四、科学的发展模式

科学的本质是人与自然界的相互作用，是二维的，所以科学的发展模式也必然是二维的。在建立新的二维发展模式之前，我们首先对理论的类型进行更深入的考察。

在上一节中，我们曾经根据研究内容和认证标准的不同，将理论划分为主体型理论和客体型理论，由此形成了不同的科学观。在本节中，我们根据出发点的不同，将理论划分为唯象型理论和构建型理论，以发现它们在不同的认识阶段所发挥的不同的认识作用。如果套用科学哲学的术语来称呼它们的话，这两种不同类型的理论分别是描述和说明。典型的唯象型理论有地心说、狭义相对论、广义相对论、矩阵量子力学和夸克理论；典型的构建型理论有四因说、日心说、经典力学、以太理论和波动量子力学等。

唯象型理论是从直观的现象出发，在归纳现象的基础上建立的理论，其理论的逻辑基础是归纳的。比如，地心说是根据地球静止不动而其他天体不断变化这一直观的视觉现象建立的，狭义相对论是根据经典电磁学中的光速不变现象建立的，广义相对论则是基于引力质量等于惯性质量这一事实建立的。上述这些理论的共同特点是，将直观的现象提升为普适的定律，并以此来作为理论的逻辑基础。所以，唯象型理论是建筑于感性经验的理论。

唯象型理论的优点是，逻辑结构简单，在原始资料匮乏的情况下比较容易建立，有助于开展人类的认识。唯象型理论的认识意义，在于帮助人们了解和整理对自然界中某一特定领域的输入信号和输出信号。唯象型理论的缺点是，仅建立了输入信号和输出信号之间的表面联系，是最简易的同构系统，却不是最适当的同构系统。因为，随着输入信号和输出信号的增多，作为简易系统的唯象型理论要想继续保持其与自然界的同构，对于人类来说是一件越来越困难的事情，受到了作为认识主体——人的限制。于是，根据认识效率最大化原则，人类会选择在结构上较为复杂的构建型理论来作为自然界新的同构系统，以取代唯象型理论。所以，唯象型理论适用于认识阶段的初期，这种理论比较容易建立，但当它发展到一定的程度时就会受到自身的限制走向反面，阻碍认识的进一步发展，从而被构建型理论所取代。

例如，托勒密的地心说是在公元前2世纪到公元2世纪这一期间建立和发展的。在原始天文资料匮乏且观测误差较大的情况下，以地球为静止参照系进行描述的地心说显示了其作为唯象型理论的优越性，从而取得了背景理论的地位。托勒密的地心说对当时所掌握的各种天体运动的观测资料做了比较精确的计算和说明，并在预言恒星和行星位置的变化方面也取得了一定的成就。与此同时，地心说提供的宇宙观即关于宇宙的同构系统也是比较简明的，与人的感性经验（地静）相吻合。然而，随着天文观测资料的日积月累，引入并获得的输入信号和输出信号越来越多，地心说的计算手段也因此变得越来越烦琐和复杂，成为只有少数受过特殊训练的专家才能掌握的理论，而普通人对这种数学化的理论却越来越难以直观地理解。于是，作为宇宙同构系统的地心说，其描述天体运行的结构变得模糊不清了，失去了原来直观的物理图像，反而走向了背离经验的道路。对此，哥白尼评论道：“（托勒密的地心说）仿佛是一个画家，从不同的模特身上为他的画像收集手、脚和头等不同的素材。该画家把每个部分都画得很好，但它们却与整个身体连不起来，因为它们不匹配，画出来的是一个怪物，而不是人。”

构建型理论是以猜想和假说为认识起点，通过演绎的方法与现实世界进行对比和修正的理论，该理论的逻辑基础是演绎的。作为自然界的同构系统，构建型理论的优点是，赋予了人类更多的能动性和创造性，开阔了人类的眼界，使人类在选择同构系统时具有较大的思维空间。在人类的认识过程中，一个新的构建型理论的建立，往往是人类认识产生飞跃的标志。构建型理论的最大特点是，它在创建初期是超越直观的感觉印象和具体经验的，是形而上学的；但是，其发展的最终结果却向人类提供了比较简明的物理机制和物理图像。

例如，日心说的出发点是，地球和其他行星一样围绕着太阳做圆周运动，太阳是太阳系的中心。这种世界观在当时不仅违反了人的视觉印象，而且也与物体的垂直下落现象相矛盾。然而，日心说构建了一个可以与现实世界相对应的物理世界，在以后的发展过程中，通过不断地完善该同构系统，向人们提供了一幅越来越清晰的物理图像。这种图像不仅符合和满足人类的心理需要，而且还可以简化描述该系统的数学公式和计算方法。这是因为作为同构系统，构建型理论可以通过概念与客观世界进行类比，而唯象型理论不易做到这一点，缺少必要的认识结构。

从同构系统的角度来看，唯象型理论和构建型理论并没有本质上的区别，虽然在结构上都不同于自然界，但在一定的范围内它们却又都与自然界是不可分辨的，它们都是关于自然界的同构系统。然而，唯象型理论只是众多同构系统中唯一最简单和最初级的同构系统，却并不是最适合人类认识的同构系统。该类型理论没有充分发挥人类的认识功能。它虽然有助于人类认识的发展，但却并不能真正满足人类的认识需求，这一认识需求只有靠构建型理论来满足。有趣的是，唯象型理论和构建型理论在数学上彼此等价，它们相对于认识客体是不可分辨的。两种不同类型理论的区别只是相对于认识主体——人而言的，其认识问题的角度、方法和作用是完全不同的。

仍以地心说和日心说为例。这两个理论的世界观及其所描述的物理图像截然不同，但在数学上它们是彼此等价的，只不过两个理论选用的参照系有所不同，前者以地球为静止参照系，后者则以太阳为静止参照系。于是，它们在数学表达的具体形式上是有差异的。日心说用直观的椭圆轨道描述天体的运动，而地心说则是用各种正圆以级数展开的方式描述星象的变化。这两种方式在数学上是等价的，但对于人类来说，运用和掌握它们的难易程度却有着极大的差别。不难想象，如果我们在日常生活中，用级数展开的方式来表示非整数和无理数的话，那将是多么的不方便！例如：

其中，π为圆周率，等于3.1415926…，n=1, 2, 3, …

虽然构建型理论更适合人类的认识，但作为同构系统，构建型理论并不能完全取代唯象型理论。因为构建型理论也有弱点，即它的产生是非逻辑的。因此，要想构建一个在较大的范围内能够与客观世界相对应的理论世界，而且要在无数种潜在的同构系统中构建一个适合于人类认识的理论，这无疑是一项非常困难的工作。若要完成这一工作，除了靠科学家非凡的直觉和敏锐的洞察力，还需要借助唯象型理论对客观世界的基本特征有足够的了解与认识。

在学术界，经常讨论的一个议题是“科学是描述还是说明”。通过对唯象型理论和构建型理论的分析，我们可以看出，关于“科学是描述还是说明”的讨论，是一种形而上学式的非此即彼的思维。实际上，描述和说明的关系是亦此亦彼的辩证关系，它们在人类的认识过程中所发挥的作用是彼此互补的。比如，通过分析，我们认识到唯象型理论和构建型理论有着各自不同的优缺点，它们在发挥其认识的作用时，各有其不同的侧重。唯象型理论侧重于建立输入信号和输出信号之间的外在联系，构建型理论则侧重于建立关于这种联系的内部结构。

虽然，唯象型理论只是在人们对某一领域的认识处于初期阶段时发挥主导作用，而构建型理论则是在认识的后期阶段起着主导作用；然而，作为人类认识的产物，这两种不同类型的理论所产生的年代却是基本相同的。实际上，它们是人类认识客观世界的两种基本的方法，只有能够在现阶段起主导作用的理论类型才能够获得社会的承认，成为背景理论。

例如，在古希腊时期，毕达哥拉斯早在公元前5世纪就曾提出过类似日心说的理论；后来，阿里斯塔克在公元前2世纪进一步提出，太阳和恒星都是不动的，地球以太阳为中心做圆周运动并同时绕着自己的轴旋转。这种观点和一千多年以后哥白尼提出的日心说并没有多大差别。作为两种不同的认识和理论，日心说和地心说虽然产生于同一个时代，但它们在人类认识的过程中所起的作用不同，所以它们各自成为背景理论的时期是不同的，而且唯象型理论总是先于构建型理论成为背景理论。

例如，在狭义相对论建立之前，洛伦兹和菲茨杰拉德已经建立了较为完善的以太收缩说；在海森伯建立唯象的矩阵量子力学时，薛定谔也提出了构建的波动量子力学。前者是通过物理量的不可对易性这一新的物理现象建立的，后者则是通过德布罗意提出的物质波假说构建的。

上述两个实例和地心说与日心说一样，它们研究的对象是相同的，它们产生的年代是相近的，它们使用的公式在数学上是等价的，但它们所用的方法和观念却是迥然不同的，而且都是唯象型理论首先成为背景理论。作为数学理论，日心说与地心说、以太收缩说与狭义相对论、波动量子力学与矩阵量子力学都是同一个理论，它们彼此是不可分辨的；但是，作为物理理论，这些对应的理论是不同的，这种不同不仅反映在理论的模式及其物理图像上，而且对于人类的可接受程度也有着很大的区别。上述三对理论的产生都在同样的程度上获得了自然界的“首肯”，而每对理论中究竟哪一个理论可以成为背景理论，则是由人类根据其认识所处的发展阶段决定的，还必须获得人类的认可。

刚才列举的是三个在数学上被证明完全相等的例子，实际上这种理论的对应性、这种不同类型的理论成对地出现，但却在不同的时期交替地发挥认识的主导作用等情况，在人类认识的历史过程中比比皆是。比如，灾变论和进化论，前者是唯象的，而后者是构建的。比如，燃素说和氧化说，前者直观地提出具有燃烧性质的特定物质，而后者则构建了不同元素的氧化机制。唯象型理论和构建型理论就好像是实物与影子，在阳光的照射下形影不离。由此，可以做出如下推论：理论的这种不同类型的对应性，它们在人类的认识过程中所起的不同作用，以及作为背景理论的先后顺序，都具有普遍的意义。

总之，唯象型理论容易建立，但不容易更深入地发展；而构建型理论不容易建立，却有着较为广阔的发展空间，能够真正满足并符合人类的认识需要。唯象型理论有助于系统地整理资料，为构建型理论的产生和发展创造条件；构建型理论则可以使晦涩的理论变成明快的图像，使昔日只有专家才能掌握的理论转化为普通的常识。此外，构建型理论同时兼顾了主客观两方面的因素，所以从进化的观点来看，构建型理论作为新的进化层次属于人类认识的高级阶段。因此，我们应该在人类认识的不同阶段，有意识地分别使用这两种不同类型的理论，以便充分发挥它们各自的认识作用。令人遗憾的是，由于没有对这两类理论在认识中的作用和地位有足够的认识，所以在以往的人类认识史上，唯象型理论和构建型理论交替地作为背景理论的认识过程，是盲目和被动地发生的。

例如，哥白尼的日心说受到了长时间的禁止，这一方面固然是由于教会为维护其宗教神学做出的反对，而另一方面也是由于人们习惯了地心说的观念和思维方式。所以，在哥白尼生活的时代，人们会尽力摒弃和限制属于构建型理论的日心说，视之为异端邪说，而无限度地发展和维护业已完成其认识使命属于唯象型理论的地心说。上述这种现象一直持续到地心说严重地阻碍了人类认识的发展时，才会以革命的方式使理论的类型由唯象型转变为构建型。同样，由构建型理论向唯象型理论的转变也会遇到阻碍和反对。例如，当人类的认识扩展到高速情况时，出现了新的效应。按理，这时应该主动地用唯象的认识方法来研究并建立相应的唯象型理论，而实际的情况却是花费数十年的时间沿用构建的方法建立机械的以太理论。直到这一理论陷入不可自拔的困境时，才迫使人们不得不转向新的认识角度，用唯象的观点建立和评判理论，使狭义相对论和广义相对论取代了以太理论和经典力学，成为新的背景理论。

这种思维的习惯性和盲目性，人为地将人类的两种不同的认识阶段及其相应的理论类型分隔开来，使科学失去了内在的有机联系，丧失了科学发展的活力。因此，我们在建立科学的发展模式时，应该自觉地运用这两种不同类型的理论和方法，使它们有机地结合起来，恢复业已失去的理论张力。

作为对比，在建立新的二维科学发展模式之前，先简要地介绍一维的科学发展模式，这一模式是由波普尔提出来的，即

P1 → TT → EE → P2

其中，P1和P2分别表示问题1和问题2；TT是Tentative Theory的简写，代表实验性理论；而EE则是Elimination of Error的简写，代表排除错误。

波普尔认为，科学的全部过程是从问题开始并由新问题的提出结束。所以，科学的发展周期是P1→P2。波普尔的这一观点是很有道理的。发现新问题意味着人类关于自然界的认识范围扩大了，人类观察自然界的角度发生了新的变化，使人类感受到的自然界由此而变得更加丰富多彩。此外，提出新问题，实质上就是提出并获得新的输入信号和输出信号，使旧的同构系统不再适用；而解决新问题，则是建立与新的输入信号和输出信号相对应的新的同构系统。所以，问题的提出，既是旧理论的结束又是新理论的开始。于是，这种“新的世界”与人的相互作用可以构成新的理论，进入新的进化阶段；然而，认识并不会就此结束，还会产生更新的问题、更新的世界、更新的理论和更新的观念。

波普尔在两个问题之间是用TT和EE连接的。在这里，波普尔持一维科学观。所以，在波普尔的理论发展模式中，无论是理论本身（TT）还是对理论的检验（EE）都只涉及客观世界，因而在认识上有很大的局限性。这种单靠实验来选择和验证理论的做法是行不通的。因此，我们要建立的科学发展模式应该对“TT→EE”这一中间环节加以修正，把理论和对理论的验证进一步地分解为主体和客体两个部分，并使它们有机地结合起来。

根据二维科学观以及对不同理论类型的分析，我们可以将波普尔的科学发展模式改写为

P1 → TO → EO → TS → ES → P2

其中，TO和EO分别为唯象型理论和关于客体的验证，而TS和ES则分别为构建型理论和关于主体的认证。对于唯象型理论和构建型理论的分离，我们在前面已经分析过了，这是由于它们在人的认识过程中所起的作用是完全不同的；而对于客体验证和主体认证的分离，则主要是为了有利于发挥唯象型理论和构建型理论各自的优势，使它们在人类的认识过程中能够扬长避短。在每一个认识阶段的初期，尽管会同时产生两种不同类型的理论（唯象型理论和构建型理论），但如果用EO，即以实验的验证来作为选择理论的标准，有助于将两种不同类型的理论分开，使唯象型理论更容易脱颖而出取得背景理论的地位。反之，在认识后期，如果有意识地用ES，即用主体的认证来作为理论的主要判据，可以以此来扶植构建型理论的成长，使之度过其早期关于实验验证方面的危机，防止科学的发展走向极端。

比如，在认识高速运动的初期，对唯象的狭义相对论就不能从ES方面指责它不是构建理论，没有具体的物理机制（当时许多科学家恰恰是基于这一点反对狭义相对论的），而只能用EO方面的检验（如用迈克尔逊-莫雷实验的零结果）来验证狭义相对论。因为，作为唯象型理论的狭义相对论符合当时的认识水平，我们可以借助于狭义相对论进一步了解和积累关于高速运动方面的知识，如了解时间与空间的相关性和建立质能转换公式等。同理，在认识的后期，对构建型理论如哥白尼的日心说，我们应当尽可能地用ES方面的准则来判断和认证理论，而对于那些违背理论的个别实验或现象暂时“视而不见”。例如，日心说违反了物体垂直下落这一直观的现象，以及当时并没有观察到由于地球的运动而要求存在显著的星象位移等。我们应该容忍这种“反常”现象的存在，而注重日心说给我们提供了一幅较地心说清晰得多的物理图像。那些“反常”现象不仅会在日后随着理论的发展自然而然地被予以消除，而且它们往往还是理论进一步向认识的纵深发展的契机。伽利略为此提出了相对性原理和圆周惯性定律，这不仅使原来的否证实验转化为证实的证据，而且通过重新评价经验，即重构新的同构系统，可以促使人们进一步发现新的定律和新的理论。

此外，由于认证过程是理论发展的一部分，是理论的继续，因此，作为唯象型理论（TO）的继续，当然是实验的验证（EO）；而在构建型理论（TS）之后，则应该是关于主体的认证（ES）。所以，ES和EO的分离是与TS和TO的分离相一致的。把认识的基本要素分解为主体因素和客体因素这两个不同的部分，是为了让它们在人类认识的过程中能够更充分地发挥它们各自不同的认识作用；而把它们放入同一个认识的循环周期内，则是为了使它们在人类的认识过程中相互补充并有机地统一起来。

二维的科学发展模式在具体的实践过程中还存在着一个问题，即何时用ES来替换EO对理论进行认证，以促使理论的类型由TO向TS过渡呢？换句话说，我们如何知道唯象型理论的认识作用完结了，应该转入构建型理论呢？对此，可以用V=S×O，即用ES×EO来作为判断理论是否需要转型的标准。比如，在科学竞争时期，我们首先用EO对各种唯象型理论进行验证和选择，选出α理论并使之成为背景理论以进入科学的常态时期。在这一时期，可以通过对α理论的V值进行不断的测量，根据其变化趋势来判断该理论是否已经退化。正如在前面提到过的，任何理论都有一个与其理论的逻辑基础（L）相对应的极大值。因此，当我们发现Vα值变小或停止增长时，就表明α理论衰退了，这时就需要用构建型理论来取代。为了保证这一转换的顺利实现，为了克服人类思维的惯性，此时我们用ES替换EO来作为认证和选择理论的判据，使人类的认识进入一个新的科学竞争时期。

此外，除了在不同类型的理论之间需要进行密切合作和扬长避短之外，还应该在同类型理论之间展开适当的竞争，在一定的时期内允许相同类型的等价理论并存。之后，为了集中力量更有效地发展理论，我们需要从若干个同类型的理论中选出一个较为成熟并具有发展潜力的理论来作为背景理论，使之有一个单独发展的时期。由此，认证理论的工作将不再是消极的，不仅仅是局外的评价和判别，而是人类认识活动的一个有机组成部分。来自主体和客体两方面的认证既是理论的继续，又是理论发展过程中的秩序，以保证理论在人的认识过程中能够按照最佳的方式变化和发展，不断地维持认识的张力。

科学的二维性使每一个具体的理论不再是近似的客观真理，而是自然界的同构系统。因此，科学的发展是开放的，它的发展形式和内容都是无限的。在这一无限发展的序列中，科学发展的基本环节即科学发展模式的抽象表达式是

其中，函数f (TO1, TO2, …, TOi) 和函数f (TS1, TS2, …, TSj) 分别为多个唯象型理论和多个构建型理论，处于同类型理论的竞争时期；其中EO和ES分别为从认识的客体和认识的主体对理论进行的认证，并选择出其中某一理论Toi（或TSj）来作为背景理论。在背景理论独立发展的常规时期，要不断地测量它的Vi值，即Vi=ES×EO=Si×Oi，以判断该理论是否处于退化阶段。如果Vi经过一个极大值后开始变小，说明该理论退化了，需要进行理论类型的转换，进入下一个认识阶段。这就是二维科学发展模式的基本内容。

新的科学发展模式将上节所述各种不同的观点有机地融为一体，可以看出这些观点都只是关于人类在科学发展的过程中各个局部特征的概括和反映。

由P1→P2，反映了波普尔关于理论是自然界进化的观点；由f(TO1,TO2, …, TOi) 和f(TS1, TS2, …, TSj) 反映了费耶阿本德关于理论发展的多元化和无政府主义的观点；由EO和ES分别反映了实证主义和理性主义的观点（实证主义者认为，凡实验无法证实的东西，都应该从理论中剔除出去，理论不受人的因素影响，是完全客观的反映；而理性主义者则认为，科学是人类的理性活动，是对经验现象的重构，理论不受表面现象的约束，是纯粹主观的产物）；由f (TO1, TO2, …, TOi) 到Ti反映了库恩的历史主义思想，将人类的认识过程划分为科学的革命时期和科学的常态时期；由Vi的测量反映了拉卡托斯科学研究纲领进步与退化的思想；由TOi到TSj反映了弗拉森科学的实质是构建的思想；而V= ES×EO 则反映了科学的二维性。

二维的科学发展模式，将各种不同的科学观有机地结合于一体，由此充分展示了科学的二维性，即科学是人与自然界的相互作用。