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科学认识系统的通常模式,是“科学主体—科学工具—自然客体”动态系统.作为中介环节的科学工具,是科学发展的杠杆,因此是找寻科学进步的内在成因和科学认识发展规律之关键所在。科学工具包括物质和观念两种形态,即实体工具和理智工具。
自然科学的明显特点是实证性,使用实体工具获取第一性资料以建立和验证科学理论,是科学实践的直接目的,从而创造和发展科学实体工具是科学认识发展的基本前提和首要条件,正如谚语所云:“工欲善其事,必先利其器”,“君子生非异也,善假于物也”。
科学实体工具的主要构成是科学仪器群,按其功能特性大致可分三类:对自然客体实施发动性控制以求在人工条件下迸发自然信息的仪器;接收自然信息的仪器;自然信息转换、传递、储存和处理的仪器。各对应于人体效应脏器、感觉脏器、神经系统及中枢控制脏器(脑部)的部份功能模拟、强化、延伸或补充。科学仪器作为科学研究的“人工脏器”,是自然物的“人化”,又是人类理性的“物化”,具有赶超天然脏器生理阀值的效应,是人类伸向大自然未知王国的“认识触角”。
另一方面,科学仪器是一定时代科学技术知识系统和该时代经济力结合的产物,是社会生产力发展与科学认识进程互动的具体表现,又是评判科学实践发展和技术发展水平的尺度。因此自然科学的发展史,既是科学概念的演变史,又是科学仪器的兴衰史。
科学实体工具(仪器为主)和科学逻辑程序之间,存在着内在深刻的联系,在科学认识过程的不同发展阶段上具有不同的作用和地位。科学仪器演进史本身还可以看作是一种科学逻辑程序的物化和“放大”。诸如,天文观测仪器就经历了三个大的发展阶段,对应于科学逻辑程序的三个环节;单纯观察和检测性仪器——分析性仪器——综合性仪器。
中级阶段中包含了低级阶段的成分,低级阶段中蕴涵着中级阶段的“胚芽”。第一类仪器用以发觉天体的存在,记录它们的表现现象,检测的通常是“几何参里”,如托勒密三角仪、第谷墙仪、伽利略望远镜等等;第二类仪器记录且剖析天体的“物理热阻”,较后者具有“由表及里”的性质,如夫朗和费(J.)的分光镜等等;第三类仪器如现代的带有实时显示和反应能力的望远镜系统,具有“去粗取精”的迅速选择效应和“人—望远镜对话“性质。
近代以来,天文观测仪器有三次大的改革,对应于科学逻辑程序的三个阶段性转换,都是学科之间技术和工具移植的结果,并无一例外都成了学科内部份化、综合并造成巨大发展的支点。第一次是因为透镜光学技术引进,开创了望远镜光学观察的新纪元;第二次是因为分光术、测光术、照相术与望远镜结合,宣告了天体化学学诞生;第三次则因为光电、射电、空间、计算机等技术的引进,揭露了全波段天文学的帷幕。由此可见,科学革命的主要特点,是以工具(实体工具与理智工具)根本性变化为基本标志。
“没有科学史的科学哲学是空洞的,没有科学哲学的科学史是盲目的。”历史是一面穿衣镜。阐述科学实体工具与科学逻辑程序的关系,以16—17世纪爆发的第一次科学革命为旁证,更具鲜明的典型性。以哥白尼《天体运行论》(1543年)为帷幕,牛顿《自然哲学的物理原理》(1687年)为高潮的第一次科学革命,继往开来,给人类社会和文化发展的影响无可估量。
同时,“哥白尼—牛顿”发展链显示了同科学认识的逻辑程序通常模式的惊人一致。哥白尼范式(纲领性假说)——第谷的直接观察和检测(古典仪器)——开普勒经验性定理——伽利略等人间接观察和检测(光学仪器)——牛顿公理化诠释体系,这根历史链条可简略看作科学发觉的通常逻辑,即认识“螺旋”上的“圆圈”的辨证运动:“——假说(纲领性)——经验反省——唯象性理论——经验再反省——系统化理论——”。
因而清晰地彰显了科学史和科学逻辑的辨证统一。本文通过科学仪器的历史考察,同时尝试阐明科学实体工具在科学认识的逻辑程序各阶段的不同作用与地位,阐明二者之间复杂关系的个别规律。
哥白尼纲领性假说阶段:科学仪器与新范式确立
自然科学的发展方式是假说。科学发展过程,就是假说不断形成、发展、竞争和更迭过程。假说形成的成因,可以是直接的经验性事实发觉,也可以是对旧范式旧理论的概念反省。哥白尼(1473—1543)假说的提出,即属后一种。随着科学深入发展,哥白尼式理论发觉模式越为普遍,这是创造性思维能动作用强化的反映。
但无论怎样,尊重经验事实,尽可能借助实体工具搜集新材料,仍是基本要求。哥白尼学说是关于天文学基本理论和整个宇宙图景的更换,是科学范式或科学纲领的根本性改革,就此而言,实体工具改革与否在这一阶段并无决定性意义,恰恰相反,范式工具的改革成为实体工具改革的先导。
日心地动假说在当时得不到裁定性的事实发觉的支持,能发觉星体视差的观测技术还得等上三百年,连F.培都根抨击哥白尼毋须要地违背了我们感官的提示。有的科学史家觉得,就观测的精度和性质而言,哥白尼专著折衷地说是基于中世纪的,许多方面来自托勒密;还觉得他不是一位天文观测家,其专著是一部自然哲学和完全是技术性的物理专著。
事实上,哥白尼学说所追求的简单性原则是同尊重事实相一致的,他依然必须通过天体表观运动去推断其现实运动。首先,他充分借助了托勒密以来的大量观测资料;其次,他用中世纪极为狭小的天文仪器在修道院城墙上渡过了他自谓的“四个‘九年’”的观测春秋。仪器大部份是自制的,其中有一架历时8公尺的巨型“托勒密尺”。
其实在《天体运行论》里仅27次提及自己的新资料,但在定量上较托勒密尚有发展,比如,他测定了更为精确的行星轨道周期,并据此确定离太阳的排列顺序,首次推得行星轨道相对直径,除木星偏差稍黑大,其余同现代测值相当接近。因而为定量确立太阳系概念迈出决定性一步;据悉,为了尊重新的观测资料,他不得不把太阳放在新宇宙体系的中心附近,而以几何点来代替其高贵的“王位交椅”。其实,他反反复复用间接的事实证据与新假说加以对比,因而开普勒说他这样做时“就象一个盲人利用手杖来保证行进一样。”
科学假说是科学性与假定性的统一,因此同迷信、幻想和神话有本质区别,其科学性是以已知的事实发觉和己被确证的科学原理、逻辑规则为基础的。虽然如哥自尼式的纲领性假说,亦正如有经验反省直接造成的经验型、事实型假说一样,难以去除科学实体工具这根“拐杖”来在黑暗中探路。在新范式确立过程中,只要有可能,研究者是绝不会忽略科学仪器的作用的,即使仪器是何等落后而陈旧,由于破的桨比没有桨好,漏的楼顶总比没有屋顶好。
第谷传统观测阶段与开普勒经验定理阶段:科学仪器与经验反省;“反常”发现
当不同的假说处于僵持、竞争的僵持局面下,合乎逻辑地会有一个经验反省阶段到来。第谷·布拉赫(1546—1601)就处于这样阶段。实体工具在这一阶段主要作用,是系统地积累更大量更精确更可靠的经验资料和数据,做出重大的事实发觉,为进一步的理论验证(确证或指责)、理论发觉和理论发展创造条件。
因此,实体工具的变革是经验反省阶段的中心问题。在科学史上,第谷阶段以描述天体视位置和视运动的定位性观测为特点;在科学逻辑中,“第谷阶段”以经验积累和检验为特点。其中有特殊意义的是“反常”发现。“反常”有可能导致常规科学的危机而造成科学革命。但使用科学仪器的经验活动本身存在固有的内部矛盾,观测和实验对理论的作用表现为裁定性效应和常年性效应的矛盾,因此经验事实可使观念飞越也可使理性欺骗,关键在于是否有正确的理论指导和是否拥有敏锐的科学鉴赏力。
第谷是望远镜发明前观测天文学的登峰造极者。他全面改进和创制古典仪器,在技术和技巧上颇具独创性,并不因循迂腐。第谷的观测度几乎达到肉眼许可的极限,从伊巴谷(公元前二世纪)以来的几乎每一重要的天文数据,他都审慎地重新测定和普遍修正,使荒芜了千余年的法国古典方位天文学出现一派蓬勃生机。
第谷受德国王赞助在汶岛创建了“观天堡”和“星堡”两座天文台,是近代法国第一个科学中心,其规模之宏大、仪器之精湛、设备之齐全、装璜之奢华,举世罕见。第谷观测的最大特征是常年性、系统性、重复性、严密性和协作性;其设计的仪器的特征是:巨型化、多样化、精密化、新颖化。
发明先进的“虚线分弧法”()使仪器刻度细分至秒,测定天体地平经度时精度达1/6分,而托勒密的精度未曾超过±6分。在此基础上,第谷编制了第一份完整的近代星表,内含1000颗星(包括大量暗弱星),其平均偏差同现代测值相比约为1',可谓是肉眼观测极限。因为注重实体工具和经验观测的结果,必然会导致观念上的重大发展。
在同传统观念挑战方面,第谷有三大贡献:测定1572年在仙后排里出现的新见星是一颗新星体(即第谷超新星),第一次冲破了“恒星天球层”不变论的偏见;测定1577年大慧星能穿越所谓的“行星品莹天球层”,首次证明慧星是绕日运行的天体,并有力驳斥了行星天球的固态性;继哥白尼以后更精确地测定出游星(除月球外)确实绕日运行,而非托勒密所说绕地运行。
可见,实体工具的实践过程,不单单是资料上量的积累,在一定时期会导致个别观念质的飞越。但经验本身是一把双面刃,可使观念飞越,也会在缺少正确的理智工具指引时使理性迷途。因为悲悯于新约而又囿于经验,第谷总算“雾失楼台,月迷津渡”,提出一个折中的宇宙体系,亦未能总结出游星运动规律。开普勒说第谷是个富豪,但不知怎么正确使用他的财富。
开普勒(1571—1630)经验定理阶段是第谷观测阶段合乎逻辑的发展。在积累了大量感性经验资料以后,骤然而至的必然是概括成唯象性理论或验定理阶段,而“反常”性发觉常常成为新理论产生的直接触发点。第谷留给开普勒历时30年的第一手观测资料和重视经验的忠告,使开普勒的“宇宙谐和”思想获得坚实基础,因而才有行星运动三定理的发觉。尤其是知名的椭圆轨道定理发觉,号称科学史上壮举,充分说明随着实体工具改进、观测精度增强,量的“反常”对造成理论突破有何等意味深长含意。
不放过经验数据与理论推测之间赶超许可的偏差,常常会有惊人的理论发觉。库恩精辟强调,技术发展使“质的反常”过渡到“量的反常”,而在“不可防止的科学危机的产生中,量的反常的效能小于质的反常的效能。”当火星的传统圆轨道理论测算值与第谷观测值发生微小的量的差别时,因为开普勒这么相信第谷的观测精度,因而为了忠于事实而不惜叛逆原有的传统理论,最后抛弃了连哥白尼都深信不移的神圣的“天体圆轨道。”
开普勒在《新天文学》(Nova……)里激动地说道:“神明的上帝赐予我们以这么精于观测的第谷,按照他的观测资料在估算中出现了8'的偏差……。我们应怀着无限感激之情去接受上帝恩赐的这一赠品,……如果我把8'的黄经之差看成微不足道的话,我本不会有效地更改这一假说,……单单这8'之差就开辟了通向整个天文学改革的公路。”[8]历史诡辩地说明:“在冲突的场合,检测将是常胜将军。”
由此可以非常清晰地看出:实体工具的不断改善在一定时侯将为理论发觉提供最有利的物质条件。但另一方面,要从科学研究的正常过程中看出“反常”迹象的鸿爪蛛丝,捕捉它并“破译”其中的“密码”,这只有科学能力(包括社会和个体)发展到一定阶段才有可能,它要求实体工具的精密度和反应性大大增强;理智工具处理经验材料的能力大大加大;据悉,还须要研究者慧眼颇具,明察“秋毫”,正如英国雕像家罗丹所说,所谓大师,就是要能在人们司空见惯、习以为常的事物中发觉出“美”来。
伽利略间接观察阶段:科学仪器的划时代变迁
B.巴伯强调:“当工具独立发展到一定程度时,有时可以在整个学科或分支学科的发展中起主导作用,比如望远镜或计算机的情况就是这么。”H.C.King甚至说:“仪器改进比通过仪器所获得的发觉应遭到更大注意。……镀银工艺的引进甚至比例如海王星的发觉远为重要。”望远镜在17世纪天文观测上的应用是科学史上的伟大风波,天文学实体工具发展中的划时代转折。
它以无可辩驳的事实说明:一种重要新工具的发明和引进,常常会改变科学发展常规进程,使之获得前所未有的伟力,甚至会开创一个新时代;而科学发展的急切要求是引进新工具新技术的原动力。
伽利略(1564—1642)不是望远镜的最早发明者,也不是第一个将望远镜对准天空的人,但惟有他,在传言促动下,如他本人所说,“不是靠碰运气,而是靠纯理智的途径”,即通过对折射理论的深入研究而制成天文望远镜,并理解天文新发觉的全部理论意义。
他的《星际使者》(1610年)无愧是科学史上的一块壮丽的壮歌,向世人披露了望远镜观察的首批成果——五大发觉:月面陡峭不平;星体无限多,并发觉昂星团;银河由无数星体集团聚集而成;发觉四个木卫;在望远镜视界中行星有圆面,面星体无圆面但色温减小。
1610年末,又发觉金星有位相盈亏;1611年夏,观察太阳黑子。即使伽利略1608年研发的第一架天文望远镜仅放大9倍,而用以发觉木卫的第四架,其性能还不如现代观剧用的44mm双目望远镜,但正是这种狭小而新颖的工具,第一次突破人类视觉的天然极限,开拓了探求宇宙的宽广领域。
科学史家评论说:哥伦布发觉了新台湾,伽利略发觉了新宇宙。以伽利略为标志,天文学观测史掀开了辉煌的新一页:以肉眼为惟一的侦测器,辅以量角器为主的几何检测仪独步天文观测的时代终结了,自此确立了光学仪器的主导地位。与之相应,促使加速了几何化天文学向物理化天文学转变的历史进程。R.Hall强调:“物理的天文学是望远镜的产物。
“望远镜发觉似乎没有直接导向天体力学理论发觉,但仍以其形态性观察而导出实体的太阳系观念,因而为天体热学诞生提供宽广背景。使用实体工具,有着直接现实性和普遍性品格。正如伽利略所说的,这一“人工扩大的视力”,“使哲学家困惑了这么长久的全部争辩,在我们嘴巴的不可辩驳的证据面前迎刃而解。”
沉重严打了亚里士多德宇宙学和托勒密地心说体系,大大推动了哥白尼学说的迅速传播。但新发觉也并非煮熟了的果子,只要轻摇枝条即可唾手而得。面对传统势力的喧闹和低劣玻片捏造了的星象,新发觉同时也是以哥白尼范式进行思索和推理的结果。并非有耳朵就可接受客观事实。
当伽利略将新发觉公之于世后,掀起了一场轩然大波,经院学者觉得黑子在眼里而不在太阳上,教会引用《马太福音》中的一句话宣布望远镜是“魔鬼的玩艺儿”,不一而足。并且,被低劣透镜的象差和色差严重丑化了的成像,假如没有正确的理智剖析和判定,感官也可能被骗。正是在这种意义上,G.说得对:“思想给了我们眼晴。”
牛顿公理化体系阶段:科学仪器的精密化与诠释性定理
经验性定理的开普勒阶段,在一定条件下向诠释性定理的牛顿(1642—1727)阶段上升。固然,诠释性定理并非实体工具活动所直接造成,但其验证和发展却必须仰赖于前者,其影响的程度,决定于实体工具的精密化程度。在望远镜发明以后的半个世纪里,其累累硕果基本属于定性的新颖性而非定量的精确性,因此对定量理论影响不大。
17世纪望远镜定量化历程,以W.(1612—1644)为先驱,1659年C.(1629—1695)首次公布物镜测微器发明为转折,J.(1620—1682)和A.(1622—1691)全面定量化为成熟,而以J.(1646—1719)为最高成就。望远镜观测首次直接造成重大理论发觉,是其问世120年后(1693—1762)光行差理论的构建。但现有证据表明,望远镜定量化对“牛顿革命”进程有直接影响。
J.用定量化望远镜测定空前精确的月球子午线1°值,对牛顿初期的关于力的平方正比律设想起到检验作用,因而推动了牛顿对笛卡儿范式的叛逆,向天体力学理论大踏步前进。1667年,J.首次在望远镜上应用叉丝;并在A.和Romer协助下实现望远镜、测微器和古典仪器的“三结合”;还首次在天文学检测中使用摆钟,其精确度在当时首届一指,2个月仅差1分钟,大大提升了测定恒量方位的精度。那些都为进一步提升望远镜定量化精度创造了条件。
关于万有引力理论的确立时期,牛顿在1715—1718年间写的备忘录(见于收藏)宣称:于1665年其假说已朋友实验证“几乎完美相符”。奇怪的是为什么搁置21年后才发表?仍然是个谜。流行见解仍然是相信牛顿备忘录的权威性。但据现今所查,牛顿于1686年6月致信中却言:曾经估算仍然“未能足够精确。”[17]也许前后矛盾。对牛顿备忘录拟应保留想法,因当初他被角逐发明优先权的纠纷所摧残,很可能如阿贝尔评高斯所说那样,象只兔子,经常用尾巴扫掉身旁的足迹。
事实上,逻辑地看,1665—1666年间牛顿在笛卡儿范式下根本不可能产生万有引力概念,但当时确已推得行星对太阳“离心势”(a)同距离平方成正比,并提出知名的“月-地检验。”据牛顿的同事W.于1694年、H.于1728年追忆,都提到牛顿亲口谈过“首次检验”一事。那时他取月球表面的大圆1°值为60法定英里(Eng.St.mi;合69.5英里),按照这一简略检测值估算,结果,“在一定程度上令他沮丧,由于同假定月球重力单独作用于地球的理论值不完全一致,这使牛顿误以为使地球禁锢在轨道上的力量,‘部分是重力的力量,部份是笛卡儿漩涡的力量。’他把估算的论文束之高阁,着手其他研究。”两人的追忆基本一致。
这种史籍的可靠性更大。由于据现代发觉的牛顿一份无标题原稿(写于1667或1668年)[16]可知,牛顿当时取的月球直径为3499.9日本里(1意里=5000公尺),得到月球赤道表面重力比地球离地心而减缓的“离心势”大4375倍,而按平方正比律假说得到的理论值应只大3600倍,三者竟差21.5%。这样大的偏差对崇尚“实验哲学”的牛顿来说其实是难以接受的。因此印证了牛顿给信所言属实。
据史籍,1671年,J.首次发表了在伦敦附近用定量化望远镜所测得的月球子午线观测值,1°=69.096法定英里,该值精度在数码之内。其成果于1675年、1676年连续二次载子西班牙皇家学会季刊《哲学学报》上,立即引发注目。稍后,牛顿正是按照这一空前精确的测值重新作了测算,证明了平方正比律的可靠性,才一举解决了搁置多年的“月—地检验”,使理论发展出现重大突破,加速了牛顿从笛卡儿漩涡假说的旧范式走向万有引力发觉的脚步。有鉴于此,牛顿后来直接将该值以伦敦尺(Parisfeet)为单位引用到《自然哲学的物理原理》第三篇第4命题中去,他写道:“结论:保持地球于其轨道上的力是与我们一般称之为重力的力完全是同一种力。”
这个事例从正反两方面最生动地说明:仪器的精密化程度对理论检验和发展具有何等重大意义。科学理论的生存和发展,常常会因一个关键性经验数值而改观,或被否证或被确证。或被纯化或被更改,甚至还有可能被错误的或精度不够的数值所欺骗而遭一时的“冤案”。固然,理论并非如K.所夸大的那样脆弱,只要一个经验证据即可“证伪”而被推翻。事实上,理论甚或如I.所说的,是富于弹性的。只要“硬核”还在,它仍可以不断进行修复,或暂时搁置上去,以图东山再起。由此可见,实体工具对理论的检验和发展的影响举足轻重,尤其是仪器精密化程度的改善,是提升实践检验力的关键所在。
通过对“哥白尼-牛顿”发展链和环的历史考察,可以同时理解实体工具在历史和逻辑的不同阶段上的作用和地位,以及实体工具与理智工具之间互动的张力。当对旧理论进行反省而须要提出更合理更自洽的竞争理论;或当经验事实大量积累非常是发觉“反常”现象需加以整理、分析和解释时;或须要阐明经验定理中更深层涵义时,理智工具的发展便成了主要问题,并获得最大的推进力,如哥白尼阶段、开普勒阶段、牛顿阶段便是。
当社会生活实际须要;或新的假说须要经验确证而向观测和实验提出各类定性、定量的技术要求时,实体工具的发展便是当务之急,并同样获得最大的推进力,如第谷阶段、伽利略阶段便是。因此,科学沿着时轴方向以“——假说——观测与实验——假说——再观测与实验——”认识螺旋上升过程,同时也是实体工具和理智工具发展的重心不转换过程,以及三者之间所展开的复杂交互作用过程,因而充分显示了科学工具的社会-历史性和逻辑程序性。
《荀子:《荀子·劝学篇》》
《天文学史》
《科学社会学》
《物理科学的概念和理论概论》