科学方法论(科学理论)

自然辩证法（科学技术哲学）第二篇科学方法论第四章第五章科学理论及其合理性科学理论是经过实践检验的系统化的科学知识体系，它是由科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理论论证所组成的体系。

第一节科学理论的结构和基本特征一．科学理论的结构1．组成科学理论的基本要素科学理论是由3个基本知识单元自成的：基本概念；联系这些基本概念的判断即基本原理或定律；由这些概念与原理推演出来的逻辑结论，即各种具体的规律和预见。

基本概念是思维的基本单位，是反映自然事物的本质属性的思维形式。

任何学科都有自己的专有的一些科学概念。

例如，几何学中的点、线、面等；力学中的力、质点、速度、加速度、质量、功、能等；化学中的元素、原子、分子、化合、分解、价、健等。

科学概念是构成科学理论的基石，一个新理论的建立，需要若干新的概念作为它的先导或逻辑出发点，藉以在逻辑上召开它的理论体系。

否则，科学理论就会失去它独立存在的支撑点。

基本原理是科学对所研究对象的基本关系的反映，是科学理论赖以建立的基础。

它在语言、结构上表现为判断的形式，一般用全称判断来表达。

牛顿力学中的3个基本定律，爱因斯坦狭义相对论中的相对性原理和光速不变原理等等都是如此。

科学推理是科学理论中的由基本原理演绎推导出现的结论。

它执行着理论解释和预见的功能。

例如，狭义相对论中引伸出现的钟慢、尺缩效应，质能关系式等。

在由基本概念、基本原理或定律、科学推断所构成的科学理论中，各元素不是按照任意的外在的次序排列的，而是有一个严密的、前后一贯的逻辑结构。

2．两类理论——构造性理论和原理性理论爱因斯坦曾把物理学中的理论区分为两类：构造性理论和原理性理论。

构造性理论是“从比较简单的形式体系出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图象”。

1气体分子运动论就是如此。

原理性理论“使用的是分析方法，而不是综合的方法。

形成它们的基础和出发点的元素，不是用假说构造出来的，而是在经验中发现到的，它们是自然过程的普遍特征，即原理。

这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判决”。

2热力学和相对论就是如此。

爱因斯坦的这种区分虽然是针对物理学的，但对各门基础学科都有普遍意义。

这两类理论的构造方法当然是不同的，但是在结构形式中却有共同性，即从若干基本概念（可以作描述性说明而无需定义）出发，通过揭示概念的关系而形成基本原理（可以来自假说也可以从经验中得到），再运用基本原理而推导出（或证明）各种定律，这些定律常常包括由基本概念经过定义而形成的派生概念。

比较成熟的理论一般都具有这种结构。

例如，经典力学、经典热力学、相对论、量子力学等都是如此。

这显然是一种演绎结构。

当然，在许多科学理论中，除了演绎结构之外，还可以看到归纳概括的成分，有些事实材料乃至经验定律并没有完全纳入演绎结构之中，而是作为理论的补充或例外。

但是，随着理论的发展，这些归纳成分1《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年，109页2《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年，110页。

将会逐渐进入演绎结构。

二．科学理论的特征1．具有客观真理性的内容。

科学理论正确地反映了客观事物的本质及其规律性，因而具有客观真理性。

这是科学理论的基本特征，也是它和假说的根本区别。

科学理论的客观真理性要求任何一个科学理论必须具备三个基本条件：建立这一理论所凭借的事实材料必须是经过实践复核且证明是真实的。

根据这些事实材料所提出的假定性已经得到实践确认，并经得起实践的进一步检验。

根据这种理论所作出的科学预见已在实践中得到证明。

由于实践是历史的活动，受到一定历史条件的制约，因而科学理论也是一定条件下的历史产物，并在一定的历史的实践条件下受到检验，因此它只能在一定的侧面，在一定的深度和广度上反映客观世界的规律性。

所以，科学理论既有客观性。

绝对性的一面，又有条件性、相对性的一面。

2．一定条件下的普遍性。

科学理论通过揭示某一领域的共同本质而普遍适用于这个领域，能对这些领域内的复杂多样的现象作出解释，能预言出现在这个领域内的新现象。

科学理论的普遍性不是通过形式上的“去异存同”的抽象来达到的，而是通过对深刻本质的揭示而实现的。

比如，经典电磁场论通过揭示电磁波的规律性而普遍适用于电、磁、光等现象；量子理论通过揭示波粒二象性而普遍适用于各种微观客体。

3．系统性。

科学理论不是各种孤立的概念、原理的简单堆砌，也不是互不相关的各种论点、论据的机械组合，而是根据自然界的有机联系，由它的知识单元（概念、原理、定律）安系统性原则组成的有内在结构的知识体系。

4．逻辑性。

科学理论必须概念明确、判断恰当、论证严密即合乎逻辑。

理论中的范畴和规律是一个个依次推导出来的、有着前后一贯的内在联系。

科学理论一般具有演绎的逻辑结构、逻辑上的无矛盾性和完备性等特点。

第二节建立科学理论的方法建立科学理论体系的方法是多种多样的，公理化方法、逻辑和历史相统一的方法、从抽象上升到具体的方法，是几种常用的方法。

一．公理化方法这是从尽可能少的基本概念、公理、公设出发，运用演绎推理规则，推导出一系列的命题和定理，从而建立整个理论体系的方法。

由公理化方法所得的逻辑演绎体系称为公理化体系。

欧几里得在《几何原本》中以23个定义、5条公设和5条公理作为出发点，推演出467个数学命题，将古代关于几何学的知识系统化为一个逻辑上完美、严密的体系。

《几何原本》不仅奠定的集合学的基础，而且提出了公理化方法的范例（虽然并不严格），对科学理论的发展产生了深远的影响。

公理化方法很快从数学领域运用到其他科学领域。

阿基米德建立静力学理论体系时，首先提出7条公设，再从公设演绎出15条定理。

牛顿在《自然哲学的数学原理》中，运用公理化方法表述了经典力学的理论体系。

首先，他从力学现象中提出若干基本概念，如质量、动量、惯性、力、时间、空间、绝对运动等；其次，他运用这些概念表述了著名的牛顿三定律、万有引力定律；再进而推导出动量守恒、能量守恒、角动量守恒等定律；最后再将上述定律、定理运用于宇宙系统中推论出关于行星、彗星、月球、海洋等的运动。

牛顿还把公理化方法和观察实验方法恰当地结合起来。

他认为，人们创造的公理体系，只有当它可以与观察到的现象联系起来并得到确证时，才具有科学的意义。

19世纪依赖，公理化方法对数学的严密化和逻辑基础的建立起到了很大的作用。

德国数学家康托尔发现的集合论公理化系统中的的悖论推动了人们从逻辑上和数学上深入探讨公理化方法。

德国数学家希尔伯特的《几何基础》一书，把欧几里得几何学整理为从公理出发的纯粹演绎体系，并把主义力转移到公理体系的逻辑结构，成为近代公理化思想的代表作。

一个严格的公理化体系，需要满足下列条件：①无矛盾性。

在公理化体系中要求逻辑上首尾一致，不允许出现相互矛盾的命题。

这是科学性的要求。

②完备性。

指所选择的公理应是足够的。

从它们能推出有关本学科的全部定理、定律；若少了其中任何一条公理，有些定理、定律就推导不出来。

这是体系完整性的要求。

③独立性。

这是指所有公理彼此是独立的，其中任何一个公理都不可能从其他公理中推导出来，这样就可以使公理减少到最低限度。

这是公理化体系简单性的要求。

公理化方法在构造科学体系时有重要的作用，但也有局限性。

哥德尔不完备性定理说明了，任何一个公理化体系不可能既是完备的，又是无矛盾的。

任何公理化体系都是人类认识的一个阶段的总结，都不可能是绝对严格的、绝对完备的。

二．逻辑与历史相同一的方法历史是指客观事物的发展过程，或人类对它的认识过程，逻辑则是指人的思维对客观事物发展发展规律的反映。

亦即历史的东西在理性思维中的再现。

历史是第一位的，是逻辑的客观基础；逻辑是第二位的，是对历史的理论概括。

历史的东西决定逻辑的东西，逻辑的东西是由历史的东西派生出来的，是从历史中概括抽象出来的。

运用历史和逻辑相统一的方法建立起来的科学理论体系，可以有两种类型：①按照逻辑发展程序和自然事物发展进程相一致的原则来建立理论体系。

一般来说，经验性较强的自然科学理论体系是采用这种方法建立来构造的。

例如，化学的理论体系是从简单的元素开始，从元素到化合物，从无机化合物到有机化合物，从小分子到大分子等，这个过程和自然历史的发展过程是一致的。

②按照逻辑发展程序和人类认识自然历史过程相一致的原则来建立理论体系，一般说来，数学和数学化的自然科学理论体系是用这种方法来构造的。

例如，物理学的发展顺序是：力学从静力学到运动学再到动力学，再到分子物理学和热力学、波动物理学与声学，再进入电磁学、相对论和量子力学。

它与人类对宏观物理运动的认识的认识发展过程基本一致。

逻辑和历史的统一，是科学理论成熟的标志之一。

它不仅对于构造科学理论具有重要的意义，而且对于自然科学研究具有一般方法论的功能。

一方面，在科学研究中，必须对研究对象进行系统的历史考察，不仅要把握对象的现状，而且要了解对象的历史，展望其未来。

掌握对象的历史内容，使科学理论具有可靠的历史依据。

但是，历史方法，不能局限于历史现象的描述和具体事例的堆积，而要采用逻辑的方法从纷繁复杂的历史现象中揭示出事物发展的规律，凭借理论思维的逻辑力量去把握那些尚处于萌芽状态或表现得模糊不清的东西。

另一方面，人们在科学研究中必须运用逻辑方法，即：从纯粹的抽象的形态上揭示对象的本质，通过概念、判断、推理等思维形式研究事物发展的矛盾运动，从而逐步建立起科学的理论体系。

但是，逻辑分析不能脱离历史事实作纯粹抽象的论证，而要做扎实的历史研究工作，掌握自然事物的历史发展。

追溯前人认识自然的历史进程，考察科学概念的历史演变。

在充分的历史事实和逻辑分析的基础上，才能深刻揭示和概括自然现象的本质和规律。

达尔文进化论、门捷列夫周期律的建立，是科学史上运用逻辑和历史相统一方法的范例。

三．从抽象上升到具体的方法这也是建立科学理论体系的一条途径。

构成逻辑起点的概念开始是比较简单、抽象和贫乏的，随着逻辑的展开，概念的规定越来越复杂、具体和丰富，最后把事物的各种联系在思维中完整地复制出来，即把事物作为整体在思维中再现出来，达到“思维中的具体”。

这种从抽象到具体的过程也就是科学理论体系的构造过程。

经典电磁学就是运用这种上升法来建立其理论体系的。

从雷鸣闪电、摩擦生电、磁石吸铁之类的“感性具体”现象中，人们抽象出若干具体概念（如电荷、电势、电场、电流、磁场、磁通量等）和定律（如库仑定律、欧姆定律、法拉第定律、比奥·沙伐尔定律、安培定律等）。

这些“抽象规定”已反映了某一方面的本质，成为电磁学的起始点。

但它们知识反映某一方面的本质，还没有达到对电磁现象的全面而具体的认识。

麦克斯韦在此基础上引入“位移电流”的新概念，并建立了一组微分方程用以揭示电荷、电流、电场、磁场之间的联系。

它不仅预言了电磁波的存在，而且揭示出光、电、磁现象的本质的统一性。