论实验与理论的因果关系，本文主要内容关键词为：因果关系论文,理论论文，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。
实验哲学是近些年来西方科学哲学发展的一个新趋向。这一新趋向已引起我国科学哲学界的兴趣，不仅翻译了许多有关的文章，而且也开始了自己的研究。实验哲学最核心的问题是实验与理论的关系问题，本文的意图就在于对这一问题提出自己的浅见。
一、实验与理论的因果关系之传统认识
最早提到实验、观察与理论之相互关系的大概是亚里士多德。他认为科学家必须进行仔细的观察，科学研究是从观察上升到一般理论。然而他更强调的是，一旦通过观察获得了一般原理，观察就不再需要了，剩下的就是从一般原理推论出需要解释的现象。具体方法就是他的逻辑三段论。观察、实验的作用，在亚里士多德那里，就是为各门科学提供第一原理。到了十三世纪，罗吉尔·培根提出了实验法，并指出亚里士多德的归纳──演绎两阶段是不够的，应该补以第三阶段，即一般原理还要接受实验的检验。十六世纪中叶之后的弗兰西斯·培根第一个系统地论述了观察、实验与理论的相互关系，他最先清楚地看到了观察、实验具有为各门学科提供基础、事实以及消除理论谬误的双重作用。在培根那里，科学是一个金字塔，最底层是由观察、实验提供的事实基础，最高层是一般原理，并且在获得一般原理的过程中，实验、观察一直起着排除谬误的作用。培根的观点一直影响到本世纪二、三十年代。著名的逻辑实证主义学派对实验作用的经验主义（或称归纳主义）作了最后的总结。其中心思想是：科学家通过归纳实验与观察的结果从而得出相应的定律和理论，并通过进一步的实验检验这些定律和理论。观察和实验的结果成了理论的基础和证据，理论被看成是对事实的归纳，对事实的累积则是对理论的支持和发展。这种经验主义的观点明确地指出了理论依赖实验，实验决定理论；实验在先（为因），理论在后（为果）的因果关系。这种观点是从亚里士多德到当代逻辑实证主义学派以来的主导思想，尽管其中也有一些象笛卡尔那样强调普遍原理和科学的演绎性的学者，以及象彭加勒、杜恒那样的约定论者。
本世纪二、三十年代以后，关于实验与理论相互关系的认识发生了急剧的逆转。纵观波普尔、库恩、拉卡托斯、费耶阿本德、汉森等当代著名科学哲学家关于实验与理论之关系的论述，不难得出一个基本的观点：实验依赖理论，理论支配实验。如波普尔认为，归纳主义的基本假定──科学从观察、实验开始是错误的。指出观察和实验都离不开理论。首先观察总是要选择的，有一个观察什么、为什么观察和如何观察的问题，这些都受制于观察者的猜想、预期和背景知识。其次，实验更是有计划的行动，每一步都受理论的支配：实验是由假说或理论提示的，实理的目的是检验假说或理论，实验的设计是要以理论为指导，实验结果的解释也离不开理论。波普尔认为，人有一种天生的期望，这种期望是先于一切观察经验的，是逻辑上先验的（但他不认为是先验地正确的）。这类观点中最典型的要数汉森的“观察渗透理论”。汉森认为理论不是通过从资料中归纳概括而发现的，而是反过来从用概念组织的资料中推导出可能的假说。他第一个表明观察和事实渗透着概念组织，即渗透着理论。在这种观点下，汉森进一步指出，两个对同一客体所持理论截然不同的人看到的不是同一个东西。即由于理论的渗透使得观察结果发生了变化。这种观点对后来的库恩等一大批学者产生了重大的影响，使得关于实验与理论之关系的看法，在近半个多世纪内倒向了一边：实验依赖理论，理论支配实验；理论在先（为因），实验在后（为果）。
不过，上述这种观点已经开始遭到越来越多的科学哲学家的反对，重视实验成了科学哲学研究的一个新趋势。尤其值得一提的是，上述这种观点一直就没有赢得大多数科学家的赞同。他们对观察与实验有一种坚定的信念。我们认为，科学家与哲学家这种观念上的差距，反映了科学哲学与科学实践的脱离。在这个问题上，我们应该更多地倾听科学家的声音，以便使我们的哲学研究更符合科学实践。世界著名物理学家李政道明确地指出：“物理学的基础是实验。没有实验，物理学将退变成哲学推测”。他根据自己几十年科学实践的经验总结出：“没有实验物理学家，理论物理学家将漂泊不定”。并把它称为“物理学家的第一定律”。当然，李政道同时也指出：“没有理论物理学家，实验物理学家将徘徊不前”。但他把这称之为“物理学家的第二定律”。①可见，实验与理论之作用、地位在李政道心目中是有先有后的。再如原子结构模型的提出者卢瑟福就十分注重实验与观察，指出：“每一个新的实验观察立即被抓住，以检验它是否能被现有的理论所解释。如果不能，就要寻求修改方法，必须在自然过程的普遍理论图式中将它包括进去”。②第一线科学家们的经验之谈无不说明哲学家们“观察渗透理论”之观点的片面。当然，一个毫无自然科学知识的人是不可能做出相关实验和发现的。这确实表明理论和实验、观念和事实之间有着极其复杂的相互关系。
二、实验与理论的因果层次关系
我们先来看看科学史上（也是从逻辑可能性上）实验与理论的相互关系到底有哪些具体情形。在我们看来其相互关系不外乎以下三种：
1.理论在先实验在后（简记L→S）；
2.实验在先理论在后（简记S→L）；
3.实验与理论相互作用、互为因果（简记S
L）。
对于S→L来说，具体可以分为两类：一、“意外发现”导致新理论或假说的产生。二、“事后发现”导致新理论或假说的产生。
所谓“意外发现”是指为了某个目的在做相应实验和观察时，突然发现了一个事先并没有任何理论准备和预设的新现象（实验的目的原本不是为了发现这个新现象），于是为了解释这个意外发现，产生了新理论。不过这里还可区分两种情况：
a.实验在满足了原有目的的情况下，实验过程或结果中还产生了新现象，这种新发现或现象可暂称为派生发现或现象。如π介子和共振态的发现就属这种情况，劳伦斯建造他的184英寸的回旋加速器时，它的能量被认为是低于产生π介子的能量，完全没有想到π介子的产生；费米在建议造芝加哥回旋加速器时也完全没有展望到共振态的发现，甚至费米还在一段时间里对它的发现表示怀疑。
b.实验结果没有满足原有目的，相反它还与原有目的或理论相冲突，这种冲突发现亦可导致新理论的产生。1955年θ─τ疑难的发现就是一种冲突发现，τ和θ有着不同的衰变方式，τ以τ→π+π+π的方式衰变，θ以θ→π+π的方式衰变，基于τ介子的本征宇称是奇性的，τ粒子的本征宇称也是奇性的，而θ的本征宇称则是偶性的。根据当时认定的宇称守恒律，τ和θ是两种根本不同的粒子；但是又有实验表明这两个粒子具有相同的质量和寿命，这一性质又决定了τ和θ是同一粒子。于是便产生了θ─τ疑难，这一疑难直接与当时占统治地位的宇称守恒律相冲突，正是这一冲突导致了宇称不守恒定律的发现。
所谓“事后发现”是指以下两种情况：a.为了某个目的做了一些实验，这些实验的结果满足了当时做它的目的，但到事后（也许很久），人们又发现这些实验结果不仅具有满足当时实验目的的意义，而且还具有一种全新的曾未发现的意义，对这些原有的实验结果的新认识，也可能导致新理论的产生。如近代热力学的进步，几乎是由人们为寻找理想的热力机的发明牵引着进行的。先是纽可门发明蒸气机，接着瓦特发明压缩机，再后来特里维西克发明高压机，这都是先于理论的发明创造。即使在这些热力学机械在英国的矿山、大获得了广泛的运用的很长一段时间内，人们对热机也是知其然，不知其所以然。直到1850年开尔文用“热力机”这一名称去表述任何蒸气机和卡诺理想机以后，才出现了“热力学”这一名称，并形成较为系统的热力学理论。在此之前，不用说理论去支配发明，就是能对已出现的发明或技术手段跟踪研究，人们亦显得力不从心。
b.或者相应的实验结果在当时是无意义的，但在后来产生的理论看来却是有意义的，尽管这个新理论不是由于这个实验得出的，但是先前的这个实验也是没有受到后来的新理论的支配，相反它还进一步验证了新理论。如1827年布朗的花粉在水中的不规则运动，在成熟的分子运动理论出现前，这种运动是没有意义的，布朗就曾把视为“活”的花粉之间的作用而未加特别留意，直到本世纪初爱因斯坦等人才进一步发现，这是由分子的运动引起的。以上几种情况说明，实验在先理论在后在科学史上是客观存在的，并且具体情况是多种多样、错综复杂的。
对于S→L来说，也可分为两类：一、实验与理论相互独立地出现（实验者知道相应的理论假说，提出理论假说的也不知道正有人做相应的实验），但后来人们发现或认识到，在事实上实验具有引发理论的作用，同时理论也有支配、指导实验的作用。二、实验与理论一开始就处于一种相互作用、相互影响的状态中，它们彼此互相启发达到一种和谐的统一。如1930年杰西卡接收到从银河中心发出的“磁磁”声，说明在太空中有射电能量源，1965年彭齐亚斯等人开始研究这些现象，试图找出能量源，他们观察到这种微量能量以乎在太空中无处不在、均匀分布，经详尽的探测之后，发现了著名的3K微波背景辐射。就在这一发现的前后，普林斯顿的一个理论小组提出了大爆炸宇宙论，正好暗示了这个结果。同时彭齐亚斯的发现也起到了印证大爆炸理论的作用。
最后，我们来看看L→S这种情况，理论在先实验在后的实例很多，无需我们再列举了。这里想谈的是这么一个问题：理论对实验的渗透是在什么意义上的渗透？的确，毫无理论渗透的实验是不存在的，一个文盲是不可能进行什么科学实验的。但是把这个问题如此极端化也是没有意义的。我们认为，在观察渗透理论这个问题上，只有“待验理论”才是有意义的，最基本的背景知识的渗透总是不可避免的，真正应该考虑的只是待验理论是否有所渗透，以及渗透的结果。关于这个问题有人作过如下讨论：在太阳中子接收实验中，弱相互作用理论既是待验理论，又是背景知识。从表面上看，待验理论已有所渗透，这样一来，似乎就是在用一个理论来验证该理论本身。这种循环验证的结果应当是可想而知的：观察证据应当与理论预言一致。然而这个实验却偏偏没有能够达到如此理想的一致。这似乎表明渗透进入观察中的待验理论不可能是这个理论的全部，或者说，渗透在观察中的理论部分与这个理论的待验部分不是一回事。这就是说，尽管待验理论有所渗透，也不能改变左右实验的结果。实验与理论具有相对的独立性，实验具有其自身的生命与规律。
通过以上论述，使我们得出一个基本认识：在整个科学史中，存在着理论在先，实验在先以及实验与理论相互作用的三种实际情况。这多种实际情况的存在，使得理论与实验的关系错综复杂，对其关系的考察也就会有多重视角。下边将从三个不同视角对这一问题展开我们的论述。
首先是从实验与理论发生史的角度看，即从人类最初的认识活动中看，是实验在先还是理论在先。因为在考虑现代实验与理论之关系问题时，不可避免地要追溯历史上更前面的实验与理论。这种追溯一般是无止境的，总要追溯到人类最初的认识活动这个阶段。对此，我们毫无选择地认为，在人类认识的开端，人与自然界最初的相互作用──一种无意识行为（也是一种特殊的实验）是实验与理论这个多层次、多因果的关系系统的底层。这个底层决定了在它上一层的一种最初级的感觉，有了初步的感觉（认识），便会有新的行为，新的行为又产生新的感觉。如此循环往复，人类认识便发展到了今天这个程度。当然，今天的人们无法详尽而真实地刻画这个人类认识的最初阶段，对它我们只能进行一种思辩，这种思辩的意义仅在于从发生史的角度确定实验与理论哪个在先哪个在后。
其次，更重要的是直接针对现时代实验与理论之关系作出思考。在我们看来，实验与理论是一个循环往复、不断递进的过程，表现出明显的历史（时间）层次性。仅就现代这一阶段的实验与理论之关系，我们试图给出如下的描述：第n层的实验决定第n+1层的理论，第n+1层的理论又引发第n+2层的实验。我们称实验与理论的这种关系为层次因果关系。
下面我们对这一关系模式作些必要的说明：1、层次的高低是以时间的进度来衡量的。2、作为第n层的实验并不是指单个的实验，而是一种实验群，或一系列实验，这些实验可以是相互独立的；同样，第n+1层的理论也不是单个的理论，而是一种理论群或一系列理论，这些理论也可以是相互独立的。3.第n+1层的理论一般而言是由第n层实验引发而产生的，但也不排除有可能是受第n-1层（或更低层）的某个理论（或某n个理论）的启发而提出的。这从表面上看，似乎是“理论产生理论”，但事实上，先前的理论是有实验根据的，后来的理论是在具有实验根据的理论上提出的，而且这样的理论还有待于进一步（第n+2层）的实验来检验。如著名物理学家杨振宁与米尔斯提出的规范场理论，最先它是一个与实验无关的纯理论，它来自同位旋守恒和麦克斯韦方程。然而这两个理论都是已经有了稳固的实验基础。规范场理论在80年代初由于它预言的中间矢量玻色W±、Z°在实验中被发现又获得了（部分）验证。以上这种层次因果关系表明，在现阶段来说，实验与理论哪个在先、哪个在后不是绝对的，它们的先后只有相对于特写的层次才能确定并才有意义。一般来说，总是低层的实验先于高层次的理论，或低层的理论先于高层的实验。如果要从绝对意义上说哪个在先哪个在后，那就必须把理论与实验放在全部人类认识史上来考察，这种考察的结果如前所述它必然是实验在先、理论在后。不过对我们真正有意义的是对有史以来（如古希腊时期以来）尤其是近代科技以来实验与理论之关系的研究。
我们认为，以往人们谈论实验与理论关系问题时，总是混淆了实验与理论所处的层次。赞同理论在先的人总是强调一个实验的提出、设计、解释等都离不开理论，但是他们常常并没意识到自己强调的这个理论一般总是低于该实验层次的，更没考虑到正是这个实验可能诱发一个更高层次的新理论。相对于这个新理论，实验无疑是在先的，尽管相对于原有的理论它是在后的。同样，对于一个理论，相对于后来证实它的实验，它是在先的，但是相对于诱发它的实验，它则是在后的。如宇称不守恒定律，相对于吴健雄的“极化核β衰变”实验，宇称不守恒假设是在先的；但是，相对于产生“θ─τ疑难”的实验（即观察当时称为θ和τ粒子的某些K粒子衰变现象的实验），宇称不守恒假设则是在后的。因此，我们不能笼统地说一个实验（或理论）是在先还是在后，只有相对于特定的理论（或实验）才能说出谁在先还是在后。就现代的一个具体实验来说，它总是既在某些理论（低层次的）之后，又在某些理论（高层次的）之先。它不可能绝对地在先或在后。于是，对于我们有意义的只是弄清楚一个实验是在哪些理论之先、在哪些理论之后。笼统地问一个实验是在先还是在后是没有意义的，也是没有结果的，即对这个问题的提出本身就是错误的。
三、实验的判决性作用及对它的保证
前面我们主要从时间进度的角度，谈了实验与理论哪个在先哪个在后，哪个为因哪个为果的相互关系。还有一个或许更为重要的问题，就是无论实验与理论在时间上哪个在先哪个在后，最终还有一个谁服从谁、谁决定谁的问题。最终是理论服从、依赖实验，还是实验服从、依赖理论？这也就是本文考察二者关系的第三个视角。
关于这个问题，瑞士学者阿伽西给了我们一个十分可信的论述。他首先分析了理论和实验在科学中的特殊作用与任务，指出“理论的目的是提供‘概念空间’（一种合理性框架或可理解性的条件），它与意义和意向的层次是一致的，但仍需与指称相联系”。而实验的任务正是“为一个理论的句子所表达的意义提供指称”。不过，阿伽西认为：“实验对指称的证实或否证只涉及理论的一个有限部分。或者的换言之，一个肯定的结果至少确保理论的一部分具有指称；多个肯定的结果确保理论的几个部分具有指称，但整个理论是否具有这种保证仍是不明确的。对应地，我们认为一个或多个否定结果证明理论的一些方面缺少指称，但并不排除理论的其他方面具有指称”。这样一来，理论不可能是完全正确的，但这并不意味着拒斥理论。阿伽西还进一步指出，理论是描述已知现象在其中可能出现的“可能世界”，而实验则试图跳出它们所属的“现实世界”。“实验这样做，是通过理想地抛弃一切在预定的对象领领域虽然具有意义但不具有指称的可能世界”。在阿伽西看来，“理论是假设的意味着理论表达了可能性，理论只能做到这一步，因为促成可能性到现实性转化的任务归属于实验”。或者说：“理论只能提出问题，但不能提供问题的答案，提供答案是实验的任务”。③
我们认为，正是这些原因决定了理论最终服从实验，理论依赖于实验。要知道，尽管理论是对“可能世界”的结构描述，但理论是为了描述“真实世界”，而建构的，为了实现这一要求，理论必须经受有关指称性的检验，即理论必须服从实验的判决。理论自身无法保证自身的可靠性，只有外在的实验才能保证它的可靠性。从这个意义上说，理论在时间上无论在先还是在后，它最终都要依赖于实验的判决。
那么如何才能保证实验的这种判决作用呢？即实验本身的可靠性由谁保证？美国著名物理学家富兰克林提出了七条策略④，认为符合这七条策略的实验结果构成了选择合理理论的基础。这七条策略如下（表述上有所变动）：
1.进行可预测干预。如用显微镜观察客体时，我们可注入一定的颜料，同时预言观察客体的颜色改变，如果实验中观察到了期望观察的事实，我们就会更加相信显微镜。
2.进行不同的实验。对一个假设，从不同的实验加以验证，会比重复同一实验得到更多的肯定。
3.如果仪器是基于有充分根据的理论，则对理论的支持会反馈到观测中。
4.观测本身也会为其自己的真实性进行辩护。当人们可能以为伽利略的望远镜会产生光斑，但要光斑看起来像具有行星体系互相协调的运动和卫食，则是非常不可能的。更不可能的是，这些光斑怎么会服从开普勒第三定律R[3]/T[2]＝常数呢！
5.运用排谬法。如果我们能消除所有的错误来源，剩下的就是真实的观测。“当你排除了不可能的，不管留下什么，不管它多么不可思义，它都一定是真实的”。
6.我们可以利用实验校核和校准。如果我们想要相信谱仪的观测，让它重现巴耳末光谱系就是了。
7.如果观测能够用现行的经过检验的理论作出解释，我们可以相信它不是人为现象。
当然，我们并不认为满足了上述七条策略的实验在逻辑上就具有必然的判决性，但这并不排除在经验或实用意义上这类实验作为合理理论之基础的更大的可能性。事实上，现实的不一定就是被人们看来是逻辑必然的；相反，有时看来是逻辑必然的却没有成为现实的。因此，相信满足上述七条策略的实验是有根据的。当然，在实际情况下，一个实验是否同时达到了上述七条要求是很难判别的。如我们怎么能够知道我们是不是消除了所有的错误来源（第5条）。但是，满足上述若干条策略还是可能的。一般说来，满足的策略越多越可靠。当然，个别“错误实验”的出现也是可能的。可只要我们的策略能使十个实验有九个是判决性的，我们就有理由相信我们的策略、相信我们的实验。“小概率事件”是永远也存在的，人们不应企求一种绝对正确或具有逻辑必然性的策略。最后，我们也不认为富兰克林的七条策略就是最佳的，它也有待于将来不断地修正。
注释：
①李政道：《对称、不对称和粒子世界》，科学出版社，1991年版。
②见《现代物理百家短文（卢瑟福）》，《现代物理知识》1994年第2期。
③阿伽西：《是实验依赖理论还是理论依赖实验？》，见《国外自然科学哲学问题》，中国社会科学出版社1991年版。
④富兰克林：《实验的忽视》，见《自然科学哲学问题》1989年第1期。