判決性實驗—結合邁克爾孫-莫雷實驗看拉卡托斯對波普爾概念下判決性實驗的批判

鄧雪球

(北京師范大學哲學學院，北京 100875)

“判決性實驗”(crucial experiment)是指能夠在兩個相互競爭的兩個理論或假說之間做出判定的實驗。一般認為，這一概念最初于1620年由培根在《新工具》一書中提出。在《新工具》中，這種起到判決性作用的實驗或現(xiàn)象被稱作“指路牌事例”。指路牌事例能夠有效地保留與某一事物相關的眾多性質(zhì)中與研究對象聯(lián)系穩(wěn)定、不可分的性質(zhì)，并排除其中非決定性的、變異的和可分的性質(zhì)。培根認為，人們應該使用指路牌事例對事物的性質(zhì)作出判斷，而不是依靠“或然的推理”。這意味著，培根將“指路牌事例”，或說“判決性實驗”看作是一種邏輯上嚴密的推理，是科學實踐中有效的判決工具，應當被廣泛地用于科學實踐中。到了十九世紀，隨著實驗科學的蓬勃發(fā)展，“判決性實驗”被更為廣泛地使用，其概念和邏輯形式也得到了規(guī)范。其邏輯形式大約可以表示為：h1和h2是兩個互不相容，但無法被現(xiàn)存證據(jù)選擇的假說。在設計的判決性實驗中，按照h1推出的陳述e1和h2推出的e2也是互不相容的。如果在實際的實驗結果符合e1，根據(jù)這一判決性結果就能直接否定h2而肯定h1。形式語言寫作：((h1→e1)∧(h2→e2)∧e1)→(h1∧ h2)。赫舍爾在1831年出版的《自然科學哲學研究預論》中把判決性實驗看作是具有可接受性假說或理論所必須經(jīng)受的一種實驗，任何理論和假說面對判決性實驗的裁決都要么被確證，要么被否認。此時，判決性實驗在經(jīng)驗科學中已經(jīng)有了極高且明確的地位。自然，它也受到了來自科學哲學家們的討論和質(zhì)疑，特別是來自“迪昂-奎因論點”的質(zhì)疑。本文試通過卡爾·波普爾和伊姆雷·拉卡托斯對判決性實驗的不同看法，對判決性實驗做出進一步的評價。

1 波普爾的判決性實驗

1.1 判決性實驗在科學劃界中的作用和地位

所謂劃界問題就是為科學與非科學的區(qū)別制定標準，這個劃分即是在回答“科學是什么”的問題。對科學的定義是科學哲學的基本問題，只有在回答了什么是科學之后，科學哲學家和科學史家才能夠在此基礎上繼續(xù)討論有關科學的其他問題。不過，與其說波普爾強調(diào)為科學劃界，不如說他更強調(diào)的是劃界所依據(jù)的邏輯工具。波普爾所批判的對象是邏輯實證主義的歸納邏輯。從單程陳述過渡到全程陳述的歸納推理是否證明為正確，或者在什么條件下證明為正確，即歸納問題，自被休謨提出以來就一直困擾著哲學家們。在《科學發(fā)現(xiàn)的邏輯》一書開頭，波普爾便明確表明了自己的觀點：歸納邏輯的困難是不可克服的，歸納邏輯不僅無法達到嚴格的正確，也同樣無法達到任何程度的可靠性或“概然性”。一個理論的內(nèi)容越豐富，其真實性概率越低；真實性概率越高，其內(nèi)容越貧乏(重言式“A=A”的真實性概率為1)。歸納法不僅達不到高概率的真實性，任何額外經(jīng)驗內(nèi)容的引入還都會使一個陳述喪失一定概率的真實性。波普爾認為，歸納法的認識論基礎是經(jīng)驗基礎主義，即經(jīng)驗科學的基礎是感覺經(jīng)驗；而經(jīng)驗基礎主義的錯誤就在于將科學發(fā)現(xiàn)活動分割為了兩個部分：前一個部分是感覺和經(jīng)驗觀察，后一個部分是建立在前一個部分之上的理論。但是，觀察和理論并不是兩種獨立的活動，觀察不可能發(fā)生在理論之前。同樣，波普爾也指出，實證主義者認為只有所謂“導源于經(jīng)驗”的概念和可還原為基本的“經(jīng)驗陳述”的陳述才是科學的，正是因為他們將歸納邏輯作為了隱含的劃界標準。

與證實相比，單稱命題在證偽全稱命題時體現(xiàn)出的邏輯嚴密性是突出的。個別的事例無論重復多少次都無法證實的全稱判斷，只需一次反例的出現(xiàn)就可被證偽。(例如“所有天鵝都是白色的”)經(jīng)驗之所以可以作為理論的試金石，其原因正是在與經(jīng)驗能夠證偽理論。不難看出，這種被拉卡托斯成為“獨斷”的證偽主義認為一切理論都是可錯的，但它卻保留了一種不會錯的經(jīng)驗基礎，屬于經(jīng)驗主義和非歸納主義的組合。這種理論否認經(jīng)驗基礎的可靠性可以傳導到理論中，認為經(jīng)驗反證據(jù)是唯一反對一個理論的公斷人。一切科學理論都只是猜測和假說，它們不會被最終證實，但卻會隨時被證偽。

因此，科學誠實性標準就是“可證偽性(falsifiability)”：一個可證偽的命題就是“科學的”。科學和偽科學的劃分可不依靠事實，而是方法。一個理論如果可以被一個事先規(guī)定的判決性實驗或觀察證偽，就是科學的。反之，如果人們拒絕規(guī)定這樣的“潛在證偽者”，該理論就是偽科學的。而一個已被證偽的命題失去了其正確性，自然不再屬于科學的范疇，所以簡單來說，可被證偽但未被證偽的便是科學的。這種劃界標準下科學的誠實性就在于當一個命題被證偽時，必須無條件地拒斥這一命題。

值得注意的是，在兩個理論中進行判決的判決性實驗為什么會被視為證偽某一理論的依據(jù)，甚至被作為“潛在證偽者”而規(guī)定著理論的科學性？波普爾在解釋“可證偽性”時標注道：“在大多數(shù)情況下，在證偽一個假說以前，我們已經(jīng)有另一個假說準備著了，因為證偽實驗通常是一個判決性實驗，設計在兩個假說中決定一個。就是說，實驗是根據(jù)這兩個假說在某些方面的不同這一事實提示的；它利用這個不同來反駁其中(至少)一個?！辈ㄆ諣柌粌H對判決性實驗抱以極大的信任，而且還將其視作證偽理論和假說的主要手段，在劃界問題上也讓其扮演著重要的角色。

1.2 判決性實驗在科學知識增長模式中的作用和地位

波普爾對于科學劃界和科學方法的學說是連貫的。證偽的過程就是一個試錯的過程，證偽的方法就是試錯法，也叫猜想-反駁法?？茖W家們首先提出猜想和假說，然后尋找與這一猜想不符合的事例，并以此為依據(jù)對假說作出修正，直到否定該假說，再提出新的假說，并重復證偽的步驟。試錯法是沒有終點的，它的目的不是為了達到一個最終的、最好的理論，而是總要找到更好的假說。試錯法的邏輯不同于從經(jīng)驗事實總結定理再到一般結論的歸納邏輯，而是從提出假說開始，通過經(jīng)驗事實進行否定后件推理，再提出更完善的假說。這是一個演繹的過程，可寫作((P→Q)∧ Q)→ P?？茖W發(fā)現(xiàn)的過程不再是歸納法，而是演繹的，那么科學變化就是合理的，屬于“發(fā)現(xiàn)的邏輯”范圍。可證偽性與經(jīng)驗內(nèi)容成正比，也就是說，如果一個假說比另一個更有可能被推翻，它就具有更豐富的經(jīng)驗內(nèi)容，對現(xiàn)實做出了更多的判斷。這完美解決了歸納邏輯下經(jīng)驗內(nèi)容與正確性無法兼容的困難。

知識增長的模式也不再是知識數(shù)量上單純的積累或是取代，而是在問題→理論→排除錯誤→新問題的過程中不斷提出更深入和廣泛的問題，嘗試解決這些問題的理論也有了越來越高的確認度和逼真度?？茖W知識的增長是一個借助確鑿的事實不斷用新理論替代舊理論的質(zhì)變過程。在這個開放性的、非決定論的模式下，證偽扮演著領導角色，而證偽理論的機制實際就是判決性實驗。

1.3 邁克爾孫-莫雷實驗[2]

邁克爾孫-莫雷實驗是1887年由邁克爾遜和莫雷為測定“以太風”的速度所做的實驗，該實驗結果最終否定了“以太”的存在，有著“科學史上最偉大的否定實驗”之稱。十九世紀，隨著光的波動說流行起了一種“以太”學說。根據(jù)對機械波性質(zhì)的理解，人們認為光波的傳播也需要相應的介質(zhì)?！耙蕴弊鳛楣獾膫鞑ソ橘|(zhì)，是無處不在、絕對靜止的慣性系。這也就引起了一個問題：地球在圍繞太陽公轉的速度是30km/s，運動的地球在穿過靜止的以太時，在相切于公轉軌道的方向會有迎面吹來的“以太風”。與介質(zhì)的相對運動必然會影響光的傳播，從而一些學者推測：在地球通過以太運動的方向測量的光速應該大于在與運動垂直方向測量的光速，即，向光源運動時所測得的光速應大于不對光源運動時。

邁克爾孫在1881年針對一組相互矛盾的理論設計了一項判決性實驗。接受判決的雙方是菲涅爾和斯托克司關于地球運動對以太影響的理論。菲涅爾認為，地球在運動時會部分地帶動地球內(nèi)部的以太，因而地球外部的以太速度相對于地球來說是正的，也就是說他認為存在以太風；而斯托克司則認為，以太會被地球的運動所拖拽，因而在地球的直接表面上以太的運動速度與地球相等，不存在以太風。邁克爾孫表示，他的實驗結果證明了斯托克司的理論，并進一步斷言“靜止的以太”這一假說是錯誤的。但在洛倫茲對邁克爾孫1881年實驗的分析中，他證明了邁克爾孫的計算結果是錯誤的，該實驗沒有反駁菲涅爾的理論，而且斯托克司的理論中也存在著矛盾。洛倫茲同時提出了一個符合以太假說的新理論。為了檢驗這一理論，1887年，邁克爾孫和莫雷再次進行了更加精細的實驗，但實驗結果依舊表明地球與以太的相對速度為零。而后，包括邁克爾孫在內(nèi)的科學家們在不同地點、不同時間多次重復了邁克爾孫－莫雷實驗，并且應用各種手段對實驗結果進行驗證，精度不斷提高，卻始終得不到預期的實驗結果。在人們最終判定地球不存在相對以太的運動后，該實驗被譽為了“科學史上最偉大的否定實驗”。

套用波普爾的理論，邁克爾孫-莫雷實驗的結果便是推翻了以太假說的“確鑿事實”，是一次典型而成功的證偽事件，推動了科學的發(fā)展。

2 迪昂-奎因論點與精致的證偽主義

2.1 迪昂-奎因論點

“迪昂-奎因論點”對判決性實驗的質(zhì)疑和反對尖銳地指出了判決性實驗的問題與癥結所在，拉卡托斯將其總結為：“如果有足夠的想象力，便可通過適當調(diào)整一個理論所置身的背景知識，使該理論永不被‘反駁’?！钡习?奎因論點的核心之處在于，任何理論都不是孤立的，實驗所要否定的不是單個的假說，而是理論整體。這就使得判決性實驗在否定某個理論時必然要經(jīng)歷相當復雜和精細的邏輯結構，正是因為這種無法消解的精細結構，迪昂和奎因才會堅信判決性實驗的不存在。就算某一實驗的確成功否定了一組理論，我們所能知道的也只有(a∧a…∧)中存在錯誤，但無法明確究竟其中的哪一條理論應當被修改。甚至，對于這個理論系統(tǒng)中的任何一條理論的質(zhì)疑，我們都可以通過解釋和調(diào)整該系統(tǒng)的其他組成部分來確保它的正確性，這就使得針對任何一條個別理論的反駁在整個理論系統(tǒng)下顯得蒼白無力。對于樸素證偽主義來說，迪昂-奎因論點中指出的科學理論的堅韌性是一個難以解決的話題。波普爾不否認迪昂-奎因論點在邏輯上的合理性，但他也試圖通過強調(diào)背景知識的確定性而在實用的層面上保衛(wèi)有意義的科學檢驗。他認為，在實際的科學檢驗中，被檢驗假說的輔助性假設往往是已被確認為真的，所以反例所反駁的對象就只能是該被檢驗假設。拉卡托斯稱這種承認迪昂-奎因論點的邏輯合理性但否認其使用正當性的觀點為“迪昂-奎因弱論點”。拉卡托斯認為波普爾在實用層面上對背景知識的信任和堅持在歷史性的考察中是相當值得懷疑的，而且，事實上科學理論的堅韌性絕不是個別“反例”可以推翻的。

與波普爾相比，拉卡托斯對于該論點的接受度相當之高。盡管未在著作中明確地說明，但拉卡托斯精致證偽主義(即科學研究綱領方法論)學說的建立在很大程度上受到了迪昂-奎因論點的影響。

2.2 科學研究綱領方法論

除了迪昂-奎因論點之外，另一對拉卡托斯的思想產(chǎn)生重要影響的便是庫恩的歷史主義科學觀。拉卡托斯非常熟悉庫恩的思想和作品，在《科學研究綱領方法論》中他還詳細描述過庫恩對波普爾樸素證偽主義的反駁和對立，并做出了總結和評論。他既反對波普爾，也不認為科學的發(fā)展是像庫恩所說的一般完全非理性。在我看來，結合迪昂-奎因論點與歷史主義的批判重構證偽主義便是科學研究綱領方法論的直接來源。精致的證偽主義既保留了證偽方法和科學增長的合理性，同時也不再將孤立的理論作為判斷和證偽的對象，而將理論系統(tǒng)，即綱領，作為討論對象，強調(diào)科學發(fā)展的連續(xù)性和一些科學理論的堅韌性。同時，拉卡托斯也非常關注科學編史問題，認為科學編史學與科學哲學應當相互學習和支持。

首先，同迪昂-奎因論點一樣，拉卡托斯主張典型的描述重大科學成就的單位不是孤立的假說，而是具有嚴密內(nèi)在結構的理論系統(tǒng)。因此也就不能孤立地對一個理論進行評價，對于任何理論的評價都應該同時考慮它的輔助假設、背景知識或初始條件。所以，應該用理論系統(tǒng)代替理論，這種理論系統(tǒng)可以叫做科學研究綱領方法論。

綱領由硬核、保護帶和一些方法論構成。硬核是科學理論系統(tǒng)的基礎和核心部分，對整個理論起著決定性的作用。由于放棄了硬核就等于放棄了整個綱領，科學家必須在方法論上規(guī)定硬核是不容反駁的。保護帶由許多輔助性假設構成，它的職責是保護硬核，盡可能不讓硬核遭受經(jīng)驗事實的反駁。當科學理論與經(jīng)驗事實不一致時，保護帶會主動地把經(jīng)驗反駁的矛頭引向自身，讓構成這個保護帶的輔助性假設來承擔錯誤的責任，并通過修改、調(diào)整這些輔助性假設來保護硬核，以免硬核受到經(jīng)驗事實的反駁。這個過程就是綱領方法論中的反面啟發(fā)法，它告訴我們要避免那些研究道路。

相對應地，正面啟發(fā)法能告訴我們要尋求哪些道路：它包括一組部分明確表達出來的建議或暗示，以說明如何改變、發(fā)展研究綱領的“可反駁的變體”，以及如何更改、完善“可反駁的”保護帶。它提倡并鼓勵科學家通過精簡、修改、增加或完善輔助性假設來發(fā)展整個科學研究綱領。正面啟發(fā)法的進行并不需要反常的發(fā)生，相反，它的出現(xiàn)先于可能的反常：在正面啟發(fā)法中，科學家們所要處理的是尚未出現(xiàn)的、內(nèi)在于綱領的反駁。兩種啟發(fā)法共同發(fā)揮作用，為科學研究綱領造就穩(wěn)定的環(huán)境。

而且，研究綱領在發(fā)展的任何階段上都會有未解決的問題和未消化的反常?？茖W的、進步的綱領與偽科學的、退化的綱領的區(qū)別并不在綱領是否尚未遭到反駁，而是在于是它們否預測了新穎的事實：這是與證偽標準同時存在的證實標準，同時也是拉卡托斯在理論建設上相比于波普爾的精細之處。在進步的綱領中，理論導致發(fā)現(xiàn)新穎的事實(如牛頓、哈雷與哈雷彗星；愛因斯坦與恒星距離)；而退化綱領中理論是為適應已知事實而構造的(如馬克思主義理論)?？茖W革命的發(fā)生就是科學家們較之退化的綱領，更傾向于參加進步的綱領。

與迪昂和奎因不同，拉卡托斯沒有完全否認判決性實驗的存在。他判決性實驗分為兩種，即“小判決性實驗”和“大判決性實驗”。其中小判決實驗是在同一綱領內(nèi)部中判決不同科學變體的實驗；大判決實驗解決的則是綱領之間的沖突。但是，拉卡托斯在其著作中明確而徹底地否決了即時的判決性實驗的存在。在他看來，新綱領對舊綱領的取代并不是一個非此即彼的線性過程，在任何時刻，研究綱領都不是唯一的。結合具體的史實，我們就會發(fā)現(xiàn)科學史是一部相互競爭的研究綱領的歷史，綱領之間的競爭是一個相當復雜的過程。新綱領淘汰舊綱領的判定標準同樣不是一時便能完成的：首先，新理論要比舊理論有更多的經(jīng)驗內(nèi)容；其次，新理論要能解釋舊理論先前的成功，或者說能包含舊理論不可反駁的內(nèi)容；而且，新理論多于舊理論的經(jīng)驗內(nèi)容要能得到觀察和實驗的確證。只有當一個綱領在反復的努力下都沒能完成“起死回生”，原先所做的對它有否決性的的實驗才會被“事后地”認為是判決性的。而由于新綱領對舊綱領的取代往往要經(jīng)過相當長的時間，一個實驗是否是“判決性實驗”要根據(jù)其結果決定，其在科學史上的位置可能會在數(shù)十年后才被確認。

2.3 重新評估邁克爾孫-莫雷實驗

讓我們回到邁克爾孫-莫雷實驗。在結合了精致的證偽主義與更多的史實進行整體考量后，該實驗所代表的其實是以太綱領退化過程的一個環(huán)節(jié)。1887年之后邁克爾孫一系列實驗的零結果首先招致的不是人們對以太信念的松動，而是整個學界對實驗過程和實驗結果的巨大質(zhì)疑。同時，洛倫茲、菲茲杰拉德等學者也提出了各種學說來解釋邁克爾孫-莫雷實驗的實驗結果。到了1897年，甚至邁克爾孫本人都在一次在山頂測量以太風并失敗的實驗后加入了菲涅爾理論的陣營。他斷定自己在1887年的實驗中得出了錯誤的結論，并接受了所有可以拯救菲涅爾理論的輔助性假說。就這樣，在以太綱領的框架中，人們在二十余年里不斷修正實驗細則與理論以達到希望的結果，而從未放棄綱領本身。以太理論的終結并不來自于邁克爾孫、莫雷、菲茲杰拉德或洛倫茲，愛因斯坦所制定的一個“進步性的新綱領”主要是受到了馬赫對牛頓力學批評的激勵。愛因斯坦的新綱領不僅能“預測”并說明邁克爾孫-莫雷的實驗結果，還能預測到一些列新穎的事實，至此，舊的以太綱領才被這個新綱領證偽。而也是到了這時，即原實驗進行的二十五年之后，邁克爾孫-莫雷實驗才被看成“科學史上最偉大的否定實驗”。

拉卡托斯堅定地表明，這種意義上的判決性實驗是不存在的。即，無論如何都不存在能夠即時地推翻一個研究綱領的實驗。即使是對于退化的研究綱領，觀察和實驗也不能證偽它，能夠證偽一個綱領的只能是一個比它進步的研究綱領。茍延殘喘的以太綱領的最終落幕還是由愛因斯坦的相對論綱領完成了取代，而不是像樸素證偽主義所欲言的那般被邁克爾孫-莫雷實驗鎖單槍匹馬地擊敗。只有把科學看成研究綱領而非單個理論的戰(zhàn)場，才能說明科學的連續(xù)性、某些理論的堅韌性、以及某種程度上的獨斷的合理性。