自然辩证法第7章.ppt

第七章科学理论的评价和检验 科学理论的评价和检验 科学理论形成以后 要经过科学共同体的评价 检验和选择 才能被科学界所接受 科学理论的评价 检验和选择 从具体的操作层次上 发生在科学论文的匿名审稿 论文发表后经受同行的质疑和批判等过程之中 科学理论必须具备的两个基本条件 一 科学理论的逻辑评价 逻辑条件 二 科学理论的实验检验 经验条件 从方法论上讲 科学理论的评价 是判断科学理论优劣的过程 科学理论的检验 是考察科学理论真假的过程 科学理论的选择 是在两个及两个以上的科学理论中挑选出可接受理论的过程 理论的优劣与其真假相关 人们不可能认为一个不反映或者错误反映自然的理论是一个好理论 理论的真假有一个论证问题 人们不可能认为一个结论正确而逻辑混乱的理论是真理 理论的可接受性 取决于其优劣与真假 但还受理论创立和论证者的修辞学手段以及来自接受者的社会因素的影响 在科学研究的实践中 理论的评价 检验和接受往往密切联系在一起 有时候根本就难以区分 第一节科学理论的逻辑评价 科学理论的前验评价 受科学家的评价目的 价值观 审美观和心理状况等诸多因素的影响 是一个非常复杂的过程 我们在这一节所论述的内容 并不是要提出指导科学家怎样评价科学理论的规则 而是讨论科学理论的逻辑评价问题 概括一些共性的评价标准 提出一些启发性的方法论建议 以对科学理论评价的实践有所启发 第一节科学理论的逻辑评价 科学理论的前验评价 就是科学共同体对科学理论是否合乎理性的考察 有时候也被人们称之为理性检验 一个好的科学理论应当经得起理性的检验 理性的检验会发现理论的欠合理和欠完备之处 为科学理论的发展指出方向 而经不起理性检验的理论则没有资格和必要经受进一步的经验检验 不考虑评价者的个性 社会背景等方面的差异 科学理论的前验评价主要包括相关性评价 相容性评价 自洽性评价和简单性评价四个方面 其中后三个方面被称为逻辑评价 一 科学理论 科学理论必须具备的两个基本条件逻辑条件 用数量上尽可能少的 逻辑上互不相关的假设为基础建立起来的理论体系 经验条件 必须反映 各种经验事实之间的联系 这种联系使我们能够根据那些已经经验到的事实区域间以后发生的事实 一 科学理论 科学理论 是科学定理的演绎系统 成熟理论的四种基本要素 抽象演算 抽象演算的说明或模型 对应规则 经验定律科学理论的结构 二 科学理论的评价 科学理论评价是关于人们如何接受和选择理论的问题 1 理论评价的标准 经验论与整体论 经验论代表人物 逻辑实证主义者亨普尔 证伪主义经验论以经验事实为科学理论评价的出发点 把经验的证实或经验的证伪作为科学与非科学的划界标准和理论评价的基本准则 关心经验证据与理论之间的逻辑关系 即从理论的基本原理演绎出能够被可观察事件检验的结论 科学理论的评价 科学理论的评价 对科学认识成果具有选择意向的一种再认识活动 逻辑经验主义 理论被确证的程度 批判理性主义 理论知识比背景知识有更多的经验内容 理论经受严峻检验 历史主义 精确性 一致性 广泛性 简单性和有效性 严峻检验 如果理论和背景知识合在一起所预测的结果和单独由背景知识所预测的结果不同 前者概率高 后者概率低 这种检验即为 严峻检验 换句话说 一个理论的预测是背景知识所预料不到的 与背景知识的陈述相违反 它是这样的出乎预料 这样的不可信 但是这种预测却得到确认 这种预测的检验即是严峻的 进而背景知识将被修改 对各种评价模式的评论 经验同理论事实相一致 理论的内在完备 与自身理论和背景理论相容 理论的简单性 尽量减少特设性 辅助性假设 理论的预见性 2 理论评价标准的几个要点 1 理论与经验事实的一致性 真理性 科学事实的客观性 2 理论内在逻辑的完备性 3 理论的简单性 4 理论的预见性 科学理论既是对客观规律的正确反映 也是解决有关问题的有效手段 以上结论是对自然科学理论的评价 对技术的评价是不同的 二 科学理论的逻辑评价 主要是科学共同体对科学理论的逻辑结构进行评价 检查其是否有欠合理 欠完备之处 有时称为理性检验 科学理论的逻辑评价主要包括 1 相容性评价 2 自洽性评价 3 简单性评价 一个理论只有经过理性检验才有必要进行实验检验 二 科学理论的逻辑评价 科学理论的逻辑评价1 相关性评价 科学理论的前验评价的内容 2 相容性评价 科学理论的逻辑评价的内容 3 自洽性评价 科学理论的逻辑评价的内容 4 简单性评价 科学理论的逻辑评价的内容 第二节科学理论的实验检验 通过观察和实验对理论的推论进行经验验证 以确定该理论的真伪 科学理论的推论与观察事实的对照有三种可能情况 推论和已知经验事实相符 这其实是理论对该事实的解释 不能确证该理论是真是假 推论与未知的现象符合 这是对未知现象的理论预见 这未知现象被确证 是对该理论为真的一种确证 推论与未知现象不符 该理论被否证 一 对应规则与检验蕴涵 我们首先来看一看事实命题与理论命题之间的关系 科学语言分为四个层次 第一个层次是实验数据 往往就是仪器指针的读数 比如 指针P指向2 0 第二个层次是概念的值 往往是定量的科学概念的值 比如 P 2 0大气压 第三个层次是科学定律 反映科学概念之间的不变关系 比如波义耳定律反映的是在温度不变的情况下气体压力与体积间的反比关系 第四个层次是科学理论 它们把科学定律组成一个复杂的演绎系统 比如分子运动论 这四个层次之间具有这样的关系 第一 每个较高的层次都是对较低层次的解释 比如上述例子中 分子运动论解释波义耳定律 波义耳定律解释一定温度下一定体积的气体其压力 P 2 0大气压 P 2 0大气压 解释 指针P指向2 0 第二 陈述的预见力从较低层次到较高层次逐渐增加 上例中 预见力的大小按 0 指针P指向2 0 P 2 0大气压 波义耳定律 分子运动论 的顺序递增 第三 较低层次为较高层次提供检验基础 上例中 指针P指向2 0 可以检验 P 2 0大气压 P 2 0大气压 可以检验波义耳定律 波义耳定律可以检验分子运动论 第四 如果我们再进一步归类 可以把上述四个层次的语言归为观察层次和理论层次两类 其中观察层次由第一至第三个层次构成 这些层次的语言中最基本的是术语 我们可以通过讨论科学术语的特征来回答上一目提出的第一个问题 观察术语比如颜色 体积 长度 硬度等 描述的是可直接观察的物体或者性质 理论术语比如电场 质量 波函数等所描述的实体不能直接观察 但是 我们可以通过一定的操作 使它们与观察术语对应起来 从而使其在科学上有意义 这种操作叫做对应规则 对应规则有两个任务 第一 给理论术语下定义 第二 规定把理论应用于现象的实验程序 其最终目的就是保证理论术语具有认识意义 比如 我们规定电荷是在一定条件下测量的结果 规定测量这种性质的实验程序 就保证了 电荷 这个术语有了认识意义 有了对应规则 理论术语就能够演绎地推出可由经验直接检验的观察术语 从而使理论术语有了经验的基础 但是 随着实验手段的不断完善 越来越多的理论术语成为观察术语 同时 随着理论的进一步发展 又会出现越来越多的新的理论术语 新的理论术语仍然需要通过对应规则与新的观察术语联系起来 这些新的理论术语才不至于成为科学知识之外的知识 我们再来看怎样让理论命题变得可以与经验命题也就是事实命题进行比较 经验命题大多是单称命题和全称命题两类 单称命题是涉及特定的对象 事物或事件的命题 比如 太阳由气体构成的 全称命题是涉及普遍意义上的事物 对象或事件的命题 比如 如果一块冰受热 它将会熔化 单称命题大体上都含有专门的名称或者与之相对等的表述 而全称命题则不然 理论命题都是全称命题 单称陈述可以直接与经验比较 比如 这只天鹅是白的 只要我们看看那只天鹅的颜色就行了 但是 全称陈述无法直接与某个经验进行比较 比如 所有的天鹅都是白色的 就无法直接与哪个经验进行比较 但是 我们可以根据一个条件 从这个全称陈述逻辑上必然地推出一个单称陈述 再直接检验这个单称陈述 从而对那个全称陈述进行检验 由于推出的相应单称陈述 是蕴涵在那个全称陈述之中的 所以我们就把这个条件和相应的单称陈述叫做检验蕴涵 显然 检验蕴涵与条件相关 显然 检验蕴涵的前提是全称陈述 有些看上去前提是由单称陈述得出的蕴涵 其实其中往往含有全称陈述 比如 我们由 外面正下雨 得出 如果你走到外面 你将会弄湿自己 的检验蕴涵 其实里面包含着 淋雨会湿衣服 的全称陈述在其中 二 确证 如果检验蕴涵与经验命题一致 我们就说由之推出那个检验蕴涵的全称命题得到了一次确证 如果二者不一致 我们就说那个全称命题被否证了 但是 我们不能由此简单地得出结论说某个理论被证实或者推翻了 如果从理论命题T推出一个单称命题P 而事实正是P 是不是就证明了T呢 不是 因为由T推出的检验蕴涵几乎无限多 单单一个甚至几个检验蕴涵是不可能穷尽这些检验蕴涵的 确证不同于证实 因为证实具有最终的意义 通过检验蕴涵确证一个理论命题 用公式表示就是 如果T为真 则P亦为真P为真T为真或者为假 就是说 从逻辑上看 一个检验蕴涵与一个观察结果相符 并不能决定由之推出检验蕴涵的那个理论命题是真还是假 就是说决定不了其最终命运 但是这样的相符是对理论命题的一种确证 确证在科学理论的经验检验中具有重要意义 确证实际上就是新观察到的证据对理论的支持 一般说来 证据支持理论包括四个方面 这就是证据的数量 种类 精确和大胆 一般说来 在没有不利于理论命题的证据或者说没有发现与理论命题相反的证据的情况下 与检验蕴涵相符的观察证据越多 该理论命题的确证程度就越高 门捷列夫提出化学元素周期律以后 曾经预言了类铝 类硼和类硅三种未知元素的存及性质 1874年 人们发现了新元素镓 镓的原子量和物理化学性质正好对应于类铝 1879和1885年 人们又分别发现了钪和锗两种元素 而这两种元素的性质分别对应于类镓和类硅 门捷列夫周期律的这三个检验蕴涵的证实 大大增加了周期律的确证程度 这是门捷列夫周期律比迈耶尔的周期律更能被人们接受的重要原因之一 当然 我们也应该注意到 同类别的有利事例的增加 对相应理论的确证程度的增加 将会随着以前确认的有利事例的增长而减小 比如 我们跳离地面后马上又落到地面上 这个事例对万有引力的存在是一种确证 但是 这种确证的程度对于万有引力理论来说已经微乎其微了 因为此前我们已经拥有了大量类似的有关证据 证据种类的多样性对于理论的支持起着重要作用 一般说来 在没有不利证据的情况下 一个理论拥有的有利证据的种类越多 该理论被确证的程度就越高 1895年发现的化学元素氩 以及后来发现的化学元素氦 在门捷列夫及其他人设计的周期表中却没有位置 这两个元素的发现似乎是对周期律不利的证据 但是 拉姆赛提出 周期表中应当有新的一族 即零族 也就是惰性元素族 氩和氦应当属于这个族 新的一族的增加非但没有突破周期律 反而进一步为周期律提供了新的支持证据 根据新的周期表 人们预言了其他惰性元素的存在 随后人们发现了元素氪 氖 氙 氡 惰性元素对于周期律所提供的 实际上就是新种类的证据以及新种类的检验蕴涵 从某种意义上说 惰性元素的发现与钪和锗的发现相比 能够为周期律提供更有力的确证 精确的检验蕴涵的证实 会给受检理论提供令人信服的证据 大大增加理论的确证程度 根据有些理论命题 有时候人们还可以推出与科学共同体已经确认了的观察命题不同的检验蕴涵 修正这些观察命题 从而使理论经受更加严格的检验 门捷列夫曾经公然不顾当时所知的某些 事实 根据他的周期律预言并修改了当时所知道的铍 钛 铈 铀 铟等元素的原子量 例如铟的原子量 当时的测定是75 4 但门捷列夫发现 具有这一原子量的元素在周期表中的位置已由砷 75 所占据 根据各方面的分析 他认为铟应当是三价 铟放在这一位置是不适当的 据此 他预言铟的原子量不是75 4 而应当是113 从而把它放到他的周期表的第7周期第3族的一个空格上 门捷列夫所做的精确预言 经过他人的进一步实验检验得到证实 从而使人们修改了相应的一些元素的原子量和物理化学性质 这些惊人的证据 进一步确证了周期律 大胆的检验蕴涵的被证实 往往是科学史上的革命性事件 对于新颖的理论的接受起着重要作用 大胆的检验蕴涵出自大胆的理论 一般来说 大胆的理论与背景理论是相悖的 所以很新颖 麦克斯韦理论提出的时候 就与当时的一些相关理论冲突 比如 当时的理论认为光与电磁现象无关 磁体 带电体之间的作用是穿过空虚的空间瞬时完成的 等等 而麦克斯韦的电磁理论认为 光也是电磁现象 波动的电流可以发射出一种辐射 该辐射以有限的速度在虚空的空间传播 即我们现在知道的无线电 等等 这些预言的证实 突破了原来的理论 确证了新的电磁理论 爱丁顿考察队的日蚀观测对于爱因斯坦广义相对论的确证 也属于这种情况 需要指出的是 虽然我们已经知道经验命题的数量 种类 精确和大胆都会增加理论被确证的程度 但是如何才能定量地知道这样的确证程度 这仍然是一个问题 这个问题涉及到所谓的概率确证问题 即如何确定一个理论被确证的归纳概率 19世纪出现的贝叶斯运动 就力图用数学工具 来计算理论被确证的概率 这个运动虽然有一定影响 但目前还没有取得很值得介绍的成果 三 否证 上一目我们讨论的是检验蕴涵与经验命题一致的情况 现在我们讨论检验蕴涵与经验命题不一致的情况 如果从理论命题T推出单称命题P 而事实却是非P 从逻辑上能够得出的结论就是 理论命题T并非正确 我们用公式表示为 如果T为真 则P亦为真P为假T亦为假 与确证的公式相比较 我们可以说 从逻辑上看 确证决定不了理论的最终命运 而否证却可以决定理论的最终命运 为什么会是如此呢 这是因为全称陈述与单称陈述之间逻辑关系的不对称性 这个不对称性来自全称陈述的逻辑形式 因为 全称陈述不能从单称陈述中推导出来 但是能够和单称陈述相矛盾 我们不论看到多少只白天鹅 都不能证实 凡天鹅皆白 的理论 但只要看到一只黑天鹅就可否证它 这就是逻辑上的不对称性 否证用的是演绎法 它是否定后件的推理 结论假必然要传递到前提上 因此 只要发现与全称陈述相矛盾的事例 就可否证该全称陈述 而证实用的是归纳法 全称陈述的证实难以实现 因为个别有限的单称陈述不能证明严格的全称陈述 凡天鹅皆白 这个全称陈述 要证实它 就必须对世界上所有的天鹅进行检验 这显然是做不到的 否证检验是排除一些不必要的假说 使人们对于自然的认识逐步接近于真实情况的有效途径 我们前面讲到的产褥热的例子中 塞麦尔维斯除了排除了 流行性影响 这个不相关的假说之外 实际上还排除或者说否证了其他一系列解释第一产科的产妇患产褥热而死的比例高于第二产科的假说 一种假说认为 有些进第一产科的产妇离医院较远 在路上就分娩了 因此引起高的死亡率 但是 经过研究发现 这些在半路上分娩的产妇的产褥热死亡率低于第一产科的平均值 那么 是否是由于第一产科比第二产科拥挤 同时其饮食和接受的照顾不如第二产科所致呢分析发现 第二产科比第一产科拥挤 而两个产科在饮食和照顾上并没有什么差别 于是 医院成立了一个委员会 检查其原因是不是在于第一产科的实习医科学生的粗暴检查 对调查结果的分析发现 分娩过程中的自然创伤多于粗暴检查产生的创伤 第二产科的护士采用的检查方法与第一产科的学生采用的是一样的 此外 在减少了实习生之后 第一产科的死亡产妇数在短暂下降后甚至增长到更高的比例 是不是心理原因呢 因为到第二产科对临终产妇作圣礼的教士要摇着铃通过第一产科 而增加对第一产科衰弱产妇的恐惧 但是 教士不摇铃绕道走之后 第一产科的死亡率依然如故 是不是生产姿势引起的呢 第一产科的产妇仰卧分娩 而第二产科的则是侧卧分娩 然而 第一产科的产妇采取侧卧的姿势分娩 死亡率仍然没有下降 在否证了这些假说之后 一次偶然的机会 第一产科的一位男医生患了一种与产褥热的病症相同的病后去世了 塞麦尔维斯注意到 这位医生患病前 其手指被一位实习生在解剖尸体时不小心用手术刀刺伤过 而第一产科的医生和实习生在做了尸体解剖后一般只是简单洗一下手就到病房检查产妇 于是 塞麦尔维斯就推测 一定是他们这些医生和实习生把一种 尸体物质 带给了产妇 通过一次又一次地否证 塞麦尔维斯才得出了这种认识 但是 这种认识也必须像前面被否证了的假说一样 接受新的严格的否证检验 于是 他要求所有的实习生给产妇做检查之前必须用漂白液洗手 此后 第一产科的死亡率迅速下降到第二产科的死亡率以下 在这个基础上的进一步比较发现 第二产科的护士不必像第一产科的实习生那样进行尸体解剖 所以没有携带 尸体物质 的机会 从这个事例我们也可以看到 否证与确证是检验科学理论的两种基本形式 二者相辅相成 共同推进着科学理论的发展 否证是从反面检验科学理论的方法和手段 同时也是从反面论证和表达某些理论命题的方式 热力学第一定律就是能量守恒与转化定律 其肯定表达法是 能量只能按照一定的当量从一种形式转变为另一种形式 其否证表达法 第一类永动机是不可能的 与其肯定表达法是等价的 因为所谓第一类永动机就是可以凭空产生能量的机器 类似地 第二类永动机是不可能的 是热力学第二定律的否证表达 因为所谓第二类永动机就是熵减小的机器 科学区别于伪科学和巫术的一个重要方面 就是科学知识必须经受科学共同体的批判性检验 而这种批判性检验的一个重要形式就是使理论经受否证性检验 伪科学和巫术总是只顾及和寻找有利的证据 科学则既寻找有利的证据也积极面对可能不利的证据 能对两种对立的理论起到 肯定 一个和 否定 一个的裁决作用的实验 3 判决性实验与检验 如果对同一研究对象 存在两个对立的理论L1和L2 并分别推断出互不相容的结论C1和C2 而且可以通过一个实验进行检验 其检验结果符合C1 或C2 不符合C2 或C1 那就可以认为这个实验肯定了L1 或L2 否定了L2 或L1 该实验就是关于理论L1和L2之间的判决性实验 四判决性检验 以上两目讨论的主要是检验单个理论或者理论命题的情况 但是 在科学发展史上 常常出现一种情况 就是对于相同的对象 会有两个不同的理论 而这两个理论各自都能解释一部分现象 对于两个相互竞争的理论 科学家们往往设计出所谓的判决性检验 来决定假说的取舍 如果关于同一问题存在着两个相互竞争的理论 已有的证据并非有利于其中的一个理论而不利于另一个理论 就是说这些证据不足以决定这两个理论的孰是孰非 在这种情况下 我们就可以设计同样的条件 由两个竞争的理论分别推出两个相互排斥的检验蕴涵 通过相应的观察或者实验 来看检验结果与哪一个检验蕴涵相符 从而断定需要放弃哪个理论 接受哪个理论 这个过程就是判决性检验 四 判决性检验 能对两种对立的理论起到 肯定 一个和 否定 一个的裁决作用的实验 如果对同一研究对象 存在两个对立的理论L1和L2 并分别推断出互不相容的结论C1和C2 而且可以通过一个实验进行检验 其检验结果符合C1 或C2 不符合C2 或C1 那就可以认为这个实验肯定了L1 或L2 否定了L2 或L1 该实验就是关于理论L1和L2之间的判决性实验 判决性检验的结果在很多情况下 不会最终决定两个竞争的理论孰是孰非 但是却可以支持其中一个理论而不利于另外一个理论 因为相互对立的理论的真正竞争 在于它们的主假定相互矛盾 而如果只拿两个相互矛盾的单个陈述来说 两者不可能同为真 但却可能同为假 我们先用简单的例子来说明 比如有 这堆白色粒状物是糖 和 这堆白色粒状物是盐 两个陈述 这两个陈述不可能全为真 但却可能全为假 比如这堆白色粒状物既不是糖也不是盐 即使这样 我们还是可以根据这两个陈述 在一个相同的条件下 分别推出两个相互排斥的检验蕴涵 来做判决性检验 如下页 判决性检验 如果是糖 则强热时会变黑 炭化 如果是盐 则强热时颜色不变 这里 强热就是相同的条件 变黑与颜色不变就是两个相互排斥的检验蕴涵 当然 我们会说 强热后变黑了的并不一定就是糖 强热后不变色的也不一定就是盐 这个判决性检验的结果虽然不能断定这堆白色粒状物是糖 是盐或者既不是糖也不是盐而是其他某种东西 但是它还是会支持其中一个陈述而不支持另外一个陈述 比如 强热后变黑的结果就会支持这堆白色粒状物是糖的陈述 此外 由于理论除了有主假定之外 还包含着一系列其他部分的假定 因此 对相互竞争的理论的判决性检验往往并不能够最终证明某个理论的主假定就一定为假 在光学史上 曾经出现过两个相互竞争的理论 即波动说和粒子说 前者认为光是在弹性介质 以太 中传播的横波 后者认为光是高速运动的微粒 二者都能解释光的直线传播 反射和折射定律 但是在水中光的传播速度问题上 两个理论却引出了相冲突的检验蕴涵 波动说的蕴涵是光在水中传播得比在空气中慢 而粒子说的蕴