科学方法与科学认识.ppt

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1、科学方法与科学认识,一、科学发现与科学方法,1、关于万有引力的发现,万有引力定律：,谁是它的发现者？它的发明权归谁所有？,英国科学家胡克（R.Hook，16351703）在1693年提出声明：是他首先发现了平方反比定律。,在这之后，牛顿（I.Newton，1642 1727）声明他在 1666年就已基本解 决了向心力定律和 平方反比定律。,胡克已觉察到引力和地球上的物体的重力有同样的本质。,在1674年，他提出了三条假设：第一，据我们在地球上观察可知，一切天体都具有倾向其中心的吸引力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围内的其他天体。因此，不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响，而且

2、地球对太阳和月亮同样也有影响，连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响。,第二，凡是正在做简单直线运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其倾斜，并使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前，他将继续保持直线运动不变。,第三，受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依赖于距离的问题，在实验中我还未解决。一旦知道了这一关系，天文学家就很容易解决天体运动的规律了。,1680年1月6日，胡克给牛顿写了一封信，信中问到：如果引力反比于距离的平方，行星的轨道将是什么形状？,1684年，在胡克、哈雷、伦恩（Christopher Wren，16321723）等人的一次聚

3、会中，又提出推动这一问题的研究。伦恩提出了一笔奖金，获奖条件是于两个月内完成这一证明：从平方反比关系得到椭圆轨道的结果。,1687年，牛顿出版了他的名著自然哲学的数学原理，公布了他的研究成果。,胡克是一个卓越的物理学家，为什么未能将万有引力定律也冠以胡克的名字。牛顿说他于1666年就解决了万有引力定律问题，似乎也缺乏充分的证据。,据记载，牛顿在当时用平方反比关系来研究地球与月球的引力作用时，计算结果误差较大。原因是什么？,一个球体吸引它外边的物体时，就好象所有质量都集中在它的中心一样。,把地球和月球都做为质点来处理。“科学抽象”“理想化方法”。,2、关于DNA双螺旋结构的发现,1953年4月2

4、5日，D.Watson（25岁）和F.Crick（37岁）在自然上发表论文：核酸的分子结构脱氧核糖核酸的结构宣布了他们发现了DNA的双螺旋结构。D.Watson和F.Crick 荣获1962年诺贝尔生理学、医学奖（同时获奖的还有wilkins）,关于DNA结构的竞争：美国加州理工学院的著名化学家Linus Pauling（1954年获诺贝尔奖），因发现了蛋白质的螺旋结构，继续研究DNA的结构。,英国伦敦金氏学院的 M.Wilkins 和他的同事 女学者R.Franklin，掌握 着第一流的X射线晶体学 技术，并已拍制了 DNA的X射线衍射图。,英国剑桥大学 卡文迪许实验室的 Watsonh 和

5、Crick。,Watsonh 和Crick将DNA与蛋白质相类比，蛋白质呈螺旋型，那么“DNA结构也应该是一个螺旋型”。,类比方法的更重要的作用：形成研究的思路与目标。,宇宙如何起源？这一问题比较大 从何研究起，从哪个地方下手？什么物理性质是宇宙创生问题的关键？,物理学家运用类比方法，从玻尔处找到了思路。玻尔研究的是小“宇宙”原子结构。,玻尔抓住的问题是：为什么按照经典电磁理论，有核原子模型必定是不稳定的，原子中的正负电荷为什么免不了要塌缩在一起呢？,在标准宇宙学模型中，宇宙时空具有奇性。如果把整个宇倒溯回去，也呈现“塌缩状态”。,对比一下：原子塌缩源于经典电磁理论 宇宙塌缩源于经典引力理论,

6、追随玻尔！玻尔用量子论使原子避免了塌缩。量子引力理论有可能使宇宙避免塌缩。,宇宙学的研究中 的“量子引力理论”。量子引力理论的研究是很难的工作，现在有希望通过拓扑量子场论和二维共形场论等方面的工作来获得进展。,再回到D.Watson和F.Crick他们选取模型方法，把认识对象作为一个比较完整的形象表示出来。,弗兰克林不赞成用模型方法，认为这是“下策”。,D.Watson和F.Crick的合作还是物理学家与生物学家结合的成功范例。D.Watson是生物学家，善于从生物学角度思考问题，凭直觉断定生物体偏爱螺旋型。F.Crick是学物理出身，但后来转攻生物学博士，熟悉实验仪器，善于从物理学角度进行计

7、算、核对数据。,二、科学方法与科学认识,1、科学认识的特点实证性即，科学认识提供具体、明确的知识，其结论是确定的，并可以验证。,深刻性即，不停留在表面，揭示现象背后的本质，阐明其内部机理，对现象进行解释和预见。现象与本质属性与实体功能与结构统一起来。,创造性创造性体现在两个方面：科学理论 人工客体。列宁：“人的意识不仅仅反映客观世界，并且创造客观世界”（列宁全集，38，P228）,2、科学认识过程的多维分析从感性认识上升到理性认识，以及从理性认识再到实践的过程。从多角度分析。,从“认识内容”方面进行分析认识内容归根结底是反映客体。在科学认识过程中，客体被反映程度是怎样的？,恩格斯的分析：以能量

8、守恒和转化定律为例，个别性的判断摩擦是热的一个源泉，特点是记录单独的事实；特殊性的判断一切机械运动都能借摩擦转化为热，特点是单独的事实被纳入一个特殊的类中加以说明；普遍性的判断任何一种运动形式都能转变为其他运动形式，特点是形成一般规律。,日本物理学家武谷三男 以经典力学发展线索为例：现象论阶段实体论阶段本质论阶段 描述现象、了解现象的实体结构 认识实体间相互作用规律，记录实验结果 整理对现象的认识 说明产生现象的原因 第谷的天文学 开普勒行星 牛顿万有 观测资料 运动三定律 引力定律,认识内容是对客体的认识、反映程度是递进的。科学史上有不少这方面的例证：化学 定比定律道尔顿原子论门捷列夫元素周

9、期律物理学上 原子放射性现象原子模型量子力学生物学 遗传定律基因学说分子遗传学,认识过程是从现象实体本质或个别性特殊性普遍性的过程方向是指向认识内容的深化。,从“认识形式”方面进行分析一般把认识形式分为两大类：感性直观形式（感觉、知觉、表象）；理性思维形式（概念、判断、推理）。,美国科学哲学家汉森（N.R.Hanson）“观察渗透着理论”。发现的模式-对科学的概念基础的探索1958年（中译本，中国国际广播出版社，1988）,最基本的思想：科学观察不单纯是视觉意义上的看，看是一种渗透着理论的事情。对某一事物的观察是由关于这一事物的先行知识构成的，用以表达知识的语言和记号也对观察产生影响。,凝结认

10、识成果的认识形式：科学问题 科学事实 科学概念 科学定律 科学假说 科学理论,认识形式与科学认识过程的联系是：不同认识形式可以成为认识过程不同阶段的象征。,科学问题表现的是现有理论与新事实之间的不谐调（反常、危机），疑难；科学概念是基于一定科学事实抽象出来的；科学定律是揭示概念之间的关系；科学理论包含着科学概念和科学定律，表现的是关于研究对象的完整认识。,科学认识过程实际上是在科学问题、科学事实、科学概念、科学理论等认识形式的更替中进行的。,从“逻辑结构”方面进行分析最早对科学认识过程进行逻辑结构分析的是古希腊的亚里士多德。,简单枚举法 直觉归纳法直觉归纳法，是一种从感觉经验材料中看到“本质”

11、的能力，就是洞察力。,亚里士多德认为科学的目的在于解释，更重要的是从一般原理推论出需要解释的现象。用什么方法从一般原理推出关于现象的陈述呢？,亚里士多德提出只有用“巴巴拉”式三段论进行演绎才能得到可靠的结论。,巴巴拉代表三段论中第一格的第一式，即推理的大前提、小前提和结论都是全称的肯定命题。,大前提：凡生物必死 所有M是P小前提：凡人是生物 所有S是M结 论：凡人必死 所有S是P,亚里士多德指出，只要每一个S都包含在M中，每一个M都包含在P中，是真的，那么每一个S都包含在P中也必定是真的。他的贡献是：一个论证的可靠性仅仅由前提和结论之间的逻辑关系来决定的。,问题：“凡人必死”是普遍性程度较低的

12、规律，“凡生物必死”是普遍性程度较高的规律，科学解释就是要揭示它们之间的必然联系。“凡生物必死”这一规律还需要用比它的普遍性程度更高的规律来解释以此类推无穷倒退。,亚里士多德规定，每门科学的最普遍规律第一原理应该是不证自明的，但必须是由观察中归纳出来的。,亚里士多德的对科学认识过程的逻辑分析的基本思想，被后人所继承。这就是近代科学产生以后，所出现的。,归纳主义认为：科学研究是通过观察而获得科学事实。进行归纳而发现定律和理论。从定律、理论和先行条件（即初始条件）的合取中，演绎出解释和预见。解释和预见还需要观察来检验，一旦证实，定律和理论也就被确证了。,证伪主义是波普（Karl Raimund P

13、opper，19021994）提出的。他自称是从爱因斯坦得到启发。爱因斯坦在1952年5月7日给索洛文的信中。,图见爱因斯坦文集第一卷P541,爱因斯坦认为：在直接经验和公理A之间不存在任何必然的逻辑联系。理论的发现不是逻辑的，而是靠直觉。公理集A与导出命题S之间存在着逻辑通路，但导出命题S与直接经验之间不存在必然的逻辑联系。,波普的证伪主义。问题1试探性理论排除错误问题2,问题1：科学认识从问题开始。,试探性理论：为解决问题而提出。试探性理论怎么得到的？直觉、想象、猜测科学家的自由创造。,前验评价。目的有3点：是否严谨、自相矛盾，是否具有可否证性；是否已被否证；挑选最可检验的，信息量，经验内

14、容。关键是可否证性，即可证伪性。,否证是一种否定后件的推理。其形式：前提1 P Q（如果P则Q）前提2 Q（非Q）结 论 P（则非P）这一结果具有必然性。,如：凡天鹅皆白（P），则天鹅 t 亦白（Q）；观察到天鹅 t 不是白的（Q），所以天鹅皆白这一命题为假（P）。,波普认为，凡科学陈述都应具有可否证性，即从试探性理论推出的结论（解释、预见）在逻辑上或在原则上有可能与一个或一组观察陈述相抵触。,逻辑上不可否证的陈述有两种：重言式 摸棱两可式（也有两种）,可否证的也有两种：已被否证的，如物体体积遇冷收缩。尚未否证，如行星以椭圆轨道绕日运动等。,在试探性理论这一阶段，就是要选择具有可否证性，但尚未被否证的理论；如对同一问题有多个试探性理论，则选择否证度最高的。,排除错误：从前验评价后验评价，即进行实验检验。,波普认为，如果试探性理论被否证，从科学认识过程来说，并不是失败，而是该理论对科学认识作出了贡献。有了它才能提出一个检验的实验，才能知道它错在什么地方。不断地试探性，不断地否证，逐步选择出真的理论。,被否证的理论同时还导致新的问题，即问题2。,波普把科学认识看作一个不断发现问题，不断解决问题的过程。逻辑+创造的过程。,做一个头脑清醒的研究者。,