科学研究的逻辑起点

科学研究的逻辑起点 一 科学研究始于问题 科学发现 一个经典的例子 1928年9月的一天 英国细菌学家弗莱明走进实验室 偶然发现培养葡萄球菌的器皿里长了绿霉 按照通常的判断 这种情况说明培养液被污染了 实验失败了 但弗莱明发现 在绿霉的周围出现了一圈空白 原先生长旺盛的葡萄球菌不见了 这是怎么回事呢 他进一步提出问题 是不是绿霉有某种作用能把它周围的葡萄球菌杀死呢 带着这个问题 他进行了研究 不到一年就发现了青霉素 并因此获得了1945年的诺贝尔奖 1928弗莱明发现了青霉素 归纳主义者认为 科学始于观察他们认为科学发现的程序应该是 1 观察和记录事实 2 分析事实并归类 3 进一步归纳引导出一般结论 4 验证结论 波普提出科学从问题开始 观察不是随便看看 要解决观察什么 为什么观察 如何观察的问题 因此观察是带着问题的 从科学研究的具体进程看 人们总是以问题为框架有选择地去搜集事实材料 与问题有关的材料披搜集起来 与问题无关的材料则任其流散 不在科学认识主体中引起信息效应 从科学理论发展的总体过程看 只有发现了原有理论不能解决的问题时 人们才会去修正 补充它 或着手建立新理论 在这个意义上可以说 问题既是旧理论的终点也是新理论的起点 爱因斯坦指出 提出一个问题往往比解决一个问题更重要 因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已 而提出新的问题 新的可能性 从新的角度去看待旧的问题 却需要有创造性的想象力 而且标志着科学的真正进步 科学研究从问题开始 与 认识以实践为基础 是否矛盾 思考 1 问题 疑难 矛盾2 问题就其产生的特点来说 可以分为两类 简单问题或表浅问题 科学问题 二 什么是科学问题 在庆祝Science创刊 1880年 125周年之际 2005年 该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题 在今后1 4个世纪的时间里 人们将致力于研究解决这些问题 其中 前25个被认为是最重要的问题 如下 科学问题 科学问题 宇宙是由什么构成 意识的生物学基础是什么 为什么人类基因会如此之少 遗传变异与人类健康的相关程度如何 物理定律能否统一 人类寿命到底可以延长多久 是什么控制着器官再生 皮肤细胞如何成为神经细胞 单个体细胞怎样成为整株植物 地球内部如何运行 地球人类在宇宙中是否独一无二 地球生命在何处产生 如何产生 什么决定了物种的多样性 科学问题 什么基因的改变造就了独特的人类 记忆如何存储和恢复 人类合作行为如何发展 怎样从海量生物数据中产生大的可视图片 化学自组织的发展程度如何 什么是传统计算的极限 我们能否有选择地切断某些免疫反应 量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理 能否研制出有效的HIV疫苗 温室效应会使地球温度达到多高 什么时间用什么能源可以替代石油 地球到底能负担多少人口 1 科学问题的概念 一定时代的科学认识主体在当时的历史条件下提出的科学认识和科学实践中需要解决的矛盾 2 科学问题的条件 A 能否在实践中检验 与信仰问题区别 B科学问题是时代的产物 与常识问题区别 是在一定的知识背景下提出的 运用已有的知识背景进行解答 一个问题是否有科学意义 在不同的知识背景下 回答是不同的 点金术 问题 例如所谓的 点金术 问题 在中世纪炼金术的知识背景下被认为是有意义的 而在原子论化学的知识背景下则毫无意义 但在20世纪核物理知识背景下 它又变成有意义的并且于1919年被卢瑟福首次解决了 有些问题由于受目前知识水平限制 一时尚无法进行研究 还不能称为科学问题 只有在一定历史条件下 才能成为科学问题 一是问题的指向 二是研究的目标 三是求解的应答域 3 科学问题的形式结构 问题的指向 就是问题的研究对象 实体或现象 事件背后的原因 事件的状态或过程 研究目标 是指与特定的疑问词相联系的义项 一般理解就是想要获得的答案或提问的内容 求解应答域 指在问题的论述中所确定的界限 并假定所提出的问题的解必定在这个领域内 应注意 求解应答域错误会劳而无功 例如 两千多年来 许多数学家为直接证明欧式几何中的第五公设耗尽心血 但一无所获 直到19世纪初 俄国数学家罗巴切夫斯基等提出反问题 即第五公设不可证明 改变了应答域和问题的目标 采用反证法 创立了非欧几何 这一科学问题才获得突破性的进展 所以 科学问题应答域的设立是否合理 直接决定问题是否有解 What 即 是什么 的问题 即要求对研究对象进行识别或判断 一般具有 X是什么 的语句形式 Why 即 为什么 的问题 即要求回答现象的原因或行为目的 是一种寻求解释性的问题 How 即 怎么样 的问题 即要求描述所研究对象或对象系统的状态或过程 是一种描述性的问题 4 科学问题的基本类型 1 当已有理论内部显现逻辑困难时 产生科学问题 2 已有理论与经验事实产生矛盾时 产生科学问题 3 已有理论之间产生矛盾时 产生科学问题 5 科学问题产生的现实条件 悖论 佯谬 如果某一理论的公理和推论 原则上是合理的 但在这个理论中却推出了两个相互矛盾的命题 或者证明了这样一个复合命题 它表现为两个相互矛盾的命题的等价式 那么 这个理论包含了悖论 古希腊悖论 鳄鱼与小孩一条鳄鱼从一位母亲手里抢走了一个小孩 鳄鱼想吃掉小孩 但又想吃得名正言顺 心安理得 于是鳄鱼对这位母亲说 只要你回答对了我的问题 我就不吃你的小孩 我的问题是 我会不会吃掉你的小孩 母亲该怎么回答呢 19世纪下半叶 康托尔创立了著名的集合论 集合论刚产生时 曾遭到许多人的猛烈攻击 但不久这一开创性成果就为广大数学家所接受了 并且获得广泛而高度的赞誉 数学家们发现 从自然数与康托尔集合论出发可建立起整个数学大厦 因而集合论成为现代数学的基石 一切数学成果可建立在集合论基础上 这一发现使数学家们为之陶醉 1900年 国际数学家大会上 法国著名数学家彭加勒就曾兴高采烈地宣称 借助集合论概念 我们可以建造整个数学大厦 今天 我们可以说绝对的严格性已经达到了 但是 罗素悖论的出现打破了数学家的美梦 康托尔悖论 有1个元素的集合其子集有2个 有2个元素的集合其子集共有4个 一般地 有n个元素的集合其子集有2 n个 n个元素的集合其基数为n 而其所有子集组成的集合的基数为2 n 显然2 n n 因此有 康托尔定理 任意集合 包括无穷集 的幂集的基数大于该任意集合的基数 据康托尔集合理论 任何性质都可以决定一个集合 这样所有的集合又可以组成一个集合 即 所有集合的集合 大全集 显然 此集合应该是最大的集合了 因此其基数也应是最大的 然而其子集的集合的基数按 康托尔定理 又必然是更大的 那么 所有集合的集合 就不成其为 所有集合的集合 这就是 康托尔悖论 理发师悖论 村里有一位技艺高超的理发师 他有一个原则 就是 他只给村里一切不给自己理发的人理发 那么 他该不该给自己理发 理发师陷入两难境地 如果他给自己理发 根据他的原则 他只给那些不自己理发的人理发 那么 他不应该给自己理发 如果他不给自己理发 根据他的原则 他只给那些不自己理发的人理发 那么 他应该给自己理发 罗素悖论 把所有集合分为2类 第一类中的集合以其自身为元素 第二类中的集合不以自身为元素 假令第一类集合所组成的集合为P 第二类所组成的集合为Q 于是有 P A A A Q A A A 问 Q P还是Q Q 若Q P 那么根据第一类