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[转载]金观涛 樊洪业 刘青峰:文化背景与科学技术结构的演变(3)

已有 284 次阅读 2020-6-2 06:52 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记| 文化背景, 科学技术结构, 历史演变 |文章来源:转载

四、近代科学技术的结构

要形成循环加速的科学技术结构,科学理论必须是建立在构造性自然观的基础之上。构造性自然观有两重含义,第一是指必须从结构的角度来把握自然现象,第二是指理论必须是逻辑构造型的。

所谓逻辑构造型理论,是指一个科学理论体系内的各种论断不是各自独立的,这些论断可以归为几个最基本的假设和公理,又可据此运用形式逻辑做出一系列推断,这些推断不能互相矛盾。这样,整个理论体系形成了整体有序的结构。

我们知道,为了构成理论与实验之间的循环,科学理论必须对实验有指导和设计的作用,这就需要从结构的角度来把握自然现象。亚里士多德的物理学认为天上物体的运动是完美的,取圆周形态的,地上物体的运动不能与之相比。在这种理论规范之下,力学实验就不能有效地进行。从伽利略到牛顿逐渐明确了无论是天体、苹果、木球,不论它们处于世界的位置多么不同,它们都遵循相同的力学规律。在研究自然界中与力学有关的现象时,我们只要抽取物质的质量、空间位置和速度、加速度等这些变量来构造模型就够了,事物的第二“性质”与力学规律无关。实验室中得到的变量之间关系完全可以运用到天体运行之中。这就是从结构角度把握自然现象。任何实验对象都是复杂的,科学家在实验过程中会碰到数不清的变量,而且正如世界上没有两片树叶是相同的,也没有两个实验是绝对一样的。只有用结构观点把握实验对象,才能在实体具有的丰富众多的质的规定性中把主要变量和次要变量加以区分选择,实验条件的控制和实验的重复才有明确的标准。

同样,实验对理论的鉴别作用越强,理论与实验之间的循环也越有利。这一方面要求理论的各论断必须建立在严密的逻辑推理之上,更重要的是理论必须满足构造性要求。我们举一个著名的例子来说明。亚里士多德物理学中有两个论断,其一是越重的物体下落得越快;其二是,由于有动力因的存在,当轻的物体(下落得慢)和重的物体(下落得快)在一起时,那么落得慢的将阻碍落得快的物体。显然,这是人们从实践经验中归纳出来的两个全称判断。在亚里士多德的体系中,它们独立存在着,在一千年的时间里没有被证伪。而到伽利略时代,科学家则开始把这两个论断之间用某种构造结合起来考察了。即设想把一个重的物体和轻的物体用绳子联在一起,据第一个论断,它们的总重量增加了应该落得更快;据第二个论断,轻的阻碍重的下落,下落速度应在轻重两物单独下落之间。这是一个悖论!那末,其中必有一个错了。这个例子表明,对构造性理论体系,实验的鉴别作用大大加强了。在亚里士多德的理论体系中,日常经验是不能对这些论断证伪的,而在构造性理论体系中却可以。构造性与逻辑性是有关的,但不是一回事。人们常常把这个例子看作理想实验鉴别和逻辑检验。实际上,亚里士多德是精于逻辑的。他只是没有把他的理论搞成构造型体系。构造性自然观最早出现在欧几里得几何学之中。从伽利略开始,科学家才把欧几里得几何中逻辑构造型模式普遍用于建立科学理论,这样,实验对理论的鉴别作用就大大加强了。

特别是在笛卡儿那里,这种构造性自然观被赋予了二元论的形式,加速了构造自然观的传播。笛卡儿在他的名著《指导思想的原则》一书中,明确地把欧几里得几何学的构造方法推广到所有科学理论的建立和鉴别中去。在建立科学理论时,可以先提出假设,由假设推出某些结论,如果结论与实验符合,则假设为真,反之,假设就要修改。这种理论构造和鉴别的基本原则,至今还为科学家们所遵循。

总之,构造性自然观有两个明显的特点:第一、它具有可证伪性;第二、它具有预见性。这两个特点把它与实验紧密结合在一起,先由实验归纳出某些结论,科学家提出理论来解释它们,并预言其他结论,这些结论又可以由实验来鉴别,这样就保证了理论—实验—理论的反复循环。

近代科学技术的循环加速机制对实验的要求是:科学实验必须是受控实验(这里所指的实验是包括观察在内的广义的实验)。

所谓受控实验,是指实验应在严格控制条件下进行,而不是以在不可控的偶然因素起重要作用时的观察或测试结果为据。只要控制条件足够严格,任何人在任何地方用同样的条件和方法做同一实验,实验结果都能以稳定的几率再现。

 实验只有是受控的,才可能在它的基础上建立明晰的构造型理论。我们可以设想,如果伽利略不是用小球在斜面上运动做实验,而是象传闻的那样在比萨斜塔做自由落体实验的话,那末他是不可能得到自由落体运动定律的。因为当时没有足够准确的钟,而自由落体运动太快就测不出它们是否同时着地,再加上不可排除的空气阻力等影响,使得在比萨斜塔上做实验就不是完全受控的。而小球在斜面上运动在当时条件下就是受控的了(小球运动速度可用斜面倾角调节,时间用滴漏来测量)。

实验只有成为受控的,才能被广泛地重复,才能从偶然误差和错误中解放出来,使得理论—实验—理论这一循环有可能在整个社会中进行。中国古代科学家对实验做得很认真,观察也很精确,象磁偏角的发现就是例子。但是受控实验结构一直没有确立起来,这使得很多实验不能重复,甚至和迷信、方术混在一起不能分离。如元代大科学家郭守敬曾试图按照《后汉书》和《隋书》上的记载,做“候气密室”的实验。据载,这种装置每当交节气的时候,与之相应的管子里的灰就会飞散出来。无论郭守敬怎样绞尽脑汁,他仍然不能重复这一实验。显然,古书上的这一实验记载即便不说是无稽之谈,至少也可以说它是非受控实验。

受控实验的第一个条件是尽可能使用仪器来控制实验过程,并用仪器来反映实验过程所涉及的变量与变量之间的关系。只有这样,实验成果才能社会化,特别是转化为技术,加入到与理论、技术的循环加速过程中去。我们简单地回顾一下近代科学各学科建立的顺序,就可以发现,它们是和这些学科引进受控实验特别是系统使用仪器的顺序联系在一起的。无疑,最早和人类生产实践活动紧密相关的实验是测量土地。测量是最简单而最易掌握的受控实验,因此,几何学成为最早建立的自成严密体系的学科。与力学联系的受控实验和仪器则复杂得多了,它主要是在16世纪以后发展起来的。以后,磁学、生理学、化学、电学等等学科的相继确立,都是和相应的与仪器相关的受控实验联系在一起的。自16、17世纪以后,西方对仪器的崇尚,很典型地反映了科学家对受控实验的重视。天平、温度计、气压计、真空泵、望远镜及显微镜等就是在这时相继出现和不断改进的。牛顿被吸收为英国皇家学会会员,最初不是因为他那伟大的理论,而是由于他成功地设计了一台反射望远镜。

受控实验的第二个要求是实验必须和构造性自然观结合,也就是说实验和理论结合,仪器和原理结合。只有这样,科学家才能设计某一特定的受控实验来验证特定的理论,并将其原理用来设计技术设备。而中国古代科学理论和实验之间,这种联系一直没有明确地建立起来。我国古代曾有一些非常杰出的实验。如《淮南万毕术》中有个实验:将沸水倒入很薄的铜瓮之中而不灌满,很快将瓮密封投入井中,大气压力加上水压就会将铜瓮压破,产生爆炸5,这或许是世界上最早的真空实验。但由于没有相应的构造性理论,它是不能向技术转化的。这样中国古代虽有真空实验,但却产生不出制造蒸汽机的设计。到头来只是以水排和风箱为西方制造蒸汽机奠定技术基础。这一现象相当普遍。甚至,我国历史上许多杰出的实验只有一般记述,对实验原理和方法都没有明确的记载。张衡制造的世界上第一台地震仪,无疑是建立在实验基础上的。但因没有留下相应的原理和制作方法,以至于郭守敬这样的实验大师企图仿制都不能成功。这样在古代,它当然不能成为一种普遍运用的技术设备。

受控实验结构的全面建立需要学者传统和工匠传统的结合。因为一般提出理论、完成非实用目的实验是学者的工作,但制造仪器和将仪器转化为技术工具则只有靠工匠来完成。翻开科学史,我们可以发现西方受控实验结构的建立,几乎都是由工匠和学者的结合完成的。工匠出身的工程师达塔格里亚和斯台文研究弹道和自由落体,学者伽利略则综合他们的研究发现自由落体定律。眼镜商汉斯·立帕席发明望远镜,开普勒立即研究其光学机制,再经伽利略改造设计了新的望远镜,接着又立即由工匠们投入生产。匠人罗伯特·诺曼发现磁偏角,学者吉尔伯特则构想出磁针指北的机制,并写出《磁力论》。无疑,工匠传统与学者传统的结合是科学与技术之间循环加速的重要保证。

近代科学技术的循环加速结构对技术的要求是:它必须是一个开放性的技术系统。

所谓开放性,是指技术本身能从掌握技术的个人手中游离出来,从它生产的具体产品(目的物)中游离出来。也就是说,技术不再是某个狭窄、专门行业的技艺了,而成为一种普遍的社会生产力。古代大多数技术都不是这样,技艺和掌握它的匠人不可分离,生产技术和它所生产的具体产品不可分离。这样,不仅科学和技术之间互相循环加速是不可能的,而且一种技术从一个部门转移到另一个部门也极为困难。

开放性技术体系的形成,要有两个前提,第一,要求技术的改进和转移必须具有强大的经济动力,也就是说,有赖于资本主义经济结构的产生和发展。在封建社会中,技术的产物可以是商品,但技术本身却不是商品。技术成为商品只有在资本主义经济结构中才能做到。一方面工匠自身成为雇佣劳动力,他们的技能和人一起转化为商品;另一方面,技术被还原成一般等价物,可以纯粹用它的经济效益来衡量。这样,技术部门之间的狭隘的壁垒被打穿了。第二,技术必须和人类的一般自然观相结合,被赋予某种普遍的观念。构造性自然观和受控实验的确立,使技术具有科学的灵魂,使技术从一般技艺和狭隘分工中相对解放出来,从而可以实现科学和技术之间的转化,实现部门行业间的转移。

我们在图4C中可以看到一个有趣的规律,西方科学理论和实验的加速发展在16、17世纪就开始了。但这一时期,技术水平增长并不明显。技术水平的加速发展是18世纪开始的。为什么?它很明确地反映出开放性技术体系建立的两个前提,第一是16、17世纪资本主义经济结构的形成,第二是合理的科学理论结构和实验结构的建立。循环加速机制首先在科学理论和实验之间发生。当近代科学基本成熟时,技术才能接受一般自然观的支配,科学和技术之间循环加速导致了整个科技水平的起飞。在这两个条件具备之前,开放性技术体系是建立不起来的。

综上所述,我们可以把近代科学技术结构表示如下(图8):即科学理论结构是构造性自然观,实验必须是受控实验,而技术结构则必须是开放性的。这三个子系统相互作用,具有循环加速的机制,整个近代科学技术就是在这样一种结构中加速发展起来的。

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 科学技术是人类有组织地认识和改造自然的活动。在近代科学技术结构形成之前,人类这方面的能力是有限的,发展速度也较缓慢。科学技术系统内部的,即科学、实验、技术三者之间的相互联系和作用,都比较弱。在人类六千年的文明史上,科学技术的循环加速结构只是近四百年来才形成和确立起来的。一旦这种结构确立了,科学理论、实验和技术就组成一个不可分割的整体,也只有这样,循环加速的机制才能发动,才能极大地放大人类认识和改造自然的能力。20世纪后,我们更加看清了这一点。



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