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1、第八章 科学理论的发展科学理论确立之后如何发展是科学观的一个重要内容。本章主要阐述20世纪盛行于西方的三种发展模式（观）：累积式发展观、否证式发展观和社会历史观。 【案例与讨论】1、拓荒者的遗憾 普朗克于1858年出生于德国的基尔，父亲是基尔大学著名的法律教授。普朗克先后在慕尼黑大学和柏林大学学习，曾经在基尔霍夫等人的指导下学习和研究热力学，并于1879年获得博士学位。1880年，普朗克成为慕尼黑大学物理学讲师，5年后被基尔大学聘为理论物理学特约教授。1889年，在基尔霍夫逝世后，普朗克回到母校继任了老师的职位，成为柏林大学的教授，并一直在此工作到1926年退休。1894年，普朗克被选为普鲁士
2、科学院院士；1926年，他被英国皇家学会吸收为会员。他同时还兼任柏林威廉皇家研究所所长。 也就是从他被选为普鲁士科学院院士这一年开始，普朗克开始从事黑体辐射方面的研究。他先是对基尔霍夫辐射定律中的普适函数感兴趣，决心找到这个普适函数，经过5年的努力，他得到了辐射能分布的初步公式。其后一年，普朗克集前人的研究成果，结合自己的发现，于1900年10月19日在德国物理学会会议上以对维恩辐射定律的一点修正为题，宣布了自己的辐射公式，即“普朗克辐射公式”。当天夜晚，德国实验物理学家鲁本斯将自己的实验数据与普朗克公式的理论结果作了仔细的比较，发现无论是在哪个波段二者都保持着惊人的一致。 鲁本斯将这一对比结
3、果告诉了普朗克，普朗克非常高兴，决心透彻研究辐射公式的物理意义，并确定公式中所取的两个常数的具体形式。这一决心使普朗克走上了发现量子之路。 普朗克按照玻尔兹曼统计思想，认真地考虑熵与几率的关系。辐射公式的真正物理意义被一步步揭示出来，1900年12月14日，在经过“一生中最紧张的几个星期的工作”之后，他终于做出了“孤注一掷的行动”：在德国物理学会上宣读的论文关于正常光谱的能量分布定律的理论中，他提出令人感到惊讶的能量子假定，从而得到一个被赋予具体物理意义的辐射公式。他假设，物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，以一个最小单位的整数倍跳跃式变化，这个能量的基本单位，称作能量子。这一天被看作
4、是量子论的诞生日，作用量子则被认为是最基本的自然常数之一。 经典物理学一向认为能量是连续的，并将这一传统观念当成金科玉律。但用它研究黑体辐射时却带来了“紫外灾难”，表明了经典理论的局限性。普朗克冲破了传统观念的束缚，提出了能量分立性的思想，这是物理学领域基本概念的重大变革。但也由于这个理论与经典理论是如此之格格不入，当时物理学界对它的反映是极为冷淡的。从1900年到1904年的文献中，几乎找不到有关这一理论的论文。1908年，德国的自然科学和技术史手册发行第二版，书中详尽列出了1900年全世界120项发现、发明，就是没有提到普朗克的名字。人们承认普朗克得到与实验相符的黑体辐射公式，却不接受他的
5、量子假说，其重要意义没有引起物理学界应有的关注，直到爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程于1905年的问世。 经过爱因斯坦、玻尔等人的努力，量子论最终得到了人们的认可。1918年，普朗克作为量子理论的开拓者获得了诺贝尔物理奖。 遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达14时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”到了1909年，当他重新投入量子问题的研究时，曾经告诫自己和别人，要尽可能避免采取冒险步骤，他说：“在将作用量子引入理论时，应当
6、尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有的理论。” 1910年，普朗克提出了一个理论，认为发射过程在时间上是不连续的，但吸收则是连续的。这是一次公开的倒退。 1914年，他又提出一个理论，干脆撤消了量子假说，认为发射过程也应假定是连续发生的，这又是一次大倒退。 在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候，量子论却有了很大的发展。1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；1906年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；1912年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；192
7、2年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。 造成普朗克长期犹豫徘徊的原因是传统观念的束缚。自从17世纪牛顿力学建立后，自然过程连续性的观念在物理学中已经根深蒂固。莱布尼兹曾经说过，“自然界无跳跃。”19世纪，电磁场理论的建立更使这一观念深入人心，要冲破它确实不容易。普朗克14年来犹豫徘徊带来的影响是：他没有在量子论的进一步发展中作出贡献，没有能够追随这一理论的进一步发展，科学领域的开拓者成了落伍者。在量子论创立的最初10年里，爱因斯坦起到了旗手的作用。但是到了1951年，爱因斯坦却这样总结了他的探索工作：“整整50年有意识的思考，还没有使我
8、更接近光量子是什么的答案。当然，今天每一个不老实的人都认为他知道答案了，但他在欺骗他自己。”量子力学的深邃难解或许是让普朗克倒退的另一个原因。但普朗克在两次倒退的过程中对量子论做了深入的理论研究，这是有一定意义的，不过量子论最终获得胜利则是由于它在微观领域研究中的普遍意义和价值。 面对量子论的发展与成功，以及科学界的批评，普朗克最终放弃了倒退的立场。1920年，在诺贝尔奖颁奖仪式上，他作了题为量子理论的创立和当前的发展状况的演讲，演讲中他说：“我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明，这句名言是：人要奋斗就要有错误。” 普朗克一直受到同事们的尊敬，这不仅是由于
9、他的重要科学发现，而且还由于他的品德高尚。纳粹统治德国时期，普朗克留在自己的祖国，他公开反对政府的某些政策，特别是反对迫害犹太人的政策。这是他一生中遭遇痛苦和不幸的时期。1944年，他的一个儿子被控告参与谋杀希特勒的未遂事件，在大战即将结束时，他的家被炸成废墟。1947年，普朗克在格丁逝世。 普朗克的工作得到了科学界的高度赞扬。1948年，在追悼普朗克的大会上，爱因斯坦作了这样的评价：“量子这一发现成为20世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的理论。而且，它还粉碎了古典力学和电动力学的这个框架，并给科学
10、提出了一项新任务：为全部物理学找出一个新的概念基础。”资料来源：载中国科技画报，2001(9)。讨论题 1.量子论的提出对于整个后来自然科学的发展有什么意义？ 2.题目“拓荒者的遗憾”是什么意思？并进而从科学发展的角度去分析。 3.如何理解“量子这一发现成为20世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现”？ 2、批判 理性 精神世界 当代著名科学哲学家卡尔波普尔的思想自传无穷的探索，使我们在领略他那丰富、深刻、敏锐有力的思想之余，得以窥视他内心深处的智慧之泉，循着他精神生长的历程在哲学和科学的王国漫游，最后把握住他的哲学的主要精神。波普尔的这部思想自传，正如它的标题所示，记载了他
11、不懈努力，无穷探索的思想历程。它确实是“思想史的一篇卓越文献”，把他自己智识进化的历程，他那个时代的政治、社会气氛，知识发展水平和背景，刺激他的思想迸发火花的人和事，作了条理清晰，栩栩如生的描写。批判科学的本质在思想史上不乏这样的先例：一次不起眼的事件触动了青年思想家的心灵，对他一生的思维、研究或政治活动起到了激励和定向的作用，成为他的精神发展的里程碑。据说，印度的圣雄甘地年轻时有一次乘火车遭到了种族歧视，这强烈的刺激改变了他一生奋斗的方向，使得他忘我地终生为印度的民族解放而奋斗。英国大哲学家罗素在回顾他的哲学思想发展时告诉我们，他在一九九年参加在巴黎召开的世界哲学大会，在会上遇见了意大利数学
12、家皮阿诺，这件事促成了他的哲学分析方法和逻辑原子论的发展，是划分他的前期哲学和后期哲学的分水岭。波普尔在他思想的羽翼丰满之前，也遇到过类似的事件。一九一九年，波普尔的故乡维也纳政局不稳，民心动摇，与此同时，他的精神也正值多事之秋。这一年的五月，爱因斯坦关于日食时的预言，被两个英国科学考察队成功地验证了。这件事使年轻的波普尔浮想联翩，这不仅仅是因为一种崭新的物理理论相对论得到了人们的承认，使波普尔印象最深的是爱因斯坦对待自己理论的明确态度。爱因斯坦毫不含糊地宣布：如果他的理论在某些检验中遭到失败，那么他认为广义相对论是站不住脚的。波普尔在此之前思考的中心问题是：如何划分科学与非科学的界限？一系列
13、的事件使他懂得了苏格拉底的名言：“我知道我一无所知。”这使他成为一个可错论者，使他清楚地意识到教条思维和批判思维之间的区别，由此提出了他的名噪一时的“证伪说”。他在一九一九年末得出了一个结论：“科学的态度就是批判的态度，这种态度并不去寻找证实，而是去寻找判决性的检验；这些检验能反驳被检验的理论，虽然这些检验决不能证实它。”（无穷的探索，第36页）波普尔认为，爱因斯坦的态度是科学态度的典范，它提示：原则上的可证伪性是关于科学理论和伪科学理论之间分界的标准。“如果有人提出一个科学的理论，那么他就应该像爱因斯坦所做的那样回答这个问题：在什么条件下我会承认我的理论是站不住脚的？换言之，我会承认哪些可设
14、想的事实是对我的理论的反驳或否证？”(第39页)波普尔的可证伪性学说有两个打击目标，其一是要揭破伪科学理论的乔装打扮，其二是要反对证实主义和归纳主义这一类科学哲学中由来已久的正统见解。自从培根以来，经验主义的传统一直认为，科学始于系统、详尽的观察，在大量占有观察资料的基础上，通过一系列去粗取精、去伪存真的方法，就归纳和总结出科学理论。在波普尔时代占统治地位的逻辑经验主义主张，科学命题要具有经验意义，就必须在原则上能够由观察来证实。当逻辑经验主义者认识到完全的证实是不可能的(因为可以做无数个实验来检验一个科学陈述)时，他们以“概率”为武器打一场后卫战。他们宣称：虽然我们得不到完全的证实，但我们可
15、以不断增加实验检验，以增加科学理论的经验内容，提高它的可信程度。波普尔毫不留情地驳斥了这种主张，他说，我们必须看到证实性实验和证伪性实验在逻辑上的不对称性：不管有多少实验是理论的正面证据，和可能有的无数次实验相比，概率是零，但一次证伪性实验就足以彻底判决一个理论不能成立。而且，高概率意味着内容空洞无物。比如：“明天下雨或者不下雨”的概率是1，但实际上并未报告我们任何关于天气的信息。所以波普尔说：“使一个理论或一个陈述成为科学的是它拒绝或排除一些可能事件的能力禁止或阻止这些事件的发生的能力。因此，一个理论禁止得越多，它告诉我们得就越多。”另外，正面的证实是没有的，只有经受住了证伪的理论才可以算是
16、暂时地得到了证实。 尝试和竞争理论的天性 科学理论，是从哪一点迈出第一步的？科学理论，如何从简单、低级形态向复杂、高级的形态过渡？传统的回答（也是直观的回答）是：科学始于观察，科学家在开始阶段就像勤劳的蜜蜂采集花粉一样辛苦地收集事实；长年累月，科学家总是不断地给知识的大厦添砖加瓦；理论的涓涓细流终于汇入体系的长江大河，最后流进真理的海洋。波普尔首先把他那证伪学说投向这熟悉而又简陋的理论，他听到了理论框架开始发出破裂的声音。他丢弃了这个陈旧的说法，提出了一个具有极度变革性的科学理论发展的动态模式。这个模式可以简略地概括在以下图式中：P1TTEEP2。这里的P即问题（Problem），问题的产生是由
