把握科学理论的对象与检验方法

人们对于科学的一般印象,是科学家在实验室里进行各种研究然后提出各种理论,在很多人的印象中,科学是离不开实验的——科学家通过实验获得数据,然后对理论假说进行检验,而能够通过多次实验检验的理论,才算是“合格的”科学理论。能够用实验进行检验是“合格的”科学理论的必要条件的看法,导致那些无法用实验进行检验、关于历史过程的科学理论容易受到质疑。实际上,科学理论的检验方法是由理论表述的对象所决定。不同科学学科的研究对象有很大的区别,每一类对象都有特定的性质和与之相适应的理论检验方法。

  根据科学理论表述对象的不同,可以将理论分为三类。一类是表述普遍规律的理论。普遍规律的特点是,在“其他条件相同”的情况下,相同的原因总是会引起相同的结果。比如,在满足标准大气压(“其他条件相同”)的情况下,水的沸点是100℃,我们可以反复检验这个规律。第二类是表述过去发生的历史事件的理论。比如,物种起源、大堡礁形成等。历史事件一般是不可重复的。第三类是表述特定机制的理论。比如,血液循环机制、自然选择机制等。机制的特点是当构成机制的所有条件都得到满足时,机制会自动起作用。这三类理论表述的对象,在性质上有明显的不同,其理论在检验方法上也有明显的区别。

  在“其他条件相同”的情况下,普遍规律的作用使得相同的原因总是会引起相同的结果。普遍规律的这一性质,是科学家能以实验方法对理论进行检验的基础,只要保证每次实验的条件满足“其他条件相同”,每次实验的结果就会相同。如果时间、地点因素不在“其他条件”之列,那无论实验在什么时间、什么地点进行,都不会影响实验结果。利用普遍规律的这一性质,科学家可以在实验之前对实验结果进行预测,然后通过比较预测和实验结果是否一致来对理论进行检验。如果预测和实验结果一致,并通过一些必要的后续流程后,往往可以认为理论通过了本次实验的检验,即实验结果为理论提供了支持。而如果预测和实验结果不一致,则有可能是因为实验条件没有达到“其他条件相同”的要求导致结果出现偏差,科学家需要进一步排除可能干扰实验结果的因素,然后重新进行实验;也有可能是理论假说本身是错误的,理论被实验证伪,或整个理论中的一部分辅助假说是错误的,需要对辅助假说进行调整并作出新的预测,然后重复以上检验程序。

  历史性理论假说是关于一些现象发生的历史原因的假说。比如,关于恐龙灭绝的小行星撞击假说认为,白垩纪晚期的小行星撞击地球事件是导致恐龙灭绝的原因。显然,这样的历史事件无法在自然条件下重复发生,科学家也难以在实验室条件下重复这一事件,这就导致历史性理论无法像普遍规律理论一样用实验的方法进行检验。此外,科学家一般也无法根据历史性理论对自然条件下可能发现的证据进行准确预测。原因在于,历史事件和能够保留至今的证据之间相隔的时间太久,其间有大量的因素可能影响证据的保存。并且,由于该过程发生在过去,科学家也不可能回到过去对影响因素进行干预和控制。这相当于,在做实验之前无法对可能影响实验结果的因素进行控制,那么也就难以对实验结果作出准确预测。因此,对于历史性理论的检验而言,预测往往只能起到启发性和辅助性的作用。比如,科学家可以根据小行星撞击假说,预测可能会发现撞击坑,该预测指出了一个研究方向,但无法限定发现撞击坑的时间、地点、具体性质。并且,即使一直没有发现撞击坑也无法证伪假说,因为撞击坑可能受地质变化的影响,早就消失在历史长河中。既然历史性理论无法用“先预测再实验”的方法进行检验,那么是否还有其他可行的检验方法?虽然历史事件留下的某个证据可能消失,但在理论上每一个历史事件都会留下大量证据,并且保留下来的证据都会指向同一个原因,即该历史事件。历史事件所具有的这一性质,使科学家可以通过探索多个证据是否指向同一个历史事件,来对历史性理论进行检验。比如,假设和小行星撞击假说竞争的另一个假说认为是某种病毒的大流行导致恐龙灭绝,并且两个假说都得到了一些证据的支持。后来,科学家偶然发现了“K-T地层中铱元素含量异常”这个新证据,新证据和已有的部分证据都指向小行星撞击事件是证据的“共同原因”,并和病毒大流行事件相冲突,那么小行星撞击假说就经受住了一次检验,而病毒大流行假说则没有通过这次检验。如果有越来越多的新证据都指向小行星撞击事件为它们的“共同原因”,那么小行星撞击假说就会被科学家接受,竞争假说则会被淘汰。基于“共同原因”原理对历史性理论进行检验和基于实验对普遍规律理论进行检验,在检验结果上并没有差别,二者的差别主要体现在检验方法和检验过程中。由于历史性理论缺乏准确预测的能力,所以其证据往往只能来自被动的颇具偶然性的发现,而检验普遍规律假说的证据则可以主动在实验中创造出来,这使得历史性理论的检验过程往往比较漫长和困难,甚至有不少假说可能永远无法得到检验。

  关于机制的理论假说的检验,同前两类理论的检验有很大区别。前两类理论的检验都是以理论表述的对象为原因,通过比较证据是否和理论推出的结果相一致对理论进行检验。而对机制性理论的检验而言,最主要的步骤不是比较实际情况是否和理论推出的结果相一致,而是要检查构成机制的每一个“构件”是否存在。若每一个构件都存在,则理论的逻辑结构就能保证机制会发挥作用。以达尔文的自然选择理论为例,自然选择理论表述的是一种影响生物进化的机制,该机制包含四个主要构件:生物个体之间存在激烈的生存竞争;微小的性状差异会影响个体的适应性;适应性高的个体留下后代的概率更高;性状差异可以遗传。四个构件之间构成了一个逻辑闭环,也就是说,只要每一个构件都存在,该机制就可以顺利运行,即自然选择就会影响生物进化。因此,科学家对自然选择理论的检验,就成了对每一个构件的存在性的检验。这个检验过程持续了80年左右,到20世纪三四十年代,科学家们终于凑齐了每一个构件。比如,多个基因决定一个性状现象的发现,证明构件四存在——微小性状变异可以遗传。当时的科学家不仅发现了每一个构件都是存在的,并且都是广泛存在的,因此以自然选择为主要机制的进化理论得到了科学家的普遍承认。机制不同于历史事件的地方在于,在构件存在的情况下,机制会持续产生作用,如自然选择过程就不是单一的历史事件;机制不同于普遍规律的地方在于,机制本身没有普遍性的要求,其普遍性由构件的广泛性决定,若有一个构件非常稀少,机制产生作用的机会也就会非常稀少。

  综上所述,不同科学理论表述的对象不同,而其对象的性质决定了科学家检验理论的方法。科学理论需要能够进行检验,但是检验的方法却不是唯一的。认为只有实验检验才是唯一“合格”的检验方法的观点,忽略了科学研究对象的丰富性,也忽略了科学研究过程的复杂性,是较为片面和不符合实际的。

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