这时原来的理论定律又成为新的理论定律的特殊表现形式。高层次的理论定律通常被人们称为“基本定律”。例如，万有引力定律：“两个物体之间必然相互吸引，引力的大小与两个物体的质量乘积成正比，与两者的质心距离平方成反比。”这一理论定律解释了行星遵循开普勒定律运行的原因。许多力学著作都指出，开普勒定律属于运动学的见解，而万有引力定律则是动力学的解释。从开普勒定律到万有引力定律，是由对结果的认识过渡到对原因的认识。所谓运动学的见解，主要反映物体运动的轨道是什么，动力学的分析则阐明了物体为什么会那样运动。更重要的是，从开普勒定律到万有引力定律，还是由对特殊事物的认识过渡到对普遍事物的认识。开普勒定律尽管有较大的适用范围，但终究只适用于太阳系的各个行星，而万有引力定律不仅适用于太阳系的一切行星，而且适用于一切天体（包括行星、恒星之间）和所有的物体。正是在这个意义上，牛顿把物体之间的相互吸引叫做万有引力。与经验定律相比，理论定律也有三个特征：第一，理论定律具有间接的实践性，即是说它间接与经验资料相联系；第二，理论定律具有解释性，即它不仅揭示了一类事物“如何”、“怎么样”，而且在一定程度上理解了“为什么”；第三，理论定律的发现和确立，不仅仅是整理经验资料的结果，更重要的是与新的概念的提出或某种理论的形式相互结合的。

（3）科学原理

在科学的理论体系中，以原理命名的命题，一般是指构成科学理论体系的基础命题。它通常着重表述自然过程的条件。例如，“熵增原理”，它表述“在孤立系统中，熵趋向于不断增加”。严格地说，熵趋向于不断增加，是在绝热过程（与外界不交换热量）中当物体处于平衡态时得出的。也只有在这种条件下，熵增原理才成立。与外界交换热量，熵不一定增加；远离平衡态时，熵也不一定增加。因此，人们对于熵增原理被无条件地推广到全宇宙而得出宇宙必定“热寂”的推断产生怀疑，是很自然的。又如，现代宇宙学中的“宇宙学原理”：“一个观察者，无论他在地球上，还是在宇宙的其他任何地方，观察他周围的宇宙时，所得到的结果都是相同的。”相对论力学中的“相对性原理”：“在一切惯性系中服从同样的自然规律”；“光速不变原理”：“在一切惯性系（真空）中，光速都相等。”显然，科学原理与理论定律一样，在科学知识的系统中也是相应地处于此经验定律更高层次的地位，而最高层次的原理通常被人们称为“基本原理”。

（4）公理、公设与定理

公理（axiom）或公设（postulates），是指可从中推演出其他陈述的科学命题。在实际应用时，公理和公设这两个术语常常互换使用，主要区别在于“公理”一词不仅具有数学上的含义，而且通常用来指不需要加以证明的、据定义而为真的判断和包含高度抽象概念的命题。恩格斯指出：“数学上的所谓公理，是数学需要用作自己的出发点的少数思想上的规定。”⁽⁶⁾在古希腊，亚里士多德把公理作为论证的原则，认为公理是一切演绎证明科学的出发点；公理是不加证明的命题，它通过逻辑证明而形成定理。“公设”这一词则常用作其真实性已被经验确证由假定而为真的、无须再检验的命题。定理（theorem），即是指从公理或公设中演绎出来的可直接检验的科学命题。虽然公理、公设被定义为真、假定为真，无须检验的，但是人们常常将经过演绎的命题即定理写成一个假设并检验之，这往往是检验整个理论的一种方法。

（5）学说

所谓学说，通常是指包含科学概念、科学定律和科学原理的比较复杂的说明因果关系的科学理论形式。例如，物理学中的“微粒说”和“波动说”；化学中的“燃素说”和“氧化说”；生物学中的“自然选择学说”、“基因学说”；天文学中的“地心说”和“日心说”、“宇宙膨胀说”和“大爆炸宇宙学说”；地学中的“灾变说”和“渐变说”、“火成论”与“水成论”、“大陆漂移说”、“海底扩张说”和“板块构造学说”等等。如同科学定律、科学原理一样，学说也具有多层次性。例如，地学中的“大陆漂移说”、“海底扩张说”和“板块构造学说”就是说明目前的海陆面貌的三个不同层次的学说。1912年德国科学家A·L·魏格纳提出的大陆漂移说认为，古地球只有一个大陆，周围是广阔的海洋；由于太阳与月亮的引潮力和地球自转产生的离心力作用，原始大陆分裂成几块，并作水平漂移，逐渐形成目前的海陆面貌。但是，大陆漂移说在当时并没有解决漂移的动力问题。20世纪60年代，人们又提出海底扩张说。原来，由于地幔物质的对流，海底在不断扩张，从而造成大规模的水平运动。之后，有的学者又进一步提出板块构造学说。这一学说将地球岩石圈分为太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块、南极洲板块等六大板块，认为板块内部地壳比较稳定，板块交界处是地壳比较活动的地带，有火山、地震活动以及挤压褶皱、断裂、岩浆上升和地壳俯冲等；由于地幔对流，板块之间发生相对运动，从而形成全球性构造。

2.科学理论的表达：科学语言和科学符号

科学认识活动要揭示事物的本质和规律性，必须借助于物质性的、可感知的科学语言和科学符号表述为明确的科学概念、科学定律、科学原理等科学理论形式。

科学语言，即是以科学语词（词汇）为建筑材料，以一定的逻辑规则或数学规则构成的体系。其科学性主要取决于科学词汇所表示的独立概念同客观对象的对应程度，即取决于科学抽象的程度。因此，抽象程度高的科学语言比抽象程度低的、表示同一意义的科学语言更具有科学性。

科学语言是在科学认识的过程中从自然语言提炼出来的。

所谓自然语言，即是人类的语言文字，它是人类最基本的、最普遍地使用着的符号系统。自然语言是在一定社会中历史地形成的一种民族语言。它以特定的语音、文字作为存储和传递信息的手段。这种手段是人类在一切活动中交流思想、认识、感情、意念所必需的，也是保存和传播科学知识的通用工具。在科学历史的早期，科学家大多使用的是自然语言，如巴比伦人对天文现象的表述、古希腊人对静力学原理的表述，用的都是所属民族的自然语言。自然语言符号系统具有多义性、歧义性、含糊性、语法结构不够严格统一等特征。这些特征通常不会妨碍社会信息的交流，但在科学思维中，如果完全采用自然语言来表达概念、进行判断分析，就会发生差错和悖论。于是，随着科学实践的发展，人们在自然语言基础上，逐步建立起了科学语言（科学符号）。

所谓科学语言或科学符号，即是用特定的符号描述对象的一种语言类型，是指各学科的专门科学术语（符号），用以表示严格定义的科学概念，表示事物之间的内在联系和本质规律。科学语言具有专义性、清晰性和严密性的特点。例如，各种化合物的构成各异，仅用口头语言难以弄清，若采用分子式这种科学符号来表示物质的构成，就使我们对物质结构的认识一目了然，也使认识成果的表达更加精确化。科学语言系统的发展经过两个阶段。第一阶段俗称“科学行话”，即在人们认识的每一领域中都有其特定的概念或命题，如物理学中的质点、力、动量、能量；生物学中的基因、染色体、细胞；天文学中的星云、类星体、黑洞等等。第二阶段称为形式化语言，它实际上是以数学、数理逻辑符号语言为蓝本的科学语言，是采用一组没有直观含义的符号、代码来代替自然语言中的主词、宾词、连词、量词、命题连接词等，根据一定的形成规则、公理和推理规则即变形规定组成的语言形式体系。“它完全撇开符号的本身意义，而根据某些只涉及符号书面形态的转换规则来进行符号操作。”⁽⁷⁾

科学语言不仅能直接地标志研究的对象，表示各种概念和概念之间的关系，而且还能以符号和符号公式的方式，简单明确地概括本学科内的思维过程中的复杂推理以及各种定理和定律。科学符号主要有：（a）数学符号，包括数字符号、字母符号、计算符号；（b）各门自然科学的专用名词符号，例如力学中的m（质量）、v（速度）、化学中的元素（以及同位素）的字母符号、分子量计算符号、化学方程式计算符号、分子形式的电子式计算符号、分子结构式的价键符号，生物学中以不同排列方式构成脱氧核苷酸的四种含氮碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）分别用A、G、C、T表示；（c）逻辑学符号，例如数理逻辑中的撤（否定词）、∧（合取词）、∨（析取词）、吃（等值词）、→（蕴涵词）。科学符号最发达的领域是数学。在数学中，用对象符号标志现实中的数量概念，用运算符号标志各数之间的运算性质，用关系符号标志各数之间的数量关系，把许多由词语表达的定理、公式运算法则变成符号关系式，即形式化的符号体系。在科学领域中，用特定的符号代替各民族自然语言中的各种词语，可使科学语言向统一化、精确化、形式化或模式化方向发展，有利于各民族、各国家科学知识的交流，有利于人们简便地、精确地处理科学思维和科学表述中许多复杂问题。

3.科学理论的发现：包含发明在内的发现

为了更好地理解科学发现的本质，在这里，我们得考究科学理论是发现的还是发明的这样一个问题。我们从“发现”和“发明”的概念说起。

在西文中，“发现”一词（英文discover，德文entdecken，法文d砪couvrir，西班牙文scoprire，俄文οткрытие）的语义是“使原来隐蔽着的东西显现出来”；而“发明”一词（英文invention，德文erfindung，法文invention）则意味着“想出、设计出或制作出某种新事物、新过程”。

在中文里，“发现”是指“本有的事物或规律，经过探索、研究，才开始知道”；“发明”则指“创造新的事物，首创新的制作方法”。

可见，中西文对“发现”和“发明”这两个词语的意义的理解是大体上一致的。第一，都认为“发现”与“发明”是指人类的一种探索性活动，并且这种活动必定产生确定的结果；第二，认为两者所产生的结果的性质是不同的，其区别在于作为“发现”的“探索性活动”的结果（对象）在这种活动之前是存在的；而作为“发明”的“探索性活动”的结果，在这种活动之前是不存在的。即是说，如果某一对象产生于“发现”，那么就意味着这一对象在“发现”活动之前就已经存在于自然界或人类社会；如果某一对象产生于“发明”，那么就意味着这一对象在“发明”活动之前是不存在于自然界或人类社会的。这种对于“发现”和“发明”的理解是适合于日常生活的。于是，人们才说A·L·拉瓦锡发现氧，D·I·门捷列夫发现元素周期律，W·C·伦琴发现X射线，A·H·贝克勒尔发现天然放射性现象，居里夫人发现镭，J·J·汤姆逊发现电子，C·哥伦布发现新大陆；毕昇发明活字印刷术，张衡发明地动仪，C·A·G·伏打发明电池，T·A·爱迪生发明电灯，A·G·贝尔发明电话，A·B·诺贝尔发明安全炸药等等。无论是A·L·拉瓦锡、D·I·门捷列夫、W·C·伦琴、A·H·贝克勒尔、居里夫人、J·J·汤姆逊、C·哥伦布，还是毕昇、张衡、C·A·G·伏打、T·A·爱迪生、A·G·贝尔、A·B·诺贝尔的“探索活动”，都产生了确定的结果。“X射线”、“天然放射性”、“镭”在W·C·伦琴、A·H·贝克勒尔、居里夫人之前久已存在，它们是自然界固有的，而“电灯”、“电话”、安全炸药在T·A·爱迪生、A·G·贝尔、A·B·诺贝尔之前是不存在的，它们分别产生于T·A·爱迪生、A·G·贝尔、A·B·诺贝尔的“探索性活动”。所以，人们一般把科学上的新事实、新概念、新定律、新原理等的提出称为发现，而把技术上的新仪器、新工具、新流程等的提出称为发明，即有所谓“科学发现”与“技术发明”之说。

但是，在科学哲学家中间，对科学理论是发现的还是发明的这个问题的看法，却存在着很大的分歧。一种观点认为，科学理论始终存在于可观察的对象之中，科学家“发现”它，就像C·哥伦布发现美洲一样。科学家并不是发明家；他用感官发现可观察的现象，而用“思想的眼睛”洞见到理论。例如，奥地利著名物理学家E·马赫就认为，普遍的科学理论是观察事实的简括的经济描述，“理论产生于发现，而不是产生于发明”⁽⁸⁾。另一种观点则认为，理论是科学家“发明”的，在科学家找到它之前，它是不“存在”的，这可以同T·A·爱迪生发明电灯、A·G·贝尔发明电话相类比。科学概念、科学定律、科学原理、科学学说是人类理智的创造。美国科学哲学家C·G·亨普尔就指出：“科学假说和理论不是从观察事实引伸出来的，而是为了说明观察事实而发明出来的。”⁽⁹⁾K·R·波普尔也提出：“科学理论并不是观察的汇总，而是我们的发明——大胆提出来准备加以试探的猜想。”⁽¹⁰⁾A·爱因斯坦也强调：“概念和原理都是人类理智的自由发明”，“一切概念，甚至是那些最接近经验的概念，从逻辑观点看来，都是一些自由选择的约定”。正是基于这种看法，他在批判E·马赫的科学观时指出：“我看他的弱点正在于他或多或少地相信科学仅仅是对经验材料的一种整理；也就是说，在概念的形成中，他没有辨认出自由构造的元素。在某种意义上他认为理论产生于发现，而不是产生于发明。”⁽¹¹⁾尽管A·爱因斯坦有时也交替使用“发明”和“发现”这两个词汇，但他始终认为发明是通向创造性思维的道路。

我们认为，考究科学理论究竟是发现还是发明的关键，就在于发现或发明之前自然界和人类社会是否已有这些理论。这里，我们必须区别两个概念：“规律”和“理论”。规律是自然界或人类社会固有的、本质的联系，表现为某种条件下的不变性。肯定自然界和人类社会以其固有的规律运动、发展，即肯定“规律”的存在及其可知性，是人们从事一切科学研究活动的基本信念。显然，规律具有不以人的意志为转移的客观性，人们只能利用它，而不能创造、发明它。但是，“理论”则不然。由科学语言、符号、公式表述出来的科学概念、定律、原理等理论形式，是对自然界的客观规律的“反映”。“反映”不等于“原型”。科学理论是有条件地、近似地把握永恒运动和发展着的自然界的规律性的。另一方面，“反映”不是简单的、直接的、完全的，而是一系列抽象过程，需要科学家的创造性的思维活动。在这种创造过程中，人的主观能动性得到了充分的发挥。倘若没有这种创造，也决不会有科学理论。科学概念、科学定律、科学原理、科学学说等科学理论形式所反映的客观内容是自然界中事物呈现的现象、过程及其本质和规律性，但作为一种思想体系，它并不预先存在于自然和社会之中，而是科学家的创造与发明。因而，在这种意义上，我们可以说科学理论的发现是包括发明在内的一种发现。

明确在科学发现的领域中发现与发明之间没有截然分明的严格界限，确认科学理论产生于发明而并非只是产生于发现，不仅有助于揭示科学认识活动的创造性本质，而且有助于从事科学研究的人们充分发挥自己的主观能动性。