第七章_科学理论演变的动力和模式

1、第六章第六章 科学理论演变的动力和模式科学理论演变的动力和模式 第一节第一节 科学理论演变的动力科学理论演变的动力 第二节第二节 科学理论演变模式科学理论演变模式第一节第一节 科学理论演变的动力科学理论演变的动力 一、理论与实验的矛盾一、理论与实验的矛盾 牛顿机械力学理论、电磁感应理论、氧化理牛顿机械力学理论、电磁感应理论、氧化理论、热力学理论、孟德尔论、热力学理论、孟德尔摩尔根遗传理摩尔根遗传理论，本身就是科学实验的概括和总结论，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，都是在科称不守恒定律、

2、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。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。是一个典型例证。 1 1、任何科学理论活动基本上都是在科学、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实验的不断证实和证伪中确立和完善的 迈克尔逊迈克尔逊莫雷检验以太的实验，莫雷检验以太的实验，本来是要证明以太的存在，却出乎意料地本来是要证明以太

3、的存在，却出乎意料地带来否定以太的结果，更想不到这一带来否定以太的结果，更想不到这一 “失失败败”竟成了物理学革命的契机。竟成了物理学革命的契机。2 2、科学实验往往引出意想不到的结果，、科学实验往往引出意想不到的结果，推动科学理论的发展推动科学理论的发展 爱因斯坦的狭义相对论创立的前提是两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个重要的科学事实: :运动的相对性运动的相对性和和光速不光速不变性变性。 科学理论一旦具备了完整的逻辑性，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，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如麦克斯韦通过数学

4、演绎发现电磁场运动电磁场运动方程方程，预言了电磁波的存在。，预言了电磁波的存在。 任何科学实验都是在科学理论指导下进行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，迈克尔逊麦克斯韦的电磁场理论，迈克尔逊莫莫雷实验则是为了验证以太假说。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指导

5、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的结果，导致了海王星的发现; ;在能量守恒在能量守恒定律的指导下，正确地分析定律的指导下，正确地分析衰变的实验，衰变的实验，导致了中微子的发现。导致了中微子的发现。 19 19世纪以前，科学和技术往往是脱节的。世纪以前，科学和技术往往是脱节的。2020世纪以来，科学和技术的联系越来越紧密，世纪以来，科学和技术的联系越来越紧密，日益呈现出日益呈现出科学技术化科学技术化和和技术科学化技术科学化的特征。的特征。科学和技术的相互驱动，事实上已成为科学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。理论演变的重要动力之一。2020世纪

6、世纪8080年代大爆炸宇宙理论的建年代大爆炸宇宙理论的建立所依赖的重大技术条件立所依赖的重大技术条件: : 望远镜的望远镜的“保形保形”设计、设计、美国建立的美国建立的“甚大甚大阵阵”(VLA(VLA，2727具直径具直径2525米的射电望远镜组成的米的射电望远镜组成的一个射电望远镜系统，一个射电望远镜系统，等效面积达等效面积达120120米直径米直径望远镜望远镜) )、甚长基准干、甚长基准干涉仪涉仪(VLBI(VLBI，综合孔径，综合孔径的射电望远镜的射电望远镜) )以及各以及各类卫星和天体探测器。类卫星和天体探测器。上述技术所导致的重要的科学发现上述技术所导致的重要的科学发现 脉冲星脉冲星

7、 (1967)(1967) 3K3K微波背景微波背景 ( (证实了大爆炸宇宙理论的预言证实了大爆炸宇宙理论的预言) ) 类星体类星体 ( (第一次测到的高移天体，填补了距离从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几亿光年到上百亿光年的巨大 “ “实测空白区实测空白区”，强化了宇宙演化的整体性观念强化了宇宙演化的整体性观念) ) 大批毫米波谱线大批毫米波谱线 ( (预示星级复杂分子的存在预示星级复杂分子的存在) ) “褐矮星褐矮星”( (质量过小从而没有产生核反应的恒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星系核心的大质量黑洞 非常大的红移现象非常大的

8、红移现象 (把星系研究推向早期把星系研究推向早期) 微波辐射的小背景起伏微波辐射的小背景起伏 (把今日对宇宙的结构的把今日对宇宙的结构的理解引向根源理解引向根源) 发现射线暴起源于遥远的宇宙空间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预言过的引力微透镜效应 发现围绕着其他恒星的行星发现围绕着其他恒星的行星 (达达40个个)等等二、理论中的逻辑悖论二、理论中的逻辑悖论 逻辑悖论的排除对于科学理论的演变逻辑悖论的排除对于科学理论的演变有两方面的意义有两方面的意义: : 1 1、改进与完善原来的科学理论、改进与完善原来的科学理论 2 2、提出并创立新的科学理论、提出并创立新的科学理论

9、亚里士多德：亚里士多德：“物体自由下落物体自由下落的速度和物体的重量成正比的速度和物体的重量成正比”的命的命题，即题，即“物体越重，下落的速度就物体越重，下落的速度就越快；越轻，物体下落的速度就越越快；越轻，物体下落的速度就越慢慢”。 伽利略发现了其中存在的逻辑悖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；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。拖住，没有单独时下落得

10、快。 亚里士多德与伽利略的亚里士多德与伽利略的“落体定律落体定律”EPREPR佯谬佯谬 1935 1935年美国年美国物理评论物理评论的第的第4747、4848期上分别期上分别发表了两篇题目相同的论文：发表了两篇题目相同的论文：“物理实在的量子力物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？学描述能否认为是完备的？”在在4747期上署名的是：期上署名的是：爱因斯坦爱因斯坦、波多尔斯基波多尔斯基和和罗森罗森，在，在4848期上署名的是期上署名的是玻尔玻尔。 EPREPR是前三位物理学家姓的头一个字母。是前三位物理学家姓的头一个字母。 “EPREPR佯谬佯谬”的一个重要经典悖论大致如下：的一个重要经典悖

11、论大致如下：由已知的量子物理法则，可以推断出，在符合某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，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瞬间产生影响，且不受任何已知宏观物理效应的影响影响也就是说，如果把这组粒子对中的一个也就是说，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，我们也发射到银河中心去，另一个留在地球上，我们也可以

12、通过干涉地球上这个粒子，来瞬间对远在数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。论光速不可超越的屏障。 四、不同理论之间的相互竞争四、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，进而形成某些科多个科学理论相互竞争，进而形成某些科学理论的学理论的或者某些科学理论之间的或者某些科学理论之间的以致以致，进而促成科学，进而促成科学理论的演变理论的演变。1 1、通过相互竞争和争鸣，最终导致一种科学理论、通过相互竞争和争鸣，最终导致一种

13、科学理论对其他理论的替代。对其他理论的替代。日心说地心说氧化说燃素说斯塔尔2 2、通过相互竞争和争鸣，通过相互竞争和争鸣，产生了更高层次上统一的、综产生了更高层次上统一的、综合性的、新的科学理论。合性的、新的科学理论。 波动说微粒说惠更斯惠更斯牛顿牛顿波动说麦克斯韦麦克斯韦微粒说爱因斯坦爱因斯坦物质波物质波假说假说德布罗意德布罗意3 3、不同理论之间的一个低层次的虚拟的理论悖论，通、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。解这种理论矛盾的科学理论。 克劳修斯克劳修斯热力学第

14、二定律表现出热力学第二定律表现出来的是退化规律来的是退化规律 达尔文达尔文达尔文进化论表现出来达尔文进化论表现出来的是进化规律的是进化规律 普利高津普利高津耗散结构理论耗散结构理论 ：系统趋：系统趋向平衡还是远离平衡向平衡还是远离平衡 五、科学发展的不平衡性五、科学发展的不平衡性1 1、学科发展的不平衡性、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。学科的更替理论。时间时间带头学科带头学科1616世纪和世纪和1818世纪世纪 力学力学1919世纪世纪物理学、化学、生物学、地质学物理学、化学、生物学、地质学2020世纪上

15、半叶世纪上半叶微观物理学微观物理学从从2020世纪中期开始世纪中期开始物理学、控制论、分子生物学和遗传学、航天物理学、控制论、分子生物学和遗传学、航天学、高分子化学等学、高分子化学等未来未来分子生物学和心理学分子生物学和心理学2 2、世界科学活动中心的不断转移、世界科学活动中心的不断转移 科学社会学家贝尔科学社会学家贝尔纳最先在纳最先在历史上的科历史上的科学学中提出世界科学活中提出世界科学活动中心的概念，他认为，动中心的概念，他认为，科学中心总是随着民族科学中心总是随着民族的经济文化的兴衰消长的经济文化的兴衰消长而转移的。而转移的。 公元前公元前6 6世纪到公元前世纪到公元前3 3世纪，学术文化的中心在世纪，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地中海沿岸，古希腊、古罗马是欧洲科学文化的中心。中心。 公元公元5 5世纪到世纪到1515世纪，东方的中国一直居世界领先世纪，东方的中国一直居世界领先地位。地位。 1515世纪下半叶世纪下半叶 ，意大利成为近代以来的