何為科學(xué)真理

前言

　　盡管促使我寫作這本書的原因是：一個目前時髦的社會學(xué)家群體描述科學(xué)及其成果的方式讓我憤慨——就是這種描述引發(fā)了所謂的科學(xué)戰(zhàn)爭(science wars)，我并不打算針對此觀點的傳播者而展開爭論，只在一章中稍詳細(xì)地專門提到他們。我的目的是建設(shè)性的：闡述物理科學(xué)的智識結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代物理引起的對實在(reality)的理解，而現(xiàn)代物理是最先進(jìn)的和理論上最成熟的科學(xué)。有時，我將冒險跨出這個領(lǐng)域，而我抓住的一些最重要的問題，特別是那些涉及理論的作用和實在的性質(zhì)的問題，假使在其他學(xué)科中有不同看法的話。然而，對于像真理這樣的大問題，我從物理學(xué)角度描述的深思熟慮的結(jié)果，也可以很好地用于科學(xué)的全體?！　”緯蛩銓懡o任何受過一定科學(xué)教育的人，而不是專門寫給職業(yè)哲學(xué)家或科學(xué)社會學(xué)家。由于設(shè)想部分讀者并不具有物理學(xué)專門知識，我援引的許多用以說明的例子都給出了充分的解釋。有些章節(jié)比起其他章節(jié)要求更多的知識，其中要數(shù)在量子理論占統(tǒng)治地位的亞微觀層次上討論那個令人困惑的實在難題(problem of reality)的第十章為最難?？峙逻@是難免的；甚至對平常使用量子力學(xué)的物理學(xué)家們，我們討論的問題也是很難的。用它們與我們必須解答的其他問題沒什么兩樣這種錯誤的推論，去嘗試做膚淺的表達(dá)，是毫無意義的。確實，雖然哲學(xué)家長期以來為其中許多問題爭斗不休，我偶爾還是要暗示，他們的解答比起實際情況太簡單，為此我預(yù)先向讀者致歉。然而，我沒有理由去攪起大量的塵土然后抱怨人們視而不見，就像萊布尼茲(Leibniz)所責(zé)怪的哲學(xué)家們之所為?！　∥乙兄x參與過啟發(fā)性討論的許多人，其中我想特別提及福瓦(Ciprian Foias)、戈登(Howard Scott Gordon)、格蘭特(Edward Grant)、考爾格(Noretta Koertge)和已故的韋斯特福爾(Richard S.Westfall)。尤其要感謝我的妻子魯思(Ruth)在本書寫作中寶貴的、不知疲倦的編輯協(xié)助。

內(nèi)容概要

什么是科學(xué)真理？科學(xué)真理是否確實存在？諸如此類的觀念沖突，已經(jīng)引發(fā)了一場文化戰(zhàn)爭。許多人聲稱，可柃驗的客觀真理并不存在。對此，本書發(fā)出種理性的聲音，給出了明確的建設(shè)性的意見。本書是位實干的利學(xué)家對科學(xué)的基礎(chǔ)、過程、價值以及理念、方法、目標(biāo)的清晰匐述，作者將帶領(lǐng)我們漫游物理科學(xué)的智識結(jié)構(gòu)，以其對模型、事實和理論、直覺和想象、類比和隱喻的運用，引領(lǐng)我們?nèi)ビH身感受微觀粒子物理學(xué)的“虛擬”實存。

作者簡介

羅杰·G·牛頓，印第安納大學(xué)物理學(xué)系榮譽教授，著有《探求萬物之理——混沌、夸克與拉普斯妖》（中文版已列入上?？茖W(xué)教育出版社“哲人石叢書·當(dāng)代科普名著系列”出版）和《考察物理學(xué)》。

書籍目錄

對本書的評價內(nèi)容簡介作者簡介前言緒論對科學(xué)的敵意第一章  約定第二章  科學(xué)是一種社會建構(gòu)？第三章  科學(xué)的目的在于認(rèn)識第四章  解釋工具第五章  事實的作用第六章  理論的誕生與死亡第七章  數(shù)學(xué)的威力第八章  因果性、決定論和概率第九章  兩種尺度上的實在第十章  亞微觀層次上的實在第十一章  真理和客觀性進(jìn)一步的讀物參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第四章　解釋工具　　模型　　兩個多世紀(jì)里，人們一直精心地在物理學(xué)中嘗試建構(gòu)一種圖景去解釋不用具體表達(dá)就難于理解的現(xiàn)象。這就是以太模型（ether models），它的建立是用來解釋像萬有引力這樣的力怎樣通過看上去空無一物的空間的傳播，稍后用來解釋在真空中電和磁的振蕩現(xiàn)象和光的傳播。這一模型發(fā)端于笛卡兒（Descartes），他是第一個提出以太的人，以太被想象為充滿了全部星際空間的粒子的渦旋狀鏈，它的特殊的力學(xué)性質(zhì)能夠長距離傳送力。小伯努利（John Bernoulli）1736年由于對光傳播的解釋圖形而獲得法國科學(xué)院的獎金：基于他的父親老伯努利的想法，他的模型提出所有的空間皆充滿了包含微細(xì)渦旋的流體。一個世紀(jì)之后，當(dāng)普通彈性固體顯然不能解釋光的所有已知特點時，麥卡拉（James McCullagh）為之發(fā)明了一種新型的虛構(gòu)材料，大數(shù)學(xué)家高斯（Carl Friedrich Gauss）和他的學(xué)生黎曼（Geoge Friedrich Riemann）對物理理論添加了有重大意義的動力學(xué)模型，并且精細(xì)地研究和擴(kuò)展了一種類似的結(jié)構(gòu)。但是開爾文和麥克斯韋取得了最大的進(jìn)展，他們?yōu)闃?gòu)思電磁場材料而設(shè)計了詳細(xì)的數(shù)學(xué)和力學(xué)的表示。這種無效的嘗試一直繼續(xù)到邁克耳孫和莫雷手上才最后死亡，愛因斯坦相對論為它們舉行了葬禮。　　在一定意義上，大多數(shù)的以太結(jié)構(gòu)照道理應(yīng)當(dāng)被認(rèn)真地接受為一種支持實在的描述，但是也有一些有意義的例子，其模型事實上并不指望被理論接受但卻起著重要的解釋作用。對凝聚態(tài)物質(zhì)的相變的理解就是我們要討論的問題。在某些特定的溫度之下，許多材料的某些性質(zhì)突然發(fā)生變化，最熟悉的例子是水的沸騰和凍結(jié)。永磁體被加熱后的行為是一個不大熟悉的例子。在稱為居里溫度〔為紀(jì)念法國物理學(xué)家居里（Pierre Curie），他是更為著名的瑪麗（Marie）的丈夫〕的特定溫度處，永磁體突然失去磁性。大約在20世紀(jì)20年代中期，根據(jù)量子力學(xué)，鐵磁性的來源，原則上被歸因于每一個電子的磁性，具有奇數(shù)個電子的原子的作用就像微小的永磁體一樣。但是對存在特定的相變溫度還沒有找到解釋，在該溫度之下，所有的處于一個晶狀磁疇（在顯微鏡下才能看到的一個小區(qū)域，但包含極多的原子）的原子磁體排列起來形成一個強磁體，而在此溫度之上，“長程序”突然消失。物理學(xué)家認(rèn)識到這種現(xiàn)象不易解釋，因為作為溫度函數(shù)的不連續(xù)行為只有對一種無限多原子的理想系統(tǒng)才會發(fā)生，而大量原子之間的力是復(fù)雜的。德國物理學(xué)家伊辛（Ernest Ising）不去嘗試用實在論理論給出一種解釋，而是構(gòu)造了一種模型，一方面，它具有引起這一現(xiàn)象的全部屬性，另一方面，又足夠簡單地給出一種成功研究它的數(shù)學(xué)性質(zhì)的機(jī)會。這就是現(xiàn)在著名的鐵磁性伊辛模型，對基本的原子磁體及其相互作用它使用了一種過分簡化的圖式，它從未作為實際的固體材料的實在論圖景被認(rèn)真接受，但是其熱力學(xué)行為引起了具有挑戰(zhàn)性的一種數(shù)學(xué)問題?！　∫列聊Ｐ褪怯梢?guī)則排列的、可以取值為+1或-1的符號組成（我們可以把它們想象為能夠指向上或下的、與自旋為1／2的粒子的量子力學(xué)行為一致的玩具磁鐵）。這些符號只對其最近的鄰居符號有相互作用，其作用方式是相互作用力傾向于使鄰居符號取相同的值（即使得磁鐵指向相同的方向）。熱力學(xué)的一種有力數(shù)學(xué)工具被用來確定它是否存在“長程序”（即在大范圍的磁鐵整齊排列），而如果是的話，是否存在一個溫度，高于這個溫度，長程序就突然消失。當(dāng)然，這種排列中最簡單的是在一維情形下所有的磁鐵按規(guī)則間隔位于一條線上。對這種情形，很快就弄清楚了，在其下有長程序、在其上就停止的居里溫度并不存在。稍復(fù)雜的下一步是一種格子狀排列（像玩具磁鐵被安置在一個平面棋盤格上）。在多次失敗的嘗試后，這個二維伊辛模型的數(shù)學(xué)問題終于被解決了，它的解表明，確實存在一個相變溫度來區(qū)分長程序和短程序（short-range ordei）。物理學(xué)上最相關(guān)的是三維情形，一般認(rèn)為，即使對這一玩具圖式，也是困難到不可能得到解?！　≡谶@一點上，對大自然復(fù)雜得多的情況做過的表面上十分簡單的伊辛模型，是我們所必須對鐵磁性相變存在作出的最接近解釋，甚至在將來，它也許是最接近解釋?；谒臄?shù)學(xué)上的成功，我們可以說，在某個十分有限的意義下，“我們理解”在高于居里溫度時突然退磁，但還是一點也不理解最熟悉的相變現(xiàn)象——水的凍結(jié)和沸騰。　　像用于鐵磁性的這類建模，在理論物理學(xué)中并非不尋常。粒子物理學(xué)、流體力學(xué)和復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)中的許多非線性方程非常難求解，理論家們不得不求助于簡化模型，沒有人把它當(dāng)作對大自然的真實的或者即使是近似的描述。盡管如此，如果一種數(shù)學(xué)模型包含了實際理論的本質(zhì)特性，可以被證明表現(xiàn)了反映觀察到的現(xiàn)象的特征，它就至少可以定性地作為認(rèn)識那些現(xiàn)象的重要工具。毫無疑問，物理學(xué)中最成功的理論，是那些能夠作出和實驗結(jié)果符合得十分精確的數(shù)值預(yù)言的理論，在其他情形，即使是最復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，也只能對觀察結(jié)果引進(jìn)一種定性認(rèn)識，這意味著，在理論物理學(xué)中數(shù)學(xué)的威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出數(shù)字的應(yīng)用。在量子場論和粒子物理學(xué)中，理論家經(jīng)常要去求解有關(guān)的方程，或在比描述大自然所需要的維數(shù)低的條件下，研究系統(tǒng)的性質(zhì)，其原因不過是因為實際情況過分困難。因為在三維空間中對量子電動力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格研究一直十分困難，數(shù)學(xué)物理學(xué)家代之以一維和二維的研究，一方面是作為練習(xí)，另一方面可以作為建立信心的工具；類似地，為了對其他的量子場論進(jìn)行大尺度模擬，人們在格子點上而不在連續(xù)的時空中進(jìn)行。沒有人相信這種解以任何方式直接與實驗結(jié)果相關(guān)，不過它們的定性特點仍然作為解釋實際事物的有用工具?！　ζ渌麑W(xué)科，建模也十分常見；在生物學(xué)中特別是進(jìn)化論要求這種努力。這些模型通常有爭議，不僅是因為它們對現(xiàn)實世界的可應(yīng)用性沒有充分確立，而且因為它們所導(dǎo)出的結(jié)論未基于可靠的數(shù)學(xué)推理。例如，考夫曼（Stuart Kauffman）在《秩序起源》中長篇大論地描述了基于自適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)（adaptive complex systems）觀念的一種生物進(jìn)化機(jī)制模型，在這種系統(tǒng)中秩序從混沌中涌現(xiàn)。不久以前，由這一方案引起的爭論公開化了，由倫敦林奈學(xué)會組織了一次公開辯論會，辯論雙方為考夫曼和他從前的老師史密斯（John Maynard Smith）。此種交流并沒有接近于解決爭端，這說明要建立遠(yuǎn)離他們要仿效的學(xué)科的數(shù)學(xué)模型是冒險的。復(fù)雜性、混沌和分形以及突變理論等時髦學(xué)科，在不久之前風(fēng)行起來，充滿了對現(xiàn)象的可疑解釋，其范圍從生物進(jìn)化到股票市場，從相變到宇宙學(xué)。不過，在興奮和夸張平息下來，塵埃落定之后，它們對我們理解事物似乎沒有太大的貢獻(xiàn)?！　∈褂媚Ｐ陀幸稽c看來十分清楚：它們的發(fā)明中存在大量的余地，而且可以有許多不同的模型服務(wù)于相似的目的。個別科學(xué)家可能會覺得某些模型很舒適，故以各種理由排斥其他模型，那些理由中的一些是基于當(dāng)代的科學(xué)或在他們的文化中流行的課題。我們可以肯定，以太的許多表示全部在實質(zhì)上是力學(xué)的而不是其他，比如生物學(xué)的：力學(xué)這門學(xué)科得到了很好的發(fā)展和認(rèn)識，而生物學(xué)則不然。　　類比　　有時幫助我們理解一種理論的含義的簡化方式是類比，它是一種強有力的最終甚至可以成功地用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的推理模式。在我討論的模型的例子中，與實際理論的類比是十分直接的；在其他的情形也許很不直接，但仍然能很好地服務(wù)于它的目的。有時類比是從物理學(xué)十分不同的部分中的現(xiàn)象之間提出來的，通常是因為，盡管它們表面上不同，但它們卻遵從類似的方程。這一方法在教學(xué)中和向其他物理學(xué)家解釋不熟悉的效應(yīng)時特別有用。在量子力學(xué)的早期，那些較熟悉量子力學(xué)的人用電磁理論的類比幫助了解較少的科學(xué)家以及學(xué)生更好地理解，這是十分普遍的?，F(xiàn)今，許多人發(fā)現(xiàn)，在教研究生時，值得沿著反方向使用類比法，從學(xué)生們可能已經(jīng)熟悉的量子力學(xué)現(xiàn)象中提取類比去解釋電磁行為。要描述由恒星和星系發(fā)出的光的紅移，幾乎不可避免地總要提到遠(yuǎn)去的火車汽笛聲音調(diào)降低。　　類比不僅幫助我們理解不熟悉的現(xiàn)象，還可以作為對發(fā)明新的理論的想象力和促進(jìn)新發(fā)現(xiàn)強有力的刺激。這就是類比法對那些具有各種科學(xué)領(lǐng)域的寬廣知識的科學(xué)家總是有用的緣故，他們可以根據(jù)那些知識對手邊的問題作一個類比以求得解決。玻爾一盧瑟福的原子模型是由對太陽系的類比形成的，核作為太陽，電子作為行星，雖然這一圖式對科學(xué)界接受原子模型起的作用并不大，但它極大地推動了該類比的普及，只是它大大忽略了天文學(xué)和原子世界的尺度差別和所用的基礎(chǔ)物理。楊（Thomas Y0ung）得出他的至關(guān)緊要的干涉效應(yīng)，從而確立了光的波動性質(zhì)，是由把光和聲音作類比得到的，這在他自己看來是完全可信的，但是在他死后，他著作的編輯認(rèn)為這是“異想天開，毫無根據(jù)”。

媒體關(guān)注與評論

　　怎樣通過科學(xué)獲得可靠的結(jié)論，在物理學(xué)家看來，這一過程充滿著神奇，就像那些看起來常常讓人感到神奇的結(jié)論一樣。本書以質(zhì)樸的文字描述了這一過程。它的水平、篇幅和深入淺出會使廣大讀者感到親近。讀過此書之后，就會發(fā)現(xiàn)關(guān)于科學(xué)認(rèn)識論最流行的那些議論都顯得冗長乏味，思想混亂。　　——赫施巴赫(Dudley R.Herschbach)，1986年諾貝爾化學(xué)獎得主

編輯推薦

　　近來引起爭論的不是某個科學(xué)真理，而是真理本身——恰恰是關(guān)于科學(xué)真理的觀念。圍繞這個觀念引發(fā)了一場文化戰(zhàn)爭，許多人以嘲諷的、雄辯的以及逆反的口吻聲稱，諸如可檢驗的客觀真理之類的東西并不真的存在，因而，也不可能存在所謂科學(xué)的權(quán)威。對此，本書發(fā)出了一種理性的聲音，給出了一個明確的建設(shè)性的意見?！　∵@是一位著名物理學(xué)家給我們的稀有禮物，能夠幫助我們對那些最復(fù)雜的科學(xué)觀念有所領(lǐng)悟。羅杰?牛頓的書將引導(dǎo)我們漫游物理科學(xué)的智識結(jié)構(gòu)，他以其對模型、事實和理論、直覺和想象、類比和隱喻的應(yīng)用，數(shù)學(xué)(現(xiàn)在，是計算機(jī))的重要性，以及微觀粒子物理學(xué)的“虛擬”實在的親身感受，帶領(lǐng)我們穿越最前沿的科學(xué)理論——現(xiàn)代物理學(xué)生成的實在。本書是一個實干科學(xué)家對科學(xué)的基礎(chǔ)、過程和價值的闡釋?！　τ诳茖W(xué)是一種社會建構(gòu)的聲稱，牛頓以科學(xué)家的工作信條作出回答：“一組判斷如果能構(gòu)成一個一致的整體，并且在外部世界和我們內(nèi)心中都有效，就是真的。”對于牛頓來說，科學(xué)真理不是別的，正是對權(quán)威無情的拷問，對客觀性無盡的探索，而這一過程，從最全面的理解看，是無止境的。本書以其對科學(xué)的理念、方法和目標(biāo)的清晰闡述，很好地呈現(xiàn)了這一真理?！　≡鯓油ㄟ^科學(xué)獲得可靠的結(jié)論，在物理學(xué)家看來，這一過程充滿著神奇，就像那些看起來常常讓人感到神奇的結(jié)論一樣。本書以質(zhì)樸的文字描述了這一過程。它的水平、篇幅和深入淺出會使廣大讀者感到親近。讀過此書之后，就會發(fā)現(xiàn)關(guān)于科學(xué)認(rèn)識論最流行的那些議論都顯得冗長乏味，思想混亂?！　　帐┌秃?Dudley R.Herschbach)，1986年諾貝爾化學(xué)獎得主

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