《科学究竟是什么》

 

第六章、证伪主义的局限性

 


1.观察对理论的依赖性和证伪的易缪性

朴素证伪主义者认为,科学活动所涉及的应该是以证明与某一理论相悖的观察陈述为真来证明这一理论为伪的努力。更精致的证伪主义者则认识到这种观点之不当,并且承认,推测性理论之确证就象众所公认的理论之证伪一样具有同等的重要意义。但是两种证伪主义者的共同点是,他们都认为,确证和证伪的地位有重要的质的区别。理论能够根据适宜的证据而被一劳永逸地证明为伪,却绝不可能由于无论什么样的证据而被证明为真。理论之被接受总是尝试性的。理论之被摈弃却可以是决定性的。这就是使得证伪主义者能够获得证伪主义者这一称号的因素。

由于观察陈述依赖于理论并且是易谬的,证伪主义者的论断遭到了严重的损害。只要想到证伪主义者为了支持其观点而引用的逻辑论点,这种情况就立刻可以看得十分清楚。如果取得的观察陈述为真,那末,就有可能按照逻辑从这些观察陈述中推论出某种全称陈述为假,虽然不可能从这些结果中推论出任何全称陈述为真。这一点是毫无例外的,但又是有条件的,其前提是假定可以获得完全可靠的观察陈述。但是,正如在第三章详细论证的,这样的陈述不可能获得。一切的观察陈述都是易谬的。因此,如果形成某种理论或某种理论组成部分的某一或一组全称陈述和某种观察陈述相抵触时,错误的也可能是观察陈述。当理论和观察发生冲突时,并没有这样的逻辑规定:应该被摈弃的一定是理论。很可能被摈弃的是易谬的观察,而被保留的倒是与观察相抵触的易谬的理论。当哥白尼的理论与对于金星的肉眼观测发生矛盾时的情况恰恰就是如此,哥白尼的理论被保留下来,而关于金星在全年的过程中大小并无可看到的变化的肉眼观测结果则被摈弃了。与月球有关的一个例子也是如此,被保留的是现代对于月球轨道的描述,被摈弃的则是关于月球在接近地平线时要比它在高空时大得多这样一个事实的观察陈述,这种陈述被认为是某种幻觉的结果,尽管对于引起这种幻觉的原因并不十分清楚。科学中充满了在理论与观察相抵触时保留理论而抛弃观察陈述的例子。不论什么陈述看上去可能是以多么可靠的观察为其依据的,也不能排除新的理论上的进展会揭露出这种陈述有欠妥当的可能性。所以,要直截了当、一劳永逸地证明某种理论为假是办不到的。

 

2.波普尔的不适当的辩护

从一九三四年第一次发表他的德文版《科学发现的逻辑》一书起,波普尔就意识到了第1节所讨论的问题。在那本书题为“经验基础的问题”的第5章里,他对观察和观察陈述提出了一种解释,这种解释考虑到了确实可靠的观察陈述并不能通过感性知觉直接获得这样一个事实。在这一节里,我将首先扼要地介绍一下他的解释,然后再论证,这种解释并不能保护证伪主义者免受第1节所提出的那些责难。

波普尔的论点强调公共的观察陈述和个别观察者私人的知觉经验之间的重大区别。私人的知觉经验,在某种意义上是个别人在从事观察时“获得的”,但是,不能从那些私人经验(这种经验取决于每一个别的观察者所特有的因素,诸如期望以前的知识等等)直接产生出用来描述所观察情况的观察陈述。以某种公共的语言加以表述的观察陈述,是可以检验的,并且允许加以修改或是加以摈弃。个别的观察者可以接受也可以不接受某一特定的观察陈述。他们对问题的决定部分是在有关的知觉经验的推动下作出的,但是任何个人的知觉经验都不足以确立某一观察陈述的有效性。一个观察者可以根据某种知觉而接受某种观察陈述,而这种观察陈述仍然可能是错误的。

这些论点可以用下述例子来加以阐明。“通过望远镜可以看到木星的卫星”和“火星是方形的并且有着浓重的色彩”都是公共的观察陈述。前者很可能是伽利略或是他的某个支持者所宣布的,后者则记录在开普勒的笔记中。它们全都是公共的,也就是说,任何人只要有机会都可以对这两种说法表示赞同或是加以批判。促使伽利略派决定捍卫前者的是他们对木星的望远镜观察以及与此相伴随的知觉经验,而开普勒之所以决定把后者记录下来,所根据的也是在他把望远镜对准火星时所获得的知觉经验。两项观测陈述都是可检验的。反对伽利略的人们坚决认为,被伽利略解释为木星的卫星的那些斑点是由于望远镜的性能不良而产生的像差。伽利略在为看到的是木星卫星的主张进行辩护时论证说,如果那些卫星是像差,那么这些卫星就应该也在其他行星的附近出现。公开的辩论继续进行,而在这个特定的场合,当望远镜有了改进和光学理论有了发展时,关于木星卫星的观察陈述终于经住了针对它的批评而存留下来了。大多数的科学家终于决定接受这个陈述。与此对照的是开普勒关于火星的形状和颜色的陈述却未能经得起批判和检验。不久,科学界就决定摈弃他的陈述。

波普尔对观察陈述所持看法的要点是,它们的可接受性要以它们经受得起检验的能力来衡量。凡是经不起尔后检验的就该被摈弃,凡是经受住所有的检验而仍然幸存的则暂时被保留下来。至少是在他早期的著作中,波普尔强调个别人或个别人群在接受或摈弃我称之为观察陈述而波普尔称之为“基本陈述”问题上的决定作用,例如他写道:“基本陈述是作为决定或同意的结果而被接受的,就此而言它们是一些约定”,1他又说:

任何经验的科学陈述都可以用这样一种方式来加以表述(通过对于实验安排之类的描述),即任何一个学会了有关技术的人,都可以对它进行检验。因此,如果他否定这个陈述,而仅仅把他怀疑或确信他的知觉的全部感觉告诉我们是不能令人满意的。他必须做的是明确阐述他和我们不同的主张,并且向我们说明怎样检验他的主张。如果他做不到这一点,我们就只能请他对我们的实验再仔细地看一看、想一想。”【2

波普尔对于个别人有意识决定的强调所带来的主观因素,在某种程度上是与他后来坚持的关于科学是“一个没有主体的过程”相抵触的。关于这个问题,在以后的几章里还要加以充分的讨论。在目前,我宁愿以一种主观成分较小的方式来重新阐述波普尔对观察陈述的看法。那就是:一个观察陈述,只要能经得起科学发展特定阶段科学发展状况所可能作出的一切检验,在科学发展的那个阶段,就可尝试性地加以接受。

根据波普尔的观点,形成借以评价某种科学理论价值的那种基础的观察陈述本身就是易谬的。波普尔用一个生动的比喻强调了这一点。

“客观科学的经验基础因而并不是绝对的。科学并不建立在坚固的岩床上。可以说大胆的科学理论结构是建立在沼泽之上的。它就象是建立在木桩上的建筑物。那些木桩由上而下地打在沼泽里,但是并没有达到任何天然的或‘确定的’基础;如果我们不再把这些木桩打得更深一些,并不是因为我们已经达到了坚实的沼泽底。我们停下手来,仅仅因为我们由于这些桩子已经牢固得足以承受,至少是暂时地足以承受那个结构而感到满意。"3

但是从根本上动摇了证伪主义立场的,恰恰就是观察陈述是易谬的、这种陈述之被接受是尝试性的、而且允许加以修改这样一种事实。理论不可能定论性地被证伪,因为形成证伪基础的观察陈述本身也有可能由于后来的发展而被证明为伪。哥白尼时代所能获得的知识不允许对那种看起来金星和火星的大小大体保持不变的观察进行有效的批判,因此,哥白尼的理论也就可以被恰如其分地认为已被那种观察证伪。一百年以后那种证伪又可由于光学上的新发展而被否定。

定论性的证份是不可能出现的,因为缺乏可以充当这种证伪所依据的完全可靠的观察陈述。

3.实际检验情况的复杂性

“凡天鹅皆白”这种说法,只要有一只天鹅并非白色的实例得以成立,就肯定会被证伪。但是,对于象这样的证伪逻辑的简化说明却掩盖了任何实际检验情况都有的复杂性给证伪主义造成的严重困难。构成一种现实的科学理论的,往往并不是象“凡天鹅皆白”这样一种单一的陈述,而是一种全称陈述的复合体。而且如果理论是用实验来检验的,那末,在构成受检验理论的那些陈述以外还有更多的陈述。这样的理论还会由于辅助性的假定,例如,由于附加上规定所用仪器使用方法的定律和理论之类而扩大。而且,为了要推导出某种其正确性有待于实验检验的预见,还有必要再加上象实验装置说明之类的初始条件。例如,假定有一个天文学理论要通过用望远镜观测某一行星的位置来加以检验。这一理论就必须预言望远镜在某一规定时间观察到这一行星所必须采取的方位。据以推导出这种预测的前提将包括:构成受检验理论的相互联系的陈述,诸如这一行星和太阳以前的位置之类的初始条件,象那些使得人们可以对来自这一行星的光通过地球大气层时所发生的折射加以矫正那样的辅助性假定,如此等等。而如果根据这些前提的复杂综合体所推导出来的预见被证明为假(就我们所举的例子而言,如果那颗行星不出现在预测的方位上),那末,这种情况的逻辑所能允许我们作出的结论只是至少有一项前提必定是错误的。但是逻辑并不能帮助我们识别错误的前提。错误的可能是被检验的理论本身,但是要对不正确的预见负责的,也可能是某一项辅助性假定或初始条件描述的某一部分。一项理论之所以不能被一劳永逸地证伪,是因为不能排除这样一种可能性,即应该对错误的预见负责的,并不是受检验的理论,而是复杂的检验情况的某一部分。

以下是天文学历史上可以说明这种情况的一些实例。

在前面引用过的一个例子里,我们讨论了牛顿的理论是怎样明显遭到天王星轨道的驳斥。就这一实例而言,后来证明,错误的不是牛顿的理论,而是对于初始条件的描述没有考虑到尚待发现的海王星。第二个例子,是哥白尼的理论首次发表以后几十年,丹麦天文学家第谷·布拉赫声称已经驳倒这种理论时所持的论点。布拉赫争辩道,如果地球围绕太阳旋转,那末,在地球从太阳的一侧运动到另一侧的一年过程中,从地球上观察到的某一恒星的方位就应该发生相应的变动。但是当布拉赫试图用他的仪器(当时最精确、最灵敏的仪器)检测他所预期的视差时,他未能观察到那种现象。布拉赫由此作出结论,宣布哥白尼的理论是错误的。事后我们知道,引起了错误预见的并不是哥白尼的理论,而是布拉赫的一项辅助性假定。布拉赫对于恒星的距离的估算太小,比实际小了许多倍。当他的估算被一个更接近于实际的估算所代替之后,预测到的视差就变得太小而难以为布拉赫的仪器所检测到了。

第三个是伊姆雷·拉卡托斯虚构的一个假想的例子:

“这是一个关于一起假想的行星行为异常的故事。有一位爱因斯坦时代以前的物理学家根据牛顿的力学和万有引力定律N,和公认的初始条件I,去计算新发现的一颗小行星P的轨道。但是那颗行星偏离了计算轨道。我们这位牛顿派的物理学家是否认为这种偏离是为牛顿的理论所不允许的,因而一旦成立也就必然否定了理论N呢?不。他提出,必定有一颗迄今未知的行星P’在干扰着P的轨道。他计算了这颗假设的行星的质量、轨道及其他,然后请一位实验天文学家检验他的这一假说。而这颗行星P’大小,甚至用可能得到的最大的望远镜也不能观察到它:于是这位实验天文学家申请一笔拨款来建成一台更大的望远镜。经过了三年,新的望远镜建成了。如果这颗未知的行星P’终于被发现,一定会被当作是牛顿派科学的新胜利而受到欢呼。但是它并没有被发现。我们的科学家是否因此而放弃牛顿的理论和他自己关于有一颗在起着干扰作用的行星的想法了呢?不,他又提出,是一团宇宙尘云挡住了那颗行星,使我们不能发现它。他计算了这团尘云的位置和特性,他又请求拨一笔研究经费把一颗人造卫星送入太空去检验他的计算。结果卫星上的仪器(很可能是根据某种未经充分检验的理论制造的新式仪器),终于记录到了那一团猜测中的宇宙尘云的存在,其结果一定会被当作牛顿派科学的杰出成就而受到欢呼。但是那种尘云并没有被找到。我们那位科学家是否因此就放弃了牛顿的理论,连同关于一颗起干扰作用的行星的想法和尘云挡住行星的想法呢?不。他又提出,在宇宙的那个区域存在着某种磁场,是这种磁场干扰了卫星上的仪器。于是,又向太空发出了一颗新的卫星。如果这种磁场能被发现,牛顿派一定会庆祝一场轰动世界的胜利。但是磁场也没有被发现。这是否就被认为是对于牛顿派科学的否定了呢。不。不是又提出另一项巧妙的辅助性假说,就是……于是整个故事就被淹没在积满尘土的一卷又一卷期刊之中而永远不再被人提起。”4

如果这个故事,被认为是可以说明一些道理的,那末,它说明了一种理论总可以由于把它所面临的证伪转嫁给整个假定复合体的另一部分而免于被证伪。

 

4.从历史的角度看证伪主义的不当

使证伪主义者陷于窘境的一个历史事实是,如果他们的方法论得到科学家的严格遵守,那末,被公认是科学理论中最佳范例地那些理论,就根本不可能发展起来,因为早在萌芽状态就会遭到摈弃。可以举任何一种经典科学理论为例,无论是在提出之初或是到了晚些时候,都可以找到在当时被公认的、被认为与那种理论相矛盾的、以观察为根据的断言。尽管如此,那些理论并没有被摈弃,而它们之没有被抛弃就成了科学的幸运。以下是能够支持我的论点的几个历史上的例子。

牛顿的万有引力理论问世之初,曾经由于对月球轨道的观测而被证明为伪。几乎经过五十年,才把这个被证明为伪转给牛顿理论以外的其他原因。后来人们知道,这同一理论又与水星轨道的细节不一致,虽然科学家们并没有因此而摈弃这个理论。事实表明,要用一种保护牛顿理论的方式把这种证伪解释过去是永远不可能的。

第二个例子和波尔的原子理论有关,这个例子是由拉卡托斯提出来的。5这个理论在发展初期,曾经与这样一种观测结果不相符合,即:某种物质在超过108秒的时间内是稳定的。根据这个理论,带负电荷的电子在原子内部沿着轨道围绕带正电荷的核运动。但是根据波尔当作前提来接受的那种经典电磁理论,沿着轨道运动的电子应该发生辐射。这种辐射将使电子失去能量而陷入核内。经典电磁理论的定量细节则把这种陷入核内发生的时间估计为108秒。幸而波尔不顾这种证明为伪而坚持了他的理论。

第三个例子涉及到气体运动理论,这个例子有助于说明那个理论的创始人明确地承认理论一提出就被证明为伪的情况。当麦克斯韦在一八五九年第一次发表气体运动理论的详细内容时就在同一篇论文中承认,这个理论被气体比热的测量结果所证明为伪。6十八年以后,他在评论气体运动理论的后果时写道:

“有一些和我们现今对物质结构的理解一致因而无疑是使我们感到非常满意的,但是也还有一些却很可能会把我们从心安理得的状态中惊醒过来,而且也许会把我们最终从一向借以获得庇护的全部假说中驱赶出来,使我们进人成为一切真的知识进展前奏的那种彻底自觉的无知境界。”7

运动理论内部的一切重要发展都发生在那次证伪之后。又一次幸运的是,这个理论并没有因为被气体比热的测量证明为伪而被放弃,而朴素证伪主义者至少会被迫坚持认为要放弃的。

第四个例子是哥白尼革命,下一节将对此加以比较详细的介绍。这个例子将强调,在涉及到重大理论变革的复杂性时,证伪主义者所面临的种种困难。这个例子也将提供一个背景,以便于就近年来为了表征科学的本质及其方法所作的恰当的努力展开讨论。

 

5.哥白尼革命

在中世纪的欧洲,地球被普遍认为是有限宇宙的中心,太阳、行星和恒星全都环绕地球运行。作为天文学发展基础的物理学和宇宙学,基本上还是公元前四世纪由亚里土多德发展的。公元二世纪,托勒密建立了一套详细的天文学体系,该体系明确规定了月球、太阳和所有各行星的轨道。

在十六世纪最初几十年内,哥白尼建立了一套新的天文学,包含有一颗运动着的地球的天文学,它向亚里土多德和托勒密的体系提出了挑战。根据哥白尼的观点,地球并不是静止不动地处在宇宙的中心,而是和其他行星一道环绕太阳运行。到了哥白尼的想法被证明有根据的时候,亚里士多德的世界观已经为牛顿的所取代。这是一次历时一个半世纪才告完成的理论变革。关于这次重大理论变革的故事的细节,并不能给归纳主义者和证伪主义者所主张的方法论提供支持,倒是表明有必要为科学及其成长作出完全不同的、结构更复杂的解释。

当哥白尼在一五四三年首次发表他的新天文学的细节时,有许多论据可以提出而且也确实提出来反对他的新天文学。联系到当时的科学知识来看,这些论据是有道理的。而哥白尼针对这些论据为他的理论所作的辩护,倒不能令人满意。为了理解这种局面,有必要熟悉一下亚里士多德世界观的某些方面,反对哥白尼的论据正是以这种世界观为其依据的。下面就扼要地介绍一些有关的论点。

亚里士多德学派的宇宙分为两个绝然不同的区域。月下区是内区,从处于中心的地球一直伸展到月球轨道的内侧。月上区则包括整个有限宇宙的其余部分,从月球轨道一直伸展到恒星天层,后者标志宇宙的外部边界。边界以外一无所有,甚至没有空间。在亚里土多德的体系中,空无一物的空间是不可能存在的。月上区的一切天体全都是由一种被称为以太的不可败坏的元素构成。以太有一种沿着正圆轨道环绕宇宙中心运动的天然倾向。这种基本观念在托勒密的天文学中有所修改、有所发展。自从在各种不同的时间所观测到的行星位置无法与以地球为中心的圆形轨道概念吻合一致,托勒密又在他的体系中引入了被称为本轮的更多的圆。行星沿着圆或本轮运动,本轮的圆心又沿着圆形轨道环绕地球运动。这样一些轨道又可以用进一步在本轮上增添本轮等等的方法加以修正,由此而形成的体系也就可以和行星位置的观测结果相容,而且也就有可能预测行星的未来位置了。

与月上区的那种秩序井然、不可败坏的性质相对照,月下区的特征是变化、生长和衰退,繁殖和腐败。月下区的一切物质是气、土、火、水四种元素的混合,各种元素混合的相对比例决定着由此而形成的物质的特性。每一种元素在宇宙中各有其天然的位置。土的天然位置在宇宙的中心;水,在地球的表面上;气,在紧接着地球表面的上方区域内;火,在大气层的顶端,靠近月球的轨道。因而地上的一切物体由于所含四种元素的相对比例而在月下区各有其天然位置。石头,由于绝大部分是土,所以天然位置接近地心;火焰,由于绝大部分是火,所以天然位置接近月球轨道,如此等等。一切物体都有沿直线向上或向下朝着它们天然位置运动的倾向。因此,石头的天然运动是朝着地心直线向下,火焰的天然运动是直线向上,离开地心。天然运动以外的一切运动,都必须有原因。例如,箭必须由弓射出,而车辆必须由马匹牵引。

这些就是亚里士多德的力学和宇宙学的梗概,而亚里土多德的力学和宇宙学则是被哥白尼同时代人奉为圭臬,也是被用作反驳地动说时的论据。我们不妨看一看在反驳哥白尼体系方面比较有力的一些论据。

也许对哥白尼的体系构成了最严重的威胁的,是所谓塔的论据。这种论据大致如下。如果地球象哥白尼所宣称的那样是环绕着它的轴旋转的,那末,地球表面上的任何一点在一秒钟内都将运动一个相当大的距离。如果有一块石头从建立在这运动着的地球上的一座塔顶上落下来,它将完成它的天然运动而向着地心落去。在它下落的过程中,由于地球的旋转,塔将随地球而运动。因此,当石头落到地面的时候,塔一定已经离开了它在石头开始落下时所占据的位置。所以石头就应该落在距离塔基相当远的地面上。但是,实际上并不会发生这种现象。石头落在塔基的地面上。因此,地球不可能是旋转的,而哥白尼的理论是错误的。

另一个反驳哥白尼的力学论据,涉及到象石头、哲学家以及诸如此类松散地存在于地球表面上的物体。如果地球在旋转,为什么这些物体并不象石块从旋转的车轮边沿上被抛出去那样,从地球表面上被甩出去,如果地球在自转的同时又环绕太阳运动,为什么月球没有被它留在后面,

本书上文还提到一些基于天文学考虑的反哥白尼论据。与这些论点相关的是,从多次观察到的恒星位置中看不到应有的视差,以及在肉眼观察下,火星和金星并不随着一年时间的推移而发生可看到的大小变化。

由于我所提到的以及其他类似的论据,哥白尼理论的支持者曾经面临着严重的困难。哥白尼本人也深深地沉溺在亚里士多德的形而上学之中,而未能对那些论据作出恰当的回答。

鉴于反驳哥白尼的论辩的力量,很可能要问,在一五四三年,究竟能为哥白尼说些什么呢,回答是,“没有很多”可说。哥白尼理论主要的魅力在于它能以简单的方式对行星运动的许多特征作出解释,而对立的托勒密理论却只能以一种缺乏魅力、矫揉造作的方式来解释它们。这些特征是,行星的逆行,以及水星和金星与其他行星不同,总是留在太阳的近处。一颗行星按照有规则的间隔期退行,那就是说,停止它在恒星间的向西运动(从地面上观察),而在继续它的再度向西运动之前短时间地折回原先的途径向东运行。在托勒密的体系中,逆行是用增添一些专门为了解释逆行而设想出来的本轮这样一种有点特设性的伎俩来加以解释的。在哥白尼的体系中,就不必采取这种矫揉造作的做法。逆行是由于地球和其他行星一同在恒星的背景上环绕太阳运行自然产生的现象。类似的论点也适用于太阳,水星和金星总是比较接近的问题。这是哥白尼体系的自然结果,只要水星和金星的轨道处于地球轨道的内侧这一点能够成立。在托勒密的体系中,就必须把太阳、水星和金星的轨道人为地拉扯到一起,才能形成所要求的结果。

哥白尼理论有一些数学特点是于它有利的。除此之外,就其简单性和符合行星位置的观测而论,这两种对立的体系是不相上下的。以太阳为中心的圆形轨道不能与观测结果吻合,以致于哥白尼也不得不象托勒密那样增添一些本轮,为了提出能够与已知的观测结果相符的轨道而增添的本轮总数,对于两种体系说来是大致相同的。在一五四三年,由于数学上的简单性而产生的有利于哥白尼的论据,不能被认为就足以对抗不利于他的力学和天文学论据。虽然如此,仍然有一些在数学上有才能的自然哲学家终于被吸引到了哥白尼体系一边,他们为了捍卫这一体系而作出的努力,在以后的一百左右取得了越来越大的成功。

在捍卫哥白尼系统方面贡献最大的一个人就是伽利略。他从两方面做到了这一点。第一,他用望远镜观察天空,在这样做的过程中,他改造了那些要求哥白尼理论加以解释的观测资料。8第二,他为后来终于取亚里土多德力学而代之的那种新的力学创设了开端,正是由于这种新力学的出现,才使得那些反驳哥白尼的力学论据终于烟消云散。

当伽利略在一六○九年制成他第一批望远镜并把它们串接起来瞄向天空时,他获得了激动人心的发现。他看见了许许多多为肉眼所无法看到的恒星。他看到了木星所拥有的几个卫星,他看到了月球表面有高山、有深坑。他也观察到通过望远镜所看到的火星和金星外观的大小,以哥白尼体系所预言的方式发生变化。后来,伽利略终于确证,金星也象月球一样有盈亏,这正是哥白尼所预言而为托勒密的体系所不容的现象。木星的几颗卫星粉碎了亚里土多德派根据卫星总是和据说是运动着的地球同在一起的事实所提出的非难哥白尼的论据。因为现在亚里士多德派不得不面对与木星及其卫星相关的同样的问题。象地面一样起伏不平的月球表面,推翻了亚里士多德关于尽善尽美、永不败坏的天和不断变化、容易腐败的地这两者之间的区别。金星盈亏变化的发现,标志了哥白尼派的成功和托勒密派的新问题。无可否认的是,伽利略通过他的望远镜所作的观测一旦得到承认,哥白尼理论所面临的困难也就减少了。

关于伽利略和望远镜的上述评论引起了一个严肃的认识论问题。为什么应该认为用望远镜观测,比用肉眼观测更为可取?对于这个问题的一个回答是,可以利用望远镜的光学理论来解释它的放大的特性,并且对我们可能以为会影响望远镜映像的各种像差作出说明。但是,伽利略本人并没有为此目的而利用光学理论。能够在这方面提供支持的光学理论是由伽利略的同时代人开普勒早在十六世纪首次提出来的。而这种理论又在以后几十年内得到了改进和扩大,回答我们关于望远镜优于肉眼的问题的第二种方式,是用某种切实可行的办法证明望远镜的有效性,例如瞄准远处的高塔,船只之类,以显示这种仪器是怎样放大并使得观测物清晰可见。但是,要用这种办法来为望远镜在天文学中的应用辩护仍然是困难的。在用望远镜观察地上的物体时,要把观测物体和望远镜所造成的像差区别开来是可以做得到的,因为观测者熟悉高塔、船只之类物体的形象。而当观测者探测天空时情况就不同了,因为他对观测的对象不熟悉。在这方面有意义的是,伽利略按照他用望远镜观察到的月球绘成的月面图就含有实际并不存在的凹坑。那些“凹坑”想必就是伽利略那些远不是完善的望远镜的作用所引起的。这一段所说的足以表明,要证明望远镜观测的优越性不是一件简单易行的事情。对伽利略的发现提出质疑的那些对手们并不都是愚蠢、顽固的反动分子。证明已唾手可得,而且随着望远镜的越来越完善和关于望远境作用的光学理论的不断发展,证明也越来越有说服力。但是所有这一切全都是费时间的。

伽利略对科学的最大贡献是他在力学方面的研究。他为后来取代了里士多德力学的牛顿力学奠定了某些基础。他把速度和加速度明确地区别开来,他断言自由落体以恒定的加速度运动而与它们的重量无关,下落的距离和下落的时间的平方成正比。他否认亚里士多德关于一切运动都必须有原因的论断,他提出来代替这种论断的是圆形惯性定律,根据这一定律,一个运动着的物体在不受外力影响的情况下将以均匀的速度沿着圆形路线环绕地球不停地运动。他分析了抛射体运动,他把一个抛射体的运动分解为二,一部分是水平运动,按照他的惯性定律以恒定速度进行;另一部分是垂直运动,以恒定加速度由上向下进行。他表明,由此合成的一个抛射体的运动轨迹,是一条抛物线。他提出了相对运动的概念,他论证一个系统的匀速运动,不取得系统外的某个参考点,就不能以力学的方法,把它检测出来。

这些重大的发展,并不是伽利略在瞬间完成的。它们逐渐出现的时间跨越了半个世纪,在他的《两种新科学》9一书中达到高潮,这部著作最初发表在一六三八年,距哥白尼主要著作的发表,几乎有一个世纪之久。伽利略用许多例证和思想实验使他的新概念成为有意义的并越来越精确。伽利略偶然也描述他实际进行的实验,例如,关于球体从倾斜的平面上滚下的实验,虽然伽利略实际上究竟做过多少实验是一个有争议的问题。

伽利略的新力学使得哥白尼的体系能够面对上文提到过的一些异议,而立于不败之地。置于塔顶而且和塔一起参与环绕地球中心的圆形运动的物体,落下以后将继续和塔一起处于那种运动之中,并因而落在塔基的地面上而和经验一致。伽利略把这个论据又向前推进一步,他断言,他的惯性定律的正确性,可以用这样的实验来证明,即从一只匀速行进的船的桅杆顶上落下块石头,并注意到这块石头落在桅杆底部的甲板上,虽然伽利略并没有宣称他曾经做过这个实验。伽利略未能十分成功地解释,为什么松散的物体没有旋转着的地球表面上甩出去。事后认识到那是由于他的惯性原理存在着缺陷,而且,他对于作为一种力的重力缺乏明确的概念。

虽然伽利略的科学研究工作主要是为了加强哥白尼理论的地位,但是伽利略自己并没有创立一种详细的天文学,在认为行星轨道是圆形的这一点上倒似乎是在步亚里士多德的后尘。在这个方面获得重大突破的是伽利略的同时代人开普勒,他发现每一个行星的轨道可以用一个椭圆来表示,太阳是这个椭圆的两圆心之一,这就消除了哥白尼和托勒密都认为是必要的那种复杂的本轮系统。在托勒密的地球中心体系中是不可能有同样简明的描述的。开普勒拥有第谷·布拉赫的行星位置记录资料,这些记录比哥白尼所能获得的更为准确。经过对这些资料的苦心钻研和分析,开普勒终于提出了他的行星运动三定律,即:行星沿椭圆形轨道环绕太阳运行,太阳和某一行星的联线在相同的时间内扫过相同的面积以及行星运行周期的平方和它于太阳之间的平均距离的立方成正比。

伽利略和开普勒确定是加强了有利于哥白尼理论的论辩。但是,在那个理论牢靠地建立在包罗广泛的物理学基础之上以前,还必须取得更多的发展。牛顿终于能利用伽利略、开普勒和其他人的研究成果创造了那包罗广泛的物理学,一六八七年发表在他那部《原理》之中。他对作为加速度的原因而不是运动的原因的力提出了明确的概念,这个概念出现在伽利略和开普勒的著作中是有点混乱的。牛顿用他自己的线性定律代替了伽利略的圆形惯性定律,根据他的惯性定律.物体在不受外力影响的情况下沿直线作匀速运动。牛顿的另一项重大贡献当然是他的万有引定律,这使得牛顿能够解释开普勒的行星运动定律和伽利略的自由落体定律的近似正确性。在牛顿的体系中天体的领域和地上物体的领域被统一了起来,这两类物体全都在符合于牛顿运动定律的力的影响下运动。牛顿的物理学一经形成,就有可能把它详细地应用在天文学上。例如,就有可能在考虑到月球的有限大小、地球的自转以及地球轴的晃动等等因素来详细研究月球的轨道。也就有可能去研究由于太阳的有限质量、行星之间的引力等的因素所引起的各行星偏离开普勒定律的现象。象这一类的发展还要占用牛顿一些继承者两个世纪的精力。

我在这里扼要介绍的故事应该足以表明,哥白尼革命并不发生在从比萨斜塔上扔下一两顶帽子的时候。同样清楚的是,无论是归纳主义者或是证伪主义者都没有提供一个与之相符的科学观。关于力和惯性的新的概念,并不是作为仔细观察和实验的结果而出现的。它们的出现也不是由于大胆推测的证伪和一个大胆推测为另一个所取代的持续不断的过程。新理论(包括表述不完善的新颖概念)的早期阐述是在对那些表面的一次次证伪不予理睬的情况下被坚持下来和发展起来的。只是经过许多科学家若干世纪的智力劳动,在新的物理学体系终于创立之后,新的理论才能够即使在细节上也成功地和观察和实验的结果相吻合。不考虑到这样一些因素,任何科学观都不能被认为是接近于正确的。

 

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拉卡托斯的论文《证伪和科学研究纲领方法论》除了没有批判最精致的证伪主义外,对其他都作了批判,该文载I.拉卡托斯和A.默斯格雷夫编:《批判和知识的成长》(剑桥1974年,剑桥大学出版社)第91196页。其他经典性评论有P.杜恒:《物理学理论的目的和结构》(纽约1962年,艾瑟纳姆出版社),以及WVO.奎恩的论文《经验主义的两个教条》,载于他的《从逻辑的观点看》(纽约 1961年,哈珀和罗出版社)第 2046页。给证伪主义提出难题的哥白尼革命的历史论述有T.库恩:《哥白尼革命》(纽约1959年,伦多姆·豪斯出版社),A·科伊雷:《形而上学和测量》(伦敦1968年,查普曼和霍尔出版社)以及 P·K·费耶阿本德:《反对方法:无政府主义知识论纲要》(伦敦1975年,新左翼出版社)。拉卡托斯的论文《波普尔论分界和归纳》,载于P.A.施尔普:《卡尔·R.波普尔的哲学》(伊利诺州拉萨尔1974年,欧本·克特出版社)是对证伪主义者宣称他们已经解决了归纳问题的这种说法的批判。库恩对证伪主义的批判见《科学革命的结构》(芝加哥1970年,芝加哥大学出版社)和《发现的逻辑还是研究的心理学?》载拉卡扎斯和默斯格雷夫编;《批判和知识的成长》第1-23页。

 

注释

1】波普尔;《科学发现的逻辑》,伦敦1968年,赫青逊出版社,第106页。

2】同上,第99页。

3】同上,第 111页。

4】拉卡托斯:《证伪和科学研究纲领方法论》,载I.拉卡托斯和A·默斯格雷夫《批判和知识的成长》,剑桥1974年,剑桥大学出版社,第100101

5】同上,第140154页。

6】麦克斯韦:《气体动力学理论的例证》。1859年宣读于不列颠协会,重印于WD.尼文编:《詹姆斯·克勒克·麦克斯韦科学论文集》,两卷集,纽约1965年,多佛尔出版社,第l卷。第377409页。尤其要参阅该文最后一段。

7JC.麦克斯韦《气体运动理论》载《自然》,第16卷,1877年第245-246页。

8】我对于伽利略和望远镜的议论以及对于伽利略物理学其他若干方面的评价,都得益于费耶阿本德在《反对方法:无政府主义知识论纲要》(伦敦1975年,新左翼出版社)第69-144页中富于挑战性的论述。

9】伽利略:《两门新科学》,S.德莱克译(麦迪逊1974年,威斯康辛大学出版社)。

 


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