尼科爾斯的科學(xué)問題觀探析

顧 益, 吳海燕

(1. 江南大學(xué) 馬克思主義學(xué)院, 江蘇 無錫 214122; 2. 南京曉莊學(xué)院 馬克思主義學(xué)院, 江蘇 南京 211171)

科學(xué)問題是科學(xué)研究的核心要素,科學(xué)問題的提出和發(fā)展是科學(xué)研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。波普爾提出“科學(xué)始于問題”[1],愛因斯坦認(rèn)為“提出一個問題往往比解決一個問題更重要,……提出新的問題,卻需要有創(chuàng)造性的想象力,而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”[2]。然而,大多數(shù)科學(xué)哲學(xué)家卻把注意力集中在對科學(xué)理論的研究和分析上。托馬斯·尼科爾斯(Thomas Nickles)指出,科學(xué)研究本身就是圍繞問題展開的,輕視對科學(xué)問題的研究,不但忽略了認(rèn)識和闡述一個好問題也是科學(xué)研究的任務(wù),放棄了關(guān)于問題的方法論研究,最終也不利于通過探究科學(xué)理論來解答問題。他呼吁科學(xué)哲學(xué)家改變面向理論的(theory-oriented)[3]研究傳統(tǒng)。

一、 問題研究的美諾悖論

對問題的研究最早可以追溯到柏拉圖的《美諾篇》[4]。美諾提出了極富爭辯性的美諾悖論:人不可能去尋求他已知的,因為他已經(jīng)知道了,人也不可能尋找他所未知的,因為他不知道要尋找什么,即使他遇見了,也不知道這正是他要尋找的[5]。蘇格拉底則認(rèn)為知識始于問題,他應(yīng)對美諾悖論的方法是反詰靈魂。他認(rèn)為,知識不是來自于傳授,而是來自于提問,通過反復(fù)拷問自己,人們可以回憶出知識。問題的作用就是幫助人們回憶靈魂中已有但遺忘的知識。

美諾悖論不僅涉及科學(xué)研究如何可能的問題,尼科爾斯指出,它還涉及科學(xué)問題本身,例如科學(xué)問題是否存在,如何可以算做是對問題的解答,等等關(guān)于“問題”的問題[6]。因為在問題學(xué)視域下,美諾悖論意味著,如果科學(xué)家知道了科學(xué)理論是什么樣的,那么他已經(jīng)有了答案,不存在問題;而如果他不知道理論是什么樣的,那么通過理論來解答科學(xué)問題是不可能的,提出科學(xué)問題也就因此是無意義的。尼科爾斯認(rèn)為,跳出該悖論的方法是表明第二部分是錯誤的,即我們可以在不知道問題答案會是什么的情況下,探尋可能的解答[7]。

經(jīng)驗主義者在以理論為核心的科學(xué)哲學(xué)中,特別是在對科學(xué)理論的結(jié)構(gòu)和演變的過程的論述中,也涉及了提出和解決問題如何可能的思考。然而尼科爾斯指出,傳統(tǒng)經(jīng)驗主義者(traditional empiricists)并沒有對科學(xué)問題這一概念進(jìn)行專門的探討,他們通常強(qiáng)調(diào)科學(xué)問題即研究目標(biāo)。例如圖爾敏認(rèn)為科學(xué)問題是“我們從學(xué)科目標(biāo)或者理念中減去當(dāng)前能力所剩下的”[8],他的科學(xué)問題概念包含兩個部分,即存在有待處理的可觀察現(xiàn)象,以及對這些經(jīng)驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋、預(yù)測或者控制的要求。他們認(rèn)為科學(xué)問題主要在理論與經(jīng)驗不相符的情況下產(chǎn)生,例如現(xiàn)有理論無法對某些可觀察現(xiàn)象作出合理的解釋或者預(yù)測。尼科爾斯指出,傳統(tǒng)經(jīng)驗主義者隱藏在理論描述中的科學(xué)問題概念過于簡單,只涉及了提問對象和研究目標(biāo),沒有進(jìn)一步說明什么樣的解釋或者預(yù)測可以算做是對問題的解答,也沒有提及分析、解答問題的方法,因此無法解決美諾悖論。此外,如果科學(xué)問題只是科學(xué)家在理論與現(xiàn)象沖突時科學(xué)家“非結(jié)構(gòu)化的”[9]困惑,那么科學(xué)問題就喪失了應(yīng)有的客觀性。

邏輯經(jīng)驗主義者推進(jìn)了對科學(xué)問題的研究。以亨普爾的科學(xué)哲學(xué)為例,尼科爾斯指出,在亨普爾的演繹—律則模型和歸納—統(tǒng)計模型中,如何說明經(jīng)驗現(xiàn)象的問題,就是尋找能夠得到經(jīng)驗現(xiàn)象良好確證的普遍定律,以及這些定律蘊(yùn)含經(jīng)驗現(xiàn)象所需的初始或者先行條件的問題。尼科爾斯認(rèn)為,邏輯經(jīng)驗主義者在傳統(tǒng)經(jīng)驗主義者問題模型的基礎(chǔ)上,加入了對問題解答的限制或者約束,從而給出了什么樣的理論能夠解答問題的規(guī)定,因而可以解決弱形式的美諾悖論,即我們不知道解答是什么,又如何知道什么樣的理論可以解答科學(xué)問題?邏輯經(jīng)驗主義者的解決方案是指出,我們可以檢驗?zāi)硞€理論能否在給定條件和方法下蘊(yùn)含期望的可觀察經(jīng)驗,只有經(jīng)受住考驗的理論才是科學(xué)問題真正的答案。

然而,尼科爾斯指出,邏輯經(jīng)驗主義者只是改進(jìn)了已有的問題模型,盡管他們的問題模型對問題的定義更為詳細(xì),并且初步描述了解答條件,卻無法進(jìn)一步解決強(qiáng)形式的美諾悖論,即他們無法通過給出尋找問題解答的方法,確保我們不會即使遇到能夠解答問題的理論卻不自知。例如,亨普爾認(rèn)為科學(xué)問題過于模糊,無法成為科學(xué)研究有效的起始點,或者說從問題出發(fā)無法成為開始科學(xué)研究的方法[10],因為就方法論而言,問題本身并沒有告訴我們尋找哪些與論題相關(guān)的經(jīng)驗事實,以及如何尋找它們和如何建構(gòu)一個可以解釋這些經(jīng)驗事實即解決問題的理論。尼科爾斯指出,邏輯經(jīng)驗主義者普遍認(rèn)為,科學(xué)研究始于已有的理論,科學(xué)問題在檢驗理論中產(chǎn)生。在科學(xué)方法論上,他們確信只有確證理論的算法,沒有發(fā)現(xiàn)理論的方法。因此,邏輯經(jīng)驗主義者往往止步于對科學(xué)問題的靜態(tài)考察,否認(rèn)科學(xué)研究始于問題,也不認(rèn)為有發(fā)現(xiàn)問題解答的具體方法,他們的科學(xué)問題模型無法應(yīng)對強(qiáng)形式的美諾悖論。尼科爾斯對邏輯經(jīng)驗主義者的問題觀的評價是,他們的科學(xué)問題模型太弱了,但從另一方面看又太強(qiáng)了[11]。太弱是因為他們忽視了科學(xué)家在尋求理論以解答問題過程中真實存在的復(fù)雜推理和方法;太強(qiáng)是指邏輯經(jīng)驗主義者相信存在可以檢驗一個理論是否能夠解釋、預(yù)測經(jīng)驗現(xiàn)象,即能否解答問題的普遍算法。因此他們的方法恐怕只適用于結(jié)構(gòu)化的科學(xué)問題,例如邏輯和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的問題,而這些問題卻通常被他們認(rèn)為是不與感覺經(jīng)驗直接相關(guān)的問題。

經(jīng)驗主義者的問題觀之所以無法徹底解決美諾悖論,不僅由于他們給出的問題概念和認(rèn)定問題解答的條件不盡完整,還因為他們忽視了探尋如何尋找問題解答的方法,以至于否認(rèn)了問題對于科學(xué)研究的重要性。波普爾強(qiáng)調(diào)科學(xué)問題是科學(xué)研究的起始點和關(guān)鍵要素。尼科爾斯認(rèn)為,波普爾的科學(xué)問題概念指的是由問題、猜測性理論框架及背景理論構(gòu)成的問題情境,而不只是邏輯經(jīng)驗主義者對現(xiàn)象進(jìn)行解釋的要求。由于涉及了更豐富的元素,波普爾的模型可以更精確地描述科學(xué)實踐中遇到的科學(xué)問題,并且通過闡明問題情境,提出“猜想—反駁”這一選擇問題解答的方法論約束條件,波普爾的否證主義問題模型足以應(yīng)對弱形式的美諾悖論。盡管波普爾與邏輯經(jīng)驗主義者一樣否認(rèn)存在一般的發(fā)現(xiàn)解答的方法,但是尼科爾斯仍然認(rèn)為,波普爾的科學(xué)問題模型可以在一定程度上回應(yīng)強(qiáng)形式的美諾悖論,因為波普爾至少表明了我們在問題情境中通過否證法得出問題解答的可能性,即科學(xué)家們提出了幾個假說來解答某個科學(xué)問題,在考察這些猜測性的解答,并且排除其中錯誤的解答的同時,我們對問題本身的理解更加清晰了。在“猜想—反駁”的過程中,我們明確了更多約束問題解答的條件,即更加清楚什么樣的假說可以算做是對問題的解答。我們在排除不符合約束條件的解答的過程中,逐步縮小允許的解答的空間,將其中那些大膽和富有想象力的假說選為對問題的解答。尼科爾斯指出,波普爾的問題模型的另一個進(jìn)步之處在于,經(jīng)驗主義者認(rèn)為問題僅存在于人的意識,即世界2中,波普爾則認(rèn)為科學(xué)問題存在于世界3中,因而科學(xué)問題是客觀存在的,不是科學(xué)家個人的困惑。既然問題具有客觀性,那么相同理論背景下的科學(xué)家們可以從不同角度甚至是不同學(xué)科來研究同一個科學(xué)問題。

尼科爾斯指出,波普爾問題模型也不是完備的,除了忽視發(fā)現(xiàn)解答的方法,該模型的缺陷還在于其無法很好地解釋概念問題[3]。盡管波普爾的否證主義可以區(qū)分深刻問題和膚淺問題,即越能夠產(chǎn)生重要理論,越能夠?qū)е聦碚搰?yán)峻的檢驗,或者越能夠引發(fā)多個解答之間激烈競爭的問題就是越深刻的問題,反之則是膚淺的問題,但是,尼科爾斯強(qiáng)調(diào),波普爾及經(jīng)驗主義者都只將科學(xué)問題視為尋求解釋或者預(yù)測經(jīng)驗現(xiàn)象的理論,例如波普爾的問題模型僅僅涉及后來出現(xiàn)的嚴(yán)峻經(jīng)驗問題。然而科學(xué)問題并不只在觀察經(jīng)驗與已有的理論不相符的情況下出現(xiàn)的經(jīng)驗問題,波普爾忽視了諸多理論內(nèi)部及理論之間的概念問題,而這些問題往往是更深刻的科學(xué)問題,它們往往會進(jìn)一步導(dǎo)致經(jīng)驗問題的出現(xiàn)。

二、 科學(xué)問題的約束—包含模型

尼科爾斯指出,經(jīng)驗主義者和波普爾對科學(xué)問題的研究已經(jīng)表明,問題學(xué)是“科學(xué)學(xué)研究”中非常重要的一部分,對科學(xué)的研究離不開對科學(xué)問題構(gòu)成、分類及其產(chǎn)生、演變和解決的研究?？茖W(xué)問題不只是從理論上解釋經(jīng)驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗問題,還包括很多深層次的概念問題(conceptual problem)。概念問題不是解釋或者預(yù)測經(jīng)驗現(xiàn)象的問題,而是不與經(jīng)驗直接相關(guān),甚至是與之無關(guān)的科學(xué)問題,例如,如何解決理論之間的矛盾的問題,以及數(shù)學(xué)問題。他認(rèn)為,在某些情況下,經(jīng)驗數(shù)據(jù)本身并不是經(jīng)驗問題的要素,卻是深層次概念問題可能存在的依據(jù)。例如,邁克爾遜和莫雷測量以太風(fēng)得到的“零”數(shù)據(jù),實際上暗示了絕對時空觀中時間與空間相互獨立、沒有聯(lián)系這一設(shè)定存在理論上的矛盾等深刻的物理概念問題,愛因斯坦的相對論解答了這些問題。

科學(xué)問題具有客觀性,但尼科爾斯認(rèn)為,科學(xué)問題不是存在于波普爾所言的世界3中,而是存在于科學(xué)理論、科學(xué)實踐和研究目標(biāo)之中,一些科學(xué)問題被發(fā)現(xiàn)了,一些問題我們只能清晰地描述其某些部分,另一些問題仍然是未知的,但我們可以逐步發(fā)現(xiàn)并且闡明這些問題。認(rèn)識到科學(xué)問題的存在并將其恰當(dāng)?shù)仃U述出來是科學(xué)研究中極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)?？茖W(xué)問題指出了有待科學(xué)家完成的目標(biāo),在科學(xué)研究的實踐中,科學(xué)家已經(jīng)通過構(gòu)建理論,解決了很多已發(fā)現(xiàn)的問題;通過給出約束解答的條件和尋找理論的方法,科學(xué)家預(yù)期可以發(fā)現(xiàn)并解決更多的科學(xué)問題,因此,對科學(xué)問題的研究是有可能的。尼科爾斯進(jìn)一步指出,一些問題之所以不可解,是因為我們還需更清晰地理解,更合理地闡述這些問題,而這些都有賴于我們尋找更多對其解答的約束和限定,對問題解答的約束條件是使科學(xué)問題具有可解性的前提。

尼科爾斯就此提出了科學(xué)問題的約束—包含模型(constraint-inclusion model),他認(rèn)為科學(xué)問題“是由對解答的所有條件或者約束條件,加上對發(fā)現(xiàn)解答(滿足約束條件的對象)的要求組成的”[9]。尼科爾斯指出,不同于哲學(xué)問題和常識問題,科學(xué)問題源于特定學(xué)科中的具體研究目標(biāo)和方向,并且在科學(xué)理論的背景下產(chǎn)生?？茖W(xué)問題不是一經(jīng)提出就固定不變,而是可以隨著研究信息域的變化不斷調(diào)整。

問題解答的約束條件是尼科爾斯問題模型中的核心要素,因為約束條件可以“決定一個問題和它的公式化表述”[3],對問題解答的全部約束條件構(gòu)成了對問題本身的描述。尼科爾斯認(rèn)為,約束條件是結(jié)構(gòu)化的,除了對解答進(jìn)行限定,還包含了對提問對象的解釋、理論術(shù)語和其他基本信息等不可或缺的要素。他強(qiáng)調(diào),約束條件之所以能夠給問題賦予意義,是因為它允許的解答本質(zhì)上是當(dāng)時科學(xué)共同體會共同認(rèn)定的解答。以科學(xué)史中的具體問題為例,黑體問題中對解答的約束條件一般是指,精確描述出對任何外來輻射完全吸收而無任何反射的物體,當(dāng)被加熱到較高溫度時,其輻射出的能量和溫度之間的關(guān)系,而對發(fā)現(xiàn)解答的要求就是給出兩者之間關(guān)系的函數(shù)。三體問題中的約束條件可以大致表述為:描述三個可被視為質(zhì)點的天體,在相互之間只有萬有引力的作用下,給定它們的質(zhì)量、初始位置和速度,它們隨時間變化的運行軌道,求解該問題就是要求給出三體運動的分析表達(dá)式。證明費馬大定理的問題中對解答的約束條件是指,證明當(dāng)整數(shù)n>2時,關(guān)于x、y、z的方程xn+yn=zn沒有正整數(shù)解,解決該問題的要求就是給出費馬大定理的數(shù)學(xué)證明?？傊?約束—包含模型表明,如果我們將科學(xué)問題認(rèn)為是一組已知或者未知的約束條件,那么我們能夠更加準(zhǔn)確地表述問題本身,以及發(fā)現(xiàn)和解決它的過程。

科學(xué)問題解答的約束條件有不同類型之分。尼科爾斯認(rèn)為,最重要的約束條件是還原約束條件(reductive constraints),即將較少數(shù)量的元素所組成的函數(shù)等公式化表達(dá)式作為解答問題的條件?？茖W(xué)家通過還原約束條件,簡化問題解答中的元素,將原本模糊的問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛筛僭厮M成的問題,從而給出科學(xué)問題的清晰定義。還原約束條件要求科學(xué)家通過建構(gòu)包含較少要素的函數(shù)或者理論來解答問題。例如,彈簧的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系問題被限定為彈力、彈性系數(shù)與形變量之間的關(guān)系問題。在哈雷彗星軌道的計算問題上,太陽、行星和彗星通常被視為質(zhì)點。尼科爾斯強(qiáng)調(diào),并非所有還原約束條件都是通過精簡問題中的變量來定義問題的。例如,普朗克和愛因斯坦的量子論改變了經(jīng)典力學(xué)對物質(zhì)實體的設(shè)定,盡管他們在約束條件中增加了解答問題所需的變量和方程的數(shù)量,但是最終會減少解答問題的所需條件的總體數(shù)量。另一種形式的還原約束條件并不把函數(shù)限定為解答問題的形式,而是將更容易處理的形式作為解答問題的條件,甚至將解答限定為轉(zhuǎn)變成已有解答的過程。第三種類型的還原約束條件是極限約束條件(limit constraints),即要求新解答在極限或者近似情況下可以還原為已有的解答。例如,愛因斯坦的光量子假說可以大致還原為在麥克斯韋方程組的框架下,將物質(zhì)吸收和發(fā)射光的能量量子化。極限約束條件要求科學(xué)家提出的解答在概念上要優(yōu)于已有的解答,并且該解答很可能是當(dāng)前尚未構(gòu)想出的全新解答。因此,極限約束條件限定的新解答絕不是從經(jīng)驗數(shù)據(jù)中通過簡單歸納得出的,而是尋求新的、更好的概念?？茖W(xué)問題中的極限約束條件實際上是要對問題解答施加更強(qiáng)的概念約束條件。

問題解答的非還原性的約束條件包括邏輯一致性和語義明晰性約束條件、簡單性等方法論上的約束條件,以及對于特定學(xué)科領(lǐng)域和研究對象的具體方法論約束條件,甚至是某些形而上學(xué)的約束條件。例如,建立物理學(xué)統(tǒng)一理論的信念這一一致性約束條件,在科學(xué)家建立量子電動色學(xué),解決統(tǒng)一弱相互作用和電磁相互作用的問題方面起著至關(guān)重要的作用。尼科爾斯指出,不同類型的約束條件有不同的層級。在某些科學(xué)問題中,一些約束條件是基礎(chǔ)約束條件,另一些則是可從中推出的可推導(dǎo)性約束條件。尼科爾斯也承認(rèn),約束條件之間并沒有嚴(yán)格的區(qū)分,某一約束條件也可以同屬于兩個甚至是多個門類。例如,可推導(dǎo)性約束條件可以分為嚴(yán)格的邏輯可推導(dǎo)性約束條件及近似或者在極限情況下的可推導(dǎo)性約束條件,而只有前者屬于一致性約束條件。尼科爾斯進(jìn)一步指出,對問題解答的約束條件是可變的。當(dāng)背景理論、概念發(fā)生改變,或者解決問題的領(lǐng)域或者方法改變了,那么對問題解答的約束條件也應(yīng)隨之改變。此外,科學(xué)問題及其解答是由多因素共同決定的,沒有哪個科學(xué)假說或者理論可以滿足所有的約束條件。值得注意的是,尼科爾斯所說的一致性約束條件與費耶阿本德所批評的經(jīng)驗一致性是不同的,費耶阿本德的攻擊矛頭主要指向這樣的觀點,即對經(jīng)驗問題的理論解答必須與觀察經(jīng)驗完全一致,而尼科爾斯針對的是兩個或者多個解答在概念上的一致性。

赫伯特·西蒙(Herbert A.Simon)認(rèn)為,科學(xué)問題是初始或者當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)之差[12]。戴維·喬納森(David H.Jonassen)等認(rèn)知心理學(xué)家主張,尚未解決的、探索性的科學(xué)問題是不良結(jié)構(gòu)(ill-structured)或者不良定義(ill-defined)的,即問題本身的界定不清晰,研究目標(biāo)不明確,沒有明確的研究方法,也沒有評價問題解答的確切標(biāo)準(zhǔn),需要科學(xué)家個人對問題作出主觀的闡述、說明和評價[13]。尼科爾斯明確反對科學(xué)問題的不良結(jié)構(gòu)定義,他認(rèn)為好的科學(xué)問題必定是被良好定義的,因為合理的科學(xué)問題中的約束條件并不是單個或者已有的約束條件,而是指所有的可能的約束條件。探究解答的要求使得科學(xué)問題必須成為具有良好結(jié)構(gòu)的概念。良好結(jié)構(gòu)的問題使科學(xué)家能夠?qū)栴}的可解性作出明確的判斷,甚至科學(xué)共同體能夠?qū)獯鹉承﹩栴}的難度和時間作出近乎一致的估計?？傊?尼科爾斯認(rèn)為,科學(xué)問題中結(jié)構(gòu)化的約束條件確保了問題本身是得到科學(xué)家良好定義的,這是科學(xué)家解決問題和實現(xiàn)研究目標(biāo)的起始點。

另一種對問題的研究是問句邏輯(erotetic logic),其討論的是問句(question)的結(jié)構(gòu),以及問句之間、問句與答案之間的邏輯關(guān)系。尼科爾斯認(rèn)為,問句邏輯將問句還原為陳述句的分析方式并不適用于對真正的“科學(xué)問題”進(jìn)行分析。因為在問句邏輯中,只有問句的前提條件為真,問句才有意義,并且問句預(yù)設(shè)的問題域和解答范圍是一一對應(yīng)的;而問句只是科學(xué)問題中的一部分,雖然約束條件是結(jié)構(gòu)化的,但我們不能只對問題進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)上的分析。我們無法保證由理論背景和相關(guān)約束條件構(gòu)成的問題前提為真,我們也無法保證任何科學(xué)問題都有答案。例如,如果某個科學(xué)問題不屬于任何理論范式,那么它就很難有得到科學(xué)共同體認(rèn)可的答案。約束—包含模型探討的始終是問題(problem)而不是問句(question)。尼科爾斯把“是什么”(what)、“為什么”(why)、“怎么樣”(how)等提問方式視為約束條件的一部分。他認(rèn)為,是約束條件決定了提問方式,而不是如何提問定義了問題[3]。例如某些約束條件中就包含了對提問對象的描述,我們因此無需再向提問對象提出“是什么”(what)的問題。問句邏輯的另一個困境是,既然問句與解答是一一對應(yīng)的,那么新的解答只可能是回答了新的問句。從表面上看,科學(xué)問題似乎也亦如此,很多創(chuàng)新性的解答都違反了原有的約束條件,它們解答了似乎是新的且與先前問題緊密相關(guān)的科學(xué)問題。例如,愛因斯坦光量子假說解決的并不是光的波動論語境下的光電效應(yīng)問題。然而尼科爾斯認(rèn)為,約束條件并不與某一具體知識綁定,問題是指向知識創(chuàng)造的抽象概念。隨著研究的深入,科學(xué)家會通過問題還原不斷調(diào)整原有問題,科學(xué)問題本身就有連續(xù)性和可修正性。問題和對問題的解答并不是同一的,在科學(xué)史上,問題還原使得許多曾經(jīng)的完整解答,后來只被視為對問題的部分解答。

三、 問題還原:科學(xué)研究的助推器

通過科學(xué)史研究,尼科爾斯對強(qiáng)形式的美諾問題也作出了回應(yīng),他認(rèn)為科學(xué)家雖然不知道科學(xué)問題最終的答案是什么,但他們能夠通過問題還原的方法,將新問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐延袉栴}的變體或者重新表述問題,使得新的問題更有邏輯性、更易處理,從而降低解題的難度[14]。以黑體問題的發(fā)展為例,尼科爾斯闡述了科學(xué)家如何能夠通過在不斷精確定義問題的過程中,持續(xù)探尋對問題更為合理的解答。

黑體問題并不是一個固定不變的科學(xué)問題,整個黑體問題的研究史就是一部問題還原的歷史。最初,黑體問題是實踐中遇到的物體被加熱到高溫時如何改變顏色及為什么改變顏色的問題。隨著實驗技術(shù)的進(jìn)步,小開口的輻射腔成為了比熱表面更好的黑體輻射源。古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)在以其名字命名的熱輻射定律中指出,基于能量均分定理,黑體問題是完全吸收任何波長的電磁波的物體,即黑體的輻射能量密度p與其輻射頻率v和黑體溫度T之間的關(guān)系問題。尼科爾斯指出,基爾霍夫簡化了原初唯象、混沌的問題所涉及的要素,將其還原為確定輻射能量與頻率和溫度之間的函數(shù)關(guān)系的問題,實驗技術(shù)的進(jìn)步和理論的發(fā)展則為該還原提供了背景支持。問題還原的一個具體方法就是不斷簡化約束條件中的必要元素,要求科學(xué)家通過建構(gòu)出包含更少獨立變量的函數(shù)來解答問題。

問題還原促成了理論的持續(xù)發(fā)展。斯特藩(Stefan)基于已有實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步提出,黑體總的輻射密度應(yīng)該與T的四次方成比例;而玻爾茲曼從熱力學(xué)理論出發(fā),也獨立地提出了這一觀點,被共稱為斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)。威廉·維恩(Wilhelm Wien)嘗試將黑體問題還原為在給定溫度下,黑體溫度與輻射峰值能量對應(yīng)的波長λ和溫度T的乘積應(yīng)為某個常數(shù)的問題。他隨后提出維恩常量和位移定律來解決該問題。然而,維恩只實現(xiàn)了問題的部分還原,他提出的約束條件適用于短波波段的黑體輻射,他們的解答在長波段會遭遇經(jīng)驗反常。瑞利和金斯也對黑體輻射能量進(jìn)行了研究,但他們也只是部分還原了問題,與維恩相反,他們提出的約束條件只能涵蓋高頻、短波范圍內(nèi)的黑體輻射。因此,他們的解答,即瑞利—金斯定律同樣面臨經(jīng)驗反常,當(dāng)輻射頻率趨近于無窮大時,定律給出的輻射能量也會趨向無窮大,造成埃倫費斯特所說的“紫外災(zāi)難”。除了經(jīng)驗問題,上述問題還原也都面臨概念上的困境,因為它們只要求解答符合經(jīng)驗數(shù)據(jù)某方面高度猜測性的統(tǒng)計規(guī)律,還原和新問題本身缺乏相關(guān)背景理論的支持。不過尼科爾斯指出,對科學(xué)問題的每一次部分的還原,都會減小科學(xué)家搜尋問題解答的空間和探尋解答的難度,很多重大的科學(xué)進(jìn)展都始于對問題哪怕是失敗的部分還原。

普朗克在解答黑體問題時,選擇將已有解答面臨的概念問題作為突破口[15]。普朗克把輻射腔體墻視為微小的量子諧振子,假定這些量子諧振子的輻射是不連續(xù)的、離散的過程,其能量值只能取某個數(shù)值的整數(shù)倍。尼科爾斯指出,通過改變對物質(zhì)的理論設(shè)定,普朗克解決了已有解答僅僅是對經(jīng)驗現(xiàn)象進(jìn)行枚舉歸納導(dǎo)致的概念問題,并且進(jìn)一步將黑體問題還原為表述理想空腔體中,量子諧振子吸收和放射的量子化輻射能的問題。最終,普朗克于1901年提出的黑體輻射定律不但很好地解決了黑體問題,還可以在極限條件下,即在僅考慮短波或者長波波段的輻射時被還原為維恩位移定律或者瑞利—金斯定律。尼科爾斯同時指出,普朗克統(tǒng)一熱力學(xué)和電動力學(xué)的信念這一一致性約束條件,在他分析黑體問題,評估已有解答的合理性,提出量子假說,以及最終提出黑體輻射定律等方面起著重要作用。

四、概念問題是對理論或概念提出的科學(xué)問題

概念問題最先由拉里·勞丹提出。勞丹指出概念問題是“關(guān)于概念結(jié)構(gòu)(例如理論)的充足理由的較高級”[16]46,他把概念問題分為內(nèi)在和外在兩種,認(rèn)為科學(xué)家針對科學(xué)理論出現(xiàn)的內(nèi)在邏輯矛盾或者不一致性,以及理論概念出現(xiàn)的模糊性,或者概念的循環(huán)論證提出的科學(xué)問題是內(nèi)在概念問題;對科學(xué)理論之間特別是與公認(rèn)理論的沖突,即不一致性或不兼容性提出的問題是外在概念問題。勞丹的概念問題遭到了克里普斯、卡勒頓等人的批評,國內(nèi)學(xué)者馬雷教授指出,勞丹的研究“僅僅關(guān)注概念沖突方面,忽視了概念協(xié)調(diào)方面”[17]。

與勞丹僅僅將概念問題局限于理論內(nèi)外的沖突不同,尼科爾斯將不涉及經(jīng)驗現(xiàn)象,而是將理論之間的不一致性或不連貫性的問題,以及其他只在科學(xué)內(nèi)出現(xiàn)的問題,乃至數(shù)學(xué)問題都稱為概念問題[9]。除了更強(qiáng)調(diào)概念問題相對于經(jīng)驗問題的深刻性和重要性,他還指出了經(jīng)驗問題和概念問題之間的緊密聯(lián)系,即嚴(yán)峻的經(jīng)驗問題背后很可能隱含著更深層次的概念問題,而未解決的概念問題往往會進(jìn)一步導(dǎo)致理論遭遇經(jīng)驗反常。盡管尼科爾斯擴(kuò)大了概念問題的范圍,但他未給能出明確的定義,并且只闡述了理論間的沖突這一種類型。例如,他指出維恩位移定律缺乏背景理論支持是一個嚴(yán)峻的概念問題,熱力學(xué)和電動力學(xué)無法統(tǒng)一的問題是普朗克首先要解決的概念問題。顯然,這兩個概念問題等同于勞丹提出的外在概念問題,前者是理論間的不兼容性問題,后者是理論不一致性問題。尼科爾斯的確也提到了科學(xué)中其他類型的概念問題,例如他指出,如何從理論中推導(dǎo)出黑體輻射定律“大致來說是一個概念問題”[3],但他沒有對此展開進(jìn)一步的分析。

尼科爾斯對概念問題模糊的定義和闡述,容易使人誤以為他和勞丹的思想是相同的。其實,我們可以將概念問題表述為:對科學(xué)理論或概念提出的科學(xué)問題。通過科學(xué)史我們可以看到,除了概念沖突,還有相當(dāng)多的理論或者概念處于中性或者協(xié)調(diào)狀態(tài)。例如,上述尼科爾斯提及的定律推導(dǎo)問題就是中性概念問題。量子理論建立后,普朗克輻射定律在什么條件下可以并且如何還原為經(jīng)典熱輻射理論則是概念協(xié)調(diào)問題,因為前者相對后者在概念統(tǒng)一性上是進(jìn)步的,概念上的近似變換不構(gòu)成概念沖突。相比之下,勞丹卻認(rèn)為理論導(dǎo)出另一個理論不構(gòu)成沖突因而不會形成概念問題[16]51-52。

尼科爾斯和勞丹都只論述了解決概念沖突問題所引起的理論進(jìn)步,然而如果科學(xué)家解決了概念協(xié)調(diào)和概念中性問題,也會產(chǎn)生科學(xué)進(jìn)步。尼科爾斯同樣沒有意識到,他提出的一些約束條件和解題方法其實也是評價進(jìn)步性的標(biāo)準(zhǔn)。借助協(xié)調(diào)論[18],我們可以在拓展非還原性約束條件的基礎(chǔ)上,嘗試將某些對解答的約束條件與解決特定類型的概念問題相結(jié)合。例如,滿足還原約束條件和概念豐富性約束條件,即能夠推演出較多的新概念或者定律的理論才能解決概念簡潔性問題。概念邏輯一致性約束條件定義了概念一致性問題?？茖W(xué)家通過問題還原方法提出的新理論,要比先前理論更能解決概念明晰性問題。隨著概念問題的解決,科學(xué)理論的局部和綜合協(xié)調(diào)力不斷上升。