科学问题假说与发现

科学问题：假说与发现1科学观与科学方法论（中）1.科学问题科学研究始于问题

案例：塞麦尔维斯医生的故事2科学问题在科研中的意义：“提出一个问题往往比解决一个问题重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。——爱因斯坦

1）当人们进行观察的时候，总是以问题为框架，有选择地观察和搜集事实材料；

2）从理论发展过程看，只有发现了原有理论不能解决的问题，才会补充、修正或着手建立新理论；

3）科学研究本身就是要解决那些尚未解决或尚未完全解决的活动。3科学问题的定义：

科学问题是指一定时代的科学认知主体在当时的知识背景下提出的尚未认识和解决的问题，它包含一定的求解目标和应答域，但尚无确定的答案。4科学问题的分类：

1）按发问的形式不同，可以把科学问题划分为是什么（What）、为什么（Why）、如何（How）；

2）按抽象的程度不同，可以把科学问题划分为经验性问题、理论性问题和哲学性问题；

3）按问题的答案域是否存在，可以把科学问题划分为真问题和假问题；

4）按对背景知识是否了解，可以把科学问题划分为待解问题和无知问题；

5）按问题在科学发展的常规化时期与革命时期所起的作用，可以把科学问题划分为常规问题和非常规问题。5科学问题的来源:

1）科学实践与科学理论的矛盾中产生；

2）从科学理论内部的矛盾中产生问题；

3）从不同学派理论之间的矛盾中产生问题；

4）从社会需要和现有生产技术手段的局限的矛盾中产生问题。6科学问题的解决途径：

1）进一步获取科学事实来回答问题

2）引入新的假说来解答问题

3）引入新的概念解决问题案例：从天王星之谜到海王星之发现7天王星在1781年被确认为是太阳系的第7颗行星。在此之前，天文学家曾多次在望远镜中见到过它。1820年，法国天文学家布瓦德根据天体力学原理计算天王星的运动轨道时，出现了一个奇怪的现象：他算出的轨道与1781年以后的观测极不相符，而他仅以1781年以后的观测为依据进行计算时，却与1781年以前的观测极不相符。这一令人困惑的事实，吸引了许多天文学家都来观测和计算天王星的运动。10年之后，观测数据积累得更多，计算也更加周密，计算时考虑了离天王星最近的土星和木星的影响。可是，理论值和观测值仍然相差很远。8布瓦德等天文学家曾怀疑以往观测记录的可靠性。他们将1750年以后在英国格林尼治天文台对各个行星所作的全部观测记录，统一地进行了复核。他们发现，除天王星以外，对于别的行星，观测记录与计算结果都能相当准确地符合。根据当时的观测技术水平，天王星的观测位置与计算位置相差之大，已远远超出了观测的误差范围。因此，他们断定：问题不是出自观测，应该在理论计算方面找原因。面对天王星运动不规律性之谜，一些人提出疑问：为什么从牛顿力学发展而来的天体力学原理不能适用于天王星运动的计算呢？是不是牛顿的万有引力定律并不“万有”？是不是对于天王星这一距离太阳较远的行星，引力作用不再遵从牛顿力学了，或者牛顿的力学理论需要修正了？9绝大多数科学家坚信经过一百多年实践考验的牛顿力学的正确性。他们认为可以继续依靠牛顿理论弄清楚天王星运动不规律性的原因。天文学家们提出几种可能的假说：“灾变”假说、“未知卫星”假说、“未知行星”假说。英国的亚当斯和法国的勒威耶都用了对问题中一些要素作简化假设和逐步修正的办法，终于基本上确定出有关未知行星的各个参数的数值。1845年9月23日，柏林天文台的加勒根据勒威耶写来的信着手观测，当晚就在偏离预言位置不到1度的地方发现了一颗八等星，查遍星图，就连最详尽的星图也没有标出这颗星。经过连续观测，数据都与预计的结果相符合。于是加勒高兴地宣布，这颗星就是所要寻找的新行星。102.科学假说从科学活动的一般模式看，科学假说是通向科学理论的必要环节。“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”（恩格斯）科学假说的定义：科学假说是对已有的经验和事实作出试探性解释和预测的基本的思维形式。11科学假说通常由以下几个基本因素构成：事实基础；背景理论（包括推理规则）；对现象本质的猜测；由猜测推演出的预言。比如，大爆炸假说就是以谱线红移（哈勃定律）等为事实基础，以广义相对论和高能粒子物理学等理论为背景，以超高密、超高温状态下由某种机制引起的原始火球急剧膨胀为基础预测，以“氦丰度”和“3K背景辐射”等为语言而构成的一个认识体系。122.1科学假说的类型科学假说常常是针对科学问题而提出的。相应于科学问题的不同类型，假说的内容和形式也不相同。对于常规科学问题，提出假说的主要目的在于修改、调整、扩展原来的背景知识体系。如麦克斯韦关于电磁波的假说、狄拉克关于正电子的假说等。对于某些科学领域中反复出现的反常问题，科学家则可能提出突破背景知识体系的革命性的理论假说。如著名物理学家普朗克在20世纪初提出的量子假说。132.2科学假说的检验科学假说转化为科学理论的基本条件是其能否经受得住科学实践的检验把科学假说运用于实践，如果有越来越多的事实和这个假说相符合，并且没有任何已知事实与之相矛盾，那就证明这个假说是客观规律的正确反映。案例：万有引力定律1417世纪末，万有引力定律只是一个科学假说。牛顿利用这个假说，推断出：

1）秒摆长度愈接近赤道变得愈短，赤道处的引力比两极附近小，赤道半径大于极半径，地球是个两极较平、赤道突出的扁球体。

2）地球与其轨道平面（黄道面）形成一个倾斜角，所以作用在地球赤道鼓出部分的太阳引力，一定会引起地球的自转轴绕着垂直于黄道面的直线缓慢转动，转动周期为26000年。15牛顿的解释遭到当时天文学家的强烈反对，根据当时流行的理论，地球的形状应当是两极距离大于赤道直径的长形球体。为此，法国数学家莫泊图在1730年，到芬兰北部的拉普兰去测量北纬子午线一度的长度。结果表明，牛顿的观点是正确的。1798年，英国物理学家卡文迪许采用扭秤法较精确地测定了引力常数的值，直接证实了地面物体之间存在着万有引力。万有引力定律在实践中取得了圆满的结果，成功解释了一个又一个事实，没有遇到不可克服的矛盾（反例），从而逐渐转化为科学理论。16科学假说的检验是一个十分复杂的过程。

1）一个全称判断所演绎出的经验推论在数量上是无限的，其中部分结论与观测事实相符合只是为该科学假说提供了某些辩护和支持，无法完全证实这一科学假说。

2）以全称判断形式出现的科学假说只能通过证实后件（即推论）为真从而证实前件（科学假说）为真的方法确证，然而在逻辑上这种方法是不能完全保真的。如果p则q；p；所以q（结论必为真）如果p则q；q；所以p（结论可能为真，可能为假）173）结论与观测事实不符，不一定能否定相关的科学假说。判决性实验存在吗？所谓判决性实验，就是在对立的两个假说之间，设计一个或一组观测或实验，来证实哪一个预见性更正确。长期以来，科学家们相信，如果从一个假说作出的推断跟另一个假说作出的推断相抵触，实验结果支持其中的一个推断而否定另一个推断，就可以认为该实验在两个对立的假说中作出了判决。被判定正确的那个假说就转化为理论。18案例：傅科实验1850年，傅科采用旋转镜法，测到光速为298000千米/秒（误差不超过1%）；同时，测到光在空气中的速度比在水中的速度大傅科实验的结果涉及到两个互相抵触的“可检验预测”：（1）波动说预言。如果进行[傅科]实验，那么第一个像将呈现于第二个像的右边。（2）微粒说预言。如果进行[傅科]实验，那么第一个像将呈现在第二个像的左边。傅科实验对光速的测量为光的波动理论的胜利提供了有力的证据，被认为是确证波动说、同时证伪微粒说的“判决性实验”19关于判决性实验的争论：1906年，法国物理学家迪昂在其代表作《物理理论的目的和结构》一书中对判决性实验提出了反对意见。他认为，物理学中不存在判决性实验，“物理实验不是否定孤立的假说，而是否定整个理论整体。”到1950年初，美国科学哲学家蒯因进一步重申并加强了迪昂的观点，他说：“我们关于外部世界的陈述不是个别的，而是作为一个整体面对感觉经验的法庭。”后来学界把这里强调的观点成为“迪昂-蒯因论点”。20解析迪昂-蒯因论点：根据逻辑学中的“否定后件推理”：如果一个理论（或假说）H必然地推出一个实验证据E，即H→E，那么E一旦被否定，H将必然遭到否定，即-E→-H。但是，“理论H”有更多的含义。实际情况不是单个的理论H必然推出实验结果E，而是理论整体H∧A必然推出E，即H∧A→E，这里的A包括“辅助性假说”和“背景信念”。所以，E反驳的是“H∧A”整体，而不是单一的H，即-E→-（H∧A），实验结果E无法构成对理论H的判决性反驳。21

1960年，科学哲学家格伦鲍姆发表论文，反对迪昂-蒯因论点的观点，认为不能一概否认判决性实验的存在。格伦鲍姆把迪昂-蒯因论点概括为两种形式：第一种形式，从逻辑上说，证伪一个理论H或确证一个理论H，情形一样，总要涉及到包含着理论H在内的整个理论网络，是整个理论网络面对检验，而不是单独的理论面对检验。第二种形式，理论H是整个理论网络的一个组成成分，不可能单独地把理论H从整个理论网络中剥离出来，让它去面对证据的判决性反驳。22

格伦鲍姆进一步模拟迪昂-蒯因，提出了两个形式化推论：第一，从[H∧A→E]∧-E，推不出-H，而只能推出-（H∧A）。因此，-H不能从前提[H∧A→E]∧-E演绎地推出，从而得出，-E对H的反驳不是决定性的。第二，与E不相容的实际实验结果E’允许H是正确的，而A是错误的，因为理论家总能够把A修改成A’，使得H与A’的合取能推导出E’，即H∧A’→E’，从而保证H不被反驳。23

首先，格伦鲍姆认为，第一个推论式，即[H∧A→E]∧-E，推不出-H，而只能推出-（H∧A），即[H∧A→E]∧-E]→-（H∧A）作为一个否定后件式推理是有效的，但它有适用的条件，即E’与由H和A的合取推导出的试验结果E不相容，因此，并不足以证明对H的反驳一定是非决定性的。其次，无论是否定后件式推理还是其他的逻辑形式都不能保证一定有（ƎA’）[H∧A’→E’]。再次，格伦鲍姆提出质疑，迪昂、蒯因凭什么保证对于任何H和任何E，总存在着一套挽救性假说A’，使得E’能从H与A’的合取中演绎出来，因为，这根本不是逻辑能保证的。A’是否存在，只能根据每一种特殊情况作个别的、具体的证明才能确定。24

如何理解判决性实验？

判决性实验比其他类型的实验更有可靠性。此外，判决性实验能够帮助人们较快地、较充分地评价它的证实或否证意义。然而，任何检验自身是相对的、具体的和可变的。即使是判决性的否证，也不可能把假说中的一切谬误都一下子指出来。而且，不存在着把一个假说判为绝对纯粹的谬误的否证。253.

假说—演绎方法假说-演绎模型：指的是用一个与经验相联系的公理体系来组织科学知识。

首先，提出一个公理系统。（提出假说）其次，规定一个把公理体系的命题与观测结果相连接的程序。（进行演绎）再次，确证用经验解释的公理体系中的演绎结果。（完成检验）

假说——演绎——检验26经典案例：牛顿创立光的颜色理论

牛顿把一块棱镜放在阳光通过小孔后形成的狭窄光束的路径上，并在棱镜后面的屏幕上看到了一条拉长了的彩色光带：红橙黄绿青蓝紫。经多次重复实验，积累了大量观测材料。27提出试探性解释的假说：“日光是由具有不同折射率的不同颜色的光所组成的，棱镜的作用就是使每种颜色的光按照某个特定的角度发生折射。”利用这个假说，牛顿就可以解释许多其他的现象，例如彩虹。以假说为前提演绎得到推论（预测），再设计新的实验加以检验推论出穿过棱镜的某种单色光应当按这种颜色特有的折射率发生偏折，不会再分解成别的颜色。牛顿设计了一个双棱镜实验证明了这个预测。28现代假说-演绎模型：

P……H∝OcHc

某项研究从解决一个问题（P）开始，通过非逻辑或者直觉的猜测得出一个假说（H），由此推演出（∝）必然的可观察的检验陈述（Oc），如果这些陈述被证明是正确的，就归纳出（）被确证的结论（Hc）。29亨普尔：假说-演绎模型的关键在于研究这一假说的形式对问题所作的试探性回答。试探性假说是假说-演绎模型的出发点。波普尔：任何理论都不难找到确证的证据，但不可能完全得到证实，取消了确证的环节

P1→TT→EE→P2

P1表示问题，TT表示试验性理论，EE表示消除错误，P2表示新的问题

P……H∝Oc（猜测出假说H，演绎出观察命题Oc）30波普尔：《猜想与反驳》波普尔演绎模型的两个特征：

1）反归纳主义的倾向。人类所具有的潜在的、先天的知识，处于潜在的期望之中，当从事科学探索时而被激活。一切知识都是某些先天知识的变形，因而不存在重复性的归纳。

2）间断论的观点。发现的过程不是单一的逻辑过程，而是两个不连续的阶段：第一步是非逻辑或直觉的，属于发现阶段；第二步是逻辑的或理论的重构，属于证明阶段。31波普尔的证伪主义：科学发展模式最根本的特点——科学是一个永无止境、不断发展的过程。理论：黑格尔第一次提出发展的思想事实：19世纪，形而上学自然观被打出缺口，

20世纪，形而上学科学观被辩证自然观代替，1919年日食观测：为什么久经考验、无可置疑的理论也会因为一次失败而毁于一旦