简论迪昂的科学哲学思想

简论迪昂的科学哲学思想   皮埃尔迪昂(Pierre Duhem,1861~1916)是法国著名的科学家(物理学、理论力学、物理化学)、科学史家和科学哲学家 。由于他的虔…

简论迪昂的科学哲学思想

 

皮埃尔迪昂(Pierre Duhem,1861~1916)是法国著名的科学家(物理学、理论力学、物理化学)、科学史家和科学哲学家 。由于他的虔诚的宗教信仰、保守的政治态度、非凡的学术才干、秉直而倔强的个性,他生前受到法国学术界和教育界一些当权人物的排斥与迫害,很不得志。在他死后一段相当长的时间内,他似乎被西方世界“遗忘”了。在我国学术界,人们多年来对他所知无几,甚至连他的名字也以讹传讹了几十年(在《唯物主义和经验批判主义》一书中误译为“杜恒”)。其实,迪昂是科学思想界中的一位十分重要的人物,这一点已为越来越多的人所承认。由于迪昂长期在科学前沿进行创造性的探索,又对科学发展史(尤其是中世纪的科学史)有精湛的研究和独到的见解,这成为他的科学哲学思想的丰富源泉。迪昂的科学哲学思想主要集中在1906年出版的《物理学理论的目的和结构》 一书中。这是现代科学哲学最重要的经典著作之一,其中的许多观点即使在今天看来也还是新鲜的和激动人心的。下面,我想以此书为主,简要论述一下迪昂的科学哲学思想。

 

  一、物理学理论的目的

在迪昂所处的时代,关于物理学理论的目的,存在着两种截然不同的意见。有人认为,物理学理论就其对象而言是解释(说明)在实验上已经确立的一组定律;也有人认为,物理学理论是一种抽象系统,其目的是概括和在逻辑上分类一组实验定律,而不是标榜解释这些定律。

按照迪昂的观点,前一种看法是不正确的。在迪昂看来,解释(explain或explicate,法文是explicate)就是剥去像面纱一样的覆盖在实在上的外观,以便看到赤裸裸的实在本身。但是,观察物理现象并不能使我们进入与隐藏在可感觉的外观之下的实在的关系之中,而只能使我们在特定的和具体的形体中理解可感觉的外观本身。此外,实验定律就其对象而言并不具有物质的实在性,它仅是以抽象的和具体的形式处理这些可感觉的外观。例如,弹奏和吹奏乐器,人们听到或强或弱、或高或低的声音,从而产生了声音感觉和音乐情感。这些特定的和具体的感觉经过我们智力的精心制作,形成了像强度、高音标准、八度音、和音、音色等普遍而抽象的概念。声学实验定律就是阐明这些概念和其他同样抽象而普遍的概念之间的恒定关系。而当物理学理论被看作解释时,那么,在每一个可感觉的外观被剥去,抓住物理实在之前,其目标是达不到的。

这样一来,对于这样两个问题,即“存在与可感觉的外观不同的物质实在吗?”“这样的实在的本性是什么?”在实验方法中没有它们的来源。观察和实验只能得到可感觉的外观及其关系,而无法达到它们背后的实在。对上述两个问题的解答超出了物理学方法所能达到的范围,它们是形而上学的对象。因此,如果物理学理论的目的是解释实验定律,那么理论物理学就不是自主的科学,它就要从属于形而上学。倘若如此,物理学理论就不成其为受到普遍赞同的理论,因为把不同形而上学体系分开的观点就会扩散到物理学领域,从而形成深刻的分歧、尖锐的对立。事实上,形而上学体系并没有给出足够严格或足够详细的工具,从中能够推导出物理学理论的所有元素。因为关于物质真实本性的形而上学所提供的工具经常是否定的。例如,亚里士多德主义者和笛卡儿主义者都否认空虚空间的可能性;牛顿主义者拒不承认不能还原为质点之间作用的力;原子论者和笛卡儿主义者否定任何超距作用等等。当情况否定敌对学派所提出的理论时,它们可以恰当地得到辩护;但是当我们希望推导物理学理论的原理时,它们则不结果了。物理学理论所求助的命题是形而上学无法提供的,从而对于该体系的信徒来说依然是神秘的。无法解释的东西总是形而上学宣称所给出的解释的基础。迪昂的结论是:即使没有形而上学体系也足以构造物理学理论。

迪昂从物理学理论的目的看到了它的真实本性,即物理学 理论不是隶属于形而上学系统的解释,而是从少数原理(假设)演绎出来的数学命题的系统,以便尽可能简单、尽可能完善、尽可能正确地描述一组实验事实。

要形成这样的物理学理论,迪昂认为必须通过以下四个相继的操作来完成。第一,我们选择自认为简单的性质描述我们所要描述的物理性质,其他性质可视为这些简单性质的组合。我们通过合适的测量方法使它们与一组数学符号、数字,大小对应。符号和性质之间没有内在的本质联系,符号只是约定的记号。例如,用摄氏温标测量的温度就是感觉经验所感知的冷暖的约定的、定量的描述。第二,我们选择少量的原理或假设,作为演绎的逻辑前提或理论的基础。它们仅仅是根据方便的需要和逻辑上的一致,把不同种类的符号和数量联系起来的命题,它们并不以任何方式宣称陈述了物体真实性质之间的真实关系。第三,根据数学分析法则把原理或假设结合在一起。理论家计算所依据的数量并非是物理实在,他们所使用的原理也并未陈述这些实在之间的真实关系。对他们的要求是:他们的符号化是可靠的,他们的计算是正确的。第四,由第三种操作所引出的某些结论被“翻译”成物理学术语。也就是说,我们得到关于物体可测量特性、关于定义和测量这些性质的方法的新陈述,这些方法作为一种“词典”,可以帮助我们翻译。现在,这些新命题可以与实验结果进行比较,由它们与实验是否相符,看其是好理论还是坏理论。简而言之,这四个基本的操作也就是:物理量的定义和测量;选择假设;理论的数学展开;理论与实验的比较。

迪昂由此得出结论说,真正的理论不是给物理现象以与实在一致的解释的理论,它是以满意的方式表示一组实验定律的理论。虚假的理论不是试图在与实在相反的假定上建立的解释,它是一组并不与实验定律一致的理论。与实验一致是物理学理论真理性的惟一标准。

关于物理学理论的统一性,迪昂是从两个角度来看待的。首先,他赞同马赫的观点 ,把理论视之为思维经济。他说:用定律代替具体的实验事实达到了经济;当我们的精神把实验定律浓缩为理论时,便是双倍的经济。迪昂从中看到了物理科学进步的道路:实验家不断揭示出迄今未曾料到的、未形成新定律的事实,理论家通过构想更浓缩的表达、更经济的系统,使之有可能容纳这些获得的东西。物理学的发展刺激了“不厌倦提供的自然”和不希望“厌倦想像”的理性之间的持续斗争。其次,迪昂认为,理论不仅仅是实验定律的经济描述,它也是这些定律的分类。实验物理学向我们提供的是一堆杂乱的定律,没有用一种亲族的纽带把它们联结起来,常常是十分偶然的原因或相当表面的类似导致我们把它们汇集在一起。可是,通过把原理与实验定律关联起来的演绎推理,理论便在定律之间建立了秩序和分类。它使某些定律汇集在一起,把它们密切地排列在同一个群中;它通过把其他定律放在离得很远的两个群中,从而把它们分开。这样的分类使知识可以被方便地使用、顺利地应用。迪昂从这种有秩序的分类中洞见到科学美。他说:秩序不论在哪里统治,都因之而产生美。理论不仅给出了物理定律群,而且它声称这些定律更容易运用、更方便、更有用,从而也更美。

这种审美情感并不是达到高级完善程度的理论所产生的惟一反作用,它还能使人们在理论中看到自然分类。迪昂指出,理论变得越完善,我们就越理解,理论使实验定律秩序化的逻辑秩序是本体秩序的反映;我们就越是觉得,它在观察资料中建立的关系对应于事物之间的真实关系;我们就越是感到理论倾向于自然分类,而不是纯粹人为的系统。

理论形成自然分类的引人注目的特征是,理论在实验之先。在这样的理论中,不仅每一个已知的实验定律被假设的推论所表示,而且更重要的是,人们能够从假设中推出不与先前任何已知的实验定律对立的推论,它们描述了可能的实验定律。其中一些涉及到实际能够实现的情况,这些推论特别有趣,因为能够把它们交付事实检验。如果它们严格表示了支配这些事实的实验定律,那么该理论的价值将被扩大,该理论支配的领域将增添新定律。相反地,如果在这些推论中存在一个与事实全然不一致的理论,那么该理论就必须或多或少地受到修正,或者也许要被完全抛弃。

作为纯粹人为的系统的理论对不可见实在之间的真实关系没有任何暗示,这种理论不会进一步预言新定律。而作为自然分类的理论表示了事物之间深刻的真实的关系,它的推论在经验之先,并能激起新定律的发现。由此可见,自然分类这一特征是由在还没有被发现的实验定律之先的理论的多产性标志的,这增强了我们的下述信念:我们的理性在抽象的概念中建立起来的`关系对应于事物之间的关系。迪昂关于越完善的理论越倾向于自然分类的思想是颇有启发性的。

由于自然分类在各种实验定律之间建立了一种作为真实秩序的图像和反映的逻辑协调,从而把脱离我们的实在组织起来,构成能够启发新发现的、富有成效的理论。因此,迪昂认为物理学理论的目的就是变成自然分类。

迪昂考察了已有的物理学理论以及往昔的物理学家关于物理学理论本性的观点,他辨认出它们实际上是由两个不同的部分构成的:其一是描述部分,它是为分类定律而提出的;其二是解释部分,它是为把握潜藏在现象深处的实在而提出的。有人认为,解释部分是描述部分存在的根据,是描述部分成长的种子或是养育它发展的根。迪昂强调指出,这种看法大错特错了。实际上,这两个部分之间的联系几乎总是十分脆弱和十分人为的。描述部分就其自身而言,是由于理论物理学的合适的、自主的方法发展的;而解释部分则像寄生物一样附着在这种充分形成的有机体(描述部分)上。

迪昂进而指出,理论具有的功能和多产性,并不归因子解释部分,理论中的每一种好东西(如理论在实验之先的功能)都能在描述部分中找到。这一切都是在物理学家忘记探索解释的情况下发生的。另一方面,虚假的、与事实矛盾的东西尤其可以在解释部分找到;物理学家把错误引入其中,这是由于他希望把握实在而引起的。迪昂洞察到,当实验物理学进步到与一种理论对立并迫使理论修正或变换时,纯粹描述部分几乎全部进入新理论中,并把旧理论固有的全部有价值的东西带进新理论,而解释部分则被抛弃了,以便给另外的解释开辟道路。迪昂由此得出一个重要的结论:这种连续的传统保证了理论的生命的永恒和科学的进步。迪昂通过对物理学理论目的考察,不仅为物理学家的活动划定了范围,避免他们在思辨的形而上学问题上纠缠,而且也恰当地说明了理论更替的连续性和科学进步的大趋势。与库恩的“范式不可通约”和否认“科学进步”的观点相比,也许更为可取一些。问题在于,每一个具有探索精神的科学家也都具有求根溯源的本性,“画地为牢”能否使他们“安分守己”?形而上学不仅侵入到科学家的研究纲领之中(在许多情况下还是有成果的),而且也融入理论的“硬核”之中,能否人为地把它分离出去?最绝妙的途径也许是:既接受形而上学的启迪,又不墨守形而上学的教条。当然,这不是一般人所容易做到的。但是,善于在对立的两极保持必要的张力的科学家却具有这种高超的本领 。

迪昂还谈到抽象理论和力学模型,并把欧洲大陆的和英国的物理学家的思维方式和方法进行了有趣的比较。在迪昂看来,任何物理学理论的构成都源于抽象和概括这两方面的工作。首先,精神分析大量具体的、不同的、复杂的、特殊的事实,并用定律(即把抽象概念连结在一起的一般命题)概述什么对事实来说是共同的和根本的。其次,精神考虑整个定律群;它用极为少数的、与某些十分抽象的观念有关的极其普遍的判断代替这个定律群;它选择一些初始性质并以下述方式形成基本假设:属于所研究的群的所有定律都能够通过演绎法推导出来,演绎也许是冗长的,但却是十分可靠的。基本假设和可以演绎出的推论的系统,抽象、概括和演绎的工作在我们的定义中就构成了物理学理论,这就是所谓的抽象理论。

欧洲大陆物理学家偏爱这种理论。他们的理论不管是解释的还是纯描述的,都是按照严格的逻辑法则构造的体系。作为不畏惧深奥的抽象和冗长的演绎,主要渴求秩序和明晰的理性的产物,他们的理论要求无缺点的方法贯彻始终。这种体系把若干十分清楚的公设(原理、假设)看作是其基础,并力图建立一个像欧几里得几何学那样极其严格的和有逻辑性的结构,每一个实验定律都能确切地容纳在这个结构内。这种理论的统一和各部分之间的逻辑联系,是下述观念自然而必然的结果:思想的力量加于物理学理论,动摇这种统一和打破这种联系就是违背了逻辑原则或犯了错误。

对于英国学派的物理学家来说,情况根本不是这样。例如,开耳芬勋爵就这样宣称:“我的目标就是要证明,如何建造一个力学模型。这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中都将满足所要求的条件。”“在我未能给一种事物建立起一个力学模型之前,我是永远也不会满足的。如果我能够建立起一个力学模型,我就能理解它。只要我不能建立起力学模型,我无论如何也无法理解它。” 开耳芬的话代表了英国物理学家的典型观点:理解一个物理现象与模拟该现象设计一个力学模型是一回事;从而,实物的本性必须通过设想的机械来理解,它的运行将显示和模拟出物体的性质。

这样一来,在英国物理学家的眼中,理论既不是解释,也不是物理定律的合理分类,而是这些定律的模型,这种模型不是为满足理性而建立的,而是为偏爱形象而建立起来的。因而,它摆脱了逻辑的统治。正是英国物理学家构造一种模型描述一群定律,构造另一种完全不同的模型描述另一群定律,而不管某些定律对于两个群是共同的事实。对拉普拉斯(法国)和安培(德国)之类的学者来说,给同一定律以两种不同的理论解释,并坚持两个解释同样可靠,这是荒谬的。对于开耳芬和麦克斯韦学派的物理学家来说,对同一定律用两种不同的模型来描述,这并不矛盾。而且,这样引入科学中的解释根本没有震动英国人,反而认为它增添了额外的变化魅力。英国人的想像强有力,但却不像欧洲大陆人那样渴求秩序和简单性,缺乏构成抽象和概括的理论的方法。迪昂在另一处也讨论了抽象思想者和形象思想者的两种不同类型思维的特征及差异 。迪昂还进一步对力学模型方法作了分析和评价。他强调不要把类比方法与模型的使用混淆起来。物理学史向我们表明,探求不同范畴现象之间的类似,也许是构造物理学理论全部程序中最可靠和最有效的方法。物理学中的类比方法正是这样的方法,但它的利用常常使用更精确的形式,即代数方程等价。这种代数方程的对应是无限有价值的东西,它不仅引起思维经济,而且由于它容许人们把构造另一种理论的所有代数工具转移到一个理论中,也构成了发现的方法。类比在于把两个抽象的体系汇集在一起;无论已知它们中的哪一个,都有助于我们猜测另一个未知的;或者两个在都得到系统阐述时,它们互相都明晰了。在这里没有使最严格的逻辑学家惊讶的东西。力学模型虽然能够在发现的道路上引导某些物理学家,它还能导致其他发现,但是,至少可以肯定,它没有引起物理学的进步,倾入到我们大量知识中的份额似乎是相对贫乏的。事实上,开耳芬利用力学模型作为一种发现工具远不如作为一种说明方法。

  二、物理学理论的结构

迪昂还就物理学的结构进行了比较详细的分析,他依次讨论了物理学中的量与质、事实、实验、定律、理论和实验的关系、假设的选择等问题。

迪昂认为,为了使在物体中所发现的一个属性可以用数字符号来描述,用亚里士多德的语言来说,其充要条件是这个属性属于量的范畴而不是属于质的范畴;用比较容易接受的现代几何学的语言来讲,其充要条件是这个属性是一个数量。任何属于量的范畴的属性的基本特征是:量的数量的每一个状态总是可以借助于同一量的另外的较小状态的相加而形成;通过比第一个量小但与它同类的量的交换和结合操作,每一个量都是一个联合,它们是它的部分。

每一个不是量的属性即是质,起源于相加思想的测量不能对付质。但是,正如量不仅仅是用抽象的数确定的。而是由与它的标准的知识相关联来确定一样,质的强度也不完全是由数字符号表示的,而必须把适合于得到这些强度尺度的具体程序与这一符号联系起来。当然,作为一种质的不同强度标准的尺度,总是作为它的原因的具有这种质的一些量的结果。值得注意的是,迪昂在这里还提出了原质(primary qualities)的概念。所谓原质,就是在科学发展的一定时期不能再分解、再简约的质。原质不是永恒的,而是暂时的。今天不能还原为其他物理性质的质,明天也许将不再是独立的,也许物理学的进步将使我们在原质中辨认出性质的结合。为了给出一组尽可能简单的物理定律的描述,为了达到最完善的思维经济,在构造理论时,应该使用原始的概念或原质。显然,迪昂关于量和质的规定,是他形成物理学理论四个操作的头一步,即物理量的选取和测量。

迪昂把事实分为理论事实和实用事实。理论事实即一组数学资料,在理论家进行推理和计算时用它宋代替具体事实。在理论事实中,不存在模糊和不确定性,一切都是以精确的方式决定的。例如,温度以某种方式分布在某一物体。这里的物体是按几何学定义给出的;该物体每一点都有一个对应的温度;这温度对每一点而言都是一个数,它不与其他任何数相混。与理论事实相对的是实用事实,前者是通过后者翻译而成的。在这里看不到刚刚宣称的任何确定性了。物体是具体的块料;温度不是每一点的,而是某一体积内的平均温度;温度也不是某一严格的数,而是不超出某一范围。迪昂关于实用事实和理论事实的论述,使我们想起他的同胞彭加勒关于未加工的事实和科学事实的划分及观点 。

关于实验,迪昂认为,物理学实验是精确地观察现象,并伴随着对这些现象的解释;这种解释用抽象的符号描述代替通过观察实际收集到的具体资料,前者借助于观察者所承认的理论与后者对应。物理学实验的结果决不是知觉一组具体的事实,而是形成把某些抽象的、符号的观念相互联系起来的判断。迪昂注意到,抽象的符号和具体事实之间可以有对应,但不是完全的对称;抽象的符号不能恰如其分地描述具体的事实,具体事实也不是抽象符号的严格体现。因此,一个理论事实可以被翻译成大量完全不同的实用事实;一个实用事实对应于大量的不相关的理论事实。这一双重的观察表明,在实验过程中实际观察到的现象和物理学家所形成的结果之间插入了一个十分复杂的智力精制品。迪昂还看到,这种智力操作不仅体现在实验结果所获得的形式中,它在实验者使用的工具中也明确地显示出来,因为惟有现象的理论解释使仪器的使用成为可能。

至于物理学定律,迪昂认为它是符号的关系。正如常识规律是人借助于天然的工具对事实进行的观察为基础一样,物理学定律也是如此基于物理实验的结果。物理学定律对于实在的应用,需要知道或接受整个一组定律。常识的规律仅仅是一般的判断,如太阳从东方升起这一判断,它或者为真,或者为假。但是,物理学定律是近似的,对于严格的逻辑学家来说,它不能或者为真,或者为假。正由于任何近似的物理学定律都会随实验精度的增加而提高近似度,因而定律本质上是暂定的。对定律的价值的估计因不同的物理学家而异,取决于他们各自的观察工具和他们研究所要求的精度,因而定律本质上是相对的。而且,总是存在着一些情况,使得通过定律关联起来的符号不能够以满意的方式描述实在,这又是物理学定律是暂定的一个原因。

关于物理学理论和实验的关系,迪昂提出了一些有影响的见解。首先,他提出理论的实验检验在物理学中并不具有逻辑简单性。这是因为,不可能将想要检验的理论放在实验室的门外,没有理论就不可能调节任何一个仪器,或者解释任何一个读数。在物理学家的心目中,不断地出现着两种系统:一种是由他操作的玻璃和金属的具体系统,另一种是理论用以代替具体系统的公式的抽象系统,物理学家正是根据后一种系统进行推理的。于是,人们根本就不可能割断物理理论与检验这些理论的恰当的实验程序之间的联系,这一事实以独特的方式使得这种检验变得复杂了,并且使人们不得不仔细地考虑它的逻辑意义。

其次,迪昂揭示出,一个物理学实验决不能否决一个孤立的假设,而只能否决一组完整的理论。其理由在于:一个物理学家决定证明一个命题的不正确性时,为了从这一命题推演出对一种现象的预测并进行实验以表明这个现象是否会产生,为了解释这个实验的结果并确认被预测现象没有产生,他并不仅仅限于运用被讨论的命题,他还运用他认为是毫无疑问而接受的一整套理论。因此,导致有争议的预测不仅仅是从遭到诘难的命题而来的,而是从这一命题加上那一整套理论而来的。如果预测的现象未出现,不仅被讨论的那个命题有毛病,而且物理学家所运用的整个理论的构架都有毛病。实验告诉我们的仅仅是,在被用于预测那个现象并确定它是否出现的那些命题中,至少有一个错误;但是,这个错误在哪里,它却恰恰没有告诉我们。物理学家可能会宣布,这错误正好包含在他想要反驳的那个命题中,但他能肯定这个错误不在另一个题中吗?如果他能肯定这一点,他就隐含地接受丁他所运用的所有其他命题的正确性,他的结论的有效性无非是他的信念有效性。这样一来,物理学家决不能使一个孤立的假设、而只能使一整组假设接受实验检验。当实验与他们的预测不一致时,他所知道的是,这组假设中至少有一个是不可接受的,应该加以修改;然而,实验并不指明哪一个应被修改。因此,判决性实验在物理学中是不可能的。判决性实验只能说明整个理论是否要修改,至于要修改哪一个假设,纯逻辑是无能为力的,这里需要的是物理学家的洞见(good sense)。那些并非来自逻辑而又引导人们选择的动机,那些“理智所不知道的理由”,那些对充分的“直觉的心灵”而非“几何学的心灵”而言的理由,就构成了所谓的名副其实的洞见。

关于假设的选择,迪昂讨论了逻辑强加在假设选择上的条件。逻辑既不要求我们的假设是某种宇宙论系统的结果,或者至少它们与这个系统的结果一致,也不要求我们的假设仅仅是由归纳概括的实验定律,逻辑不能提出这些不能满足的要求。逻辑强加于作为物理学理论的基础的假设有三个选择条件:首先,假设不是自相矛盾的命题;其次,支撑物理学的不同假设不能互相矛盾;最后,假设将以这样的方式选择,由此出发,作为一个整体的数学演绎能够推出以足够的近似度描述整个实验定律的结果。只要理论家尊重这三个条件,他就享有完全的自由,他可以以他乐意的任何方式为他将要构造的理论体系打下基础。在迪昂看来,物理学有两个源泉:其一是常识的确定性,其二是数学演绎的明晰性。但是,假设却不能够从常识提供的公理中演绎出来。假设不是突然创造的产物,而是逐渐进化的结果。假设的提出和选择缺乏任何指导或法则。在从经验事实到假设之间没有逻辑通道这一点上,迪昂的观点与彭加勒和爱因斯坦的观点有共同之处。

  参考文献

关于迪昂的生平、思想和工作,有兴趣的读者可参阅D. G. Miller, Ignored Intellect Pierre Duhem, Physics Today, No.12, 1966, pp. 47~53.

P. Duhem, The Aim and Structure of Physical Theory, Translated by Philip P. Winner, Princeton University Press, U. S. A., 1954.

E.Mach, The Science of Mechanics, a Critical and Historical Account of Its Development, Translated by T. J. McCormack, Open Court Publishing Company, U.S.A. 1960, Chapter Ⅳ, SectionⅣ.

李醒民:善于在对立的两极保持必要的张力——一种卓有成效的科学认识论和方法论准则,北京:《中国社会科学》,1986年第4期(总第40期), 第143~156页。

W. Thommn, Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light, Baltimore:Johns Hopkins University, 1884, pp. 131, 270.

P. Duhem, The Evolution of Mechanics, Translated by Michael Cole & Noordhoff , Maryland, U. S. A., 1980, p. 97.

昂利彭加勒:《科学的价值》,李醒民译,北京:光明日报出版社,1988年第1版,第313–322页。

 

作者: 免费论文网

为您推荐

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

返回顶部