第七章_科学理论演变的动力和模式

EPR佯谬
1935年美国《物理评论》的第47、48期上分别 发表了两篇题目相同的论文：“物理实在的量子力 学描述能否认为是完备的？”在47期上署名的是： 爱因斯坦、波多尔斯基和罗森，在48期上署名的是 玻尔。 EPR是前三位物理学家姓的头一个字母。
“EPR佯谬”的一个重要经典悖论大致如下：由 已知的量子物理法则，可以推断出，在符合某个 条件下产生的一组粒子对，拥有完全相同的质量， 相反的自旋，会产生一种量子效应上的联系，因 而可以通过干扰其中一个粒子来对另一个粒子瞬 间产生影响，且不受任何已知宏观物理效应的影 响——也就是说，如果把这组粒子对中的一个发 射到银河中心去，另一个留在地球上，我们也可 以通过干涉地球上这个粒子，来瞬间对远在数万 光年外的另一个粒子产生影响。这违背了相对论 光速不可超越的屏障。 这个佯谬预示:量子关联现象表面上与相对论 因果关系是相矛盾的。
2、世界科学活动中心的不断转移
科学社会学家贝尔 纳最先在《历史上的科 学》中提出世界科学活 动中心的概念，他认为， 科学中心总是随着民族 的经济文化的兴衰消长 而转移的。
• 公元前6世纪到公元前3世纪，学术文化的中心在 地中海沿岸，古希腊、古罗马是欧洲科学文化的 中心。 • 公元5世纪到15世纪，东方的中国一直居世界领先 地位。 • 15世纪下半叶 ，意大利成为近代以来的第一个科 学文化中心。 • 17世纪中叶之后，科学和技术中心从意大利转移 到英国。 • l8世纪中叶以后，法国一跃成为近代以来的第三 个科学中心。 • 19世纪，德国成为近代以来的第四个科学中心。 • 美国是在1920年第一次世界大战之后步人世界中 心的位置的。
任何科学实验都是在科学理论指导下进行的 例如，电磁波的赫兹实验是为了验证 麦克斯韦的电磁场理论，迈克尔逊——莫 雷实验则是为了验证以太假说。 无论是实验课题的确定、实验的构思和 设计，还是对实验结果的分析和概括，都 离不开一定的科学理论。在万有引力理论 的指导下，正确分析天王星运动观测实验 的结果，导致了海王星的发现;在能量守恒 定律的指导下，正确地分析β衰变的实验， 导致了中微子的发现。
第六章 科学理论演变的动力和模式
• 第一节 • 第二节 科学理论演变的动力 科学理论演变模式
第一节
科学理论演变的动力
本节主要内容
理论与实验的矛盾
科学与技术的相互驱动
理论中的逻辑悖论
不同理论直接的相互竞争
科学发展的不平衡性
一、理论与实验的矛盾
在科学理论内在的演变过程中，科学 理论与科学实验是一对基本的起决定作用 的矛盾，它贯穿于科学发展的全过程，构 成了科学发展的最基本的内在动力。
上述技术所导致的重要的科学发现
• 脉冲星 (1967) • 3K微波背景 (证实了大爆炸宇宙理论的预言)
• 类星体 (第一次测到的高移天体，填补了距离从 几亿光年到上百亿光年的巨大 “实测空白区”， 强化了宇宙演化的整体性观念) • 大批毫米波谱线 (预示星级复杂分子的存在) • “褐矮星”(质量过小从而没有产生核反应的恒星) • 星系核心的大质量黑洞 • 非常大的红移现象 (把星系研究推向早期) • 微波辐射的小背景起伏 (把今日对宇宙的结构的 理解引向根源) • 发现射线暴起源于遥远的宇宙空间 • 预言过的引力微透镜效应 • 发现围绕着其他恒星的行星 (达40个)等
2、科学实验往往引出意想不到的结果， 推动科学理论的发展
迈克尔逊——莫雷检验以太的实验， 本来是要证明以太的存在，却出乎意料地 带来否定以太的结果，更想不到这一 “失 败”竟成了物理学革命的契机。
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3、即使表面与实验无关的科学理论创新， 其实都立足于实验基础之上
爱因斯坦的狭义相对论创立的前提是两 个重要的科学事实:运动的相对性和光速不 变性。 科学理论一旦具备了完整的逻辑性， 就会逻辑地引出新的理论观点和科学预见， 如麦克斯韦通过数学演绎发现电磁场运动 方程，预言了电磁波的存在。
1、任何科学理论活动基本上都是在科学 实验的不断证实和证伪中确立和完善的
• 牛顿机械力学理论、电磁感应理论、氧化理 论、热力学理论、孟德尔——摩尔根遗传理 论，本身就是科学实验的概括和总结; • 许多重大理论的突破，如基本粒子理论、宇 称不守恒定律、遗传基因理论等，都是在科 学实验有所进步的条件下取得的。 • 科学实验能够比生产实践提供更为可靠而必 要的事实材料，对科学理论的演变和进步起 到补充和修正的作用。电磁学理论的发展就 是一个典型例证。
四、不同理论之间的相互竞争
针对同样的经验事实或科学问题，有 多个科学理论相互竞争，进而形成某些科 学理论的证伪或者某些科学理论之间的归 并和融合以致包容和替代，进而促成科学 理论的演变。
1、通过相互竞争和争鸣，最终导致一种科学理论 对其他理论的替代。
日心说
氧化说
地心说
燃素说
斯塔尔
2、通过相互竞争和争鸣，产生了更高层次上统一的、综 合性的、新的科学理论。
普利高津
达尔文
五、科学发展的不平衡性
1、学科发展的不平衡性
苏联哲学家凯德洛夫曾据此提出科学发展的带头 学科的更替理论。
时间 16世纪和18世纪 19世纪 力学
物理学、化学、生物学、地质学
带头学科
20世纪上半叶 微观物理学 从20世纪中期开始 物理学、控制论、分子生物学和遗传学、航天 学、高分子化学等 未来 分子生物学和心理学
二、理论中的逻辑悖论
逻辑悖论的排除对于科学理论的演变 有两方面的意义: 1、改进与完善原来的科学理论 2、提出并创立新的科学理论
亚里士多德与伽利略的“落体定律”
亚里士多德：“物体自由下落 的速度和物体的重量成正比”的命 题，即“物体越重，下落的速度就 越快；越轻，物体下落的速度就越 慢”。 伽利略发现了其中存在的逻辑悖 论：如果把轻重不同的两个物体绑在 一起，它应该下落得更快还是更慢呢？ 一方面，重量更大，应该落得更快； 另一方面，快的物体可能被慢的物体 拖住，没有单独时下落得快。
二、科学与技术的相互驱动
19世纪以前，科学和技术往往是脱节的。 20世纪以来，科学和技术的联系越来越紧密， 日益呈现出科学技术化和技术科学化的特征。 科学和技术的相互驱动，事实上已成为科学 理论演变的重要动力之一。
20世纪80年代大爆炸宇宙理论的建 立所依赖的重大技术条件:
• 望远镜的“保形”设计、 美国建立的“甚大 阵”(VLA，27具直径25 米的射电望远镜组成的 一个射电望远镜系统， 等效面积达120米直径 望远镜)、甚长基准干 涉仪(VLBI，综合孔径 的射电望远镜)以及各 类卫星和天体探测器。
波动说 波动说
惠更斯
麦克斯韦
微粒说
微粒说
爱因斯坦 牛顿 德布罗意
3、不同理论之间的一个低层次的虚拟的理论悖论，通 过相互竞争和争鸣，形成了一种更高层次的、能够消 解这种理论矛盾的科学理论。
热力学第二定律表现出 来的是退化规律 耗散结构理论 ：系统趋 向平衡还是远离平衡
克劳修斯
达尔文进化论表现出来 的是进化规律