第6章科学方法论(下)科学发现的逻辑

科学问题与科学发展的背景相关 知识背景决定着科学问题的内涵深度和解答途径。 知识背景决定着科学问题的内涵深度和解答途径。 同一问题，在不同知识背景下，其内涵深度是不同的。 同一问题，在不同知识背景下，其内涵深度是不同的。 比如，探索遗传的奥妙是一个古老的问题， 比如，探索遗传的奥妙是一个古老的问题，在19世纪的 世纪的 知识背景下孟德尔提出的是“体质” 种质”的问题， 知识背景下孟德尔提出的是“体质”和“种质”的问题， 20世纪初摩尔根提出的则是“基因”的问题。到了 世 世纪初摩尔根提出的则是“ 世纪初摩尔根提出的则是 基因”的问题。到了20世 年代， 纪50年代，沃森和克里克则提出了生物大分子 年代 沃森和克里克则提出了生物大分子DNA的 的 结构问题。 结构问题。
问题是接 生婆， 生婆，它 能帮助新 思想诞生。 思想诞生。
苏格拉底
“科学在每个时代都有 科学在每个时代都有 它自己的问题， 它自己的问题，而这些问 题的解决对于科学发展具 有深远意义。 有深远意义。” “只要一门科学分支能 提出大量的问题，它就充 提出大量的问题， 满着生命力， 满着生命力，而问题缺乏 则预示着独立发展的衰亡 和终止。 和终止。”
德国数学家希尔伯特
希尔伯特发表了题为 数学问题》 《数学问题》的著名 讲演。 讲演。他根据过去特 别是十九世纪数学研 究的成果和发展趋势， 究的成果和发展趋势， 提出了23 23个最重要的 提出了23个最重要的 数学问题。 数学问题。
问题：一种已知与未知的结合体、交界。 问题：一种已知与未知的结合体、交界。 科学问题： 科学问题：
一般来说， 一般来说，问题表现为一个 疑问句。 疑问句。逻辑学家对疑问句 的研究发现， 的研究发现，疑问句在逻辑 特征上不同于一般的陈述句。 特征上不同于一般的陈述句。
“任何疑问句 都存在一个或多 个预设” 个预设”
问题有科学的问题和非科学的问题
如果问题的预设是真实的，则问 如果问题的预设是真实的， 题的提法是正确的； 题的提法是正确的； 如果问题的预设是虚假的， 如果问题的预设是虚假的，那么问 题的提法是错误的。 题的提法是错误的。
什么是问题呢？ 什么是问题呢？ 波普尔说问题就是 矛盾和不一致” “ 矛盾和不一致 ” 。 哪里 有没有解决的矛盾， 有没有解决的矛盾 ， 哪里 就有问题。 就有问题 。 人们对事物的 某种现象、 某种现象 、 特性和规律或 对生产领域、 对生产领域 、 有了这些问 题或不一致， 题或不一致 ， 人们就要对 它们进行猜测， 它们进行猜测 ， 于是就有 了理论。 因此， 他断言： 了理论 。 因此 ， 他断言 ： “ 科学和知识的增长永远 始于问题， 终于问题—— 始于问题 ， 终于问题 愈来愈深化的问题， 愈来愈深化的问题 ， 愈来 愈能启发新问题的问题” 愈能启发新问题的问题 ” 。
非科学问题的类型： 非科学问题的类型：
逻辑问题， 明天可能下雨，也可能不下雨”是真的吗？ ①逻辑问题，如“明天可能下雨，也可能不下雨”是真的吗？一些问 题表面上不是逻辑问题，但实际上可化归为逻辑问题， 题表面上不是逻辑问题 ， 但实际上可化归为逻辑问题 ， 如 “ 生物是有生 命的物体吗？ 因为其预设“生物是有生命的物体” 命的物体吗 ？ ” 因为其预设 “ 生物是有生命的物体 ” 实际上是一个重言 式命题。 式命题。 数学问题， ② 数学问题 ， 如 “ 2＋2＝4吗？ ” 按照数学哲学的三个重要的学派逻 ＋ ＝ 吗 辑主义、构造主义和直觉主义，这是一个非科学问题。 辑主义、构造主义和直觉主义，这是一个非科学问题。 形而上学问题， ③形而上学问题，即有关讨论经验之外的物质与意识关系等传统的哲 学问题， 宇宙意识是否是一个实体？ 学问题 ， 如 “ 宇宙意识是否是一个实体 ？ ” 由于其预设是形而上学的知 它们不涉及经验内容，不可能被证实和证伪， 识 ， 它们不涉及经验内容 ， 不可能被证实和证伪 ， 所以是非科学的问题 。 伪科学问题，它们虽然讨论经验问题，但用词含混不清， ④伪科学问题，它们虽然讨论经验问题，但用词含混不清，论断模棱 两可，无法用经验证伪。 两可，无法用经验证伪。 宗教问题， 上帝是善的吗？ 由于其预设涉及到超验的知识， ⑤宗教问题，如“上帝是善的吗？”由于其预设涉及到超验的知识， 因此应被列入非科学的问题中。 因此应被列入非科学的问题中。
任何一种科学理论内部应当在逻辑上是无矛 盾的，这是一个科学理论的基本要求。 盾的，这是一个科学理论的基本要求。如果 理论内部出现了矛盾， 理论内部出现了矛盾，一个理论可以推出互 相对立的论断， 相对立的论断，则这个理论的逻辑前提必然 有问题。 有问题。抓住这种问题往往是科学发展的关 键。 例如，亚里士多德认为，在地球表面上， 例如，亚里士多德认为，在地球表面上，重 物下落的速度比轻物下落的速度快。 物下落的速度比轻物下落的速度快。按照亚 里士多德的理论， 里士多德的理论，可以推出两个截然相反的 结论。设想有两个小球为A和 ， 大于 大于B， 结论。设想有两个小球为 和B，A大于 ，A 下落比B快 现在将A与 连在一起 再与A 连在一起， 下落比 快，现在将 与B连在一起，再与 比较。 下落的快， 下落的慢 下落的慢， 和B比较。由于 下落的快，B下落的慢，那 比较 由于A下落的快 连在一起的下落的速度应该界于A 么，A与B连在一起的下落的速度应该界于 与 连在一起的下落的速度应该界于 之间， 而大于B。然而， 、B之间，即小于 而大于 。然而，连在一 之间 即小于A而大于 起的A和 重量又大于 重量又大于A， 起的 和B重量又大于 ，下落的速度应大于 A。这样，就有连在一起的 和B下落的速度 。这样，就有连在一起的A和 下落的速度 既有大于A又有小于 又有小于A。 既有大于 又有小于 。同样的一个前提得出 相反的两个结论，说明前提有问题。 相反的两个结论，说明前提有问题。
第六章 科学发现的逻辑
第一节
科学发现的逻辑起点
“创新是一个民族进步的灵魂。 创新是一个民族进步的灵魂。 创新是一个民族进步的灵魂 是国家兴旺发达的不竭动力。 是国家兴旺发达的不竭动力。一个没 有创新能力的民族， 有创新能力的民族，难以屹立于世界 先进民族之林” 先进民族之林”。 -------江泽民 江泽民
波的粒说
普朗克方程 光电效应实验 爱因斯坦对实验结果的解释 原子线光谱和巴尔麦实验式 玻恩氢原子模型 量子力学
粒的波说
德布罗意方程 电子束衍射实验 海森堡不确定原理 玻恩对衍射花纹的统计解释 薛定谔方程和波动力学模型 波动力学
1927年索尔维会议
第二.从理论的内部中发现问题 第二 从理论的内部中发现问题
1. 科学发展始于问题
“问题是新知识、 问题是新知识、 问题是新知识 新学问的老祖宗， 新学问的老祖宗，古 往今来的一切新知识 的产生与积累都是因 为要解答问题” 为要解答问题”。
--胡适在 胡适在1932年6月为北大毕业生 胡适在 年 月为北大毕业生 的赠语
思维是 从疑问和 惊奇开始 的。
亚里士多德
2.问题的来源 2.问题的来源
第一，从已有的理论与经验或实验事实的矛盾中发现问题。 第一，从已有的理论与经验或实验事实的矛盾中发现问题。
人们进行的任何观察， 人们进行的任何观察，人们都要根据研究的 目的选择观察对象和范围， 目的选择观察对象和范围 ， 总是在一定的理论指 导下进行的， 即所谓“ 观察渗透着理论” 导下进行的 ， 即所谓 “ 观察渗透着理论 ” 。 一旦 某一观察现象与现有的理论发生矛盾或不一致， 某一观察现象与现有的理论发生矛盾或不一致 ， 人们更多的是相信事实， 旧理论就会发生危机， 人们更多的是相信事实 ， 旧理论就会发生危机 ， 就需要对旧理论进行修改或彻底推翻， 就需要对旧理论进行修改或彻底推翻 ， 从而建立 能够解释观察事实的新理论， 达到科学的创新。 能够解释观察事实的新理论 ， 达到科学的创新 。 例如， 在我们在日常生活当中， 例如 ， 在我们在日常生活当中 ， 人们总是觉得天 圆地方， 无边无际， 圆地方 ， 无边无际 ， 但为什么远来的船只先见桅 杆后见船身呢？ 太阳总是这样的东升西落， 杆后见船身呢？ 太阳总是这样的东升西落， 但为 什么会有四季更替？ 什么会有四季更替 ？ 正是这些经验事实与传统理 论的矛盾， 才促使人们去思考， 去探讨， 论的矛盾 ， 才促使人们去思考 ， 去探讨 ， 并提出 假说，才有日心说的发端。 假说，才有日心说的发端。
有关问题，特别是科学问题，从逻辑上讲可分为三种： 有关问题，特别是科学问题，从逻辑上讲可分为三种： 一种是“是什么” what）的问题。 一种是“是什么”（what）的问题。 这类问题是关于研究对象的识别与判定的， 这类问题是关于研究对象的识别与判定的 ， 如 “ 原子是什么 遗传基因是什么？ ？”、“遗传基因是什么？”、“在显微镜下所观察到的某个斑 驳陆离的图案是什么？ 等等； 驳陆离的图案是什么？”等等； 二种问题是“怎么样” how）的问题。 二种问题是“怎么样”（how）的问题。 这类问题是询问研究对象的状态及运动转化过程的， 这类问题是询问研究对象的状态及运动转化过程的 ， 如 “ 太 阳系的结构是怎么样的？”“铁元素的原子量有多大 铁元素的原子量有多大？ 等等； 阳系的结构是怎么样的？”“铁元素的原子量有多大？”等等； 三种问题是“为什么” why）的问题。 三种问题是“为什么”（why）的问题。 提出这类问题是要求对某个事实进行解释，例如， 提出这类问题是要求对某个事实进行解释 ， 例如 ， “ 为什么 牛有四个胃？”“苹果为什么会落地 苹果为什么会落地？ 等等。 牛有四个胃？”“苹果为什么会落地？”等等。
“科学始于问题” 科学始于问题” 科学始于问题
英国著名科学哲学家波普尔 科学发展的四段式： 科学发展的四段式：P1 →TT →EE →P2 P1是研究最初所面对的问题 是研究最初所面对的问题problem，它是科学发展的开端，也是理论的对象。 ，它是科学发展的开端，也是理论的对象。 TT表示试探性理论 表示试探性理论tentative theory。面对问题，科学家进行了各种大胆的猜测， 表示试探性理论 。面对问题，科学家进行了各种大胆的猜测， 试着去解答，并提出了各种假说。 试着去解答，并提出了各种假说。 EE是排错、消除错误 是排错、 是排错 消除错误elimination of error。通过观察、实验或实践中的生产应用， 。通过观察、实验或实践中的生产应用， 加以检验，淘汰不合理的成分，正确的被保留下来从而使科学理论得到了发展。 加以检验，淘汰不合理的成分，正确的被保留下来从而使科学理论得到了发展。 P2是新的问题 是新的问题problem。 。 经过长期确认的理论一旦被证伪，就产生一个新问题。新问题的解决， 经过长期确认的理论一旦被证伪，就产生一个新问题。新问题的解决，又要 求提出新的假说、理论，于是又需要新的检验，如此循环往复以至无穷。 求提出新的假说、理论，于是又需要新的检验，如此循环往复线 飞进的微粒流，而且， 飞进的微粒流，而且，他用这 种假说成功地解释了光的传播、 种假说成功地解释了光的传播、 反射和折射等一系列实验现象。 反射和折射等一系列实验现象。 格里马弟发现 发现， 格里马弟发现，光透过两个 紧挨的小孔， 紧挨的小孔，在某些位置出现 干涉现象。同时， 干涉现象。同时，他还发现在 狭窄的光束路径上放一物体， 狭窄的光束路径上放一物体， 其影子的边缘出现衍射现象。 其影子的边缘出现衍射现象。 光的干涉和衍射实验现象显然 与牛顿的粒子说相矛盾， 与牛顿的粒子说相矛盾，光应 是一种波。 是一种波。 特别是法国科学家菲涅耳 特别是法国科学家菲涅耳 的双镜实验， 的双镜实验，有力地支持光的 波动说