- 2022-08-25 发布 |
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文档介绍
科学技术哲学课件
PhilosophyofS&T原名《自然辩证法概论》DialecticsofNature《科学技术哲学》\n导言教学要求：了解科学技术哲学的对象、内容和性质；认识科学技术哲学产生和发展的历史必然性；明确学习科学技术哲学的意义。\n一、科学技术哲学的对象、性质和内容（解答什么叫“自然辩证法”）1．对象简言之，就是整个自然界和整个科学技术。课程的核心价值：处理好人与自然的关系。人类认识、改造自然的工具：科学、技术。所以形成如下关系：人类社会科学技术自然界（主体）（中介）（客体）\n三个基本研究对象：自然界存在与演化的一般规律（自然界运动发展的辩证法）认识、改造自然的一般规律（科学技术研究的辩证法）科学技术发展的一般规律（科学技术发展的辩证法）\n２．性质面对如此庞大的研究对象和三个一般规律，足见不是科学的实证方法能够胜任的，只能借助理论概括的方法，故课程属于哲学性质，是：哲学的一个分支；介于辩证唯物主义和具体科学技术之中间层次；相对于一般哲学原理的二级哲学。（可以通过下页图示来理解）\n马克思主义哲学基本原理世界物质性原理世界发展性原理自然辩证法（自然界）历史唯物论（人类社会）辩证逻辑（人类思维领域）各门自然科学和技术学科（天、地、生、物、化等）各门社会科学学科（政、经、社等）各门思维科学学科（逻辑学、脑科学、语言学）自然现象界社会现象界思维现象界整个感性世界\n３．内容三个基本研究对象的具体化自然界运动发展的一般规律——辩证唯物主义自然观科学、技术研究的一般规律——科学技术方法论（学）科学、技术发展的一般规律——科学技术观\n课程基本逻辑线索：中心线索——人与自然的关系（贯穿始终）理论基础——辩证唯物主义自然观（物质第一性）落脚点——科学技术观\n为进一步把握学科性质与内容，需进一步澄清自然辩证法与一系列相关学科的联系与区别：（略）(N.D.)自然辩证法自然哲学(NaturalPhilosophy)(N.D.)自然辩证法科学哲学(PhilosophyofSciences)(N.D.)自然辩证法科学学(ScienceofSciences)(N.D.)自然辩证法科技史(theHistoryofS&T)(N.D.)自然辩证法各门理论自然科学(TheoreticSciences)\n二、学习科学技术哲学的意义和方法（一）意义1.有助于加强哲学素养,增强理论思维能力恩格斯：“一个民族要想站在科学的高峰，就一刻也不能没有理论思维。”（《自然辩证法》P29）“所谓理论思维就是对客观事物的内部矛盾、规律性以及这一过程和那一过程的内在联系的把握。”“总之，理论思维就是辩证思维。”（《哲学小百科》上，P232—233）更具体些说，就是一种高瞻远瞩，综宏析微，触类旁通，逻辑一贯的思维能力。\n2．有助于正确探索科学、技术与社会的综合发展规律问题四化建设面临两大类问题：一类是纯科学技术问题，属实体问题，是硬科学专家的任务；二类是统筹兼顾，协调各方面关系的问题，是软科学专家的任务。长江三峡工程系统规划问题现代科技发展与高等教育改革问题（受方毅、周扬、钱学森等人盛赞）宝钢工程的追踪决策问题黄浦江水系的系统治理问题太湖旅游生态农业园的规划问题国外著名软科学研究机构（思想库、智囊团、头脑公司）：美国的Rand公司、StandfordResearchInstitute;日本的野村综合研究所；法国的工业设备企业公司；美、苏（前）等17国参加的InternationalInstituteofAppliedSystemAnythesis(IIASA)（设在维也纳）\n3.有助于我们进一步确立辩证唯物主义的世界观真正科学的世界观是从自然、社会、思维领域的全面理论知识中锤炼出来的，既不是“政治说教”也不是“斗争工具”。西方学者一般称之为“科学的世界图景”。Einstein的科学唯物主义Bertalanffy的系统论世界观正确的自然观相当于科学大观园里的一幅全景地图概括哲学与科学的区别与联系：科学：沉于物，解剖而思齐，明理而致用。(主要追求知识)哲学：源于物，高于物，游弋于方寸之间。(主要追求智慧)\n（二）方法1.学习经典原著，在科学研究中，要提倡一种追根溯源、正本清源的精神。Einstein追踪原文原著的风格Abel说Gauss是一只狐狸唐明述院士提倡查阅文献，要从第一篇读起读《自然辩证法》中的“导言”，掌握其基本立场、观点、方法\n2.要扩充自然科学和科学技术史知识恩格斯的“啃酸果”、“脱毛”、“半通”（以防以偏概全）李世民：“以铜为镜可正衣冠，以人为镜可明得失，以史为镜可知兴替。”傅鹰：“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们以知识，而历史却能给我们智慧。”（《化学通报》1956（4））3.坚持理论联系实际提倡将本课程学习与自己的专业学习中方法论问题、科技史问题的系统总结结合起来。\n4.要努力促进科学学习与哲学思考的广泛联盟（1）科学家与哲学家的联盟*列宁的提倡（要虚怀若谷，兼收并蓄）*两种文化严重分裂的后果（P.Frank、OC.P.Snow)*Einstein在“奥宁比亚科学院”的丰硕收获（2）注意科学学习与哲学熏陶的综合训练Einstein、Schordinger、Bohr、Heisenberg、Bron、坂田昌一、Wiener等人的榜样。\n第一篇自然观自然观是人们对自然界的根本看法。本篇着重进行以下问题的研究：人类自然观是随着人类认识深化、科学发展而不断校正、丰富的过程.辩证唯物主义自然观认为:自然界是由种种复杂联系而构成的；自然界在时间上不断演化着，既具有进化分支，又具有退化分支，两个分支具有同一性；人和自然以实践为纽带而联结起来，并在实践的基础上协调发展。可以概括为四句话：发展的自然观存在的自然界演化的自然界人化的自然界\n第一章人类主流科学自然观发展的历程回顾教学要求：了解西方文化传统与科学自然观的历史渊源关系明确西方主流科学自然观发展的历史分期与基本内容弄懂辩证唯物主义自然观的基本精髓及其对科学研究的指导作用\n自然观(定义,认识世界的总图式,科学大观园的全景图)人类的好奇心、求知欲人类认识的不同历史阶段形成不同的自然观何以按西方文化史为基础基本历史线索800B.CA.D.500A.D.1500(1543)(古希腊罗马时期)(中世纪)A.D.1800(1755／1796)1900(1895)(近代科学前期)(近代科学后期)Now(现代科学时期)\n1．古代朴素自然观西方：水、气、火、原子……古代朴素唯物主义东方：五行说、八卦说……（木火土金水）（天地雷火风泽山水）西方：“一切皆流，一切皆变”古代朴素辩证法东方：五行相生相克科学根据不足，两极相通\n２．宗教神学自然观退向神创论，God，HolyBible，Genesis用神学目的论解释一切政教合一，排斥异教，科学沦为神学的婢女先驱者（R.Bocan等）的觉醒\n３．近代形而上学自然观地理大发现近代科学产生的重要社会背景宗教改革文艺复兴运动CoperniusKeplerGalileoNewtonNewton经受三大检验近代前期科学发展形势形而上学自然观的基本思想又一次两极相通（仿佛是历史的回归，Newton与Linnaeus的比较见下页）\nNewtonLinnaeus自然界在增加、重复繁殖同类惯性遗传力（不追究因）分类（不追究变异）物体自身不变物种不变上帝第一次推动物种是神创造的\n４．辩证唯物主义自然观１）近代后期的科学重大发现及其哲学意义六大缺口:Kant-Laplace星云说Lyell地质学原理（Cuvier突变论)能量守恒与转化定律（Mayer、Joule、Grove、Coolding、Helmholtz等）Wohler的尿素人工合成CO(NH2)2HCNO+NH4OHH2O+NH4CNO细胞发现（Schleiden、Schwann)Darwin的进化论被Engles忽略的：Maxwell的电磁场理论Mendeeleeff的元素周期律2）辩证唯物主义自然观的基本思想\n“一切僵化的东西溶化了，一切固定的东西消散了，一切被当作永恒存在的特殊东西变成了转瞬即逝的东西，整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着。”5.辩证自然观的当代科学价值与历史局限1)19--20世纪之交的物理学革命,导致一系列新的科学技术成果出现,丰富、发展了辩证自然观的基本思想。由Plank的量子假说所开创的量子物理学丰富、发展了辩证唯物主义的物质观。如：连续性与间断性的统一物质无限可分Einstein、Heisenberg等人探讨的统一场论问题，丰富、发展了辩证唯物主义的运动观。如：物质的统一性运动的统一性\nEinstein的相对论成果，丰富、发展了辩证唯物主义的时空观。如：狭义相对论：广义相对论：式中：——里机曲率张量——里机曲率标量——时空度规——宇宙因子——引力常数——能量、动量张量\nWatson、Crick、Wilkins等人发现的DNA双螺旋模型及遗传密码的破译，丰富、发展了辩证唯物主义的生命观。如：生命也是一种物质运动的形式，并非有什么神秘力量；生命的起源必然经过化学的途径。系统科学的产生和发展，从不同侧面揭示了自然、社会、思维等不同领域的内在深刻同一性，从更广阔的背景上为辩证唯物主义自然观提供了崭新的科学依据。2）辩证自然观的历史局限与科学技术哲学的未来展望从单纯地对科学进行哲学概括走向对科学技术进行全面、深入的哲学概括从将劳动作为自然辩证法与历史辩证法的结合部走向对人与自然协调发展的深入研究。\n第二章自然界的存在形式教学要求：了解自然界的物质性及物质联系的系统方式明确物质系统及其层次结构的主要特点懂得用系统观点观察和认识自然现象的重要性\n一、物质实体及其关系1.物质形态是其实体与属性的辨证统一1）“实体”范畴的历史沿革及其基本内涵希腊文为ousia；拉丁文为substantia;英文为substance；中国古代哲学家亦用这个词，如王夫之说，一切“对立之象”“皆取给于太和氤氲之实体。”在西方哲学史上“实体”一般指万物的基础。唯物主义把它作为物质，如Democritus的原子（atom);唯心主义把它作为精神，如Plato的理念（idea)；二元论者则认为世界上有两种实体：物质实体和精神实体。Aristotle对实体的论述是相当卓越的，它包含三层意思：第一，实体是具体的“个体”；第二，它应该是物质的，即是客观存在；第三，它应该是原因与原则，即具有本源的性质。因此，我们当然认为实体是客观世界万物的物质基础。\n2）属性及其与实体的辩证关系属性是物质客体所具有的感性特质及对其进行思维抽象所获得的一般规定。实体和属性是辩证统一的。实体是属性的载体，亦是属性赖以存在的基础；属性则是附着于实体上的性质，是实体的表现，人们正是通过属性认识、把握物质实体的。任何具体物质形态都是实体与属性的统一体。二者不可分离。没有属性的实体是空洞、抽象的；脱离实体的属性是主观虚构的。人们正是通过事物属性的异同进行鉴别和分类的。２、自然物质分类的基本依据目前，在自然界已经发现有100多种元素、400多种基本粒子、100多万种无机物、500多万种有机物、近1000万种生物物种.。都是由它们属性的差异性相互区别的；又是由它们属性的同一性归类的。所有自然物质形态又可统分为两大类：实物和场。二者又是通过其属性的差异而区分的：（见下页）\n实物是间断的实物均具有静止质量实物可作变速运动实物有不可入性实物运动速度与参照系有关场是连续的场量子没有静止质量场只作恒速运动场具有可迭加性场的运动速度一般为定值\n３、自然物质形态之间的基本关系一般物质形态都具有多种属性。在特定的时空中，具体物质形态的属性又不可能一览无遗地全部显现出来。因为，任何物质形态都是通过与其他事物相互作用，表现其属性的。反之，不与它物发生相互作用的物质，就无法表现其相应的属性。因此，在自然界中，事物之间通过相互作用建立的联系是普遍存在的，这就是物质关系。自然界物质、能量、信息的转移，也是通过物质关系实现的。科学已经发现，无机自然界存在四种基本物质关系：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。这四种相互作用是通过传递场量子而实现的，即r光子、+π、-π介子、w/z。粒子和尚未有实证根据的引力子。物质关系又可分为制约关系和非制约关系。制约关系即为因果关系，它是科学探索的根本目标之一。\n二、物质关系与物质运动1.运动概说自然物质实体之间都是相互联系、相互作用的。“正是这种相互作用构成了运动。”“运动，就最一般的意义上来说，就它被理解为存在的方式、被理解为物质的固有属性来说，它包括宇宙中发生的一切变化和过程，从单纯的位置移动起直到思维。”（《自然辩证法》P53—54）因此，哲学意义上的运动范畴是一切物质的存在方式。它包括机械运动、物理运动、化学运动、生命运动、思维运动等，但又不归结其中任何一种具体运动。运动和物质是不可分离的。没有无物质的运动，也没有无运动的物质。各门自然科学研究各种具体的物质运动，哲学研究一般运动的普遍属性。下面分别简述之。\n2.自然物质运动的辨证特征１）连续性与间断性连续性是指物质实体间的毗连和持续的关系。间断性是指物质实体间的分立和间隔关系。自然界物质运动表现为连续性与间断性的统一。光学史上的粒子说与波动说之争物种的间断式分立状态及其中介过渡状态Leibniz说，“自然界无飞跃”，Plank说，“自然界显然是产生飞跃的，甚至是相当奇异的飞跃。”Engels说，“连续者，间断之所依；间断者，连续之所伏，它们在一定条件下可以互相转化。”掌握连续性与间断性辩证关系的现实意义：第一，提供一种辩证的思维方式，防止思想的直线性和片面性。第二，进一步树立起科学的自然观第三，进一步为辩证唯物主义哲学提供营养\n２）确定性与随机性确定性是指物质实体间稳定而必然的关系；随机性是物质实体间可出现可不出现、可这样出现也可那样出现的关系。确定性与随机性这对范畴接近于必然性与偶然性这对范畴。在近代科学史上，牛顿力学经受住了三次检验（地球形状的测定、Halley慧星回归周期的预言、海王星的发现）使人们坚信，自然物质运动不是杂乱无章的，而是严格有序的，具有神奇的确定性。Laplace将自然物质运动的规律性、确定性不恰当地提升到哲学高度，认为一切物质运动均可用宇宙方程描述，走上了机械决定论和单义因果律的道路。Einstein也曾`：上帝不会掷骰子。从而忽视`否定了自然物质运动的随机性一面。（如天气预报，掷骰子等）统计因果律是包含随机性的因果律，也是自然物质运动所遵循的因果关系。因此，N.Bohr认为，上帝是掷骰子的，我们的任务是搞清楚上帝如何掷骰子。\n单义因果律与统计因果律思维模式的比较分析：单义因果律C1原因C2唯一结果（p=1)Cn确定…统计因果律原因C1C2C3…可能R1（P1）R2…（P2）Rm(Pm)ΣPi=1实际上，当m=1时，后者即转化为前。后者为一般，前者为特殊。可以认为，对于任何自然物质运动，均可普遍化为：事物运动发展过程=确定性部分（Ⅰ）+随机性部分（Ⅱ）（Ⅰ）、（Ⅱ）两部分孰主孰从，是由具体事物而决定的。对地球自转运动，（Ⅰ）占主导地位；对于掷骰子，则是（Ⅱ）占主导地位。\n*Langevin对因果性哲学概括*Einstein与N.Bohr的三次争论*研究确定性与随机性关系的重要意义：第一，深化了人们对自然界中必然性与偶然性辩证统一的认识；第二，统计因果律更科学地说明了事物的“终极原因”；第三，从认识论上看，是规律观的一次革命。３）可逆性与不可逆性可逆和不可逆是标志事物发展过程的一对范畴。客观事物在运动发展过程中，如果具有倒返性、回归性，我们就说这种过程是可逆的。如果事物的运动发展过程是单向的、不可回归的，我们就说这个过程是不可逆的。\n*热力学中的“可逆过程”*哲学的可逆观《易经》中的“无往不复”；《三国演义》中的“分久必合，合久必分”；佛教中的“法轮常转”。*哲学的不可逆观：“一切皆流，无物常在”；“人不能两次跨进同一条河流”；“子在川上曰：‘逝者如斯夫’”。经典力学和量子力学时间（t）均为几何参量：F=ma=m(d2s/dt2)t只有大小，没有方向；在波动方程中t亦只有大小，没有方向。因二者均是以Euclid几何、Galileo变换为前提和基础的：时间是均匀的，时间的平移变换对物理规律不发生作用，时间对称性导致动量守恒；空间是均匀的，各向同性的，空间的平移与旋转变换均对物理规律不起作用，空间对称可导致能量守恒；物理学家曾将这种对称美作为物理学追求的目标，而将不可逆、不对称作为不完美的东西，加以摒弃。\n现实中的不可逆性现象：分子扩散，化学反应，热传导，生命过程……热力学第二定律所揭示的时间方向，ds孤≥0（标示时间箭头）Maxwell用Maxwell’sdemon对不可逆性的“拯救”1951年，L.Brillouin对Maxwell’sdemon的否定。现代科学所揭示的自然过程的不可逆性：\n现代科学揭示的自然过程不可逆性：*宏观上：热力学第二定律耗散结构理论等自组织理论Physicsofbeing,Physicsofbecoming,FrombeingtoBecoming(I.Prigogine)*微观上：1964年，美国物理学家（J.W.Cronin、V.L.Fitch）在K介子衰变实验中发现，在弱相互作用下宇称（P）和电荷共轭（C）的联合变换不守恒，说明时间（T）的对称性受到破坏。这可能从微观领域揭示了宇宙的不可逆性。*宇观上：大爆炸宇宙模型揭示了宇宙演化的不可逆性。对上述科学成果的哲学概括：第一，自然物质运动发展在总体上是不可逆的；第二，在一定时空中，局部物质系统的演化会出现某些重复和倒退，故可逆过程是相对的；第三，绝对不可逆与相对可逆构成自然界演化螺旋式上升，波浪式前进的循环性和周期性。\n三、自然物质联系的系统方式1.自然物质系统的基本层次层次，一般是事物的等级，这是是指自然物质系统中两个相邻“关节点”之间具有共同质的部分。自然界物质的基本层次：生态系统总星系群体超星系团个体星系团系统星团器官组织细胞行星生物大分子凝聚态物质分子原子原子核基本粒子层子（夸克）恒星微观世界宏观世界宇观世界生命界\n２.自然物质系统的普遍性与相对性系统是指由相互作用、相互联系的要素结合而成的，具有特定功能的统一整体。要素是指组成系统的各个部分联系：是形成系统的必要条件突现：即形成新质是形成系统的充分条件自然界中，从基本粒子到总星系，所包含的各个物质层次都可以视为系统。故自然物质系统具有普遍性。世间万物皆系统；世间处处皆系统。系统的实体要素是实物，系统的联系要素是场。\n自然物质由小到大的层次链条，又表明自然物质系统的相对性，即某一层次的物质形态相对于被包含在其中的更大系统可视为要素；相对于组成自身的各个部分，又可视为系统。\n３.物质系统的简单理解和复杂理解近代科学分析方法，通过部分认识整体，把整体划成各个部分，认为认识了部分就认识了整体(整体等于部分之和)，导致哲学上的还原论。以打破“联系”作为认识的代价，A.Toffler称之为“拆零”，Virchow的“细胞联邦说”，Aristotle的古老命题：整体大于部分之和。现代系统论的基本观点：*系统是由实体要素和关系要素有机结合而成的整体*实体要素通过关系要素，结成新的整体，会产生原来没有的新质，即突现（emergence)Bertalanffy定律定性刻划的本质dQ1/dt=f1(Q1,Q2,……,Qn)dQ2/dt=f2(Q1,Q2,……,Qn)…………dQn/dt=fn(Q1,Q2,……,Qn)式中：Qi为系统中要素Pi(i=1,2,……n)的某特征量说明：整个系统整体地制约着Qi的变化；反之Qi的变化又改变着系统整体特征。\n化学工程中“三传一反”的分析方法，本质上忽略了系统内部各种传递过程、反应过程之间复杂的“交联”。例如，化学反应器的模型由下列5方程并列组成：动量传递方程热量传递方程质量传递方程化学动力学方程连续性方程因此，当代科学的发展趋势主要表现为：*实体为中心关系为中心*分析解剖法整体统观法*打破经典学科间严格的界限，抽象其内在的统一规律。（Wiener、Shannon、Haken、Eigen、Prigogine等）\n４.物质系统结构与功能的辩证关系要素系统环境*结构是系统内各要素在相互作用中形成的比较稳定的方式或顺序。是系统能维持整体特性的内在根据。空间结构，时间结构，时空结构*功能是系统在与环境相互作用中表现出来的规定性。*结构与功能的辩证统一属性：（1）结构决定功能1）要素不同，功能不同2）要素相同，关系不同，功能不同（2）功能具有相对独立性1）异构同功2）同构异功（3）功能对结构有反作用1）功能发挥对无机结构有破坏作用2）功能发挥对有机结构有完善作用*系统有序性的度量空间序、时间序、时空序、功能序结构功能\n５.自然物质层次间的双向因果链向上的因果链，低层次对高层次起基础、根源作用，与分析还原方法吻合。向下因果链，高层次对低层次起支配、限制作用，是科学解释、科学预言的根据。向上因果律向下因果律\n第三章自然界演化发展教学要求：明确自然界是一个历史过程了解自然界中物质系统演化的方向性、周期性以及进化的一般条件懂得运用历史观点研究自然界和自然科学的重要性。\n一、自然界的历史性通过上章学习已经知道，自然界在空间上分布是相互联系的，形成系统的。但自然界不仅“存在着，而是生成着并消逝着”。（《自然辩证法》p.13)尽管牛顿力学“以特别清楚和显著的方式表达了静态的自然观。这里，时间显然被约化为一个参数，未来和过去是等价的”，（〈从混沌到有序〉P.45)但是，从kant的“星云说”开始，19世纪科学的一系列发现以及当代以耗散结构理论为代表的系统自组织学说都深刻地揭示了自然界在时间过程中的演化发展特征。下面通过四大起源的学说简介，阐明自然界的历史性．\n１.宇宙的起源与演化现代宇宙学关于宇宙起源的解释已有正反物质模型、稳恒态模型、大爆炸模型等，其中以美国物理学家G.Gamov1948年提出“大爆炸宇宙模型”等影响最大。该模型的基本思想为：a.现在的宇宙起源于一个“原始火球”（奇点）的爆炸，宇宙物质是在大爆炸之后，随着温度的下降，逐层凝聚而成的；b.物质系统是通过自会合、自组织而形成的，不是随机碰撞的结果；c.宇宙间任何物质系统线度特征L与该系统内部的结合能E成反比，即E*L=const（Weisskopf经验定律）。该模型已获得到4项科学证据的支持：a.红移现象（Hubble定律）b.天体年龄（180亿年）c.He丰度（H：He=3：1）d.3K背景辐射\n2。恒星的起源与演化（1）引力收缩阶段41H4He+2β+2γ（2）主序星阶段（3）红巨星阶段34He12C+γ（4）高密恒星阶段18×105k27×106k,大量氢燃烧108k26<1.4M日:白矮星黑矮星红巨星>1.4M日:12C+12C24Mg+γ23Na+p20Ne+α16O+16O31P+p28Si+α32S+γ31S+n\n恒星演化的历程与循环图示：原始恒星H星云主序星红巨星<1.4M日>1.4M日超新星爆发中子星黑洞星际物质M残>3M日白矮星黑矮星\n3．地球的演化(1)天文时期（46亿年前——36亿年前）（形成里三层、外三层）地球形成初期是一个均质球体，后由于原始地球内部放射性元素蜕变、地球快旋转、太阳辐射以及自身引力收缩等原因，使热量在内部积聚，地球温度升高，内部物质熔化，重质元素如Fe、Ni向地心沉积，轻质如硅酸盐向外推移。最后形成三个层次——地核、地幔和地壳。在地球物质分异过程中，部分物质挥发、喷射出地面，形成大气圈。原始大气中氢氧结合形成水蒸气，降雨后形成水圈，大气圈、水圈为生命的产生和生物的发展创造了条件。约在三十多亿年前，地球上有了生命，最终形成了生物圈。(2)地质时期（36亿年前——现在）（造山造海运动）除地球物质进一步分化和各圈不断改造外，这阶段主要是地壳的变动和海陆的分化。地壳不仅有大尺度的垂直运动，如造山运动，还有大尺度的水平运动，如大陆漂移和海底扩张。还有火山爆发，周期性的冰期等。从人类三百万年的历史看，总体上说地球上是平静的，演化趋向平衡和稳定。\n4。生命的起源与演化根据现代科学的研究成果，大致可以分为以下4个阶段：（1）从无机小分子到有机小分子1953年芝加哥大学年轻学者S·L·Miller根据原始地球大气的成份（主要为CH4、CO、CO2、NH3、H2S、H2O蒸气）和原始地球上的环境状况，进行了如右图所示的著名模拟试验。结果发现以上无机化合物中的C、H、O、N等元素重新结合，形成了氨基酸、糖、嘌呤、嘧啶、核苷酸等有机化合物。（2）从有机小分子到有机大分子氨基酸分子通过脱水过程形成肽链，产生蛋白质。依据相似的基本原理，核苷酸相互结合形成核酸。Miller试验图示\n（3）从有机大分子到原始生命这一阶段，目前尚缺乏可靠的科学证据，因此生命起源仍然是当代基础自然科学的重大课题。（4）从原始生命到高级生命这一阶段，完全可以由进化论和遗传学来阐述其构成机理。\n二、运动不灭原理1.自然界演化的本质自然界的演化过程伴随不同物质形态的相互转化。由于“物体和运动是不可分的”，故物质形态不断由生到灭和由灭到生，便对应着各种不同运动形式的相互转化。运动形式转化也是受规律约束的，它在质和量的对应关系上受物理学的能量守恒与转化定律以及哲学的运动不灭原理制约。根据现代自然科学所提供的资料，自然界的基本运动形式主要有：微观物理运动、化学运动、宏观物理运动、宇观天体运动、化学运动。\n2.运动不灭原理自然界的演化是永无休止的反复进行呢？还是如Clausius所说的那样按一定方向只转化一次，最终成为完全均匀、死寂的世界？这是关系到整个自然图景究竟怎样的大问题，许多哲学家和科学家都曾就此留下自已的见解：Heraclides说，世界是按照规律燃烧着，按照规律熄灭着的永恒活火。这已隐含着运动不灭的思想萌芽。1644年，R.Descartes在《哲学原理》一书中指出：运动只不过是运动的物质的一种方式，然而物质都有一定的量的运动，这个量是从来不增加也从来不减少。1748年7月5日，Lomonosov在致Euler的信中说，物质是守恒的，“这种普遍的自然规律也可以引伸到运动的规律上去；因为一个物体用自已的力去推动另一物体时，它本身就失去了这个力，而把它传给另一个由此获得运动的物体。”\n19世纪40年代，Mayer、Joule、Hlmoholtz、Grove、Coulding等人几乎同时提出的能量守恒定律则为运动不灭原理作了科学上的论证和说明。但该仅包含两层意思:（1）运动在量上是守恒的；（2）各种运动形式之间在一定条件下可以相互转化。而作为更普遍、抽象的哲学运动不灭原理则含有以下更深刻的内涵，即“运动不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解。”（《自然辩证法》）所谓量上不灭，其意义已由能量守恒定律所表达；所谓质上不灭，是指物质具有无限多样的运动形式，它们之间在一定条件相互转化的能力也是无限的，而且这种转化能力是物质本身所固有的，其转化的条件也必然被物质自身产生出来。如果只承认运动在量上不灭，而否认其在质上不灭，就可能导致运动可以创造也可以消灭的结论。\n恩格思是用“归缪法”论证这一结论的：如果运动只有量上的守恒，延着向下的分支走到底，整个宇宙就可能走向一片“热寂”。那么我们也可反问Clausius，这个宇宙当初的有序状态又是如何产生的呢？是谁上紧自然界的发条的呢？神学家的回答必然是上帝。否则，只能有另一种外力来上紧宇宙的发条，那又会导致自然界的运动量在总量上不守恒。因此，放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。可见，这是关于自然界永恒发展命题的可靠基础和必然结论。\n三、演化的方向性根据运动不灭原理，必然会逻辑地产生关于运动转化的方向性问题，即自然界的运动过程是不断从有序走向无序呢（永远向下）？还是不断从无序走向有序呢（永远向上）？19世纪的科学只给我们留下局部的、矛盾的证据：Clausius、keliven从热力学领域揭示了向下演化的方面；Darwin从生物学领域揭示了向上演化的方面。二者的结论是对立的，且都不能简单地推广到整个自然界。有人说这是19世纪科学留给后人的最大问题。Prigogine则说：“19世纪是带着一种矛盾的情景——作为自然的世界和作为历史的世界——离开我们。”（《普利高津与耗散结构理论》前言）Prigogine的耗散结构理论很可能为统一二者指明了方向。\n该理论认为，物质系统如能满足以下条件：（1）是开放系统；（2）远离平衡态；（3）运动演化遵循非线性机制；（4）有涨落存在，该系统便可能自发从无序走向有序。系统中总熵变应由下式表示：dS=diS+deS其中diS为系统内部熵增；deS为系统与环境的熵交换。★当系统为孤立系，如deS=0,dS=diS≥0,满足热力学第二定律，系统从有序走向无序；★当系统为开放系，如deS＞0时，则dS=diS+deS＞0，系统从有序走向无序；★当系统为开放系，如deS＜0,且︱deS︱＜diS时，则dS=diS+deS＞0，系统从有序走向无序；★当系统为开放系，如deS＜0,且︱deS︱＞diS时，则dS=diS+deS≤0，系统从无序走向有序。\n这一理论在生命系统、无机系统（如Benard花纹、B-Z反应）、天体演化等过程中均存在事实根据。Prigogine也因创立这一理论而获1977年诺贝尔化学奖。这似乎也应证了恩格斯那句名言：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和运动起来。”（《自然辩证法》P.23)因此可以说，只有熵增与熵减、退化与进化、无序与有序的无限循环往复才是自然界演化的真实图景；只有对立双方永恒地交替转化才是自然界的真正演化方向。Benard花纹\n四、演化的周期性由于自然界的演化既具有向上的分支，又具有向下的分支，是有序与无序、退化与进化的辩证统一，当我们追踪一个具体的物质系统，将发现它在经历了上升阶段之后又会转入下降阶段，以致整个系统老化、瓦解，但演化过程不会就此结束，瓦解了的旧系统还会以新的形式再产生出来，这便构成了物质系统演化的周期性。Kant说过：“这个大自然的火凤凰之所以自梵，就是为了要从它的灰烬中恢复青春得到重生。”（《宇宙发展史概论》P.156）自然物质系统演化的这种周期性所以具有普遍性，又是由物质系统内在矛盾的普遍性决定的。无机物质系统的内在矛盾是排斥与吸引。这里的排斥是指一切具有分离、膨胀性质的运动形式；吸引是指一切具有接近、收缩性质的运动形式。当排斥占支配地位时，系统向无序方向演化；吸引占支配地位时，系统向有序方向演化；排斥与吸引势均力敌时，系统暂时处于平衡状态。（如恒星演化过程）\n生命物种系统的内在矛盾是遗传与变异。遗传是指亲代与子代的相似性；变异是指亲代与子代的差异性。在物种进化过程中，遗传是不变的方面，是物种存在的根据；变异是可变的方面，是物种进化的根据。生命个体系统的内在矛盾是同化与异化。同化是指将系统外部物质转化为系统内部物质；异化是指将系统内部物质转化为系统外部物质。当同化占支配地位时，系统处于生长阶段，是向有序方向演化；当异化占支配地位时，系统处于衰亡阶段，是向无序方向演化；当同化与异化势均力敌时，系统暂时处于平衡状态。\n第四章人与自然教学要求：了解人类是自然界生物长期进化的产物，其产生的机制在于劳动；掌握 辩证唯物主义关于人与自然关系的基本观点；正确认识人与自然协调发 展的必要性和可能性。人和自然的对象性关系能动性人自然受动性1人的受动性方面（1）自然界的物质元素形成人的生理基础人的身体共有60多种化学元素构成，其中C、H、O、N四元素约占96%；其余均为微量元素，如I、Ca、Se、Zn等，虽然含量极低，但也是丝毫不可或缺的，否则会导致人体疾病或死亡。\n（2）人依赖于自然界进行物质生产，获取维持自身生存、发展的物质产品（3）人还依赖于自界的物质“原型”，创造人类的精神，如：★李白的千古绝句：月照香炉生紫烟遥看瀑布挂前川飞流直下三千尺疑是银河落九天★刘海粟十上黄山画日出★埃及的狮身人面像★二郎神的三只眼人的能动性方面人不仅能认识自然规律，而且能通过把握自然规律，改造自然界，使自然按人类的目的为人类服务。如：宇航员在太空中观察地球，在一片茫茫绿色中隐约可见两条白色的长带，一条是中国的长城，另一条是荷兰的海堤。二者都是人类在自然界留下的伟大杰作。这就是所谓人工自然。\n人工自然的形成和发展1天然自然、人工自然所谓天然自然，也称第一自然，是不依赖于人而存在的自然界，包括大至宇宙天体，小至沙粒、生物、阳光、空气等。所谓人工自然，是在天然自然的基础上，经过人工改造而成的自然界。与天然自然相比，具有以下新的特征：（1）天然自然是人的意之外的客观存在，人工自然则依赖于人的意志，是人的有目的、有计划的意志的产物。（2）天然自然只具有自然属性，服从自然规律；人工自然不仅具有自然属性，而且还具有社会属性；不仅遵循自然规律，而且还遵循技术规律，并受社会规律的制约。（3）天然自然的演化速度一般比较缓慢，人工自然的变化却十分迅速。随着科学技术的迅猛发展，人工自然的变化会越来越快。（4）天然自然固然是永不可缺的基础，但随着人类历史的发展，人工自然的作用正与日俱增。\n人工自然发展的三阶段人工自然的形成与发展主要是通过人类认识、改造自然的活动实现的。科学使人与自然之间建立起通信系统，通过对自然信息的获取、传输、加工、和使用等步骤，以揭示自然的性质和规律，完成科学认识的任务。技术使人与自然之间建立起调控系统，人凭认识和实践能力，变革、改造自然界，以满足自身的需要。但二者是不同步的，后者往往滞后于前者。因此,技术史完整地记载了人工自然的发展历程，大约分三个阶段：（1）萌芽阶段大约175万年前，火的发明和弓箭的使用，使人类第一次支配了自然力，改变了茹毛饮血的局面，获得了丰富的肉食，扩大了人类活动的空间。但由于技术尚很粗陋，人类总体上仍“受制于自然”。（2）成长阶段大约2500年前，原始社会解体，人类进入农业文明时期。以金属冶炼技术和金属工具的推广为特征，人们先是刀耕火种，砍伐森林，开垦草原，驯养家畜；接着以手工业从农业中分离为契机，开运河，修长城，建宫殿。村落的建设和城市的兴起是这一时期人工自然的精华所在。虽已高喊“制天命而用之”，实际尚未达到驾驭自然的程度，仍以适应自然为主。\n（3）成熟阶段15世纪文艺复兴以后，资本主义逐渐兴起，随着科学革命、工业革命的相继爆发，科学和技术逐渐走上了结合的道路。通过工业形成的自然界才是真正人类学的自然界。蒸汽机、火车、汽车、飞机、工厂、高楼才是真正意义上的人工自然。短短三、四百年内，人工自然日新月异。人们感受到“人定胜天”的梦寐已开始实现。自然对人类的报复随着科技的发展，当人们正沾沾自喜于对自然开战的胜利时，自然界也正在以人们意想不到的方式向人类施行报复。如：（1）一次大战以后，世界小麦价格暴涨，促使美国中西部大批农场竟相开垦草原和灌木林，破坏了生态平衡，结果酿成1934，5，11，“黑风暴”，整整刮了三天三夜，形成了东西长2400公里，南北宽大1440公里的黑风带，所到之处，田地干裂，庄稼枯萎，溪水断流，牲畜渴死，灾害遍及美国2/3的大陆。（2）1952年伦敦发生“烟雾事件”，城市上空SO2、CO2积郁不散，一周之内死掉4000多人。英国无奈便架起了高烟囱，结果大量SO2、CO2随风东飘，在北欧形成“酸雨毒雪”，使挪威、瑞典严重受害，苦不堪言。\n（3）1959年，在尼罗河上筑起“阿斯旺水坝”，虽给埃及带来廉价的电力，控制了水旱灾害，但由于泥沙和有机质沉积于水库，使两岸绿洲失去了肥源，土壤盐渍化日趋严重；近海沙丁鱼产量锐减以致完全丧失；下游活水变成了“湖泊”般静水，成了血吸虫和疟蚊的孽生地。实际上，恩格斯早就指出，美索不达米亚平原的沙漠化，就是自然界对人类的报复。只是自然对人类的报复的速度与人类对自然开发的强度成正比，古代的报复姗姗来迟，现代的报复则立竿见影。1968年，西方一些科学家、经济学家和新闻文化界的名流聚集在罗马，讨论因经济增长带来的各种问题，这就是所谓“罗马俱乐部”的由来。1972年，以Meadows为首的MIT研究计划小组，为罗马俱乐部提出交了一个报告：《增长的极限》。用系统动力学方法，把人口、粮食、资源、能源、环境污染等因素统一起来，运用具体数据，模拟世界1900—2100年的发展过程。认为这些因素都按指数增长，如果经济不受阻碍地继续发展，到2100年将导致全球性危机。要避免这一灾难的发生，便提出“零增长理论”。结论虽然是不可取的，但提出的问题却值得重视。今天，全世界都关注人与自然协调发展的问题。\n人和自然的协调发展（科学的发展观）1统一人的受动性与能动性冷静地思考、对待协调人与自然关系的问题，标志着人类的一次真正进步。我们既不能持“消极适应”的态度，偏重于人的受动性；又不能强调“人定胜天”，过分相信人的能动性。而应该统一受动性与能动性，努力协调人与自然的关系。2生态平衡和人与自然的物质变换自然界中各种生物之间，生物与其环境之间通过相互联系、相互作用而形成的有机整体称为生态系统。完整的生态系统都是由生产者、消费者、分解者和无机环境四个部分组成的。生产者主要是绿色植物，消费者主要是动物，分解者主要是微生物。生态系统各部分之间，系统与环境之间相互作用的形式主要是物质能量的交换。能量归根到底来自太阳，是单向不可逆的；物质在整个过程中是不断循环的。生态系统具有一定的抗干扰能力，可以通过自我调节，恢复到稳定状态。当外界干扰超过生态系统调节能力的限度，就会导致生态平衡破坏，或整个系统瓦解。“劳动首先是人和自然之间的过程，是人以自身的活动来引起调整和控制人和自然之间的物质变换的过程。”（《资本论》Vol.1,P201-202)\n人和自然的物质变换过程又包括两个方面：从自然到人和从人到自然。前者就是通过劳动，把自然物改造成适应人类需要的人造物，并通过人的需要满足而生产人，形式“人类的世界”。后者是指人运用物质技术力量进行资源的恢复更新和生态环境的保护治理。这个过程的直接后果是再生产了自然，但也要消耗人类社会一定的技术和经济力量，即消费人和人造物。这两者是相反相成，互为补充，辩证统一的。只有这两方面的统一，才能形成“自然——人——自然”的物质循环，维持和重建人类生态平衡，保证人和自然的协调发展。片面地追求“人定胜天”，或者消极地提倡“回归自然”都是不可取的。人与自然协调发展的基本途径恩格斯说：“我们统治自然界，决不象征服者统治异民族那样，决不同于站在自然以外的某一个人，——相反，我们连同肉、血和脑都是属于自然界并存在于其中的；我们对自然界的全部支配力量就是我们比其他一切生物强，能够认识和正确运用自然规律。”（《自然辩证法》P305）概括地说，我们对待自然的基本原则是：置身其中，认识规律，驾驭规律，造福人类。面对今天的实际，以下几方面可能是我们努力的方向：\n（1）控制人口，杜绝浪费人与生物圈生态失调的最突出问题是人口增长速度过快，人类对自然资源的需求超过了“供给”。从以下数据可见一斑：年代人口总量公元元年1.5亿1830年10亿1930年20亿1960年30亿1975年40亿2000年60亿在人类生态系统中，人是最高的消费者，人口爆涨自然会对自然界造成过重的负担。此外，由于生活水平的提高，个人的平均消费量也在增加，就导致人类消费的增长比人口增长更快得多的局面。因此，我们既要提倡优生优育，控制人口增长；又要杜绝各种无益于人类发展的奢侈浪费现象。\n（2）以生态工艺过程代替传统工艺过程反思近代工业的发展给生态平衡带来的破坏，根本原因还是由于科学技术水平和社会条件的限制，人们还未能把从自然到人与从人到自然的过程结合起来，形成一个如同自然系统一样的完备物质循环圈。而是一方面习惯于把自然界视为“取之不尽”的原料库，盲目地向自然掠夺“有用”的天然资源；另一方面又把自然视为“垃圾堆”，任意把生产、生活“废物”抛向自然，结果使生产过程成了单纯的消费自然过程。要改变这种状况，还必须发展科学技术，仿照自然生态系统，以生态工艺过程代替传统工艺过程。通过漫长历史进化形成的自然生态系统，按照自身的结构与功能进行自我调节，自我控制，使内部物质一直处于良性循规蹈矩环之中，也就是使所有物质都在循环运动中加以利用，我们称这种过程为生态工艺过程，或无废物生产过程。模拟这种机制，就是实现“封闭生产循环”，使输入生产系统的物质在循环过程中被充分利用，一道产品后的废物为二道产品的原料，二道产品的剩余物又是三道产品的原料，……，最后不可避免的废物又是自然生态系统可以吸收的。（3）重视自然的再生产，加强人类生存和发展的基础以上这套方案是理想目标，要受到科技水平和诸多社会条件的制约。故传统工艺还不可能一下子完全抛弃。人类社会的生产和生活总要按原来的方式消费资源，抛弃废物，造成污染，破坏生态平衡。因此，必须加强自然生产，包括：自然资源的更新，环境污染的保护，生态的恢复重建等工作。从长远看，从经济增长中拿出一笔投入进行自然的再生产，为经济的进一步增长和发展提供更为坚实的基础，是完全必要的。\n（4）制定正确的政策法律和国际公法“人们奋斗所争取的一切，都同他们利益有关”（《马恩全集》Vol.1,P.82)利益是从人与人类社会生存和发展的需要而产生的。不同国家、地域的人的需要不是完全一致的。而这种需要的矛盾冲突就直接关系到是否合理开发、利用自然。这样，人与自然的关系就直接关系到人与人的关系。运用政策和法律的手段进行资源管理、环境保护是完全必要的。在一个国家内部，要制定合适的政策、法规，以实现统筹兼顾，合理开发，保护生态，规范监督；在国际上，就要制定国际公法，来实施全球性的资源分配、环境保护等方案，以保证可持续发展。据联合国环境规划署的调查统计，仅基本控制污染发展一项，发达国家每年至少用去GNP的1-2%，发展中国家也必须在0。5%以上。故共同协调人与生然的关系，已成为举世关心的大事。（5）从必然王国到自然王国的飞跃人同自然物质交换过程中结成的社会关系就是生产关系，而生产资料的所有制形式又是生产关系的基础，因此，所有制形式势必影响人与自然的协调发展。英格兰历史上的“公有资源灾害”一事说明，公有资源无偿和任意地使用可酿成深刻灾难。这是由人的自私和野蛮本性决定的。因此，调节人与自然的关系不是一件简单的事情。“要实行这种调节，单靠认识是不够的，还需要对我们现在的生产关系，以及和这种生产方式联在一起的我们的整个社会制度实行完全的变革。”\n自由是对必然的认识和对世界的改造。人通过劳动把自已从动物界中提升出来，开始了自已的历史。但在生产方式方面，仍只在于取得劳动的最近的、最直接的效果，而置长远的间接影响于不顾，社会生产往往被不可控制的力量所左右。人类只有再从社会关系方面从动物界提升出来，真正摆脱自然与社会的奴役，对生产完全实行有意识的调节，一切异已力量才能处于人类的控制之下，便真正实现了从必然王国向自由王国的飞跃。\n第二篇科学技术方法论从自然物质向上演化的分支中进化出人以后，作为主体的人便同作为客体的自然界发生了认识关系和变革关系。人类为了达到认识、改造自然的目的，必须运用一定的手段和方法。本篇依据自然观、认识论和方法论相一致的原理，从科学问题和科学事实入手，研究经过科学抽象和科学思维，建立科学假说和科学理论，直到将科学理论再物化为技术的一般方法。也就是选题方法、感性方法、理性方法等。这些一般方法构成了科学技术方法论的基本研究内容。第五章科学认识和科学方法教学要求：了解科学认识及其过程；弄清科学方法在科学认识中的地位和作用；掌握科学方法的分类原则。、科学认识及其过程1科学认识概述所谓认识，就内容说，就是主体通过客体获取知识的过程；就本质说，就是主体对客体的能动反映。Aristotle说过，“求知是人的本质。”人类原初的认识是在生产实践中实现的。随着对自然规律认识的要求不断深刻化、精确化、完善化，认识活动便从生产实践中分化出来。也使得以概括自然规律理论体系为目的\n的科学认识从笼统、思辩地认识自然、社会规律的哲学认识中分化出来。科学认识过程的哲学概括由于科学认识的目的是获取关于自然规律的正确而系统的知识体系，因此，如何认识？即认识应通过什么过程？认识的本质是什么?……这类问题就直接关系到认识的目的能否实现,认识的结果是否可靠。这又促使哲学研究活动从本体论转向认识论（EpistemologyorThetheoryofknowledge)。对科学认识进行认识论研究又形成科学认识论分支。比较具有普遍意义的对科学认识的哲学概括主要有如下几种：（1）用系统思想考察科学认识过程，可以把科学认识看作一个负反馈耦合系统。基本过程如下图所示：图1科学认识的系统论图式在这个系统中，客体最初是一个结构和性质尚不清楚的“黑箱”（blackbox)。在主体与客体的相互作用中，客体对主体的作用叫做“可观察变量”，主体对客体的作用叫做“可控制变量”。通过改变可控制变量度并测量相应的可观测变量的变化，可以认识客体(Blackbox)认识工具（方法、仪器）认识主体可控制变量目标差值反馈可观测变量反映客体本质的科学理论假说反馈科学假说\n推测黑箱内部变化的机制，并形成关于客体的初步假说。然后继续调整可控制变量并研究可观测变量的相应变化，则可检验和修正假说。如此往复循环，直至目标差值趋近于0，即达到主体对客体本质的认识。这里应注意以下几点：①这个认识的全过程是由若干次反复循环的，主客体相互作用的微观认识过程组成的。②唯物主义哲学认为，自然物质运动的规律是客观的、唯一的；人的认识能力是可以把握客观事物本质的。正是在这种意义上，我们把认识的全过程看成是趋达唯一正确目标的“负反馈调节过程”。③西方学者往往不注重这种“全过程”的哲学概括，而专注于微观认识机制的研究。即研究主体一次控制客体，一次获取信息，然后结合自身的知识和智慧，提出科学假说的过程。在这一过程中，主体为实现认识，往往要充分调动智力潜能，充分利用获取的信息和已有的知识，发挥主观能动性，进行创造性的探索与建构，这种没有唯一目标的探索性自组织过程，可以视为正反馈调节。也许正是在这种意义上，认为人可以为自然立法。④上述②、③两者并不矛盾，前者强调客观性，后者强调能动性，实际上是互补的。（2）用实践观点考察科学认识过程，可以将科学认识过程视为与人类认识的一般过程在原则上是一致的。这里主体对客体的能动反映也是通过主、客体相互作用实现的。这种相互作用与自然物间的相互作用有本质的区别，它是以实践为中介而实现的。\n图2科学认识的实践论图式这里主、客体相互作用表现为两种关系：一方面，主体变革客体，消除客体的片面客观性，实现客体主体化，这就是实践；另一方面，主体反映客体，消除主体的片面主观性，实现主体客体化，这就是认识。认识不能游离于实践之外，而是在实践中发展起来的一个相对独立的环节，又能动地指导实践。这样，人类认识的一般程式就是：实践认识（感性、理性）再实践再认识……而科学认识过程可以具体化为:观察、实验假说（修正假说的）观察、实验理论……（3）按逻辑实证主义（Logicpositivism)的观点，可以把科学认识视为以归纳和证实为基础的理论重建过程。认识主体实践（认识）认识客体变革，客体主体化反映，主体客体化\n逻辑实证主义学派高举“拒斥形而上学“的大旗，主张用逻辑的方法研究出一种科学认识的理想模式，然后以此改造、重建科学理论，以剔除科学中的形而上学成份。他们认为一个成熟的科学理论体系运用了3类术语：1）观察术语，描写直接可观察的物体或物体属性，是可以通过经验证实的。如“这张桌子是红色的”是可以证实的，“这张桌子是物质的”是应予拒斥的形而上学命题。2）逻辑术语和数学术语。3）理论术语是通过逻辑术语与数学术语对观察术语的概括或定义。将科学的归纳主义传统与证实原则结合起来，形成了他们的科学认识过程模式：比较（2）、（3）二种模式，前者以实践为基础，后者以经验为基础，理论上是有区别的。但二者的共同点是：先有感性认识，后有理性认识。可能这两种认识模式反映了近代科学发展中的认识论特征。K.Popper从归纳的可靠性与证实原则两方面对逻辑实证主义发难：（见下页）观察、实验获得经验命题假说观察、实验理论……分析归纳检验\n1）科学研究中大量使用的不完全归纳法是不可靠的，是或然推理。当然这就是著名的D.Hume问题，并非是K.Popper的首创。因为归纳前提都是关于经验事实的单称陈述，从有限个单称陈述归纳出严格的全称陈述，在逻辑上是不可能的。例如：前提：H2SO4中含有O前提：亚洲有白天鹅H3PO4中含有O欧洲有白天鹅HNO3中含有O美洲有白天鹅HClO中含有O非洲有白天鹅结论：凡酸中必含氧结论：凡天鹅皆白2）以证实原则作为区分科学与形而上学的标准是不可靠的。一方面，这一标准显得太严，把包含合理内核的哲学思想都拒于科学大门之外，如Democritus的原子论、Pythagoras的“中心火”说都是无法用经验证实的。另一方面，通过偶然的经验证实，又可以把占星术、唯灵论等伪科学包括进来。可是，HCl中不含氧，所以结论被否定。但有人在澳洲发现了黑天鹅，所以结论被否定。\n3）结合现代科学的认识特征，K.Popper在批判逻辑实证主义的基础上，提出证伪主义的科学认识模式：P1TT1EE1P2……即：问题1猜想反驳问题2……其中P：ProblemTT:TentativeTheoryEE:EliminationofError提出这一模式的根据：1）以否定后件的演绎法为基础，逻辑上是可靠的，即：[(tP)·P]t;2）以证伪原则作为科学与非科学的划界标准；3）K.Popper通过与Einstein直接对话，在认真研究相对论发现过程的基础上，作出了上述哲学概括。这一认识图式提出之初，简直惊世骇俗。其积极意义在于：1）明确提出科学认识始于问题；2）打破了“科学即真理”的迷信，指出科学是可错的，科学认识的整个过程都贯穿着真理与谬误的矛盾；3）打破了“正确的认识来自观察，真理即经验事实的归纳”的迷信，深刻揭示了科学认识中观察与理论的矛盾，颠倒了观察与理论的主、次地位，强调了理论的能动作用方面。（“伟大的头脑给出伟大的经验”）\n著名科学家对这一认识模式给予评价：1）Medawar（英国生物学家，诺贝尔奖金获得者）说：“我认为Popper是有史以来无与伦比的最伟大的科学哲学家。”2）Bondi（英国天文学家）说：“科学就是科学的方法，科学的方法就是Popper所说的。”3）Eccles（澳大利亚生理学家，诺贝尔奖金获得者）说：科学家应该“阅读和思考Popper论科学哲学的著作，并把它们作为人们科学生涯的基础。”（邱仁宗《科学方法和科学动力学》P.37—38)当然,Popper的科学认识模式,作为一种偏激的科学哲学理论，错误也是很多的，这里不作系统评述。仅指出最突出的一点：他强调了科学认识过程中的否定、革命、冲突的方面；忽视了其中肯定、渐进、协调的方面。这便导致后来美国学者T.Kuhn提出历史主义的科学认识模式：前科学常规科学科学革命常规科学……\n二、科学方法及其在科学认识中的地位和作用1.科学方法概述方法的本意是途径和手段。科学方法是人们在认识和研究自然界的本质及其规律的规则和手段系统。科学认识活动本质上是主体借助于工具同自然界的相互作用。这是人的认识活动和动物的感知活动的根本区别。所谓科学工具是指在科学认识活动中，主体为了把握客体而运用的全部手段。没有科学工具，也就无所谓科学认识活动。从前面关于科学认识的系统论图式可见，科学工具是一个系统，一般由硬件和软件两大要素构成。硬件是指以实物形态存在的认识工具，如实验装置、仪器设备等。软件是指以观念形态存在的认识工具，这就是科学方法。Hegel说过“在探索的认识中，方法也就是工具，是主观方面的某个手段，主观方面通过这个手段和客体发生关系。”（列宁《哲学笔记》P.98）在科学工具系统中，硬件和软件相互匹配，相辅相成，形成内在统一的有机整体，以实现认识的目的。也就是说，有什么样的仪器设备，就有什么样的方法；有什么样的方法观念，就有什么样的实物工具。2.科学方法与科学认识的关系科学认识是对自然界客观规律的能动反映。科学方法是科学认识中必不可少的主观手段。在科学发展过程中两者是密不可分的。某种意义上说，两者是一而二，二而一的东西。\n（1）科学方法既是科学认识的成果，又是科学认识的条件，它在科学认识中处于核心地位。其一，科学方法是人类已有认识基础上的升华。主要表现为人类在认识、变革自然中的经验总结，或者是科学理论的提炼与转化。例如：★人们在以观察的方法认识自然的过程中，逐步体会到这种询问式的方法过于消极、被动，应该发展出一种类似于拷问自然的积极、主动方法，在控制、干扰、模拟自然现象中以获取更多的自然信息。于是，后来就发展出实验方法。★在现代系统、控制论、信息论研究过程中，不断进行概括和提炼，将“三论”基本思想转化、改造成现代科学认识中的重要的综合性方法。其二，可以把科学认识中所发现的客体有关属性转化成某种特殊研究方法。例如：★放射性同位素示踪方法★X射线衍射方法\n反之，科学方法又是科学认识中必不可少的手段。例如：★没有F.Bocan提倡归纳方法、实验方法，近代科学就难以从哲学中独立出来；★没有公理化方法，Newton就写不出《自然哲学数学原理》；★没有类比方法，deBroglie就发现不了物质波。有人说，一部自然科学史就是一部科学方法的发展史。（2）科学方法与科学认识是相互促进，共同发展的。巴甫洛夫说：“科学是随着研究方法获得的成就前进的。”就是说，科学认识的不同阶段，必然有对应合适的方法与其匹配；随着科学认识的发展，科学方法也要随之改变；新的科学方法出现，又推动科学认识前进。★古代自然哲学笼统地把握自然现象的一般性质，主要靠思辩、猜测、直觉的方法；★近代科学前期处于分门别类地收集材料阶段，主要靠实验方法、分类方法、逻辑方法（归纳、演绎）、数学计量方法；★近代科学后期，科学进入整理材料、建立理论阶段，主要靠比较方法、类比方法、假说方法、历史方法、统计方法；★现代科学一方面向宇观、微观领域扩展；另一方面出现高度分化，又高度综合的趋势。便出现了假说—演绎法、移植方法、计算机证明方法、黑箱方法、控制—反馈方法、功能模拟方法等。\n（3）科学方法不仅使科学认识深入化，还使科学认识程序规范化、最优化。一定意义上说，不同历史阶段发展起来的一般科学认识模式就是由当时的典型科学方法组合而成的。例如：★Aristotle的归纳—演绎法★F.Bocan的归纳—排除法★Newton的分析—综合法★Descartes的理性演绎法★Logicpositivism的证实—归纳法★K.Popper的假说—证伪法这些包含特定方法的认识模式虽然都有局限性和片面性，但在科学发展史上，它们都曾充当过它们应当充当的角色，发挥过应有的历史作用。由于科学方法与科学认识的这种内在一致性，因而导致认识论与方法论的一致性，即二者是和谐统一，匹配成系统的。从自然观部分学习中，我们已经知道，有什么样的自然观，就会有什么样的自然科学方法论。故从根本上说，自然观、认识论和方法论是相一致的。\n三、科学技术方法的层次和分类科学方法是正确反映研究对象的客观规律的主观手段，同时又是客观规律的应用。作为实现目的的手段，它是由主体选择、设计的，因而具有主观性。对同样的目的，不同的人可以采用不同的手段。但主体选择、使用的方法也不是没有根据的凭空臆造，而是根据客观规律构造、设想出来的，是对客观规律的应用，因而方法又具有客观性。对科学方法可以按不同的标准进行分类。如按时间标准，可分历史方法和现代方法；按空间标准，可分西方方法和东方方法；按认识程序划分，可有感性方法、理性方法和综合方法等等。但我们一般更注重从普适性和层次性上对方法进行分类。因为科学本身是一个复杂多样的工具系统，既有普遍哲学规律的应用，即哲学方法，是普适性最大的方法，给人们提供认识事物的一般方法论原则；也有特殊学科领域的规律的应用，即特殊科学方法，普适性最小，是最具体的手段，如高能物理学中的加速器实验方法；对各种特殊科学方法进行概括和总结，就形成具有共性规律的一般科学方法，它的普适性比哲学方法小，比特殊科学方法大，对整个科学领域和完整科学认识过程是普遍适用的。它是和自然界的普遍规律——自然观层次对应的，是“……适合自然观这一发展阶段的思维方法。”（《自然辩证法》P.190）下面我们就是研究这样的一般科学技术方法，如观察、实验、假说等方法中的共同规律问题。\n如果再概括一下，便可得下面的图式：哲学世界观一般方法论原则抽象程度最高，普适性最大自然观一般科学技术方法抽象性适中，适合科学技术领域特殊原理特殊科学技术方法是具体，运用于某一具体问题的操作过程第六章科学问题与科学事实教学要求：了解科学问题的来源、分类及其在科学研究中的地位；明确正确选题的原则；掌握获取科学事实的方法科学问题1问题在科学研究中的地位简述X射线的发现过程。（见备注）\n（1）科学研究始于问题明确的认识是从经验开始的，但光有经验事实并不能导致研究，很可能会因未引起注意而轻轻放过。而一项具体的研究活动都是从问题开始的，通过提出问题，分析问题，最后达到解决问题。Galileo发现落体定律以后，人们都认为这件事完全弄清楚了，但300年后，因Einstein提出惯性力与引力是否等效问题，而直接导致广义相对论的诞生。认识始于现象（经验事实）和研究始于问题两者虽不矛盾，但却是两件事情。传统经验论者将两者混为一谈，误认为科学研始于观察，那就很难说明同样的观察事实为什么能导致大不相同的结果。还应强调，在科学研究中，不仅可以首先从经验事实引出问题，而且在许多情况下，只有事先有了问题，才能主动观察到某些异常事实。Oersted发现电流磁效应的过程就是这样的。1820年，他在一次给学生上课时，随手将通电导线放在一枚磁针的上方，正好与磁针平行，便突然发现磁针发生了近90°的偏转。在场的学生们并不在意。而Oersted受谢林影响，对自然哲学深感兴趣，从电与磁的排斥、吸引作用相似性中，早就提出了电对磁有什么作用的问题，并于1807年就开始研究它。正是有这样的问题背景，别人视而不见的现象，却使他欣喜万分，引起了极大注意。\n（2）问题推动研究向纵深发展D.Hilbert(1862-1943)说过：“只要一门科学分支能提出大量的问题，它就充满着生命力，而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”（南同茂等《自然辩证法案例教学》，河海大学出版社，1989）正是年仅38岁的他本人，在1900年8月于巴黎召开的第二届国际数学家代表大会上，一口气提出了23个问题，即著名的Hilbert问题，成为20世纪数学史上的旗手，指引着20世纪数学的发展。迄今有一半以上已获解决。再如，X射线发现以后，正是弄清它的性质与本质这一问题，推动物理学家做新的研究，使Thomson、Rutherford证实X射线会使气电离；1912年VonLaue用晶体作光栅，得到了X射线的衍射图，证明X射线是一种波长很矩的电磁波；由于X射线产生于放电管壁出现萤光的地方，Becquerel在验证X射线是否产生于萤光物质时，发现了天然放射性物质——铀；是否还有其它物质具有天然放射性呢？由此导致居里夫人发现了钍、钋和镭。可见，正是一系列问题和发现导致了现代物理学革命。问题推动着研究，没有问题，科研就失去了动力。一个科学家越能提出有价值的问题，他的科研创造力就越强。\n（3）提出问题比解决问题更重要由上可见，进行科学研究，首先在于能否提出有创造性的问题。Einstein说过，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”（《物理学进化》P59）可是，提出一个确切的科学问题并非轻而易举，J.D.Bernal又说：“提出问题比解决问题更困难。”（《科学学译文集》，科学出版社，1981，P28-29）为什么说提出问题比解决问题既重要又困难呢？这是因为：1）提出科学问题往往要有敢于摆脱陈旧学说和传统观念的勇气。在科学史上，当出现新事实与传统理论不一致时，很多人第一步想到的往往是怀疑新事实，第二步就是修补旧理论，使之不与新事实矛盾。（adhoc)在1780年Lavoisier提出氧化说之前，“燃素说”曾一统天下达100年之久。为维护这一旧理论，有人尽提出负重量的设想，不惜否定万有引力的普遍性，代价太大了。2）提出科学问题要具有创造性的想象力。Einstein说过：“解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧问题，却需要创造性的想象力。”（《物理学进化》P59）正是他，16岁时就一直想象这样一个悖论：如果以光速C追随一条光线运动，那就应看到，这条光线好象在空间中振荡而停滞不前的电磁场。可是，无论依据经验，还是按Maxwell方程，看来都不会发生这样的事情。一开始他就清楚地直觉到，从这个观察者观点来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样，按照同样的定律进行。他为此沉思了十年，终于创立了相对论。\n3）提出问题往往“标志着科学的真正进步”。上个世纪之交，许多物理学家都认为物理学的大厦已经建成。Kirchhoff说：“物理学将无所作为了，至多也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”Plank的老师（弗.劳里）也曾说过，物理学将很快地具备自已的终极的稳定的形式。并劝告Plank不要把物理学作为终身事业。Kelvin勋爵在1900年元旦献词中也说：“在已经建成的物理学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但他也敏感地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵令人不安的小小乌云。这就是黑体幅射问题上的紫外灾难和Michelson-Morley实验关于以太飘移速度的0结果。却正是这两个问题导致了令人振惊的物理学革命。4）提出问题不仅规定了研究工作的主攻方向，同时往往也规定了所需的手段、方法和程序。如Galileo尽管没有解决光速测量问题，但他在提出这一问题时已预见到，必须从延长光程和精确计时两方面同时入手。杨振宁、李政道在提出“在弱相互作用下，宇称可能不守恒”问题时，就同时设想了一系列验证这个问题的实验建议。其中的“极化β衰变”实验，很快就由吴健雄出色地完成了，从而解决了这个问题。产生了弱相互作用下宇称不守恒定律。所以，Beveridge说：“确切地陈述问题有时是向解决问题迈出了一大步。”（《科学发现的艺术》P95）Heisenberg则说：“提出正确的问题往往等于解决了问题的一半。”（《物理学进化》P59）2问题的来源和问题间的划界（一）问题的来源纵观科学发展历史，科学问题作为科学中的矛盾，主要产生于如下几方面：（1）已有理论与经验事实的矛盾\n这里又可以分成两种情况：1）理论与经验事实的直接矛盾。在这种情况下，不是经验事实有谬误，就是现存理论有问题。20世纪初，科学家发现β衰变中电子所带走的能量要小于原子核所释放的能量，这个实验事实与现有的能量守恒定律不一致。当时N.Bohr曾提出能量守恒定律对B衰变可能不适用的看法。而Pauli认为能量守恒原理是自然界的基本定律，可能是衰变中有一个极小的粒子带走了一部分能量，而这个粒子在衰变过程中未被我们发现，假设它为“中微子”。后来中微子被发现，证实Pauli解决这个问题的路子是正确的。实际上，他是从维护理论，怀疑事实的角度提出了一个正确的问题。当然，在另一些情况下，从维护事实，怀疑理论的立场也可能获得正确结果。2）由理论推出的逻辑结论与经验事实矛盾，一般又称之为佯谬。如Rutherford根据大角散射现象，把原子与太阳系相类比，建立起原子的太阳-行星模型。认为原子核象太阳一样，质量很大，体积很小，居于中间，电子象行星一样绕核旋转。但根据经典电动力学理论，绕核旋转的电子将不断地向外幅射电磁波而连续失去能量，电子轨道半径将越来越小，在10-3秒内将落到核上。显然这与现存物质是由原子构成的事实相矛盾。（2）理论体系本身的矛盾这里又可以分成三种情况：1）在一个理论体系内部，从同一组前提出发，导出相互矛盾的命题\n这在科学上常称“悖论”(paradox)。如20世纪初，数学家们受理性主义思潮的影响，努力追求数学基础的绝对严格性。到集合论建立后，很多人都认为数学的根基绝对牢固了。但不久B.Russell就发现了“集合论悖论”。说存在两种集合：本身分子集A={x/x∈x}(如图书馆的集合还是图书馆）；非本身分子集B={x/xx}（如教室的集合是大楼）。再反身自问，B属于哪类集合？若B∈B={x/xx},则BB，矛盾；若BB，则B∈A={x/x∈x},则B∈B，也矛盾。Russell又将其转化为日常语言，即所谓“理发师悖论”：有一个乡村理发师自夸，他给且只给村子里不给自已刮胡子的人刮胡子，那么，他究竟给不给自已刮胡子呢？结果发现自已陷入了矛盾。正是这个矛盾推动了数学基础的研究，导致数理逻辑和计算机科学的大发展。2）解释同一现象的（理论）假说之间的矛盾由于不同学派的出现，对同一研究对象可能分别提出不同的假说，如何判别二者孰是孰非，或者将两者合理部分结合起来提出新的假说，都是重要的科学问题。如地质学史关于地层结构的解释，有Cuvier的“灾变说”和Lyell的“渐变说”;矿物学史上关于岩石成因的解释，有“水成说”与“火成说”；光学史上有“粒子说”与“波动说”。这些对立假说的争论，都促成了该学科的发展。3）不同学科理论体系之间的矛盾即不同学科的不同理论在本学科内部都有很大的成功，能分别说明自然界一大类现象，但二者在基本思想上却是矛盾的。如Darwin进化论与Clausius热力学第二定律的矛盾就成了Prigogine长期思索的问题，结果创立了耗散结构理论，将二者在更高的层次上、更大的范围内统一起来。Maxwell电磁场理论与Newton力学在“场传递作用”与“超距作用”上的矛盾由狭义相对论统一起来。\n（3）实际需要与现行技术手段不能满足需要的矛盾这类问题通常就构成了技术科学与工程技术方面的研究内容。一般都是由生产和实际生活的需要中提出来的，要么是要应用基础理论，将可能性转化为现实性；要么是基础理论满足不了它的需要，或者是在实验研究中发现了新事实，从而常常大大推动基础理论的研究。从科学问题产生与来源的分析中，我们已看到关于“问题”的问题确实是一个非常复杂的问题。这是由于：1）客观事物复杂性；2）主体认识能力和手段的局限性；3）科学是不断发展变化的等因素决定的。我们应该研究哪些问题？又应该排斥哪些问题？如能把这个问题解决了，则在选题问题上就前进了一大步。可是这个问题太复杂了，前人的尝试基本都是以失败告终的。逻辑实证主义者曾把“经验证实原则”作为科学与非科学的划界，结果表明这个标准是不正确的;K.Popper反其道而行之，提出用“证伪原则”作为划界的标准，尽管逻辑上比较可靠，但也没有解决分界问题。目前从方法论的角度看，可能严格划分科学问题与非科学问题是不可能的。因为既要求统一标准，又要有内在的逻辑，看来很难办到。这里只能提出几种关系和观点，供工作中审视与参考：（二）问题的划界（1）自然科学问题与非自然科学问题Science的本意即指自然科学，这里我们主要也是探讨自然科学与技术的方法论问题，故首先要明确这一划界。客观物质世界的物质运动形式有三类：\n自然物质运动、社会的物质运动、思维的物质运动。因此，自然物质运动形式就成了自然科学与社会科学、思维科学划界的标准。凡涉及自然物质运动形式的问题才成为自然科学问题。哲学是研究世界物质运动一般形式的，故按上述标准，哲学问题当然也不属自然科学问题。（2）科学问题与伪科学问题这里的伪科学就是指神学、灵学、占星术这类东西，它们本质上属于宗教、迷信，是唯心主义的东西，不是以客观物质运动形式为研究对象的。因此，这里的划界标准仍是自然物质运动形式。这在尽管是理所当然的，但遇实际问题可能会有不同见解。如何人体特异功能问题，国外心灵心理学或超心理学问题(Parapsychology),有人认为是严肃的科学问题，有人则认为是荒诞不经的伪科学。（3）科学问题与表浅问题表浅问题是那种产生于（对科学背景知识的）无知，而不是产生于对知识的分析所提出的问题。三岁孩童提出的问题，可以让父母，甚至连科学家也难以解答。但问题的提出完全由于：1）缺乏科学背景知识；2）未经科学思维；3）更不能用科学述语表达，故称为表浅问题。与此相反，科学问题虽从“怀疑”产生，但这里指的是在对事实和知识进行分析的基础上的怀疑，必然是通过科学背景知识进行分析和探索的结果。故此，提出问题本身就是一种科学发现。例如，小孩提出“夜空为什么黑暗”就是一个表浅问题；可是，1823年德国的奥尔伯斯提出的“光度佯谬”问题就是一个科学问题，它和1894年由德国塞里格尔提出的“引力佯谬”问题一起引出了对宇宙模型的进一步研究。\n因为根据惯性定律，当物体在作匀速直线运动时，若没有外力的作用，就会永远维持这种匀速直线运动状态，这条定律实际上是欧氐几何第二公设——线段可以无限作直线延伸的力学化。所以,Newton力学认为宇宙是平直、无限的欧氐空间，且空间中的物质是均匀分布的，这就是Newton的无限均匀宇宙模型。以此为基础，若以地球为中心，以足够大的R为半径，则在这样大的天球内恒星总数应正比于R3；按光学原理，每个恒星射向地球的光强度反比于R2，则在这个天球内恒星光的总强度应正比于R。如果宇宙无限大，再合理地假设星际空间对光的吸收微不足道，则夜空将被照耀得如同白昼，而黑夜又如何解释呢？这个“光度佯谬”，是由力学、光学知识逻辑分析的结果，当然是一个科学问题。“光度佯谬”示意图R恒星数∝R3光强∝1/R2总光强∝R\n（4）待解问题与已解问题所谓待解问题，是尚未获得理论说明或实际解决，需要进行研究探索的问题。所谓已解问题，就是在一定的科学知识背景下被子认为是已经解决的问题，故在科学探索的意义上，已不成为问题。只有对尚未掌握有关科学知识的人来说，它们才继续成为问题。对此，一般来说通过学习便可以掌握，而不应重复别人已经做过的工作，再去探索一次。否则不仅没有科学成果，而且要浪费人力、物力、财力，于个人与社会均无益。例如，发明永动机曾吸引过很多探索者，但当热力学第一、第二定律发现后，谁再去研究这个问题就是一个蠢人。中国文化大革命中心血来潮还有人想发明永动机。实际上，法国科学院于1775年就宣布拒绝任何关于永动机的发明，说明这些人不仅没有科学知识，而且没有历史知识。当然，科学是发展的，理论是进化的。在一定科学背景下被认为已经解决的问题，在另一背景知识下，常常又成为科学问题，从新的角度重新被提出来。在这个意义上，“已解决”与“待解决”又没有绝对分明的界限。如在化学知识背景下，炼金术士企图点石成金，曾是典型的伪科学问题；但在核化学的背景知识和技术条件下，这个问题又成了真正的科学问题。1941年，美国哈佛大学的肯尼士·奔布利芝用中子轰击汞核（80Hg），把汞原子变成了金原子(79Au)，在人类历史上第一次实现了“点石成金”的梦想。\n（5）关键问题与一般问题关健问题，就是对科技进步与社会发展至关重要的问题；而一般问题问题则是科技进步与社会发展中非主要的，或者是辅助性的问题。显然，关健问题难以解决，但意义重大；而一般问题容易得手，但重要性不大。Beveridge建议：“初学研究工作的人最好选择一个很有可能出成果的题目，而这题目当然不要超过他的技术能力。成功是对进一步发展的有力推动帮助，而不断受挫折则可能引起相反的结果。”看来在导师指导下的初学者，一般取此策略为宜。但对一个有能力的研究者，为了在一生中更有效地从事研究，做出更大的成绩，就应当很好地筹划自已的研究方向，要“有所不为”，才能“有所为”。Faraday非常珍惜他科学生命中的有限时间，不但严格限制参加宴会等烦人的社交活动，而且对自已的科研活动，包括课题选择也作精细的筹划。为了做好某些研究，就严格限制自已不做另一些甚至是很有希望成功的研究。Einstein说得更精彩：“我受不了这样的科学家：他拿起一块木板，寻找最薄的部位，在最容易钻孔的地方，钻上许许多多的孔。”（秦关根《爱因斯坦》）他实际上是在嘲笑那些避实就虚，避难就易的研究者。（另见备注）\n(6)经验问题与概念问题L.Laudan以其著名著作Progressandit’sProblems在西方第一个对问题作了详细的分类研究。他把科学问题分成经验问题和概念问题两类。他认为，如果我们对所观察的自然界中任何一件事物感到新奇或企图进行解释，就构成了一个经验问题。如“重物为什么会自由落下？”“孩子为什么会象父母？”等。经验问题又可分成三类：1）未解决问题，即没有任何理论恰当解决的问题；2）已解决问题，即被同一领域内所有理论都认为解决了的问题；3）反常问题，即某一理论未解决，而被同一领域里的其它理论解决了的问题。如水星近日点进动，在广义相对论之前为未解决问题；在广义相对论之后，对Newton力学是反常问题。科学的进步就是由未解决问题和反常问题向已解决问题的转换过程。另外，在某些情况下，尽管对不同理论具有相同的经验支持，但由于理论的矛盾可产生概念问题。如Copernicus的日心说与Ptolemy的地心说对行星视运动的解释没有多大差别，但二者之间却产生了一个宇宙中心在哪里的问题，就是概念问题。\n概念问题又可分成两种：1）内部概念问题，它是由理论内部逻辑不一致或者理论内部机制含混不清所造成的（如集合论悖论）。2）外部概念问题，它主要是由以下三种情况产生的：A）同一领域或来自不同领域的两个理论之间的矛盾（如水成说与火成说；超距作用与场相互作用）；B）一个理论和某一科学共同体所共同接受的方法论之间的矛盾（如M.Born的统计诠释与Einstein等人坚信“上帝不会掷骸子”）；C）理论与当时流行世界观之间的不一致（如“日心说”与“上帝创世”教义）。科学家们认为，解决一个概念问题往往比解决一个经验问题困难大得多；但大多数情况下，概念问题的解决更能推动科学进步。因为它关系到一些深层次的理性问题。20世纪科学中最大的争论就是概念问题。如物理学的争论主要集中在量子力学与传统的“转变”、“物质”、“因果性”、“实在”等哲学概念不一致上。（参见《自然辩证法研究》1987（3）P55-56，殷正坤文“真理、解决问题与科学进步”）问题的分解与转移（一）问题的分解由于：（1）从本体论上看，科学问题是客观存在事物的矛盾体现。\n自然界事物是普遍联系的，故科学问题也不是孤立的，往往也表现得千丝万缕，在解决一个问题时常会引出另一个派生的问题。这样顺藤摸瓜，就可能出现一个具有一定层次结构和因果联系的问题网络。这显然与自然界本身的层次性、系统性相联系。（2）从认识论上看，科学问题又是与一定的背景知识相联系而存在的。由于认识的局限性，由于所涉及的理论、手段和方法还存在空白和困难，故解决问题的过程便形成一定的认识程序。为了解决预想问题，就要先解决其“前问题”，这样便形成一个问题链。所以，要解决一个问题，就要先分解问题，把大问题化成相互有机联系的小问题，使问题细化、具体化，这样就找到了解决问题的方向和步骤，克服“割不断，理还乱”的局面。对问题分解的能力，常常表现出科学家的洞察力和远见卓识。这种能力对科研工作有具大的指导作用，有时甚至会影响几代人的研究。例如，Leibniz所以被公认为数理逻辑的创始人，就是因为他最早提出了这门学科的基本问题，并对其作了正确的分解。他曾在给友人的信中写道：“要是我少受搅扰，或者是我更年轻些，或有一些青年人来帮助我，我将作出一种‘通用代数’，在其中，一切推理的正确性将化归为计算，它同时又将是通用语言，但却和目前现有的一切语言完全不同；其中的字母和字将由推理（或理性，reason）来确定；除确事实的错误之外，所有的错误将只由计算失误而来。要创作或发明这种语言或字母将是困难的，但要学习它，即使不要字典，也是很容易的。”（莫绍揆《数理逻辑初步》）\n实际上，他提出了一个问题：用数学计算来进行逻辑推理。又将其分解为两个问题：创造一种通用语言；建立一套推理规则。尽管他没有来得及做这些工作，但迄今200-300年间，数理逻辑学家们大体上都是沿着Leibniz所指引的方向前进的。（二）问题的转移如果说问题分解是在提出问题时已发现了其中的联系的话，那么问题转移则是在研究过程中逐步发现了此问题与彼问题的联系。于是，研究者便会根据需要，从已研究的此问题转向新的彼问题，这便是问题的转移。主要又表现为如下3种情况：（1）一个问题解决后由此引伸出其它问题科研过程是解题过程，但解决问题不等消灭问题。由于事物的客观联系和问题的内在逻辑联系，由一个问题往往会引出更多的新问题。新问题或可能揭示了科学中更深刻的矛盾和困难；或在应用方面展现了更加诱人的前景。这样，科学家就会从刚完成的问题转向另一个与之相关的新问题中。就象一场战斗结束，不是转移战场，而是向纵深发展。Einstein一生从事狭义相对论——广义相对论——统一场论的研究，就体现了这种问题延伸的序列。有时还会因一个问题引起一系列问题，吸引许多人转移到这些问题上来，就可能产生一系列的新成果。有人称此为科学上的“雪崩”现象。X射线的发现就曾导致这类“雪崩”。据此可见，一个人的研究应尽量避免频繁转移阵地，东一锤子，西一棒，而应注意跟踪问题发展的脉络。即使一个研究单位，也要避免打一枪换一个地方，而应保持稳定的研究方向，以利于提高效率，扩大成果。\n（2）及时抓住由机遇提供的线索，追踪新问题在研究过程中，研究人员也可能由于偶然性机遇提供的线索，发现了新问题。新问题很可能比手头上的问题更有意义，更有获得成功的希望。这时研究者要善于抓住这转瞬即逝的蛛丝马迹，穷追不舍。必要时要先丢下手里原有的问题。Rontgen在发现了那“不可思议”的“怪现象”时，就放下原来对阴极射线的研究，追踪不息。从1895.10.8第一发现它，1895.12.28发表具有伟大历史意义的关于X射线的论文,仅两个月,但成果对科学的影响却异常深远。Fleming也曾强调,如果他当时拘泥于既定的计划,对新线索搁置不理,就发现不了青霉素。所以,Beveridge说:“科学研究的一般战略是研究时具有明确的目标,但同时保持警惕觉,注意发现并捕捉意外的机遇。”（3）转换问题的提法——从一个新角度提出问题在科研过程中，原先选中了一个很有信心的问题，中途却遇到严重困难，象是啃一个酸果，似乎已到“山穷水尽疑无路”的地步。这时如果能从一个新的角度上仅仅对问题转换一个提法，就可能使人顿开茅塞，有“柳暗花明又一村”之感。例如：在Boyle之前，多少代炼金术士都想方设法把贱金属变成贵金属，却碰得头破血流，而Boyle适逢其时地从另一个角度提问题：“把贱金属变成贵金属是可能的吗？”沿着这个方向，建立起元素论，终于成为近代化学的真正奠基人。\n1935年，英国物理学家R.W.Watt受政府委托制造一种“死光”。因当时已知道短波电磁幅射对人身体有害，如果再能找到一种波长特别短的电磁波，能将远处的敌人照射死，或用来袭击飞机，这不就是死光嘛！在根据政府要求反复研究失败后，他转换了一下问题：“如果飞机能将我们发现的电磁波反射回来，岂不可及早知道敌机来犯吗？”循此思路他发明了第一台雷达，在二次大战中发挥了强大威力。科研选题科学问题与科研选题的关系虽然科学研究始于问题，无问题则无研究。但科学问题与科研课题并非一回事，二者有联系也有区别。（1）两者都是在一定的科学背景下提出的探索性问题，这是共同之处。但科学问题的产生更偏重于认识论根源，而科研课题则不仅有认识论根源，而且有社会学、心理学等根源。前者可以在不违背科学原则的前提出下，凭着直觉、想象或逻辑，进行自由发问。如屈原以诗人的想象力，在《天问》中一口气提出170多个问题，从宇宙的起源到人类社会，经天纬地，无所不及。D.Hilbert可以在一次会议上提出23个数学问题。Faraday的三厚本《电学实验研究》中提出了若干科学问题。但他们都没有一一研究、回答自已的问题。而研究课题的确定，是从众多科学问题中遴选出来付诸实践的问题，它不仅与科学自身的发展有关，而且还与社会的经济技术要求，自已的主观条件和兴趣等诸多因素相联。\n（2）提出问题与研究问题在思维方式上也有区别。提出科学问题一般是靠科学家敏锐的洞察力、丰富的想象力和卓越的知识面。一旦思维活跃起来，脑子中可以出现一个个问题纽结。不仅停留在专业内部，还可能扩展到专业之外。基本属于发散式思维方式，思想火花不停地向外发射。但在确定课题时，则要把问题具体化为实施步骤，要进行大量的比较、分析、论证，不能仅停留在一般问号的水平上，要对问题进一步深化，这属于收敛式思维方式。（3）科学问题提出者与科研课题选择者有时责任感、使命感可能也不一样。提出问题只要持之有故，立论便可成立，大概不会虑及提出问题会有什么实际后果，因此难免会忽视一些粗浅的、错误的成分。而确定课题则要企望在一定时期内见到工作成效，最终要解决问题，成果还要受到其他科学实践的检验，故这时必然要慎重行事。一个举手投足，都觉得干系甚重。可见，提出问题固然重要，但它只是研究问题的先导。前者主要指出了思考的方向，后者则要考虑行为的过程与后果。因此从这个意义上说，确定课题比提出问题更重要。J.D.Bernal说：“课题的形成与选择，无论是作为外部的经济技术要求，抑或作为科学本身的要求，都是科学研究工作中最复杂的一个阶段，……所以评价和选择课题，便成了研究战略的起点，要从一大堆课题中挑出带实质性的课题来，而不能把它们同非实质性的课题混杂在一起。”（《科学学译文集》P28-29“科学研究的战略”）\n科研课题选择的原则以上我们已经把“问题”作为科学技术方法论的重要范畴，作了比较详细而广泛的考察。弄清“问题”的目的，还是为了指导我们选题的实践。根据对科学问题的本质方面的全面了解，现在可以确定比较正确的选题原则了。（1）科学性原则所谓科学性原则，是指科研选题无论是从社会需要或科学自身的需要出发，都不能违背自然规律，否则主观愿望再好，结果只能越走越远，事与愿违。要贯彻这一原则，一般要注意以下三点：1）要划清科学与伪科学的界限。历史上科学家误入伪科学领域的先例不少，Newton后半生专注于研究上帝，注释《圣经》；Wallace、Crookes迷恋于降神术，均属于此。划分准则前已介绍。2）要划清自然科学与非自然科学的界限。前已述及，自然科学以外的社会科学、思维科学、哲学也是有科学性，即真理性、逻辑性性的。但不同质的矛盾只能用不同的方法来解决，所以，要坚持科学性原则，也必须注意这一点。避免重蹈“代替论”和“取消论”的错误。过去有人曾用哲学裁决科学是不对的；反之用自然科学去裁决其它科学也是不对的。3）在自然科学技术内部坚持科学性原则一般还要注意两点：\nA）基础理论课题的确立，一般应以事实为依据。Weigner在病中阅读地图时，确实意外地发现大西洋两岸的非洲和南美洲的轮廓竟如此对应，脑海里冒出是非存在大陆飘移的问题。然而他并没有立即将此作为课题，显然是由于事实根据不足。次年秋天，他在翻阅文献时，读一论文，提到根据古生物证据，巴西和非洲曾有过陆地联接。后又逐渐发现了古地质学、古地磁学、古气象学证据。由此联想到病中的发现，恐非偶然，才决心讨论大陆飘移问题。（金性春《大陆飘移》）B）应用技术研究课题的确立，一般应有理论根据。在热力学产生之前，你可以发明永动机为课题，但在之后就没有根据了。19世纪发明外科消毒法的英国著名外科医生Lister在写信感谢法国微生物学家Paster时说：“感谢你指出微生物的存在是腐败的真正原因，只是根据这唯一可靠的原理，才使我找到了防腐方法。”（威尔逊《科学家史话》1950三联版）同样也说明了这个道理。（2）创造性原则这是指所定选题应是前人没有解决或没有完全解决的问题，并预期可获得具有学术价值或实用价值的新成果。科学是推进人类发现未知世界和创造未有东西的事业，创造性是科学的灵魂，是科研劳动的价值尺度。没有创造就没有科学。为此主要要划清已解决问题与未解决问题的界限。重复别人劳动的课题不是有意义的课题。有两个问题要特别注意：\n1）要加强课题的论证和审定工作。由于情报信息和竞争中保密等原因，导致科研课题重复研究很普遍。据有关资料报道，每年花费在重复研究上的费用，美国曾高达10-13亿美元，英国曾达2500-3000英镑，前苏联曾达10-19亿卢布；世界上各个领域的重复研究可达60-85%，我国曾达40%。通过情报资料分析，生产实践中调节，专家鉴定等评审工作，可以大大克服这一现象。2）加强科技立法，杜绝科学研究中的剽窃行为。剽窃行为在一般社会行为中已为公德和法律所不允，论理这一丑行与科学是无缘的，当然也违反创造性原则。但由于科技越来越社会化，科研活动的功利关系日趋加重，便有人逃避艰苦的创造性劳动，通过剽窃他人成果达到个人某种利益上的目的。3）在正常科研中又如何提高创造性呢？著名科学家曾谈过如下体会：A）要到学科前沿阵地去选题。李政道教授曾说：“随便做什么事情，都要跳到最前沿去作战，问题不是怎么赶上，而是怎么超过。要看准人家在什么地方，有些什么问题不能解决。不能老是跟，那就永远跟不到前面去。”（《自然科学中的世界观和方法论》)Heisenberg1920年入慕尼黑大学攻读物理学，到1927年就成了国际闻名的第一流物理学家。这同他的导师、著名物理学家Sommerfeld等要求他扎实掌握物理学知识，并尽快接触和研究当时物理学前沿所面临的重大理论问题——在量子论基础上研究原子物理学是分不开的。所以1977年，英国就有人聘请50多位世界著名科学家，就学科的当代的前沿问题作战略展望，写成TheEncyclopediaofIgnorance一书，中文版书名译为《科学的未知世界》，旨在引导年轻学子尽快到达科学前沿。\nB）要到科学知识不一致的地方或空白区去选题。恩格斯曾谈到电化学产生初期一件有趣的事：“维德曼在说明电花对化学分解和重新化合的影响时宣称：这宁可说是化学上的事情。在同一情况下，化学家也宣称：这倒不如说是物理学上的事情。这样在分子科学和原子科学的接触点上，双方都宣称与已无关，但是恰恰就在这一点上可望取得最大成果”（《自然辩证法》P268）Weiner也曾说：“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已建立起来的部门之间的被忽视的无人区。……到科学地图上这些空白区去作适当的查勘工作,只能由这样一群科学家来担任,他们每人都是自已领域中的专家,但每人对他邻近的领域都有十分正确和熟练的知识。”Weiner和他的同事们就是在物理学、数学、自动控制、电子技术、神经生理学等学科相互渗透的边缘地带，无人猎涉的空白区开拓崭新领域，建立控制论的。（3）需要性原则这是指选择课题必须从社会和科学本身发展的需要出发。科学技术活动说到底是一种人类社会活动，是以认识、改造自然为目的的。如果不从实际需出发，闭门造车，漫无边际，就可能失去社会的支持，最终难以取得重大成果。但另一方面，科技活动又决不同于经商等经济活动。我们可以在一定程度上借用经济杠杆，但不能唯利是图，否则就会从根本上背离科学。因此要辩证地对待下列关系：1）坚持科技为生产服务与克服利益“诱惑力”的关系。科技是第一生产力，我们又面临着“四化”建设的重任，选题应力求为经济建设服务，这是不言而喻的。但要看到科学有其自身的规律，实际应用也不是科学唯一的目的。如果选题时时都着眼于利，处处都想到钱，就可能被利益的“诱惑力”迷住眼睛，结果走向反面。\n永动机最有经济诱惑力了，可惜它不能实现；Maxwell电磁场理论创立之初，他本人并没有想到什么应用价值，却导致了第二次技术革命，几乎改变了我们每一个人的生活方式;Einstein首先将光分成自然态和激发态时，大概也未想到今天激光技术的威力。2）现实需要与长远需要的关系。当然，现实的迫切需要应成为我们选题的重点和主要方面，但也要适当注意学科发展长远需要的课题。日本战后经济频临崩溃，所以提出“技术立国”的口号，搞拿来主义，偷来主义，把别人的成果稍加改造，变成产品，转化为经济效益壮大自已。但现在日本也提倡“科技立国”了，因为只顾眼前，忽视长远，只有应用技术，没有基础理论，就会使技术成为无源之水，无本之木，最终失去发展后劲。3）国际水平与本国情况的关系。“一切从实际出发”是我们事业的根本。由于我们落后，落后就要挨打，面对这一实际，就要盯住国际水平，努力赶、超先进，缩短现实差距。但是各国科技水平、经济实力、自然资源不一样，我们就只能走自已的路，不能照搬照套。日本是资源贫国，就要狠抓深度加工；中东石油丰富，就要在勘探、开采、冶炼上下功夫；加拿大森林、水力资源丰富，当然也要在开发相关产业上做文章。（4）可行性原则由于科学研究是一种实践活动,必然要受到现实条件的制约。注意从主、客观条件出发选题，就是这一原则。恩格斯说过：“我们只能在我们时代条件下进行认识，而且这些条件达到什么程度，我们便认识到什么程度。”（《自然辩证法》P219）\n美国贝尔研究所前副所长莫顿说：“选择题目不能草率，如果根本没有实现的可能，选题就等于0。”（美国《科学》1978，5，19转自《自然科学中的世界观与方法论》P213）这些都是强调可能性的。一般地说：1）选题要从主观条件出发。主要是指研究人员的知识结构、技术水平、研究能力、个人兴趣、对课题的认识深度等。数学素养差的人不能研究高能物理；色盲者不能做化学实验（Dalton因患Dalton症，也只能在化学理论上获得成功）。巴甫洛夫还强调“科学是需要人的高度紧张性和很大热情的”（《给青年人的一封信》），因此还要考虑研究者的个人兴趣和志愿。Rutherford自已热爱放射性，他曾要求自已的研究生Appleton也研放射性。但是Appleton不愿做，要选取择他感兴趣的无线电，得到了Rutherford的支持和指导，终于发现了电离层，荣获1947年诺贝尔奖金。2）选题要从现实的客观条件出发。客观条件主要是资料（文献资料、实物资料）、设备、物资、经费、时间、协作条件、导师特长等。一个插队知青想做科研工作，选择遗传育种比较现实，想搞高能物理则是天方夜谈。3）还要注意扬长避短，创造条件。我们是唯物论者，强调选题要尊重主、客观条件；我们又是辩证论者，认为通过充分发挥主观能耐性，有些条件是可以改变的。杨振宁善于抽象思维，不善于动手，赴美以后先学实验物理，实际操作不如别人；后改攻理论物理，扬长避短，获得成功；Einstein创立广义相对论时，发现自已数学知识欠缺，就补学了非欧几何；居里夫人是在极端简陋，不避风雨的破棚屋里提炼出镭（Ra）的。\n第二次世界大战后，英国由于资金短缺，造不起昂贵的高能加速器，物理学家Bower穷则思变，将未开封的照相底片放在高山上，捕捉由太空穿越大气层的高能粒子，结果发现了一类新的介子，获得者1950年诺贝尔物理学奖。还要强调一点，当代科学发展处于高度交叉综合时代，在选题时，如因知识不足，则特别要注意联合研究，相互之间取长补短，以提高研究效率。J.D.Watson与F.Crick，一个是美国人，一个是英国人；一个学生物学，一个学物理学。素不相识，在Cavendish实验室碰到一起，志趣相投，联合研究DNA分子结构，不到两年就跑完了通向诺贝尔奖的全部路程。据统计，1901-1972年268位诺贝尔奖得主中有185人因联合研究而获胜，占2/3。其中第一个25年联合者占41%；第二个25年联合者占65%；第三个25年（1976年前）占79%。可见联合研究呈上升趋势。最后还应强调：以上四条参考性原则既不是绝对的，又不是孤立的，在实际选题中应综合考虑，灵活运用。\n三、观察和实验1科学事实是科学认识的基础以上，尽管我们从科学方法论的视角，在独立地考察科学研究这一人类高级认识活动的特殊性时，强调了科研始于问题，但从认识论上考察，事实仍是认识的基础。巴甫洛夫说：“事实是科学家的空气。你们如果不凭籍事实，永远也不能飞腾起来。如果没有事实，那么你们的‘理论’就会成了虚枉的挣扎。”（《巴甫洛夫文集》1955版，P.31-32）1）科学事实是建立假说、理论的基础。1831.12.27.年仅22岁的Darwin，在剑桥大学亨斯洛教授的举荐下，登上Beagle号远洋考察舰，开始了长达5年的环球考察航行。教授在给Darwin的信中说：“我这样说，并不是假定你是一个完美的博物学家，只是认为你具有充分的条件可以去搜集、观察和注意博物学中任何值得注意的事……”（张秉伦、郑士生《达尔文》P.75）正是这5年艰苦的收集资料工作，为他日后创立生物进化论奠定了丰富的事实基础，使其成为19世纪最伟大的生物学家。2）科学事实是检验科学假说，评价科学理论的主要依据。因为科学事实对假说具有证实、证伪作用。科学假说只有得到事实的充分证明，才能转化为理论。恩格斯说：“哥白尼的太阳系学说有300年之久，一直是一种假说，这个假说尽管有99%、99.9%、99.99%的可靠性，但毕竟是一种假说；而当勒伟烈从这个太阳系学说所提供的数据，不仅推算出一定还存在一个尚未知道的行星，而且还推算出这个行星在太空中的位置的时候，哥白尼的学说就被证实了。”（《马恩选集》Vol.4,P.222)\n3)科学事实还是修正、补充、发展理论的主要源泉。在原子结构发展史上，首先是J.J.Thomson提出“布丁”原子模型，有人也称“果子冻”模型；由于大角散射实验与事实矛盾，Rutherford便提出了太阳-行星模型；但根据电磁理论，任何一个绕核运动的电子，最终都会落在核上，这又与原子稳定性的事实矛盾，N.Bohr又引进量子假说，提出“核外电子层分布”原子模型；可是N.Bohr模型是古典理论加量子化条件，并非完整统一的理论，不能解释氢光谱的精细结构和谱线在磁场中分裂等实验事实。直到Schordinger、Heisenbrg建立量子力学后，Heitler、London用于氢原子，才科学而精确地解释了原子的结构和性质。原来，轨道概念并非是经典力学中的物体运动固定路线，而是电子在核周围出现的几率。关于“事实”界说在科学研究中，什么叫事实？怎样获取事实？事实的本质含义是什么？这些问题看起来似乎不值一问，但仔细作概念分析，则意味无穷，它困扰了许多科学家和哲学家。下面的案例可从一个侧面反映这一问题的复杂性：1953年，一次国际心理学会议在德国Gottingen召开，共40人多与会。当会议主席刚宣布大会开幕时，突然从会场外闯进两个人来，一个在前面逃跑，另一个在后面追赶，并且开了一枪，会场上顿时一片紧张。整个事件约持续了20秒钟。事后会议主席立即要求全部与会代表马上写出事件的观察报告。结果在40篇报告中，只有一篇错误小于20%；14篇错误在20-40%之间；25篇错误大于40%。按一般理解，如此多的错误是不可思议的。因为：\n1）与会者都有是训练有素的科学家，熟知观察的要领和撰写报告的要求；2）事情发生后立即要求撰写观察报告，丝毫没有遗忘之嫌；3）当事人与观察者没有任何特殊社会关系，故如实记录不会受其他因素干扰。实际上，这一事先安排好的试验深刻表明，由观察、实验获取“事实”绝非易事。为此我们大致可将“事实”作如下划界：1）客观事实，这是指物质对象的真实现象和过程，自然是客观实在的，第一性的。正因为此，这是对“事实”的本体论定义。人如何来把握这个客观物质对象的现象和过程呢？则必须通过认识途径实现。2）经验事实，实际上是通过一定的手段，对客观物质对象的现象和过程所作的一种反映和描述。既然是反映和描述就不是第一性的，而是第二性的。这就是“事实”的认识论定义。科学上处理的事实都是这种经验事实，一般是通过观察和实验手段对客观事实进行反映、描述的结果。由于现代科学实验和观察大都借助仪器，因此把握事实的认识过程应就变成：主体仪器客体。客体仪器的结果是仪器对客体的描述，为第一性的经验事实，称为事实Ⅰ；主体仪器的结果是主体对事实结果的经验陈述，称事实Ⅱ，其中已掺杂主观成分。对被观察与实验证明了的理论结论，一般是指既有的理论原理，如定理、定律、公理，由于其具有客观真理性，便叫做理论事实，亦称事实Ⅲ。根据这一认识模式，事实Ⅰ可能出错，而事实Ⅱ出错的可能性就更大。至此，我们可以将关于“事实”的概念分析以下图总结出来：\n客观事实（本体论）事实事实Ⅰ（客体仪器）经验事实（认识论）事实Ⅱ（主体仪器）事实Ⅲ（理论事实）图1关于“事实”的概念分析图示\n搜集科学事实的方法（1）科学观察1）定义科学观察是在自然发生的条件下，通过人们的感官，或借助于一定的仪器设备，有目的、有计划地感知和描述客观事物，获取感性材料的基本手段。（教材P.124）2）科学观察的原则由上分析可见，观察是可能出错的，但科学研究中又须叟离不开观察方法，因此在科学观察中我们必须遵循下列原则：A）客观性原则。这是指在科学观察活动中，要努力避免主观偏见，始终坚持实事求是的态度。要按照观察对象的本来面貌如实记载，绝不能忽视那些与预想目的不相符的真实情况。坚持这一原则，就坚持了辩证唯物主义认识论一切从实际出的立场。是提高观察有效性，发挥观察应有作用的可靠保证。列宁曾把“观察的客观性”列为“辩证法要素”16条中的第一条。强调这“不是实例，不是枝节之论，而是自在之物本身。”（《哲学笔记》P238）具体地说，应努力做到：★克服先入之见（严格区分“想到的”与“看到的”）★克服无意过失（不放走任何蛛丝马迹）★克服假象和错觉（如筷子在水中似乎变弯）★做到随机取样，注意反复核对等等\nB）全面系统性原则。客观世界的事物都是处在普遍联系之中的，它的复杂内在本质的外部表现也必然是多种多样的。只有进行多侧面多角度的全面观察，才能尽可能完整地反映客观实际，发现各种现象之间的内在本质联系。列宁曾说：“要真正地认识事物，就必须把握、研究它的一切方面、一切联系和‘中介’。我们决不会完全地做到这一点，但是，全面性的要求可以使我们防止错误和僵化。”（《列宁选集》Vol.4P.453)要实现全面系统地收集资料，就必须在时间、空间上连续布置观察“点”，才可能把握对象的完整信息。Kepler所以能发现行星运动三定律，完全依靠其师TychoBrahe20多年如一日系统而周详的天文观察资料。竺可桢先生所以能在物候学研究中取得重大成果，也是和他数十年如一日坚持系统观察分不开的。他每天清晨起来第一件事就是测量气温、气压、风向、湿度等气象要素，从青年起一直坚持到逝世前一天，终于在晚年出版了《物候学》一书。C）典型性原则。为了把错综复杂的自然现象简化，尽可能减少可变因素，选择典型事物进行观察常常也是必要的。美国遗传学家Morgan在做遗传基因研究时，就选择了具有典型性的果蝇作为研究对象。果蝇染色体很简单，只有4对，易于观察；果蝇生活史只有两周，观察周期短；果蝇生殖力强，每对亲本可以产生成百上千个子代，可以观察很多种亲代与子代间的遗传变异现象；另外，果蝇还有几十种容易观察的遗传特征。这些可以使研究工作大大简明化，给Morgan带来很大方便，终于由他创立了遗传学的“基因学说”。Mendel研究遗传规律时，选择豌豆为对象也有这个道理。\n3）观察的局限性在注意到科学观察是研究中获取感性材料的最基本方法的同时，也发现了它的局限性，使得单凭观察不能满足科研对感性材料的要求。A）非因果性。恩格斯说：“单凭观察所得的经验，是决不能充分证明必然性的。”因为“Posthoc(在这之后），但不是Propterhoc(由于这）。”（《自然辩证法》P207）这个道理是显然的，通过观察，我们只能掌握事物变化的先后序列，但难以确定其是否有因果联系。例如，看到太阳天天早晨从东方升起，便可归纳得：明天早晨太阳从东方升起。若有人问：为什么明晨太阳从东方升起呢？你可回答：因为我天天看到太阳从东方升起。Hume问题已告诉我们，这个回答是不充分的。因为你的结论是根据过去的经验形成的心理习惯，严格逻辑意义上，过去是不能说明将来的。Hegel也说：“经验的观察,……使我们觉察到一个跟着一个的变化，……但是它没有给我们表示出关系的必然性。”（《哲学全书》§39，P550）B）被动性。科学研究的目的就是要探索自然的规律性，即因果性。而“科学观察是在自然发生的条件下”搜集感性材料的方法，认识主体处于被动地位，仅靠自然界的恩赐。因此F.Bocan曾比喻观察是“询问自然”；而实验则是“拷打自然”。恩格斯也说：“必然性的证明是在人类活动中，在实验中，在劳动中。”（《自然辩证法》P218）实验与观察的根本区别就在于：前者可以人为的干予、控制认识对象，在变革自然中认识自然，更充分地发挥人的能动性。\n（2）科学实验1）定义实验方法是人们根据研究的目的，利用科学仪器和设备，通过人为地控制或模拟自然现象，获取自然信息，探讨自然规律的一种实践方法。2）基本特征A）主动性。由于实验方法运用多种专门仪器和工具，能主动地把复杂的研究对象分解或简化成多种实验程序，也可人为地放大或缩小某一现象，最后达到准确再现预期结果的效果。著名的Michelson-Morley实验，是通过干涉仪完成的。包括两个平面镜、一个半透明的反射镜、一个单色光源和一个能显示干涉条纹的望远镜组成。通过人工巧妙地配合这些仪器，就能以极其明白的实验证据宣布以太(ether)的0结果，终于排除了困惑人类上千年的虚幻东西。Einstein曾赞叹，在这个伟大实验背后有一个伟大的头脑。Michelson也因其实验天才而获得诺贝尔物理学奖。\nB）重复性。由于实验完全是在人为控制的条件下进行的实践活动,只要实验条件不变，实验结果就可以在不同的时间、空间以同一现象再现出来。这种重复性是实验能证实、证伪理论，寻找自然规律的可靠基础。科学界实际上有一个不成文的规定，任何实验发现必须能够得到重复，才能被大家承认。1974.10.由丁肇中领导的实验小组在美国布鲁海文国立实验室发现的新基本粒子被命名为J粒子；在相近的日子里，B.Richter等人在美国斯坦福直线加速器中心发现了同样的粒子；同年月10.15.西欧粒子研究中心立即重复这个实验，并且获得证实。于是，定名为J/Ψ的粒子得到举世公认，丁肇中、B.Richter也因此荣获诺贝尔奖。反之，Einstein广义相对论预言的引力波，大概由于效应非常微弱，很难用实验测得。美国实验物理学家J.Weber，从1957年就开始设计、安装探测天线，寻找引力波。1969年宣布接收到来自银河系中心的引力波讯号，这项工作曾轰动一时，但后来的探测小组都没有能够重复他的实验结果，故J.Weber的结果至今得不到大家的承认。C）精确性。从定性描述发展到定量分析计算，是科学达到比较成熟阶段的重要标志。而要准确计算和定量分析，除了先进的数学工具外，还需要得力于实验的精确测量。如引力常数、重力加速度、Plank常数、气体常数等各种反映自然界重要特征的数据，都是通过实验精确测量获得的。“差之毫厘，谬以千里”，随着现代科学向微观、宇观领域深入，对实验的精确性将会提出越来越高的要求。\n3）科学实验的特殊作用A）具有简化、纯化研究对象的作用。自然客体是十分复杂的，事物间是相互联系、相互作用的，各种因素交织在一起，往往会把事物的本质掩盖起来。单凭观察一般不易弄清和发现其中起主导作用的因素。实验方法可以借助仪器的作用，克服次要因素，排除偶然因素，使研究对象及其属性以比较纯的形态呈现在面前，以便我们清楚地发现支配自然现象的规律。1799年，英国科学家H.Davy为了否定“热素说”，肯定“热动说”，就在真空中用一根钟表发条使两块冰互相摩擦，并把整个实验装置都保持在水的冰点，这样就排除了实验物与周围环境的热交换，使实验在比较纯粹的条件下进行。结果两块互相摩擦的冰融化了。实验有力地证明冰融化所需的热，只能来源于摩擦，以铁的事实驳斥了“热素说”。吴健雄的实验把60Co降低到0.01K的极低温,使Co核热运动全部停止,便显示出Co核β衰变中上、下不对称现象,一下子使杨振宁、李政道的预言成了事实。B）可以强化或激化实验对象。自然界的事物在常态下一般不易暴露其特殊的性质及规律，实验方法可用人为的手段，强化对实验对象的作用，使其处于某种极端状态，以便发现新现象，寻找新规律。现代“炼金术”能够在实验室实现，就在于通过加速器产生高能中子流，并由其轰击80Hg核，产生人工元素蜕变过程，使80Hg79Au。1905年Bridgeman发明了超高压技术，当时可达20,000个大气压，目前静压可达200-300万个大气压，动压可达1,000万个大气压，可使在正常自然条件下不能发生的过程在高压下发生。还有H.K.Onnes用液氦方法发明的超低温技术，可以接近绝对0度，由此又产生超导研究。\nC）可以延缓和加速自然过程。有些自然现象的发生过程十分短暂，倏忽即逝；另一些则十分缓慢，长夜漫漫，都会给科学研究带来困难。不是难以把握，就是贻误时机。可以设法通过实验手段延缓或加速这类过程，以达到便于研究的目的。对电闪雷鸣、地震山崩、岩体滑坡这类转瞬即逝的过程，在自然条件下难以弄清其运动变化，可以使其在实验室中缓慢进行，以便详细研究、分析。有些自然过程十分缓慢，不便于人们尽快窥其全貌，又可以在实验室中加快其过程，尽量节省研究时间。D）可以模拟研究对象。有些自然过程已时过境迁，不能再以自然形态出现了。通过模拟实验方法，可以在实验室再现这些过程。前述的Miller实验就是在实验室模拟原始生命在地球上的形成过程，为科学的生命起源学说奠定了可靠的、有说服力的实验基础。还有些研究对象，我们很难或者根本不可能对其进行直接的实验研究，如流化床内气泡相在密相中的运动变化机制研究即属此类。为了测定气体穿流速度和与之相关的气体交换系数，有人曾用微型电容探针和毛细管取样器组成检测装置；也有人用分析气体组成的热导探头来测量气泡中示踪气体浓度。终因任何微小的检测装置都会引起扰动，从而使测量结果失真。这时模拟实验就可以发挥不可取代的作用。从前本校的夏诚意教授就曾用磁场模拟流场，完成这一研究课题的。他的这一研究方法在国内外都享有较高的声誉。\n所谓模拟实验，是指人们根据研究对象（原型）的本质特征，在模型上进行实验研究，并将实验结果类推到原型上，以揭示研究对象的本质和规律的一种方法。模拟实验主要有物理模拟和数学模拟两种。物理模拟是指模型与原型之间以物质运动形式相同为基础的模拟方法。这里的“物理”是广义的，不是狭义“物理学”意义上的“物理”。它既包括无生命的物理、化学过程；又包括生命界的生理、病理过程。数学模拟是指模型与原型之间以描述过程的数学形式相似为基础的模拟方法。此外，现在还有以结构相似为基础的结构模拟（如蝇眼式照相机）；以功能相似为基础的功能模拟（如电脑）。模拟实验方法所以能在科学研究中发挥其独特的作用，就在于它是一种间接实验方法。实验过程是在模型上实施的，而不是在研究对象，即原型上进行的。这是它的优点，但同时也是弱点。因为这个方法的逻辑基础是类比推理。类比推理是一种或然推理，因此模拟实验的结果就具有或然性，必须通过其他实践的检验，以断定其可靠性。任何事物都是同一性与差导性的统一。原型与模型具有某些相似性，是两事物具有同一性的一面；而两者既为两个不同的事物，相互间又必然存在差异性。同一性是类比推理的根据，差导性则限制着类比推理的结论。如果将两者的所有属性分别定义为集合Ⅰ和集合Ⅱ，双方都有的共同属性分别为子集a和子集a’,两者不同的属性分别为子集b和子集c。当模拟结果是a、a’中的属性时，这个结果就是可靠的；反之，若模拟结果落入b、c内，则结果就是不对的。baa′c集合Ⅰ集合Ⅱ差异性同一性\n观察实验中的若干认识论问题以上我们介绍了获取科学事实的感性手段部分，即观察和实验方法；现在着重分析另一个方面，即关于认识论分析的理论部分。主要讨论四个问题：可观察性原则；关于观察渗透理论；仪器的性质与作用；关于机遇问题。可观察性原则科学研究的对象是客观自然界，它不依赖于我们的感觉而独立存在，但又必须通过我们的感官而感知其存在。科学研究的目的是通过人的认识能力把握自然界的物质运动规律。我们是唯物论者，认为自然规律是客观的；我们是可知论者，又认为这种规律原则上是可以认识的。观察与实验就是科学认识获取感性材料的主渠道，而实验又离不开观察，故观察在科学认识中就具有极其重要的地位。它是科学认识发展的基础、源泉和动力；也是检验科学认识真理性的标准。因此，在观察、实验活动中，我们要遵循的首要方法论原则就是可观察性原则。所谓可观察性原则，是指科学研究的范围应该是原则上可观察的物质客体。也就是说，自然科学的研究对象可以被人们的视觉器官直接感知到；或者借助于观察仪器最终被视觉器官间接感知到。Einstein也曾说过：“理论所以能够成立，其根据就在于它同大量的单个观察关联着，而理论的‘真理性’也正在此。”（《爱因斯坦文集》Vol.1P.115）坚持这一原则的实际意义有四：（1）它表明科学技术研究必须将不具有客观实在性的，不和其它物体发生相互作用的，因而也不能传递任何信息的臆想客体（如神灵、上帝、鬼怪）坚决排除在外。\n（2）它要求构思和设计观察仪器，选择观察场所和条件，必须注意观察手段和观察对象的能见度，即能够把对象的信息显露出来。这对于微观和宇观客体尤为重要。观察手段和条件应在最大限度内，使微观现象和宇观现象达到宏观范围内被感官所接受。（3）它要求观察者认真、严肃对待客体、仪器与主体之间的相互作用，明确这种相互作用的客观性，既不能随意添加，也不能任意剔除。这是保证观察客观性的重要环节。（4）它对于假说的观察检验具有重大价值，与假说的可检验性问题是一致的。也就是说，假说推演出来的关于事实的结论，应当在原则上可以通过观察到的经验事实加以检验，否则假说是不可取的。Kepler的理论思维能力在科学史上是有口皆碑的。他在从师Tycho之前（1596年）出版的《宇宙结构的奥秘》一书，全靠凭空想象，构造了宇宙模型，虽然形式上很美，几乎无瑕可击，但与观察事实不符，失败了；在从师Tycho之后，以老师的观察资料为基础，总结出行星运动三定律，成功了。\n2关于观察渗透理论传统经验论者认为：理论是建立在观察基础上的，感觉经验是知识的来源；科学理论则是对观察材料的归纳总结。前者是基础，后者是推论，两者是彼此独立的两个层次。逻辑经验主义者甚至分析过科学语言结构，认为存在着一种独立于任何理论的中性观察语言，根据这种语言写出的观察记录，即观察事实，可以对不同的科学理论进行评价和选择。他们只看到感性认识与理性认识的对立方面；却看不到它们相互渗透的方面。直到20世纪50年代，一些科学哲学家对上述观点产生了怀疑，认为并不存在那种能独立于任何理论的观察，即观察渗透理论。美国科学哲学家N.R.Hanson在其《发现的逻辑》（PatternsofDiscovery,Cambridge1958）中对此研究尤为深刻。现在我们从观察的全过程所包含的感知、判定、陈述三个环节上分析理论是如何起作用的。（1）理论在感知阶段的作用1）理论指导着对观察目的的确定。原则上，我们可以感知作用于我们感觉器官的任何东西。所以旧唯物主义认为我们的感知类似于照相机对外界事物的摄影。但现代神经生理学和心理学研究表明：以视觉为例，人在接受外界信息的时，并非完全是一种被动的接受活动。\n视网膜虽然不断接受外界各种光刺激，但其中大多数刺激对我们的活动并无意义，这些信息在传递给大脑的过程中就被筛选掉了。只有那些有意义的信息才会形成我们的知觉。因此，感知过程在很大程度上是捕捉我们感兴趣的、有意义的信息的过程。知觉是大脑在对一系感觉判断（如视觉印象）进行解释和组织的过程中形成的，故知觉是有选择性的。我们注意观察的事物往往包含着我们的观察目的。从客观上说，引起注意的事物往往具备鲜明的特色，如鲜艳夺目的颜色，静止背景中迅速的运动，特色明显的结构特征等；从主观上说，则与观察者的知识结构、兴趣爱好、深刻印象、熟知经验、当前需要及价值观等密切相关，这些往往会造成观察者对某种事物的期待，指导着观察的目的。由于观察目的不同，有时甚至对同一观察对象会得出不同的观察结果。鲁迅曾说，一部《红楼梦》，“就因读者的眼光而种种，经学家看见《易》、道学家看见yaò（意即“淫”）、才子看见缠绵、革命家看见排满、流言家看见宫闱秘事……”（《鲁迅全集》Vol.7P.49）至于科学观察，就更是一项有目的、有计划、有选择的实践活动了。2）理论决定着对观察对象的选择。如果有人把观察到的所有事情，不分巨细，统统记录下来，如芝麻开花，小孩打架，电影迷人，……东拉西扯，照实记载，肯定没有一个科学家对这种最忠实、最原始的记录感兴趣。但竺可桢先生一生记下的许多天晴下雨，花开叶落，鸟语虫鸣等事项，后人却视为珍宝。关键在于前者是无目的、无选择的记载；后者却是在物候学理论指导下，有目的、有选择的观察记录。故有些科学哲学家认为：在感知阶段，对观察对象的选择是依据于理论指导的。对此我们又可从两方面认识：\n首先，原有理论形成了我们对外界事物认识的背景知识，一方面它使我们注意观察与该理论相一致的事物；另一方面如果万一出现与理论预期不一致的事件，便使观察者头脑中产生了问题，这又促使他更加注意这一“反常”事件。Pasteur说；“机遇只偏爱那些有准备的头脑”，这里的“准备”实际上就是指观察者头脑中的“理论准备”。其次，一定意义上，有些新事实甚至可以认为是由某一理论“创造”出来的。也就是说，正是由于从这一理论推演出了某种可能观察到的事件，我们才知道世界上还存在着这一现象。例如，倘若没有广义相对论，人们就难以想象或发现世界上还会有“光线弯曲”这样的事实。Eddington也不会组织考察队专程到南半球去观察日蚀了。（2）理论对感知现象判定的影响1）理论决定了对观察对象的理解。对观察对象的判定虽然是观察的一个环节，但已很难说它是一纯粹的感性活动了，其中渗透着许多理性因素，需要我们运用过去的知识和经验对感知的印象进行解释。Gestalt心理学（亦称完形心理学）的研究成果在这里颇有说服力，右边三幅图的含义，在观察过程中可以出现转换，其根源则在于观察者头脑中过去的知识与经验。\n正因为科学理论对观察对象的判定和理解有决定性的影响，所以由于所持理论不同，科学家们往往会对同一观察或实验结果作出截然不同的解释。Lavoisier和Priestley几乎用同样的方法做了制备、测定氧的实验，Lavoisier的实验甚至并不比Priestley做得更精确，但前者说他发现了一种新的元素——氧，后者由于坚持“燃素说”，却仍然认为只是看到了一种无燃素空气。2）观察错误要靠理论来纠正。人们早已知道，感觉常常会欺骗我们，以使我们作出错误的判断。例如，我们总觉得初升或濒落的太阳、月亮比当空的大一些，但仪器测量证明，它们的视角并没有显著的变化，结果发现这种错觉是由于地面景物的背景作用而产生的。Kepler当年用望远镜观察火星，曾看到是一个方形的星体，他也曾认为火星是方的。后来发现这是由他简陋望远镜的象差和色差所引起的。望远镜的这种缺陷，只有等光学理论发展之后，依据新的理论制造出新的望远镜才可能获得纠正。因此，有经验的科学家对观察和实验的结果都采取十分谨慎的态度，不仅再三检查、核对，而且尽量要在不同条件下重复观察，以避免观察中的错误。科学史许多重大观察错误往往都是靠理论来纠正的。3）观察、实验仪器是自然规律的物化。在科学研究中，对感知对象的判定大都是依据事实Ⅰ，即仪器与客体相互作用的结果。而理论不仅可以指导我们改进仪器，更重要的是，任何观察、实验仪器的设计和选择都有离不开理论的指导。关于这一点，在下面分析仪器的性质与作用时，还将详细阐述。\n（3）观察语言渗透理论任何观察结果只有用语言陈述出来才有科学价值。人们习惯上把感官可以直接感知的对象或过程的语言描述称为观察语言。如太阳、苹果等为观察术语，“太阳东升西落”、“苹果落地”则为观察陈述，两者结合成为观察语言。另外，逻辑经验主义者把那些与某种理论相联系的，不能由感官直接感知的对象或过程的描述称为理论术语，如电子、基因、场、波函数等，同理包含理论术语的陈述称为理论陈述，二者结合又成为理论语言。两种语言是否可截然分开呢？与逻辑经验主义者相反，我们的回答是否定的。1）观察语言中隐含着某种直观表象的理论。古人只有直观表象的认识，在此基础上形成的日常语言系统实际上大都是由观察语言组成的，仔细推敲便可发现，这些语言表述又都是和当时的直观表象理论框架相一致的。例如“太阳东升西落”这一陈述，实际上就隐含着“地心说”的理论。逻辑经验主义者虽然看到了观察现象必须用日常语言系统来记录，却没有注意到它的理论负荷。2）观察语言和理论之间没有严格的界限。首先，在任何理论体系中一般既包含观察术语又包含理论术语，有些陈述甚至主要是由观察术语组成的。如一张关于X光照片的记录称“一些在肋骨之间的斑状阴影”，若离开了X射线理论和病理学理论就毫无意义。其次，某些观察术语在特定情况下也可能转化为理论术语。如“色”、“味”等日常概念在现代物理学中已赋予了抽象的理论意义。再次，实际上并不存在严格区分观察术语与理论术语的标准。如“细胞”既可以是生物学上的理论术语；但有些细胞，象鸟类的卵细胞——蛋，又完全是直接可观察的。\n3）观察结果的记录大量使用理论语言。这在实验报告中又最为常见，如我们说“电流强度是5安培”，“电子在磁场中偏转”时，“电流强度”、“磁场”、“电子”等都是理论概念。如果完全用观察术语来描述这些现象，即使不是完全不可能，至少也将过于繁琐。因为很多理论术语在一个理论系统中都不是单独定义的。值得指出的是，由于人类的生理结构在体相同，所以在观察语言中能对直观表象的陈述取得基本一致的约定。仪器的性质和作用（1）量的测定和我感官的局限性为了认识自然，我们必须从质和量两方面把握对象，因此量的测定就成了科学实验和观察中的一个首要问题。但由于我们感官的局限性和自然客体的本性，使得主体直接测量对象的数量及数量关系的能力极其有限。因为：1）将受到对象在时空尺度上的限制。我们的感官只能对自然界中时空尺度上极其有限范围内的对象才可能直接感知。太大或太小的东西，太远或太近的东西，我们肉眼均不能看见。2）还受到对象分布的连续或间断特性的影响。若对象在可感知的范围内是连续的，如茫茫大海或无际森林，由于连续区内部不可能包含关于它自身的量度，就必须在主体与对象之外引入一个量度体系（似量布的尺子）；若对象在可感知的范围内是间断的，一般凭人的感官可直接计数。但当对象运动的频度超过一定界限，感官便会因“视觉残留”特性，将间断特征视为连续特征，从而失去计数能力（似日光灯发光、电影考贝的制造等）。\n3）感官本身的其它局限性。如眼只能见到波长在4000-7600Å的可见光；耳朵只能听到频率在16-20,000Hz的声波。在临界刺激强度（阈限值）以外，我将既看不见又听不见，便可将“有”认为“无”。4）人的感官对某些属性的感知不能摆脱主观性，因而无法进行测度。如先浸入热水中的手会感到温水较凉；而先浸入冷水的手对同样的温水会感到比较热。正因为上述诸因素，人类就千方百计设计、制造各种仪器来突破感官的局限性，以实现测量目的；并克服主观性，以纠正“感觉的欺骗”。（2）测量仪器是理性方法的物化有人说仪器是人的感官的延长，其实更是人的理性方法的物化。因为：1）必须对对象的各种因素、属性进行彻底的概念分析，直至能够找到某一种能够表征这一因素、属性的特征量，再制定适当的单位，才能用这个单位量度这个量。2）为保证测量的客观性，就必须极力避免由我们主体对这些因素、属性的量作感觉性的、无媒介物的测定。因此，一定要在感官与被测属性之间引入适当媒介，利用媒介特性（制造仪器），然后才能对其作出客观的数量描述。3）由于视觉器官在感知数量特征方面的某种特殊优点，在仪器制造中，要尽量设法将各种待测物理量（如硬度、电流强度、电压）转化为空间刻度和数值显示。或者把某种空间读数作为测量的中间环节，然后经过一定的数学计算，获得被测物理量的数值。\n把被测量转化为视觉器官的感知对象，即空间刻度上的读数或数值显示，这是一般测量仪器在认识论上的一个重要特点。4）还要根据被测量对象的物理性质，通过理论分析，制定被测量的测量基准和测量单位。任何一台完整测量仪器都应包括上述四个基本要素，从本质上说，以上四者无一不是人类理性和理性方法的物化和凝结。不仅包含大量自然科学知识，而且包括分析、综合、归纳、演绎、抽象、比较等理性思维，以及系统的逻辑和数学推理过程。（3）测量仪器所带来的认识过程的复杂性由于测量仪器是人类理性和理性方法的物化，所以从它们获得的感性材料，实质上只能以“折射”的形式反映被测对象，由此便带来了科学认识活动中无限复杂的过程。不仅现代相对论和量子力学中的测量包含复杂的认识论问题，而且一般测量活动亦复如是。因为：1）通过仪器测量所获“感性事实材料”，受制于仪器中所蕴含的假说（假设）。一般地说，我们所用每一台仪器都是以某种或某些假说（或假设）为基础进行设计的，所以，每当使用一台仪器，实际上就意味着引进了一些假说，只不它常常是蕴含着而不被人们注意罢了。然而，它却直接影响着我们在测量中所在地获感性事实材料的真实性和可靠性（包括精密性）。\n例如，温度计的发明、改进历史从Galileo、Torricelli开始，到Newton、Boyle……最后到Fahrenheit、Celsius，对仪器构造的改进、测温质的选定、以及温度计的合适原点和刻度法的探索都做了大量工作，目的都有是为了尽量消除测量误差，即使到现在，也未能做到排除不严格的假定。当需要严格地测量温度值的时候，仍需作理论修正。2）对于仪器中所反映的物理量的性质的认识，同样受制于假说或理论的进步。科学史常有这样的情况：人们已事先制成了仪器，并获得广泛应用，但实际上仍然不能在理论上真正弄清仪器中所测量的量究竟是什么。仍以温度计为例，从Galileo1593年到1756年英国科学家J.Black把温度和热量这两个概念区分清楚以前的160多年中，人们虽已广泛地使用了温度计，却不知道所测量的量是温度还是热量。以至温度计被称为“量热计”、“测温术”和“量热术”，至今英语中仍把温度计称thermometer。这说明，由于测量仪器不是一种单的自然物，它帮助感官所提供的感性知觉究竟反映了什么样的的对象或对象什么样的性质？是否真能帮助我们感知对象或对象的量？都紧紧地依赖于一定的科学假说或理论。如果假说或理论有错误，则它同样会造成“感觉的欺骗”。总之，在观察、实验使用仪器的过程中，认识论问题是不可忽略的。一方面，它作为人的感官延长，扩展了我们感知对象的能力，把不可量度的运动转化为可以量度的运动；并通过媒介物，使感觉经验更接近客观对象，使观察具有较多的客观性。\n但同时，由于仪器中蕴含着假说（假定），使感性材料在质和量的可靠性上都依赖于仪器中假说的可靠性，它又导致了科学认识过程的无限复杂性。因此，当我们用实验或观察事实作为检验一种理论或假说之真伪的标准时，因实验和观察中引进了仪器，仪器中又蕴含着假说，实际上已不可能对任何一种假说作单独验证。而造成在检验一种假说时，必须以另一种或另一些假说作为前提的局面。由于上述原因，也使一部分科学家在认识论上陷入了迷途。如持实证主义和操作主义观点的科学家因此就否认自然科学内容的客观性，认为“所谓自然规律，可以说是描述一定实验操作中附属于实验仪器的计量器具上的读数之间关系的东西。”（菊池正士）从而从根本上否认了观察的客观性和认识世界的可能性。尽管这一哲学思想是错误的，但提出的问题却是重要、深刻的。我们只有弄明白仪器测量中所包含的复杂认识论问题，才能在科研中自觉地设法克服这些问题，在实践——认识——实践的循环往复中提高观察的客观性。（4）微观领域测不准关系的客观性量子理论是以微观客体及其规律作为研究对象，揭示微观世界奥秘的。在这里便遇到了一个不可避免的矛盾：我们的观察仪器是宏观的，研究对象却是微观的；宏观仪器的观测过程必然要对微观粒子产生干扰，这又对我们的认识产生干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念的使用又要受到微观世界特征的限制。这就是提出测不准原理的根据。\nHeisenberg于1927年从量子力学的普遍定律推导出以下关系：或△X·△P≥h式中：是对粒子位置(坐标)X的测不准量；是对其在X方向上的速度的测不准量;P为粒子动量;m为粒子质量；h为Plank常数。这个公式表明，在粒子的位置被精确地测定的那一瞬间，它的速度变成绝对地不确定；相反，如果我们在某一瞬间准确地测得粒子速度，则将无法判断这个粒子此瞬间的位置。总之，对一个量的精确测量必须以对另一个量的牺牲为前提。那么在描述粒子时，究竟在什么场合下应用经典概念可以得出近似正确的结论，在哪些场合根本不能用经典力学的方法呢？这个原理告诉我们，鉴别标准是在过程中Plank常数是否可忽略。可忽略，便可把微观现象近似作宏观现象处理；不可忽略，必须用量子力学方法处理。\n测不准原理的事实根据就是用宏观仪器观测微观现象时，仪器的干扰已到了不可忽略的程度。一般光学显微镜在0.4-0.8μm的范围内工作，被测量物线度至少有2-3μm，才能产生轮廓分明的象。当物体的线度和光线的波长属于同一数量级时，光线就会产生强烈的衍射，我们获得的将不是一个清楚的物象，而是一个衍射图样——一组复现物体模糊轮廓的明暗交替的带。电子的线度要比光的波长小几十亿倍以上，电子如何被测量呢？即使用波长极短的γ射线对它“照明”，根据deBroglie关系，，光子的波长越短，动量则越大。光子照射一粒灰尘时，就象一个小石头打到火车上，光子反跳回来，灰尘本身不动，在显微镜下可测出灰尘的精确位子；如光子照射电子，就象列车撞上婴儿一样，电子早被弹出去，消失得无影无踪，根本谈不上测量它的位置。这样，由于测不准关系的客观存在，便使宏观领域的因果律在微观领域出现动摇。为此出现了Einstein与Bohr两位科学巨人的激烈争论。Einstein认为物理实在各元素（要素）与物理量不仅要一一对应，而且要给出物理量的精确值，因此量子力学对微观世界的统计诠释是不完备的。Bohr则认为对物理实在的这种要求在微观领域是不可能实现的，我们观测的结果只是主体与客体相互作用的结果，在微观世界主、客体是不可分的。“在世界的舞台上，我们既是演员又是观众。”Einstein说“上帝不会掷骸子”，Bohr则认为我们更应该关心上帝如何掷骸子。无论怎么说，用宏观仪器测量微观现象会导致测不准关系则是科学界、哲学界都不能否认的事实。\n4．关于观察、实验中的机遇（略）\n第六章科学抽象和科学思维教学要求：了解科学思维的基本形式、逻辑方法、创造性思维方法、数方法、理想模型方法及其在科学认识中的地位和作用；明确在学技术研究中正确运用科学思维方法的重要性。一科学抽象和科学思维的基本形式1科学抽象（1）科学抽象的含义与作用“玉不琢不成器”，对观察、实验中获取的科学事实还要进行理论加工，才有可能上升为科学假说和理论。Mendeeléeff说过：“单是事实的收集，那怕收集得非常广泛；单是事实的积累，那怕积累得毫无遗漏，都不能使你获得掌握科学的方法，不能向你提供进一步成功的保证，甚至还不能使你有权按照科学这个名词的高级意义来把它叫做科学。”（五所院校《自然辩证法原理》P323）Einstein也说：“Kepler的惊人成就，是证实下面这条真理的一个美妙的例子；这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者比较中得到。”（《爱因斯坦文集》Vol.1,P.278)\n所谓科学抽象，就是透过现象，提取本质的思维过程和方法（即去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里）只有通过科学抽象，我们才能立足于事物的内部联系，对现象作出统一的科学说明。具体地说，科学抽象有如下4点作用：1）区别事物的真象和假象，撇开事物外部的非本质联系，让事物的内部联系和过程暴露出来。马克思说过：“如果事物的表现形式和事物的本质会直接合二而一，一切科学就成为多余的了。”（《资本论》Vol.3,P.923）假象以歪曲的方式反映事物的本质，掩盖着事物的真象。正确的科学抽象可以汰除假象和非本质的东西。李政道、杨振宁解决“τ-θ”之谜时，就是先花费近一年的时间，查阅了到那时为止世界各地关于这一问题的实验数据，通过仔细分析这些实验数据之后发现，在弱相互作用领域里，宇称守衡定律从未得到实验证实，只不过是一种理论上的推论而已。于是，在以上实验数据的基础上，运用理论分析和逻辑推理，提出了在弱相互作用下宇称守衡定律不能成立的假说。2）它可以撇开次要过程和干扰因素，从纯粹的形态上考察事物的运动过程。事物的现象复杂的，内部主要矛盾常常被非主要矛盾所掩盖，使其面貌变得模糊不清。为了准确抓住本质方面，暂时、有条件地撇开次要过程和干扰因素，则是完全必要的。Carnot循环就是经过科学抽象获得的纯粹形态上的热机循环。它由两个等温过程和两个绝热过程组成，舍去了如下4因素：\n٭工质温度不断变化٭与外界有热量交换٭循环是非封闭的٭过程是不可逆的尽管这样大量简化的热机现实中是不可能存在的，但它使热机的内部过程以纯粹的形式显露出来。所以恩格斯说，卡诺“发现了蒸汽机的基本过程并不是以纯粹的形式出现，而是被各种各样的次要过程掩盖住了；于是他撇开了这些对主要过程无关紧要的次要情况而设计了一部理想的蒸汽机（或煤气机），的确，这样一部机器就象几何学上的线和面一样是决不可能制造出来的，但是它按照自已的方式起了象这些数学抽象所起的同样的作用：它表现纯粹的、独立的、真正的过程。”（《自然辩证法》P207）3）可以区分基础的东西和派生的东西，深入事物里层，把决定事物性质的隐蔽的基础抽象出来。自然界的事物虽有多种属性和关系，但它们各自在事物矛盾中所处的地位并不相同，有些属于基础东西，处于主导地位，有些则属于派生的东西，处于从属地位。分清了主从关系，就可以建立起很多属性之间的因果联系。元素都有原子量、化合价、各种物理、化学性质，元素的原子又都是由原子核和核外电子层组成，其中原子量、化合价以及各种理、化性质都是由原子核与核外电子层相互作用决定的，所以前者是派生的东西，后者是基础的东西。PVT1T2Q1=0Q2=0卡诺循环示意图\n在化学上，Dalton曾通过抽象思维提出了当时感性方法不能直接把握的物质基础单元——原子；生物学上，Mendel在通过实验发现遗传定律的过程中，提出了当时感性上不能直接把握的遗传物质基础——基因。它们都曾有力地推动了化学、遗传学的发展。这深刻说明，表象不能把握整个运动，而思维则能够把握而且应当把握整个运动。感觉了的东西不一定能理解它，理解了的东西则更能深刻地感觉它。4）从基础的东西出发，将事物的各种属性和关系综合起来，从而把事物的本质作为一个整体完整地抽象出来。找到了决定事物的基础的东西，我们就可以将它作为逻辑起点，一步一步地由此及彼，从简单概念推演到复杂概念，把关于事物的各种规定依次地按照其内在的联系综合上去，对原先撇开的次要的无关的因素加以说明，从而把事物的本质从整体上完整地抽象出来。这个由此及彼的过程是一个由简单到复杂，由低级到高级的上升过程。例如，Mendel紧紧抓住豌豆的几个性状作为考察对象，把其它问题都暂时撇开、舍去，经过周密的试验、分析，终于在1866年从大量数据中推导出一个基本结论：遗传因素是以独立的单元（gene）在连续的世间进行传递的。20世纪以后，Morgen等人又将遗传学与细胞学结合起来，揭示了染色体在遗传中的作用。50年代以后，科学家从分子生物学角度，揭示了DNA、RNA是客观存在的基因实体，基本搞清了“转录”、“转译”等遗传机制。这样以基因概念为逻辑出发点，把原先Mendel暂时撇开的因素和联系逐一恢复起来，综合上去，对遗传和变导的各个方面及其相互作用给予了科学的说明。\n（2）科学抽象的一般过程和成果从总体上看，科学抽象包括着互相联系和区别的两个阶段：从个别到一般，即由具体到抽象；然后，再从一般到个别，即从抽象到具体。这个完整的思维过程就是具体——抽象——具体的过程。开始的具体是感性具体，也叫完整的表象，是客观事物表面的、感官能感知的具体性反映，也即如观察、实验中所获得的科学事实。但这只是一种生动具体的表象，尚未能对事物的本质作出清晰、深刻、全面的说明，因而是一种混沌的整体。Carnot循环之前具体的蒸汽机模型，Mendel遗传定律发现以前关于生物遗传、变异的许多复杂现象就属于这种“具体”。舍弃感性具体中的一些非本质、非主流的东西，揭开掩盖在事物表面的假象，抽取其本质属性的过程，就是科学抽象的第一阶段。结果获得一些抽象的规定，如Dalton的“原子”、Mendel的“基因”等到科学概念；数学上的“点”、“线”、“面”，物理学中的“刚体”、“理想气体”、“绝对黑体”等到理想模型。如果认识仅停留在“抽象规定”阶段还是不够的，因为作为抽象规定阶段的成果的科学概念往往是从不同的侧面和角度把握了事物的本质，将具体的事物肢解开了；而理想模型则是根据事物的主要矛盾，忽略次要矛盾而构造出来的，它具有反映事物本质属性的特征，但又离开了活生生的具体事物，因此不能标志认识的完成。思维还要继续进行下去，这就是科学抽象的第二步，从抽象的规定到思维中的具体。这往往表现为将最基本的科学概念，即抽象的规定作为逻辑起点，由此出发，经过一定的逻辑行程，把事物的各种规定性按照其内部联系综合起来，把原先舍弃的东西再恢复起来，在思维中再现事物原来的整体面貌，这就是思维中的具体。\n这种具体已不是当初的感性具体，黑箱式的具体；而是掌握了事物内在本质和规律的具体，白箱式的具体。由于揭示了事物的因果性、规律性，第二阶段的成果主要是科学原理、科学定律。如DNA、RNA的“转录”、“转译”机制，染色体的分裂、复制机制。在化学工程的发展过程中，19世纪末研究一个个具体制酸、制碱工艺的工艺学就是认识的感性具体阶段；20世纪上半叶，从不同的工艺过程中分解、抽象出具有共同特征的几十种‘单元操作”、“单元过程”就是抽象规定阶段；50年代后将“三传”综述成传递过程原理，将“三传一反”结合成反应工程学就是思维中具体阶段。（3）科学思维的基本形式至今人们发现大脑进行科学思维主要有三种基本形式；逻辑思维、形象思维、灵感与直觉思维。将这三种基本思维方式进行组合、应用，就产生了常见的所谓逻辑方法、创造性思维方法、理想化方法、数学方法等。逻辑思维是在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等形式，对客观世界进行的间接的，概括的反映过程。它是科学思维最普遍、最基本的形式。如归纳、演绎、分析、综合等。形象思维是在感性形象认识的基础上，通过意像、联想和想象来揭示客观对象的本质及其规律的思维形式。直觉思维是主体不受某种固定逻辑规则约束而直接领悟事物本质的一种思维形式。灵感思维是指人们对某个课题进行思考的过程中，由于受某种因素的激发，突如其来地使问题得到澄清和解决的顿悟过程。\n还应指出曾流行过的一种误解，即认为科学家用抽象思维，文学家、艺术家用形象思维。这是不对的。科学家也用形象思维，如Einstein就是形象思维的大师；文学家如不用抽象思维，其作品中的故事情节岂不要产生逻辑混乱；艺术家如果缺乏逻辑头脑，他的天才创造也难以与大众沟通。实际上，一个思想健全的专家学者、艺术大师、政治家等都应能灵活地使用上述各种基本思维方式。二逻辑方法归纳与演绎关于基本的归纳、演绎方法，在前面已多次涉及到，这里不拟赘述。仅指出：在从一般到个别与从个别到一般的反复思考中，不断交替使用上述两种方法，最终要实现正确处理一般与个别之间的辩证关系。下面着重介绍一下Mill五法。19世纪，英国哲学家J.S.Mill推崇归纳法，为了克服简单枚举法因果联系证据不足的弊端，提出了著名的判明因果联系的归纳法，俗称Mill五法，即求同法、差异法、求同差异共用法、共变法、剩余法。其推理模式如下：（1）求同法：场合各种条件被考察对象ⅠA、B、CaⅡA、D、EaⅢA、F、Ga所以，A是a的原因。\n（2）差异法：场合各种条件被考察对象ⅠA、B、CaⅡ—B、C—所以，A是a的原因。（3）求同差异共用法：场合各种条件被考察对象ⅠA、B、CaⅡA、D、EaⅢF、G—所以，A是a的原因。（4）共变法：场合各种条件被考察对象ⅠA1、B、Ca1ⅡA2、B、Ca2ⅢA3、B、Ca3所以，A是a的原因。\n（5）剩余法：场合条种条件被考察对象ⅠA、B、Ca、b、cⅡBbⅢCc所以，A是a的原因。不可否认，Mill五法将因果律作为逻辑推理的客观根据，是从经验自然科学研究的实践中总结概括出来的，可靠性要比简单枚举法大得多。但严格深究，它也未能克服Hume问题的困难。我们对任何一法都可举出反例。如对求同法：一同学看2小时书喝浓茶失眠一同学看2小时书喝咔菲失眠一同学看2小时书抽烟失眠所以，看书导致失眠。对差异法：一同学午睡、吃药、上课头昏一同学午睡、吃药、不上课头不昏所以，上课导致头昏。\n以上说明客观因果联系是非常复杂的，想用几种归纳程式解决一切问题是不可能的。到20世纪，逻辑经验主义者已看到，要想通过归纳法获得逻辑上必然结论是不可能了。于是他们就向概率退却，Carnap借助数理统计，搞归纳概率，或概率逻辑。认为过去重复的经验越多，今后发生的概率，即可能性就越大。但Popper对此也不予承认。因为无论以前重复多少次，并不能保证今后一定重复。２分析与综合分析与综合也是通过逻辑思维进行科学抽象的基本方法，其实质是要正确把握客观对象整体与部分之间的关系。它与归纳、演绎方法并不是相互平行，彼此完全独立的，而是互相渗透，在思维中共同起作用的。这一对方法大家比较熟悉，前面课程也涉及颇多，就略去不作多讲了。3逻辑与历史（1）概述逻辑与历史的统一，就是将考察事物发展的逻辑过程与考察事物发展的历史过程，或认识事物的历史过程统一起来的方法。作为辩证逻辑的一个基本原理，既是进行理论思维，从事科学抽象的方法；也是构造科学理论的重要方法。恩格斯说过：“历史从哪里开始，思维进程也应当从那里开始，而思想进程的进一步发展不过是历史过程在抽象的、理论上前后一贯的形式上的反映；这种反映是经过修正的，然而是按照现实的历史过程本身的规律修正的……。”（《马克思、恩格斯选集》Vol.2,P.122）这里包含两点：\n1）历史的东西是第一性的，逻辑的东西方是第二性的，逻辑的东西是对历史的东西的反映和概括，因此二者在原则上应是一致的。2）这种反映表现为一系列概念、范畴、判断、推理所构成的理论体系。只是以“浓缩”的形式在“纯粹”的形态上的反映，忽略了历史中许多丰富多彩的具体表现，只指明了发展的总方向、总趋势，故“这种反映是经过修正的，”因此，逻辑与历史的统一是包含着差异的统一。历史潮流与逻辑的一致又包含两种情况：1）理论的逻辑行程反映客观对象发展的历史过程。2）理论的逻辑行程反映人们的认识历史发展过程。（2）逻辑与客观事物发展的历史统一普通化学在阐述自已的研究对象时都是从化学元素开始的，然后才转入元素的化合物。阐述化学元素时一般又遵循元素周期表的顺序，从最简单的氢元素开始，结束于最复杂的铀元素。这一逻辑行程与宇宙中元素起源与演化的历史是基本一致的。肖莱马是首先主动根据逻辑与历史相统一的原则，编写有机化学教科书的化学家。他首先叙述最简单的有机化合物——碳氢化合物。在其中又以最简单的脂肪族化合物开始，然后经过一系列特殊的有机化学反应，使碳氢化合物转化为它的衍生物。转化又是以一系列环节构成的过程，即从最简单、最低级的衍生物向越来越复杂、越来越高级的衍生物，直至向生物大分子转化的过程，这同地球早期发展史上\n由简单有机物到生物大分子的化学进化过程总趋势是一致的。所以这部书在西方和世界化学历上影响都很大。在生物学中，系统地叙述动植物界也是如此。它是从最简单的单细胞生物如草履虫开始，然后从这些最简单的有机体持续不断地向越来越复杂的有机体发展，一直到最高的灵长类动物转变成人。正好反映了生命起源与发展的历史过程。（3）逻辑与人类认识发展历史的统一经典力学是以研究物体平衡条件的静力学部分开始叙述，然后进入到运动学，最后叙述动力学。这个逻辑体系大体上是经典力学发展的缩影。早在古希腊，Archimedes就概括出杠杆原理和浮体定律，标志着静力学已经形式；16世纪Galileo进行斜面实验的研究，以后又提出惯性定律，从而开创了运动学（已包括着动力学的萌芽）；17世纪Newton提出力学第二定律，奠定了动力学基础。由热力学第一定律、第二定律、第三定律等基本定律构成的热力学体系，也概括地反映了热力学的发展史。1807年提出了能量的概念，19世纪40年代发现热力学第一定律和热功当量，1850年发现热力学第二定律，解决了热过程的方向问题。为进一步探求热的本质，对热的认识从宏观进入微观，导致了统计物理学的建立。1906年发现热力学第三定律，即绝对0K不能达到的原理。从而基本依次完善了整个理论体系。对此恩格斯还曾做过这样的总结：“在思维的历史中，某些概念或概念关系（肯定和否定，原因和结果，实体和变体）的发展和它在个别辩证论者头脑中的发展的关系，正如某一有机体在古生物学中的发展和它在胚胎学中（或者不如说在历史中和个别胚胎中）的发展关系一样。这就是Hegel首先发现的关于概念的见解。”（《自然辩证法》P.200)，在这里逻辑的过程正是认识史以简化形式的重现或重映。\n（4）统一性的灵活性逻辑的过程是按照研究对象本身的历史发展展开还是按照人们对它的认识历史发展线索来进行，在某些学科并不十分固定，往往是可以转化的。例如遗传学，长期以来是从Mendel的遗传规律开始，进而论述连锁交换规律和染色体理论，最后论述分子遗传学，这个逻辑体系和遗传学发展的历史是大体一致的。近年有些遗传学教程从遗传的物质基础——核酸的结构与功能开始，进而论述比较低级的原核细胞生物（病毒细胞）的遗传规律，再论述比较高级的真核细胞生物的遗传规律。这种体系就基本上和自然界遗传方式进化的过程相一致。另外，再看高等数学教科书的逻辑体系，一般都是从函数、无穷小量、极限、导数开始，再到一元函数微积分、多元函数微积分、微分方程。数学不是自然科学，不是以自然界物质实体为研究对象的，因此这个逻辑体系只能与数学史，即认识史相一致。但函数与极限在数学史上又远远落在Newton、Leibniz创立微积分的工作之后，这又怎么解释呢？还得从历史中寻找原因。Newton、Leibniz创立微积分都是为了解决变数的计算问题，两人分别用在物理学与几何学上，都获得很好效果，但当初的推导过程是不够严密的。Newton开始是通过二项式定理对幂函数的展开式作推导延伸获得导数公式的。由于在一次推导过程中，先令⊿x≠0，接着又令⊿x=0，前后矛盾，从而遭到Berkely的攻击，说无穷小量似0非0，陷入矛盾，是一个鬼魂。数学的逻辑严密性迫使数学家不得不重建微积分的可靠基础。于是到19世纪，Cauchy、Weierstrass便用ε-δ语言创立极限论，重建微积分的可靠基础。这样在逻辑体系中就不得不将极限论置于导数、一元函数微积分之前。从本质上说，极限论是补充历史上工作的不足，正反映了逻辑与认识史要一致的本质要求。\n创造性思维方法创造性思维方法及其特征在科学抽象的思维过程中，除了上述的逻辑思维方式之外，还常有一种创造性思维方式在起作用。这是指人们在依据一定的经验和知识对对象进行研究和思考时，不受已有的经验、知识和固定逻辑规则的约束，而灵活地进行发散性和收敛性探索，以寻求对象本质的思维方式。据说Archimedes发现浮体定律就是通过这一思维方式实现的。Einstein是进行创造性思维的典型科学大师，就是凭借这种非凡的思维创造力为人类构画了一幅全新的科学世界图景。他也曾深有感触地说：“想象比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学中的实在因素。”（《爱因斯坦文集》Vol.1,P.284)晚年他在给老友Solovine的信中曾描述过他的科学发现模式，同时作了说明：“（1）ε（直接经验）是已知的。（2）A是假设或者公理，由它们推出一定的结论来。从心理状态方面来说，A是以ε为基础的。但是在A同ε之间不存在任何必然的逻辑联系，而只有一个不是必然的直觉的（心理的）联系，它不是必然的，是可以改变的。（3）由A通过逻辑道路推导出各个个别的结论S，S可以假定是正确的。（4）S然后可以同ε联系起来（用实验验证）。这一步骤实际上也是属于超逻辑的（直觉的），因为S中出现的概念同直接经验ε之间不存在必然的逻辑联系。”（《爱因斯坦文集》Vol.1,P.541-542）A公理体系导出命题SS′S〞直接经验(感觉)的各种体现\n由上图可见，按Einstein的观点，作为逻辑前提的公理、公设只能通过透视性的洞察而得到。虽然这里没有确定的逻辑渠道可以遵循，是从最底层的直接经验蒸发升华到最高点的，但是它们仍然比概念与经验之间的对应要确定、紧密得多。原因在于：概念是无数经验的最终成果。只要历史依然发展，经验的积累未曾中断，则概念就永远有待于继续充实、完善，永远不可能完全弥合、完全同一，即概念只能运动着逐步接近不断积累着经验。但在公理与经验之间，这条道路却是形式上遥隔，而在内容上是同一的。因为公理不是概念，而是一种命题、判断。无数经验虽不能穷尽证明这个判断的真理性，但经验积累的不足却并不影响这个判断的真理性。因此，“狗”这个概念比“狗是动物”这个判断证明起来更为艰难，与经验事实相距更为遥远。这就是说，在我们十分相信实验验证、经验事实可以证明概念的情况下，就更应该相信，凭借大量经验事实对人的最敏锐的心理世界的感应和激发，凭借透视性、贯穿性的创造性思维的力量，我们可以洞见真理，提出公理，建构科学理论。Einstein说：“从特殊到一般的道路是直觉性的，而从一般到特殊的道路则是逻辑性的，”“只有大胆思辩而不是经验的堆积，才能使我们进步。”（《爱因斯坦文集》Vol.3,P.490,496）这就是典型的创造性思维方式，它比一般的逻辑推理思维具有更大的创造性、开拓性。其一般特征：（1）非逻辑性。即思维过程并不是根据一定的逻辑规则按部就班地进行，主要靠思维的想象、猜测和洞察力直接把握对象。（2）突发性。这种思维一般开始是百思不得其解，但一旦出现则非常迅速，过程短暂，突如其来，稍纵即逝。\n（3）偶然性或意外性。思维过程的出现，事先难以预料，不是按预定的计划、预定的方式在预定的时间、空间中出现。往往是由于某种偶然因素的触发而改变思路或因与各种戏剧性的情况密切相关。故常与机遇相联。创造性思维方法种种（1）联想：是指从一概念想到他概念，从一事物想到他事物的心理活动。按心理学观点，这“是印象、观念相互联接的思维过程。”是异类的触发点，联锁思维的网络。心理学实验研究表明：任何两个概念，不管看上去何等迥异、遥远，但经四、五次转折，就会联系起来。如“木头”与“皮球”：木头——树林——野地——地球——皮球；又如“天空”与“茶”：天空——土地——水——喝——茶。对科学家头脑中的思考联系来说，它们可能就是事物的现实联系。联想又可分四种类型：1）接近联想。两个心理过程如果曾同时发生过或相继发生过，那么其中一个过程的再发生就易于引起另一个过程的再发生。如想到Newton,就联想到“万有引力定律”；想到“日落”，就联想到“夜来”。2）相似联想。一件事物的感知或回忆引起对和它在性质上接近或相似的事物的感知或回忆。如从“因停电车刀与工件熔合”联想到“磨擦焊接”；从“大蓟花籽贴在衣服上”联想到发明尼龙拉练；高歌从沙丘的形状联想到“飞机发动机的沙丘驻波式燃烧器”。3）逆向思维。由某一事物的感知和回忆引起对具有相反特点事物的回忆。如从冬天吃“火锅”联想到夏天吃西瓜。这种思维方式可打破常规，克服心理定势，出奇制胜地得到一些新颖的解题设想。\n4）侧向思维。把注意力引向外部因素，在通常解决问题办法之外找到新思路的思维方法。如要过河，船与桥的问题均不能解决，但河干了，就能从河床上走过去。诸葛亮在“七擒孟获”时就曾用过这种思维方式。（2）想象：是人们根据一定的直接和间接的经验材料对研究对象的一种形象化的构思和设想，既是在原有形象的基础上，经过重组联合而创出新的形象的思维活动；也是在头脑中改造记忆中表象而创造新的形象的思维过程。它比联想思维形式更高一级。想象主要可分以下几种类型：1）再造性想象和创造性想象。前者是借助于某种知识或形象在头脑中再现出相应的形象或情境的思维活动。如根据图纸在头脑中浮现出楼房形象。后者是一种不依据现成的描述和引导而独立地创造出新形象的认识心理过程。它才是真正具有启发人们获得创新认识作用的创造性思维形式。2）随意想象和不随意想象。前者是一种有目的、有计划地自觉控制的想象活动。如“思想实验”。后者是无目的、无计划，不能为人的自觉意志所控制的想象活动。由于其更加活跃、自由且近于无意识活动，被认为是诱发灵感和直觉的直接动因。（3）直觉：是思维对感性经验和已有知识进行思考时，不受某种固定的逻辑规则的约束而直接领悟事物本质的思想方式。Einstein相信直觉，认为直觉是不会骗人的。R.Hofmann也认为，Einstein的方法本质上就是美学的，直观的。美国化学家Platt和Baker曾调查了很多化学家，结果33%的人说经常出现直觉，50%的人说偶然出现，只有17%的人说从未出现过直觉。\n（4）灵感：是指在研究工作中一种突如其来的使问题得到澄清的顿悟。它不是上帝的恩赐，是理性的突现和心灵紧张激发的结晶。是对问题长期冥想之后一种豁然开朗。Feuerbach曾说：“灵感是不为意志所左右的，是不由钟点来调节的，是不会依照预定的日子和钟点迸发出来。”（《费尔巴哈哲学著作选集》Vol.7,P.504）灵感大致可分以下几种类型：1）思想点化。即阅读或交谈中偶然得到某种闪光的思想启示。如Black的“潜热”概念启发Watt制造分离冷凝器。2）原型启示。受某种已有事物或现象的启发，突然产生崭新设想。哈格里沃斯由绊倒妻子的纺车而发明珍妮纺纱车。3）情境感发。在良好气氛或情境中激发出灵感。如由头脑风暴法导致的思维共振、连锁反应等。4）创造性梦幻。如Kekulè由特殊的梦境启发，发现了苯环结构。5）无意识遐想。紧张之余，大脑松弛诱发出好的念头。如中田腾三郎在厕所上想起改进园珠笔的设想。1984年日本创造学家向821名发明家调查，灵感发生在枕头边的占52%，发生在乘车时的占45%，明显多于伏案工作或埋头资料室时。（5）类比：是根据两个（或两类）对象之间在某些方面的相似或相同而推测它们在其它方面也可能相似或相同的思想方法。\n类比在科学发现中具有很在的价值。Kepler把它比喻为“自然秘密的参与者”，是自已“最好的老师。”Kant说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往能指引我们前进。”Hegel说：“类比的方法很应份地在经验科学里占有很高的地位，而且科学家也依这种推论方式获致很重要的结果。”由于其逻辑可靠性不足，而创造性有余，这里将其列为创造性思维方法。Rutherford发现原子行星模型，LoiusdeBroglie发现物质波，Schördinger创立波动力学均运用了类比方法。A）Rutherford类比思路：（前已述及，这里从略）B）LoiusdeBroglie类比思路：光：费尔马原理（光行最短路程）具有波、粒二象性实物：哈密顿原理(质点运动最小作用原理）只具有粒子性所以，实物亦可能具有波动性。光：具有波粒二象性λ=h/p实物：亦具波粒二象性所以，物质波的波长可能为λ=h/mv\nC）Schördinger类比思路：光：几何光学波动光学力：牛顿力学所以，亦可能有波动力学。3寻求直觉和捕捉灵感的方法根据直觉心理学的研究成果和对历史上科学家通过直觉、灵感获得重大发现的典型案例分析，有人把有助于直觉和灵感出现的条件作了总结，列出如下6个要点（Beveridge《科学发现的艺术》），兹列于下供大家参考：（1）对问题和资料进行长时间的思考，直至达思想饱和，这是最重要的条件。由于研究者对问题抱有浓厚的兴取，对解决问题有强烈的愿望，在经多日自觉思考问题之后，头脑中的下意识部分亦开始考虑这一问题，从而出现直觉和灵感。头脑中思考的资料针对性越强，作出结论的可能性越大。1865年，德国化学家Kekulè（1829-96）为了解决苯的结构式问题，日夜苦思，据说每天只睡三、四个小时。一天他正坐在桌前编写化学教科书，突然发生奇迹。他自已回忆说：“但事情进行得不顺利，我的心想着别的事了。我把坐椅转向炉边，进入半睡眠状态。原子在我眼前飞动，长长的队伍，变化多姿，靠近了，连接起来了，一个个扭动着，回转着，象蛇一样。看，那是什么？一条蛇咬住了\n自已的尾巴，在我眼前轻蔑地旋转。我如从电掣中惊醒。那晚我为这个假说的结果工作了整夜。……先生们，让我们学会做梦吧！”（同上书，P60）由此可见，要说有什么“灵感”，那就是长期积累、辛勤劳动而导致有朝一日豁然开朗的必然结果。就是完成苯分子结构式设想的那一夜，在梦中出现的“直觉”也只是一个启发，实际工作是在尔后通宵达旦的忙碌中做出来的。当然还有另一说法，科学史家认为，Kekulè1847年去吉森大学学建筑，后受J.V.Liebig影响，改学化学。而学建筑的经历造成他对图形特别敏感的特点，也是其灵感出现的重要原因。（2）摆脱分散注意力的其它事情，特别是有关私生活的烦恼，也是一项重要条件。化学家Platt和Baker曾说：“即使你在上班时间把自觉的思考非常认真地用于工作，但如果对自已的工作沉迷不够，不能使思想一遇机遇就下意识地去想它，或让一些更紧迫的问题把科学问题挤了出去，那么，得到直觉的希望也是不大的。”（同上书，P81）因此，专心至致，如醉如痴，是产生直觉的重要根源。在这种意义上，一个人对自已从事的专业有兴趣是至关重要的。生物学家梅契尼科夫自已曾叙述过关于细胞吞噬作用这一设想的起源。他说：“一天，全家都去马戏团看几个大猩猩的特技表演。我独自留在家在显微镜下观察一只透明星鱼幼虫中游走细胞的寿命。忽然一个新念头闪过我的脑际。我突然想到：这类细胞能起到保护有机体不受侵袭的作用。我感到这一点意义十分重大，非常兴奋，在房中踱来踱去，甚至走到海边去归整自已的思想。”\n（3）另一有利条件是不受中断，甚至无中断之虞，使思维能在迷恋状态中连续工作下去。Beveridge曾介绍过格拉茨大学药物学教授OttoLoewi一件有趣的事。一天夜里醒来，想到一个极好的设想。但是，他没有象Kekulè那样抓住这个设想，通宵达旦地去整理成熟，只是拿过纸笔简单地记了一下。翌晨醒来，他知道昨天夜里产生了灵感，但使他惊愕万分的是：怎么也看不清自已做的笔记。他在实验室里整整坐了一天，面对着熟悉的仪器，就是想不起那个设想，也认不出自已做的笔记。到晚上睡觉的时候还是一无所获。但是到了夜间，他又一次醒了过来，还是同样的顿悟，他高兴极了。这回，他仔细地记录下来，这才回去睡觉。“次日他走进实验室，以生物学史上少有的利落、简单、肯定的实验证明了神经搏动的化学媒介作用。（同上书，Ｐ７５）（４）多数人发现：在紧张工作一段时间以后，悠游闲适和适时放下工作的期间，更容易产生直觉。据有人说：直觉最经常发生在从事不费脑力的轻松活动，诸如乡间漫步、沐浴、剃须、上下班的时候。或许因为这时思维不受干扰，不被中断，自觉的思考不很紧张，不致压制下意识思想中产生的有趣想法。Einstein的好友M.Besso曾回忆说：“他告诉我，一天晚上，他躺在床上，对于折磨着他的迷，心里充满着毫无答案希望的感觉，没有一丝光明。但，突然黑暗里透出了光亮，答案出来了。”（里沃夫《爱因斯坦传》Ｐ６３，转自《科学方法论研究》Ｐ１００）这说明，在那天晚上，Einstein高度有意识的活动停止或慢下来以后，而让潜意识潜伏的活动发生作用的结果。\n此外，Descartes、Poincarè、W.B.Cannon都说过自已躺在床上，甚至在梦中产生出色的设想，完成了有价值的发现和发明。Darwin是在工作之余，阅读T.Malthus《人口论》消谴时，突然产生“自然选择”想法的。Poincarè说得更精彩，在进行一段时间紧张的数学研究以后，到乡间去旅行，不再去想工作了。但他说：“我的脚刚踏上脚踏板，突然想到一种设想，……我用来定义Fuchs函数的变换方法同非欧几何的变换方法是完全一样的。”又一次，在想不出一个问题时，他走到海边，然后“想些完全不相干的事情。一天，在山岩上散步的时候，我突然想到，而且想得又是那么简洁、突然和直截了当：不定三元二次型的算术变换和非欧几何的变换方法完全一样。”（同上书，Ｐ７４－７５）看来在对问题百思不得其解时，去睡觉、休息、散步，……使大脑高度有意识的活动松弛下来，让潜意识不自觉地发生作用，改变一个思维程式，倒可能使问题获得解决。（５）与同事接触，如与同事或与一个外行进行讨论，对思维活动有积极的促进作用。这是因为：１）别人可能提出有益的建议；２）一个新设想可能由两三个人集中他们的知识或智慧而产生；３）讨论是披露谬误的宝贵方法；４）讨论和交流可以使人振作，起激发思维的作用；５）可以帮助摆脱无成效的思想习惯。\nR.Koch在与朋友讨论寻找“固体培养基”时，朋友的妻子恰好从厨房送咔菲过来，偶然听到此事，便随意提议是否可用“琼脂”，结果帮助解决了一个大问题。（６）还应注意一点，就是要养成随身携带纸笔的习惯，随时记下闪过脑际的有独到之处的念头。T.Edison习惯于记下每一个想到的意念，不管这个想法当时似乎多么微不足道。许多诗人和音乐家也用这个方法，daVinci的笔记就是在艺术中笔记妙用的范例。还有人对如何培养直觉思维能力作如下三点建议：（1）善于思维：A）注意思维的灵巧、迅速；B）注意思索的定向性，在长的思维练中有一个中心；C）注意思维的开放性，广泛进行学术交流和交谈。（2）培养科学灵感和艺术素养，培养丰富的想像力，甚至幻想。（3）实施通才教育，要有广泛的生活面、知识面和阅读面，加强能力培养。N.Wiener针对美国的教育情况曾说：“我们是处于在教育内容正趋于日益淡薄的时代，现在的学校并非真正学到某种东西的智力训练。”“我们的大学偏爱与独创精神相反的模仿性，偏爱庸俗、肤浅，可以大量复制而非新生有力的东西，偏爱无益的精确性，眼光短浅与方法的局限性，而非普遍存在而又到处可以看到的新颖和优美——这都使我有时感受到愤怒，也常常使我感受到失望和悲伤。”（《人有人的用处——控制论和社会》P109，《维纳著作选》P124）（4）学习哲学、科学史。W.Weinberg访华时曾说：培养直觉能力有三个方面：哲学观点的指导、经验、阅读科学史。（《科学方法论研究》P104）\n理想模型与理想实验理想模型及其在科学研究中的作用模型方法是通过模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。理想模型方法是科学抽象的一种典型方法。是人们根据研究的需要而建立的高度抽象的、具有某种极限特征的理想客体。根据需要和可能，它可以有两种主要形式：形象模型和符号模型。前者如模式细胞，后者如VanderWaals方程(p+n2a/v2)(v-nb)=nRT。理想模型是联结科学理论与现实原型的必要环节。常见的如：数学上的“点”、“线”、“面”；力学上的“质点”、“刚体”；“理想流体”、“理想溶液”、“理想气体”；“点电荷”、“绝对黑体”等。理想模型有下列两特征：（1）作为理想化的现实物质形态，都是现实世界中找不到的东西。（2）但它又是不可捉摸的东西，是以客观存在为原型的。作为抽象思维的结果，是对客观事物中主要矛盾和主要矛盾方面的一种反映，是对客观物质形态的一种近似反映。在科学研究中，理想模型主要有以下三种作用：（1）引入“理想模型”概念，可以使问题大大简化。例如：对高温、低压下气体状态的描述，可以忽略分子间力和分子体积，从而简化成“理想气体”，其状态方程式pv=nRT很简单，给计算带来很大方便，结果与现实又相差不大，是一般工程计算中完全可以忽略的。\nNewton在发现万有定律的过程中，23岁（1665年）时就开始想将天上和地下物体运动统一起来，由于未想到将地球作为一个质点处理，收效甚微。直到1685年，引进“质点”概念，才使问题得到解决。R.Hooke同样也同时研究这个问题，但没有想到用理想化方法简化问题。虽已猜到力可能与距离的平方成反比，还到矿井下、高山上做实验，想找到力与距离的关系。殊不知这些相对于地-月距离都有是可以忽略的，结果不得问题要领，发现权只以属于Newton。（2）对复杂对象和过程，可以先研究其理想模型，然后对理想模型的研究结果作种种修正，使之与实际对象相符合。这是科学研究，特别在工程计算中常用的方法。如pv=nRT的计算结果与实际不太符合，但在此基础上作适当修正的VanderWaals方程(p+n2a/v2)(v-nb)=nRT中引进了解a、b两常数，a校正分子间力，b校正分子体积，结果就与实际符合多了。在工程计算中，常先算出理想模型的结果，然后加入校正系数Ψ，组合成半经验公式，实际上就是这种思想方法的具体表现。如在传热学中常见这样的公式：Nu=0.36Re0.55Pr1/3(μ/μw)0.14其中(μ/μw)0.14就是粘度校正项。（《化学工程手册》上册P240）\n（3）由于在“理想模型”的抽象过程中，舍去了大量细节，突出了事物的主要特征，就更便于发挥逻辑思维的力量，使“理想模型”的研究结果超越现有条件，指示研究方向，形成科学预见。例如，在固体物理的理论研究中，常以没有“缺陷”的“理想晶体”作为研究对象。但应用量子力学对这种“理想晶体”进行计算的结果，表明其强度竟比普通金属材料的强度大1000倍。由此使人们想到：常用金属材料的强度所以减弱，就是因为材料中有许多“缺陷”的缘故。后来实践果然证实了这个预言。人们沿着这个思路制出若干极细的金属丝，其强度接近“理想晶体”的强度，称之为“金胡须”。理想实验及其在科学研究中的作用运用理想模型在思想中进行逻辑推理、数学运演，就形成了理想化的思想过程，通过它做推理或理论研究，一般称为“理想实验”，也可称“假想实验”，“思想上的实验”。实际上它并非是实验。因为：（1）实验是一种实际操作的实践活动，而“理想实验”是一种思维活动，是思维操作过程；（2）真实实验是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是抽象思维中的一种设想，是实际上无法做到的“实验”。但是，它作为一种抽象思维的方法，可以使人们对实际科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示客观对象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出实际实验无法得到的重要结论。故这种科学抽象成了现代科学技术研究中的一个重要特征。\nGalileo曾注意到，当一个球从一个斜面上滚到第二个斜面上时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。Galileo断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。然后便推想，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度。最后如果第二个斜面的斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地滚动下去。显然，摩擦力是永远不可能完全消除的，这个实验自然也无法实现，所以，只能是一个“理想实验”。但是，Galileo由此所得到的结论，却打破了Aristotle以来1000多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈腐观念，为近代力学奠定了基础。后来它又被Newton总结为力学第一定律。（见以下图示）v0°\nEinstein曾评价说：“惯性定律标志着物理学上第一个大进步，事实上物理学的真正开端。它是考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动的理想实验而得来的。从这个例子以及后来的许多旁的例子中，我们认识到用思维来创造理想实验的重要性。”（《物理学的进化》，上海科技出版社，P158）果然，Einstein也是一个创造理想实验的大师。他在建立狭义相对论时，曾经作了一个同时性的相对性的“理想实验”。思考过程是这样的：设有两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道，对于站在两道闪电的正中间的铁路旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的。但是对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的。因为第二个观察者（运动观察者）是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点。因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动的观察者年来却是西方先亮，东方后亮。若再进一步设想这列火车以光速前进的话，则列车上的观察者将只能看到西方的一道闪电，永远看不到东方的那道电火，因为东方的那道光根本追不上他。（参见任鸿隽《爱因斯坦与相对论》，1956年版，P35-36）而同时性相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程的一个关键。（见以下图示）cc\n此外，Einstein在广义相对论建立过程中还进行了有名的升降机理想实验，揭露了引力质量和惯性质量相等，光线在引力场中弯曲等重要结论。Maxwell在建立电磁场理论时，则在想象中把Oersted和罗兰（Rowland?）的实验（电生磁）中闭合磁力线缩合成一点，把Faraday实验中的闭合电力线缩合成一点。这样就可把空间中任何一点，以及任何时刻的磁场和电场变化连结起来，形成定律。理想实验的方法本起源于物理学，现在的应用已超出物理学领域。生物学上生物膜双分子层结构起源的理论研究也应用了这个方法。最后应指出，“理想实验”只是一种逻辑推理的思维过程，其作用只限于逻辑上的证明与反驳，其推论必须由实验来检验。数学方法数学方法及其作用数学是研究客观世界数量关系和空间形式的科学。数学方法是运用数学工具进行科学研究的方法。由于数学方法具有高度的抽象性、严密的精确性和广泛的普适性，在科学技术既高度分化又高度综合的今天，数学方法不仅成为现代科学的得力武器，而且是衡量科学现代化水平的重要标志。科学的数学化正成为当代科学技术发展的趋势之一。先从广度上说，100多年前，恩格斯曾形容过当时数学在各门科学中的应用情况。“在固体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在液体力学中已经比较困难了；在物理学中多半是尝试性和相对的；在化学中是最简单的一次方程；在生物学=0。”（《自然辩证法》P249）但是，今天数学方法几乎征服了上述的一切领域。\n且不说Maxwell电磁场理论、相对论力学、量子力学无一不在数的帮助下完成。化学在本世纪前基本上处于实验描述阶段，随着量子力学理论和方法引进化学，许多高深数学方法接踵而至，由此产生量子化学，数学系方法在化学中作用越来越明显。历来认为生物学不需要数学，现在已开始运用数学方法研究生理现象、神经现象、生态系统以及遗传规律。并且产生了数学生物学、生物数学这样的分支学科。在社会科学方面，数学被引进了经济学、法学、人口学、人种学、考古学等领域。再从深度上说，许多抽象数学理论分支正越来越快地转入应用阶段。矩阵理论在1860年初创时被视为纯数学理论，65年后成为矩阵力学的数学系工具；19世纪70年代创立的张量计算理论，30年后被子Einstein用于相对论；微积分算子的本征函数展开理论，是Hilbert1906-1910年间创立的，1927年被用于波动力学，其间只有17年。本世纪初，为克服Riemann积分的局限性建立的“勒贝格测度积分理论”，当时由于找不到应用而遭到讽刺，今天却成了控制论、信息论中不可缺少的工具；甚至几千年来一直作为纯理论研究的数论，它的许多结果如今也在计算方法、代数编码、组合论、计算机科学等领域得到了广泛应用。各门学科的“数学化”决非偶然。客观存在的一切事物都是质和量的统一体。认识事物既要考虑其质，又要考虑其量，而且只有通过量的研究，才能更准确地认识质的规定性及其变化发展趋势。因此，科学要向前发展，必须求助于数学。数学方法主要有以下几种特殊功能：（1）为科学技术研究提供简洁、精确的形式化语言\n应用数方法研究客观对象时，总是暂时撇开具体对象的其它特征而抽象其数量关系或空间形式。科研中对各种量、量的关系、量的变化以及在量之间进行推导和演算，都是以符号形式表示的，这就是形式化的数学语言。用它可以精确地表达事物的内在联系及转化过程。如根据流体力学中的机械能守恒法则，即Bernoulli方程：Zg+P/ρ+V2/2=const.该式表示在管道中不同的截面处，流体的位压头、静压头、动压头三项的代数和是守恒的。这种简洁、明了、精确的表示方法是自然语言所望尘莫及的。我国古代数学成就曾走在世界的前列，但由于缺乏形式化语言，到近代就落后了。JosphNeedham曾说：“虽然中国数学在许多方面（例如很早就重视十进位，利用空位表示零）是如此先进，但是中国数学家从未自发地发明任何记录公式的符号方法，在耶苏会传教士入华以前，数学的陈述主要是用文字写出来的。奇怪的是，在一个把代数学钻研到如此深入的民族中，方程的形式一直是不明显的，而且没有土生土长的等号（=）。”（《中国科学技术史》Vol.3,1978版,P338）没有系统的符号化，理论研究是走不远的，数学应用也只能是一句空话。只有符号化、形式化才能深刻地反映事物的本质与规律。（2）数学方法为科学技术研究提供数量分析和计算工具对研究对象进行数量分析和准确计算，可以精确地把握事物的质的特点和变化规律。TychoBrahe从1576年开始，花了几十年时间观测搜集大量资料，堪称为一个善于观测的学者，而因短于数学分析，得出一个错误的结论：行星环绕太阳转，而太阳和诸行星作为一个整体又环绕处在宇宙中心不动的地球转。后来他的学生\nKepler接过老师丰富而珍贵的资料，发挥数学才华，经过精心推导，终于得出重要的行星运动三定律。前已述及，Leverier是在笔尖下计算出海王星的。在现代科学技术发展中，象大型的工程设计、原子能开发利用、空间技术、生物遗传等，更离不开数量分析和计算方法，否则不仅达不到预期的目的，还会造成重大的经济损失。（3）提供严密推理和科学抽象的工具数学中的命题、公式都要严格地从逻辑上加以证明以后才能够确立。数学的推理必须遵循形式逻辑的基本法则，以保证从某一前提出发导出的结论在逻辑上是准确无误的。著名“七桥问题”的解决，就是用数学方法进行抽象和逻辑推理的典范。18世纪，在东普鲁士（立陶宛）有一座城市叫哥尼斯堡（加里宁格勒），市内有一条布勒尔河，河的两条支流在城市中心汇合，中间形成一个岛区，河上建造了七座桥（如右图），哥尼斯堡的大学生们常在这里散步。有人总想一次走过七座桥，而且每座桥只准走一遍。可是试来试去总办不到，他们便写信给著名的瑞士数学家Euler求教。“七桥问题”图示\nEuler首先把岛间的桥梁看成是七条连线，把4个连接处缩小为4个点，人们步行通过的七桥，就变成了右下图所示的线路拓朴的“一笔画问题”。即抽象为能否一笔画成右下图的问题。Euler考虑了“一笔画”的特征。一笔画有一个起点和终点，起点和终点重合称为封闭图形，不重合称为开放图形。除了起点和终点外，一笔画中间可能出现一些曲线的交点。在这交点处是一进一出，通过的曲线总是偶数条，这些交点称为“偶点”，只有起点和终点处通过的曲线有可能是奇数，故称其为“奇点”，当起点与终点重合时，则该点便成为“偶点”。综上可见，任何一个一笔画图形，要么没有“奇点”，为封闭图形；要么有两个“奇点”，为开放图形。现在“七桥问题”所对应的图形中有4个“奇点”，因此它超出了一笔画的范围。1736年，Euler发表文章正式宣布：“七桥问题没有解。”利用抽象的数学工具还可以帮助人们进入和把握超出感性经验以外的客观世界。例如，20世纪以来关于引力场的新见解，可以由非欧几何来描述。量子力学在获得了Hilbert空间这样的数学工具以后才大大发展起来。故人称数学是“思想工具”。（4）开辟了“数学实验”这种崭新的科学认识途径19世纪，大数学家Gauss为了发现整数性质的规律性，对各种情况进行试算，称为“系统尝试法”。他曾由此获得了（整）数论的一些著名定理。但对过于复杂的问题，由于计算工作量超过了人的承受能力，使工作不能进行下去。如“四色定理”的证明，实际上就是在计算机上进行“数学实验”获得成功的。针对2000个图形组合，在高速计算机上进行了200亿次计算，总共计算了1200小时，终于使该定理获得完满的证明。\n再如在生物学中，一个生态系统或生理系统，常常是数以百计的多因素相互作用的复杂系统，以前由于无从验算和评价，只好束之高阁。现在则可以在计算机上完成理论值的计算，再将理论值与实验数据进行比较，对模型进行校正、检验、评价、筛选，为进一步理论研究打好基础。大庆油田某区的开发方案，便是通过计算机计算了2000多个方案以后才确定下来的。2数学模型方法和类型（MathematicalModelingMethod）前已述及，模型主要有物理模型和数学模型。这里就谈数学模型方法。粗略地说，数学模型乃是针对或参照某种事物系统的特征或数量相依关系，采用形式化数学语言，概括地或近似地表述出来的一种数学结构。结合前面的“七桥问题”，我们可将通过数学模型方法的解题过程分成如下3步：（1）建模；（2）求数学解；（3）解释、评价与判断。整个过程、步骤可略如下图所示：（1）建模（2）求数学解（3）解释、评价与判断现实问题(七桥问题)数学模型(一笔画问题)现实问题无解(一次过七桥,又不重复是不可能的)数学解(一笔画出上述图形不可能)求解\n建立模型的过程，就是对实际问题进行深入了解、研究的过程。再好的数学模型，如果不能反映客观问题的本质，结果只能以失败告终。根据自然现象质的区别，可分为必然现象、或然现、模糊现象和突变现象。与此相应的数学理论已有：经典数学、随机数学、模糊数学和突变数学。所以总体上也有4类数学模型。（1）确定性现象的数学模型九大行星围绕太阳转，地球不停地自转与公转，异性电荷互相吸引，……这些客观现象都有确定性结果，服从确定性因果规律，可以由前一时刻的运动状态推知后一时刻的运动状态，可由条件准确预知结果。这类现象一般可用各种方程式——代数方程、积分方程、微分方程、差分方程来建立数学模型。确定性现象的数学模型应用得最多的是偏微分方程，它又可分为双曲型、抛物型和椭圆型微分方程。双曲型的偏微分方程也叫波动方程，可以描述自然界的各种振动现象和波动过程。如电磁波的波动，各种机械波（水波、声波）的波动过程，杆的纵振动、弦的横振动等都是这类偏微分方程作为数学模型。抛物型偏微分方程，也叫输运方程或热传导方程，可以描写自然界的各种输运过程，如：热传导方程和分子扩散方程。椭圆型偏微分方程，是描述自然界各种稳定过程的，如：稳定的温度分布、浓度分布、静电场、稳定流动、稳定电流场等到自然过程。\n对一个微分方程只有加上确定的初始条件和边界条件（也称定解条件）之后，才构成特定问题的数学模型，也称为定解问题。对微分方程的解能满足存在性、稳定性和唯一性，我们称这种定解问题是适定的。（2）或然性现象的数学模型在自然界中，还存在另一种普遍现象，单个事物发展，没有确定的因果性，其发展的结果完全是随机的，往往带有偶然性。如：抛硬币、射击命中目标、天气预报、地震预报……这类现象不遵循上述微分方程所描述的因果律，但就大量的试验和观察而言，其整体上却呈现出另一种统计性规律。在随机现象大量的统计平均值中，可以看出它的“大势所趋”的结果。在概率论和数理统计中，或然现煤象又称大数现象。大数现象有两类：一类是产生随机现象的“成员”是大量的，另一类是随现象的“成员”不多，甚至只有一个，可是它在同样条件下出现大量重复。二者都表现一定的统计规律性，不过前者，如充有大量气体的容器中分子的运动速度和方向，服从统计规律；后者，如抛掷一枚硬币每次只有两种可能性，如果多次重复，各面出现的机会服从概率论。人们从16世纪开始，就把研究引向了千百年来视为“风云莫测”的偶然世界，探求其所含的规律，相继产生概率论、数理统计、随机微分方程论、马尔科夫过程论等新的数学分支，统称随机数学，用于刻划千变万化的自然现象。随机变量是建立或然性数学模型的重要概念，首先要确定其取值范围；其次要弄清其变量类型：离散型随机变量抑或连续型随机变量。具体模型这里不拟详介。\n（3）模糊现象的数学模型自然界和社会领域存在大量模糊现象、模糊信息、模糊逻辑。如“年轻”、“年老”这些概念很难精确界定的，只有用“模糊”方法去描述、处理，才能更符合实际。特别是电子计算机要模拟人脑思维，而人脑思维是在逻辑思维、形象思维、和创造性思维综合作用下进行的，其中形象思维和创造性思维又具有很大的模糊性，经典数学根本无法描述和处理，这对电子计算机“智能”的发展，无疑是一个极大的障碍，为此，模糊数学便应运而生。1965年，美国加里福尼亚大学自动控制专家L.A.Zadeh为了从根本上解决电子计算机发展中的困难，重新研究基础集合论，发表了题为“模糊集合（Fuzzysets)”的论文，提出并建立模糊集合论，标志着模糊数学的诞生。模糊数学的特点是：它既不摒弃数学严格的严密性去迁就模糊性，又能把数学方法推广到经典数学无法企及的模糊领域。因而已渗透到物理学、化学、医学、心理学、经济学、逻辑学、系统论、信息论、控制论以及人工智能等到诸多领域。在农业、林业、建筑业等到国民经济领域中也取得初步成果。在模糊数学中，模糊集合与隶属函数是两个重要概念。19世纪Cantor在建立经典集合概念时，由于完全贯彻了形式逻辑的排中律，一个事物与集合有明确的隶属关系，要么属于，要么不属于，二者必居其一，不能模棱两可。这种关系可用特征函数A(u)表示：\n1当u∈AA(u)=0当uA特征函数是一种二值函数，只能表示事物“非此即彼”的状态，不能表示事物在过渡时“亦此亦彼”状态，这就是精典数学的局限所在。而模糊集合所表示的概念没有明确的外延，其隶属函数不是只取0和1，而是可取0到1之间的任意实数，即在[0，1]闭区间内可任意取值。对于任意元素u∈U,都有一个隶属（程）度μ=A(u)(0≤μ≤1)与之对应。这样，任意U上的模糊子集，都由它的隶属函数完全决定。如以年令作论域，取U∈〔0，100〕，则模糊子集A1=“年轻”，A2=“年老”，隶属函数为A1(u)、A2(u),则1（0≤u<25）A1(u)=（25查看更多