簡論迪昂的科學哲學思想論文
皮埃爾迪昂(Pierre Duhem，1861~1916)是法國著名的科學家(物理學、理論力學、物理化學)、科學史家和科學哲學家 。由于他的虔誠的宗教信仰、保守的政治態度、非凡的學術才干、秉直而倔強的個性，他生前受到法國學術界和教育界一些當權人物的排斥與迫害，很不得志。在他死后一段相當長的時間內，他似乎被西方世界“遺忘”了。在我國學術界，人們多年來對他所知無幾，甚至連他的名字也以訛傳訛了幾十年(在《唯物主義和經驗批判主義》一書中誤譯為“杜恒”)。其實，迪昂是科學思想界中的一位十分重要的人物，這一點已為越來越多的人所承認。由于迪昂長期在科學前沿進行創造性的探索，又對科學發展史(尤其是中世紀的科學史)有精湛的研究和獨到的見解，這成為他的科學哲學思想的豐富源泉。迪昂的科學哲學思想主要集中在1906年出版的《物理學理論的目的和結構》 一書中。這是現代科學哲學最重要的經典著作之一，其中的許多觀點即使在今天看來也還是新鮮的和激動人心的。下面，我想以此書為主，簡要論述一下迪昂的科學哲學思想。
一、物理學理論的目的
在迪昂所處的時代，關于物理學理論的目的，存在著兩種截然不同的意見。有人認為，物理學理論就其對象而言是解釋(說明)在實驗上已經確立的一組定律；也有人認為，物理學理論是一種抽象系統，其目的是概括和在邏輯上分類一組實驗定律，而不是標榜解釋這些定律。
按照迪昂的觀點，前一種看法是不正確的。在迪昂看來，解釋(explain或explicate，法文是explicate)就是剝去像面紗一樣的覆蓋在實在上的外觀，以便看到赤裸裸的實在本身。但是，觀察物理現象并不能使我們進入與隱藏在可感覺的外觀之下的實在的關系之中，而只能使我們在特定的和具體的形體中理解可感覺的外觀本身。此外，實驗定律就其對象而言并不具有物質的實在性，它僅是以抽象的和具體的形式處理這些可感覺的外觀。例如，彈奏和吹奏樂器，人們聽到或強或弱、或高或低的聲音，從而產生了聲音感覺和音樂情感。這些特定的和具體的感覺經過我們智力的精心制作，形成了像強度、高音標準、八度音、和音、音色等普遍而抽象的概念。聲學實驗定律就是闡明這些概念和其他同樣抽象而普遍的概念之間的恒定關系。而當物理學理論被看作解釋時，那么，在每一個可感覺的外觀被剝去，抓住物理實在之前，其目標是達不到的。
這樣一來，對于這樣兩個問題，即“存在與可感覺的外觀不同的物質實在嗎?”“這樣的實在的本性是什么?”在實驗方法中沒有它們的來源。觀察和實驗只能得到可感覺的外觀及其關系，而無法達到它們背后的實在。對上述兩個問題的解答超出了物理學方法所能達到的范圍，它們是形而上學的對象。因此，如果物理學理論的目的是解釋實驗定律，那么理論物理學就不是自主的科學，它就要從屬于形而上學。倘若如此，物理學理論就不成其為受到普遍贊同的理論，因為把不同形而上學體系分開的觀點就會擴散到物理學領域，從而形成深刻的分歧、尖銳的對立。事實上，形而上學體系并沒有給出足夠嚴格或足夠詳細的工具，從中能夠推導出物理學理論的所有元素。因為關于物質真實本性的形而上學所提供的工具經常是否定的。例如，亞里士多德主義者和笛卡兒主義者都否認空虛空間的可能性；牛頓主義者拒不承認不能還原為質點之間作用的力；原子論者和笛卡兒主義者否定任何超距作用等等。當情況否定敵對學派所提出的理論時，它們可以恰當地得到辯護；但是當我們希望推導物理學理論的原理時，它們則不結果了。物理學理論所求助的命題是形而上學無法提供的，從而對于該體系的信徒來說依然是神秘的。無法解釋的東西總是形而上學宣稱所給出的解釋的基礎。迪昂的結論是：即使沒有形而上學體系也足以構造物理學理論。
迪昂從物理學理論的目的看到了它的真實本性，即物理學 理論不是隸屬于形而上學系統的解釋，而是從少數原理（假設）演繹出來的數學命題的系統，以便盡可能簡單、盡可能完善、盡可能正確地描述一組實驗事實。
要形成這樣的物理學理論，迪昂認為必須通過以下四個相繼的操作來完成。第一，我們選擇自認為簡單的性質描述我們所要描述的物理性質，其他性質可視為這些簡單性質的組合。我們通過合適的測量方法使它們與一組數學符號、數字，大小對應。符號和性質之間沒有內在的本質聯系，符號只是約定的記號。例如，用攝氏溫標測量的溫度就是感覺經驗所感知的冷暖的約定的、定量的描述。第二，我們選擇少量的原理或假設，作為演繹的邏輯前提或理論的基礎。它們僅僅是根據方便的需要和邏輯上的一致，把不同種類的符號和數量聯系起來的命題，它們并不以任何方式宣稱陳述了物體真實性質之間的真實關系。第三，根據數學分析法則把原理或假設結合在一起。理論家計算所依據的數量并非是物理實在，他們所使用的原理也并未陳述這些實在之間的真實關系。對他們的要求是：他們的符號化是可靠的，他們的計算是正確的。第四，由第三種操作所引出的某些結論被“翻譯”成物理學術語。也就是說，我們得到關于物體可測量特性、關于定義和測量這些性質的方法的新陳述，這些方法作為一種“詞典”，可以幫助我們翻譯。現在，這些新命題可以與實驗結果進行比較，由它們與實驗是否相符，看其是好理論還是壞理論。簡而言之，這四個基本的操作也就是：物理量的定義和測量；選擇假設；理論的數學展開；理論與實驗的比較。
迪昂由此得出結論說，真正的理論不是給物理現象以與實在一致的解釋的理論，它是以滿意的方式表示一組實驗定律的理論。虛假的理論不是試圖在與實在相反的假定上建立的解釋，它是一組并不與實驗定律一致的理論。與實驗一致是物理學理論真理性的惟一標準。
關于物理學理論的統一性，迪昂是從兩個角度來看待的。首先，他贊同馬赫的觀點 ，把理論視之為思維經濟。他說：用定律代替具體的實驗事實達到了經濟；當我們的精神把實驗定律濃縮為理論時，便是雙倍的經濟。迪昂從中看到了物理科學進步的道路：實驗家不斷揭示出迄今未曾料到的、未形成新定律的事實，理論家通過構想更濃縮的表達、更經濟的系統，使之有可能容納這些獲得的東西。物理學的發展刺激了“不厭倦提供的自然”和不希望“厭倦想像”的理性之間的持續斗爭。其次，迪昂認為，理論不僅僅是實驗定律的經濟描述，它也是這些定律的分類。實驗物理學向我們提供的是一堆雜亂的定律，沒有用一種親族的紐帶把它們聯結起來，常常是十分偶然的原因或相當表面的類似導致我們把它們匯集在一起。可是，通過把原理與實驗定律關聯起來的演繹推理，理論便在定律之間建立了秩序和分類。它使某些定律匯集在一起，把它們密切地排列在同一個群中；它通過把其他定律放在離得很遠的兩個群中，從而把它們分開。這樣的分類使知識可以被方便地使用、順利地應用。迪昂從這種有秩序的分類中洞見到科學美。他說：秩序不論在哪里統治，都因之而產生美。理論不僅給出了物理定律群，而且它聲稱這些定律更容易運用、更方便、更有用，從而也更美。
這種審美情感并不是達到高級完善程度的理論所產生的惟一反作用，它還能使人們在理論中看到自然分類。迪昂指出，理論變得越完善，我們就越理解，理論使實驗定律秩序化的邏輯秩序是本體秩序的反映；我們就越是覺得，它在觀察資料中建立的關系對應于事物之間的真實關系；我們就越是感到理論傾向于自然分類，而不是純粹人為的系統。
理論形成自然分類的引人注目的特征是，理論在實驗之先。在這樣的理論中，不僅每一個已知的實驗定律被假設的推論所表示，而且更重要的是，人們能夠從假設中推出不與先前任何已知的實驗定律對立的推論，它們描述了可能的實驗定律。其中一些涉及到實際能夠實現的情況，這些推論特別有趣，因為能夠把它們交付事實檢驗。如果它們嚴格表示了支配這些事實的實驗定律，那么該理論的價值將被擴大，該理論支配的領域將增添新定律。相反地，如果在這些推論中存在一個與事實全然不一致的理論，那么該理論就必須或多或少地受到修正，或者也許要被完全拋棄。
作為純粹人為的系統的理論對不可見實在之間的真實關系沒有任何暗示，這種理論不會進一步預言新定律。而作為自然分類的理論表示了事物之間深刻的真實的關系，它的推論在經驗之先，并能激起新定律的發現。由此可見，自然分類這一特征是由在還沒有被發現的實驗定律之先的理論的多產性標志的，這增強了我們的下述信念：我們的理性在抽象的概念中建立起來的關系對應于事物之間的關系。迪昂關于越完善的理論越傾向于自然分類的思想是頗有啟發性的。
由于自然分類在各種實驗定律之間建立了一種作為真實秩序的圖像和反映的邏輯協調，從而把脫離我們的實在組織起來，構成能夠啟發新發現的、富有成效的理論。因此，迪昂認為物理學理論的目的就是變成自然分類。
迪昂考察了已有的物理學理論以及往昔的物理學家關于物理學理論本性的觀點，他辨認出它們實際上是由兩個不同的部分構成的：其一是描述部分，它是為分類定律而提出的；其二是解釋部分，它是為把握潛藏在現象深處的實在而提出的。有人認為，解釋部分是描述部分存在的根據，是描述部分成長的種子或是養育它發展的根。迪昂強調指出，這種看法大錯特錯了。實際上，這兩個部分之間的聯系幾乎總是十分脆弱和十分人為的。描述部分就其自身而言，是由于理論物理學的合適的、自主的方法發展的；而解釋部分則像寄生物一樣附著在這種充分形成的有機體(描述部分)上。
迪昂進而指出，理論具有的功能和多產性，并不歸因子解釋部分，理論中的每一種好東西(如理論在實驗之先的功能)都能在描述部分中找到。這一切都是在物理學家忘記探索解釋的情況下發生的。另一方面，虛假的、與事實矛盾的東西尤其可以在解釋部分找到；物理學家把錯誤引入其中，這是由于他希望把握實在而引起的。迪昂洞察到，當實驗物理學進步到與一種理論對立并迫使理論修正或變換時，純粹描述部分幾乎全部進入新理論中，并把舊理論固有的全部有價值的東西帶進新理論，而解釋部分則被拋棄了，以便給另外的解釋開辟道路。迪昂由此得出一個重要的結論：這種連續的傳統保證了理論的生命的永恒和科學的進步。迪昂通過對物理學理論目的考察，不僅為物理學家的活動劃定了范圍，避免他們在思辨的形而上學問題上糾纏，而且也恰當地說明了理論更替的連續性和科學進步的大趨勢。與庫恩的“范式不可通約”和否認“科學進步”的觀點相比，也許更為可取一些。問題在于，每一個具有探索精神的科學家也都具有求根溯源的本性，“畫地為牢”能否使他們“安分守己”?形而上學不僅侵入到科學家的研究綱領之中(在許多情況下還是有成果的)，而且也融入理論的“硬核”之中，能否人為地把它分離出去?最絕妙的途徑也許是：既接受形而上學的啟迪，又不墨守形而上學的教條。當然，這不是一般人所容易做到的。但是，善于在對立的兩極保持必要的張力的科學家卻具有這種高超的本領 。
迪昂還談到抽象理論和力學模型，并把歐洲大陸的和英國的物理學家的思維方式和方法進行了有趣的比較。在迪昂看來，任何物理學理論的構成都源于抽象和概括這兩方面的工作。首先，精神分析大量具體的、不同的、復雜的、特殊的事實，并用定律(即把抽象概念連結在一起的一般命題)概述什么對事實來說是共同的和根本的。其次，精神考慮整個定律群；它用極為少數的、與某些十分抽象的觀念有關的極其普遍的判斷代替這個定律群；它選擇一些初始性質并以下述方式形成基本假設：屬于所研究的群的所有定律都能夠通過演繹法推導出來，演繹也許是冗長的，但卻是十分可靠的。基本假設和可以演繹出的推論的系統，抽象、概括和演繹的工作在我們的定義中就構成了物理學理論，這就是所謂的抽象理論。
歐洲大陸物理學家偏愛這種理論。他們的理論不管是解釋的還是純描述的，都是按照嚴格的邏輯法則構造的體系。作為不畏懼深奧的抽象和冗長的演繹，主要渴求秩序和明晰的理性的產物，他們的理論要求無缺點的方法貫徹始終。這種體系把若干十分清楚的公設(原理、假設)看作是其基礎，并力圖建立一個像歐幾里得幾何學那樣極其嚴格的和有邏輯性的結構，每一個實驗定律都能確切地容納在這個結構內。這種理論的統一和各部分之間的邏輯聯系，是下述觀念自然而必然的結果：思想的力量加于物理學理論，動搖這種統一和打破這種聯系就是違背了邏輯原則或犯了錯誤。
對于英國學派的物理學家來說，情況根本不是這樣。例如，開耳芬勛爵就這樣宣稱：“我的目標就是要證明，如何建造一個力學模型。這個模型在我們所思考的無論什么物理現象中都將滿足所要求的條件。”“在我未能給一種事物建立起一個力學模型之前，我是永遠也不會滿足的。如果我能夠建立起一個力學模型，我就能理解它。只要我不能建立起力學模型，我無論如何也無法理解它。” 開耳芬的話代表了英國物理學家的典型觀點：理解一個物理現象與模擬該現象設計一個力學模型是一回事；從而，實物的本性必須通過設想的機械來理解，它的運行將顯示和模擬出物體的性質。
這樣一來，在英國物理學家的眼中，理論既不是解釋，也不是物理定律的合理分類，而是這些定律的模型，這種模型不是為滿足理性而建立的，而是為偏愛形象而建立起來的。因而，它擺脫了邏輯的統治。正是英國物理學家構造一種模型描述一群定律，構造另一種完全不同的模型描述另一群定律，而不管某些定律對于兩個群是共同的事實。對拉普拉斯(法國)和安培(德國)之類的學者來說，給同一定律以兩種不同的理論解釋，并堅持兩個解釋同樣可靠，這是荒謬的。對于開耳芬和麥克斯韋學派的物理學家來說，對同一定律用兩種不同的模型來描述，這并不矛盾。而且，這樣引入科學中的解釋根本沒有震動英國人，反而認為它增添了額外的變化魅力。英國人的想像強有力，但卻不像歐洲大陸人那樣渴求秩序和簡單性，缺乏構成抽象和概括的理論的方法。迪昂在另一處也討論了抽象思想者和形象思想者的兩種不同類型思維的特征及差異 。迪昂還進一步對力學模型方法作了分析和評價。他強調不要把類比方法與模型的使用混淆起來。物理學史向我們表明，探求不同范疇現象之間的類似，也許是構造物理學理論全部程序中最可靠和最有效的方法。物理學中的類比方法正是這樣的方法，但它的利用常常使用更精確的形式，即代數方程等價。這種代數方程的對應是無限有價值的東西，它不僅引起思維經濟，而且由于它容許人們把構造另一種理論的所有代數工具轉移到一個理論中，也構成了發現的方法。類比在于把兩個抽象的體系匯集在一起；無論已知它們中的哪一個，都有助于我們猜測另一個未知的；或者兩個在都得到系統闡述時，它們互相都明晰了。在這里沒有使最嚴格的邏輯學家驚訝的東西。力學模型雖然能夠在發現的道路上引導某些物理學家，它還能導致其他發現，但是，至少可以肯定，它沒有引起物理學的進步，傾入到我們大量知識中的份額似乎是相對貧乏的。事實上，開耳芬利用力學模型作為一種發現工具遠不如作為一種說明方法。
二、物理學理論的結構
迪昂還就物理學的結構進行了比較詳細的分析，他依次討論了物理學中的量與質、事實、實驗、定律、理論和實驗的關系、假設的選擇等問題。
迪昂認為，為了使在物體中所發現的一個屬性可以用數字符號來描述，用亞里士多德的語言來說，其充要條件是這個屬性屬于量的范疇而不是屬于質的范疇；用比較容易接受的現代幾何學的語言來講，其充要條件是這個屬性是一個數量。任何屬于量的范疇的屬性的基本特征是：量的數量的每一個狀態總是可以借助于同一量的另外的較小狀態的相加而形成；通過比第一個量小但與它同類的量的交換和結合操作，每一個量都是一個聯合，它們是它的部分。
每一個不是量的屬性即是質，起源于相加思想的測量不能對付質。但是，正如量不僅僅是用抽象的數確定的。而是由與它的標準的知識相關聯來確定一樣，質的強度也不完全是由數字符號表示的，而必須把適合于得到這些強度尺度的具體程序與這一符號聯系起來。當然，作為一種質的不同強度標準的尺度，總是作為它的原因的具有這種質的一些量的結果。值得注意的是，迪昂在這里還提出了原質(primary qualities)的概念。所謂原質，就是在科學發展的一定時期不能再分解、再簡約的質。原質不是永恒的，而是暫時的。今天不能還原為其他物理性質的質，明天也許將不再是獨立的，也許物理學的進步將使我們在原質中辨認出性質的結合。為了給出一組盡可能簡單的物理定律的描述，為了達到最完善的思維經濟，在構造理論時，應該使用原始的概念或原質。顯然，迪昂關于量和質的規定，是他形成物理學理論四個操作的頭一步，即物理量的選取和測量。
迪昂把事實分為理論事實和實用事實。理論事實即一組數學資料，在理論家進行推理和計算時用它宋代替具體事實。在理論事實中，不存在模糊和不確定性，一切都是以精確的方式決定的。例如，溫度以某種方式分布在某一物體。這里的物體是按幾何學定義給出的；該物體每一點都有一個對應的溫度；這溫度對每一點而言都是一個數，它不與其他任何數相混。與理論事實相對的是實用事實，前者是通過后者翻譯而成的。在這里看不到剛剛宣稱的任何確定性了。物體是具體的塊料；溫度不是每一點的，而是某一體積內的平均溫度；溫度也不是某一嚴格的數，而是不超出某一范圍。迪昂關于實用事實和理論事實的論述，使我們想起他的同胞彭加勒關于未加工的事實和科學事實的劃分及觀點 。
關于實驗，迪昂認為，物理學實驗是精確地觀察現象，并伴隨著對這些現象的解釋；這種解釋用抽象的符號描述代替通過觀察實際收集到的具體資料，前者借助于觀察者所承認的理論與后者對應。物理學實驗的結果決不是知覺一組具體的事實，而是形成把某些抽象的、符號的觀念相互聯系起來的判斷。迪昂注意到，抽象的符號和具體事實之間可以有對應，但不是完全的對稱；抽象的符號不能恰如其分地描述具體的事實，具體事實也不是抽象符號的嚴格體現。因此，一個理論事實可以被翻譯成大量完全不同的實用事實；一個實用事實對應于大量的不相關的理論事實。這一雙重的觀察表明，在實驗過程中實際觀察到的現象和物理學家所形成的結果之間插入了一個十分復雜的智力精制品。迪昂還看到，這種智力操作不僅體現在實驗結果所獲得的形式中，它在實驗者使用的工具中也明確地顯示出來，因為惟有現象的理論解釋使儀器的使用成為可能。
至于物理學定律，迪昂認為它是符號的關系。正如常識規律是人借助于天然的工具對事實進行的觀察為基礎一樣，物理學定律也是如此基于物理實驗的結果。物理學定律對于實在的應用，需要知道或接受整個一組定律。常識的規律僅僅是一般的判斷，如太陽從東方升起這一判斷，它或者為真，或者為假。但是，物理學定律是近似的，對于嚴格的邏輯學家來說，它不能或者為真，或者為假。正由于任何近似的物理學定律都會隨實驗精度的增加而提高近似度，因而定律本質上是暫定的。對定律的價值的估計因不同的物理學家而異，取決于他們各自的觀察工具和他們研究所要求的精度，因而定律本質上是相對的。而且，總是存在著一些情況，使得通過定律關聯起來的符號不能夠以滿意的方式描述實在，這又是物理學定律是暫定的一個原因。
關于物理學理論和實驗的關系，迪昂提出了一些有影響的見解。首先，他提出理論的實驗檢驗在物理學中并不具有邏輯簡單性。這是因為，不可能將想要檢驗的理論放在實驗室的門外，沒有理論就不可能調節任何一個儀器，或者解釋任何一個讀數。在物理學家的心目中，不斷地出現著兩種系統：一種是由他操作的玻璃和金屬的具體系統，另一種是理論用以代替具體系統的公式的抽象系統，物理學家正是根據后一種系統進行推理的。于是，人們根本就不可能割斷物理理論與檢驗這些理論的恰當的實驗程序之間的聯系，這一事實以獨特的方式使得這種檢驗變得復雜了，并且使人們不得不仔細地考慮它的邏輯意義。
其次，迪昂揭示出，一個物理學實驗決不能否決一個孤立的假設，而只能否決一組完整的理論。其理由在于：一個物理學家決定證明一個命題的不正確性時，為了從這一命題推演出對一種現象的預測并進行實驗以表明這個現象是否會產生，為了解釋這個實驗的結果并確認被預測現象沒有產生，他并不僅僅限于運用被討論的命題，他還運用他認為是毫無疑問而接受的一整套理論。因此，導致有爭議的預測不僅僅是從遭到詰難的命題而來的，而是從這一命題加上那一整套理論而來的。如果預測的現象未出現，不僅被討論的那個命題有毛病，而且物理學家所運用的整個理論的構架都有毛病。實驗告訴我們的僅僅是，在被用于預測那個現象并確定它是否出現的那些命題中，至少有一個錯誤；但是，這個錯誤在哪里，它卻恰恰沒有告訴我們。物理學家可能會宣布，這錯誤正好包含在他想要反駁的那個命題中，但他能肯定這個錯誤不在另一個題中嗎?如果他能肯定這一點，他就隱含地接受丁他所運用的所有其他命題的正確性，他的結論的有效性無非是他的信念有效性。這樣一來，物理學家決不能使一個孤立的假設、而只能使一整組假設接受實驗檢驗。當實驗與他們的預測不一致時，他所知道的是，這組假設中至少有一個是不可接受的，應該加以修改；然而，實驗并不指明哪一個應被修改。因此，判決性實驗在物理學中是不可能的。判決性實驗只能說明整個理論是否要修改，至于要修改哪一個假設，純邏輯是無能為力的，這里需要的是物理學家的洞見(good sense)。那些并非來自邏輯而又引導人們選擇的動機，那些“理智所不知道的理由”，那些對充分的“直覺的心靈”而非“幾何學的心靈”而言的理由，就構成了所謂的名副其實的洞見。
關于假設的選擇，迪昂討論了邏輯強加在假設選擇上的條件。邏輯既不要求我們的假設是某種宇宙論系統的結果，或者至少它們與這個系統的結果一致，也不要求我們的假設僅僅是由歸納概括的實驗定律，邏輯不能提出這些不能滿足的要求。邏輯強加于作為物理學理論的基礎的假設有三個選擇條件：首先，假設不是自相矛盾的命題；其次，支撐物理學的不同假設不能互相矛盾；最后，假設將以這樣的方式選擇，由此出發，作為一個整體的數學演繹能夠推出以足夠的近似度描述整個實驗定律的結果。只要理論家尊重這三個條件，他就享有完全的自由，他可以以他樂意的任何方式為他將要構造的理論體系打下基礎。在迪昂看來，物理學有兩個源泉：其一是常識的確定性，其二是數學演繹的明晰性。但是，假設卻不能夠從常識提供的公理中演繹出來。假設不是突然創造的產物，而是逐漸進化的結果。假設的提出和選擇缺乏任何指導或法則。在從經驗事實到假設之間沒有邏輯通道這一點上，迪昂的觀點與彭加勒和愛因斯坦的觀點有共同之處。
參考文獻
關于迪昂的生平、思想和工作，有興趣的讀者可參閱D. G. Miller, Ignored Intellect Pierre Duhem, Physics Today, No.12, 1966, pp. 47~53.
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