科学发现与假说与理论

第二节科学发现的基本环节,一、归纳主义的科学发现过程：,1、观察实验（经验事实）是科学研究的起点支撑点。2、归纳主义是从经验事实发现普遍原理的基本方法。（观察的数量足够多，可重复，与已有公理不冲突。）3、理论的确认是在演绎结论和事实的对照中实现的。如果演绎的结论在事实中被证实，理论就被确认一次。被证实的结论越多，理论的确认程度就越高。,经验主义认识程序的核心思想：,条件：,一是证明它与其它一些得到充分证明的定律没矛盾；二是证明它的一些推断与所观察的事实相一致。,1、问题是科学研究的起点。观察是没有中性的，是有问题的观察，是理论指导下的观察。2、理性主义认为假说演绎方法不是纯粹的逻辑性过程，而是非逻辑的过程。3、在理论检验上，理性主义认为个别经验不足以证实一种理论，只能证伪。,理性主义认识程序的核心思想：,二、解释：,1、科学解释。就是对所观察到的现象作出合规律的阐述，就是将现象放于规律起作用的范围。2、类型：演绎解释全称规律解释个别现象。概率性解释-用统计规律解释某一现象。功能性解释-用功能定律解释某一功能。结构性解释-用结构解释某一功能。起源性解释-用演化规律解释相应现象，具有历史分析性。,3、解释的结构,能解释的规律是什么-定律发现；规律起作用的条件是什么-条件发现；被解释的现象是什么-现象发现；如何确立其推理链-推演形式（操作，程序，操作规则）发现；,4、解释的逻辑模型,L一般规律；C条件；E解释的现象；LCE,5、解释与发现的关系,解释中存在未知项就意味着发现。1、对大前提的发现2、条件发现；3、过程性发现4、对新事实的预见,三、验证,1、验证是对各类发现进行趔性评价的过程及结果。2、逻辑验证；通过逻辑分析不验证发现的真假，具有前验性。第一，非逻辑过程是充许的，但不能有反逻辑错误；第二，不能有逻辑性悖论，必须要逻辑自洽。第三，不能与理论和事实相违背。,3、实验证实与证伪,证实：LCECL验证1）（L1CE1）（L2CE2）（E1E2）E2L1L22）LCEE（LC）,注意,1、验证是一个反复的过程2、要持分析态度3、注意验证的相对性与绝对性,第三节假说与理论,什么样的理论是好理论？放之四海而皆准的理论是好理论吗？人需要理论及其体系，就象人需要空气一样,一科学方法的关键是事实与假说和理论之间的必要张力？,即大胆假设小心求证,二假说,1、假说的概念：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性提出的一种假定性的推测和说明。2、假说的特点：第一，以事实为基础，（表明其科学性）第二，具有猜想性内容和试探性质。（表明其假定性，也就是对现实的超越性。这种超越除非得到证明，否则科学共同体很难认定。）,三、假说的提出：,理论性假说的主要内容是提示事物内部机理和深层本质，其核心部分是关于事物本质的假定。而这种假定是基于一定事实基础和理论背景提出的，它应该能推出预言或预见以供下一步验证。因此完整的理论性假定应包括以下结构要素：事实基础；本质性假定；预言预见；背景理论（包推理规则）。,例：宇宙大爆炸理论,大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。,证据,（a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。（b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。（c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。（d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。,宇宙大反弹理论,大反弹理论是是由德国物理学家伯卓瓦发现的。该理论认为，宇宙形其实是不停重复大爆炸和大挤压的过程，也就是说，宇宙是一直不停的收缩和膨胀。因此我们所说的宇宙的起源(也就是大爆炸)可能只是上一次宇宙大挤压造成后果。宾夕法尼亚大学物理教授MartinBojowald建立的数学模型(1)所演绎的物质在量子状态下系列特征进一步证实了大反弹理论。Martin教授称大反弹理论可能推翻大爆炸理论，重新解释宇宙的真正起源。Martin与同事们通过一种被称为量子引力环(2)的数学建模工具完成了时空的飞跃，对宇宙大爆炸以前的物质存在状态作出了详细的描述。根据大反弹理论，物质波动在空间和时间的尺度上呈反弹式运动，其波长覆盖的范围也会在垂直尺度上产生较大的变化，量子物理学为宇宙形成过程的数学建模增加了几个参数，使演绎结果更加出人意料，科学家认为，在我们现在居住的宇宙形成以前，可能存在一个结构相近的反宇宙，而不是原先设想的绝对虚无状态。反宇宙的坍缩最终引发了大反弹，进而创造了我们现在这个仍然在不断扩张的宇宙。,根据这个模型，在大爆炸开始的一瞬，我们的宇宙体积非常小但并没有小到零，能量极大却不是无穷大，并不是奇点。模型还显示，大爆炸很可能是前一个宇宙的灭亡所触发的。与我们正在加速膨胀的宇宙不同，大爆炸开始之前，宇宙的前世处于收缩状态。计算表明它并不能收缩成一个没有体积的奇点，因为当温度和压力变得极大时，引力会变成斥力，阻止宇宙进一步收缩。根据计算，由于积蓄的引力能量非常大，宇宙收缩到一定程度后会发生大反弹，就像皮球重重地砸在地上之后会反弹起来。Martin教授认为，大反弹触发了当前宇宙的膨胀，在我们这个宇宙中还有可能找到其前世遗留下来的痕迹。按照大反弹之说，大爆炸并非时间和空间的开始，宇宙有无限的过去和未来。如此一来永恒还是存在的，这一点对崇尚永恒不灭的中国哲学而言非常重要。,注意：,事实基础是假说的基本依据。仅在出现事实而未被已有理论满意解释时才提出假说。假说验证前的科学性应由事实保证。本质性假定假说的核心，验证针对这一部分。预言预见是本质性假演绎的事实，提供了对假说进行验证的可能性。背景理论是假说暗示的内容，包括被假说借用和修正的理论。,四、假说在科学研究中的作用,1、假说是凝结已有成果，为发展科学理论的必经途径。2、提示新实验，促进新理论形成。3、不同假说的争论有利于科学的发展。,五、假说的来源：,假说是逻辑与非逻辑性思维的正确运用，是创新性思维活动。（1）来源于理论与实践的矛盾（2）为了直接解决理论自身中的矛盾；（3）对新旧事实矛盾的假定性说明；,六、形成假说的方法,形成假说的三个阶段一是孕育阶段。这个阶段的主要特点是：A研究者的注意力集中于分析最主要的事实；B在这一阶段想象、联想、灵感等思维形式尤其重要。C类比和归纳的作用较为突出。D初步的假定具有明显的尝试性和暂时性。,二是形成阶段。主要特点：A以初始的假定为中心广泛地综合解释已有的事实材料；B演绎论证的作用较为突出C预言未知的事实或新的现象。三是检验阶段。对假说进行全面检验特别是专门设计的实验检验，使之向理论过渡。关于这三个阶段的区分也只是相对的意义。,七、建立假说应遵循的原则,假说是理论的过渡形态，因此科学理论本身的特性与功能，就成为提出假说时应考虑的原则：1解释性原则。假说和已知事实的关系。是基本的原则2对应性原则。指假说和已知科学理论的关系。,3简单性原则。要求在假说体系中所包含的彼此独立的假设或公理最少，可以减少造成不自洽的根源。这是一个美学原则。4可检验性原则。检验科学假说的推论：实验针对的是具体的科学事实。,八、科学假说向理论的转化,一检验假说的原则与方法1假说的检验方法：逻辑分析和实践检验两个步骤。,A逻辑分析：判断假说的可检验性。此外逻辑分析的内容还包括：分析假说中的概念是否具有精确性、明晰性和简单性；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。在实践检验中也常用逻辑方法。可检验假说是否相容的和自洽的，但是不能判断假说的真伪。,B实践检验：分为直接检验和间接检验。直接检验，即用观察和实验直接观测科学假说的实质内容，以证实或否证科学假说。间接检验：即用观察和实验观测来检验假说基本命题所推演出来的结论或预言。通常用逻辑推演与实践证明相结合的方式。,2检验假说的原则：,A事实的可靠性、充分性或典型性；B理论分析与实践检验的统一性；C验证假说的长期性；,九、建立科学理论体系的方法,一、科学理论的特点和结构方式1、科学理论：是经过实践检验的正确反映客观规律的科学知识体系。2、特征：1）真理性：正确反映客观对象，是客观真理。2）普遍性：提示对象的深层次本质，普遍适用这一领域。3）系统性：4）逻辑性。,九、建立科学理论体系的方法（续）,3、结构：1）基本概念，构成科学理论的基石和逻辑出发点。2）命题：将有关概念联结起来的判断：是对象间关系的抽象表征，以全称判断形式出现。通过对观察材料概括的理论称原理性理论；通过理论假定而引入原理的理论称为结构性理论。3）结论：定律，原理和理论。是科学理论的基本构成，它履行着解释存在，预测未来的功能。在这种通过推导或证明过程联结的理论体系中，由此构成推理链条，在这种推理链条中和种知识都有可以用原理加以解释，使用权科学理论成为知识容量大且结构化程度高的知识体系。,九、建立科学理论体系的方法（续）,4）方法及工具与基本概念，基本原理，科学推理的结构形式相对应的还使结构得以建立的各种方法和工具。如抽象模型；符号语言；逻辑数学等。抽象模型：就是将研究对象复制于思想，从而对其进行思维操作，界定概念，提示原理。符号语言；它是构成理论的专用术语和语言手段。以词汇单义和语法以及高信息密度建立与思想与经验材料的联系。逻辑数学工具。是形式化的工具。,九、建立科学理论体系的方法（续）,二、构建科学理论的方法1、公理化方法。用尽可能少的下定义的基本概念和不加证明的基本命题为基础，运用逻辑规则演绎推导出一系列命题和定理，建立理论体系的方法。遵循一致性，完备性和独立性原则。,九、建立科学理论体系的方法（续）,2、逻辑与历史相统一的方法1）逻辑，就是用概念，判断和推理去复制对象形成一系列的概念的概念序列。2）历史，包括对象自身的历史也包括对对象认识的历史。逻辑与历史的统一，首先就是逻辑与对象史一致，逻辑起点正好是对象发生的起点，逻辑的展开正好是对象发展的过程。其次是逻辑