科学理论复杂性的检验与评价

三、检验和评价科学理论的复杂性

1.带有辅助性假设的检验

科学理论通常不是一个单纯的孤立的全称命题，它本身是有结构的，往往包含了一些辅助性假设（auxiliary hypothesis）。因而，人们对一个理论进行检验时，逻辑推断P并不是仅仅由被检验的理论命题导出的，而常常是由一组命题导出的，这些命题不是互不相干的、各自独立的，而是彼此联系的。这就是说，对于一个理论的逻辑推断或预测P来说，导出它的前提不仅有受检验的理论T，而且还有辅助性假说I、初始条件C以及实验设计所依据的理论t等，它们都参与了P的导出。因此，经验事实对理论的检验，并不是经验事实和孤立的被检验理论之间的两者关系，而是经验事实与被检验理论、辅助性假设等之间的关系。这样，理论合乎实际的证伪逻辑就应该是如下模式：

显然，这个合乎实际的逻辑方程比朴素证伪主义的证伪逻辑方程更为复杂。当实验结果与理论的推断或预测P相矛盾时，即P被否证，那么导出P的前提也必含有谬误，但是，在导出P的诸前提中，究竟哪个前提是谬误的，这是无法判定的。前提的错误既可能在于受检验的理论T，也可能在于辅助性假设I或初始条件C，还可能在于设计实验所依据的理论t。朴素的证伪逻辑模式是预设了背景知识为真的，设定背景知识是免受检验的。但这种预设，是违反了科学史实际的。

事实上，当被检验理论受到证伪威胁时，科学家往往通过修改、调整辅助性假设，添加特设性假设来加以辩护，或干脆把它撇在一边而不予理睬。我们首先考察通过修改、调整辅助性假设的情况。

所谓辅助性假设是指能够独立检验，并能显著增进科学知识的假设。它往往能导致新的科学发现。

让我们考察一个科学史上的典型案例。根据牛顿力学计算出来的天王星运行轨道与观察的经验事实不一致，天王星轨道的反常究竟是牛顿力学本身存在着错误，还是它的辅助性假设、初始条件中存在着错误，这从证伪的逻辑方程中是得不到答案的。同样，根据牛顿力学计算出来的水星运行的近日点轨道也与观察到的经验事实有矛盾，水星近日点的反常究竟是牛顿力学本身存在着错误，还是它的辅助性假说、初始条件中存在着错误，这也是从证伪的逻辑中得不到的答案的。19世纪上半叶，人们发现天王星有偏离牛顿经典力学的运动，引起了一些科学家对经典力学中万有引力定律产生了怀疑。然而，时隔不久，U·J·J·勒维列于1845年提出了一个辅助性假设，认为在天王星运行轨道的附近存在着一颗未知的行星，由于这颗未知行星对天王星的摄动，才导致了天王星运动的异常行为。对此，U·J·J·勒维列根据经典力学精确地计算出了这颗行星的质量和运行轨道，并预言了该行星将会出现的准确位置。后来，J·G·伽勒按照所在的方位用望远镜看到了这颗未知的行星。这就是天文学史上有名的海王星的发现。

当人们发现水星近日点进动的反常现象以后，曾经按照发现海王星的方式，推测水星受到一颗比它更接近太阳的未知行星的影响。U·J·J·勒维列还给这个未知的行星命名为“火神星”，还详细地计算了这颗行星的质量和运行轨道。这在国际上引起了轰动，引得许多望远镜在太阳近空搜索这颗未知的行星。但半个世纪过去了，仍然不见“火神星”的踪影。直到A·爱因斯坦建立广义相对论，才对此现象作出了成功的解释，原来水星近日点的进动是一种广义相对论效应，所谓“火神星”是根本不存在的。人们从此明白，火星近日点进动的反常是牛顿力学理论本身的问题。由此可见，天王星运行轨道的反常和水星近日点的反常，这是对牛顿理论的两个检验推断作出极其相似的否定，但前者错在初始条件，而后者错在被检验理论本身。

此外，检验理论假说的复杂性还突出地表明在下述两个方面。

①新旧理论的更替，在说明内容方面往往是有亏损的，特别是一个新理论在诞生的初期，可能不成熟，往往不能说明旧理论所能说明的全部内容，但它很有前途。这种现象是美国科学哲学家T·S·库恩首先指出来的，因此称为“库恩亏损”。这说明，理论与经验不符合时，不能立即抛弃理论。如果一不符合就予以抛弃，那么一个很有前途的科学理论就容易被扼杀在摇篮里。例如，哥白尼时代的“日心说”取代“地心说”，就存在过这种“库恩亏损”现象。哥白尼理论在最初提出时，有许多反对它的证据，“从当时的科学知识来看，这些论据是有道理的，而N·哥白尼针对这些论据为他的理论所作的辩护，倒不能令人满意”⁽⁴⁶⁾。但N·哥白尼与他的支持者们不顾理论的反常而坚持下来，终于获得了胜利。

②由于观察渗透理论，与事实密切相关的证据可能是受理论及其背景知识污染的，并随它们的改变而改变。“考虑到观察术语、感觉基础、辅助科学、背景推测等情况，一个理论所以可能同证据不一致，并非因为它不正确，而是因为证据受到多方面的污染，或是由于证据包含未加分析的、只是部分符合外界过程的感觉；或是因为证据是依据于原有的观点而提出来的，或是因为证据借助于落后的辅助学科而加以评价的。”⁽⁴⁷⁾譬如，所谓“塔的证据”就是科学史上的一个典型的案例。这个证据是第谷等人所相信的，并被用于反驳N·哥白尼的地动日心说。在他们看来，物体自高空垂直下落这种自然现象，是表明地球静止不动的一个无可辩驳的论据。因为“如果地球具有周日运动的话，那么一块石头从高塔上落下，由于高塔被地球的旋转所带动，在石头落下的时间内，高塔会向东移动几百码，而石头也应当落在离塔底同样距离的地方”⁽⁴⁸⁾。然而，人们看到的是石头垂直落到塔底。因此，地球是不动的。在哥白尼时代，包括N·哥白尼本人在内，没有一个“地动说”的拥护者能成功地解释这一现象。直到G·伽利略发现了惯性原理之后，才知道不是由于N·哥白尼的理论不正确，而是由于“塔的论据”受理论污染了。置于塔顶而且和塔一起参与环绕地球中心的圆周运动的物体，落下以后继续与塔一起处于这种活动，因而落在塔基的地面上。

2.特设性假设的辩护及评价

所谓特设性假设（ad hoc hypothesis），则是为了挽救一个受到否定证据严重威胁的理论而提出的不具有可检验性的假设。亦即当科学理论的推断与观察实验的结果不一致时，为了使科学理论避免证伪，而专门设计的能解释这种不一致的假设。(www.xing528.com)

试考察下述一个简单的案例。在E·托里拆利引入大气压力的观念之前，吸水泵的作用是用“大自然憎恶真空”这个假设来解释的。因为大自然憎恶真空，所以水冲入泵管以充满由于提起活塞而造成的真空。B·帕斯卡写信给F·佩里请他进行多姆山实验时论证说：预计中的实验结果将是对上面那种观念的驳斥。他说：“如果发生的情况是山顶上水银柱的高度小于山脚下水银柱的高度的话……那么必然的结论将是：水银悬升的惟一原因是空气的重量和压力而不是对真空的憎恶；因为可以肯定，山脚下比山顶上有着更多的空气在施加压力，而人们却不能合情合理地认为大自然在山脚下比在山顶上更为憎恶真空。”⁽⁴⁹⁾实际上，后面这种说法指出了一种方法可以在F·佩里的发现之后仍然挽救“憎恶真空”这一观念。只有加上了一条假设“憎恶的强度与所处的位置无关”，F·佩里的结果才成为反对该观念的决定性证据。为使F·佩里的显然否定性的证据与憎恶真空这一思想相协调，需要做的只不过是引入这样一条假设：大自然对真空的憎恶随高度的增加而减弱。但是，尽管这一假设既不违反逻辑又不明显地为假，从科学的观点来看它却是不能接受的。因为它是“特设”地引入的，也就是说，引入它的惟一目的是为了挽救一个受到否定证据严重威胁的假设；它不是其他发现的结果所需的，而且，它不能导致任何附加的检验推论。另一方面，大气压力的假设的确导致了进一步的推论。例如，B·帕斯卡提到，如果将一个部分充气的气球带到山顶上去，该气球就会进一步膨胀。

虽然对于特设性假设的判断并没有什么标准，但是我们可以通过上面案例所提出的两个问题对这一判别予以提示。这两个问题是：所提出的假设是仅仅为了从否定的证据下挽救某种流行的观念，还是为了阐明其他现象？这一假设能否产生进一步的有意义的检验推论？显然，特设性假设被提出来是作为一种人为的修正，以拯救一个受到证伪的理论，而不是为了解释其他现象；这一假设不能产生进一步的有意义的检验推理，即不能导出新的检验蕴涵，并没有什么可供任何独立检验的新内容，更谈不上让它可能经受真正新的方法的检验。正是在这两方面，C·托勒密关于本轮的假设就与海王星存在的假设形成了鲜明的对照。前一个是特设性假设，后一个则是辅助性假设。这后一个假设是能够独立检验并能显著地增进科学知识的。证伪主义有一条准则：一个辅助性假设只有当它能够提高证伪度时才能被接受。正如A·格伦鲍姆已经指出的那样，这条证伪主义的准则是对怎样比较相互冲突理论的经验内容所作的某种解释。在I·拉卡托斯的科学研究纲领方法论中，一个辅助性假说如果与产生它的纲领的基本精神相违背，那么它也会被取消资格而沦为特设性假设。

还有一个进一步值得考虑的问题，如果为了使某个科学理论与新取得的证据相协调而必须引入越来越多的特设性假设，那么其结果会使整个体系变得十分复杂，以至于一旦提出了一个简单的可替代的新理论时它就只能让路了。众所周知，近代科学的开端，N·哥白尼的日心说取代C·托勒密的地心说，就属于此种情形。因此，从微观上看，一个科学家在特定场合似乎可以按照自己的意愿对某个理论作出这样或那样的调整，以适应经验证据，但从宏观上看，一个理论被拒斥是不完全以个人意志为转移的。科学家可能与常人一样有“确证偏见”，但执拗的否证证据有一种强制作用，迫使他对理论重新作出评价；科学家虽然可以调整科学理论或证据的结构来使理论与证据相符合，但是这不能超越一定的限度。也就是说，客观也存在着一个“临界点”，超过这个“临界点”，证据将迫使人们接受或拒斥一个理论。

3.“判决性实验”与“杜恒-奎因命题”

“判决性实验”（crucial experiment），一般指能够决定性地判决相互对立的两个假说或理论中的一个为“真”而另一个为“假”的实验。其基本思想由英国哲学家F·培根最先提出。他把“判定性事例”比作在交叉路口树立的“指路牌”，认为这种事例能在两个相互竞争的假说之间起到裁决作用。F·培根本人提出了一个这种类型的判决实例，以便在下述关于潮汐涨落的两个假说之间作出判决。第一假说是，潮汐是水的进退，好比水在盆里来往摇晃一样。第二个假说是，潮汐是水的周期性升降。他指出，如果能够证明在西班牙和佛罗里达海岸同时发生的短暂涨潮并不伴随其他任何地方的退潮，“水盆假说”就会被否证。他还建议研究秘鲁和中国海滨的潮汐来解决这个争端⁽⁵⁰⁾。

19世纪30年代，英国科学家J·赫歇尔在《试论自然哲学研究》一书中明确提出了“判决性实验”的概念。他把“判决性实验”看作是“具有可接受假说或理论所必须经受的一种实验”⁽⁵¹⁾。之后，人们普遍认为1850年法国实验物理学家J·B·L·傅科关于光在空气的速度大于它在水中的速度的测定是一个典型的“判决性实验”。我们知道，17世纪以来，关于光的本性问题存在着两种竞争性的假说：牛顿派主张“微粒说”，认为光是由高速运动的极小粒子所组成；而C·惠更斯及其后继者则主张“波动说”，认为光是一种在弹性媒质中传播的波。“微粒说”和“波动说”关于光在空气中的传播速度作出了相互矛盾的预言：由波的观念推出光在空气中的运动速度比在水中的大，而粒子的观念则导致正好相反的结论。J·B·L·傅科的实验结果是，水中的光速等于空气中光速的3／4。这就为“波动说”提供了决定性的确证证据，同时又为“微粒说”提供了决定性的否证证据。因此，当时许多科学家纷纷放弃“微粒说”而倒向“波动说”一边。

但是，在20世纪初的自然科学革命中，人们对“判决性实验”的作用提出了质疑。原来被认为是确定无疑的光的“波动说”，由于在光电效应的实验中验证了光子的存在，使光的“微粒说”得以“复活”并得到进一步发展。傅科实验的判决性结论亦被否定。法国科学哲学家P·M·杜恒和美国科学哲学家W·V·O·奎因更以提出他们著名的坚持科学理论的整体性的“杜恒-奎因命题”（Duhem‐Quine thesis）而闻名于哲学界。1906，杜恒在《物理学理论的目的和结构》一书中指出，科学理论应当被看作一个有机整体，不应当脱离理论的整体而孤立地看待其中任何一个单独的理论；任何一个理论不可能单独地受到实验的反驳，理论总是作为一个整体受到检验的。因此，任何一种实验对理论的证实和反驳，都没有判决性的效力。他强调说，一个实验只有当它除了一个惟一的前提之外，最终地消除了其他一切可能的解释性时，才真正是“判决性”的，然而这样的实验是不可能存在的⁽⁵²⁾。1951年，W·V·O·奎因在“经验主义的两个教条”一文中重申并进一步强化了P·M·杜恒的整体论观点。他认为，科学理论是作为一个整体，而不是孤立的单个命题陈述被证实或证伪的。他倾向于把所有的信念和知识都比作人工的织物；它只是沿着边缘同经验紧密接触。或换一个比喻说，“整个科学是一个力场，它的边界条件就是经验，在场的外围同经验的冲突将引起力场内部的重新调整”，因此，“在任何情况下陈述都可以认为是真的，……反之，由于同样原因，没有任何陈述是免受修改的”⁽⁵³⁾。许多哲学家认为，按照P·M·杜恒和W·V·O·奎因的这种观点，在科学中不会有判决性实验，一旦碰到反例，人们总可以适当调整理论系统的某一部分而保留另一部分。但另一些学者则仍然相信判决性实验是存在的。

判决性实验给人们引发的思考是多方面的。它突出地体现了实践标准的确定性、绝对性与不确定性、相对性的统一。一方面，观察、实验对科学理论的检验具有确定性、绝对性，表现为在一定条件下可以重复的科学的观察与实验总是具体的和确定的，它在支持一个理论的同时，又可能为证伪另一个理论提供科学事实。因此，在一定科学背景下，判决性实验对检验理论有裁决作用。另一方面，观察、实验对科学理论的检验又具有不确定性、相对性，表现为由于实验技术与有关的科学理论都在发展，已有的实验结果可能被否定或作出新的解释；又由于科学理论本身是有结构的和相互联系的，因此很难直接判定理论的哪一部分有错误。实际上，如果对于“判决性实验”不仅从逻辑上，而且把它与当时社会历史条件下科学实践水平以及它所产生的实际影响联系起来进行考察，那么就会发现那种能够最终的、一劳永逸地证实一个理论而否证另一个理论的“判决实验”是根本不存在的，而在一定历史条件下对相互竞争的理论所起到的相对的、暂时的、局部的判决性作用的则是存在的。

科学史上的“判决性实验”大体上有两类。一类是在新理论尚未出现以前，人们按照原有理论的逻辑思想而设计的实验，得出了与原来预期不符的结果，而这种结果获得了以后出现的新理论的合乎逻辑的解释。这类实验的决定性意义在于它们深刻地暴露了旧理论的内在矛盾，同时又对新理论的产生和巩固有一定的启发作用和增强信心的作用。例如，19世纪末迈克尔逊-莫雷实验对以太假说提供了否定性的证明。另一类是在新理论出现以后，新理论预言了一些与原有理论不同或原有理论没有预料的新现象，人们为了检验新理论的预言而设计的实验。这类实验在新旧理论之间起了判决作用。例如，1957年美籍中国物理学家吴健雄在实验上证明β衰变中宇称不守恒，对于宇称守恒和宇称不守恒两个对立的假说起了判决性作用。

判决性实验的决定性意义往往不是即时的。例如，水星近日点的反常行为是牛顿纲领中尚未解决的困难之一，人们知道这一点已有好几十年，但只有A·爱因斯坦的理论更好地说明了这个事实，把这个反常变成了对牛顿研究纲领的一个反驳。判决性实验在几十年之后才被看成是判断性实验。

综上所述，科学理论的检验及其评价是一个极其复杂的问题。这不仅是因为科学理论的内容是复杂的又是发展的，是对被研究对象愈来愈逼真的描述，而且还因为检验理论的实践活动本身也是一个历史发展的过程。这样，人们在每个时期对科学理论的真理性的判定，都是相对的、近似的。正如列宁所指出的：“人不能完全地把握＝反映＝描述全部自然界、它的‘直接的整体’，人只能通过创立抽象、概念、规律、科学的世界图画等等永远地接近于这一点。”⁽⁵⁴⁾我们必须把逻辑分析与实验检验统一起来，把确证事例的定量考察与定性考察结合起来，从历史发展中去把握科学理论的真理性评价问题。对于科学理论的真理性评价，必将随着实验技术的不断发展提高，以及理论的不断应用和修改而历史地演变。