科学理论与思维创造，本文主要内容关键词为：思维论文,理论论文,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。
科学理论是人类创造的成果，是科学家思维创造的结晶，哲学思维在科学家的创造中起着十分重要的作用。尤其对重大理论突破性问题的最初猜测和为解决这类问题的思想指引来自于科学家的哲学观念和素养。在科学史中，爱因斯坦的相对论得益于他的“思维的自由创造”，即便是欧几里得几何、牛顿科学也不是单纯的积累观察资料的结果。波普尔在《康德的批判和宇宙学》一文中十分赞赏康德下述观点：“欧几里德几何不是建立在观察基础之上，而是建立在我们对空间的直觉之上。牛顿科学处于类似状况，尽管它是由观察确证的，却不是这些观察的结果，是我们试图理智地整理、理解并消化这些感觉材料的结果。”（注：〔英〕卡尔·波普尔，《猜想与反驳》，上海译文出版社，1987年版，第258页。）他强调心灵，即思维的作用， 我们所知道的自然界及其秩序和规律，与我们心灵的吸收、整理密不可分。因此，科学家必须充分发挥思维的创造作用，“根据他的怀疑、他的猜想、他的理论、他的想法、他的灵感来盘问自然界，”（注：〔英〕卡尔·波普尔，《猜想与反驳》，上海译文出版社，1987年版，第259页。）以此才能创造科学理论。 本文试从思维创造中的指导思想——科学信念；程序——理论建构；方法及手段——理论虚构和理论约定等方面来把握科学理论建立中思维所发挥的作用。
一 思维创造中的科学信念
科学认识具有猜测性。历史上休谟曾以理论的形式对科学认识的猜测性予以肯定。康德则给予更深刻的说明。他认为，人类认识无论在对无限事物的把握上，还是对个别有限事物的把握上，达到如实反映或知识的必然性都颇为困难。当人类理性企图用纯粹知性范畴来框架无限事物的时候，会出现不可避免的“二律背反”。然而人类认识的本性又驱使人们对事物本质及普遍性进行不停的探究，因此，人们在创造理论过程中，就需要猜测，而这种猜测往往首先离不开人的信念和观念。爱因斯坦十分重视科学信念对于科学创造的作用。他说：“在一切比较高级科学工作的后背，必定有一种关于世界的合理性或者可理解性的信念”。“相信世界在本质上是有秩序的和可认识的这一信念，是一切科学工作的基础。”（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976年版，第244页。）“毫无疑问，任何科学工作， 除完全不需要理性干预的工作外，都是从世界的合理性和可知性这种坚定的信念出发的。”（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976年版，第284页。）科学信念成为科学家创造的指南和动力。
科学信念是科学家对科学研究的对象即自然界的一种自认为正确的总看法，它是科学工作赖以进行的前提条件，是他们进行科学创造的指导思想和得以进行科学创造的必要思想基础或准备。科学信念内涵极广，例如在科学创造中影响较大的有宇宙和谐论、机械决定论、或然决定论、逻辑简单性原则、原理理论方法、能量守恒定律等等。它是作为主体背景知识中最稳固成分先入为主地引导和支配科学创造的一切观念形态的东西。它通过引导研究方向，孕育创造观念，提供方法论启发等而在科学创造中起着思维建构的主导作用。
爱因斯坦每每用宇宙的和谐、自然的秩序、事物的统一性、实在的理性本质等言词来描述他的科学信念。爱因斯坦所创立的相对论与他的科学信念是分不开的。统一性、对称性、简单性等观念引导他提出科学问题，认清现有理论的缺陷，孕育深刻的创造观念。爱因斯坦创立狭义相对论最初的目的不是为了建立新的时空理论，而是为了寻求已有基础理论的统一。当人们把伽利略变换用于麦克斯韦方程时发现它不再协变了，于是人们便用静态以太理论加以解释，认为麦克斯韦方程只适合于以太坐标系。在经典力学中相对性原理是基础，是普遍适用的，到了电磁学领域它却被抛弃了，也就是说经典力学和电磁学理论是不统一的。在一切寻找以太坐标系的努力都失败后，爱因斯坦则与众不同，他抱着深信自然界内在和谐、秩序的信念，追求理论基础的统一，认为相对性原理也应该适用于电磁运动、麦克斯韦方程应用到运动的物体上所引起的不对称不是现象所固有的。这一科学信念引导他走向狭义相对论的基本思想。
二 思维创造中的理论建构
科学理论是人的思维的建构。理论建构是科学家思想创造的重要程序，是科学认识的动态机制，是科学认识主体能动地、创造性地反映认识对象本质规律的过程。由于建构理论不能单凭逻辑的方法而达到，它须直觉洞察、想象力等非理性过程的作用，因此，构建理论就需要科学家具有较强的思维创造能力。
科学理论构建的初级类型是对已有科学现象、成果的整理而进行创造性地构造。在牛顿之前开普勒在第谷观察资料的基础上已对天体现象做了大量工作，总结出了反映天体运行规律的三个定律；伽利略通过长期钻研和实验对地上物体运行规律做了描述。牛顿则是在此基础上创造性地构建理论，建立牛顿力学。值得注意的是，牛顿在创立理论过程中决不是静态地将前人的结果加以简单地综合便得到理论，而是溶进了自己大胆的构想和创造。牛顿理论中最有创造性的部分是提出万有引力假说（牛顿自己也未对力的原因给予说明和解释），这一假说与综合前人成果而构成的三定律一起成为牛顿理论的基石，从而演绎出理论系列。应该说二者是相辅相成的，前面的工作为后面的工作提供了条件，而发现万有引力定律过程则使牛顿认识到哪些运动定律是最基本的。因此牛顿的综合是溶进了自己创造性构想的综合。另外即使是牛顿使用的开普勒和伽利略的成果也决不是仅凭观察而推得的，那些力学规律也是来自于思维的创造。“历史上，开普勒定律不是观察的结果，实际情况是，开普勒试图用他原先的圆形轨道假说来解释第谷的观察材料，这种努力无效。这些观察资料反驳了这个假说，于是他再尝试下一个最佳解决——卵形的、椭圆形的假说。观察资料还是没有证明这个椭圆假说是正确的， 但它们现在能够用这个假说解释了，它们能够和这个假说相一致了。”（注：〔英〕卡尔·波普尔， 《猜想与反驳》， 上海译文出版社，1987年版，第268—269页。 ）康德甚至认为物理实验在发生上也不先于理论：“当伽利略让他的球从一个斜面滚下来时；……我们必须强迫大自然答复我们的问题，而不是拖住大自然的围裙，让她牵着我们走。因为未经事先周密计划作出的纯属偶然的观察，不可能由一条……规律连结，而规律正是理性所探求的东西。”（注：〔英〕卡尔·波普尔，《猜想与反驳》，上海译文出版社，1987年版，第270页。）
构建科学理论的最显著特征是科学理论思想先行。为揭示事物的本质，科学家往往是先提出科学假说来弥补观察和实验暂时无法揭示或揭示不到的联系。而这些假说则通过以后的观察和实验去检验和修正。法拉第的力线和场的假说就是在事实根据十分缺乏的情况下大胆提出的。他从电磁感应与超距作用的矛盾当中寻求新的希望，利用直觉和想象构建出看起来空无所有的空间原来到处都充满了力线——电力线、磁力线，而把力作用的空间叫做场。后来他又进一步设想电和磁运动的相互关系，猜想电磁场的概念。法拉第的假说在当时虽然带有很大的模糊性、不确定性，还需在以后的实验中进一步检验、修正、补充、发展，然而有了这个方向，对他以后的二十年的研究工作有了不可估量的作用，这充分显示了理论思维的巨大能动作用。爱因斯坦在评价法拉第时说：“它们的伟大和大胆是难以估量的。……借助于这些新的场的概念，法拉第就成功地对他和他的先辈所发现的全部电磁现象，形成了一个定性的概念。”（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976 年版，第365页。）魏根纳通过对大西洋两岸吻合的直觉印象以及得知关于巴西和非洲之间存在过陆地通道这个古生物学结论而大胆提出大陆漂移说的思想，作为海陆活动论代表向海陆固定论提出了挑战。这一假说虽经20年论战，20年沉寂，然而60年代初又发展为海底扩张说，60年代末又发展为新全球构造说，即板块构造说。现在海陆曾发生过并且还在继续发生大规模水平运动的观念已被人们普遍接受。有人认为魏根纳革命可与哥白尼革命相比。20世纪的科学更加表明“知识不能单独从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976年版，第278页。）科学认识的方式是先构造理论以适应现象。 爱因斯坦的相对论则充分发挥理论思维的作用，运用思想实验的手段，提出普遍性假说，推导可供验证的结论。这是一种从一般到个别、从普遍到特殊探求未知的方法，也被称作假说——演绎法。这个方法的难度在于提出普遍性假说，爱因斯坦是从理论悖论开始，经十年沉思，受科学的和哲学的思想启发，终于找到同时性的相对性这一突破口，提出他的狭义相对性和光速不变两大公设的。这是理论思想先行的典范。
三 思维创造中的理论虚构
思维创造的一个十分显著的特征是科学家的理论虚构。理论虚构是科学家在建立理论过程中的大胆设想，科学理论的创造经常需要科学家根据已有的背景知识运用丰富的想象进行合理的虚构，虚构成为科学创造的重要方法和手段。人们力图对客观存在的事物进行真实的描述和说明，但在理论的建构中却很难避免虚构。科学发展的历史表明：虽然科学理论在每一时期都越来越真实、越来越广泛、越来越深入、越来越精确地反映我们面临的世界，但在另一方面却又充斥着一幅幅虚构的世界的图景，人们不断抛弃旧虚构，又不断编织新的虚构。毫无疑问，我们今天的科学理论也一定含有虚构成分等待着后人的揭示和改造。而且20世纪科学的发展更加表明，今后的科学可能需要更多的虚构。为什么科学创造一定需要虚构呢？科学家在建构理论过程中由于经验的不足，就要发挥想象作出超越经验事实的人为的假定，因而在理论中便可能含有虚构性。但在某一认识阶段，它可能近似地反映事物的某些属性，具有相对合理性。因此，它便成为科学认识过程中的一个环节。这些虚构性随着科学的进一步发展逐渐暴露出其虚假本质而最终将被抛弃。燃素、热质、亲合力、以太等概念的兴衰历史便是最好的说明。
科学创造中的虚构极大地表现了科学家思维的创造力。首先，越是成熟的科学理论就越是严格的合理体系，而构成这个理论核心部分的公理总是由一些不证自明或无法直接检验的概念和陈述组成，因此需要科学家进行大胆的猜想，理论的逻辑前提的基本观念和原则带有虚构性这是主观认识与客观对象相互作用的结果，是对客观历史条件限制的突破。牛顿力学理论体系是建立在绝对时间、绝对空间和超距作用基础之上的，而这三个概念则是牛顿概括当时感觉经验而做出的虚构。在绝对时空框架中的牛顿力学成了近代的科学支柱，广泛应用于实践之中，“以太”是科学家的一种虚构，它的产生历史久远。如果说“原子”的概念表达了古希腊人对物质间断性的想象，那么“以太”则是物质连续性的一种猜测。历史上很多科学家都把“以太”概念引入自己的学说之中。然而在建立光的波动说的时候，以太却成了一个必不可少的概念。因为在当时人们的思想里，任何波动都必须借助于某种介质的振动而传播。因此胡克和惠更斯等人把它引入光的波动理论中，成了这一理论建立的逻辑前提。想象一种波可以不借助任何介质自行传播在当时是十分荒诞的。人们依据以太学说提出了许多可以进行验证的预见，发展了光的波动说。直到19世纪仍没有人怀疑以太的存在，因为当时人们认为可观察效应是在以太中，或者是由于以太振动产生的。麦克斯韦认为电磁波是以太的振动的传播，H·赫兹通过证明电磁波的存在进一步证实以太， 从而进一步发展了电磁理论。“以太”是科学家大胆的设想，虽是一个虚构，但在一个时期内却促进了科学理论的发展，使人们获得了许多关于光和电磁现象的真理性认识。由此可见在科学理论基础中虽然引进了无法直接证明的虚构，但在一定时期和一定范围内，却仍能正确描述、解释和预言一些可观察现象。将热的传递看成是热质的流动，虽然热质是虚构的，但由于热质的多少正好反映了热量的增减，所以在热的唯动说还没有充分发展起来之前，如果仅限于考察热传导现象就无法揭示热质的虚构性。这些都充分体现了科学中的虚构所发挥的历史作用。
其次，自然科学理论产生的开始都是以假说形式出现的，恩格斯说，“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”（注：恩格斯，《自然辩证法》，人民出版社，1971年版，第218页。 ）假说就意味着理论的某种不完备性和有待验证性。因此假说中不可避免地出现虚构。这种虚构同样也是科学家大胆创造的结果。如玻尔原子模型中的电子轨道，便是玻尔创立假说中的设想（今天这个轨道已被证明是一种虚构）。它使玻尔理论逻辑上自洽，解决了卢瑟福模型的困难，解释了原子光谱是分立的事实和原子稳定性问题，虽然是传统的虚构，在一定条件下仍被科学家合理地接受，并在一定时期促进了科学理论的发展。现代物理学为了统一已知自然界的基本作用力，提出了许多新的假说，作出了许多预言，其中包括不少还未能确证的粒子，像磁单极子、黑格斯粒子、X粒子、超电子、W微子等等，光是组成轻子和夸克的亚夸克层次粒子就有亚夸克、亚层子、前夸克、前子、里逊子、色子、族子、阿尔法子、贝塔子、奎克、格里克、阿米伽子等等。科学家们的这些大胆假设，很难说这里没有虚构。然而如前所述即便是虚构，也一定能够对科学在一定时期的发展和前进起到不可估量的作用。
爱因斯坦曾指出“科学理论基础具有纯粹虚构的特征。”（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976 年版， 第314页。）它们在不同情况下产生，但其产生与存在是自然的，具有历史必然性的。这就需要科学家进行大胆的思维创造。“如果人们要等待建立起定律的材料纯粹化起来，那么这就是在此以前要把运用思维的研究停顿下来，而定律也就因此永远不会出现。”（注：恩格斯，《自然辩证法》，人民出版社，1971年版，第218页。） 科学理论也就无法建立。科学创造中的虚构性反映了一定科学理论只能是相对真理。而每一种理论中对虚构的抛弃、更替则意味着科学的巨大进步和前进，每一时期理论中的虚构规定了一定历史条件下科学认识的限度。因此，在现代理论的创造中，需要科学家具有高度的哲学修养和辩证思维能力，明确认识到理论中可能具有的虚构性，自觉地以批判的态度对待已有的理论，寻找其虚构性的适用范围，在新的高度上寻找新的理论出发点，即展开想象，大胆设想甚至是创造暂时合理的虚构来建立和发展科学理论。
四 思维创造中的理论约定
理论约定即为认识主体在科学创造中对原理或规则所达成的共识，是对未加证明或不能证明的东西的一种肯定，它是科学家创造理论的重要手段之一，按照爱因斯坦的观点，表现在我们的自然规律中的普遍联系，不是仅仅由观察资料建立起来的；除非我们从理性的构造着手，否则，这些联系就无法表述和推导出来，而理性的构造不能只是经验的结果。科学并不满足于提出经验规律，它倒是试图建立这样一个逻辑体系，这个体系是以为数最少的前提为根据，并把一切自然规律都包括在它的结论之中。所以从逻辑的观点看来，这个体系的逻辑基础以及它的内部结构是约定的。它们之所以能够站住脚，在于这个体系在事实面前的有效性，在于它的思想的统一性，在于它所要求的前提为数很少。（注：《爱因斯坦文集》第三卷，许良英等编译，商务印书馆，1979年版，第368—369页。）由此可见，理论的约定，也体现出科学家在科学活动中思维的创造力。
在理论约定中体系的逻辑基础即不证自明的公理成为约定的重要内容。这个约定是与本文在第一部分讲的信念结合在一起的，二者密不可分，基于哪种信念就可能有什么样的约定。彭加勒认为，数学中的公理和物理学中的一些基本概念和基本原理既非先验综合判断，亦非经验事实，它们都是约定。“我们在所有可能的约定中选择，要受实验事实的引导，但选择依然是自由的，只是受到避免一切矛盾的必要性的限制。”（注：〔法〕彭加勒，《科学的价值》，李醒民译，光明日报出版社，1988年版，第43页。）
理论约定的另一方面则是体系的内部结构、规则、方法等的约定。人类所遵循的逻辑规律和规则，它们从来没有为经验所直接证实，更不可能由逻辑本身证明，因此，是一种人为的约定。彭加勒认为力的合成法则就是一种约定，“即使我们没有看到导致科学创造者采纳约定的实验，这些实验尽管可能是不完善的，但也足以证明约定是正当的。”（注：〔法〕彭加勒，《科学的价值》， 李醒民译， 光明日报出版社，1988年版，第87页。）库恩把科学认识活动看作是科学家集团或科学共同体共同约定的范式下进行的一种思维创造活动。一个数学命题只有相对于某个体系的规则才有正确与错误。如1+1＝2 就是十进制的一种约定。同样谁也无法判断米制是真还是假，它是人们量度上的约定。科学活动所运用的方法也同样是一种约定。科学家根据探索的需要为解决特定的问题，才选择和约定了特定的方法。比如，尽管归纳法存在明显的不足，但抛弃了它，科学活动便无从进行。同样科学认识中的数学方法，假设方法、信息方法、黑箱方法、模型方法都是约定。
由于约定的原因导致了不同的理论可能达到对实践相同的效果。因此人们对理论的选择就有了约定的逻辑地位。爱因斯坦认为，“对应于同一个经验材料的复合，可以有几种理论，它们彼此很不相同。但是从那些由理论得出的能够加以检验的推论来看，这些理论可以是非常一致的，以致在两种理论中间难以找出彼此不同的推论来。”他还列举了生物学中达尔文理论与性遗传理论及牛顿力学与广义相对论理论由不同假说所取得的实效上的一致。（注：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，许良英等编译，1976年版，第115—116页。）
以上论述了科学认识活动中思维创造的四个方面，很显然这些方面是联系密切并互有交叉的。在科学创造中很难说是哪一个单一方面起作用，而可能是几个方面共同作用的结果，因此决不能把几个方面孤立起来静止对待，而应把它们看作有机的统一整体。
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