书城自然西方科技十二讲
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第43章 理论、思想、方法与精神:科学技术的杰出人才(2)

是这样。下面我举第三个例子,这就是德国著名物理学家普朗克在20世纪初提出“能量子”概念。我们知道,19世纪末之前,经典物理学家都持有这样一种科学思想,即认为自然界在总体上是连续的,因此物理学家认为整个自然界充满着连续形态的电磁场;一个物理系统从一种状态过渡到另一种状态时是连续的,宇宙中能量的释放或吸收也是连续的。但这种自然观以及与之相应的经典物理学理论却无法正确解释“黑体辐射问题”。用经典理论导出的表示黑体热辐射的两个公式,即维恩公式和瑞利—金斯公式与黑体辐射的实验结果并不相符。于是经典物理学陷入了危机。

1900年,物理学家普朗克解开了这个危机的症结。

他根据黑体辐射实验的结果导出了新的热辐射公式。根据这个新的公式,振子只能包含分立的能量,即如果振子的振动频率为,那么它的能量只能是h的整数倍,其中h是常数,因此h是振子能量的最小单位。这就是说,能量的吸收和释放并不是连续的,而是间断的、离散的,能量是一分一分地被吸收或释放的。普朗克关于能量的吸收与释放是间断的观念,在当时只不过是依据实验而提出的一种新的想法,而不是一种理论系统。但这种思想为而后的量子力学提供了核心思想,量子力学就是依据这种核心思想历经了26年时间由许多第一流的物理学家逐步建立起来的。普朗克观点的这种变化与其说是物理学理论上的变化,还不如说是科学思想观念的变化,即自然界总体上是一种连续的图景的经典看法,更替为认定自然界是一种间断的图景。甚至普朗克本人也意识到他这种新观念已触动了原来对自然界所作描述的基础,有朝一日这种传统认识的基础将转移到一个新的、现在还不知道的位置上去。量子力学的产生和发普朗克展,与普朗克的预感是一致的。因此可以说,在解决黑体辐射问题过程中,物理学家的科学思想的变化和更替,有助于物理学历史的重大转变——量子力学的产生。

这个例子说明,在科学思想与科学发现的关系问题上,特别重要的是,当科学家头脑中新旧科学思想发生更替时,往往会导致科学理论发现的重大突破,导致新理论的产生。

是这样。与普朗克类似,许多杰出的科学家科学思想的特点是,成熟过程很长,并且经常走向反面。例如,在生物学界林奈最初极力主张物种是不变的、恒定的,但是他在晚年提出了由杂交而产生物种的理论。拉马克在55岁以前,一直相信物种是不变的,后来他接受了进化观念,在随后的15至20年间,逐渐从直线进化观念达到了树状进化观念。伦施、萨姆纳和迈尔在年轻的时候是拉马克主义者,但是后来完全接受了选择主义的思想。事实上,某些伟大科学家往往非常频繁地、非常深刻地改变他们的科学思想。如果我们不理解思想家思想中的经常变化,就不能了解他一生中所受的影响。在科学家中,从科学生涯的开始到最后,主要思想从来没有发生变化的人,大概是极少数。

这说明,杰出的科学人才在自己的学术生涯中,要不断地关注科学思想及其变化。

下面我举第四个例子,它涉及科学解释与科学思想的关联性。科学解释是用科学理论去说明自然现象的过程。科学理论总是把现象阐释为藏在这些现象之后或之下的某些实体和过程的呈现。这些实体和过程被认为受着独特的理论定律或理论原理的支配,而理论就是用这些定律和原理来说明业已发现的经验上的统一性,并且通常还预言“新的”同类的规则性。因此,理论所假定的现象背后存在的那些基本实体与过程,就成为科学解释的基础和前提。而人们在进行科学解释时,首先必须将有关的自然现象还原为理论所假定的有关实体和实体所在的过程,否则便无法用理论来解释自然现象。

例如,现在人们在解释木炭在一定温度下的空气中燃烧时,应用了化学中的氧化反应理论。但在用这个理论去解释木炭燃烧现象之前,首先得说明木炭是由碳原子组成,空气中含有大量氧分子。也就是说,首先得将木炭“还原”为碳原子,将空气“还原”为氧分子这种客体,然后才能用化学理论中碳原子和氧分子在一定温度条件下会发生氧化反应,并释放出大量能量和二氧化碳来说明木炭燃烧的自然现象。显然,在这儿将木炭和空气这种自然现象中可感知的物体还原为理论中所假定的碳原子和氧分子这两种“实体”及其氧化的“过程”是至关重要的。

理论中的这些基本实体与过程又是如何确定的呢?确定这种基本实体与过程的背景知识或依据又是什么呢?这是科学解释的一个根本性问题。其实,确定这种基本实体与过程的背景知识就是科学思想。科学思想为科学理论作了本体论上的规定,它告诉科学家宇宙中存在着什么样的实体。而不同的科学思想对同一自然现象,它们会将其还原为不同的实体和过程,于是就出现了历史上解释同一自然现象,会用不同的理论和方式。例如,一个人手上拿一支粉笔,如果他将手一松,粉笔就会坠落在地上。那么粉笔为什么是向下坠落而不是向上飘浮呢?为解释这个自然现象,在古希腊人们是首先按照亚里士多德科学思想将粉笔还原为“土”

这样的实体,然后按照亚里士多德的物理学理论去这样解释:人手一松,粉笔就不受力,于是它就作天然运动,而天然运动是趋向它天然位置的运动,由于土的天然位置在地心,故粉笔就往下坠落。为解释这个自然现象,在近代人们是首先按照牛顿的科学思想将粉笔还原为由微粒组成的“质点”,将人所站的地球也还原为由微粒所组成的“质点”;然后按照牛顿力学的理论去这样解释:由于微粒和微粒之间有吸引力,因此这两个质点之间就存在着一个万有引力,当人手一松的时候,由于这个万有引力的作用粉笔就作向下的自由落体运动。可见,不同的科学思想会将同一个自然现象还原为不同的实体,然后让人们用不同的理论去解释它。

人们以往常常认为,科学解释只是与科学知识和逻辑推理有关,不会再与科学思想有什么纠葛,经您这么一讲,从历史比较的角度来看,科学解释与科学思想也有一定的关联性。

是这样。下面我举第五个例子,它涉及到科学思想与对科学方法辩护的关联性。科学研究中当然要使用各种方法,对使用的各种具体方法的精确性和有效性的探讨,是科学方法论需要解决的问题。这个问题是逻辑学和一般哲学所探讨的,一般哲学和逻辑学正是通过这种途径介入自然科学研究活动中去的。于是人们似乎认为,科学研究中的方法论与科学思想无直接关系。其实这种看法是片面的。因为科学方法除了有其精确性和有效性的问题外,尚有一个使用的“合理性”问题,而这个问题的解决也需求助于科学思想。

从科学史看,一个科学家所持的科学思想对其在科学研究活动中采取什么样的方法,常常有一定的启发作用。例如,17世纪许多著名的科学家如伽利略、笛卡儿等人,都信仰古希腊毕达哥拉斯的“万物皆数”的科学思想命题,相信自然界是简单而有秩序的,而这种秩序就是满足数学规律,这就是相信自然界是用数学设计的。因此他们进一步认为,在认识自然界的活动中,只有通过使用数学方法才能认识自然现象。伽利略曾说,自然“是写在那本永远在我们眼前的伟大书本里的——我指的是宇宙,但是,我们如果不先学会书里所用的语言,掌握书里的符号,就不能了解它。这书是用数学语言写出的,符号是三角形,圆形和别的几何图形。没有它们的帮助,是连一个字也不会认识的;没有它们,人就在一个黑暗的迷宫里劳而无功地游荡着。”又譬如,在地质学研究过程中,为了回答地球上岩石的成因问题,人们必须研究历史上地球的地质变化,但这种变化早已时过境迁,人们既无法观察又无法实验,那么人们是否就因此对这个问题束手无策了呢?地质学家赫顿和赖尔认为,可以采用“将今论古”的方法来研究这个问题,即从现在还在起作用的地质现象出发,往前追溯而上,以解释地球上过去的变化和发展。并由此建立了地球“均变说”的理论。

那么赫顿和赖尔为什么认为可以使用将今论古的方法呢?使用这个方法的合理性又是什么呢?原来他们是主张“古今地质作用一致”的命题的,即认为整个自然界的作用力量守恒,因此以前作用的地质力量与现在作用的地质力量一直是一样的。这显然是一个科学思想的命题。既然“古今地质作用一致”,所以用将今论古的方法研究时过境迁的地质变化便完全顺理成章了。

荫“万物皆数”和“古今地质作用一致”,确实不是科学理论层面上的命题,它们是科学思想的命题,您的例子有说服力。

下面我举第六个例子,它涉及到科学思想与科学理论的关联性。美国生物学家E·迈尔说过,我们常常看到,不同的科学家从相同的事实中可以得出完全不同的,有时甚至是截然相反的结论。怎么会是这样的呢?显然是这些科学家在科学思想观念上的尖锐不同产生了赖尔这种互相背谬的解释。例如关于同一生物进化的事实——长颈鹿从羚羊进化而来,法国生物学家拉马克和达尔文的理论就不同,其原因是他们在科学思想上的不同所致。

拉马克受近代牛顿决定论思想的影响,他在1802年提出关于生物进化的“用进废退”和“获得性遗传”学说。

其理论以长颈鹿从羚羊进化而来为例,可以这样形象地表述:长颈鹿的祖先是羚羊,它们的头颈原来是短的,由于当时它们生活在食物贫乏的环境里,当较矮的树的叶子被吃光之后,它们必须伸长头颈来吃高树上的叶子,由于“用进”,因此头颈便稍稍长长一点儿,这种性状于是便被传给了后代,即获得性遗传。后代又在相似的环境中,同样地需要把头颈伸得长一点儿,来吃更高树上的叶子,这又使子代个体的头颈长长一点儿,这样一代代下去,长头颈的遗传特性继续加强,它们的头颈逐步增长,终于成为现代的长颈鹿。