科學問題假說與發(fā)現(xiàn)

科學問題：假說與發(fā)現(xiàn)1科學觀與科學方法論（中）1.科學問題科學研究始于問題

案例：塞麥爾維斯醫(yī)生的故事2科學問題在科研中的意義：“提出一個問題往往比解決一個問題重要，因為解決一個問題也許僅僅是一個數(shù)學或實驗上的技能而已。而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步”?！獝垡蛩固?/p>

1）當人們進行觀察的時候，總是以問題為框架，有選擇地觀察和搜集事實材料；

2）從理論發(fā)展過程看，只有發(fā)現(xiàn)了原有理論不能解決的問題，才會補充、修正或著手建立新理論；

3）科學研究本身就是要解決那些尚未解決或尚未完全解決的活動。3科學問題的定義：

科學問題是指一定時代的科學認知主體在當時的知識背景下提出的尚未認識和解決的問題，它包含一定的求解目標和應答域，但尚無確定的答案。4科學問題的分類：

1）按發(fā)問的形式不同，可以把科學問題劃分為是什么（What）、為什么（Why）、如何（How）；

2）按抽象的程度不同，可以把科學問題劃分為經驗性問題、理論性問題和哲學性問題；

3）按問題的答案域是否存在，可以把科學問題劃分為真問題和假問題；

4）按對背景知識是否了解，可以把科學問題劃分為待解問題和無知問題；

5）按問題在科學發(fā)展的常規(guī)化時期與革命時期所起的作用，可以把科學問題劃分為常規(guī)問題和非常規(guī)問題。5科學問題的來源:

1）科學實踐與科學理論的矛盾中產生；

2）從科學理論內部的矛盾中產生問題；

3）從不同學派理論之間的矛盾中產生問題；

4）從社會需要和現(xiàn)有生產技術手段的局限的矛盾中產生問題。6科學問題的解決途徑：

1）進一步獲取科學事實來回答問題

2）引入新的假說來解答問題

3）引入新的概念解決問題案例：從天王星之謎到海王星之發(fā)現(xiàn)7天王星在1781年被確認為是太陽系的第7顆行星。在此之前，天文學家曾多次在望遠鏡中見到過它。1820年，法國天文學家布瓦德根據天體力學原理計算天王星的運動軌道時，出現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：他算出的軌道與1781年以后的觀測極不相符，而他僅以1781年以后的觀測為依據進行計算時，卻與1781年以前的觀測極不相符。這一令人困惑的事實，吸引了許多天文學家都來觀測和計算天王星的運動。10年之后，觀測數(shù)據積累得更多，計算也更加周密，計算時考慮了離天王星最近的土星和木星的影響?？墒?，理論值和觀測值仍然相差很遠。8布瓦德等天文學家曾懷疑以往觀測記錄的可靠性。他們將1750年以后在英國格林尼治天文臺對各個行星所作的全部觀測記錄，統(tǒng)一地進行了復核。他們發(fā)現(xiàn)，除天王星以外，對于別的行星，觀測記錄與計算結果都能相當準確地符合。根據當時的觀測技術水平，天王星的觀測位置與計算位置相差之大，已遠遠超出了觀測的誤差范圍。因此，他們斷定：問題不是出自觀測，應該在理論計算方面找原因。面對天王星運動不規(guī)律性之謎，一些人提出疑問：為什么從牛頓力學發(fā)展而來的天體力學原理不能適用于天王星運動的計算呢？是不是牛頓的萬有引力定律并不“萬有”？是不是對于天王星這一距離太陽較遠的行星，引力作用不再遵從牛頓力學了，或者牛頓的力學理論需要修正了？9絕大多數(shù)科學家堅信經過一百多年實踐考驗的牛頓力學的正確性。他們認為可以繼續(xù)依靠牛頓理論弄清楚天王星運動不規(guī)律性的原因。天文學家們提出幾種可能的假說：“災變”假說、“未知衛(wèi)星”假說、“未知行星”假說。英國的亞當斯和法國的勒威耶都用了對問題中一些要素作簡化假設和逐步修正的辦法，終于基本上確定出有關未知行星的各個參數(shù)的數(shù)值。1845年9月23日，柏林天文臺的加勒根據勒威耶寫來的信著手觀測，當晚就在偏離預言位置不到1度的地方發(fā)現(xiàn)了一顆八等星，查遍星圖，就連最詳盡的星圖也沒有標出這顆星。經過連續(xù)觀測，數(shù)據都與預計的結果相符合。于是加勒高興地宣布，這顆星就是所要尋找的新行星。102.科學假說從科學活動的一般模式看，科學假說是通向科學理論的必要環(huán)節(jié)。“只要自然科學在思維著，它的發(fā)展形式就是假說。”（恩格斯）科學假說的定義：科學假說是對已有的經驗和事實作出試探性解釋和預測的基本的思維形式。11科學假說通常由以下幾個基本因素構成：事實基礎；背景理論（包括推理規(guī)則）；對現(xiàn)象本質的猜測；由猜測推演出的預言。比如，大爆炸假說就是以譜線紅移（哈勃定律）等為事實基礎，以廣義相對論和高能粒子物理學等理論為背景，以超高密、超高溫狀態(tài)下由某種機制引起的原始火球急劇膨脹為基礎預測，以“氦豐度”和“3K背景輻射”等為語言而構成的一個認識體系。122.1科學假說的類型科學假說常常是針對科學問題而提出的。相應于科學問題的不同類型，假說的內容和形式也不相同。對于常規(guī)科學問題，提出假說的主要目的在于修改、調整、擴展原來的背景知識體系。如麥克斯韋關于電磁波的假說、狄拉克關于正電子的假說等。對于某些科學領域中反復出現(xiàn)的反常問題，科學家則可能提出突破背景知識體系的革命性的理論假說。如著名物理學家普朗克在20世紀初提出的量子假說。132.2科學假說的檢驗科學假說轉化為科學理論的基本條件是其能否經受得住科學實踐的檢驗把科學假說運用于實踐，如果有越來越多的事實和這個假說相符合，并且沒有任何已知事實與之相矛盾，那就證明這個假說是客觀規(guī)律的正確反映。案例：萬有引力定律1417世紀末，萬有引力定律只是一個科學假說。牛頓利用這個假說，推斷出：

1）秒擺長度愈接近赤道變得愈短，赤道處的引力比兩極附近小，赤道半徑大于極半徑，地球是個兩極較平、赤道突出的扁球體。

2）地球與其軌道平面（黃道面）形成一個傾斜角，所以作用在地球赤道鼓出部分的太陽引力，一定會引起地球的自轉軸繞著垂直于黃道面的直線緩慢轉動，轉動周期為26000年。15牛頓的解釋遭到當時天文學家的強烈反對，根據當時流行的理論，地球的形狀應當是兩極距離大于赤道直徑的長形球體。為此，法國數(shù)學家莫泊圖在1730年，到芬蘭北部的拉普蘭去測量北緯子午線一度的長度。結果表明，牛頓的觀點是正確的。1798年，英國物理學家卡文迪許采用扭秤法較精確地測定了引力常數(shù)的值，直接證實了地面物體之間存在著萬有引力。萬有引力定律在實踐中取得了圓滿的結果，成功解釋了一個又一個事實，沒有遇到不可克服的矛盾（反例），從而逐漸轉化為科學理論。16科學假說的檢驗是一個十分復雜的過程。

1）一個全稱判斷所演繹出的經驗推論在數(shù)量上是無限的，其中部分結論與觀測事實相符合只是為該科學假說提供了某些辯護和支持，無法完全證實這一科學假說。

2）以全稱判斷形式出現(xiàn)的科學假說只能通過證實后件（即推論）為真從而證實前件（科學假說）為真的方法確證，然而在邏輯上這種方法是不能完全保真的。如果p則q；p；所以q（結論必為真）如果p則q；q；所以p（結論可能為真，可能為假）173）結論與觀測事實不符，不一定能否定相關的科學假說。判決性實驗存在嗎？所謂判決性實驗，就是在對立的兩個假說之間，設計一個或一組觀測或實驗，來證實哪一個預見性更正確。長期以來，科學家們相信，如果從一個假說作出的推斷跟另一個假說作出的推斷相抵觸，實驗結果支持其中的一個推斷而否定另一個推斷，就可以認為該實驗在兩個對立的假說中作出了判決。被判定正確的那個假說就轉化為理論。18案例：傅科實驗1850年，傅科采用旋轉鏡法，測到光速為298000千米/秒（誤差不超過1%）；同時，測到光在空氣中的速度比在水中的速度大傅科實驗的結果涉及到兩個互相抵觸的“可檢驗預測”：（1）波動說預言。如果進行[傅科]實驗，那么第一個像將呈現(xiàn)于第二個像的右邊。（2）微粒說預言。如果進行[傅科]實驗，那么第一個像將呈現(xiàn)在第二個像的左邊。傅科實驗對光速的測量為光的波動理論的勝利提供了有力的證據，被認為是確證波動說、同時證偽微粒說的“判決性實驗”19關于判決性實驗的爭論：1906年，法國物理學家迪昂在其代表作《物理理論的目的和結構》一書中對判決性實驗提出了反對意見。他認為，物理學中不存在判決性實驗，“物理實驗不是否定孤立的假說，而是否定整個理論整體?！钡?950年初，美國科學哲學家蒯因進一步重申并加強了迪昂的觀點，他說：“我們關于外部世界的陳述不是個別的，而是作為一個整體面對感覺經驗的法庭?！焙髞韺W界把這里強調的觀點成為“迪昂-蒯因論點”。20解析迪昂-蒯因論點：根據邏輯學中的“否定后件推理”：如果一個理論（或假說）H必然地推出一個實驗證據E，即H→E，那么E一旦被否定，H將必然遭到否定，即-E→-H。但是，“理論H”有更多的含義。實際情況不是單個的理論H必然推出實驗結果E，而是理論整體H∧A必然推出E，即H∧A→E，這里的A包括“輔助性假說”和“背景信念”。所以，E反駁的是“H∧A”整體，而不是單一的H，即-E→-（H∧A），實驗結果E無法構成對理論H的判決性反駁。21

1960年，科學哲學家格倫鮑姆發(fā)表論文，反對迪昂-蒯因論點的觀點，認為不能一概否認判決性實驗的存在。格倫鮑姆把迪昂-蒯因論點概括為兩種形式：第一種形式，從邏輯上說，證偽一個理論H或確證一個理論H，情形一樣，總要涉及到包含著理論H在內的整個理論網絡，是整個理論網絡面對檢驗，而不是單獨的理論面對檢驗。第二種形式，理論H是整個理論網絡的一個組成成分，不可能單獨地把理論H從整個理論網絡中剝離出來，讓它去面對證據的判決性反駁。22

格倫鮑姆進一步模擬迪昂-蒯因，提出了兩個形式化推論：第一，從[H∧A→E]∧-E，推不出-H，而只能推出-（H∧A）。因此，-H不能從前提[H∧A→E]∧-E演繹地推出，從而得出，-E對H的反駁不是決定性的。第二，與E不相容的實際實驗結果E’允許H是正確的，而A是錯誤的，因為理論家總能夠把A修改成A’，使得H與A’的合取能推導出E’，即H∧A’→E’，從而保證H不被反駁。23

首先，格倫鮑姆認為，第一個推論式，即[H∧A→E]∧-E，推不出-H，而只能推出-（H∧A），即[H∧A→E]∧-E]→-（H∧A）作為一個否定后件式推理是有效的，但它有適用的條件，即E’與由H和A的合取推導出的試驗結果E不相容，因此，并不足以證明對H的反駁一定是非決定性的。其次，無論是否定后件式推理還是其他的邏輯形式都不能保證一定有（?A’）[H∧A’→E’]。再次，格倫鮑姆提出質疑，迪昂、蒯因憑什么保證對于任何H和任何E，總存在著一套挽救性假說A’，使得E’能從H與A’的合取中演繹出來，因為，這根本不是邏輯能保證的。A’是否存在，只能根據每一種特殊情況作個別的、具體的證明才能確定。24

如何理解判決性實驗？

判決性實驗比其他類型的實驗更有可靠性。此外，判決性實驗能夠幫助人們較快地、較充分地評價它的證實或否證意義。然而，任何檢驗自身是相對的、具體的和可變的。即使是判決性的否證，也不可能把假說中的一切謬誤都一下子指出來。而且，不存在著把一個假說判為絕對純粹的謬誤的否證。253.

假說—演繹方法假說-演繹模型：指的是用一個與經驗相聯(lián)系的公理體系來組織科學知識。

首先，提出一個公理系統(tǒng)。（提出假說）其次，規(guī)定一個把公理體系的命題與觀測結果相連接的程序。（進行演繹）再次，確證用經驗解釋的公理體系中的演繹結果。（完成檢驗）

假說——演繹——檢驗26經典案例：牛頓創(chuàng)立光的顏色理論

牛頓把一塊棱鏡放在陽光通過小孔后形成的狹窄光束的路徑上，并在棱鏡后面的屏幕上看到了一條拉長了的彩色光帶：紅橙黃綠青藍紫。經多次重復實驗，積累了大量觀測材料。27提出試探性解釋的假說：“日光是由具有不同折射率的不同顏色的光所組成的，棱鏡的作用就是使每種顏色的光按照某個特定的角度發(fā)生折射?！崩眠@個假說，牛頓就可以解釋許多其他的現(xiàn)象，例如彩虹。以假說為前提演繹得到推論（預測），再設計新的實驗加以檢驗推論出穿過棱鏡的某種單色光應當按這種顏色特有的折射率發(fā)生偏折，不會再分解成別的顏色。牛頓設計了一個雙棱鏡實驗證明了這個預測。28現(xiàn)代假說-演繹模型：

P……H∝OcHc

某項研究從解決一個問題（P）開始，通過非邏輯或者直覺的猜測得出一個假說（H），由此推演出（∝）必然的可觀察的檢驗陳述（Oc），如果這些陳述被證明是正確的，就歸納出（）被確證的結論（Hc）。29亨普爾：假說-演繹模型的關鍵在于研究這一假說的形式對問題所作的試探性回答。試探性假說是假說-演繹模型的出發(fā)點。波普爾：任何理論都不難找到確證的證據，但不可能完全得到證實，取消了確證的環(huán)節(jié)

P1→TT→EE→P2

P1表示問題，TT表示試驗性理論，EE表示消除錯誤，P2表示新的問題

P……H∝Oc（猜測出假說H，演繹出觀察命題Oc）30波普爾：《猜想與反駁》波普爾演繹模型的兩個特征：

1）反歸納主義的傾向。人類所具有的潛在的、先天的知識，處于潛在的期望之中，當從事科學探索時而被激活。一切知識都是某些先天知識的變形，因而不存在重復性的歸納。

2）間斷論的觀點。發(fā)現(xiàn)的過程不是單一的邏輯過程，而是兩個不連續(xù)的階段：第一步是非邏輯或直覺的，屬于發(fā)現(xiàn)階段；第二步是邏輯的或理論的重構，屬于證明階段。31波普爾的證偽主義：科學發(fā)展模式最根本的特點——科學是一個永無止境、不斷發(fā)展的過程。理論：黑格爾第一次提出發(fā)展的思想事實：19世紀，形而上學自然觀被打出缺口，

20世紀，形而上學科學觀被辯證自然觀代替，1919年日食觀測：為什么久經考驗、無可置疑的理論也會因為一次失敗而毀于一旦