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ZL:如何正确认识科学理论(以物理学理论的进化为例:亚里士多德 → 牛顿 → 爱因斯坦)

 

◆(亚里士多德的物理学)

亚里士多德(Aristoteles,公元前384~前322)的物理学在某种程度上是相当成功的。

它能解释广泛的现象。

它能解释为什么重物下落到地上(寻求它们在宇宙中心的自然位置),它能解释虹吸管和升水泵的作用(这种解释建立在真空的不可能性上)等等。

但是最后,亚里士多德的物理学,在一些方面被证明并不真实。

从匀速运动的船桅顶上掉下的石头,落在桅脚的甲板上,而不是如亚里士多德理论所预见的那样落在离桅杆稍远一些的地方。

可看到木星的卫星绕木星转而不是绕地球转。

在十七世纪,积累了一大批其他的证伪[1]材料。

然而一旦牛顿的物理学通过伽利略(Galileo Galilei,1564~1462)和牛顿等人的推测建立和发展起来,它就是一个代替亚里士多德物理学的优越理论。

◆ (牛顿的物理学)

牛顿(Isaac Newton,1642~1727)的理论能够说明落体、虹吸管和升水泵的作业以及其他任何亚里士多德能够解释的东西,还能说明对亚里士多德成为问题的现象。

此外,牛顿的理论还能解释亚里士多德的理论没有接触过的现象,诸如潮汐和月亮的位置之间的相关和引力随海拔高度不同而变化。

在两个世纪里,牛顿的理论是成功的。

就是说,借助它预见的新现象来证伪它是不成功的。

这个理论甚至导致一个“新行星”即海王星的发现。

坚持不懈地试图证伪它,科学发展历史最后说明是成功的。

牛顿的理论在一些方面被证伪了。

它不能说明水星轨道的细节,不能说明在射线管里高速运动电子的可变质量,然后,当十九世纪过渡到二十世纪之际,物理学家面临挑战性的问题,这些问题要求设计出新的思辨的假说来逐渐地克服这些问题。

◆(爱因斯坦的物理学)

爱因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)能够接受这个挑战。

他的相对论能够说明证伪牛顿理论的现象,同时在牛顿理论已被证明是成功的那些领域也能够与它匹敌。

而且,爱因斯坦的理论预见了一些壮观的新现象。

他的狭义相对论预言质量应该是速度的一个函数,质量和能量能互相转化;他的广义相对论预言光线应为强引力场所弯曲。

想用新现象驳倒爱因斯坦理论的试图失败了。

对爱因斯坦理论的证伪仍然是对现代物理学家的一个挑战。

它们的成功如果终于发生的话,将标志着在物理学进步中又前进了一步。

◆ (对上述物理学理论进化的概述)

·科学假说的形成一般需要经过这样几个步骤:

首先,是要在搜集一定数量事实、资料的基础上,提炼出科学问题;

其次,为回答问题,要充分运用各种有关的科学知识,并且灵活地展开归纳和演绎、分析和综合、类比和想象等各种思维活动,形成解答问题的基本观点,而这种观点常常表述为新的科学概念,并以此构成假说的核心;

最后,要推演出对各种相关现象的理论性陈述,使假说发展成比较系统的形态。

·科学假说具有不同的种类。

对于同一个问题,由于所依据的事实、原理和所运用的思维方式不尽相同,思路的发展就会有差异,比如采用不同的联想和类比就会产生不同的猜测和设想,而不同的观点必然导致不同的假说。

各种假说是要展开竞争的,而同一个假说自身也会有所演变。

在假说的竞争、演变过程中,人们会不断地评价和选择各种假说。

这时,既有假说的种种内在因素如概念的简单性、结构的完美性等在起作用,也有种种外在因素如社会文化背景、思想传统、心理习惯等在起作用。

然而对科学假说的评价、选择起关键作用的则是实践的检验。

一个原则上不可检验的陈述是没有价值的,因而就不是一个科学的假说。

原则上的可检验性是科学假说的必要条件,而对科学家最有力的支持就是他所预言的事实为尔后的实践所证实。

·然而,人的认识过程是复杂曲折的,对假说的检验过程也呈现出复杂性和曲折性。

预言的一次成功,并不能完全证实这一假说,但确实在一定程度上证明了或增添了它的真理性;

预言的一次失败,也不能据此推翻这一假说,因为一个假说实际上总是和其他一些前提条件(或称辅助性假说)结合在一起导出某一预言的。

即使是预言的完全失败,问题可能出在这一假说本身,也可能出在其他的条件方面,有时还要检查实践方式本身,例如实验仪器、实验操作乃至计算方法是否存在差错等等。

科学的历史表明,曾经失败过的科学假说,随着时间的推移,在新的条件下也会“死而复生”;

而获得成功的科学假说,也有可能重新陷入困境,需要加以改进,甚至要被新的假说所代替。[2]

 

 [SYQ摘录]

────

[1] 关于“证伪”的解释:

·和科学探究活动中的信念有关,人们在生活和生产实践的基础上,不断获得对于外部世界的感性知识,而新的感性知识,或者很好地和已有的信念相一致,或者和已有的信念发生矛盾。

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这样的现象不断发生,经过一定的积累,原有的信念就会发生变化,或者更为牢固,或者发生动摇。

信念的这种变化,是通过不断提出猜测性的新的陈述实现的。

人们把这种猜测性的陈述称为“科学假说”。

对所提出的猜测性的陈述,从各个角度去加以反驳,在反驳所可能揭露的问题的基础上,修正猜想,提出新的猜想,科学认识活动也就发展了。

所以,以科学假说为直观标志的猜想和反驳,是人们将科学探究活动推向新的阶段,将已有的知识推向新的领域,进而变未知为已知的不可或缺的思维方法,是科学知识增长的一种重要形式。

·以猜想和反驳这一独特的视角来理解科学的发展,特别是明确地表述出这样的科学认识观,是从批判理性主义创始人波普尔(Karl Raimund Popper,1902~1994)开始的。

波普尔认为,科学的增长是通过猜测和反驳发展的。

在波普尔看来,理论并不能来源于观察,因为通过归纳法不能得到普遍性的结论。

从逻辑的角度看,普遍的命题是不可以证实、而只能通过和它矛盾的个别命题加以否定的。

理论不能被证实,只能被证伪。

因为这种基本的看法,他的理论被称为证伪主义(falsificationism)。

·证伪主义认为科学探究活动的进展可总结如下:

科学开始于问题,这问题是和对世界或宇宙某些方面行为的解释相联系的。

科学家提出可证伪的假说作为对问题的解答。

然后这些推测性的假说受到批判和检验。

有些很快被淘汰。

其他的可能证明是较成功的。

这些较成功的假说必须接受更加严格的批判和检验。

当已经成功地经受了广泛而严格的检验的假说最后被证伪时,一个与原来已经解决了的问题迥然不同的新问题出现了。

这个新问题要求发明新假说,接着又重新开始批判和检验。

这个过程如此无限地继续下去。

永远不能说一个理论是真的,无论它多么好地经受住了严格的检验;

但是可以有希望地说,现行的理论比它的前驱者优越,优越是在这样的意义上:它能经受住那些证明前驱者为伪的检验的检验(李文管著:《自然科学眼中的世界》,中国社会科学出版社,2004年版,第97~98页)。

[2] 李文管著:《自然科学眼中的世界》,中国社会科学出版社,2004年版,第100~103页。  

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