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(转)科学解释的历史变迁
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| 科学解释的历史变迁 李醒民 |
科学研究的目的之一，就是要寻求令人满意的科学解释。但是，究意什么是科学解释(scientific explanation，或译科学说明)，迄今似乎并没有一个令人满意的定义。所幸的是，人们能够从下述疑问中悟出科学解释的具体含义：行星为什么绕太阳做椭圆轨道的运动?元素的化学性质为何呈现出周期性的变化?生物进化的原因何在?量子力学中的波函数表示什么？在这里，科学解释也许可以看作是对上述一类问题的回答。 美国科学哲学家C．G．亨佩尔在他的专题著作中把科学解释分为两类：演绎律则解释(deductive nomological explanation)和统计解释(statistical explanation)；他还认为，科学解释必须符合相关性要求和可检验性要求。但是，新西兰威克托大学的哲学教授孔宪中却不以为然，他对科学解释的价值表示怀疑。在他看来，演绎律则解释不是自我解释就是名义解释，而概念解释基本上是特设性解释。他得出结论说：解释实际上不是科学研究的目的，其价值太少了，以致不能授予“科学”的光荣称号；也许解释只是一种附带的现象。科学研究的真实目的是另外一些东西(是预见、统一、思维经济，或者是别的什么)，当达到这种“另外一些东西”时，解释就随之而来了。 在本文中，我不拟就科学解释的理论问题发表什么议论，更无意于辩驳一下倒底有无科学解释。我仅想在肯定科学解释存在的前提下，从科学发展史的角度谈谈科学解释的历史变迁及其对我们的启示。我这里所谓的科学解释，包括前科学时期的“科学”解释以及从现代观点看来并非科学的“科学”解释。 一、古代科学中的科学解释：拟人说 人们从事科学探索的持续不断的动力无非有二。其一是，人们不仅想在世界上生存，而且想改变自己在自然界中的地位；这样一来，人们就要设法预见自己所处的环境的变化，如果可能的话，还要控制环境来为自己服务。其二与人们的实际利益无关，它在于人们智力上的强烈好奇心，在于人们极其渴望了解自身以及自身所处的世界；事实上，这种欲望是如此之强烈，以致文明史前的人们在没有获得比较可靠的知识时，往往用神话来解释自己面临的现象。 在西方神话中，太阳变成了菲巴斯的火焰车，雷电被说成是宙斯或索尔的武器。在中国，也有“盘古开天辟地”、“女娲补天”、“羲和御日”、“嫦娥奔月”、“夸父追日”、“精卫填海”等等神话传说。这些神话固然是幻想的产物，但从科学发展史的角度来看，可以看做是古人企图从当时的认识水平对自然现象加以解释的一种尝试。 远古神话解释尽管形形色色，但它们却有一个显著的共同点，即各种神话中的神祗都是人格化的神，或者也可以说是神格化的人。因此，这些神话解释归根结底是拟人说解释。例如，用头有七窍来解释天有七(行)星，用人格化的邪恶的精灵侵入人体来解释疾病的成因，等等。 作为古代天文学和化学前身的占星术和炼金术，其中大量充斥着拟人化的解释。古人把天上的星宿看作是具有神性的东西，认为每个星宿都代表一个神祗或精灵，相信这些神圣的天体影响着地上的生活，改变着事件的进程。在“每个灵魂都属于某个星宿”的信条下，天上的星球和地上的有生命和无生命的事物用看不见的纽带联系起来，天上的大宇宙和地上的小宇宙是和谐对应的。同样地，在炼金术士看来，有可能从元素或物质中分离出“精素”或“灵气”，从而使贱金属转化为贵金属。他们把这种转化过程视为某些物质的“死亡”或“复合”，为此在操作前必须向地神赎罪，有时还伴有音乐，以期达到人体、灵魂和天体音乐固有的和谐。炼金术士传播的另一种思想是，金属是两性生殖的产物，金属本身就有雌雄之分。这种带有神秘主义和物活论的拟人说，在中世纪还经久不衰。 古代科学的黄金时代是古希腊科学。在古希腊的科学解释中，存在着这样两种趋向：外察实体论的解释(如泰勒斯的水是万物的始基、四原素说、原子论等)和内省观念论的解释(如毕达哥拉斯的万物皆数、柏拉图的理念论等)。前者试图以某种物质实体的存在和运动来解释世界的本源和自然的变化，后者则运用某种精神实体来进行科学解释。尽管在这些解释中自然界不那么人格化了，甚至带有机械论的色彩，但它们仍不免打上了那个时代的烙印。例如泰勒斯认为万物都充满了神；他还设想磁石有灵魂，因为磁石能够吸铁。阿那克萨哥拉也发挥了这种见解，他把一切运动都归之于心灵或灵魂的作用。赫拉克利特广泛应用报复思想作为解释世界秩序的原则，并用商业术语解释事物的变化。在四原素说中，事物的生与灭、结合与分离被解释为四原素的相生相克以及“爱”与“憎”。甚至在最少拟人说的古代原子论中，也把运动的东西主要看作是灵魂，并认为灵魂是由精细的原子构成的。在内省观念论解释的代表者毕达哥拉斯学派和柏拉图的思想和著作中，拟人说解释的成分似乎还要多一些。例如毕达哥拉斯学派认为数目的某一种特性是正义，另一种是灵魂和理性，他们对宇宙结构的解释也充斥着贵贱观，越向上的天层、运动越慢的天体就越神圣、越高贵。柏拉图在解释宇宙的生成时，认为这是超自然的神按照理性的目的和方案活动的结果，从而由无秩序造出有秩序来，把整个世界造成一个既有灵魂又有理智的活物，天体和星辰就是靠它们神性的灵魂而运动。 在亚里士多德的著作中，不乏天才的思辨和经验性的总结(尤其是在动植物分类上)，但拟人说的解释也比比皆是。例如，他认为天体是不朽的、永恒的、高贵的，所以作完美的圆运动；而地球则不完善，所以作直线运动。他追随柏拉图，把运动归因于一切东西自寻其天然归宿(固有位置)的内在本能。他还提出了“自然害怕真空”、“神是一切活动的目的因”等拟人说解释。 在漫长的中世纪，科学是神学的奴仆，于是在科学解释中，人格化的神始终扮演着不可或缺的角色。中世纪的人的心理迷恋于大小两种宇宙的类比，一方面是充满神性的天文学的宇宙结构，另一方面是人体结构。他们通常认为有一个活的灵魂(“奴斯”)或新柏拉图主义的世界精神，贯注于并维系着整个宇宙，这个灵魂又被神所渗透与控制，以此解释世界的现状和未来发展。总而言之，中世纪的科学解释是占星术、炼金术、巫术、妖术、神学的大杂烩。这种状况也在当时的科学哲学上有所反映，因为科学哲学本来就是对科学的哲学反思。生活在13世纪的罗吉尔•培根虽然具有比较进步的眼光，但他的心理态度大半还是中世纪的。他接受了《圣经》的绝对权威和当时基督教的武断神学体系。他也赞同经院哲学的下述见解：一切科学与哲学的目的，都是为了解释与装饰至高无上的上帝。因此，在他的著作中，超越时代300多年的创见和远见与随处可见的混乱和矛盾交织在一起，他虽然竭力挣扎，但还是摆脱不了中世纪的时代偏见。 当然，中世纪也不是漆黑一团，近代科学的萌芽也在顽强生长，巴黎大学比里当提出的使动者把冲力嵌入受动物体的冲力论就是这样的幼芽。冲力论认为，物体运动得越快，加于其上的冲力也就越大，在使动者停止作用后，使抛射体继续运动的就是这种冲力。但是，由于空气阻力和重力的作用，冲力便不断减弱，抛射体的运动也不断变慢，这样一来，冲力逐渐减小以至耗尽，重力处于支配地位，抛射体便向固有位置运动。用冲力论解释抛射体的运动，固然排除了神灵的参与，但是仍旧保留着拟人说解释的印记。撇开抛射体最终趋向固有位置这种目的论的残余不谈，冲力这个词的本来意思就是跃动、狂热、激情等等，这明显带有拟人性质。 古代科学解释中的根深蒂固的拟人化特征也可从下述事实中得到强有力的佐证：在近代科学先驱者乃至集大成者的身上，也没有抹掉拟人说的印记。哥白尼在论证太阳是宇宙的中心时说，太阳是宇宙之灯、宇宙之心、宇宙的主宰；太阳坐在皇帝的宝座上，管理着周围的众星家族；地球通过太阳每年受孕、怀胎、结果；在这座最美的神庙里，还有什么更好的地点能安置太阳这个发光体，使它能一下子照亮整个宇宙呢?开普勒接受而且发展了哥白尼的天体贵贱观，也认为太阳是宇宙的统治者，太阳的世界灵魂指挥着行星环绕着它运动。他还说整个宇宙就是三位一体的模式：圣父是中心的太阳，圣子是环绕中心的星球，圣灵则是宇宙间的许多复杂关系。吉尔伯特以为磁石具有像灵魂那样的东西，而地球的灵魂即是磁力。他还认为每个星球都有一个特殊的精神在里面，行星的轨道及宇宙的和谐秩序，就是这些精神相互作用的结果。在近代科学泰斗笛卡儿那里，上帝一开始把运动赋予宇宙，以后便听任其自然进行；上帝尽管不再是最高的善，但毕竟还是第一因。近代科学的集大成者牛顿在这方面比笛卡儿走得还远些，他不仅认为上帝是第一因，而且认为人格化的上帝是内在的、永恒的、无限的、绝对完善的，并认真地讨论了上帝和自然科学的关系。 二、近代科学中的科学解释：机械说 以哥白尼的《天体运行论》的出版(1543年)和牛顿的《自然哲学的数学原理》的发表为标志的近代科学革命，大大改变了科学本身的面貌，与此同时，在科学解释方面也出现了新的转机。 尽管在近代科学的早期，还保留着拟人说解释的残余，但是人们毕竟力图从事物的本身及其相互关系中来寻找现象的原因。尤其是，随着经典力学体系的建立和传播，机械说的科学解释便代替了拟人说的科学解释。在哥白尼的日心说中，哥白尼主要还是立足于用数学计算、美学原则和观测资料论证他的体系的合理性的；他在驳斥反对者对日心说的诘难时，也试图对现象做出合乎科学的解释(尽管包含着亚里士多德式的谬误)。开普勒在解释行星作椭圆轨道运动而不飞离时，一开始也认为行星有灵魂或意志，它们有意识地支配着行星。后来，他抛弃了这种拟人说解释，提出了力作用于行星的见解，他是从速度和距离的关系上想到这一点的；不过，他认为这种力是磁力那样的力，不是超距力。这种被称为斯佩凯斯(species)的非物质的能力从太阳放出来，由于它的旋转而推动行星。在伽利略身上，新精神比前人更进了一步(不过他起初还是信奉冲力论的)，他用惯性解释物体脱离使动者为何能继续运动，用竖直方向受重力的下落运动和水平方向的惯性运动的合成来解释抛射体运动轨迹何以是抛物线。笛卡儿用漩涡解释宇宙的成因和运动，他认为整个空间充满了媒质的漩涡，比较粗糙的物质块在漩涡运动中聚集起来而形成天体，这些天体被周围媒质的漩涡所推动；他进而想把地上的现象，包括生物和非生物在内，用相同的机械说方法予以说明；他还用粒子旋转速度的差异来解释颜色。至于牛顿，他的力学是立足于机械力和引力的解释，他的光学是立足于光粒子说的解释。从现代科学的观点来看，上述有些解释尽管是片面的、牵强附会的乃至错误的，但它们毕竟摆脱了以目的论、物活论和神学为特征的拟人说解释。 如果说在笛卡儿和牛顿那里，科学解释还没有和上帝彻底决裂的话，那么在惠更斯那里，神学色彩就完全消失了。待到拉普拉斯，他甚至敢于在皇帝面前理直气壮地宣布：我不需要上帝这个假设。从科学哲学上讲，情况也是如此。如果说牛顿用力学证明了造物主的智慧的话，那么到洛克，对上帝已不是那么留恋了，休谟则断然把理性与信仰分开，剥夺了上帝在自然科学中的地盘和在科学解释中的万能地位，而康德则响亮地提出了“人为自然立法”的口号。被称为理性世纪的18世纪是理性自律的世纪，而被称为科学世纪的19世纪则是科学自主的世纪。在这个时期，占主流的科学解释是机械说的科学解释。 机械说的科学解释的实质是，力图用力学术语来描述自然界的一切现象，并以力学理论为基础来解释它们。在当时的科学家和哲学家看来，这是毋庸置疑的公理。 机械说的科学解释有两个显著的特征，这就是它立足于物质的“要素”实体和机械的“力” (进而引申出其他力)的概念。为了解释燃烧和煅烧现象，人们引入了“燃素”这一物质实体；认为物体燃烧时，燃素便逸出，或则进入大气中，或则进入可与它化合的物质中；金属在煅烧时，便分解为重的灰渣和气体的燃素；燃素具有负的重量或正的轻量。为了解释热现象，人们又拟想出“热质”，认为热的本质是特殊的物质实体，热传导就是细微而不可称量的热质的流动。热学的定量研究乃至卡诺的热机理论都是以热质说为基础的。为了解释电现象和磁现象，人们便设想存在着电流体和磁流体：由于电荷有正、负之分，便提出了双流体说。后来，随着科学的发展，尽管用氧化说代替了燃素说，用热的分子运动论代替了热质说，用电粒子(电子)代替了电流体，但这不过是用一种新的、比较切合实际的要素代替了旧的、不合时宜的要素而已。 在机械说的科学解释中，力的概念扮演着须臾不可或缺的角色。为了解释各种力学现象，人们引入了诸如万有引力、推(拉、举)力、压力、弹性力、摩擦力、离心力、向心力、黏滞力、表面张力等名目繁多的力。甚至为了便于处理问题和解释有关现象，还引入了惯性力(惯性离心力和科里奥利力)和约束力的概念。用力的概念进行科学解释也波及到其他领域。例如，用化学亲和力来解释王水溶解金而不溶解银以及硝酸溶解银而不溶解金等众所周知的化学反应。为了解释生物所表现出的一些有别于非生命系统的特殊现象，人们认为这些现象是某种潜在的动力的呈现。这种潜在的动力是一种不可见、不可感的非物质动力，被称为隐得来希(entelechies)或活力；通常假定，这些动力并不违背物理与化学定律，它们在这些定律许可的范围内引导有机过程：使胚胎在存在干扰因素的情况下发育为正常个体，使成熟的机体保持或复归于正常的功能状态。当时科学家普遍认为，一旦把一切自然现象都还原为简单的力，而且证明自然现象只能这样来加以简化，科学的任务就算完结了。 机械说科学解释在近代科学中处于支配地位，不仅可以从经典力学的发展和电磁学的孕育中，而且可以从法国机械唯物主义哲学(拉美特利甚至认为“人是机器”)中明显看出。就是在19世纪的科学发展中，这种趋势也是显而易见的。19世纪科学的三大进展——道尔顿的原子论、达尔文的进化论、麦克斯韦的电磁理论——无一不打上机械说解释的印记。在道尔顿的原子论中，用既不能被创造，也不能被消灭和再分割，且在化学变化中保持其本性不变的化学原子，对当时基本的化学实验定律作出了统一的解释。这种机械说解释很快为化学界所接受，并受到人们的重视。达尔文成功的第一个主要结果就是机械论哲学浪潮的再起。进化论的确立，加上生理学和心理学的发展，从生物学方面加强了在经典物理学中的机械说解释的势头，人们以为很快就可以用永恒不变的质量和常住不变的能量来对无机世界给以圆满的说明了。由于质量和能量守恒原理应用到生物现象，人们产生了一种奢望，以为生物机体的各种活动，不论是物理的、生理的还是心理的，都可以解释为分子运动的方式及力学的或化学的能量的表现。这种状况在达尔文主义者海克尔的还原论中表现得十分明显。他认为有机界和无机界是统一的，碳的化学性是生命运动的惟一原因，有生命的原形质的最简单形态必然是碳与氮的无机化合物，是经过自然发生的过程产生出来的，心灵的活动不过是一组完全决定于原形质的物质变化的生命现象。麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》的论文中解释电磁现象时，认为电和磁的作用是同一种媒质以太的作用。这种媒质的各部分是互相联系的，一部分的运动要依赖于其余部分的运动。同时，运动的传递并非瞬时的，而是需要时间的，因此这种联系必须是一种弹性体的作用。 机械说解释在近代科学中的至高无上地位，也可以从下述事实中窥见一斑。19世纪末，经典物理学业已发展到顶峰，日益暴露出机械说解释的局限性，但是，当时物理学家并没有积极谋求全新的科学解释，而仍是囿于机械自然观，不敢越雷池一步。他们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型，企图解释光、电、磁现象。正如爱因斯坦所说：“当时物理学在各个细节上虽然取得了丰硕的成果，但在原则问题上居统治地位的是教条式的顽固：开始时(假如有这样的开始)上帝创造了牛顿运动定律以及必需的质量和力，这就是一切；此外一切都可以用演绎法从适当的数学方法发展出来。” 机械说解释把人格化的神或神格化的人从科学解释中排除出去，使解释真正成为具有科学性的解释。但是，与此同时，它也把人这个认识的主体从主体所认识和解释的客体中截然分开，破坏了人与自然的同盟。 三、现代科学中的科学解释：嵌入说 19世纪、20世纪之交爆发了物理学革命，诞生了相对论和量子力学两大理论体系。机械说的科学解释愈来愈暴露出它的无法弥补的局限性。人们感到必须估价认识主体在科学解释中的地位，变换自己描述客观世界的着眼点，把认识主体和认识客体恰如其分地联系起来。这就导致了嵌入说解释的崛起。 嵌入说解释的基本特征是：认识主体嵌入在认识的客观对象之中的。如果人自身不参与到科学解释的内容之中，就无法获得满意的科学解释，甚至不可能有科学解释。 在爱因斯坦的相对论中，空间和时间失去了它们的独立性和绝对性，空间和时间的测度也失去了绝对的意义，而依赖于观察者的运动状态。观察者与物体的相对速度不同，事件排列的时间顺序也不同，对一个观察者来说是同时发生的事件，对于另一个观察者就不见得是同时的了。同样，被测量的物体也不具有绝对的尺度，其尺度要取决于物体与观察者的相对速度。当被测量的物体相对于观察者运动时，在观察者的眼中，它不仅有表观转动，而且其颜色和表观亮度也是不同的。显而易见，在对钟慢尺缩等现象的解释中，都无法排除作为观察者的认识主体。 如果说在相对论的科学解释中，认识主体还是“外在”的话，那么在量子力学的科学解释中，认识主体已完全“内在”化了。人们在解释测不准关系时认为，观察者无法同时安置两个仪器一并测量电子的位置和动量，他必须首先决定选择测量装置以决定测量哪一个量。而且，测量过程会干扰电子本来的运动状态，会产生不可挽回的影响，不确定性是不可避免的。由此可见，电子的信息，实际上是由观察者所选择的实验，即他所放进的观察装置而决定的。如果我们问不同的问题，或者我们问同样的问题但提问的顺序不同，则答案也不同。同样，实验者采用不同的观测方式，则电子的行为也将表现不同。因此，物理学家惠勒指出：在量子现象中，要描述发生了什么，就应该抛弃“观察者”这个词，而代之以“参与者”这个新词。 用人的宇宙原理对大数假设所作的解释，充分体现出认识主体已深深嵌入到科学解释内容之中。本世纪30年代，英国物理学家狄拉克注意到，氢原子中静电力和万有引力之比与以原子单位量度的宇宙年龄二者均为1039的数量级。他认为，这种非常惊人的巧合决非偶然，一定有某种基本的原因在自然界中起作用。狄拉克进而发现，表征微观世界和宇观世界基本特征的无量纲的大数是彼此相关的，这就是所谓的大数假设。有人提出人的宇宙原理来解释大数假设。这种原理认为，狄拉克的两个大数并非永远相同，只有当宇宙演化到两个大数相同时，才有可能出现生物并进化到人类，从而才有人类对宇宙的认识，其中包括认识到大数假设。这个时期的给定的宇宙，是人的宇宙，这个时期的人，同样也是给定宇宙的人。按照这一原理，在原则上存在着许多不同的宇宙，大多数宇宙并不具备产生生命乃至出现文明的条件。人的宇宙原理的实质是，宇宙之所以如此，是因为有我们在此，没有我们在此的宇宙，不具有像我们所在宇宙的结构。这一原理告诉我们，在原则上不能消除观察者对被观测的宇宙的选择，在这个宇宙中，我们既是观众，又是演员。人的宇宙原理是十分诱人的科学解释，它有一定的事实根据，尽管它还没有最终得到证实。 四、最后的沉思 古代拟人说的科学解释反映了当时的科学是不成熟的，还没有从宗教神学中完全解放出来，也说明人的理性受到神性的严重压抑。但是，拟人说的科学解释毕竟补偿了人们求知的渴望，使人们的心灵得到某种程度的平衡和似是而非的满足。更重要的是，它是近代科学思想产生的前提，近代科学正是在扬弃拟人说这一主观主义的科学观的基础上逐渐发展起来的。 机械说解释代替拟人说解释，使近代科学断然与宗教神学决裂，显示了人的理性的觉醒，为人们认识自然开辟了新的道路。但是，这种科学解释所揭示的是一个被动的、僵死的自然界，它把人从自然界排除出去，并孤立起来，而不是使人和自然界更加亲密，从而导致了科学与人性的分离。 嵌入说解释的崛起，促进了科学与人性的结合，它可以看作是在一个更高的程度上向拟人说的复归。但是，拟人说解释是建立在思辨、猜测、臆想、信仰的基础上，嵌入说解释则建立在科学实验和科学假设的基础上；拟人说解释是人格化的神或神格化的人参与到科学解释的内容之中，嵌入说解释则是实实在在的人参与其中，人的主动性代替了神秘的神性。至于机械说解释，它是一种客观主义的科学观，而嵌入说解释并不是与之反动的主观主义的科学观，它在两种科学观之间保持了必要的张力，因而是一种卓有成效的、有广阔前景的科学解释途径。 在拟人说的科学解释内容中，其参与者是神，只是透过神性的光环，才能看到人的朦胧的影子，人不过是面对自然而诚惶诚恐的敬畏者。在机械说的科学解释内容中，其参与者是物、是力，根本没有人的位置，人只是站在自然之外的、渺小的(但却是有理性的)观察者。只是在嵌入说的科学解释中，人与自然才真正地融为一体：人是自然的人，自然是人的自然；人将自己对象化于科学之中，把自己的精神赋予世界，并在创造新世界中体现自己的本质。这是自然界的真正复活，是人的真正觉醒，是人的实现了的自然主义和自然界的实现了的人本主义(马克思)。 人本来是自然的一部分，人与自然本来具有天然的同盟关系。但是，在拟人说解释中，人与自然的同盟是以扭曲的形态出现的，实际上是用神性排斥人性，造成科学与人性的分离。机械说解释同样也破坏了人与自然的同盟，进而形成了两个世界、两种科学、两类文化。现代科学和嵌入说解释正在把二者统一起来，建立人和自然的新的同盟，沟通人与自然的通信渠道，从而使科学具有人性，人性具有科学性。 |
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