陈嘉映:谈谈科学概念

选择字号:   本文共阅读 4464 次 更新时间:2008-06-03 11:13:02

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陈嘉映 (进入专栏)  

  借以解说概念发展的连续性。例如,虽然我们对电子的理解经历了很多变化,但“电子”一词前后各种用法之间存在着“推理之链的联系”,正是这条连续的理由链使得我们今天仍然可以正当地谈论电子这个词的概念、意义或指称, 虽然“电子”一词今天的意义和最初的意义已经大不相同。空间膨胀、 时间变慢这些概念是常识很难理解的,但夏佩尔提出,日常语词的意义本来就有历时的改变,会有所延伸,例如我们会说,我们要把办公室的空间扩大两倍,这堂课的时间过得真慢。 夏佩尔借此表明科学语汇与日常语汇的联系,进一步表明科学概念并不是什么特别的东西。

  夏佩尔用理由链来取代一套永恒不变的充分必要条件。我们所需要的是考察一个概念的历史演变,发现在这一演变中的理由的脉络,而不是寻找某种共相,寻找一套永恒不变的充分必要条件。在我看,这无疑是个正确的方向,远优于普特南和克里普克把科学定义凌驾于日常界说之上的混乱理论。 但我觉得,尽管摸索科学概念和自然概念的连续性是极有意义的工作,但不可因此模糊了科学概念和自然概念的根本不同之处。

  理由链也许可以解释那些来自日常语词的科学概念语词,如力、运动、惯性、时间、迁跃、细胞, 但它无法解释那些科学理论创造出来的科学概念。虚数、力矩、电离、夸克这些词,并不来自日常语词,而是直接由理论得到定义。此外我们还可以注意到,即使一个科学概念来自日常语词,这个语词即使是逐渐改变意义,最终也可能改变得面目皆非。日心说的反对者中有人拒绝伽利略的邀请,拒绝从他的望远镜里看一看天空。有的人看了,但不承认他在望远镜中所看到的。他们也许只是些老顽固。然而,用望远镜看还是看吗?我们多半会说:当然还是。用射电望远镜看呢?当天文学家声称“看到了”银河系中实际存在的黑洞,他们是怎样“看”的呢?他们看到了一个黑黑的洞吗?变化是逐步发生的,但在现代物理学中,“看”和“观察”这些语词的涵义已经和它们的自然涵义相去很远了。

  像力矩、电解质这样的纯粹技术性术语,我们一望而知它们的意义是由某种特定的物理理论规定的。我们也许不懂得这些语词,但它们并不造成混淆。带来混淆的反倒是运动、加速度、动机这类语词,它们来自自然语言,同时又是科学理论中的概念。我们外行很难摆脱这些概念的自然意义,然而,它们在科学理论中往往有很不相同的意义。最简单的例子是“鱼”,在我们的日常理解里,鲸鱼和海豚都是鱼,而在动物学里,它们不属于鱼类。

  作为科学理论概念,它们不受自然概念的约束,它们可能与自然概念大相径庭,甚至互相冲突,例如惯性运动、运动状态、不可见光、无意识动机、空间膨胀、空间弯曲。我们从这些最基本的概念可以看到它们在自然理解中的含义和在科学理论中的含义是多么不同。牛顿在建立绝对空间的概念时说,空间各点在运动是荒唐的,它们能在哪里运动?我们也会问,空间向哪里膨胀?向哪里弯曲?

  关键在于,即使那些来自日常语汇的科学术语,在一门成熟的科学中,其意义也是由科学理论规定的。运动、力、空间、时间、质量、真空,在科学中的用法和日常用法都有或多或少的差异。科学规定自己的概念。我们平常怎样使用这些词,对物理学家没有多少约束。

  如果科学对运动、光等等的定义和我们对这些词的日常理解相悖,科学干嘛还要使用日常语词,说它讲的是“运动”和“光”呢?它为什么不给它所界定的东西另起一个名字,就像语素、夸克这类与日常语言无关的语词?科学所理解的光、运动、词,并不是与日常理解的光、运动、词完全无关的全新概念,它们是日常概念的某种变形、伸张、深入。在不断的理论构建过程中,它们最后的理论意义和日常概念脱离开了,但它们构成了自然理解和理论理解之间的桥梁。我们这些不懂科学理论的外行也能对这些理论有粗浅的、带有或多或少误解的理解,正是因为这些基本概念和我们的常识、和我们的日常概念有某种联系。实际上,我们外行常见的科学语汇多半来自日常语词,我们或多或少能够理解这些桥梁概念,而像力矩、电解质、语素、夸克这样的概念,是由某种科学理论创造出来的,我们不掌握相关理论就完全无法理解。

  仅仅指出日常语词在用来建构科学理论的过程中会一步步变得面目皆非还远远不够。我愿强调的是这种转变和语词意义的自然改变是不一样的。语词意义的自然改变是就事论事的,而语词意义在科学理论中的意义改变是系统的,服从于特定理论的需要,有固定的数学化倾向。 自然概念向科学概念的转变虽然经常是逐步进行的,但这种转变的方向则是稳定的。下几节将以运动、静止、力、加速度等概念来表明了这一点。语词在进入科学理论体系之后的改变与它们的自然改变不可等量齐观。像夏佩尔那样用日常语词的意义改变来类比科学概念的发展模糊了这一根本差异。

  日常概念的自然演化是在同一个平面上进行的,新概念出现了,取代了旧概念。科学概念的产生却不是这样。尽管在科学理论中,地球围绕太阳旋转,冰是有热量的,鲸鱼不是鱼类,但在我们的自然理解中,太阳仍然升起西落,冰是冷的而火是热的,鲸鱼还是鱼。科学概念原则上并不取代自然概念,而是构造一个整体,形成一种新的语言,一种亚语言。

  在一个成熟的科学理论中,科学理论概念逐步取代了自然概念或曰经验概念,前者越来越少地依赖于后者,理论概念之间互相定义,逐步获得理论严格性。也可以反过来说,新理论的成熟和自治,其标志即在于它建立了一套自己的概念,从而能够提供一套新的系统描述事物的方式。

    

  运动

  

  在牛顿物理学中,新的运动概念取代了常识的运动概念。说到科学营造自己的概念,这是最突出的例子之一。

  牛顿的第一运动定律说,除非有外力施加作用,否则每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态。第一运动定律也称惯性定律,因为,如牛顿在定义3中所表明,使一物体保持其现有状态,无论是静止还是匀速直线运动,是需要一个力的,这就是vis insita,惯性,物质固有的起抵抗作用的力。

  惯性定律是每一个学过初等物理的高小学生都学过的,它是我们普通人最基础的科学常识,我们几乎不觉察这一定律中的表述和日常话语中所含的常识是两样的,或冲突的。上节说到,在日常话语中,大地是静止的,我们以大地为参照来感受什么在动,什么静止不动。运动和静止有质的区别。运动需要原因,需要力,静止却不需要原因,不需要力。直线匀速运动是运动的一种,需要一个力来维持,静止却是不需要力来维持的。放在我眼前的茶杯,停在红灯前的汽车,无论如何不能说成是正在运动。在牛顿体系里,大地这个参照系被废除了。我们现在要想象的是一个无限广袤的没有参照系的绝对空间。在这样一个绝对空间中,运动和直线匀速运动成了一回事。运动和静止的感性差别在这里是无所谓的。

  按照我们的常识,没有生命的东西,如果不受外力作用,就静止不动。典型的例子是弹簧的运动或变化。生物有目的,有内在的动力,只有生物由自己发动运动。我们在日常生活中差不多主要用这个办法来察看一样东西是不是生物。 一样东西的运动是有原因的,没有原因它将静止不动,或者其运动将逐渐停歇下来。笛卡尔把问题倒转过来:“我们应该问的是,它为什么不继续永远活动下去呢?”运动本来是要原因的,现在,运动中至少有一种,直线匀速运动,像静止一样,不需要原因就能持续,或者反过来,如果说直线匀速运动需要一个力来维持,那么静止也需要一个力来维持,而这个力,惯性,和我们平常所谓的“力”颇为不同。我们平常总是说“施加一个力”,惯性却不是任何东西施加到物体上的。

  在常识以及在亚理士多德那里,位移这种运动是变化的一种,是最简单的变化。运动的物体是有所改变的物体,静止的物体却不发生改变。物体在静止时保持其本身,而在运动中则改变了本身,从而具有回复到本身的倾向,就像一根被压紧或压弯的弹簧那样。所以,一般说来,静止是自然的,在本体论上有较高地位。运动、骚动、动乱则是一种扰乱,有待消除,以回复到平静。伽利略、笛卡尔、牛顿改变了运动的意义,物体处在静止状态或运动状态中,这两种状态和处在其中的物体是分开来考虑的,运动并不改变运动的物体。运动不再是物体的变化、生成,而是相对于其他物体或绝对空间而言的。

  与变化息息相关的时间概念也发生了转变。时间本来是内在于物体变化的,现在,时间变成了像空间一样的外部框架。这一点突出体现在“运动状态”这个用语里。Status或状态是静止的意思,不变的事物处在某种状态之中,变化着的事物则不处在任何状态之中。变化是从一个状态到另一个状态的过渡。因此,运动状态差不多是个不谐用语,近乎“不变的变化”。

  我们记得,在亚里士多德那里,有些活动是由外力迫使的,有些活动则出自事物的本性。我用力把一根弹簧压弯,这是用外力来造成一种变化。我一松手,弹簧回复到原来的样子,这是弹簧出自本性的活动,这种活动使得弹簧回归它本来的状态,自然的状态。关于活动或运动的这一理解具有普遍性,使得各个领域中的活动可得到连续的理解。你把刀架在我脖子上让我给你500块钱,或者我自愿资助你500块钱,这是两件根本不同的事情。现在,事物的活动和事物本身分离开来,事物本身不再对它所经历的活动有什么影响,导致运动或变化的全部原因都被移到事物的外部来。对运动的这一理解,无论在力学上获得怎样的成就,却与我们在其他领域中对活动、行动、行为的理解不相协调,我们似乎很难取消自主行为与被迫行为之间的区分,很难设想行为的主体从来不是它的行为的原因,不是其行为的责任者。 或者反过来,在逻辑上推进外部原因这一思路似乎不得不让我们最终取消责任人的概念。我偷窃或吸毒,我自己对此没有什么责任,原因在于我从小父母离异,在于社会没有为我创造良好的学习条件,等等。

  我们多数人不曾意识到牛顿物理学的话语和日常话语的根本区别,但反观科学史,这里涉及的每一个概念都经过了长期的准备,经历了深入的讨论或争论。地球作为动与静的参照系,这一点在哥白尼那里就取消了。布鲁诺提出了无限空间的观念,提出运动并不低于静止,两者是同样高贵的。不过,布鲁诺还是在中世纪的思想框架中进行泛泛的观念之争,而在笛卡尔那里,取消静止和运动的区别具有了明确的物理学意义,直线匀速运动像静止一样,也是一种状态,两者处在同一本体论层面上,实际上已经无法区分。诚然,绝对运动不等于静止,但只有上帝才能区分绝对运动和相对运动。伽利略则为牛顿准备了新的惯性概念,在伽利略那里,惯性已被理解为物体抵抗加速度即速度变化的性质。开普勒也同样把惯性理解为“对变化的抵抗”。而且伽利略还以相当清晰的方式表述过第一运动定律。不过,在伽利略那里,第一运动定律的内容和惯性概念尚无明确联系,没有形成惯性运动的概念。

  这里所发生的概念转变远不止于引入了操作定义,仿佛我们只是为了方便把把静止和直线匀速运动视作一事,在我们的真实理解中则仍然保持两者的区别。这里发生的是基本理解的转变。为方便计而引入操作定义是一回事,由于理解的转变而不得不重新定义基本概念是另一回事。思想史上,只有第二种情况才值得说到。新物理学家不是符号操作者,他们重新定义我们关于自然的基本概念,因为只有这样我们才能更好地从数学上处理关于自然的问题。

  第一运动定律用一个数学物理的运动概念取代了一个老物理学即自然哲学的运动概念。新的运动概念在形式上极其简单,我们一旦掌握了它,就可以使运动计算变得十分简便。但它“很难被完全理解和把握”。 因为它缺少感性,和我们的常识乖离。新的运动概念和日常经验不合,这一点笛卡尔本人也注意到了。他用上帝的永恒来建立运动的守恒定律。但在牛顿那里,新的运动概念就不再需要上帝来提供持续的动力,与常识的乖离由于其整体力学理论的成功得到补偿。与新的运动概念联系在一起的一系列概念构成了一个新系统,其中的概念互相定义,标识着物理学开始摆脱自然概念的束缚。

    

  力、加速度、质量

  

  牛顿第二运动定律说,要改变物体的静止状态〔或匀速直线运动状态〕,需要在与加速度相同的方向上施加与加速度成比例的力,比例常量是物体的惯性质量。力等于质量乘以加速度,或F=ma。

  这里出现的三个概念,力、质量、加速度,都很能说明新力学的概念特点。

  力是我们直接了解的概念。我们都有关于力的经验,用力举起一件重物,感受到某种压力,心力交瘁,等等。力的概念在这些用法中有种种变形,研究这些变形是一般概念分析的任务。(点击此处阅读下一页)

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