科学概念的生成与功能，本文主要内容关键词为：概念论文,功能论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、科学概念的生成
概念是抽象思维的细胞，科学概念是科学理论体系的起点，是以抽象概括的方式反映着物质世界。科学概念的发现，是否存在逻辑方法？回答有两种，一种认为科学概念的发现无明确的规则方法，是一个非逻辑过程；另一种认为，科学概念的发现有一定的规则和方法。
爱因斯坦认为，“在我们的思维和我们的语言中所出现的各种概念，从逻辑上看，都是思维的自由创造，他们不能从经验中归纳地得到。”“有这样一条逻辑上不能逾越的鸿沟，它把感觉经验的世界同概念和命题的世界分隔开来”，“没有方法可使这种概念直接从感觉经验中产生出来。”〔1〕
他曾经以下图来表示科学发现过程，“（1）E（直接经验）是已知的。（2）A是假设或者公理，由它们推出一定的结论来，从心理状态方面来说，A是以E为基础的，但是A同E之间不存在任何的逻辑上的必然联系，而只有一个不是必然的直觉的（心理上的联系，它不是必然的，是可以改变的），（3）由A通过逻辑推导导出多个个别的结论S。S可以假定它是正确的。（4）S然后可以同E联系起来（用实验验证）， 这个实际上也是属于超逻辑的（直觉的），因为S中出现的概念同直接经验E之间不存在必然的逻辑关系。”〔2〕
直接经验的各种表现
爱因斯坦还指出：“照我的见解，关于各个概念的形成和它们之间的联系方式，以及我们怎样把这些概念同感觉经验对应起来，这中间并没有什么东西是能够先验地说出来。”〔3〕爱因斯坦认为， 科学的发现是一个非逻辑过程，科学概念的产生过程，完全是一个非逻辑过程，依靠创造性思维来完成。他说：“想象力比知识重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉，严格地说，想象力是科学研究中的实在因素〔4〕。
著名美籍匈牙利数学家G·波利亚把科学推理区分为两种： 论证推理与合情推理，论证推理是必然性的推理，有被逻辑所制定和阐明的严格标准，论证推理本身不允许任何不确定的东西，它要求把不精确排除在推理之外，要求每一个推理步骤都应经得起逻辑规则检验。而合情推理是一种或然推理。其标准是不固定的，而且也不可能象论证推理那样确定，以至毫无例外地得到大家的承认，合情推理实际上由一些猜想构成的〔5〕。我们认为，从基本科学原理推导出具体结论的过程， 是一个论证推理过程，而从经验中升华出概念，则是合情推理过程，在这个过程中，有猜测的因素，但也不是完全神秘的，有许多的科学哲学家企图为这一过程制订出规范。
“科学的抽象，只有在大量经验材料的基础之上，在一定程度的科学知识基础之上，用一般的归纳方法或严格的科学方法，才能得到”〔6〕。
培根认为，科学发现有规律可循，他在其著作《新工具》中，专门讨论了科学发现的方法，指出自己创造的科学归纳法是发现科学真理的方法，科学归纳法和通常意义上的归纳法有严格的区别。通常的归纳法，只是从单称判断过渡到全称判断，而培根的归纳法，则是旨在发现科学规律的归纳法，在发现科学规律的过程中，最重要的发现首先是科学概念的发现。培根的归纳法，是所谓的三表法，培根认为，从感觉经验材料中发现科学规律，必须广泛收集各种正反事例， 排成三种表：（1）把具有某种性质和现象的例证集合在一起，构成“本质和具有表”。（2）把缺乏某种性质和现象的例证集在一起，构成“缺乏”表，（3）把随着某种性质和现象的增减的例证集在一起，构成“差异表”。通过这些表，就可以发现事物的性质和规律性。培根通过利用三表法，对热现象进行科学归纳。从生活中的大量关于热的例证，列出三种表格进行分析，得出结论如下：“热是一种扩张的，受到抑制的，在某种斗争中作用于物体的较小分子的运动”〔7〕培根抽象出热运动的物理本质，比科学界早了近百年，充分证明了科学归纳法的威力。
培根的科学归纳法是在分析了大量经验事实的基础之上，从大量关于热的表象之中，总结出热的性质，指出“热”运动与分子运动之间的必然联系，阐明热是分子运动的宏观体现。培根不是也不可能归纳出分子及分子运动的图象，培根在作出这个结论时，已经对现象进行了分析和综合，培根推崇科学归纳法，他说：“……我们还必须使用归纳法，真正的合格的归纳法，这才是解释自然的真正钥匙。”〔8〕因此， 培根没有放弃理论思维，相反，它主张人们正确地运用理论思维。培根的归纳法实质上是一种建立科学概念的方法。
物理学家海森堡在《现代科学的抽象》一书中，这样谈到抽象的实质：“抽象使我们能够从一种观点观察一个对象或一组对象，而抛开对象的所有其它特征。抽象出在这方面被看作特别重要的标志，同所有的其它特性相对立，构成抽象的实质。不难确信，概念的整个形成的前提是发现共同的东西。但是在这些现象之中，完全相同的东西实际上是碰不到的，共同的东西只能产生于抽象的过程之中，只能抽象出一种标志，把其余的东西都撇在一边。”〔9〕
可见，在运用归纳法时，必须同时使用科学抽象的方法，科学抽象必须以发现现象中的共性为基础，培根正是利用三表法来寻求事物的共性。
二、概念在建立理论体系中的作用
建立科学的理论体系，必须首先制订科学概念，由于建立理论体系的途径不同，概念的作用也各有区别。
建立科学理论的一条途径是，不断积累经验，然后抽象出概念，再运用这些概念建立普遍性的科学定律，然后以此为基础，构成完整的科学理论体系。我们以电磁理论的形成为例加以说明。古代社会就有关于电和磁的知识，东汉王充在《论衡·乱龙篇》中有“顿矣缀介，磁石引针”一说，人们对这类表现的概括，形成了电和磁的概念。后来由摩擦起电，到伏打发明了稳恒电流的伏打电池，库仑从实验中总结出电荷之间的平方反比定律，丹麦物理学家罗斯特发现了电流的磁效应，并由安培总结出电流磁效应的定量规律。1831年8月29日， 法拉第发现了电流的磁效应，并提出电磁场的概念，麦克斯韦总结了前人的成就，提出了位移电流，涡漩电场的概念，建立了统一的麦克斯韦方程组，完成了电磁学的完整理论体系。这是一个从经验出发，不断概括，不断抽象的过程，不断地完善理论，最后达成公理系统的过程。
建立理论体系的另一条途径是首先建立理论系统的基本公设，然后导出命题，再回到实践中去检验。如爱因斯坦建立狭义相对论，从光速不变原理和相对性原理为出发点，直接地演绎出相对论的理论体系，然后预言出“钟慢”、“尺短”等效应，通过实践来证明这一体系的正确性。
建立科学理论体系的这种途径，也具有相当普遍的意义。例如，钝角假设的非欧几何于1854年为法国的黎曼（G·E·B·Rieman ）所建立，这是一种公理化的演绎系统。黎曼建立这套理论的时候，并不知道这套理论在什么对象领域能够得以应用。直到1869年，意大利的贝特拉米（E·Beltrami）才给出黎曼几何的一种数学模型解释， 而到了爱因斯坦建立了广义相对论，才给出了黎曼几何能客观地应用的领域——大尺度空间。
在上一世纪末，希尔伯特通过研究欧几里德的几何公理系统，进一步发展了一种关于几何学客体的全新抽象观点。他开始把“点”、“直线”、“平面”视作满足几何公理的任何客体，希尔伯特开玩笑地说：如果用“桌子”、“椅子”和“啤酒杯”等词来代替“点”、“直线”和“平面”，那么几何学中什么也不会改变。正是在这个玩笑中，蕴含着一个深刻的思想。如果把公理看作抽象的形式，那么它们实际上就有无数的各种各样的解释〔10〕。
一个形式系统，它的构成材料是符号，包括作为原始概念出现的词，以及几元关系词，其中，形式系统的原始概念及几元关系词的意义包含在公理的规定性之中，不依赖于和某一经验领域的对应关系。由一个形式系统之中的所有公理，可以推演出整个形式系统中的定理。一个形式系统，只要我们找到了它的应用领域，即能够把原始概念与某种性质联系起来，那么，形式系统中的公理也就变成了基本定律，而形式系统中的定理也就变成了演出定理。形式系统经过这种变换后，经实践检验是正确的，则这种形式系统也就转化成了一种科学理论。
科学理论是对感觉经验的抽象，而形式系统则是对科学理论的抽象。
当发生科学革命时，新的理论的建立，往往是先给出公设，由此导出基本定理，而不是从经验材料积累并逐步抽象来做，科学理论革命本质上在于对基本概念进行变革，以建立全新的体系。当我们在实践中发现的反常事例越来多时，如何对原有的理论进行革命呢？是不是对原理论的每一个概念都重新进行的新解释呢？不必要。科学革命可以从新的公设开始，直接运用公理演绎法建立新的科学。这个过程，不需要有大量的反常事列，只要有限的反常事例就可以进行。我们从公设建立起科学理论之后，然后对原有的表象和新获得的表象进行解释，这样便可以得出整个的新理论。
三、理想概念与模型方法
模型是对原型的模拟，模型的种类甚多，有物理模型，数学模型，逻辑模型等等。模型广泛地应用于科学研究中，尤其是理想模型，对理论研究的作用更不可忽视。便如，在化学研究中，溶质与溶剂混和时既不吸收热也不放出热的“理想溶液”；生物学研究中采用的不具有任何分化特征的“模型细胞”；力学研究中只有一定质量而没有任何形状与大小的“质点”；吸收率等于1的“绝对黑体”等等。
理想实验则是指在思维表象中用理想模型做的实验。理想模型的构造，必须运用理想概念。理想概念是纯理性的产物，它所指称的对象，并不存在于客观世界之中，比如刚体质点、理想细胞等。这些概念是科学研究的有力工具。
正如我们以前论述的那样，客观实体具有无穷多样的性质，而我们对对象的研究总是局限于一种或几种性质，例如，我们在动力学研究中主要感兴趣的是物体的质量和位置，于是我们抽象出质点的概念。质点是存在于思维中的一种表象，它仅仅具有质量和位置两种性质。这种理想概念的共同点主要是仅仅具有几种单纯的性质，而这几种性质恰恰是我们进行研究工作所感兴趣的，而实际的客体具有无穷多样丰富的性质，其中许多性质是我们在某一课题的研究中所不感兴趣的。例如在动力学研究中有时我们仅仅关心物体的质量和位置，而并不关心物体的形状和颜色等，而客观世界中的物体总是具有形状和颜色的，为了使科学研究能深入地进行，我们必须排除次要性质，突出主要性质，科学研究中的理想模型，正是一种仅具有我们所需要性质的客体。建立何种科学模型，完全根据科学研究的需要而定。
科学研究中，对实物或者实验过程的研究往往转化为对理想客体或理想过程的研究模型建立了名称概念和性质概念之间的明确的对应关系。这种做法，抓住了主要矛盾，而暂时略去了次要矛盾，为解决问题创造了有利条件。同一客观物体，在不同的研究中，所用的模型也不同，因而需要制订不同的理想概念。比如在研究地球的公转时，可以用质点模型来代替地球，在研究地球的自转时，又不把地球作为质点，而往往把地球作为质量均匀分布的球体。
理想模型方法的实质，在于运用概念把科学理论和现实沟通起来。模型方法形式多样，用途广泛，如伽利略发现惯性时就用了思想实验的方法，爱因斯坦在建立相对论过程中，多次运用模型方法。
四、科学概念革命对科学革命的意义
十九世纪末，物理学经历了深刻的革命，由此引起了科学哲学对科学革命的热烈讨论，为了更好地讨论科学概念的革命，首先让我们回顾一下科学概念由抽象到具体的发展过程。
牛顿力学的发展大致经历了以下几个阶段：第一阶段：通过经验获得关于天体运动的知识。第二阶段：假说、太阳处在圆形轨道体系的中心。第三阶段：开普勒定律H[,1]、H[,2]、H[,3]。第四阶段：伽利略力学M。 第五阶段：牛顿力学G。
实践 〔11〕
在牛顿力学的形成过程中，首先产生了抽象的力、速度、质变、密度等力学中的基本概念，最后，牛顿运动三定律及万有引力定律找出了这些量化概念之间的函数关系，完成了牛顿力学大厦的理论基础。这时，牛顿力学中的基本概念也就发展成了具体概念的形式。从某种意义上来说，这时的科学理论体系的发展达到了一种相对的完成，而其中科学的发展也达到了一种相对的完成。往后，这些相对完成的科学概念是否还在发展呢？其发展的途径和方式又如何呢？
首先应当肯定，处于相对完善的科学理论体系中的概念不是一成不变的，其发展变化是无止境的。1883年，马赫发表了他的历史性著作《力学及其发展的批判历史概论》，批判了牛顿的经典力学时空概念，宣扬了概念可以擅变的观点，他写道：“时间是一种抽象，我们借助于事物的变化而达到这种抽象。”因此，与事物变化无关的所谓绝对的时间，无法经验观测相联系，所以，“既无实践价值，又无科学价值”，只是“毫无用处的形而上学的概念，根据同样的理由，与任何外界事物无关的绝对空间和绝对运动也是“纯粹的产物、纯粹理智构造，它们不能产生于经验之中。”〔12〕“还原到绝对空间是大可不必的，因为参照系如同在任何其它情况中一样都是相对确定的。”〔13〕马赫认为，概念不是绝对永久有效的，而是可以擅变的，概念在新的领域中不适用，就会发生变革。当一个狭义的专门科学领域的有效概念无法用于更广泛的研究范围，就需要创造出一种适用于更广泛研究范围的概念。世纪之交的物理学革命，其精华在物理学概念的革命。量子力学的创始人海森堡甚至认为，物理学的发展实质上就是概念的发展〔14〕。
在某一完善的科学概念体系中，科学概念的革命能够导致科学理论的革命，而科学理论的革命实质上是以科学概念的革命为核心。科学革命必然伴随着科学概念的革命，从某种意义上说，只有从科学概念上进行变革，才算真正找到了科学革命的出路。
例如，微积分的创立引起了一场数学革命，初等数学由此进入高等数学。微积分的理论基础在于极限理论。我们知道，相等是数学中的基本概念，初等数学中的相等意味着绝对的等同，等式两边无差别地同一，而在微积分中，相等则是无限趋近。这样，等于的意义发生了变革。建立微积分的关键，在于否定形而上学的无差别的绝对的相等的概念，把运动变化引入数学。如果坚持形而上学的绝对的相等的概念，则现代的微积分理论不能成立。
再如从牛顿力学到相对论的革命，最根本的变革是时间、空间概念的变革。牛顿关于绝对时间的定义：“绝对的，真正的和数学上的时间自身在流逝着，而且由于其根本性而均匀地，与任何其它外界事物无关的流逝着。”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。”在牛顿的这种定义中时间、空间绝对地与其它事物无关，而且时间、空间之间也没有任何关系。爱因斯坦创立相对论，首先否定了牛顿的时空观。爱因斯坦用光速的不变性来定义同时的相对性，把时间、空间、光速连系起来，从根本上否定了牛顿绝对时间、空间的概念，以此为基础，建立了相对论力学。
如果沿用牛顿力学中的绝对时空概念，就无法对牛顿力学进行变革，洛仑兹推出洛仑兹变换，实质上是相对论的重要公式，但由于洛仑兹在基本概念上仍旧沿用牛顿的那一套，并没有能从概念上对牛顿力学进行变革，所以也就无法对牛顿力学的体系进行彻底革命。科学理论的革命必须从概念开始，这取决于科学理论的结构。科学理论的核心组成部分是基本的科学定律，这些科学定律表达性质概念之间的关系，在一些完善的科学体系之中，则表现为量化概念之间的函数关系。某一科学理论体系中的其它命题，则是由这些基本定律推演而出，科学概念的革命，无疑会导致基本科学定律的革命，从而导致科学理论的变革。
科学概念的革命，是对原来的概念的扬弃，而不是对它们的完全否定，它是在新的实践领域中突破了原来概念的局限。诸如相对论中的时空概念不是否定了牛顿力学中时空概念的可测量性，而恰恰是用操作定义来否定时空概念的绝对性。任何一种性质概念，正如一切科学理论一样，其适用范围都将有一定的界限。而人类的科学实践则是无止境的，因而，一旦人们的实践越过了这些概念的适用范围，那么原有的概念在新的领域中将不再适用，而表现出其固有的局限性，这时，人们必须对原有的概念进行变革使其适应于新的实践领域。
墨西哥学者T·A布罗吉指出：“可见，制订概念的基本条件是：物理自然界尽管是完整统一的，但同时至少又可以分解成各种单独的部分。不然的话，哪怕是在最简单的认识过程中，我们也将不得不考虑宇宙中的一切因素，而任何一种研究，即对自然过程的任何一种理解，也似乎都将成为不可能的，尽管这和我们头脑的局限性也不无关系。我们可以忽略几乎整个宇宙，而可以把我们的注意力集中于我们感兴趣的因素之上，但我们不应当忘记，这实际上是我们的宇宙的一种令人惊异的特性，而这种特性又不是绝对的。“分立”帮助我们建立起我们的各种概念，但它总是局部的和暂时的，因为只要我们超出某些界限，宇宙的其余部分就开始被我们感觉到，因而概念的有效性也就达到了它的界限”〔15〕量子力学的发展，同样是基于对于旧的基本概念进行革命的结果。由于微观领域中许多粒子具有波动性，经典力学中的许多基本概念。就不再适用，比如动量和位置，在微观领域中不能同时确定，所以，经典力学无法描述微观领域中粒子的行为，要精确地在新领域中描述粒子的行为，就必须建立新的量化概念，并在此基础上形成新的理论，事实正是如此。微观粒子在一定条件下出现在某一位移的几率可以确定，而波函数正是对这种几率分布的定量描写，量子力学借助于波函数的概念，实现了全新的描述方式。
近代物理学革命是科学革命的典型，科学对象的范围不断扩大，为了描述新的领域中的表象，就必须对原来理论的量化概念进行改变使之适用于新的领域，或者用新的量化概念取代原来的量化概念，由于量化概念的变革，量化概念之间的函数关系也必然变革，这就导致科学理论结构的变革，从某种意义上来说，科学革命的历史，就是基本概念变迁的历史。
注释：
〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕《自然辩证法原理》，福建人民出版社1984年版，第541～542、343、343、284页。
〔5〕黄顺基、刘大椿《科学的哲学反思》中国人民大学出版社，1987年版。
〔6〕周礼全《论概念发展的两个主要阶段》，科学出版社1957 年版。
〔7〕〔8〕〔英〕培根《新工具》，商务印书馆1984年第版， 144—156、118页。
〔9〕〔英〕科普宁《马克思主义认识论导论》，实出版社1982 年版，第209—210页。
〔10〕〔苏〕鲁查文《数学模型的实质》，载《科学与哲学》1983年，第二期，第72页。
〔11〕〔德〕格·克劳斯《形式逻辑导论》，上海译文出版社1981年版，第410页。
〔12〕〔13〕E Mach The Science of Menchanics,A Civitical and Historical Account of Its Development tr,by J.J Mc Cormack,Open Couit Pub·Co 6th.ed 1960第280、285页
〔14〕李醒民《世纪之交的物理学革命中的两个学派》，《自然辩证法通讯》198年NO.6第35页。
〔15〕郑关林《当代自然科学正在酝酿的重大突破》，科学技术文献出版社1979年版，第161页。
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