淺論西方現代科學（實證科學）的認識方法的局限性

西方現代科學（實證科學）是根據觀測到的現象提出相應假說，再用觀測到的現象檢驗假說，最終建立科學理論這樣一種科學。自文藝復興以來的西方近現代科學的絕大多數突破，都是採用這樣一種認識方法。

概括而言，實證科學的特徵是，它只承認可以觀測到的現象具有科學探索的意義，所以它是依據於感官或感官的延伸――科學儀器所觀測到的現象，提出關於這些現象的假說，然後再用觀測到的另外一些現象去檢驗這個假說，以確定假說的真假程度，從而接受或否定（或部分接受部分否定）假說 ，這是實證科學探索的第一輪。隨後，由於觀測到新的現象，於是改善原有假說或提出新的假說，又開始新一輪的檢驗假說的過程，這樣一輪一輪地進行下去。這就是實證科學所走的道路。

從這個角度來看，實證科學有這麼兩個主要特徵：

1、實證科學認為只有可觀測到的現象才有科學探索的意義，只有通過可觀測到的現象才能認識事物的規律。

提出「日心地動說」的哥白尼（Nicolas Copericus，1473――1543）有句名言：「現象引導天文學家。」提出萬有引力假說的牛頓( I. Newton，1643――1727)首先提出3條「哲學中的推理規則」，其中2條是：1、尋求自然事物的原因，不得超出真實和足以解釋其現象者。2、因此對於相同的自然現象，必須儘可能地尋求相同的原因。然後牛頓提出了萬有引力假說；接著，他寫道：「迄此為止我們還沒有找出這種作用的原因。」對引力產生的原因和本質問題，從1684年底直至去世，在長達40餘年間，牛頓一再表示他不知道，而且多次強調他「不做假說。」在《自然哲學的數學原理》第一版序言中，他寫道：「……這些力是不了解的，哲學家們迄今企圖探索自然者是徒勞的……」在致本特利的一封信中，他說：「您有時談到引力是物質的基本和固有屬性。求求您，別說這是我的看法；因為我並不想裝作知道什麼是重力的原因，而是想用更多的時間去思考它。」在某些方面1713年他寫道：「我尚未揭示重力的原因，也未約定去說明它，因為我不能從現象來了解它」，「也不可能從現象了解這個定律的原因」；「我迄今為止還無能為力於從現象中找出引力的這些特性的原因，我也不構造假說……對於我們來說，能知道引力的確實存在著，並按我們所解釋的規律起作用，並能有效地說明天體和海洋的一切運動，即已足夠了。」在1717年他寫道：「從那些明顯的質得出的一切粒子性質和作用，在哲學上是一大進步，雖然這些原理的原因尚未被發現；所以我毫不遲疑地提出上述運動原理，它們的範圍是很廣泛的，並且我將其原因留給人們去發現。」牛頓的這種不深究引力根本原因的做法受到惠更斯和萊布尼茲的責難。

拉瓦錫（A.L.Lavoisier）在創立氧化假說的全過程中，始終恪守一個公式：永遠只從已知進到未知，永遠只從觀察到的原因歸納出特定的結果。他說：「我只講事實。」他的科學座右銘是：「不靠猜想，而是根據事實。」。「我們在任何情況下，都應該使我們的推理受到實驗的檢驗，除了通過實驗和觀察的自然道路去尋求真理之外，別無他路。」

門捷列夫（D.Mendeleev,1834――1907）提出了元素周期律假說，但他承認不知道元素周期律的原因何在。他說：「就像不知道萬有引力的原因還是可以利用萬有引力一樣，化學上發現的那些定律，儘管還沒有求得解釋，也可以用來達到化學上的目的。」

達爾文（Charles Robert Darwin，1809――1882）在提出和論證生物進化論時主要是依據於大量觀察到的現象，而他也坦言自己對於變異的機制和遺傳的機理無法給予合理的解釋，他說：「遺傳的法則是不可思議的，這是未來科學的事情。」「誰能夠解釋什麼是引力的本質呢？現在沒有人會反對遵循引力這個未知因素所得出的結果；儘管萊布尼茲以前曾經責難牛頓。」

現代量子力學同樣主張，可觀察量是建立理論的基礎和依據；人們無法直接觀察到原子、電子、光子的行為，而只能在人工安排的特殊條件下對微觀客體的行為和特性作出實驗觀測，從而得出各種觀測結果之間關係的規律。

總之，實證科學只承認觀測到的現象對科學研究才有意義，無論是提出假說還是檢驗假說，都只是根據觀測到的現象。科學理論表述的就是這些觀測到的現象之間關係的規律；在觀測到的現象之外的任何因素，例如形上學的「原因」、「本質」等對實證科學是沒有意義的，因為人們觀測不到它們。

2、實證科學處處藉助於「假說」來描述所觀測到的現象之間關係的規律。

縱觀科學的歷史，在科學的各個領域，都曾出現過影響較大的假說。例如，物理學中關於熱的本質的「熱質說」和「熱之唯動說」，關於光的本質的「微粒說」和「波動說」，關於空間傳播介質的「以太說」，關於原子結構的「均勻式模型」、「行星式模型」和「量子化模型」；化學中關於燃燒本質的「燃素說」和「氧化說」，關於元素之間聯繫的「三元素族」、「八音律表」和「元素周期律」；生物學中關於生命胚胎髮育的「精原說」、「卵原說」、「預成論」和「漸成論」，關於微生物產生的「自生說」和「種生說」，關於生物物種的「不變論」和「進化論」，關於生物遺傳的「基因論」和「獲得性遺傳說」；地學中關於地質變化的「災變論」和「漸變論」，關於地殼形成的「固定論」和「大陸漂移說」、「海底擴張說」和「板塊構造說」，關於地表岩石成因的「水成論」和「火成論」；天文學中關於天體起源的「星雲說」、「大爆炸宇宙論」，關於天體運行的「地心說」和「日心說」；數學中的各種猜想也都具有假說的性質。

總之，因為實證科學只承認所觀測到的現象是科學認識的基點，認為只有通過這些現象才能認識到事物的規律，所以不可避免地要處處藉助於假說，也就是「推測性說明」。實證科學的道路是：（觀測到的）現象 （關於這些現象之間相互關係的規律的）假說（觀測到的）現象。

實證科學的方法是最有效的嗎？換言之，有沒有別的科學探索的方法，也一樣可以達到實證科學的對世界的認識水平，甚至超過實證科學的認識水平呢？

要回答這個問題，可以通過以下一組問題來進行思考：

1、觀測到的現象對認識真理是必不可少的嗎？
2、觀測到的現象對認識真理是最有幫助的嗎？
3、觀測到的現象對認識真理是足夠的嗎？
4、觀測到的現象會不會妨礙人們認識真理？
5、假說是怎麼產生的？假說的產生與觀測到的現象有什麼關係？

為了回答這5個問題，我們可以先來看一看西方現代科學中幾個相當尖端的科學成就：集合論與非歐幾何，量子力學與相對論。

我們首先來看一看現代數學研究中「集合論」與「非歐幾何」的發展過程。

康托爾（G. Cantor，1845――1918）建立的集合論揭開了無限集合的神秘面紗，為整個數學大廈奠定了理論基礎，為各數學分支學科提供了共同性語言，成為數學的統一性理論。但是，在集合論剛開始提出之時，康托爾卻受到同代人最嚴厲的審查和批判，尤其是他的老師克隆尼克反對得最為激烈。克隆尼克認為：數學的對像必須是可構造出來的，不可用有限步驟構造出來的都是可疑的，不應作為數學的對像，例如無理數和連續函數，它們是不可構造的，因而是不存在的。就連著名的數學家、物理學家彭加勒（J. Poincare,1854――1912）也稱集合論為「病態數學」。往前追溯，亞裡士多德、伽利略、洛克、斯賓諾莎和高斯等著名人物也都反對把無限集合當成科學的研究對像。

介是現代著名數學家希爾伯特（D. Hitbert,1862――1943）堅決地支持康托爾，他說：「數學的本質在於它的自由性」，他稱集合論為「數學天才最優秀的作品」，「是人類純粹智力活動的最高成就之一」、「是這個時代所能誇耀的最巨大的工作」。他堅決地反對數學中的直覺主義派為了避免悖論而要砍掉數學的大部分內容的做法，從而支持了集合論，捍衛了數學。

康托爾的集合論是數學中最具有革命性的理論，它所受到的攻擊實質上是實證科學對它的攻擊，因為它與實證科學所走的探索道路是根本不同的。正如美國現代數學史家M・克萊因所說：「集合論需要嚴格地運用純理性的論證，需要肯定勢愈來愈高的無限集合的存在，這都不是人的直觀所能掌握的。這些思想遠比前人曾經引進過的想法更革命化，它不遭到反對那倒是一個奇蹟。」

「非歐幾何」的創立也完全是人類思維活動的結果。在19世紀之前，人們一直認為歐氏幾何是描述現實空間幾何性質唯一可靠的幾何學，因為它的命題無一不與人們的經驗認識相符合。它藉助一組公理和公設，通過邏輯演繹，建立起整個理論王國；而這些公理和公設也無一不與人們直觀經驗相符合。儘管歐氏幾何中除了公理和公設之外的所有命題都是由純粹思維活動所得到的，但畢竟這些公理和公設可以說是來源於人們對現象世界的直觀觀察，所以說歐氏幾何從根本上講還是從「觀測到的現象」而得到的，這是可以成立的。但「非歐幾何」就不是從觀測到的現象得到的，而是在人們試圖證明歐氏幾何的「第五公設」（過平面上直線外一點，有且只有一條直線與已知直線不相交）的思維活動中產生的。

18世紀，義大利的薩開裡在求證「第五公設」時得到40多個「離奇古怪」的命題，他認為這些命題「不合情理」而否定了它們，並自以為證明了「第五公設」。瑞士的蘭伯特也遇到與薩開裡相同的情況，但他認為在沒導致邏輯矛盾之前不應取消這些「離奇古怪」的命題；他還認為任何一組假設如果不導致矛盾的話，就可提供一種邏輯上可能的幾何，不管它的命題顯得是如何的反常。

19世紀初德國的什外卡爾特也是得到許多有關新幾何的命題，並寫了一篇札記《星空幾何》寄給「歐洲數學之王」高斯。他認為除通常的歐幾裡得幾何外，還存在另一種幾何，在這種幾何中三角形的內角各小於兩直角；而這種幾何有可能在星際空間成立。他的侄子塔烏裡努斯接著研究星空幾何，並繼續徵詢高斯的意見。高斯最初把這種新幾何稱為反歐幾何，後稱星空幾何，最後稱非歐幾何。但高斯動搖、徘徊了25年之久，直到1817年才牢固樹立起堅定信念。他不肯在生前公開發表自己的新幾何思想，只是以日記的形式留給後人去發掘，因為他怕會引起「馬蜂在頭上飛舞」和「愚人的喊叫」。

匈牙利的亞・鮑耶把新幾何稱為「絕對幾何」，並寫成論文《絕對空間的科學》，1823年11月3日他寫信告訴父親：「我已從烏有創造了另一人個新奇的世界」。

非歐幾何的創立，就發表成果時間之早，論述的完整、深入、內容的全面、豐富，以及捍衛新幾何之堅決、徹底，要算是俄國的羅巴切夫斯基。他把這種新幾何叫作「想像幾何」（或泛幾何），它是「巨大尺度形成的幾何」，即適合於大宇宙空間範圍，也適合於微觀領域的幾何。他說：「在觀測不足的情況下，應當憑理智設想，想像幾何適用於被觀測到的世界之外以及分子引力範圍之內」。他認為「普通幾何作為一種特殊情況包含在想像幾何之中。」他的幾何創新思想與傳統幾何和空間觀念背道而馳，因而沒能得到同時代人的接受和承認，反而長期遭到嘲弄和打擊。

1868年，義大利數學家貝爾特拉米（E. Beltrami，1835――1900）發表《非歐幾何解釋的嘗試》，指出羅巴切夫斯基的非歐幾何可以在恆定負曲率的曲面，例如擬球曲面上實現，即非歐幾何的命題可以「翻譯」成歐氏空間曲面上的命題；非歐幾何終於得到承認。後來，德國數學家黎曼創立了另一種非歐幾何――黎曼幾何，並把它與歐氏幾何、羅巴切夫斯基幾何統一起來。愛因斯坦的廣義相對論認為可以用空間結構的幾何性質來表述引力和物質分布的狀態，而在大尺度宇宙空間或強引力場條件下，空間的幾何特性不是歐氏幾何的，而是非歐幾何；在這裡，光不是沿著通常人們所說的「直線」傳播而是沿著「曲線」傳播的。

非歐幾何的一個顯著特徵，是它的命題具有反賞性，即不僅與歐氏幾何的原理相衝突，而且與人們的經驗認識及平直空間觀念相背離，它的命題遠遠超越了人們的感性直觀和經驗認識，甚至與人們的感性直觀相背離。所以非歐幾何的命題不可能通過人產的實踐活動由外部世界所直接提供，而只能藉助于思維的力量，從解決數學體系內部的矛盾中來獲得。這就表明，當數學發展到一定階段時，它就以相對獨立發展，可以不受經驗認識的約束。

我們再來看一看現代量子力學的「正統」解釋。海森伯的「測不準關係」和玻爾的「互補原理」構成了量子學哥本哈根學派詮釋的兩根主要支柱，現在已為世界科學家們普遍接受，被人們稱為量子力學的「正統」解釋。其要點是：

1、可觀察量是建立理論的基礎和依據。人們無法直接觀察到原子、電子、光子的行為，而只能在人工安排的特殊條件下對微觀客體的行為和特性作出實驗觀測，從而得出各種觀測結果之間關係的規律。但是在人們用特意安排的實驗儀器觀察微觀客體時，就不可避免地要產生干擾，因而可觀察量表現出的正是實驗環境中的客體的行為和性質。這使量子現象具有主體與客體的不可分性，人們觀察到的並不是微觀客體本身的行為，面是從宏觀儀器上呈現出來的實驗觀測結果推斷出來的結論。這在邏輯上就無法排除人們的主觀成分，因此在量子理論中，既包含著客觀要素，也包含著主觀要素。

2、量子躍遷是量子力學的最基本概念，它賦予微觀客體過程一個實質性的不連續性，這種不連續性構成了人們對微觀客體認識的極限。在量子力學中，人們無法同時準確地知道一個微觀粒子的位置和動量，遵循「測不準關係」，其他「共軛」。變量也一樣，因為原則上所能達到的精確度受到了作用量子的限制。

3、描述微觀客體的波函數是一種幾率波，粒子出出的幾率由波幅的平方所決定。由此，在微觀領域裡，力學的因果律和決定論都遭到了破壞。根據量子力學理論，在同樣的實驗條件下，可以發生各種不能預期的個體量子過程，因而觀測的結果也可能是各種各樣的。每次測量都會由於觀測儀器與微觀客體之間可控制的相互作用而引進新的初始條件，使通常意義下的因果鏈被打斷。所以在量子力學中，人們必須放棄力學意義上的因果律和決定論，而把幾率性看成是本質的。

4、從實驗中所觀測到的微觀現象，只能用通常的經典語言作描述。微觀客體的「波粒二象性」，即它的波動性和粒子性，正是用經典語言描述微觀客體的結果。這兩種圖像既互相排斥，又必須同時用於對微觀客體的統一性質的描述，所以它們又是互補的。這種互補的概念適用於整個物理學，甚至成為具有普遍意義的一個哲學原理。

量子力學的這個正統解釋表明：對於微觀領域，依據「觀測到的量」建立起來的科學「規律」是有嚴重局限的。首先，「觀測到的量」是如此脆弱：1、它避免不了主觀干擾；2、「共軛」變量服從「測不準關係」，只能精確地知道二者中之一者；3、它不是微觀客體行為的直接表現，而是在人為設計的實實驗驗環境中的間接表現；4、它只能用相互排斥又「相互補充」的經典語言描述，不能用統一語言去描述。依照如此脆弱的「觀測到的量」去建立理論，其結論也必然是受局限的：1、它放棄對因果律和決定論的探求，而把幾率性看成是本質的；2、它給人類認識微觀客體設置了一個極限；3、它用「互補原理」掩飾其理論內部的矛盾性，並認為這是一個具有普遍意義的哲學原理，截住了人類探求更高的統一性的嚮往。

量子力學自稱是「完備」的理論，實質上是一種「自我滿足」的理論，誠然，如果按照實證科學的道路，無論是「觀測到的量」本身的脆弱性還是結論的局限性，都是必然出現的，但這只是在實證科學內部是如此。如果不按照實證科學的道路，比如避開（或至少不是如此倚重於）「觀測到的現象」，走另外的科學探索道路，那麼量子力學的局限性就可能得到超越，就可能恢復客觀世界的因果律；那麼量子力學就可能不再是「完備」的了。愛因斯坦曾為了證實量子力學不夠「完備」而付出了極大的努力，今天，這一問題仍是我們面臨的難題――只要是不接受量子力學給人類認識所劃定的極限，就必須努力去尋求出路。筆者認為，出路應在實證科學之外去尋找。

在前面我們已經看到了集合論和非歐幾何是如何撇開經驗現象而直接憑藉思維的力量去洞見真理的，現在我們再來看一看愛因斯坦的相對論。相對論的創立方法與非歐幾何非常相似，儘管愛因斯坦藉助「以太漂移」實驗的「零結果」建立他的第一個公設――相對性公設，但第二個公設「光速不變公設」則與經驗現象關係不大。從根本上說，愛因斯坦並沒有完全肯定「相對論」和「光速不變」，而是把它們當作假設，這與非歐幾何由一個公設開始，憑藉思給演繹推演出整個理論體系的方法是完全一致的。相對論所得出的「命題」，如時間膨脹、長度收縮、質量隨速度而增大、質能相關等，都遠離人們的經驗認識，這一點與非歐幾何是何等的相似！廣義相對論直接借用黎曼幾何，相對論與非歐幾何合為一體。另外，相對論和非歐幾何一樣，由於遠離人們的直觀經驗，因此長期很難被人們理解和認同。

愛因斯坦曾說：「在原則上，試圖單靠可觀察量來建立理論，那是完全錯誤的」。他信仰「唯理論」，批評實證論，認為實證論在原則上就是「存在就是被感知」，最終陷入「唯我論」裡面去。儘管他受到馬赫的很大啟發，尤其是馬赫對牛頓絕對時空觀的批判使他深深受益，但他並不同意馬赫的實證主義態度。他說馬赫的理論只能消除有害的東西，卻不能建立任何新的東西。馬赫認為，在自然科學中能被感知的表象是不具意義的，也是沒有根據的，只有觀察到的量，才應納入自然科學的研究之中。而愛因斯坦認為，「適用於科學幼年時代的以歸納為主的方法，正在讓位給探索性的演繹法」，他的方法是「假說――演繹方法」，即運用直覺，提出普遍性假說，然後再演繹出整個體系，「從儘可能少的假說或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括儘可能多的經驗事實」。他還批評哥本哈根學派「拋棄了理性」。

1905年，愛因斯坦在《物理學年鑑》上提出狹義相對論假說，其中，他推導出一個電子橫向質量公式，它與考夫曼1902年、1903年發表的實驗結果有很大差異。1906年，《物理學年鑑》刊登了考夫曼的論文，該文詳細歸納了愛因斯坦的時空觀，談到了洛倫茲――愛因斯坦的電子理論。他總結說，他自己的測量結果與洛倫茲――愛因斯坦的「基本假設是不相容的」。洛倫茲因此寫信給彭加勒，說他自己已經走上「末路」，他說「不幸的是」，他的假說「與考夫曼的新實驗矛盾」，他「不得不放棄它」。但愛因斯坦對自己的假說仍深信不疑。他認為，實驗數據與理論間「系統誤差」的存在說明有「未被注意的誤差源」；新的更精確的實驗一定會證實相對論。果然，他的信念得到了證實。1908年布歇爾發表了新的實驗結果，完全符合洛倫茲和愛因斯坦的預言。1910年，胡普卡的實驗對此再次予以確證。而決定性的結果是1914――1916年獲得的。從那以後，各種表明假說正確性的論據不斷出現，且極為豐富。

現在我們來回答前面提出的5個問題。

1、觀測到的現象對認識真理並不是必不可少的。集合論、非歐幾何與相對論的成功可以說明這一點。

2、觀測到的現象對認識真理並不是最有幫助的。「假說」可以干擾對真理的認識――憑藉什麼力量去區分真相與假相呢？洛倫茲被考夫曼實驗所得的假象所迷惑，而愛因斯坦憑藉理性的智慧堅持了真理。現象還有很多不足之處，這一點量子力學的「正統」解釋已予以充分說明。世界的現象對每個人幾乎「機會均等」，為甚麼只有少數人成為科學家呢？很多科學家在實驗中對新現象「視而不見」，這又說明了什麼問題呢？也許愛因斯坦說得對，1926年春他對海森伯說：「是理論決定我們能夠觀察到的東西」。

3、觀測到的現象對認識真理遠不是足夠的，認識真理更主要是靠人的智慧。現代數學的基礎――集合論，幾何學的尖端分支――非歐幾何，現代物理學的驕傲――相對論，都不是主要地依靠對現象的觀測而建立起來的。單憑混亂、真假混雜、相互矛盾、殘缺不全的現象，是絕對建立不了先進的科學理論的。無論「現象」豐富到什麼程度，都不會自然而然地導致科學的進步。

4、觀測到的現象有時會妨礙人們去認識真理。尤其是當科學發展到相當高的階段之後，其內容遠離人們的直觀經驗（如非歐幾何），或者遠超出科學儀器所能達到的精確度（如量子力學之於微觀客體），這時，觀察和實驗所得的材料就更有可能妨礙對真理的探索。

5、假說不是後天的教育給予的，因為假說都是超出已有的知識範圍的。假說可以受觀測到的現象的啟發而產生，也可以憑思維想像而產生。對於一種現象，可以提出多種假說去解釋，也就是說假說具有「多樣性」，假說與觀測到的現象之間並不存在一一對應的關係。所以，假說並不能由現象「必然地」流溢出來；觀察、實驗並不是形成假說的根本原因，甚至不是直接原因。對於同一現象，不同的人會用不同的假說來解釋，那麼為甚麼這個科學家偏偏傾向於「此種假說」，並努力去論證這的正確性呢？我們一直認為，一個人只要細心地去觀察、去實驗，就一定能提出「合適的」假說，從而推動科學的進步。其實，這是一種錯誤的信條。假說的提出與觀測到的現象固然有一定的關係，但沒有因果關係。至目前的分析為止，只能說出現一種特定的假說的真正原因還是不明的。我們只知道這個「真正原因」與科學家個人的主觀「偏好」有關。

總之，實證科學採用的這種立足於觀測現象，並對現象作現猜測性的「假說」以探求事物本質規律的認識方法並不見得是高明的。對現象世界所做的大量工作不見得那麼有助於發現真理，有時甚至是障礙真理的；愛因斯坦曾正確地指出，越是高深的科學理論，離人們的經驗就越遠，就越難用經驗現象來證明，集合論、非歐幾何與相對論充分地表明了這一點。因為基於相同的現象可以提出深刻程度不同的「假說」來解釋，這些「假說」也可能都獲得證實，所以實證科學所獲得的理論成果不一定很深刻，它可能把一些很不深刻的「假說」證明為科學真理而不去接受更深刻的其它「假說」。還有，如果在某一時期科學家只獲得很不充分的材料（正如在考古方面經常出現的情況那樣），甚至獲得一些屬於「假象」的材料，並基於這些材料而提出、證明某種「假說」，則這種科學「真理」可能會是錯誤甚至有害的。

經過以上的分析，我們終於看到了實證科學的認識方法的局限性，它不足於使人類洞察深層的宇宙奧秘。實際上，數學發展到集合論和非歐幾何，已經不得不離棄實證科學的認識方法了（當然也因此而受到實證科學的阻撓和攻擊）；物理學發展到相對論，也已基本不能再用實證科學的認識方法了。量子力學可以說是實證科學的典型代表，它正確地剖析了自身，認識到由「觀測到的量」建立起來的理論是脆弱而有限的，認識到量子力學有一個不可逾越的認識極限。――一些科學家把量子力學的認識極限說成是人類科學的認識極限，這不一定是正確的。如果人們改變實證科學的認識方法，採取新的科學認識方法，則人類科學可能會出現新的飛躍。