论自然科学工具系统及其进化规律，本文主要内容关键词为：自然科学论文,规律论文,工具论文,系统论文，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。
内容提要 没有工具论的认识论是空洞的；没有认识论的工具论是盲目的。本文仅就自然科学工具的内涵和意义；自然科学工具库的构成和功能；从科学认识一般模式看科学工具与科学革命关系；自然科学工具进化的若干规律等四个方面进行探讨，从而说明科学工具（广义形态）是科学发展的杠杆，是统一科学内在史和外在史的关节点，是寻找科学进步、科学革命内在动因和科学认识发展规律之关键所在。
创造和使用工具是人类意识的能动性和合目的性的特征标记，也是人这种社会动物之所以成为“万物之灵”的秘密所在。正是在这一意义上，富兰克林(B.Franklin,1706-1790)给“人”下的定义为“制造工具的动物”(a tool-making animal)。[1]人和自然的关系史，乃至人的一切活动史，同时也是一部工具进化史。工具作为主体和客体之间的联系纽带即“中介”，在人的活动条件中始终居于中心环节，是认识论探讨的重大课题之一。辩证法大师黑格尔早就深刻指出，正如“犁是比由犁所造成的、作为目的的、直接的享受更尊贵些”，“手段是一个比外在合目的性的有限目的更高的东西”。[2]科学认识和物质生产同为人类特有的创造性活动，两者之间存在“相关律”和“相异律”。劳动工具在物质生产中的根本性作用和地位，早已取得共识；但科学工具在科学史上和科学认识中的作用和地位问题，以及其演化规律问题，尚待更详尽的考察和更深入的探讨。长期以来，批判实用主义的工具主义或操作主义，强调认识的客观性，是完全必要的；但也造成一种幻觉，似乎一提科学认识的“软产品”的工具功能，便有鼓吹实用主义之嫌。实际上，没有工具论的认识论是空洞的；而没有认识论的工具论是盲目的。研究表明，科学工具（广义形态）是科学发展的杠杆，是统一科学内在史和外在史的关节点，因而是寻找科学进步和科学革命的内在动因与科学认识发展规律之关键所在。
一、自然科学工具的内涵和意义
狭义的自然科学工具概念，局限于在物质手段的层次上进行理解，实质上是对劳动工具定义的沿袭，因而无法完整说明科学研究的全部特征和固有本质。原有的概念必须广义化。广义的自然科学工具是科学主体为达到把握自然客体规律的目的而进行活动时所籍助的专门手段，包括两大部类——物质形态的实体工具和知识形态的理性工具。历史地看，中世纪的欧洲学者将亚里士多德（Aristotle，前384—前322）论述三段论逻辑学的论文集明确命名为《工具篇》，堪称是开了工具概念广义化的先河。培根(F.Bacon,1561-1626)则把以实验为基础的归纳法作为科学“伟大复兴”的《新工具》，可谓是与经院哲学对着干。培根有言：“赤裸裸的手和无依无靠的理智，都是不能有多大能为的。手需要有工具的帮助，理智也是一样，有了才能做成工作”。[3]他的话反映了创造新的广义工具是时代的迫切需要。
“广义工具”概念的提出是有充分的理论根据的。首先，“广义工具”是广义的社会生产概念的逻辑结果。人和自然的关系中，有着依附与被依附、改造与被改造、认识与被认识的多重复杂关系。除物种繁衍的天然生产以外，广义社会生产包括物质生产和精神生产在内。作为人类创造性活动的两种形态，两者在基本前提上有三大相似要素（条件）：(1)生产对象（客体）；(2)生产工具为主的生产资料；(3)生产者（主体）。所不同的是：前者主要用实体工具创造物品，即所谓“硬产品”（或“硬件”）；后者主要用理性工具创造观念，即所谓“软产品”（或“软件”）。但两种“产品”都凝结着人的认识成果。科学活动包括感性实践和理论构建两大层次，则相应使用的工具表现为物质性的实体工具和精神性的理性工具两种基本形态。其次，“科学广义工具”的提出还在于科学认识的“软产品”（事实陈述、概念、定律、理论和方法等等）从本质上说具有双重功能：(1)认识功能，——对自然客体属性和运动的一定程度真理性的反映；(2)工具功能，——因其可用性和价值性而在一定条件下具体表现为智力再生产能力和物化能力。科学成果的认识功能是最基本的客观前提；工具功能则说明了科学研究的人类学意义和特征，并强调科学知识的应用性和功利性。诚然，科学的理性工具是科学软产品在一定条件下的转化，其可操作性和有效性主要取决于它反映自然事物属性与本质的相符度或逼真度，即取决于知识本身的认识功能。但科学成果唯有在运用中，也就是主要以工具形态出现在科学认识的动态系统中才得以检验和发展。正如B.柯普宁指出：被认识的自然规律“具有逻辑意义”而成为“我们思维运动的工具”。[4]另一方面，科学理论具有物化为社会生产力的巨大潜能而在一定社会历史条件下成为生产力发展的强有力工具。
严格地说，人类意识的能动特征正是通过创造和使用“广义工具”形式得以表现。如果说创造劳动工具是区分人类和狭义动物的根本标志；则自觉创造和使用范畴工具（理性工具最基本形态之一）是区分野蛮人和文明人的根本尺度；而创造和使用科学工具是人类社会的智力和物力都发展到较高阶段的主要征象。“人猿相揖别，只是几个石头磨过”。打制第一把最粗陋石刀，意味着猿人的脑和神经信息量比哺乳动物激增几个数量级，预示着人类从此要成为地球家园的主人。考古学者把出土的历代劳动工具作为划分社会经济时代的判决性物证，因为它是社会控制自然的标度尺，社会生产关系的显示器。当人的智力发展到足以自觉运用抽象的概念范畴工具将眼前经纬万端的“自然之网”编成“逻辑之网”，则意味着“自在的人”，即“本能的人”（野蛮人）向“自为的人”，即“自觉的人”，“理性的人”（文明人）转折的开始。科学活动是社会的理性化程度强化的阶段才出现的独特的物质—精神活动，人类能动性和创造性在科学工具中得到最集中、最丰富、最生动和最深刻的体现。科学工具的出现，标志着人类发展的崭新阶段；而纵观科学史，科学发现的每一重大突破，都是首先在科学工具上的重大突破使然。科学工具（广义）每一重要进展（特别是基础工具进展），有着“牵一发而动全身”的整体效应：
(1)扩大了科学知识再生产渠道；
(2)加快科学发展进程和改变科学发展原有方向；
(3)或多或少改变人类智力进化方式和途径；
(4)引起本学科和相关学科知识结构的连锁调整与更新；
(5)调整科学共同体的内部关系和科学的社会功能；
(6)直接或间接、或迟或早地引起整个社会的自然观、哲学思维方式乃至社会的技术体系、经济生活、生活方式的变化。……
二、自然科学工具库的构成和功能
自然科学研究的广义工具构成一个相对独立的体系，我们可以类比地称之为“自然科学工具库”。作为整个社会的智力、物力储备的总工具库中居于核心地位的组成部分，自然科学工具库同其他领域工具库有着类似生物机体各部分发育程度密切关联的“相关律”，并相互间进行频繁的交流、移植和转换，但保持各自相对独立的构成和功能。
自然科学工具库中第一部类的工具是实体工具。主要包括三大要素：（一）科学仪器群。按功能特点又可细分为三种——(1)接收自然信息的仪器；(2)对自然客体施行发动性控制以求在人工条件下激发自然信息的仪器；(3)自然信息转换、传递、储存和处理的仪器。（二）在人体外进行科学信息储存的物质外壳和载体。如：字母、数字、代号、图形、图表、计算机软件等等人工语言的符号系统，以及音像、照片等等声像传真系统。（三）其他辅助性专用物质设施。其中，科学仪器是科学实体工具的主要构成，具有狭义生产工具的一般特征，都是人与自然客体相互作用的媒介物和传导体；是人的各类感官和大脑的部分机能的延长、强化或补充；从本质上说，都是自然物的“人化”，同时又是人类理智的“物化”。但科学实体工具的仪器不是以加工而是以认识为目的，是人类伸向物质世界未知王国的“认识触角”，人类探索自然信息的“人工器官”，因而又具有实证性的基本特点。
科学仪器的主要功能为：(1)使处于人的感觉阈极限之外不可直接感知的自然现象转化为可感知的；(2)使感官在本质上不可量度的关于自然客体属性及运动状态等数量关系转化为可量度的；(3)使研究对象的不可干预性转化为对象所传递的信息及其物质载体的可干预性；(4)空间特征的转换，使宇观和微观的信息转化为仪器可显示与记录的宏观现象；(5)时间长度的变换，加速或延缓客体运动的时效和进程。可见，随着实体工具（主要是仪器）的日趋多样和日臻完善，不断突破人的天然器官固有极限，加强了人和自然的联系以及人对自然的能动干预，迅速扩大了认识的时空尺度和感知客体现象的能力，使预言性发现的时间提前；“反常”性发现的敏感度增强；探索性发现的新对象和新领域拓广；伴随性发现的几率加大而其真相的澄清更为迅速。从而，为科学理论的发现、检验和发展提供雄厚而坚实可靠的客观基础。这一过程中，不断纠正人的感知错觉。逐步减少其主观性、粗略性和不确定性，进一步加强感性认识的客观性、精确性和可靠性。
自然科学工具库中第二部类的理性工具，在本质上，是以语言为物质外壳并巩固在语言中的关于自然客体的知识，以及思维为把握客体而构造的程序和模式。作为科学认识的产物，在一定条件下又转化为智力再生产和物化为物质生产力的工具，具有三大构成要素：（一）经验要素，——经验事实的科学陈述，以其描述性特征和隐性的概念判断而成为初级形态的理性工具，是理性工具库的基础。（二）理论要素，——科学概念，概念关系（定律和原理等），概念体系（理论），直至最高层次的自然观。理论要素作为自然科学成果的集中反映，是理性工具库的核心部分。科学发展的历史，在理论上表现为概念不断产生和发展的历史，同时又表现为概念不断转化为解释新现象、研究新课题、构造新理论的逻辑工具的历史。（三）结构要素，——自然科学专门方法。科学方法是科学活动的程序、模式、途径、方式及其合理性规则，又可细分为三种：(1)一般方法。基本上普适于自然科学研究的任何客体，如观察、实验、假说和模型方法等等；(2)特殊方法。与某类自然对象的某个方面有关，如生物进化研究法、化学反应方法等等；(3)个别方法。在个别领域或场合起作用，如造父变星测距法、原子示踪法等等。在实际的研究过程中，理性工具的经验、理论和结构三大要素往往交织着出现而发挥着整体作用，构成有机的三维系统。
自然科学理性工具从整体上说具有抽象性和范畴性的逻辑特点，因而能对研究对象进行更高级的抽象和概括，更客观、更全面、更深刻、更普遍地反映实在客体的内部联系。其基本功能，是作用于经验的或理论的材料，进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的改造制作，以便在现象和现象之间、现象和本质之间、初级本质和更深本质之间、已知和未知之间铺“路”架“桥”；并使科学理论体系加强其严谨性（逻辑自洽性）、全面性、统一性、简单性（选择尽可能少的自由参数）、精密性、可推演性（提高解释力和预见力）、可检验性（提高外部确证度）、以及伸缩性（理论的自我调节力），等等。具体地说，理性工具库中的经验要素具有描述和隐性判断的功能；理论要素具有解释和预言的功能；结构要素具有构造和推演的功能。尤其是基础理论工具，在科学工具库乃至社会智力工具库储备中都具有战略性、全局性、决定性地位，是科学伟力之最深厚的内在资源。正如T.S.库恩所言：“理论甚至比实验室仪器更是科学家职业的基本工具。没有它们的经常支援，甚至科学家所作的观察和测量也是不会有益的”。[5]B.戈特甚至强调，“许多杰出的科学家认为现在理论物理学中存在的困难在于没有制定这门科学的概念工具”。[6]作为结构要素的科学方法具有特殊的意义。科学独立和发展的阶段性在一定意义上说是以研究方法的进化为基本特征的。诚然，科学发现是极其复杂的创造性思维生产，充满戏剧性情节和某些非理性因素，但科学是人类自觉性很强的理性活动，发现过程的随机性和直觉性同科学研究的逻辑程序性和必然性是相统一、相互补的。方法是学科之间进行理性工具移植和渗透的重要内容，并往往导致新学科分支的产生。例如，天文学科的分化而言，几何学方法与天体测量学、力学分析法与天体力学、光谱分析法与天体物理学、生物进化研究法与天体起源演化学……，举不胜举。正如拉普拉斯(P.S.Laplace,1749-1827)所说，研究方法“对于科学的进步，……并不比发现本身更少用处”。[7]
三、从科学认识一般模式看科学工具与科学革命
科学认识系统的一般模式，即“科学主体—科学工具（广义）—自然客体”动态系统。这里，科学认识的主体，就个体而言，是具有一定科学研究素质，使用一定科学工具并受一定时代条件制约的科学研究者；就群体而言，是所谓“科学共同体”即科学研究者集合。“科学共同体—科学工具库”构成社会的“科学能力”。作为研究对象的自然客体，本质上说是实在客体，但作为经验材料或理论材料，则观念地再现为抽象客体。科学发展的内在动力因素有哪些？——这是科学史家、科学社会学家和科学哲学家们长期争议的大问题。按科学认识系统一般模式去分析，则科学进步拟有三大内在条件（要素）：
（一）合适的科学对象（研究客体）。在知识形态上表现为未解的合适问题与已知的一定材料的统一体。研究课题的合适性和中肯性，受制于问题的紧迫性、必要性以及解题的条件性和可能性。如，近代天文学把学科基本问题集中在行星轨道的精确测量和探求其物理原因方面，是恰到好处的。在十七世纪，柏拉图(Plato，前427—前347)的关于如何用均速圆周运动“拯救现象”("Save the appearances")的古老问题已失去原有意义，而对恒星世界的研究只是在W.赫歇尔(W.Herschel,1738-1822)建成大型牛顿式发射镜之后才有可能。“问题就是时代的口号”，“世界史本身，除了通过提新问题来解答和处理老问题之外，没有别的办法”。[8]
（二）有能力的研究者。表现为群体性和个体性的统一体。如，16-17世纪科学革命时期，涌现了一大批有科学新思维和新素质的科学家，第一流人物就有：近代科学革命旗手哥白尼(1473-1543)、“星学之王”第谷(Tycho Br-ahe,1546-1601)、“天空立法者”开普勒(J.kepler,1571-1630)、“天空哥伦布”伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)、以及第一次实现“天地大综合”的牛顿(1642-1727)。当时在意大利、英国和法国等地相继出现一些科学团体，其中最著名的是伦敦的皇家学会。怀德海(N.Whitehead,1891-1947)称之为“天才的世纪”。
（三）有效的科学工具。表现为实体工具与理性工具的统一体。如，近代天文学从第谷古典仪器发展到伽利略天文望远镜，从古希腊天体几何测量发展到力学成为天文学强大武器，以及牛顿把微积分引入天体轨道运动研究，都是天文学使用工具上的划时代事件，是近代天文学创立和发展的决定性因素，同时也是科学革命特征标志。
科学进步的三大内在要素中，科学工具始终处于关键性的中介，综合反映了一个社会在该时代从事科学活动的物力和智力储备水平和变革程度，是实现科学认识目的的非常现实的先决条件，又是科学认识过程的历史产物。因而，科学革命的主要特征，是以科学工具的根本性进化为基本标志。从近代科学革命来看，其形态特征表现为：(1)具有崭新素质的“科学共同体”形成；(2)首次出现多学科的“科学仪器群”，以望远镜、温度计、气压计、复式显微镜、气泵和摆钟等六大仪器为代表。这些简单而新颖的科学仪器对近代科学进程的影响是深远而巨大的。另一方面，其内涵特征表现有：(1)科学目的发生极为深刻的变化。从为了论证圣经转变为认识自然，从而打破了中世纪以来从圣经和亚里士多德经典追求真理的旧传统。(2)理性工具发生极其深刻变革。特别是伽利略的“数学—实验方法”和牛顿的元过程方法、“假说—演绎法”、公理化方法以及新的数学工具——流量和流数法的确立和运用。通过对第一次科学革命的历史考察，雄辩地说明了科学工具库之所以在科学认识系统中处于关键地位，归纳起来主要是因为：
首先，所选择的研究对象的合适性，尤其是问题的可解性受到社会的“科学能力”即“人—工具”结构的制约。正确地提出一定时期的学科主攻方向和突破口，是同当时的“解题能力”和社会的经济需要或学科本身的逻辑需要分不开的，并主要由社会的科学工具库的储备程度、适用程度以及科学共同体的素质水平和活跃程度所决定。其次，作为主体的科学共同体的时代水平，可用该时代科学工具库的增长率和利用率来衡量，因为社会解决科学问题的能力首先是创造和使用工具的能力。最后，作为科学共同体个体的研究者各人的科学素质，首先是集中表现在工具问题上，如了解工具库储备及其变化的情报信息能力；选择和运用必需工具的能力，尤其是对新颖工具的敏感性和洞察力（科学鉴赏力）；以及必要时创造新型工具解题的能力；等等。著名科学史家W.Whewell(1794-1866)说过：“如果希腊人不曾研究圆锥剖面，开普勒就不能取代托勒密；如果希腊人研究了动力学，开普勒也许会走在牛顿的前面。”[9]可见，天才人物的超人智商亦无法超越时代条件；而时代条件，对研究对象和研究主体来说，最直接最基本最现实的形态，不是别的，正是广义的科学工具库。
四、自然科学工具进化的若干规律
自然科学工具的进化，除了工具进化的一般规律外，还有其自身的特殊规律和表现形式，而且两部类科学工具的进化特点各有不同。
科学仪器作为科学实体工具主要构成，其进化规律主要有：
（一）“拟人律”。就功能特征而言，科学仪器群中的三种类仪器——接收自然信息仪器，激发自然信息仪器，转换、传递、储存和处理自然信息仪器，各对应于人体的感觉器官、效应器官、神经系统及中枢控制器官（大脑）的部分功能模拟和延伸，是科学探索的人工器官。“拟人律”既是科学仪器的功能特征，又是其基本发展规律之一。三种仪器在空间上的并存性同时又反映了时间上的顺序性，构成仪器发展链上三个不同阶段的发展环，体现了仪器的“人化”特征的不断加强。而仪器理性化程度越高，则拟人化程度越高；反之亦然。这一过程，同时也是仪器由定性到定量、由静态到动态、由被动到主动、由仿生到仿脑的不断进化过程。另一方面，仪器“理性化”过程同时也是趋向“个体化”过程、即“器官”→“系统”→“个体”的发育过程。由于仪器制造的技术原理进化是“机械技术→物理、化学技术→生物技术”；其内部结构演化为“单项技术的仪器→复合技术的仪器→技术群的仪器”；则相应的“人—工具”关系的进化模式为：“人工操作的手工仪器→由人监控的机器仪器→全自动智能机器仪器”。仪器的发展程度越高，则系统化、群体化、复杂化程度越高；同时智能化、个体化程度亦越高，充分反映了仪器进化的仿生和拟人的特征。
（二）“逻辑物化律”。仪器作为物化的智力，不仅蕴含着一定的科学理论成果和一定时代的经济实力，同时又在其功能中凝结着一定的科学方法和逻辑程序。细加考察，甚至可以发现仪器演化史本身可以看作是一种科学逻辑程序的物化和“放大”。例如天文观测仪器就经历了三大发展阶段，对应于认识过程的二个环节：单纯观察性和测量性仪器→分析性仪器→综合性仪器。高级阶段中包含了低级阶段中的成份，低级阶段中隐含着高级阶段的“胚芽”。第一类如托勒密的三角仪、第谷的墙仪、伽利略的望远镜等等，这一类仪器用以发现天体的存在，记录它们的表观现象，测量的一般是“几何参量”；第二类如夫琅和费(J.Fraunhofer,1787-1826)的分光镜等等，这一类仪器记录且分析天体的“物理参量”，较前者具有“由表及里”的性质；第三类如现代的带有实时显示和反应能力的望远镜系统，具有“人—望远镜对话”的性质，含有“去粗取精”、“由此及彼”、“综合判断”的反应能力。实体工具的这种功能理性化程度，正说明了人类对自然认识过程的不断深化程度。
科学理性工具的进化规律，具有自然科学理论发展的一般特征，并遵循“逻辑——历史同一律”。其演化的具体形态，可分为“自然史型”与“认识史型”两大基本类型。若学科是按逻辑程序和自然事物历史发展进程相一致的原理建立理论体系的，则该学科理性工具的进化也具有“自然史型”，如化学、生物学、生物进化学、天体起源和演化学等等。若学科是按逻辑发展程序和人类认识史相一致的原理建立理论体系的，则该学科理性工具进化也同时打上“认识史型”烙印，如物理学：静力学→动力学→分子物理学、热力学→波动物理学与声学→电磁学→相对论、量子力学→……。此外，理性工具体系的三大构成在空间上的并存性同时又反映了时间上的演化性，是统一的发展链上三个不同阶段特征的发展环：经验型→理论型→方法学型。
就自然科学工具库的整体而论，其系统的进化有两大规律尤为引人注目，试归纳阐述如下：
（一）“振荡律”（重心转移律）。科学工具库中两大部类工具各有其不同的子系统、独特的功能和干预的直接对象，在科学研究中发挥不同作用因而有所分工；但两者又是相互依存、相互补充、相互促进、相互渗透，因而密切相关。这种“互补律”正是科学工具进化的“振荡律”出现的内在根据。R.Hall指出：“科学进程中的每一步都存在着经验性的可见和理论性的不可见之间的张力”。[10]而这种张力，是通过两部类工具之间的张力得以集中体现和发展的。例如，当社会生活实际需要；或新的假说需要观测和实验的确证而向学科提出更高精度测量；或寻找新的预言现象时；科学仪器的发展便成了主要问题，并同时获得最大的推进力。当对旧理论进行逻辑反思而需要提出更合理更自洽的竞争理论；或当观测与实验事实大量积累；特别是发现“反常”现象需要加以整理、分析和理解时；或需要揭示经验定律中更深一层含义时；理性工具的发展就是当务之急，并同样获得最大的推进力。因而，科学史顺着时轴方向以“观测→理论（假说）→新观测→新理论（假说）→……”的认识螺旋上升过程，同时也是实体工具和理性工具发展的重心不断交替转换的过程，以及两者之间所展开的交互作用的张力过程，并显现振荡频率越来越大，即周期缩短的趋势。
（二）“移植律”。科学工具库的活动特征，不是单线映射，而是“外化—内化”双向建构过程。相关学科之间的实体工具、理性工具的移植、渗透和反馈，一向是促使工具和学科两者同时分化、发展和综合的有力杠杆；并且学科交叉点往往是产生新学科或学科新分支的生长点。数学工具和力学工具与第一次科学革命的关系，就充分说明这一点。十七世纪精密自然科学的巨大进展，可用如下差距来衡量；一边是以文学对话形式表述的伽利略运动学和开普勒极不成熟的动力学萌芽，一边是牛顿建立在运动定律和万有引力定律基础上的宏伟的公理化体系。牛顿利用他人和自己所创造的理性工具而建立的经典力学和天体力学，立即又为解决太阳系天体运动问题和地球上所有机械力学问题，乃至探索宇宙深处的奥秘，都提供了一件空前威力的理性工具；而另一方面，天文学使力学第一次走出地球上狭窄的实验室，把广袤的太阳系空间作为试验场，从而找到适用于天上地上机械运动的普遍定律。科学实体工具的“移植律”表现，这里我们同样以天文观测仪器的发展为佐证。天文学最早使用仪器。近代以来，天文仪器有三次大的变革，都是学科之间工具移植的结果，并无一例外都成了学科内部分化、综合并导致巨大发展的支点。第一次是由于“透镜”光学技术的引进，开创了望远镜光学观察的新纪元；第二次是由于分光术、测光术、照相术与望远镜结合，宣告了天体物理学诞生；第三次是由于光电、射电、空间等技术的引进，揭示了全波段天文学的序幕。历史胜于雄辨地说明了：工具的移植是科学发展的杠杆。
此外，“移植律”还表现在科学工具库同社会总的智力和物力储备的工具库之间的信息流、物质流循环过程。工具库储备量和开发利用率愈大，愈有利于循环周期的缩短，即移植周期的缩短。相应地，则特定学科发展速率愈大；反之亦然。
显然，关于自然科学工具进化的规律不止于以上所举。其基本规律的完整表述，是有待进一步深入探讨的重大课题。
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