科学哲学认知转向的出色范例——论保罗#183;萨伽德的化学革命机制计算理论，本文主要内容关键词为：保罗论文,范例论文,认知论文,出色论文,哲学论文，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。
导言
唐纳德·吉利斯（Donald Gillies）在对还没完结的20世纪的科学哲学进行历史总结时不无自信地断言：“所有的人都会同意”，归纳主义及其批评者、约定主义与迪昂一奎因论点、观察的本质以及科学与形而上学的分界，是本世纪“最重大的”四个主题。[1] 但如果不是从主题而是从方法的角度看待本世纪科学哲学所发生的变化，我们同样可以断言，从逻辑主义到历史主义的转向是这门学科所发生的最重大的变化。不过，离我们现在时间最近、有可能直接影响到下个世纪科学哲学发展的，是另一次转向，即认知转向。80年代以来，达登（L.Darden）、纳塞斯安（N.Nersessian）、萨伽德（P.Thagard）、吉尔（R.Giere）、丘奇兰德（P.Churchland）、所罗门（M.Solomon）等人借助人工智能和认知心理学的思想和手段，研究科学是如何发展的。其中，保罗·萨伽德倡导一项他称之为计算科学哲学的事业，试图对科学哲学和科学史进行综合。[2] 他并且提出了能够在运行的计算机程序中执行的，高度详尽的，包括问题解决、概念形成、假说形成和理论评价在内的科学思维模型。与以往的科学发展模型极为不同的是，这个模型在应用于对科学史个案的说明时，是显著可检验的。
萨伽德甚至比历史主义更加强调科学发展模型应当符合科学史中的特殊个案。他分析过科学史上几场最重大的科学革命，但着力最多的是拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavorsier，1743—1794）的化学革命。 除了利用施塔尔（Georg Ernst Stahl，1660—1734） 和拉瓦锡的原始著作之外，他还充分吸收了库恩发表科学革命结构理论之后化学史学家们，尤其是格拉克（H.Guerlac）[3]、霍姆斯（F.Holmes）[4]、 佩林（C.Perrin）[5]等人所取得的新的史学成就， 提出了关于这场科学革命机制的计算理论，从而为科学哲学的认知转向提供了一个出色的范例。它的意义已经远远超出了这项工作本身。
概念革命、解释一致性与理论的优劣
社会因素在社会发展中的作用已经得到普遍承认。但是人们关于这种作用的程度和范围的看法，却大相径庭。科学社会学中的“强硬纲领”，主张科学家们获得信念靠的是利益而不是理性依据，把科学变化看作是纯社会学的。科学哲学家们则强调科学家们获得信念靠的是理性依据而不是利益，他们提出条件对科学社会学的范围加以限制。拉里·劳丹（Larry Laudan）的不合理性假定就是这样的限制，他认为，“当且仅当信念不能用它们的理性优点解释时，知识社会学才可以插手解释信念。”[6]在萨伽德看来，劳丹的这种先验立场是武断的， 我们并没有什么理由应当特别偏爱根据理性对科学变化作出解释。对于一个特定的科学事件，是社会因素还是理性因素至上，应当具体分析。我们应当做的，是尽量给出对科学事件的最佳解释。（[7],P.71）
科学哲学家和科学社会学家们分别偏爱的这两类科学发展模型都很模糊。认知科学为了提供精确的计算模型，把认知分为“热”“冷”两类。动机和情感因素在其中起作用的称为热认知；不包括动机和情感因素的叫做冷认知。萨伽德开发出一个叫做ECHO的程序，这个程序只考虑相互竞争的诸理论与证据的关系以及它们之间的关系，而不涉及采纳这些理论的科学家的利益，是一个冷认知模型。 他和奇瓦·孔达开发的Motiv—PI程序，模拟有动机的概括，是一个热认知模型。他提出，还可以把ECHO和Motiv—PI发展成为Motiv—ECHO程序，就不难得到一个既模拟有动机的概括又模拟有动机的理论选择的热认知模型。
那么，科学认知是热认知呢，还是冷认知？库恩对于科学理论的选择曾提出一套一般的看法。他认为对立范型斗争的结局不是由这些范型与证据之间的关系以及范型之间的关系决定的，新范型战胜旧范型不存在元标准，靠的只是说服而不是证明。在他看来，拉瓦锡声称他解决了气体特性和重量关系问题，就是说服，库恩并以普里斯特利（JosephPriestley，1733—1804）为例说明只有旧范型的辩护者们死去之后， 新范型才占优势。（[8]，PP.144—159）萨伽德不同意库恩的观点。他认为，对于科学史上的事件，是应用热模型还是应用冷模型，必须视具体情况而定。萨伽德把科学家的动机分为三个范畴，即名望、职业成就、金钱收益之类的个人目的，想要自己所属的研究队伍胜过竞争者的群体目的，以及希望与自己国家或种族相联系的观念占优势的民族目的。这三种动机通过在国际标准基础上的评论和理性辩护，都将被取消。通过对一些重要个案的具体分析，他倾向于主张，大多数科学思维都是冷认知。就这场化学革命而言，拉瓦锡做了广泛的实验表明燃烧物质重量增加以驳斥燃素理论，而且根据佩林的考证，在1775年之后的20年中，整个科学共同体实际上就接受了氧理论。[5]在这场化学革命中， 没有科学家的动机变化的证据，因此它是一场概念革命。（[7],PP.79—80）
为了说明概念变化，萨伽德提出了解释一致性的计算理论，并将其应用于描述化学革命。（[9],PP.62—102）该理论提供了一套确立科学理论内部各命题之间的关系的原则。令科学解释系统S由命题P、Q和P、…P[,n]组成。命题之间的关系有一致和反一致两种。如果两个命题彼此支持（hold together），它们就一致。如果两个命题抵制彼此支持， 它们就反一致（incohere）。解释一致性原则有以下7项：对称原则、 解释原则、类推原则、数据优先原则、矛盾原则、竞争原则和可接受性原则。
通过对历史材料的分析，萨伽德得出1783年燃素理论和氧理论论战中这两个理性都必须解释的证据共25个，其中最重要的是：E1：燃烧中发热发光。E2：易燃性可由一物体传给另一物体。E3：燃烧只在有纯空气存在时发生。E4：燃烧物体增加的重量精确等于吸收的空气的重量。E5：金属经受煅烧。E6：物体在煅烧中重量增加。E7：煅烧中空气体积减少。E8：还原中出现泡腾。为解释这些证据，拉瓦锡使用的主要假说是：OH1：纯空气含氧素。OH2：纯空气含火质和热质。OH3：燃烧中， 来自空气的氧与燃烧物体化合。OH4：氧有重量。OH5：煅烧中，金属加氧成为灰渣。OH6：还原中放出氧。燃素理论的主要假说是：PH1：可燃物体含燃素。PH2：可燃物体含热质。PH3：燃烧中放出燃素。PH4 ：燃素能从一物体到另一物体。PH5：金属含燃素。PH6：煅烧中放出燃素。其中，OH1、OH2和OH3解释E1，OH1和OH3解释E3，OH1、OH3和OH4解释E4，OH1和OH5解释E5，OH1、OH4和OH5解释E6，OH1和OH5解释E7，OH1 和OH6解释E8，PH1、PH2和PH3解释E1，PH1、PH3和PH4解释E2，PH5和PH6解释E5。OH1由于E5而分别与PH5和PH6竞争。OH1由于E1而分别与PH1、PH2和PH3竞争，OH2由于E1而分别与PH1、PH2和PH3竞争，OH3由于E1而分别与PH1、PH2和PH3竞争，OH5由于E5而分别与PH5和PH6竞争。ECHO取这些关系作为输入。此外，在ECHO中，每个命题由一个单元即结（node）表示，单元之间的关系用连接（link）表示。如果P和Q一致，则在表示它们的单元之间有一个兴奋连接；如果P和Q反一致，则在表示它们的单元之间有一个抑制连接。假说的可取性用其结的活化度（degree of activation）表示。一个结的活化度要根据与之相连的其他结的活化度以及这些连接的兴奋与抑制权重进行校正。关于校正的细节，这里不作介绍。重要的是，概念系统的取代，就是兴奋连接导致整个假说子系统一起有活性而使与之竞争的系统失去活性。当ECHO程序根据以上输入运行，建立起相应的连接，并且调整了权重时，6个OH就有了大于0的渐近活化，而6个PH 就成为无活性的了。这样，萨伽德就精确地理性地说明了这两个体系的优劣。
对科学变化的说明主要有增生（accretion ）理论和格式塔（gestalt）理论。前者把科学变化看作是积零成整的过程， 认为新的概念框架通过增加新概念和新关系而发展。萨伽德通过具体分析，认为“化学革命既包括概念的增生和取代又包括概念的重组”，所以增生理论“不适合拉瓦锡个案”。（[9],P.48）后者把科学变化看作是整体变化，认为科学发展中包括了概念的重组。但是这个理论只考虑整体变化的最终结果，并没有考虑导致整体变化的部分。萨伽德的说明采取了精细的整体论立场，避免了二者的弱点。
知识表示与概念网变化
为了分析化学革命的结构和机制，萨伽德采用了人工智能中的知识表示工具。据化学史学家们考证，1772年以前，拉瓦锡基本上是在燃素理论的框架中思考问题。此后，氧理论从观念萌发到思想成熟大致经历了4个阶段，即1772年的最初观念，1774 年和1775年的发展中观念，1777年的发达观念，以及1780年代的成熟理论。（[3][4]）这些阶段的概念框架都可以用结网（network of node）来表示和分析。（[9],PP.39—47）
一般地，一个结对应于一个概念（请注意这里与本文上一节所讲的不同，结表示的不是命题），结之间的一条线所表示的一种连接对应于概念之间的一种关系。关于化学革命的讨论所涉及的连接主要有两类，即表示种属关系的种连接，以及表示一般关系的规则连接。这样就构成了一个概念网（network）。概念网的变化，就是结和连接的增删。
燃素理论是一个应用范围非常广泛的概念框架。它可以解释酸的形成、金属在酸中的溶解和置换、动物的呼吸等，但最重要的是对燃烧现象的解释。图1描绘的只是施塔尔概念体系的一个片断。图中， 直线表示种连接，带箭头的曲线表示规则连接。就是图中的结之间，也还应该有这两种连接之外的连接，但是被萨伽德省略了。这不影响对问题的讨论。
图1 施塔尔1723年的概念体系的片断
1772年，拉瓦锡注意到两个现象。一是金属放进酸中发生泡腾，二是金属煅烧后重量增加。他在两篇笔记中分别写到：“泡腾不过是以某种方式溶解在每种物体中的空气的离析”，（[3],P.214 ）“许多实验似乎表明，空气大量地成为矿石的组成部分”。（[3],P.215）图2是萨伽德猜测的拉瓦锡当时的概念网的有关部分。其中，灰渣即后来所说的氧化物，两条曲线分别表示泡腾的灰渣产生空气以及金属变成灰渣时重量增加的规则，标有“含？”的曲线表示拉瓦锡猜测灰渣也许含空气，虚线表示灰渣含空气的假说可以用来解释拉瓦锡注意到的两个现象。
图2 拉瓦锡1772年的概念体系的片断
在注意到上述两个现象和形成上述概念框架的同一年，拉瓦锡完成了著名的磷和硫的燃烧实验，并且提出物体在煅烧和燃烧中重量增加的原因可能都是空气的固定。1774年，他与其合作者在一篇论文中报道了一项实验，提出白垩、碱和金属灰渣中存在一种“弹性柔流体”。1775年，他在一篇宣读的论文中明确提出，煅烧中与金属结合并使其重量增加、与金属一起组成灰渣的不是空气的一部分，而是“全部空气本身”。（[10],PP.135）图3是萨伽德描绘的拉瓦锡在这个阶段的概念网的相关部分。图中的直线表示种连接，带箭头的曲线表示规则连接，虚线表示规则之间的解释关系。
图3 拉瓦锡1774—1775年的概念体系的片断
普里斯特利析出我们现在所谓的氧气之后不久，化学家们把它称为“脱燃素空气”、“纯空气”或“极适宜呼吸的空气”。拉瓦锡在1777年也采用了后两个术语。不过，他只把它看成空气的一部分。他把空气分为四种，即极适宜呼吸的空气、大气、固定空气（我们所谓的二氧化碳）和浊气（我们所谓的氮气）。在“燃烧通论”中，他论证了他的燃烧理论的5个论点，（[10],PP.139—140） 用“纯空气”的作用解释了燃烧和煅烧是如何受共同规律支配的。萨伽德用图4 描述拉瓦锡1774年的概念体系的一部分。其中，直线表示种关系，带箭头的曲线表示规则。
图4 拉瓦锡1777年的概念体系的片断
1780年，拉瓦锡创造了“氧素”这个术语。1783年，他在“关于燃素的思考”一文中主张氧气是氧素与火质和热质的化合物，氧素就是所谓的纯空气的基，用它的作用可以以惊人的简单性令人满意地解释化学中的一切现象，化学的主要困难从此烟消云散，不存在燃素是无限可能的。至1789年他的《化学基础论》[11]出版时，氧理论已经十分成熟。萨伽德根据此书绘制的图5 反映了最终形态的氧理论概念体系的有关部分。图中的直线表示种连接，带箭头的曲线表示两个规则，即氧与非金属物质化合产生热素和光，氧与金属物质化合产生氧化物。
图5 拉瓦锡1789年的概念体系的片断
200多年来化学史学家们提供的丰富史料表明， 化学革命非常复杂。萨伽德舍弃了诸多细节，着眼点放在这场革命中几个最重要的阶段上，当然，就是这几个阶段，情况也很复杂。所以，他用以上几幅图描绘的，只是这些阶段性的概念框架的片断。这些片断集中在两条线索的变化上。一条线索是关键概念的发展：煅烧中与金属化合的空气——燃烧中使物体重量增加的空气——空气的一个组分——新元素氧。另一条线索是关键假说的发展：金属煅烧是与空气的化合——物体燃烧是与空气的化合——煅烧和燃烧是物质与极适宜呼吸的空气的化合而不是放出燃素——完整的氧理论。在这个基础上，就可以深入讨论拉瓦锡如何用新结和新连接建构其新体系，这个新体系何以能够取代施塔尔体系，以及科学共同体的其他成员何以能够获得并接受新体系的问题。
机器学习与概念框架的形成、取代和接受
萨伽德主要借用机器学习程序PI的思想，阐明这场革命中发生的概念框架的形成、取代和接受的认知机制。PI主要是以归纳为基础的关于概念和规则形成的人工智能程序。一般说来，如果不加限制，机器（学习者）在使用颠倒（数据驱动）和顺序（理论驱动）方法时，可以形成无数无用的结从而把系统弄乱。在PI中，强调归纳必须发生于解决问题的语境之中，必须合乎学习者的目的。有了这样的实际约束，就可以避免出现大量对学习者的目的来说无意的结。
萨伽德认为，拉瓦锡概念框架的形成机制是使用概念结合，概括与规则外展，以及特设启发法。（[9],PP.50—55）
在PI中，当两个旧概念所表示的特征结合起来显示出与系统的解问题操作相关时，旧概念就结合成为新概念。萨伽德设想，拉瓦锡为解释一种气体使火焰在其中更亮、动物在其中活得更长的性质，会想到“空气”和“纯”这两个概念各自的意义，于是便把二者结合成为一个新的概念“纯空气”。由此，萨伽德推测，拉瓦锡形成氧之类的新结时，PI中概念结合那样的机制起了作用。不过，概念结合不能建立结之间的连接。在机器学习领域，已经有不少成熟的方法由经验概括导出规则。像“硫燃烧时重量增加”的经验规则，就可以根据有关实验结果概括得出。但是像“灰渣含空气”这样的规则超越了观察到的东西，仅靠源自经验的概括无法得到，这就要靠规则外展（rule abduction）了。规则外展是源自外展假说的概括。萨伽德推测，拉瓦锡为解释泡腾现象，利用含空气者才能泡腾的规则，得出用来做实验的那片金属含空气的外展假说，同时为解释增重现象，他又利用某物加上另一物则该物重量增加的规则，以及用来做实验的那片金属在煅烧时被空气包围的信息，得出该片金属煅烧后含空气的外展假说，然后由这两个外展假说再概括得出该金属灰渣在一切情况下皆含空气的规则。然而，氧是直接观察不到的理论实体。概括和外展都不涉及含理论实体的理论描述。萨伽德提出，形成理论实体，需要的不是受数据驱动的机制，而是受理论驱动的机制。后者需要用到概念结合、外展以及要素启发法。这大概就是他所谓的特设启发法。这里提到的要素启发法，萨伽德举过把它用于燃素理论的例子：如果A有一重要特性C，则A含一种导致C的要素P。他认为， 拉瓦锡在提出热素和氧素时也用过类似的方法。
以上说明了拉瓦锡新概念网的形成，但是并没有说明拉瓦锡是如何用新概念框架取代他一度采纳的施塔尔框架的。萨伽德用规则竞争和框架竞争对此作出了计算解释。（[9],PP.55—58）
PI可以增加解问题时有意义地得到描绘的规则的强度。萨伽德假定，成功地使用结之间的规则连接，可以增加这些规则连接的强度，而成功就在于解释。就是说，解释增加有关连接的强度。类似地，经常成功地使用新概念网，会使该网中所有规则连接的强度大于与之竞争的旧网中规则连接的强度。拉瓦锡最初采纳的是施塔尔的概念网，后来逐步形成了自己的概念网，于是时而用自己的网时而用施塔尔的网，最后则经常成功地使用自己的网，从而使自己网中规则连接的强度大于施塔尔网中规则连接的强度。当然，概念网的竞争不仅反映在规则竞争上，它还反映在网的整体竞争上，这种竞争就是网的解释一致性的竞争，这在本文第一节已经论及。
拉瓦锡的概念网中，并不是所有的结和连接都是拉瓦锡得到的。但是，其中最关键的结和连接以及整个网却是他建构的。不仅如此，他人（包括燃素论者）的结和连接在他的网中也有新的意义。科学共同体中的其他成员获得新框架并用其取代旧框架，其机制与拉瓦锡的情况不一样。萨伽德将拉瓦锡个案的机制加以扩展，对此进行解释。
建构新概念框架的机制，对于理论的创立者来说是概念结合（形成新结）、概括与外展（形成连接）、特设启发法（理论描述），对于其他科学家来说是术语的引入、报导的实验、假说的论证。新框架取代旧框架的机制，对于理论的创立者来说是增加规则连接的强度、通过使用新网显示其解释一致性，对于其他科学家来说是通过新网辩护者的辩护增加规则连接的强度并显示新网的解释一致性。总之，新网接受者身上的变化是通过教育发生的，变化机制的共同点是论证。拉瓦锡及其合作者对燃素理论辩护者柯万（Richard Kirwan，1733—1812）观点的系统批判不仅使柯万转向了氧理论一边，而且导致了科学共同体的普遍皈依。但是，普里斯特利永远没有改宗。萨伽德认为其主要原因在于，他使用燃素网最多，最坚定地意识到它的一致性，而又没有充分使用过氧网。
结语
萨伽德关于化学革命机制的计算理论用解释一致性标准和ECHO程序计算比较了氧理论和燃素理论的优劣，用知识表示技术描述了化学革命诸重要阶段，借用机器学习的思想解释了科学家个体概念框架的变化。这个理论似乎“既可适用于处于革命阵痛中的科学家，也许又可很好地适用于一般的人们。”（[12],P.207）此外，从他后来的工作（[13]）看，他已经开始把计算理论从对科学家个体的分析向对科学共同体即心智社会的分析发展。这无疑展示了一个诱人的方向。但是，正如他自己所说，“要使这个理论丰满，……还需要做许多工作。”（[12],P.206）他曾经提出，“我们需要编辑一部关于过去几百年以上重要信念变化历史个案的详尽目录。对于每一个案，我们需要对影响科学家的证据因素和动机因素作出非常详尽的分析。”实际上，且不要说数百年的重大事件，就是一个科学革命的个案迄今也很少有科学哲学家和科学社会学家作出详尽分析，他们总是热衷于举几个例子提一套理论了事。就拿拉瓦锡个案来说，当时的科学共同体中的科学家个体，燃素理论的辩护者当中、氧理论的辩护者当中、改宗者当中，都是有差异的。再如，这两个理论在强调中心元素的作用以及化学变化中元素的重组等基本方面，似乎处于同一个传统之内。（[14]）另外，启蒙思想家对拉瓦锡的哲学思想有着不可忽视的影响。（[15]）对这样的细节能不能、值不值得作认知科学分析？如果能，是不是可以得出一些新的结论来呢？
注释：
[1]Gillies,Donald.Philosophy of Science in the TwentiethCentury:Four Central Themes,Oxford:Blackwell,1993,P.xi.
[2]Thagard,Paul.Computational Philosophy of Science,Cambridge,MA./London:The MIT Press,1988.
[3]Guerlac,Henry.Lavoisier—The Crucial Year,Ithaca,NY:Cornell University Press,1961.
[4]Holmes,Fredric Lawrence.Lavoisier and the Chemistry ofLife:An Exploration of Scientific Creativity,Madison,Wis.:University of Wisconsin Press,1985.
[5]Perrin,Carl E."The Chemical Revolution:Shifts in GuidingAssumptions",in A.Donvan,L.Laudan and R.Laudan(eds.),Scrutinizing Science:Empirical Studies of Scientific Change,Dordrecht:Klewer,PP.105—124.
[6] Laudan,Larry.Progress and its Problem,Berkeley:University of California Press,1971,P.201.
[7]Thagard,Paul."Scientific Cognition:Hot or cold? ",in Steve Fuller,Marc De Mey,Terry Shinn and Steve Woolgar(eds.),The Cognitive Turn:Sociological and Psychological Perspectives on Science—Sociology of the Science:A Yearbook Vol.13,Dordrecht/Boston/London:Kluwer Academic Publishers,1989,PP.71—82.
[8]Kuhn,Thomas S.The Structure of Scientific Revolution,2nd ed.,Chicago:University of Chicago Press,1970.
[9]Thagard,Paul.Conceptual Revolution,Princeton:Princeton University Press,1992.
[10]J.R.柏廷顿著：《化学简史》，商务印书馆1979年版。
[11]安托万—洛朗·拉瓦锡著：《化学基础论》，武汉出版社1993年版。
[12]Thagard,Paul."The Conceptual Structure of the ChemicalRevolution",Philosophy of Science,Vol.57（1990）,No.2,PP.183—209.
[13]Thagard,Paul."Societies of Minds:Science as Distributed computing",Studies in History and Philosophy of Science,Vol.24（1992）,No.1,PP.49—67.
[14]任定成：《论氧化说与燃素说同处于一个传统之内》，载《自然辩证法研究》1993年第8期，第30—35页。
[15]金吾伦：《科学发现的哲学——拉瓦锡发现氧的案例研究》，台北水牛出版社1993年版，第31—33页。