科学方法论（科学假说）.doc

吴彤 自然辩证法 第二篇 科学方法论 清华大学人文社会科学学院科技与社会所 自然辩证法（科学技术哲学）第二篇 科学方法论 第四章 科学假说 第四章 科学假说 第一节 科学假说 假说是根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律提出的一种假定性的推测和说明，是科学技术理论思维的一种重要形式。 一假说的一般特征 假说是基于已知科学事实和科学原理对自然现象及其规律性的猜测性说明，它通常由以下几个基本要素构成： 1事实基础。 2背景知识（包括推理规则）。 3对想象本质的猜测。 4推演出的预言和预见。例如，大爆炸宇宙论以谱线红移（哈勃定律）等事实为基础，以广义相对论和高能理论物理学等理论为背景，以超高密、超高温状态下由某种机制引起的原始火球的急剧膨胀为基本猜测，以“氦丰度”和“3K背景辐射”等为预言而构成的一个认识体系。在有些情况下，人们也把理论或假说中推出的预言称为“假说”（海王星假说、中微子假说等），而实际上这些预言都是理论或假说中的一个组成部分。最本质要素：事实和假定性猜测。二假说的特点：假说的构成决定了它具有以下的特点： 1科学性。假说以一定科学事实为依据、以科学理论为前提而提出来的。从而与幻想、神话等东西相区别。 例如，爱因斯坦的广义相对论在提出时是一种很抽象、出人意料的科学假说，但却有其科学和逻辑的根据。首先，广义相对论是狭义相对论的逻辑上合理的推广，“如果速度概念只能有相对的意义，难道我们还应当固执着把加速度当作一个绝对的概念吗？” 爱因斯坦文集第1卷，商务印书馆1976年，319页。 其次，广义相对论还建立在一个古老的实验事实基础上，即“在引力场中以为物体都具有同一加速度。这条定律也可以表述为惯性质量同引力质量相等的定律”。（1：320页）正是有了科学理论为前提，科学事实为依据，广义相对论才能建立起来。 2假定性。假说中包括对于事物本质和规律的猜测，这种猜测是在科学资料不甚充分、检验条件不甚完备的情况下提出的，带有假定性成分，在未来可能被证伪而淘汰，也可能被确证或部分被确证并经修改后而完善成为理论。 假说的假定性意味着需要发挥思维的想象力，对自然现象进行猜测和推断。科学史表明，以科学问题的形式表现出来的旧的科学理论和新的科学事实之间产生矛盾时，正是科学思想空前活跃从而推动人们去猜测进而提出假说之日。从量子论的发展式可以看出，经典物理学关于运动电荷的轨道将随着能量损耗而连续变化的理论，由于无法解释原子中电子轨道具有分立性和稳定性，从而促进了量子假说的提出。 爱因斯坦把假说形象地比喻为猜谜，猜测一个设计得很巧妙的字谜。由于大自然的谜底只有“相关性的自由”，所以猜谜的方式很自由，同时终究受到自然条件的限制。 3不稳定性或待检验性。对同一自然现象，由于人们所占有的材料不同，看问题的角度不同，知识的结构不同，使用的方法不同等原因，人们可以提出多种不同的假说。对同一现象提出的假说，还会随着实践过程中的新发现而变化，随着争论的发展而修改。这就是假说的不稳定性或待检验性。 例如，在天体演化、化学催化、原子结构、地质构造、生物遗传的研究中，都有几种假说同时并存，以至是相互对峙的。各种假说必然发生争鸣，争鸣可能的结果是：一个假说驳倒另一个；新的假说代替旧的假说；两个对立的假说都有部分真理而为另一个更为完整的假说所取代（如光的波粒二象性假说取代了光的波动说和微粒说）；两个假说都是对客观事物的歪曲反映，随着科学的发展而同归于尽（如生物学中的“精原论”和“卵原论”；各种假说都有一定的根据，也能说明一些现象，但都不完满，从而形成争论不休、长期共存的局面（如关于太阳系演化学说，迄今已有几十个，究竟那个正确，还有待与今后的科学实践的检验）。三假说的作用假说的以上特点体现了人类认识世界的特有的能动性，也决定着假说在科学思维中发挥着积极的作用。这种作用主要表现在：1 科学假说是通向科学理论的桥梁。 科学研究的根本任务是揭示自然现象的本质和规律性，对象的本质的暴露有一个过程，人对它的认识有一个发展的过程，当对象的本质尚未充分暴露，人们对其认识还是初步的时候，只有借助假说形式，提出猜测性假定，才能进一步探索客观事物的本质和内在规律。这时科学研究的必由之路，自然科学是沿着假说理论新假说新理论的途径，不断地向前发展的。2 假说是激发思维创造性的媒介。 在科学研究中，人们凭借已有的认识向未知的领域试探着前进，假说在其中起着极大思维创造性的作用。这具体表现在，在对未知领域所掌握的科学知识和事实材料不够充分的条件下，人们可以凭借已有的条件、已假说的形式进行大胆的探索，提出创新见解，这既是思维创造性的体现，又为这种创造性的进一步发挥提供了可以借鉴凭依的生长点。此外，假说的提出既以一定的观察、实验事实为根据，又试图超越经验事实，透过事实材料而提出对实物本质的猜想，从而推动经验思维向理论思维的跃升。 3不同假说的“争鸣”有利于学术的繁荣。 不同的解说是从不同的侧面对客观事物本质和规律的探索，它们之间的争论，有利于揭露矛盾、启发思考、相互补充，有利于更全面地、更深刻地揭示事物的本质。科学史上氧化说和燃素说，光的波动说和微粒说，生物学上的突变论和渐变论，地质学上关于岩石成因的水成论和火成论的争论，都对上述各学科的发现起到了很大的推动作用。既是尔后被实践证伪了的错误假说，对科学理论的产生和发展也能起到一定的积极作用。例如，热素说虽然是错误的理论，然而在科学史上却起过一定的积极作用。它把热作为一种客观物质来进行研究，收集了大量的观察。实验资料，发展了实验技术，也可以解释一些自然现象。一些理论在它的影响下，也取得了某些重要的成果，如法国傅立叶提出了热传导理论，法国工程师卡诺提出了关于热机理想循环的卡诺循环和卡诺定理。这些成果都为关于热的分子运动论以及热力学的诞生准备了条件。 假说的这些作用，使它成为科学发展的一种重要形式。所以，恩格斯指出：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。” 马克思恩格斯选集第 3卷，561页。第二节 假说的形成假说的形成既有个性又有共性。不同性质的假说，其形成的具体途径差别很大，但按其共同点来看，一般而论，假说的形成大致经历两个阶段：初始阶段和完成阶段。 一假说形成的初始阶段1 提出多个初始假定并进行推理与初步检验 在假说形成的初始阶段里，研究者为了回答特定性质的问题，根据为数不多的事实材料和已有的理论原理，通过创造性的想象和逻辑推理而提出初步的假定。在形成假说的初始阶段里，人们可以从不同角度去联想，进行不同的类比，因而作出的初步假定往往不是唯一的，而是设想了好几个可供选择的假定（H）。这是初步假定的尝试性和多元性： E（初步假定时考察并引用的事实陈述） 如果H1，那么E 如果H2，那么E 如果H3，那么E 所以，H1或H2或H3（） 既然初步假定是尝试性的、多元的，那么研究者必然经过反复的考察，才能决定取舍。大致说来，对几个设想进行抉择，是采取以下的方式（暂且不考虑参与推演过程必要的背景知识）： H1或H2或H3（） 如果H1则e1，并非e1（或e1的可能性极小） 因此，H1不成立。 如果H2则e2,并非e2（或e2的可能性极小） 因此，H2不成立。所以，H3 这样，研究者就可以从几个尝试性的设想中，选出一个在他看来是能够成立或者说最可能成立的初步假定。2 对初始假定进行论证和逻辑证明 下一步，研究者以已经确立的初步假定为重心，应用科学理论进行论证和寻求经验证据的支持，从而使它充实和扩张为一个结构稳定的系统。在假说形成的完成阶段里，演绎推理的作用是非常突出的，初步假定所涉及的相关论点必须应用科学理论进行论证。例如，如果仅有大陆漂移这个简单的设想，那还不算是个严整的学说，必须进一步论证大陆漂移的原动力、方向、速度以及其他相关的伴随因素。显然，这些方面的认识都是综合地应用多学科知识的成果。二假说的完成阶段1做出进一步的预言 为了表明一个假说的理论观点是可验证的，同时也是为了这个假说的理论观点以后能得到严格的验证，在假说形成的完成阶段，研究者还应该根据假说的理论观点，预言未知的事实。3 整理假说，使之系统化在假说形成阶段里，研究者最后还要整理假说的全部内容，使它严谨化系统化。三形成假说的一般原则 当然，假说形成活动具有高度创造性，不存在普遍使用的固定机械的模式（形式规则），但是却有假说形成启发性的指导准则，其中主要有以下几点： 1应该以科学原理为指导，但不受传统观点的束缚。（对应原理） 假说与已知科学理论的关系。一般来说，假说不应于经过检验的已知科学理论相矛盾。例如，现代科学拒绝研究任何永动机的方案，因为它违反自然界普遍成立的能量守恒与转化定律。但是对科学理论也不能绝对化，因为科学理论还有其相对性和适用范围。当假说与理论矛盾时，首先应当怀疑假说，对它进行检查。但是如果新的科学事实不断支持假说，就预示着假说对旧理论局限性的突破。在新假说转化为新理论并取代旧理论时，它应当继承旧理论中被实践检验过的合理内容，并把旧理论作为特例或极限形式包括进来，相对论对于牛顿力学就是如此。非平衡热力学对经典热力学也是如此。从科学发展的趋势看，新假说把旧理论作为特例包括进来的这种形式特别值得重视。德国著名物理学家普朗克说过：“广义相对论和狭义相对论所包含的相对概念刚向物理学家提出时诚然是十分新奇而富有革命性的。但有一个事实始终没有变，即它所提出的论断和批驳都不是为了反对显著的、公认的和业经证实的物理学定律，而知识反对某些观点。这些观点虽然是根深蒂固的，但除开习惯以外并没有得到更有凭据的承认。” 普朗克：从经典物理学来看宇宙，商务印书馆，4041页。2应当以经验事实为依据，但不受原有事实材料的限制。 任何科学的假说，都有或多或少的经验依据。它不同于某种想当然的主观信念，也不同于富有浪漫色彩的科学幻想，而是对某个问题的有根有据的解答。 然而，人们不可能等到事实材料全面系统地积累起来以后才提出假说，那是不现实的，要求理论思维活动停止下来是办不到的。不仅如此，研究者也不必为存在某个反例或异例而不敢提出假说。因为事实材料也可能有谬误。 例如，19世纪60年代门捷列夫（，18341907）提出元素周期律的假说时，已知的元素只有63种，可是他不是等待化学元素都被发现以后再探讨周期律，也不被某些元素原子量的测定的误差所困扰，而是先建立起假说，并应用周期律去预测未知的元素及其性质，包括预言了新的原子量。 当然，一个假说应当尽可能地对相关事实作出圆满的解释，为假说的基本观点作出强有力的辩护。但这不是说，所有的相关事实都能得到圆满的解释。更不是说，如果有某些相关事实未能得到解释，就必须放弃自己的设想。 3应当有可检验性，但不局限于当代的技术水平。 无论假说提出的当时看来是多么异乎寻常的结论，它都必须包含有可在实践中检验的结论，特别是关于未知事实的推断，否则就不是科学的假说。进化论曾推断出地层里存在着类人猿的遗骸，这也是可以在实践中检验的；到了1881年，荷兰医生杜步亚果然在爪哇岛的地层中，发现了类人猿的一副头盖骨、大腿骨和几枚牙齿化石，证实了达尔文关于类人猿遗骸的推断。 自然，由于实践活动的历史局限性，有些理论虽是可检验的，但当时却难以实现。它们的检验将在历史的过程中完成，所以，应当把是否具有可检验性的问题与检验条件是否具备的问题区别开来。这就是说，如果提出一个假说不是可检验的，那就是不合理的。如果提出一个假说是可检验的但暂时还不具备检验的条件，那还是合理的。 4应当使假说内容的结构简明而严谨，但不求立即构成公理演绎体系。 假说内容复杂程度及其构成的方式，首先取决于研究对象的客观性质，同时也与研究者的理论系统化工作紧密相关。因为形成假说时，从初始阶段的完成阶段是个不断扩充内容的过程，往往夹杂着许多无关紧要的或者是过多重复的内容，还可能出现各个局部之间以及他们的不同侧面之间不甚协调的情形。因此，既要注意清洗和精练假说，使之具有简明性。又要注意整体与部分之间、各个局部之间、各个侧面之间的协调，使之具有严谨性。 使假说的理论观点简明而严谨的最好方式一建立公理演绎系统。这就是选择少数几个最基本的理论命题作为公设或公理。它们是最高层的最普遍的理论命题。而其他的普遍性较低的命题从它们往下逐层地演绎出来。但是公里演绎系统并不是认识的起点，而是研究者系统地总结以往丰富的理论知识的结果。它只有在认识达到一定的丰度的基础上才能建立起来。因此，建立公理的演绎系统是有条件的。 第三节 假说的检验假说转化为理论的基本条件是经手住科学实践的检验，对假说进行逻辑分析则是实践检验的辅助方法。 一逻辑分析1 逻辑分析内容 主要是分析假说在逻辑上的合理性，以达到对假说初步筛选的目的。逻辑分析是从一些已经确认的判断出发，通过合规则的推理来论证另外一些判断的可靠性或被检验的可能性。 2逻辑分析包括：分析假说中的概念是否具有精确性、明晰性与简单性；分析假说在逻辑结构上是否具有一致性；分析假说是否得到已有的科学理论与科学事实的支持等。 即使在实践检验过程中，也常常伴随着逻辑分析。如实验方案的设计，实验过程的调节和实验数据的处理等。 3假说逻辑分析和实践检验中的若干问题 应当特别指出的是，用以检验假说的事实都是具体的、个别的观察结果，而被检验的假说则常常是普遍的、抽象的命题。因此在假说与科学事实之间存在着一般与个别、普遍与特殊的关系问题，只有通过逻辑分析，才能使假说与事实之间建立起联系，从而确证或反驳某种假说。 另外，单纯的实践检验只能说明假说与事实是否一致，只有通过立即分析才能阐述清楚假说被确证或被证伪的原因。 所以，人们常常不满足实践的确认，而力图求得对假