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自然观与自然科学的交互作用探析

时间:2018-11-06 15:03作者:怡然
本文导读:这是一篇关于自然观与自然科学的交互作用探析的文章,科学的发展与自然观的革新息息相关。

  自然科学论文范文五:

  题目:自然观与自然科学的交互作用探析

  摘要:科学的发展与自然观的革新息息相关。自然科学的本质是人脑向规律的逼近体系,其创建的基石之一是模型的建构。自然观探讨自然界的一般存在的性质及其变化规律,为自然科学研究领域作本体论上的规定,具有模型先导和方法指导的作用。自然观的革新是自然科学革命的理论先导,自然科学的革命验证自然观,拓展人类的认识宽度和深度,这导致自然科学在更高的水平上面临新的危机,并意味着自然观再一次面临革新。自然观和自然科学以交互作用的方式一起发展并向规律逐步逼近。

  关键词:自然观; 自然科学; 交互;

  Abstract:The development of science is closely related to the innovation of natural view. The essence of natural science is a system in which human brain approaches to laws. One of the cornerstones of natural science is the construction of model. Natural view explores the general existence of nature and its variation laws, provides ontological rules for natural science research, and acts as the model pilot and methodological guidance. The innovation of natural view is the theoretical pilot of natural science revolution which tests natural view and expands the breadth and depth of human knowledge, leading to a new crisis of natural science on a higher level and signifi es that natural view is faced with innovation once again. Natural view and natural science develop in interaction and gradually approximate to laws.

  Keyword:natural view; natural science; interaction;

  英国哲学家、历史学家柯林武德在《自然的观念》开篇指出,欧洲思想史上有三个时期,自然的观念成为思想的焦点,“以之为基础的具体自然科学依次被赋予了新的面貌。”[3]在科学史上,近代科学的兴起与自然观的变革是彼此相关的。近代科学革命与当时古希腊自然观的复兴有着必然的联系。“这场革命首先是一场观念的革命。”[4]近代科学的全面建立与18、19世纪机械自然观的兴起也有必然联系。19世纪的热力学、电磁学等一系列科学理论都是运用机械论自然观、以力学为模式而建立起来的。“即使在20世纪,机械观思维方式仍然在相当的范围内流行,例如以还原论的形式在分子生物学等领域起了重要作用。”[5]20世纪的物理学革命与牛顿经典自然观的突破同样是相生相随的。

  为什么自然观的重大变迁会导致自然科学的重大突破?而发展的自然科学与自然观的变革之间存在什么关系?要回答这两个问题,需要对自然观和自然科学的交互作用进行深入的分析。
 

自然科学

 

  一、 自然观与自然科学的规定

  自然观为待产生的自然科学理论提供了一种核心思想,为自然科学理论的形成提供了重要思路, 具有关键性的启发作用。恩格斯在《自然辨证法》中指出 :“在哲学中几百年前就已经提出了的、早已在哲学上被废弃了的命题,常常在研究理论的自然科学家那里作为全新的智慧出现,而且在一个时候甚至成为时髦的东西。”[6]他这里所说的某些哲学命题,其实就是自然观。自然观是自然科学研究活动中的一个重要因素。

  (一)自然观的内涵

  自然观探讨自然界的一般存在,为自然科学研究领域作本体论上的规定。在早期自然科学尚未独立时,自然观履行着自然科学解释和预见的功能。自然科学在自然哲学中孕育成熟后,哲学家对自然科学关于具体存在的认知成果进行抽象,形成关于一般存在的结论。形成自然观的关键是将自然科学关于具体存在的成果抽象为关于一般存在的描述,“为了理解自然界,我们必须首先对自然界进行抽象,在头脑中构造出某种并非自然界对象本身,但却大大简化了的对象(如质点、刚体、理想流体等),着力于对这些简化了的对象进行研究,才有可能对这些简化的模型建立起精确的理论,然后才有可能借助于这些精确理论去较好的理解复杂的自然界”。[7]这是将小类的性质推广到大类上,是违反形式逻辑的。没有任何基于形式逻辑的理论能对这步抽象的正确性提供充足的证明,并且自然观也不能被直接实证,这是自然观被定名为“观”的原因。

  科学工作者在研究所考察的对象时,将所认可的自然观对对象进行逆向套用,科学工作者会不自觉的形成与其自然观相生的方法,上升到哲学层面则为方法论。比如,在早期的巫术自然观是用不成体系的“皆是神迹”的方法解释自然现象 ;到基督教神学自然观时产生教父哲学和经院哲学的方法论 ; 当牛顿力学横空出世最终确立机械自然观的统治地位时,机械还原论的方法论被总结出来。机械自然观认为这个世界都是物质的,物质都是由绝对简单的、不可再分的物质粒子构成的 ;世界上所有的现象都是由这样的物质粒子互相之间的机械作用而产生的 ;只要知道任意时刻的所有这些微粒的情况,这个世界往前任意时刻和往后任意时刻的情况都是可以计算出来的。既然所有的物质都是由这样的粒子相互作用而产生,科学家将机械自然观对研究对象逆向套用时,把对象还原成简单粒子,将物质的现象理解为粒子之间的机械作用。通过研究这些粒子彼此间的相互作用,再现其整体上的运动规律,以此解释对象的已有现象进而预言对象尚未表现的现象。

  (二)自然科学的本质

  自然科学理论的创建一般过程是 :科学家在科学观察或科学实验中发现了实验定律 ;他进而追问是什么更深层次的原因导致这样的实验定律,他对实验对象进行更详细周密的考察,做出关于对象性质的几个规定或假设(要求是尽可能少);以这些规定或假设为源头进行演绎推理,直至推出所要证明的实验定律和更多的推论。如果人们限于技术限制或逻辑上不可能直接观测这些规定或假设,需要相关桥梁性的规定或假设使之与可观测的性质联系。科学家设计相关科学观察或科学实验对所获得的推论进行验证,以决定弃取。

  自然科学越向人类肉眼观测不到的领域发展,关于对象性质的规定或假设越是无法进行直接观测,桥梁性的规定或假设在科学理论中就越发显得重要。通常把科学假说分为三个层次 :基本假设, 即关于对象性质的假设 ;桥梁假设,使无法直接观测的基本假设得到间接观测验证 ;演绎定律,即关于对象变化的规律的描述。对于实验定律,这步工作就是更深层次解释,使人们知道实验定律的适用条件 ;对于之前未发现的定律,这步工作就是预测。最后,科学假说经过科学观察或科学实验的长期验证,如果不出现反例,则上升为科学理论。

  基本假设是即关于对象性质的假设,核心是对研究对象的模型的构建。自然科学理论的创建离不开两大基石,一是对象模型的建构,二是科学观察和科学实验。事物是普遍联系的,一事物的运动发展总是与其他无限多个事物构成关系,要研究该事物的运动规律,就要同时处理无限个关系,换言之,等同于处理关于该事物的无穷元函数。由于生理的限制,人脑是无法处理无穷元函数的,人们只好使用模型来代替研究的对象。模型是对具体事物简化、抽象,即只抽取几个关键因素,把非关键的因素一概忽略。因此,科学一诞生,就带有自身无法避免的近似性。尽管一代又一代的科学家在构建模型和处理工具这两方面不断进步,但仍不能从根本上解决近似性问题。

  其实,不用无穷元函数,即使是三元二阶偏微分方程也几乎无法处理。科学实验自身也有着永远无法克服的局限性。这主要表现在实验装置和检测仪器的局限性上。以库仑定律为例,首先,没有人能加工出绝对圆的金属球,再加之测距仪器、电量计和测力计的精度限制,故r,Q和F无法得出准确值。观察也有自身的局限性,在观察中人不知不觉地会把他固有的经验和认识掺入到观察中。此外, 观察中的疏忽也可能产生误差和存在观察的片面性。当然,利用科学仪器可以强化感官功能,排除某些由于感官和头脑造成的错觉。但任何科学仪器都是人类制造和使用的,都有一定的适用范围和灵敏度。仅凭这些不难得出,实验定律也是种近似关系。“任何科学理论,都不可能是规律本身,都带着自身无法克服的缺陷。它不过是人脑对规律的逼近体系。”[8]

  二、 自然观对自然科学的作用

  科技哲学的历史主义学派很早就审视自然观在自然科学中的地位和作用。其代表人物托马斯·库恩在其《科学革命的结构》中论述“范式”时指出,“范式”除了包括定律、假定及其应用的标准方法和仪器制造以及使用技术以外,还包括一类“更高层次的、准形而上学的承诺”,“这套承诺既是形而上学的又是方法论的。作为形而上学的承诺,它告诉科学家宇宙包含什么类型的实体,不包含什么类型的实体”。 [9]库恩的“准形而上学的承诺”就是自然现。劳丹在《进步及其问题》中提出了“研究传统”的概念 ,“简单地说来,研究传统为具体理论的发展提供了一组指导原则。这些指导原则的一部分构成了本体论, 这一本体论一般规定了存在于在该领域或该研究传统所在领域基本实体的类型。”[10]他认为,“研究传统”都显示某些形而上学即哲学的信念 , 这些信念从本体论上涉及自然存在的实体和过程 , 可见,这种信念其实就是自然观。自然观对于自然科学理论具有模型先导及指导建构模型形式的方法论作用。

  ( 一 ) 模型先导作用

  自然观探讨自然界的一般存在,一个相对最优化的科学模型是正确抽象对象的关键因素,在逻辑上自然观的一般存在有充当研究对象关键因素的可能。在这个意义上,构成模型的关键因素分为两部分 :一是自然观因素,一是对象具体因素,在自然科学理论模型的创建中应用自然观的成果,使该理论获得成功。

  牛顿力学模型的基本假设中就蕴含牛顿绝对时空观。“绝对的、真实的和数学的时间,由其特性决定,自身均匀地流逝,与一切外在事物无关,又名延续 ;...... 绝对空间 :其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。”[11]这两个假设似乎是先验的存在着的,毋须先行予以证明的。牛顿自己也认为是这样 ,“我没有定义时间和空间 ...... 因为它们是人所共知的。”[12]牛顿绝对时空观是牛顿力学描述质点运动的前提,和牛顿关于质点的规定一起构成了牛顿力学的模型。道尔顿在其《化学哲学的新体系》中所做的关于元素原子的基本假设和麦克斯韦气体分子运动论关于理想气体分子的基本假设,都是机械自然观在化学领域和气体运动领域的具体应用。

  在创建模型的思维过程中,科学家也会自觉不自觉的应用自然观的成果。假定科学家不知道自然观的意义,不可能自觉的应用自然观。通过实验他发现研究对象的实验定律,为了能够在理论上推导出实验定律,必须为对象设置几个基本假设作为逻辑推导的前提。他从已知事物的性质中抽象出若干个性质,类比地作为研究对象的性质建构若干个模型,经过试错之后,或许有模型获得成功或者全部失败。如果全部失败,他要么继续在已知事物中取经,要么为对象特别建立一个假设,以便能够逻辑的推导出实验定律。科学家向已知事物取经的过程就是一个不自觉的抽象出自然观因素并将其应用于模型构建之中的过程。从这个角度说,牛顿作为一个特别反对形而上学的人,他力求在理论中排除思辨的形而上学概念,但他也在理论中不得不使用自然观范畴的绝对时空观。

  (二)方法指导作用

  自然观对于自然科学创建的方法指导作用表现在自然观衍生的方法论对于模型建构的指导作用。这个作用发生在科学工作者构建模型的思维过程中,隐蔽性比较大,不像自然观的模型先导作用那么明显。

  科学家对研究对象长期揣摩时,对对象可能具备的结构做出大量猜想,最终的模型就是由这些大量的猜想经过试错之后确定的。在这个过程中,有经验的科学家(假定他不自觉的应用自然观成果) 会按照以前获得成功的建模的一般方法对对象进行类比模拟。这是没有路子的路子,人类只能从已知出发对未知的事物进行同化认知。

  科学家在长期的科学研究中,将具体对象的一些共同性质进行扩展,抽象成关于一般存在的模式。在处理新的研究对象时,将这一般存在的模式对对象逆向套用,将对象解构成一般存在的模式,再结合对象具体性质构建出若干个模型。对所得模型进行逐个试错以确定一个符合对象的模型。成功的建模的一般方法就从第二步产生。以机械还原论和系统方法为例,在机械还原论看来,对象会被建构成一些性质相同的部分,这些部分之间会存在着相同的作用关系 ;在系统方法看来,对象会被建构成一些按照某一结构组织起来的部分,这些部分的性质和功能以及相互的关系取决于它在结构中的位置。

  可以看出,自然观的模型先导作用体现在自然观自身的某些规定可以直接充当建构模型的关键因素,自然观衍生的方法论直接指导建构模型的形式。

  ( 三 ) 自然观发挥作用的补充说明

  自然观对自然科学理论具有模型先导及指导建构模型形式的方法论作用,但并不意味着理论创建过程中充分发挥自然观的两个作用就一定能获得成功。第一个作用能够发挥的前提是自然观的某些规定和研究对象的关键因素实现重合,第二个作用能够发挥的前提是研究对象的模型结构与自然观符合。这两条的前提都是自然观正确地反映了研究对象,这是自然观能在理论创建中发挥作用的必要条件。但是,自然观是否正确反映研究对象,是没有办法预知的,没有任何理论能够予以证明,自然观只是有可能正确地反映研究对象。因此,在自然科学理论创建过程中,应用自然观不一定能获得成功,但是,应用自然观要比不应用自然观更有可能获得成功,自觉应用自然观比不自觉的盲目摸索更有可能获得成功。这是第一点说明。

  自然科学理论的研究对象是具体存在,其发展的一个根本特点就是向规律的逼近。自然观是反映自然一般存在的观念体系,也有一个逼近程度的问题。拿着一个逼近程度比较低的自然观去建立理论, 这个理论虽然正确但可能前人已经研究过并获得公认。现在力学专业的本科生,以牛顿经典时空观和牛顿三定律、引力定律作为核心假设,可以推演出整个经典力学体系。人们只能评价他学习经典力学合格了,而不会认为他在创建自然科学理论。逼近程度最好的自然观最有可能符合未知对象自身,应用逼近程度最好的自然观去研究未知的领域或者已知领域的更深层次,才能创建自然科学理论并最有可能获得成功。自觉地总结提炼逼近程度更好的自然观以指导科学研究工作,可以提高工作效率和成功率。逼近程度最好的自然观可以实现指导科研工作的效率和成功率的最优化。这是第二点说明。

  自然观探讨自然的一般存在的性质及其变化规律,自然科学探讨具体存在的性质以及其变化规律。因此,自然科学研究的领域越是扩展,成果越是增多,充分吸收自然科学新成果的自然观当然就能取得逼近程度更好的效果。因此,科学工作者应保持对自然科学领域新成果的敏感度,能够及时地吸收它们,总结出逼近程度更好的乃至当前最好的自然观。这是第三点说明。

  三、 自然科学对自然观的作用

  新的自然观被总结出来,以它为前提和指导建立的某个领域的自然科学理论,经过科学观察或科学实验检验,取得了更好的逼近效果,可以断言该自然观在该领域对于是更逼近的 ;如果建立理论失败了,则至少可以判断,该自然观在该领域没有取得更逼近的效果。自然科学对于自然观是具备验证作用的。

  自然科学的一个根本特点是对规律的逼近,每一个自然科学理论的命运都必然是这样 :建立初期解释和预言事实获得巨大成功,同时自身也在不断完善,扩大人类的认识深度和广度,这是自然科学理论的“确立时期”;随着技术的进步,科学观察和科学实验朝着更深更广的领域进步,人们逐步发现了一些该理论不能解释的事实,理论进入了“危机时期”。作为自然观探针的自然科学理论,在其确立时期和危机时期对于自然观的作用是不同的。

  (一)“确立时期”自然科学理论对于自然观的验证和推动作用

  自然科学理论有三个层次 :模型的基本假设、桥梁假设、演绎定律。模型的基本假设由两个东西构成,即自然观范畴的因素与该领域对象的特殊因素。演绎定律是描述该领域对象变化的定律,这只是对规律的逼近但也是对该领域对象变化规律的一种反映。自然科学理论经过科学观察或科学实验的一定时期的检验,被认为是成功的,则说明三点 :其一,该领域应用的自然观因素正确地反映该领域的研究对象 ;其二,该领域应用的对象的特殊因素正确的反映对象 ;其三,所演绎的定律正确的反映对象的变化规律。第一点验证了自然观,增加了该自然观的可信度,推动人们更有信心地在其他领域应用它而取代旧的自然观。第二点、第三点扩展和加深了人类对自然的认识。人们通过对第二点和第三点的成果进行抽象扩展,成为自然观体系的新的补充内容或者是将要否定其自身的胚芽,推动自然观自身的发展。这两步推动就是自然科学理论对自然观的推动作用。

  气体分子运动论是机械自然观应用成功的一个范例。建立在气体分子运动论基础上的热力学, 推论出了热力学第二定律。在体系封闭的前提下,体系将朝着熵值增加的方向变化,最终达到热平衡的状态。人们将其扩展到整个宇宙,认为整个宇宙就是一个封闭的体系,整个宇宙朝着熵值增加的方向发展,最终处于热寂状态。很明显,这个观点就是人们对热力学第二定律进行扩展成为机械自然观的一个新的补充部分。与这个观点相对,一般系统论的创始人贝塔朗菲研究生物学,指出封闭的宇宙却能自发的产生着生命。生命体通过不断与外界交换物质和能量,不但不会让自己的秩序趋向混乱反而可以朝着更有秩序、更高级的方向进化着。由此,他总结出了著名的一般系统论,使自然观从机械自然观转向系统观。热寂观作为暗含否定机械自然观的胚芽出现了。

  自然观的发展是一个逼近过程,是对一般存在的逼近,它描述一般存在的内容越扩充,出现误差的地方也就越多,人们发现其误差的可能性就越大。同时,人类的认识水平和技术水平也在进步,鉴别自然观的能力也在提高,对自然观体系的每一步扩充都有可能否定其自身。

  (二)“危机时期”自然科学理论对于自然观的验证和推动作用

  自然科学理论只是对规律的逼近。随着科学观察和科学实验的技术手段的进步,人类从以前观测不到的领域进行观测和实验,取得更广更准确的科学事实。自然科学理论必然要面对越来越明晰、越来越多不能解释的科学事实,自然科学理论暴露出其逼近程度不够的弱点。自然科学理论的演绎过程一般是严密的,问题只会出在演绎的源头——模型。模型的基本假设由两个部分构成,其一是属于自然观范畴的因素,其二是属于该领域对象的特殊因素。要么模型的自然观因素出了问题,要么模型的特殊因素出了问题,或者两者都出了问题。

  科学家首先会注意模型的特殊因素。如道尔顿的化学原子论成功的解释了当时所有的已发现的化学定律,但是,不久人们发现,原子论不能解释2体积氢气和1体积氧气反应后有2体积的水蒸汽这个事实。阿佛加德罗修改原子论模型中关于原子的规定,提出原子 - 分子模型,阿佛加德罗原子分子论既包容整个道尔顿的原子论体系,又解释原子论不能解释的现象。

  模型的自然观因素不容易被关注到,主要原因有两点。第一个是科学家对自然观的作用没有认识 ;第二个是科学家把自然观当作真理。麦克斯韦波动方程提出后,当时的科学工作者看到牛顿绝对时空观和光速作为常量存在深刻矛盾,他们根本没想到牛顿绝对时空观会有问题,而将麦克斯韦波动方程的适用前提放到了绝对惯性系之中。为了验证绝对惯性系的存在,迈克耳逊 - 莫雷实验反复进行了数年,为了解释实验的离奇结果,洛仑兹和斐兹杰惹提出运动的物体在以太中长度收缩的假说, 他们依然不曾把审慎的目光投注到牛顿绝对时空观之上。对他们来说,经典物理学的危机确实是无法解决的危机。狭义相对论由怀疑牛顿绝对时空观的爱因斯坦来建立,是合乎逻辑的。

  对模型特殊因素的修正,使人们对对象的认识更准确,修正的理论更逼近 ;对模型自然观因素的怀疑和重建,不仅使自然观取得更逼近的进步,而且使重新创建的理论在更大程度上逼近规律,对这样的创建,人们往往冠以科学革命。

  四、结 语

  逻辑实证主义将自然观视为形而上学的概念而驱逐出科学的领域,牛顿也说科学要当心形而上学。但是,前者只看到科学观察或科学实验对于自然科学的实证作用,没看到自然科学对自然观的验证和推动作用,而后者自己不得不在他划时代的著作中使用被他称为“形而上学”的概念。逻辑实证主义没有认识到自然观和自然科学有着本质上不可割断的联系。

  一个逼近程度好的自然观在构建模型的内容和形式上指导科学工作者建立自然科学理论,实现效率和成功率的最优化。一个新的自然科学理论被确认为是对规律更好的逼近,指导该理论的新自然观也被验证其更正确地反映一般存在。科学工作者将该自然观推向其他领域的过程中,自然观得到修正和补充成型,被总结成系统的自然观及其衍生的方法论体系。同时,伴随人类向认识世界的深度和广度进军,人们发现当前理论不能解释的事实而暴露出自然科学理论只是向规律逐渐逼近其本质。对理论的模型屡经修改仍然不果,人们最终将目光投注在理论的根本前提即自然观因素上,这导致自然观的革新。革新的自然观引领自然科学的革命,重复前面的过程。可见,自然观的革新是自然科学革命的理论先导,科学观察或科学实验是自然科学革命的确证者,自然科学的革命验证着自然观并极大地提高人类的认识水平,这又导致自然科学最终将面临危机,而迎来自然观的再一次革新。就这样,自然观和自然科学以交互作用的方式一起发展并向规律逐步逼近。

  注释
  1[英]柯林武德著:《自然的观念》,吴国盛译,北京大学出版社2006年版,第1页。
  2吴国盛著:《科学的历程》,湖南科学技术出版社1995年版,第306页。
  3刘大椿著:《科学技术哲学导论》,中国人民大学出版社2000年版,第49页。
  4[德]弗里德里希·冯·恩格斯:《自然辩证法》,人民出版社1971年版,第8页。
  5林定夷著:《近代自然科学中机械论自然观的兴衰》,中山大学出版社1995年版,第313页。
  6向春华、芮幸良、尹晶晶:《也谈“科学警察”》,《新华文摘》2005年第9期,第142页。
  7[美]托马斯·库恩著:《科学革命的结构》,金吾伦、胡新和译,北京大学出版社2012年版,第42页。
  8[美]拉瑞·劳丹著:《进步及其问题》,刘新民译,华夏出版社1999年版,第81页。
  9[英]牛顿著:《自然哲学之数学原理》,王克迪译,北京大学出版社2006年版,第4页。
  10同上文。

  范文一:自然科学论文范文(精选6篇)
  范文二:论自然科学史的科学属性与人文属性
  范文三:人文科学与自然科学的差异与结合
  范文四:论自然科学与人文科学的统一
  范文五:自然观与自然科学的交互作用探析

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