现象、模型与定律，本文主要内容关键词为：定律论文,模型论文,现象论文，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。
中图分类号：N02 文献标识码：A 文章编号：1674-7062(2016)02-0055-05 科学的主题是研究自然现象并找到现象的规律性(regularities)，从而得到科学理论或定律(laws)。要找到现象的规律性意味着要描述或解释它们，在这个过程中，模型起到了主要的中间桥梁的作用。对这种中间桥梁的作用尽管有不同的看法①，但相同的是，他们都认为模型在定律与现象所属的范畴内建立了一个连接关系。可以说，现象、模型与定律是科学研究过程中的三驾马车。 一 现象的二重性 通常来说，现象是自然界中的一个事实或事件，如蜜蜂跳舞、下雨或恒星辐射。但是，并不是所有的自然界中的事件都可以称之为“现象”。对于一个行色匆匆的路人而言，一只蜜蜂跳着“8”字形的舞蹈并不是一种现象，而对于一个在路边看蜜蜂如何将花粉裹在自己的腿上携带回蜂巢的小朋友而言，它们的这种行为就是一种(采蜜的)现象。所以，现象指的是能引发研究者的兴趣进而成为研究主题的那些东西。 一种现象，可能是最初根据观察得到的东西，继而提出了一些问题。比如你会感兴趣于：是什么原因导致这样的现象产生?如果我们观察下雨，可能产生这样的询问：是什么原因导致下雨?继而就会提出问题：雨水是如何形成的?因此我们并不是把下雨的过程当作是完全随机发生的，它是把所观察到的东西作为一种现象来“处理”的，而这种“处理”的过程实际上就是剔除现象中的随机性寻找其中的规律性。所以，一种现象既包含了随机性的因素，同时也伴有大量的规律性存在，本文将其称为现象的二重性。科学家的主要目的正是从被研究的现象中区分出哪些是随机性的因素，哪些是确定性的规律，并从确定性的规律中找出该现象所遵循的定律。 这里需要讨论一个问题：通常所认为的现象中的规律性是现象本身所具有的吗?如果是，那么科学家寻找规律性的工作实际上就是一种本体论意义上的研究；如果不是，那科学家的工作相应的就成为一种认识论意义上的探讨。 所以，科学家也不是看到某种事物就把它们当作要研究的对象，只有那些能引起科学家的兴趣，进而进行关注或者观察的事物才能称之为现象。当然，科学家们之所以感兴趣于这些事物而忽略那些事物，主要是因为这些事物要么与现有的定律相关，具有推动科学理论的价值，要么与某些实验事实相关，是对实验事实的验证或者证伪。带着问题观察现象是科学研究的第一步。第二步，寻找现象产生的内部机制，探讨隐藏在现象背后更深层次的规律性，以便解释说明经验的规律性。而为了完成这一步，科学家们通用的方法是建立模型。模型与现象相比，具有简单化、抽象化、理想化的特征，有时为了便于理解还需要进行形象化。这种“处理”方式是纯属虚构的行为吗？当然不是!在建立模型的过程中，科学家们根据现象的二重性，忽略了现象世界中许多具体的偶然的属性，保留和(或)重构了它的本质特征，否则他们怎样能把握它的普遍性、刻画它的自然类，从而获得规律性呢？ 因此确切地说，现象是被选取成为一个主题要进行研究的那些事物。这似乎表明，挑选一个事件作为一个现象与区分组成这个现象的因果过程是有密切关系的，因为组成现象的某些细节或者包含的规律性因素将是进一步分析现象，即建立模型的主要考查因素。 二 作为桥梁的模型 模型是为了认识某一现象而对这个现象进行的一个诠释性描述。②这种诠释性描述可以依赖于理想化或简单化，或者依赖于与其他现象的诠释性描述进行类比。所以，要科学地解释一种现象，不是用什么规律来推出现象，而从根本上说必须构造出一个模型，用类比方法建立迄今未知事物的模型来理解和解释世界。[1]为了能够认识现象通常涉及关注现象的特别方面，同时要故意忽略其他方面。所以，模型往往只是部分的描述。[2]于是，在力学模型中，物体变成了质点；在经济学中，主体或经营者变成了“经济人”，这就创造出自然科学中“抽象概念”和“理论实体”，社会科学中的“理想类型”和“人格化的资本”。它们和它们所表现的定律既不是社会的任意建构，也不是现实现象世界的完全描述，而是对现象世界的“部分描述”，由“部分描述”出来的普遍性、规律性和真实性，要通过精确构造的隔离实验来确证。 模型可以表现为物体的具体形态或者理论的、抽象的实体，如玩具飞机或者物质结构和它们的基本粒子的标准模型。为了建立相应的模型，需要对现象的某些特征进行扩大或缩小，以便使那些无法直接观察的特征变得明显。例如，沃森与克里克为了使无法直接观察到的DNA的双螺旋结构展现出来，他们将硬纸板剪切成放大了的A、T、G、C四种碱基的形状，然后摆弄成特征明显的三维立体模型，方便验证他们所构建的理论假设与已知资料数据是否相符合。经过多次调整螺旋的数量、碱基的排列顺序、配对方案，最终建立出与X射线衍射图相一致的模型，从此揭开了生命遗传的奥秘。 许多科学模型并非像DNA双螺旋结构模型一样，并非是由任何物质组成，它们有时非常的理论化，往往依赖于抽象的思想与概念，比如经常使用的数学模型。不管是物质的还是形式的还是抽象的，至关重要的是，模型的终极目的是提供便于认识现象的各个方面。玻尔的原子模型告诉我们电子的构造、一个原子中的核子以及和它们之间的作用力，或者是建一个把心脏看作是泵的模型，它为我们提供心脏如何工作的一个线索。科学模型的表达形式从具体到抽象：比如草图、图表、普通文本、图形、数学方程等等。所有这些表达的形式服从于这样的目的：提供与模型描述相关的理性认识，提供信息、解释它，并有效地表达，以便与其他人共享一个特定的理性追求目标。[2]从这个意义上说，科学模型是关于经验现象的，是连接现象与科学定律的桥梁。 三 什么是定律 严格说来，定律包括自然定律(或者称为自然律)与科学定律，前者属于科学本体论或者科学形而上学问题，是后者的本体论基础。传统的自然律被认为是由外部强加给自然界的，笛卡尔与牛顿就认为自然界的行为规律是由上帝决定的；也有一种观点认为，自然界有自然律是这个世界的原始经验事实，是不可解释的，对为什么是这样的“无可奉告”。而按照新本质主义或者倾向性本质主义者的观点，事物本来都是能动的、有主动性的而不是消极性和惰性的，它们具有以某种方式和规律进行行动的(倾向)性质。当存在着一定的激发条件(stimulus)时，这种性质就会表现出来。因此，这些自然类及其个体的行为受自然律支配的，但自然律不可能由外部强加于个体，也不可能是由某种偶适的普遍概括恰好支配它的行为，自然律一定是依赖于(至少部分依赖于)与事物个体有关的某种深层次的基本性质。[3]所以，自然界的事物是可以根据其相同的本质特征划分成某个种类或者某个集合，而对于同属于一个集合种类的多个事物之间，它们遵循相同的自然定律。显然，这种自然定律的存在是由于事物自身存在的本体特征，源于事物之中，是不以人们的意志为转移的客观过程的规律性反映。套用仓央嘉措的话：无论你找与不找，自然定律都在那里。而科学定律是科学认识论的一个重要问题，它着重讨论的是作为知识要素的一个内容。比如，科学定律是整个科学知识体系中重要的组成部分，它具有严格的逻辑形式，是通过实验(经验定律)或者逻辑推理(理论定律)得到的，或者说是科学家们创造的，具有重复性和规则性的特征等等。如1865年，生物学家孟德尔为了说明为什么会存在高茎植物与矮茎植物，提出了遗传单位是遗传因子的论点，并经过多次重复的一系列豌豆杂交实验，最终揭示出遗传学的两个基本的科学定律——分离定律和自由组合定律。 孟德尔提出的这两个科学定律是在豌豆杂交实验的基础上得到的，但其他植物的高矮是否遵循这些规律呢？同样适用!所以，普遍性是科学定律的一个主要特征。当然，根据普遍性的程度，科学定律又可划分为全称定律或普适定律(universal laws)，以及统计定律(statistical laws)两类。前者表达的是，对于遵循这种定律的所有现象在任何条件下无一例外地适用。大部分科学定律都属于这一类，如牛顿的万有引力定律断言，无论在任何地方、无论是在过去、现在还是将来，自然界中任何两个物体都是相互吸引的。统计定律表达的是，有些科学定律的存在并不是所属的现象在所有的时间与所有的地点一定会遵循，而是有它的某种百分比或者一定的概率，即这种科学定律是在统计的基础上得到的。大部分社会科学定律都属于这一类，如每年出生的婴儿约有一半是女孩。 科学定律的另一个主要特征是支持反事实条件句。首先举一个反事实条件句的例子：小周有辆黑色的汽车，当他把汽车停在太阳下，车内很快就变热了；如果他的汽车是白色的，此时车内会热得慢些。这个例子中的陈述形式属于典型的反事实条件语句：尽管事实上小周并没有拥有一辆白色的汽车，但根据物理学中的基尔霍夫辐射定律，白色的物质比黑色的物质吸热慢是一个规律。所以，科学定律支持反事实条件句，在某种意义上，科学定律是为了说明自然规律的一种理想化的表达。 著名物理学家、诺贝尔奖奖金获得者盖尔曼从更广泛的观点分析定律和规律性。他指出，任何复杂适应系统都要处理外界环境的作用和自身行为的反应所输入的信息，这些信息就是复杂适应系统得到的经验或称为它的数据集(set of data)。它不可能在它的数据库和决策器中储存每一种特殊的数据以对应每一个特殊行动的反应，这样处理信息会不堪重负。它必须“在经验中识辨出一定种类被觉察的规律性(perceived regularities)……并将它压缩成一定的图式(schema)”[4]。这些图式提供了描述、预言和规范行动的组合。例如，每一个物种的DNA序列就是该物种进化的经验被压缩成的图式，这是物种先天行为的规则性的依据，人类的科学理论和定律也起到这种图式的作用。图式会变异、会多样化，在选择压力下竞争着、改进着，它以尽可能小的信息量(比特串)来概括最普遍的共同规律性以便能最大限度适应环境。所以，在盖尔曼看来，所谓定律，一定是“只能用少数的东西来解释多数的东西，不能以多数的东西来解释多数的东西”[5]。 因此主流的观点是，科学定律是一种严格的能支持反事实条件语句的普遍陈述，这种普遍陈述具有律则必然性，以它表述的简单性和信息内容的强劲性来系统地说明世界的自然类的特征，自然类所共同遵循的自然定律是科学定律的本体论基础，科学定律并不是虚构的。但也有学者不同意这样的观点，比如新经验主义的代表人物南茜·卡特莱特认为，科学定律不但不普遍而且不真实，那是因为它不描述现实世界。她说：“我们对物理学定律最漂亮、最准确的应用都是在现代实验室中完全人为的环境中的……我们通过这一过程得到的，一定是一个完全人类的与社会的建构，而非上帝写下的定律的复制品。”[6]所以在她看来，定律越是基本，越不描述现实世界，越是只对模型为真，只支配模型中的客体。回到本文开始在“现象的二重性”部分所讨论的问题，以上两种观点，第一种的前提是现象有自身的规律，我们的科学定律实际上是对自然规律的一种本体论描述；而第二种观点则持相反的观点，认为自然界并不存在本体论意义上的规律性，科学家们建立模型对其进行研究，只是认识自然界的一种途径，而自然界本身并不一定如此。所以南茜·卡特莱特会得出科学定律是虚构的结论。 我们认为，南茜对物理定律或者科学定律的获得过程的描述是正确的，但对她所说的定律只对模型为真，进而断言“物理定律是撒谎的”这种观点并不敢苟同。③就像我们前面对科学定律的描述，它的主要特征之一就是普遍性，尽管在得到它的过程中是通过简化或者理想化，而且大部分是在实验室中得出来的，并没有与现实世界的现象一一对应，但这些不正是科学研究的真正状态吗？科学家的工作不就是从或简单或复杂的现象中探讨规律性，得出具有普遍性质的科学定律吗？在探索科学定律的过程中，如果不进行简化或者理想化，而是事无巨细地、不分主次地对研究现象进行全面的考虑，且不说实现的难度有多大，势必会跌入寻找现象的各种属性的“无尽海洋中”。就像波普尔反对归纳主义对于“科学始于观察”论题时所说的，我们能够穷尽现象所有的细节因素吗？所以，在我们看来，尽管最好的地图模型就是地球本身，但要研究“无预设的现象”或者现象中“无预设的细节”是不可能的，对研究现象进行适当地简化或者理想化是研究的需要，与得出科学定律的普遍性不仅不是对立的，相反却是必需的。 四 现象、模型与定律 我们以大家熟知的伽利略钟摆为例来说明现象、模型与定律三者的关系。 1582年，伽利略在教堂看到灯的摆动，引发了他的兴趣，他明确了要研究的现象，进而想弄明白一系列问题：每次摆动，是不是摆角越来越小?摆动时间越来越短呢?伽利略试图消除心中的疑问，于是，他采用不同的实验进行验证。由于对教堂里的长明灯进行直接实验是不现实的，最有效的办法是建立模型。当然在建立模型之前，他有必要考虑这个现象的多个细节，比如摆动轨迹的几何形状、位移角的大小、摆绳的长度和地球的引力。所以，他建立了不同的模型，比如建立“同样重的铅块，系上同样的细绳”“改变摆绳的长度”“用石头更换铅块”“让石头的重量不同”等多种模型来代替教堂中长明灯的摆动。通过对这些模型的研究，伽利略得出了摆的等时性定律。这个定律不会因为它是通过用绳子系住的铅块或者用绳子系住的石头得出来的而只适用于铅块或石头这样一些事物；尽管没有直接对教堂里的长明灯进行实验，建立的模型也不是使用长明灯展开的。但结果是，它不仅适用于教堂中的长明灯的摆动，而且适用于其他一切有着摆动特征的事物，它具有普遍性。 伽利略的摆的等时性定律后来由惠更斯进行定量化，惠更斯在研究时同样也要建立多个模型。在建立模型时他意识到，模型中摆动的位移角度较大时不利于数学上的计算，所以他改变了位移角度的大小，他提出对理想的摆的处理通常是一直假设摆的位移角是小的，因为这允许他能够用该角度本身取代该角度的正弦值。显然，科学家在建立模型的同时已经把理想化作为一个主要的因素考虑进来。同样，包括伽利略与惠更斯在内，他们在建立模型时早已预设了这样理想化的前提：摆绳是没有重量的、摆绳是不能伸展的、摆锤的质量位于一个点上等等。 理想化是建立模型时的一个必需的步骤。如果他们也考虑自然摆，在建立模型时要求建立一个更接近于真正钟摆的模型。比如，把某钟摆作为绕一个固定的水平轴线回转的任意形状的刚性体，当计算回力时，要考虑质量中心是整个摆锤，也要考虑到绕轴线旋转的惯性力对回力起到了重要作用，同时还要考虑空气阻力的摩擦力、摆锤的浮力和地球引力场的不统一等因素。如此操作，有可能会建立一个“更真实”的钟摆模型，但却要使用超越牛顿定律的理论，经典力学的领域已经计算不出这样“真实”模型的数值。因此，理想化虽然让他们所建立的模型离开了现实摆的路线，但却提供了了解现实摆的各种特征、各种数值的可能。 所以，定律是抽象的，正是因为它是抽象的，所以才具有普遍性。现象是具体的，检验的对象仍然是一个经验现象，它具有真实现象的所有属性，并且恰恰只能以这种方式存在，即使属于某种类型的一类现象的组成部分也可以有不同的形式和变种。抽象与具体是相反的，因此抽象的理论并不是直接关于经验现象的，需要模型作为连接二者的中间桥梁。也就是说，不管模型是以物质的还是抽象的形式出现，模型面对的都是具体的现象。模型的主题是一类现象，而不是一个具体的个别现象。如要为星星建模，会有很多不同的作为原型的单个星星。当一个人试图建立模型，他模拟的并不是单个的现象样本，而是一个典型的样本。通常这涉及运用想象力把目标对象看作是“平均”或“典型”的性质，这个“典型”的对象或现象即使可能不存在于现实世界中。问题的关键是，它恰恰会以这种典型的方式存在并且存在着许多像它一样的事物。因此，原型是从一类目标对象中被挑选或“精炼”出来的，原型具有真实的现象的所有属性，只不过这些属性是这样被选择出来的：它们不能偏离现象的“典型”的情况。[2]所以，在这样选择出来的以典型的现象或者原型而建立起来的模型具有典型的代表性，而由此得出来的科学定律理所当然也具有普遍性。 理论上，若干具体现象的“典型”原型的形成过程通常是需要的。这里最重要的一点是，尽管若干具体现象构成了建立模型的原型，但这些现象是不以任何方式脱离于它的任何属性。现象具有若干性质，对现象进行抽象或者进行理想化以实现“平均”或“典型”，主要是从一个现象中选取性质的过程，并不会用另外的性质来取代它。因此，根据对具体现象的原型进行抽象化或者理想化而建立起来的模型仍然是忠实于现象本身，并非现象被“理想化”而建立的模型就只适用于理想客体。没有被抽象的现象难以建立科学模型，由此得出“天然的”科学定律势必是面面俱到式的，那是完全难以想象的，也难以遵循科学理论的评价标准。 牛顿第二定律可以表达为抽象的公式F=ma，显然牛顿在寻找它的时候是在对同一类运动现象进行简化与理想化的模型中得到的，那么这种缺少对多种干扰因素的考虑会影响到在个别情况下对力的表达吗?会影响到它的普遍性吗?我们只知道，它美得令人惊叹，它极其简单但同时也不失解释的强度，它尽管不是“天然的”，但却是一个极好的科学定律。 注释： ①大部分的科学哲学家，如新经验主义者认为，模型是为了表征现象从而得到科学定律而建立的，即遵循从现象到模型再到科学定律这样一个顺序；相反，结构主义者认为，模型是科学理论的核心，是为了刻画描述科学定律，使被描述的科学定律与现实现象相符合而建立的，即遵循从科学定律到模型再到现象这样一个顺序。 ②这里对模型的讨论倾向于新经验主义所主张的表征模型。 ③此处暂且不讨论科学定律的本体论基础是否与自然规律相符。