科学发现与假说与理论

1、科学发现与假说与理论 第二节第二节 科学发现的基本环节科学发现的基本环节 科学发现与假说与理论 一、归纳主义的科学发现过程：归纳主义的科学发现过程： 科学发现与假说与理论 1、观察实验（经验事实）是科学研究的起点支撑点。、观察实验（经验事实）是科学研究的起点支撑点。 2、归纳主义是从经验事实发现普遍原理的基本方法。、归纳主义是从经验事实发现普遍原理的基本方法。 （观察的数量足够多，可重复，与已有公理不冲突。）（观察的数量足够多，可重复，与已有公理不冲突。） 3、理论的确认是在演绎结论和事实的对照中实现的。、理论的确认是在演绎结论和事实的对照中实现的。 如果演绎的结论在事实中被证实，理论就被确认

2、一次。如果演绎的结论在事实中被证实，理论就被确认一次。 被证实的结论越多，理论的确认程度就越高。被证实的结论越多，理论的确认程度就越高。 经验主义认识程序的核心思想：经验主义认识程序的核心思想： 科学发现与假说与理论 条件： o一是证明它与其它一些得到充分证明的定律 没矛盾； o二是证明它的一些推断与所观察的事实相一 致。 科学发现与假说与理论 1、问题是科学研究的起点。观察是没有中性的，是、问题是科学研究的起点。观察是没有中性的，是 有问题的观察，是理论指导下的观察。有问题的观察，是理论指导下的观察。 2、理性主义认为假说演绎方法不是纯粹的逻辑性过、理性主义认为假说演绎方法不是纯粹的逻辑性过

3、 程，而是非逻辑的过程。程，而是非逻辑的过程。 3、在理论检验上，理性主义认为个别经验不足以证、在理论检验上，理性主义认为个别经验不足以证 实一种理论，只能证伪。实一种理论，只能证伪。 理性主义认识程序的核心思想：理性主义认识程序的核心思想： 科学发现与假说与理论 二、解释： o1、科学解释。就是对所观察到的现象作出合规律 的阐述，就是将现象放于规律起作用的范围。 o2、类型： o演绎解释全称规律解释个别现象。 o概率性解释-用统计规律解释某一现象。 o功能性解释-用功能定律解释某一功能。 o结构性解释-用结构解释某一功能。 o起源性解释-用演化规律解释相应现象，具有历 史分析性。 科学发现与

4、假说与理论 3、解释的结构 o能解释的规律是什么-定律发现； o规律起作用的条件是什么-条件发现； o被解释的现象是什么-现象发现； o如何确立其推理链-推演形式（操作，程 序，操作规则）发现； 科学发现与假说与理论 4、解释的逻辑模型 oL一般规律；C条件；E解释的现象； o LCE 科学发现与假说与理论 5、解释与发现的关系 o解释中存在未知项就意味着发现。 o1、对大前提的发现 o2、条件发现； o3、过程性发现 o4、对新事实的预见 科学发现与假说与理论 三、验证 o1、验证是对各类发现进行趔性评价的过程 及结果。 o2、逻辑验证；通过逻辑分析不验证发现的 真假，具有前验性。 o第一，

5、非逻辑过程是充许的，但不能有反逻 辑错误； o第二，不能有逻辑性悖论，必须要逻辑自洽。 o第三，不能与理论和事实相违背。 科学发现与假说与理论 3、实验证实与证伪 o证实： oLCECL o验证 o1）（L1CE1）（L2CE2） o（E1E2）E2L1L2 o2）LCE E（LC） 科学发现与假说与理论 注意 o1、验证是一个反复的过程 o2、要持分析态度 o3、注意验证的相对性与绝对性 科学发现与假说与理论 第三节第三节 假说与理论假说与理论 什么样的理论是好理论？放之四海而皆什么样的理论是好理论？放之四海而皆 准的理论是好理论吗？准的理论是好理论吗？ 人需要理论及其体系，就象人需要空气人

6、需要理论及其体系，就象人需要空气 一样一样 科学发现与假说与理论 一科学方法的关键是事实与假说和理论一科学方法的关键是事实与假说和理论 之间的必要张力？之间的必要张力？ 即大胆假设小心求证即大胆假设小心求证 科学发现与假说与理论 二假说二假说 1、假说的概念：假说是根据已知的科学事实和科学原 理，对所研究的自然现象及其规律性提出的一种假 定性的推测和说明。 2、假说的特点： 第一，以事实为基础，（表明其科学性） 第二，具有猜想性内容和试探性质。（表明其假定性， 也就是对现实的超越性。这种超越除非得到证明， 否则科学共同体很难认定。） 科学发现与假说与理论 三、假说的提出： o理论性假说的主要内

7、容是提示事物内部机理 和深层本质，其核心部分是关于事物本质的 假定。而这种假定是基于一定事实基础和理 论背景提出的，它应该能推出预言或预见以 供下一步验证。因此完整的理论性假定应包 括以下结构要素：事实基础；本质性假定； 预言预见；背景理论（包推理规则）。 科学发现与假说与理论 例：宇宙大爆炸理论 o大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷 的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不 断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密断地膨胀，使物质密度从密到稀

8、地演化。这一从热到冷、从密 到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观 点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100 亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙 间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态 的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。 当温度降到当温度降到10

9、亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它 要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素 就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，万度后， 早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的 物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度 降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐降到几千度时，辐射减退

10、，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐 凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今 天看到的宇宙。天看到的宇宙。 科学发现与假说与理论 证据 o（a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任 何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应 小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。 o（b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距 离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙 膨胀的反映。 o（c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。 用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根

11、据大 爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明 这一事实。 o（d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙 每一历史时期的温度。 科学发现与假说与理论 宇宙大反弹理论 o大反弹理论是是由德国物理学家伯卓瓦发现的。该理论认为，宇宙 形其实是不停重复大爆炸和大挤压的过程，也就是说，宇宙是一直不 停的收缩和膨胀。因此我们所说的宇宙的起源(也就是大爆炸)可能只 是上一次宇宙大挤压造成后果。 o宾夕法尼亚大学物理教授 Martin Bojowald 建立的数学模型(1)所演 绎的物质在量子状态下系列特征进一步证实了大反弹理论。Martin 教授称大反弹理论可能推翻大爆炸理论，重新解

12、释宇宙的真正起源。 oMartin 与同事们通过一种被称为量子引力环(2)的数学建模工具完成 了时空的飞跃，对宇宙大爆炸以前的物质存在状态作出了详细的描述。 根据大反弹理论，物质波动在空间和时间的尺度上呈反弹式运动， 其波长覆盖的范围也会在垂直尺度上产生较大的变化，量子物理学为 宇宙形成过程的数学建模增加了几个参数，使演绎结果更加出人意料， 科学家认为，在我们现在居住的宇宙形成以前，可能存在一个结构相 近的反宇宙，而不是原先设想的绝对虚无状态。反宇宙的坍缩最 终引发了大反弹，进而创造了我们现在这个仍然在不断扩张的宇宙。 科学发现与假说与理论 o根据这个模型，在大爆炸开始的一瞬，我们的宇宙体积非

13、常小 但并没有小到零，能量极大却不是无穷大，并不是奇点。模 型还显示，大爆炸很可能是前一个宇宙的灭亡所触发的。与我 们正在加速膨胀的宇宙不同，大爆炸开始之前，宇宙的 前世 处于收缩状态。计算表明它并不能收缩成一个没有体积的奇点 ，因为当温度和压力变得极大时，引力会变成斥力，阻止宇宙 进一步收缩。根据计算，由于积蓄的引力能量非常大，宇宙收 缩到一定程度后会发生大反弹，就像皮球重重地砸在地上之 后会反弹起来。Martin 教授认为，大反弹触发了当前宇宙的 膨胀，在我们这个宇宙中还有可能找到其前世遗留下来的痕 迹。 o按照大反弹之说，大爆炸并非时间和空间的开始，宇宙有无限 的过去和未来。如此一来永恒

14、还是存在的，这一点对崇尚永恒 不灭的中国哲学而言非常重要。 科学发现与假说与理论 注意： o事实基础是假说的基本依据。仅在出现事实 而未被已有理论满意解释时才提出假说。假 说验证前的科学性应由事实保证。本质性假 定假说的核心，验证针对这一部分。预言预 见是本质性假演绎的事实，提供了对假说进 行验证的可能性。背景理论是假说暗示的内 容，包括被假说借用和修正的理论。 科学发现与假说与理论 四、假说在科学研究中的作用四、假说在科学研究中的作用 o1、假说是凝结已有成果，为发展科学理论 的必经途径。 o2、提示新实验，促进新理论形成。 o3、不同假说的争论有利于科学的发展。 科学发现与假说与理论 五、

15、 假说的来源： 假说是逻辑与非逻辑性思维的正确运用，是创 新性思维活动。 （1）来源于理论与实践的矛盾 （2）为了直接解决理论自身中的矛盾； （3）对新旧事实矛盾的假定性说明； 科学发现与假说与理论 六、 形成假说的方法形成假说的方法 o 形成假说的三个阶段形成假说的三个阶段 n 一 是孕育阶段。这个阶段的主要特点是：A 研究者的注意力集中于分析最主要的事实；B在 这一阶段想象、联想、灵感等思维形式尤其重 要。C类比和归纳的作用较为突出。D初步的假 定具有明显的尝试性和暂时性。 科学发现与假说与理论 o二 是形成阶段 。主要特点：A以初始的假 定为中心广泛地综合解释已有的事实材料； B演绎论证

16、的作用较为突出C 预言未知的事 实或新的现象。 o三 是检验阶段。 对假说进行全面检验特别 是专门设计的实验检验，使之向理论过渡。 关于这三个阶段的区分也只是相对的意义。 科学发现与假说与理论 七、建立假说应遵循的原则七、建立假说应遵循的原则 o假说是理论的过渡形态，因此科学理论本身 的特性与功能，就成为提出假说时应考虑的 原则： o1解释性原则。假说和已知事实的关系。是 基本的原则 o2对应性原则。指假说和已知科学理论的关 系。 科学发现与假说与理论 o3简单性原则。要求在假说体系中所包含的 彼此独立的假设或公理最少，可以减少造成 不自洽的根源。这是一个美学原则。 o4可检验性原则。检验科学

17、假说的推论：实 验针对的是具体的科学事实。 科学发现与假说与理论 八、 科学假说向理论的转化科学假说向理论的转化 o 一一 检验假说的原则与方法检验假说的原则与方法 o1假说的检验方法：逻辑分析和实践检验两 个步骤。 科学发现与假说与理论 oA逻辑分析：判断假说的可检验性。此外逻 辑分析的内容还包括：分析假说中的概念是 否具有精确性、明晰性和简单性；分析假说 在逻辑结构上是否具有一致性；分析假说是 否得到已有的科学理论与科学事实的支持等。 在实践检验中也常用逻辑方法。可检验假说 是否相容的和自洽的，但是不能判断假说的 真伪。 科学发现与假说与理论 oB实践检验：分为直接检验和间接检验。 o 直

18、接检验，即用观察和实验直接观测科学 假说的实质内容，以证实或否证科学假说。 o 间接检验：即用观察和实验观测来检验假 说基本命题所推演出来的结论或预言。通常 用逻辑推演与实践证明相结合的方式。 科学发现与假说与理论 2 检验假说的原则： oA事实的可靠性、充分性或典型性； o B 理论分析与实践检验的统一性； o C 验证假说的长期性； 科学发现与假说与理论 九、九、 建立科学理论体系的方法建立科学理论体系的方法 一、科学理论的特点和结构方式 1、科学理论：是经过实践检验的正确反映客 观规律的科学知识体系。 2、特征： 1）真理性：正确反映客观对象，是客观真理。 2）普遍性：提示对象的深层次本

19、质，普遍适 用这一领域。 3）系统性：4）逻辑性。 科学发现与假说与理论 九、九、 建立科学理论体系的方法（续）建立科学理论体系的方法（续） 3、结构： 1）基本概念，构成科学理论的基石和逻辑出发点。 2）命题：将有关概念联结起来的判断：是对象间关系 的抽象表征，以全称判断形式出现。 通过对观察材料概括的理论称原理性理论；通过理 论假定而引入原理的理论称为结构性理论。 3）结论：定律，原理和理论。是科学理论的基本构成， 它履行着解释存在，预测未来的功能。在这种通过 推导或证明过程联结的理论体系中，由此构成推理 链条，在这种推理链条中和种知识都有可以用原理 加以解释，使用权科学理论成为知识容量大且结构 化程度高的知识体系。 科学发现与假说与理论 九、九、 建立科学理论体系的方法（续）建立科学理论体系的方法（续） 4）方法及工具 与基本概念，基本原理，科学推理的结构形式相对应 的还使结构得以建立的各种方法和工具。如抽象模 型；符号语言；逻辑数学等。 抽象模型：就是将研究对象复制于思想，从而对其进 行思维操作，界定概念，提示原理。 符号语言；它是构成理论的专用术语和语言手段。