雷良 | 科学发现的本质及其逻辑机制的再发现不管对科学发现进行语义分析

▲雷良，中南大学公共管理学院哲学系副教授、哲学系系主任。主要研究领域为现象学科学哲学、科学思想史，近年开始关注认知科学与心智哲学的研究。（吴国盛摄）

作者雷良（中南大学公共管理学院哲学系副教授、哲学系系主任）

责编许嘉芩刘愈

导读

不管对科学发现进行语义分析，还是对科学发现活动本身进行历史探究，我们都会发现，科学发现除了具有社会、历史和心理上的属性外，它在本质上乃是新假说的产生、选择、修正、接受和解释的逻辑过程，其逻辑机制正是皮尔士与汉森等所倡导的溯因推理。而且，现代认知科学的新成果促进了溯因推理形式的不断完善，人们意识到在新假说产生与选择中背景理论与背景知识的重要作用，创新了溯因推理的推理形式，令人满意地回答了溯因推理何以能够以及如何能够成为科学发现的逻辑的问题。

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正如圣·奥古斯汀反思时间概念时的情形一样，“科学发现”也曾是一个被人们挂在嘴上但其意义却常被遗忘的概念。自休厄尔（W. Whewell）、赫舍尔（J. Herschel）等人切断发现与证明之间的联系以降，席勒（F. C. S. Schiller）区分了“发现的逻辑”与“证明的逻辑”，并从此拉开了否认科学发现的逻辑的序幕，逻辑实证主义者、波普尔主义者以及库恩等老历史主义者推波助澜，将这曲大合唱推向了高潮。他们恪守“发现的范围”（context of discovery）与“辩护的范围”（context of justification）之分，将科学发现归入了社会、历史、心理领域，致使人们无法从本质上认识科学发现，更谈不上去追索科学发现的逻辑机制。

新历史主义者虽然在复活科学发现的研究上功不可没，但是他们没有很好地揭示科学发现的逻辑机制。汉森虽然对发现的多重含义以及科学发现活动本身做了许多独到的分析，并指出科学发现的逻辑机制就是皮尔士所倡导的溯因推理，但是，他并未对溯因推理何以能够以及如何能够成为科学发现的逻辑这一问题作出令人满意的回答；劳丹片面地“将发现相当狭义地理解为‘尤里卡（Eureka）时刻’” 〔1〕。这无疑不利于科学哲学的发展。因此，重新认识科学发现的本质及其逻辑机制，并且回答科学发现的逻辑是何以可能以及如何可能的，是十分必要的。

一、科学发现的本质：新假说的产生、选择与解释的逻辑过程

如果我们既对科学发现的含义作语义分析，又对科学发现活动本身进行历史探究，就会发现，科学发现不仅仅具有社会的、历史的、心理的属性，它在本质上乃是产生、选择、修正、接受与解释新假说的逻辑过程〔2〕。

从语义学上看，命题“史密斯发现X”总是与发现物“X”分不开，其中的“X”可以指：

一个此前既未从理论上预见过也未实际观察到的具体的特殊对象、特殊过程或特殊事件，如赫歇尔意外地发现天王星等；

一种事件类型、实体-类型或者普遍过程，如放射性、宇称不守恒、康普顿效应或者正电子等；

诸如事态、事实、或结论等有确切涵义的东西，即发现某事如此这般，如迈克尔逊发现“以太风”不存在、德布罗意发现“物质波”、劳厄发现X射线穿过水晶时会产生衍射等；

（3）在既有理论框架内对一种新现象所做出的解释，如密立根毫不怀疑地将所看到的电子云雾室的“正电子”（实际上是由狄拉克与安德森发现的）的轨迹（如图1）看作是质子的轨迹，并将这一发现及其解释发表；伽利略将他通过望远镜所看到土星外表的环形物（如图2）看作如杯子的手柄之类的东西（事实上是土星的圆环）。密立根与伽利略在各自的既有理论框架下对所看到的新现象做出了符合其理论背景的解释，正是在这个意义上，我们可以称密立根和伽利略为“正电子”和土星圆环的发现者。

可见，科学发现不仅仅指发现物“X”本身，而且包括了关于“X”的解释性假说。如果我们对科学发现活动进行具体的历史分析，这一点就会更加明晰。

汉森曾令人信服地证明，大多数的科学发现，都不是那些天才科学家的偶然神来之笔，而是有目的有计划的艰苦探究和敏锐的逻辑推演的产物。正电子的发现就是一个很好的例证：

据狄拉克回忆，他在1926—1927年间的一次卡文迪许实验室讲座上听到了俄罗斯物理学家斯科贝利钦（Skobeltzyn）教授关于一种具有“正电子”属性的反常粒子的描述。

1927年，德文版《当代物理学读本》（Zeitschrift für Physik）刊载了这种类型的粒子的轨迹的照片（如图3）。

1928-1931年间，狄拉克为了使其电子方程更具普遍性和完善性，一直致力于消除该方程的“负能量”（－W）解，但是在经过一系列失败之后，他不得不承认“负能量”的存在，并预言了正电子的存在。

1931年，密立根在研究宇宙射线的时候拍摄到与质子类似的粒子的奇特双轨迹（如图1）。他将这种粒子解释为质子，并发表了有关的研究报告。

1932年，在密立根的指导下研究宇宙射线的安德森，也拍摄到了类似粒子的轨迹（如图4），并认为该种粒子就是正电子。

尽管无论是在理论上还是在实验上，包括卢瑟福、玻尔等在内的物理学家们都不认同安德森的结论，但是，安德森用严密的逻辑证明了这种轨迹的粒子就是正电子：这种轨迹曲线的长度是质子轨迹曲线长度的10倍；基于概率的考虑，它不可能由两个相互独立的电子恰好在同一时刻碰巧产生；此外，也不存在一个2000万伏特的电子从一端进入导线而从另一端出来却带上了6000万伏特的电压的现象。因此，只有正电子假说，才能解释所有这些照片〔3〕。

根据上述分析，我们可以看出科学发现的一些本质特征：

首先，人们往往无法确认某一科学发现是某一个人在某一时间和某一地点所作出的。换句话说，科学发现不是单一的事件，而是一个复杂的过程。

其次，新现象或新问题是做出科学发现的催化剂。赫歇尔为绘制详细的天体图而观察星空时看到了一颗新星；“以太漂移”实验的零结果；狄拉克始终无法消除其电子方程中的“负能量”（－W）解；密立根拍摄到异常粒子的轨迹等等，都是新的发现的必要条件。

再次，经历新现象或遭遇到新问题之后，发现者们或者在既有理论背景之下、或者突破原有理论框架，试图提出新的假说来解释新现象或解决新问题。而且，可供发现者们解释新现象或解决新问题的假说可能不止一个，并且也不是最终真理。发现者需要在不同假说之间进行选择、修正，然后再接受一个最合理的假说，并对它进行解释。

二、溯因推理：科学发现的逻辑

皮尔士发现，人们为了解释所经验到的惊异之事，常常建构新的假说。这种从后件（惊异之事）推出前件（对惊异之事的解释）的推理就是溯因推理。用现代数理逻辑符号可将它表示为：（b^(a→b)）→a 。它就是科学发现的逻辑机制。

为了论证溯因推理何以可能以及如何可能具有科学发现功能，皮尔士将其与演绎推理和归纳推理进行了比较，并对溯因推理的基本形式进行了分类和扩展（如表格1）〔4〕，藉此论证它具有产生新假说和选择新假说的功能。演绎推理的结论已经包括在其前提之中，而归纳推理需要人们穷尽所有可能的经验事实才能推出规则性的结论，因此，它们都无法给结论增加任何新的观念。但是，与演绎和归纳相反，溯因推理从后件推出前件，其要义在于它能够给结论增加新观念。它不仅使“科学家能够建构一种新的解释性假说来解释所发现的事实”，〔5〕而且，根据形式2中的第二个前提可知，溯因推理过程中存在假说的检验过程，因此，它还是“一个选择一种假说的过程” 〔6〕。

演绎推理

溯因推理：形式1

规则：所有出自这个袋子的豆子都是白色的；

案例：这些豆子出自这个袋子；

结果：这些豆子是白色的。

规则：所有出自这个袋子的豆子都是白色的；

结果：这些豆子是白色的；

案例：这些豆子出自这个袋子。

归纳推理

溯因推理：形式2

案例：这些豆子出自这个袋子；

结果：这些豆子是白色的；

规则：所有出自这个袋子的豆子都是白色的。

观察到惊奇之事C；

但是如果A为真，C就是必然的；

因此有理由猜测A为真。

▲表格1 皮尔士对逻辑推理形式的分类（根据皮尔士的有关论述整理）

此外，皮尔士认为，在假说产生与假说选择之间可能存在关联性的一致。 “不管是简单的怀疑还是具有一定的可信度，假说的最初产生与接受乃是一个我打算称之为溯因推理的推理步骤。在通过证明接受它们之后，这会包括一种对任何某个假说而不是对其他能够同样解释事实的众多假说的偏好，只要这种偏好既不以任何有关这些假说之真值的先行知识为基础，也不以这些假说的任何检验为基础。我用一个特殊的名字即溯因推理来命名所有的此类推理。……” 〔7〕

可见，溯因推理具有产生新假说和选择假说两大功能，理所当然地成为科学发现的逻辑机制。

汉森的论证策略与皮尔士的大同小异。首先，无论是假说的产生还是假说的确立都是一个逻辑的过程。“如果假说H通过其预言而被确立具有逻辑可言，那么，导致假说H之最初提出的论证也是逻辑的”。〔8〕

其次，一方面，演绎推理和归纳推理囿于自身的局限性（如皮尔士所述），不可能产生新的假说，更不能成为科学发现的逻辑。因为，“自然科学家并不从假说出发，他们从材料开始。并且甚至不会从日常的共同材料——而是从惊异的反常开始。……在一个定律固定于假说-演绎系统中之前，原创的科学思想就结束了” 〔9〕。假设-演绎（H-D）解释只能用于分析一个业已完成的研究报告所作的论证。另一方面，在假说的形成、选择、解释中，传统的假说—演绎解释与归纳的观点都无法正确说明定律与材料的关系。“假说-演绎解释都认定物理定律解释材料。但是，它们低估了材料和定律之间的初始联系。……归纳的观点正确地说明了定律通过推理从材料那里得到。它错误地主张定律仅仅是对材料的概括，而不是对材料的解释”。〔10〕因此，科学发现的逻辑只能是回溯推理（Retroductive reasoning，即溯因推理）〔11〕。为进一步展示科学发现的逻辑机制，经过多年研究，汉森提出了“发现情形的逻辑地理学”（如图5所示）〔12〕。

在汉森的图示中，顶端的H指假说；A表示辅助假说，它们通常指未表达出来的概念条件或默认边界条件（例如牛顿经典力学中，假设了在测量宇宙时间和距离时，测量杆和时钟的不变性，因此，包括光速在内的所有物理速度都可以用经典的矢量加减法来计算），由于它们仅仅是微妙的理论承诺，毋需言传而能意会；初始条件i为假说H提供推理所必需的材料，使假说所要解决的问题得以推进，如一个行星或一个铀块的可观察或可测量属性A、B、C等；L（定律）所提供的规则引领推理而得出类似公理（theorem-like）的理论t；我们还需要对对定律的解释I，并借此将一种算法融入主题之中，由此将象征意义上的算法转换成物理理论。但发现并不到此为止，由于我们没有真正详细地将所得到的理论与一个主题联系起来，这些理论t还只是类似公理的结论，它们仅仅是一些计算符号和在算术计算中与高阶前提和原理联结起来的形式公理。只有将并列定义c引入其中并利用对应规则C，这些理论才能明确地与特定的可观察的东西联结起来（例如欧几里德理论中的“直线”可以被理解成天体光学中的“光线”。）对应规则使形式公理与一组关于给定主题的或对或错的观察陈述o联结起来，最后，借助于观察或测量技术，我们可以确定这些观察陈述o的真假，并进而确定理论t和假说H的真假。

汉森的工作，引领人们将考察的触角深入到科学活动的整个领域之中，开创了研究科学发现的逻辑的新局面。在此基础上，西蒙甚至提出了科学发现的逻辑过程其实就是“以经济形式对许多组经验数据重新编码的过程” 〔13〕，并提出了一套逻辑算法来模拟历史上的科学发现，取得了一定的成功。

但是，由于汉森等人的理论视角过度局限于溯因推理的逻辑形式上，未能提出明确的发现模式，招致了诸多批评。阿钦斯坦（P. Archinstein）与哈曼（G. Harman）等人认为他忽视了“理论的背景，这常常是科学研究开始所必需的，这些理论背景至少可为向定律的推理提供部分根据，在某些情况下要完全依靠它进行推理”。〔14〕

事实上，阿钦斯坦等人的批评有欠公允。汉森虽然没有明确将背景知识与背景理论纳入溯因推理的形式之中，但是，在他所提出的“发现情形的逻辑地理学”中，也已暗示了辅助假说A1，A2等背景理论的作用。不过，尽管如此，对溯因推理如何可能成为科学发现的逻辑机制这个问题，汉森等人的回答仍然是含糊的。

三、溯因推理如何能够成为科学发现的逻辑机制：推理形式的完善

现代认知科学的研究表明，在包括学习、问题求解与创造力在内的几乎所有类型的高级认知活动中，背景知识和语境都起着重要作用。研究表明，在演绎推理的运演中，关于世界的知识可以影响心理模型的构建〔15〕。基于心理模型和语义学，约翰逊—赖德（P. N. Johnson-Laird）论证了前提的心理表达决定了演绎推理的成功〔16〕。一如演绎推理，归纳推理也依赖于背景知识和语境。霍兰与萨加德（Holland ＆ Thagard）等人认为，“归纳推理是由关于各级对象与事件的可变性的背景知识来引导的” 〔17〕。基于此，人们自然就会想到如下问题：

背景知识是否同样会对溯因推理产生影响？

如果回答是肯定的，那么背景知识的作用是什么？

背景知识如何在溯因推理中发挥作用？

沃什（Wirth）是较早注意到背景理论对溯因推理具有重要影响的人。他认为，“由于一个预期的不连贯性或一种信念的矛盾性，前件A可能得出结论C的假定只是一种猜测而已。因此，我主张应该通过将“B”引进到皮尔士的理论中来表征这些背景假设”。〔18〕

其实，皮尔士本人已经不自觉地触及到了这个问题。在他看来，研究惊异之事是建构新假说的必要过程，在这个过程中，关于语境等背景知识的信息就很可能会从对惊异之事所从发生的情形的研究中展现出来〔19〕。因此，通过综合或融合背景理论和惊异之事这两种前提，一个推理者完全有可能建构一个新的假说。

因此，卡宁汉姆与金（Cunningham, D. J., ＆Kim, J.）发展了溯因推理的形式（如表2所示），阐明了背景知识与先行理论等在溯因推理中的作用〔20〕：

溯因推理：形式3

溯因推理：形式4：

背景理论B；

观察到惊异之事C；

但如A为真，C就是必然的

（背景理论B）

观察到惊异之事C；

A0 与综合的事实；

但如A为真，C就是必然的

▲表2 卡宁汉姆、金改进的溯因推理形式

根据表2可以推知，背景理论与背景知识在溯因推理过程中所起的作用表现在两个方面：（1）为新假说的产生提供适当材料；（2）为假说的选择提供检验与修正的途径。

形式3可被看作皮尔士的形式1的扩展，它表明，作为溯因推理的前提之一，背景知识能够为新假说的产生提供必要的根据。关于临床推理的研究证实了这种形式的溯因推理。当专业的临床医师根据有限的资料诊断病人的病情时，那些拥有较多背景知识者会比缺乏背景知识的人取得更大成功，因此，诺曼等人认为，“诊断假说的精确性与专家的医术（expertise）有关” 〔21〕，这里的“医术”当然包括医师的技能与经验等背景知识。此外，科学史的研究表明，相当多的科学发现都是借助于背景理论所提供的材料或根据才得以实现的。海王星的发现是一个典型的例证。此外，脉冲星也是在天文学背景内才能发现的，因为人们单凭银狐星座的某处规则性地重复发射的无线电信号，是无法发现脉冲星的。

形式4则可被看作对皮尔士的形式2的拓展与完善，它既能说明假说选择过程中背景知识的作用，又能合理地说明假说产生与假说选择之间的关系。

如前所述，皮尔士的形式2已经暗示溯因推理包括假说的检验与选择的过程。而且，在皮尔士看来，假说的产生与选择之间可能存在着关联性的一致，或者说两个过程是相互结合的。他认为，科学知识是一个演化的过程，在这个过程中，特定的心理倾向如偏好、吸引力等发挥了重要的、甚至是决定性的作用。他论证说，“思想的发展是特定心理倾向的接受，既不完全是不经意的接受，如在偶然事故（tychasm）中那样；也并非完全盲目地是由于单纯环境或逻辑的强制力，如在强迫状态（anancasm）中那样，而是由于对观念本身的直接吸引力。” 〔22〕也就是说，吸引力引领着人们偏好一个特定观念或多个观念。对一个特定假说的偏爱实质上就是选择假说。可见，假说产生内在地要求一个假说选择过程，这一思想也暗示了假说产生与假说选择的结合方式。

卡宁汉姆与金（Cunningham, D. J., ＆Kim, J.）发展出来的第四种形式正是基于皮尔士的科学知识演化理论而提出来的，它允许人们将假说产生与假说选择的过程结合起来。这种结合过程是一个在来自语境的综合事实（the colligated facts，即与惊异之事C相关的各种事实或因素）的基础上修正初始假说A0的过程。虽然初始假说A0可能没有正确解释惊异之事，但如果它是部分成功的，科学家们就可以通过改变原初假说来建构一个更为正确的假说。也就是说，一个科学家可以认识到旧假说的某些局限或者“部分成功”，并利用它们产生新的假说。可见，假说的产生与选择是可以合为一体的。既然这样，假说选择就成为产生最佳假说的方针或指南。正是在这个意义上，皮尔士认为假说的修改或修正也是一种溯因推理的过程。

我们看到，形式4将背景理论留作隐含前提，并加入一个初始假说A0与综合事实一起作为前提。一个初始假说或者来自于对惊异之事C的明察与知觉判断，或者是形式3的推理结论，但是，对惊异之事的明察可能是形成初始假说的主要原因。根据皮尔士的观点，在建构新假说之前，科学家必须专注于一定量的工作，为产生一种能够正确解释惊异之事C的假说，某些与C相关的事实“必须综合进来”，即，科学家需要综合并明察那些理应察知的因素或原因。在溯因性的临床诊断推理中，察觉病人的“困难”“必须先于解释性假说的建构”，因此，如果具有同样症状的病人处在不同的背景或语境中，那么，临床医生们对该病人的病情所作的诊断却会有所不同的〔23〕。此外，在上述关于正电子的发现的案例中，面对自己所拍下的粒子轨迹的照片，安德森教授既将这类粒子的轨迹长度与质子轨迹的长度进行了对比，从而否定了密立根的“质子假说”，又根据有关的电子理论和概率的理论，排除了电子形成这类轨迹的可能，……最后确定这种粒子就是正电子。其中的质子理论、电子理论、概率理论等其他理论都是背景理论，“质子假说”、“电子假说”等都可以看成是关于“正电子”的初始假说而被最终排除。因此，正电子假说的最终产生，经过了初始假说选择、修正、接受等过程。

显然，形式4允许推理者从一系列包括诸如背景知识、惊异之事和先行假说及综合的事实等的前提中提出新的假说（或解释）。产生新假说就是这样一个过程：通过融合背景知识与惊异之事提出和（或者）通过修正先行假说的方式提出解释惊异之事的新假说（即溯因推理的前件）。

可见，现代认知科学的新成果促进了溯因推理形式的不断完善，从而令人满意地回答了其如何可能成为科学发现的逻辑的问题。

总之，如果说科学是人类文化长河的干流，那么，科学发现就是其中的一朵朵绚丽的浪花。随着人类文化长河不断向前延伸与发展，探索科学发现的航程也会不断地从一个起点迈向另一个新起点。正如科学发现本身是一个动态的逻辑过程一样，对科学发现的本质及其逻辑机制的研究也会是一个不断前行的动态过程，它将用自己的辉煌成就为人类文化增添新的光彩。

（本文受到中山大学哲学系张志林教授、李平教授的启发，在此致谢。）

参考文献

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〔2〕〔12〕参见Hanson, N. R. An Anatomy of Discovery [J].The Journal of Philosophy, Vol. 64, No. 11. (Jun. 8, 1967).

〔3〕 Hanson, N. R. Discovering Positron(I) [J].The British Journal for the Philosophy of Science, Vol. 12, No. 47 (Nov., 1961).199.

〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔19〕〔22〕Peirce, C. S. Collected Papers of Charles Sanders Peirce（Vol.2,Vol.5, Vol.7,Vol.6,Vol.5,Vol.6[C].Cambridge,MA:Harvard University Press, 1931-1958,623,171,219,525, 145,307.

〔8〕〔9〕〔10〕〔11〕Hanson, N. R. The Logic of Discovery[J].The Journal of Philosophy. Vol.55, No. 25. (Dec. 4, 1958).1083,1081, 1081-1083,1086-1087,

〔13〕Simon, H. A. Models of Discovery [M]. Dordrecht: Reidel Publishing Corporation, 1977.331.

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〔21〕Norman, G. R.ed. al. Cognitive Difference in Clinical Reasoning to Postgraduate Training[J]. Teaching and Learning in Medicine, 1994 (6).115.

〔23〕Ward, T. and Haig, B. Abductive Reasoning and Clinical Assessment[J].Australian Psychologist, 1997(32).