科學(xué)問題假說與發(fā)現(xiàn)

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

案例：塞麥爾維斯醫(yī)生的故事2科學(xué)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(xué)或?qū)嶒炆系募寄芏选６岢鲂碌膯栴}，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(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”?！獝垡蛩固?/p>

1）當(dāng)人們進(jìn)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(bǔ)充、修正或著手建立新理論；

3）科學(xué)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(xué)問題的定義：

科學(xué)問題是指一定時代的科學(xué)認(rèn)知主體在當(dāng)時的知識背景下提出的尚未認(rèn)識和解決的問題，它包含一定的求解目標(biāo)和應(yīng)答域，但尚無確定的答案。4科學(xué)問題的分類：

1）按發(fā)問的形式不同，可以把科學(xué)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(xué)問題劃分為經(jīng)驗性問題、理論性問題和哲學(xué)性問題；

3）按問題的答案域是否存在，可以把科學(xué)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(xué)問題劃分為待解問題和無知問題；

5）按問題在科學(xué)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(xué)問題劃分為常規(guī)問題和非常規(guī)問題。5科學(xué)問題的來源:

1）科學(xué)實踐與科學(xué)理論的矛盾中產(chǎn)生；

2）從科學(xué)理論內(nèi)部的矛盾中產(chǎn)生問題；

3）從不同學(xué)派理論之間的矛盾中產(chǎn)生問題；

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

1）進(jìn)一步獲取科學(xué)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(rèn)為是太陽系的第7顆行星。在此之前，天文學(xué)家曾多次在望遠(yuǎn)鏡中見到過它。1820年，法國天文學(xué)家布瓦德根據(jù)天體力學(xué)原理計算天王星的運(yùn)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(jù)進(jìn)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(xué)家都來觀測和計算天王星的運(yùn)動。10年之后，觀測數(shù)據(jù)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(yuǎn)。8布瓦德等天文學(xué)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(jìn)行了復(fù)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(jié)果都能相當(dāng)準(zhǔn)確地符合。根據(jù)當(dāng)時的觀測技術(shù)水平，天王星的觀測位置與計算位置相差之大，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)該在理論計算方面找原因。面對天王星運(yùn)動不規(guī)律性之謎，一些人提出疑問：為什么從牛頓力學(xué)發(fā)展而來的天體力學(xué)原理不能適用于天王星運(yùn)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(yuǎn)的行星，引力作用不再遵從牛頓力學(xué)了，或者牛頓的力學(xué)理論需要修正了？9絕大多數(shù)科學(xué)家堅信經(jīng)過一百多年實踐考驗的牛頓力學(xué)的正確性。他們認(rèn)為可以繼續(xù)依靠牛頓理論弄清楚天王星運(yùn)動不規(guī)律性的原因。天文學(xué)家們提出幾種可能的假說：“災(zāi)變”假說、“未知衛(wèi)星”假說、“未知行星”假說。英國的亞當(dāng)斯和法國的勒威耶都用了對問題中一些要素作簡化假設(shè)和逐步修正的辦法，終于基本上確定出有關(guān)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(jù)勒威耶寫來的信著手觀測，當(dāng)晚就在偏離預(yù)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(biāo)出這顆星。經(jīng)過連續(xù)觀測，數(shù)據(jù)都與預(yù)計的結(jié)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(xué)假說從科學(xué)活動的一般模式看，科學(xué)假說是通向科學(xué)理論的必要環(huán)節(jié)?！爸灰匀豢茖W(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說。”（恩格斯）科學(xué)假說的定義：科學(xué)假說是對已有的經(jīng)驗和事實作出試探性解釋和預(yù)測的基本的思維形式。11科學(xué)假說通常由以下幾個基本因素構(gòu)成：事實基礎(chǔ)；背景理論（包括推理規(guī)則）；對現(xiàn)象本質(zhì)的猜測；由猜測推演出的預(yù)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(chǔ)，以廣義相對論和高能粒子物理學(xué)等理論為背景，以超高密、超高溫狀態(tài)下由某種機(jī)制引起的原始火球急劇膨脹為基礎(chǔ)預(yù)測，以“氦豐度”和“3K背景輻射”等為語言而構(gòu)成的一個認(rèn)識體系。122.1科學(xué)假說的類型科學(xué)假說常常是針對科學(xué)問題而提出的。相應(yīng)于科學(xué)問題的不同類型，假說的內(nèi)容和形式也不相同。對于常規(guī)科學(xué)問題，提出假說的主要目的在于修改、調(diào)整、擴(kuò)展原來的背景知識體系。如麥克斯韋關(guān)于電磁波的假說、狄拉克關(guān)于正電子的假說等。對于某些科學(xué)領(lǐng)域中反復(fù)出現(xiàn)的反常問題，科學(xué)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(xué)家普朗克在20世紀(jì)初提出的量子假說。132.2科學(xué)假說的檢驗科學(xué)假說轉(zhuǎn)化為科學(xué)理論的基本條件是其能否經(jīng)受得住科學(xué)實踐的檢驗把科學(xué)假說運(yùn)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(jì)末，萬有引力定律只是一個科學(xué)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(zhuǎn)軸繞著垂直于黃道面的直線緩慢轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動周期為26000年。15牛頓的解釋遭到當(dāng)時天文學(xué)家的強(qiáng)烈反對，根據(jù)當(dāng)時流行的理論，地球的形狀應(yīng)當(dāng)是兩極距離大于赤道直徑的長形球體。為此，法國數(shù)學(xué)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(jié)果表明，牛頓的觀點是正確的。1798年，英國物理學(xué)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(jié)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(zhuǎn)化為科學(xué)理論。16科學(xué)假說的檢驗是一個十分復(fù)雜的過程。

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

2）以全稱判斷形式出現(xiàn)的科學(xué)假說只能通過證實后件（即推論）為真從而證實前件（科學(xué)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(jié)論必為真）如果p則q；q；所以p（結(jié)論可能為真，可能為假）173）結(jié)論與觀測事實不符，不一定能否定相關(guān)的科學(xué)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(shè)計一個或一組觀測或?qū)嶒灒瑏碜C實哪一個預(yù)見性更正確。長期以來，科學(xué)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(jié)果支持其中的一個推斷而否定另一個推斷，就可以認(rèn)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(zhuǎn)化為理論。18案例：傅科實驗1850年，傅科采用旋轉(zhuǎn)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(jié)果涉及到兩個互相抵觸的“可檢驗預(yù)測”：（1）波動說預(yù)言。如果進(jìn)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(yù)言。如果進(jìn)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(jù)，被認(rèn)為是確證波動說、同時證偽微粒說的“判決性實驗”19關(guān)于判決性實驗的爭論：1906年，法國物理學(xué)家迪昂在其代表作《物理理論的目的和結(jié)構(gòu)》一書中對判決性實驗提出了反對意見。他認(rèn)為，物理學(xué)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。”到1950年初，美國科學(xué)哲學(xué)家蒯因進(jìn)一步重申并加強(qiáng)了迪昂的觀點，他說：“我們關(guān)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(jīng)驗的法庭?！焙髞韺W(xué)界把這里強(qiáng)調(diào)的觀點成為“迪昂-蒯因論點”。20解析迪昂-蒯因論點：根據(jù)邏輯學(xué)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(jù)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(jié)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(jié)果E無法構(gòu)成對理論H的判決性反駁。21

1960年，科學(xué)哲學(xué)家格倫鮑姆發(fā)表論文，反對迪昂-蒯因論點的觀點，認(rèn)為不能一概否認(rèn)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(nèi)的整個理論網(wǎng)絡(luò)，是整個理論網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的一個組成成分，不可能單獨地把理論H從整個理論網(wǎng)絡(luò)中剝離出來，讓它去面對證據(jù)的判決性反駁。22

格倫鮑姆進(jìn)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(jié)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(dǎo)出E’，即H∧A’→E’，從而保證H不被反駁。23

首先，格倫鮑姆認(rèn)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(dǎo)出的試驗結(jié)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(zhì)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(jù)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?zāi)軌驇椭藗冚^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(jīng)驗相聯(lián)系的公理體系來組織科學(xué)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(jié)果相連接的程序。（進(jìn)行演繹）再次，確證用經(jīng)驗解釋的公理體系中的演繹結(jié)果。（完成檢驗）

假說——演繹——檢驗26經(jīng)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(lán)紫。經(jīng)多次重復(fù)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(yù)測），再設(shè)計新的實驗加以檢驗推論出穿過棱鏡的某種單色光應(yīng)當(dāng)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(shè)計了一個雙棱鏡實驗證明了這個預(yù)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(jié)論（Hc）。29亨普爾：假說-演繹模型的關(guān)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(jù)，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(dāng)從事科學(xué)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(fù)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(gòu)，屬于證明階段。31波普爾的證偽主義：科學(xué)發(fā)展模式最根本的特點——科學(xué)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(jì)，形而上學(xué)自然觀被打出缺口，

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