科学哲学导论：理论体系构建原则

三、建构理论体系的基本原则

在科学史上，各种科学理论体系的建构呈现千姿百态的情况，要用几种模式来概括似乎是不可能的。这里着重阐述建构科学理论体系的基本原则，并结合具体的科学案例加以说明。

1.可检验性

所谓可检性，是指从所建构的科学理论体系可以推导出被解释的经验事实来。这是“理论所必须满足的最低限度的必要条件”⁽³⁴⁾，否则，就不能在实践中经受检验，而应当予以放弃。

但是，随着现代科学的发展，科学理论的基本概念和基本关系与经验世界的距离增大了。而检验一种科学理论最初困难的一步，即是把这种科学理论的推论发展成为经验上可以检验的地步。这种情况，就使从基本概念和基本关系到达经验上可以检验的推断之间的逻辑思维的链条变得更加繁难和漫长，从而使科学理论的实践检验受到一定的限制。再者，由于实践活动的历史局限性，有些理论虽是可检验的，但当时却难以完成。例如，在从A·爱因斯坦提出广义相对论的三个重要推论（即光线在太阳附近的偏折、光谱线的引力红移、水星近日点的进动）中，除水星近日点的进动是惟一的一个事先已经知道结果的观察，其余两个推论被科学观测而作出较为精确的验证，中间花费了将近半个世纪的时间⁽³⁵⁾，而它的另外两个推论，即引力波和黑洞的存在，至今还没有得到可靠的实验证据。可见，科学理论的检验的完成是一个历史的过程。

因此，应当区分两种不可检验性，即现实上的不可检验性和原则上的不可检验性。所谓现实上的不可检验性，表示在科学技术发展的现有水平上，推断不可能得到检验，但原则上检验是可能的。这就是说，检验条件并不一定需要在科学理论被提出或被思考时就已经实现或在技术上是可以实现的。所谓原则上的不可检验性，表示这种科学理论不可能提供可与实验相对照的推导，它根本没有检验蕴涵。倘若一个或一组陈述在原则上是不可检验的，换句话说，如果它根本没有检验推论，那么，它就不能有意义地被提出或被看作是一个科学理论，因为没有一种可设想的经验发现物能与之相符合或相抵触。一个概念体系并不能因为它仅仅给出了对象的直观见解就有资格被看成是一个科学理论。比如，19世纪末、20世纪初的“新活力论”就是一个比较典型的案例。当时在生物学领域已经发现了不少经验定律，例如，生长相关律指出，一个有机生物的个别部分的特定形态总是和其他部分的某些形态相联系；生物重演律表明，个体发生就是系统发生的短暂而迅速的重演，等等。这些都是非生物界所没有的，也不能单用物理、化学的理论来解释。于是，德国生物学家H·A·E·杜里舒提出了“新活力论”。他认为，有生命物体和无生命物体之间有着不可逾越的鸿沟，生命现象由一种非物质的、神秘的、超自然的“活力”（visviva）或“隐得来希”（entelechies）所支配的。这样一来，似乎对生物生长相关、生物重演等经验事实提供了一种理解，然而这是一种似是而非的解释。什么是“活力”？怎样从“活力论”推演出相关经验事实？条件是什么？对此找不到任何明确的答案。正如恩格斯早就指出的：“为了避免找出我们的机体的某种机能所引起的变化的真实原因，我们就造出某种虚构的原因，某种和这个变化相当的所谓力。”⁽³⁶⁾“并不是因为我们完全认识了规律，而正是因为我们不认识它，因为我们还未弄清这些现象的‘相当复杂的条件’，所以我们在这里有时找‘力’这个字做避难所。这样看来，我们由此表现出来的，并不是我们关于规律的性质及其起作用的方式的科学知识，而是我们缺乏这方面的科学知识。”⁽³⁷⁾

科学家在建构科学理论体系时，往往非常重视科学理论原则上的可检验性。例如，自20世纪50年代以来，分子生物学成果已荣获120多个诺贝尔奖，其主要原因之一就是由于分子生物学理论比其他传统生物学更具有可检验性。关于这一情况，美国著名学者G·E·艾伦在《20世纪的生命科学》一书中写道：“中心法则的基本宗旨，几乎随时可能（并且已经）被直接检验……来自中心法则的预见则是容易被证实（或可能证明与事实矛盾）。”⁽³⁸⁾

要求科学理论具有原则上的可检验性，这是深刻的唯物主义体现。一个概念体系，只要它是科学的理论，就必定以客观事物的本质或规律性提出明确的看法，因而必定是可检验的。而模棱两可、同义反复的、玄想的、带有神秘主义色彩的假说理论是无从检验的，从而是非科学的。因此，科学理论原则上的可检验性是科学理论得以成立的必要条件。

2.解释性

即要求新建构的科学理论不仅能够正确地说明原有理论已经正确解释过的事实和现象，而且能够解释原有理论无法解释的新的事实和现象。这也就是说，新建的理论不仅“在所有旧理论获得成功的地方，它也必须获得与旧理论同样好的结果”，而且“还应当在这以外取得与旧理论不同的、更好的结果”⁽³⁹⁾。这是因为原有理论对当时所观察到的现象的说明和解释，经过了一定的实践检验，因而具有客观真理性。但由于历史条件的限制，原有理论还不能说明和解释更多的新的事实和现象，因此新构建的科学理论就必须说明和解释原有理论所不能说明和解释的事实和现象，解决原有理论与新事实的矛盾。比如，1911年英国物理学家E·卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核结构模型，为原子结构学说打下了科学的基础。但是，根据经典电磁理论，E·卢瑟福的理论解释不了原子的稳定性和原子线状光谱的实验事实。1913年，N·H·D·玻尔把M·K·E·L·普朗克的“量子”概念引进E·卢瑟福的原子核结构模型，对原理论加以改进，建立了一个能够说明上述实验事实的量子化电子轨道理论。

对广泛的事实作出解释，这不仅表明新建构的科学理论具有很大的解题能力，而且表明新建构的科学理论能够得到大量事实的支持。例如，G·J·孟德尔提出遗传因子分离定律后，不但能够解释他在豌豆实验中所观察到的现象，而且还可以解释人眼颜色的遗传现象：碧眼人同碧眼人婚配，得碧眼子代；褐眼人同褐眼人婚配，如果两者的祖先都是褐眼，也只能产生褐眼子代；如果碧眼人同纯种褐眼人婚配，子女也都是褐眼，这一类褐眼的男女如果彼此婚配，其子女会是褐眼和碧眼，成3与1之比。

3.自洽性

所谓自洽性，是指科学理论内部的无矛盾性，即要求理论内部各组成部分之间是和谐一致的，而不允许在同一理论内部存在矛盾命题。一个理论T，如果不能从它逻辑地推出命题A和非A，那么理论T就没有逻辑矛盾，就是自洽的。反之，就是不自洽的。一个不自洽的理论是不合理的，至少是有待改善的。比如，18世纪的“燃素说”就是如此。该理论认为“燃素”存在于可燃物、动植物和金属中，燃烧时“燃素”从这些物体中逸出，然后剩下缺少“燃素”的灰渣；如果把这种灰渣与富有“燃素”的木炭混合加热，灰渣就会还原为原来的金属。“燃素说”把空气的助燃作用看作是带走“燃素”的结果，把动植物的生命过程也与“燃素”的得失联系起来。植物从空气中吸收“燃素”，动物又从植物中吸收“燃素”，因此它们都富有“燃素”，所以不仅可以燃烧而且可以使金属煅灰还原为金属。虽然“燃素说”曾经广为流传，但它有个致命的弱点，那就是在解释有机物和无机物的燃烧现象时不能自圆其说。经历同样的燃烧过程后，有机物的灰烬比可燃烧物轻，而无机物（金属）的灰渣比原来的金属更重。如果说“燃素”有“浮力”或有“负重”的话，只能解释金属煅烧后增重的经验事实，却不能解释有机物燃烧后灰烬变轻的经验事实；如果说“燃素”也是物质实体亦有重量的话，却只能解释有机物的灰烬变轻而不能解释金属的灰渣变重，真可谓顾此失彼、自相矛盾。这正是“燃素说”后来被“氧化说”所取代的一个重要原因。(www.xing528.com)

4.相容性

一个成功的科学理论体系不仅要内部自洽，而且要与相关的背景知识相一致，这就是所谓科学理论的“相容性”。背景知识，就是已经得到确证并且被普遍接受的科学理论。虽然，一般说来新建构的科学理论总是同原有理论相冲突的，但是不能与原有科学理论中经过检验的真理成分相矛盾。因为经过一定实践检验的理论，具有客观的真理性，包含着即使在将来也不会被推翻的绝对真理的成分。例如，稳恒态宇宙学模型为了符合宇宙既处于膨胀又处于物质密度不变的假设，提出宇宙中不断有物质在创生。但是，这明显违背了能量守恒定律，因而这个模型提出之初受到了大多数科学家的反对，因为能量守恒定律是科学知识体系的一块基石。

一个与背景知识逻辑上相容的科学理论，要么包容背景知识，要么为背景知识所蕴涵。当新建构的科学理论包含更大范围的现象或更深刻地揭示事物本质时，新理论应按照著名的“对应原理”（correspondence principle）而与旧理论相容。这意味着任何一个新理论接替原有理论时应满足这样两个基本要求：（a）新建构的理论比原有理论具有更丰富的检验蕴涵；（b）新建构的科学理论在原有理论得到确证的那个领域以渐近线的形式与原有理论相一致。

“对应原理”是杰出的物理学家N·H·D·玻尔提出来的。1913年，他将量子化条件应用于原子，成功地解释了氢原子光谱，这是经典理论无法做到的。但是，经典物理学的理论又为宏观运动过程以及原子整体运动（分子运动论）的实验所确证。因此，N·H·D·玻尔感到应该制定必要的假设，使量子论与经典理论衔接起来。为此，他在1918年提出了“对应原理”。N·H·D·玻尔事后解释说，对应原理“起源于在原子过程的统计解释和经典理论的预期结论之间寻求最密切的可以联系的工作；而经典理论在一种极限情况是应该成立的，这个极限就是，在分析现象的一切阶段中，所涉及的作用量都要远远大于普适量子”⁽⁴⁰⁾。根据N·H·D·玻尔的观点，量子理论与经典理论是很不相同的，但无论什么形式的量子理论，它必定以渐近线的形式与经典理论业已证明是适用的那个领域的经典电磁学相一致。不久，这一原理即被推广，成为科学家们提出科学假说、建构科学理论体系所遵循的一个方法论原则。德国物理学家W·K·海森堡借助于“对应原理”，建立了矩阵力学；E·薛定谔在创立波动力学的过程中，依据“对应原理”对新力学作出了科学的预言，他说：“在用波动力学代替通常的力学时，我们可以指望，一方面把通常的力学作为一种近似保持下去，它只对粗略的宏观力学现象才是有效的；而另一方面，又对那些精细的‘微观力学’现象（原子中电子运动）作出解释。”⁽⁴¹⁾此外，如非欧几何与欧氏几何、统计力学与经典力学、波动光学与几何光学、现代化学结构理论与经典结构理论、相对论和量子力学与牛顿力学等，也都是按“对应原理”联系起来的。

“对应原理”正确地反映了科学认识的发展过程，揭示了新旧理论之间的继承性和连续性。原有的在一定实践基础上形成的科学理论，只是反映了科学发展的一定阶段上人们的认识水平，具有相对的真理性。但是，每一科学真理尽管有相对性，其中都包含着绝对真理的成分。因此，在科学发展达到的新的认识中，原有理论所包含的科学内容仍然具有它的适当地位。正是从这个意义上说，量子力学并没有推翻经典物理学。“对应原理”把原有理论当作新理论的一种极限情形，则是新旧理论之间联系的一种类型。它既承认原有理论的局限性，又肯定原有理论包含着绝对真理的成分，因此表现出巨大的方法论功能。

5.逻辑简单性

即认识论意义的简单性。它要求新建构的科学理论体系所包含的独立的基本概念和公理应该尽可能地少。

早在公元前4世纪，古希腊伟大思想家亚里士多德就提出：“最精确的学术是那些特别重视基本原理的学术；而所包含原理愈少的学术又比那些包含更多辅加原理的学术更为精确。”⁽⁴²⁾14世纪，英国哲学家W·奥卡姆继承了亚里士多德的这个思想，他把简单性作为形成概念和建构理论体系的一个原则。他认为“能以较少者完成的事物，若以较多者去作，即是徒劳”。这也就是说，在某一门科学里，如能不以这种或那种假设的实体来解释某一事物，人们就没有理由去假设它。在他看来，应该淘汰多余的概念，在说明某类现象的两个理论中选择更简单的。这一方法论原则被后来的学者常常称之为“奥卡姆的剃刀”（Ockham摧s razor）⁽⁴³⁾。

20世纪，科学巨匠A·爱因斯坦更加详尽地阐发了逻辑简单性的思想。他写道：“科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的（在世界图像中尽可能地寻求逻辑的统一，即逻辑元素最少。）。”⁽⁴⁴⁾“我们在寻求一个能把观察到的事实联结在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性。我们所谓的简单性，并不是指学生在精通这种体系时产生的困难最少，而是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。”⁽⁴⁵⁾从它们出发，“可用逻辑方法推导出各个分科的一切概念和一切关系”⁽⁴⁶⁾。M·玻恩在《关于因果和机遇的自然哲学》中也指出：“关于简单性问题，在许多场合中会是有意见分歧的。难道爱因斯坦的引力论比牛顿的引力论简单吗？有素养的数学家会回答是的，这是指基础的逻辑简单性而说的。”A·爱因斯坦完全同意玻恩的看法，批注说：“惟一事关紧要的是基础的逻辑简单性。”⁽⁴⁷⁾

科学理论体系的逻辑简单性是有其客观基础的。A·爱因斯坦就指出：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡。”⁽⁴⁸⁾他的逻辑简单性思想，其实质是基于自然界的规律性和统一性的理解。因为在他看来，真的理论就是描述自然的这种规律性和统一性的理论，真的理论就应该是逻辑上简单的理论，“物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性”⁽⁴⁹⁾。A·爱因斯坦的这个论述，说明了科学理论体系的逻辑简单性是自然界的和谐性与统一性的反映。自然界的各种事物本来是相互联系的，随着科学认识的不断深化，人们逐渐发现这些联系，使在认识上本来孤立的事物联结成较少孤立的事物，于是反映在理论体系的互相独立的基本假设之间的内在联系，总是不断地被揭示出来，使科学理论中独立元素减少，从而显示出一种逻辑简单性。

事实上，逻辑简单性也正是科学家建构科学理论体系时所遵循的方法论准则。就A·爱因斯坦而言，他在1905年关于狭义相对论的论文中，除了运用简单的两条公设（即相对性公设和光速不变公设）之外，只作了四个另外假定：一个是关于空间的各向同性和均匀性，另外则是定义时钟同步的三个逻辑性质。而在A·爱因斯坦之前一年发表的、作为当时物理学最优秀的著作代表——H·A·洛伦兹的论文（H·A·洛伦兹声称是以“基本假设”而不是以“特殊假设”为基础的论文），却包含着11个特殊假设。正是由于这个理由，A·爱因斯坦认为，“作为一个对于过去一直是相互独立的种种假说的令人吃惊地简单的总结和概括”，狭义相对论超出了麦克斯韦-洛伦兹电动力学理论⁽⁵⁰⁾。