唯像型理論和構建型理論

唯像型理論和構建型理論

根據出發點的不同,我們可以將理論劃分為唯象型理論和構建型理論,以發現它們在不同的認識階段所發揮的不同的認識作用。如果套用科學哲學的術語來稱呼它們的話,這兩種不同類型的理論分別是描述說明。典型的唯象型理論有地心說、狹義相對論、廣義相對論、矩陣量子力學和夸克理論;典型的構建型理論有四因說、日心說、經典力學、以太理論和波動量子力學等。

唯象型理論是從直觀的現象出發,在歸納現象的基礎上建立的理論,其理論的邏輯基礎是歸納的。比如,地心說是根據地球靜止不動而其他天體不斷變化這一直觀的視覺現象建立的,狹義相對論是根據經典電磁學中的光速不變現象建立的,廣義相對論則是基於引力質量等於慣性質量這一事實建立的。上述這些理論的共同特點是,將直觀的現象提升為普適的定律,並以此來作為理論的邏輯基礎。所以,唯象型理論是建築於感性經驗的理論。

唯象型理論的優點是,邏輯結構簡單,在原始資料匱乏的情況下比較容易建立,有助於開展人類的認識。唯象型理論的認識意義,在於幫助人們瞭解和整理對自然界中某一特定領域的輸入信號和輸出信號。唯象型理論的缺點是,僅建立了輸入信號和輸出信號之間的表面聯繫,是最簡易的同構系統,卻不是最適當的同構系統。因為,隨著輸入信號和輸出信號的增多,作為簡易系統的唯象型理論要想繼續保持其與自然界的同構,對於人類來說是一件越來越困難的事情,受到了作為認識主體——人的限制。於是,根據認識效率最大化原則,人類會選擇在結構上較為複雜的構建型理論來作為自然界新的同構系統,以取代唯象型理論。所以,唯象型理論適用於認識階段的初期,這種理論比較容易建立,但當它發展到一定的程度時就會受到自身的限制走向反面,阻礙認識的進一步發展,從而被構建型理論所取代。

例如,托勒密的地心說是在公元前2世紀到公元2世紀這一期間建立和發展的。在原始天文資料匱乏且觀測誤差較大的情況下,以地球為靜止參照系進行描述的地心說顯示了其作為唯象型理論的優越性,從而取得了背景理論的地位。托勒密的地心說對當時所掌握的各種天體運動的觀測資料做了比較精確的計算和說明,並在預言恆星和行星位置的變化方面也取得了一定的成就。與此同時,地心說提供的宇宙觀即關於宇宙的同構系統也是比較簡明的,與人的感性經驗(地靜)相吻合。然而,隨著天文觀測資料的日積月累,引入並獲得的輸入信號和輸出信號越來越多,地心說的計算手段也因此變得越來越煩瑣和複雜,成為只有少數受過特殊訓練的專家才能掌握的理論,而普通人對這種數學化的理論卻越來越難以直觀地理解。於是,作為宇宙同構系統的地心說,其描述天體運行的結構變得模糊不清了,失去了原來直觀的物理圖像,反而走向了背離經驗的道路。對此,哥白尼評論道:“(托勒密的地心說)彷彿是一個畫家,從不同的模特身上為他的畫像收集手、腳和頭等不同的素材。該畫家把每個部分都畫得很好,但它們卻與整個身體連不起來,因為它們不匹配,畫出來的是一個怪物,而不是人。”

唯像型理論和構建型理論


構建型理論是以猜想和假說為認識起點,通過演繹的方法與現實世界進行對比和修正的理論,該理論的邏輯基礎是演繹的。作為自然界的同構系統,構建型理論的優點是,賦予了人類更多的能動性和創造性,開闊了人類的眼界,使人類在選擇同構系統時具有較大的思維空間。在人類的認識過程中,一個新的構建型理論的建立,往往是人類認識產生飛躍的標誌。構建型理論的最大特點是,它在創建初期是超越直觀的感覺印象和具體經驗的,是形而上學的;但是,其發展的最終結果卻向人類提供了比較簡明的物理機制和物理圖像。

例如,日心說的出發點是,地球和其他行星一樣圍繞著太陽做圓周運動,太陽是太陽系的中心。這種世界觀在當時不僅違反了人的視覺印象,而且也與物體的垂直下落現象相矛盾。然而,日心說構建了一個可以與現實世界相對應的物理世界,在以後的發展過程中,通過不斷地完善該同構系統,向人們提供了一幅越來越清晰的物理圖像。這種圖像不僅符合和滿足人類的心理需要,而且還可以簡化描述該系統的數學公式和計算方法。這是因為作為同構系統,構建型理論可以通過概念與客觀世界進行類比,而唯象型理論不易做到這一點,缺少必要的認識結構。

從同構系統的角度來看,唯象型理論和構建型理論並沒有本質上的區別,雖然在結構上都不同於自然界,但在一定的範圍內它們卻又都與自然界是不可分辨的,它們都是關於自然界的同構系統。然而,唯象型理論只是眾多同構系統中唯一最簡單和最初級的同構系統,卻並不是最適合人類認識的同構系統。該類型理論沒有充分發揮人類的認識功能。它雖然有助於人類認識的發展,但卻並不能真正滿足人類的認識需求,這一認識需求只有靠構建型理論來滿足。有趣的是,唯象型理論和構建型理論在數學上彼此等價,它們相對於認識客體是不可分辨的。兩種不同類型理論的區別只是相對於認識主體——人而言的,其認識問題的角度、方法和作用是完全不同的。

仍以地心說和日心說為例。這兩個理論的世界觀及其所描述的物理圖像截然不同,但在數學上它們是彼此等價的,只不過兩個理論選用的參照系有所不同,前者以地球為靜止參照系,後者則以太陽為靜止參照系。於是,它們在數學表達的具體形式上是有差異的。日心說用直觀的橢圓軌道描述天體的運動,而地心說則是用各種正圓以級數展開的方式描述星象的變化。這兩種方式在數學上是等價的,但對於人類來說,運用和掌握它們的難易程度卻有著極大的差別。不難想象,如果我們在日常生活中,用級數展開的方式來表示非整數和無理數的話,那將是多麼的不方便!例如:

π/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + … + (-1)n-1 /(2n - 1)


其中,π為圓周率,等於3.1415926…,n = 1, 2, 3, …。

雖然構建型理論更適合人類的認識,但作為同構系統,構建型理論並不能完全取代唯象型理論。因為構建型理論也有弱點,即它的產生是非邏輯的。因此,要想構建一個在較大的範圍內能夠與客觀世界相對應的理論世界,而且要在無數種潛在的同構系統中構建一個適合於人類認識的理論,這無疑是一項非常困難的工作。若要完成這一工作,除了靠科學家非凡的直覺和敏銳的洞察力,還需要藉助唯象型理論對客觀世界的基本特徵有足夠的瞭解與認識。

在學術界,經常討論的一個議題是“科學是描述還是說明”。通過對唯象型理論和構建型理論的分析,我們可以看出,關於科學是描述還是說明的討論,是一種形而上學式的非此即彼的思維。實際上,描述和說明的關係是亦此亦彼的辯證關係,它們在人類的認識過程中所發揮的作用是彼此互補的。比如,通過分析,我們認識到唯象型理論和構建型理論有著各自不同的優缺點,它們在發揮其認識的作用時,各有其不同的側重。唯象型理論側重於建立輸入信號和輸出信號之間的外在聯繫,構建型理論則側重於建立關於這種聯繫的內部結構。

雖然,唯象型理論只是在人們對某一領域的認識處於初期階段時發揮主導作用,而構建型理論則是在認識的後期階段起著主導作用;然而,作為人類認識的產物,這兩種不同類型的理論所產生的年代卻是基本相同的。實際上,它們是人類認識客觀世界的兩種基本方法,只有能夠在現階段起主導作用的理論類型才能夠獲得社會的承認,成為背景理論。

例如,畢達哥拉斯早在公元前5世紀就曾提出過類似日心說的理論;後來,阿里斯塔克在公元前2世紀進一步提出,太陽和恆星都是不動的,地球以太陽為中心做圓周運動並同時繞著自己的軸旋轉。這種觀點和一千多年以後哥白尼提出的日心說並沒有多大差別。作為兩種不同的認識和理論,日心說和地心說雖然產生於同一個時代,但它們在人類認識的過程中所起的作用不同,所以它們各自成為背景理論的時期是不同的,而且唯象型理論總是先於構建型理論成為背景理論。

例如,在狹義相對論建立之前,洛倫茲和菲茨傑拉德已經建立了較為完善的以太收縮說;在海森伯建立唯象的矩陣量子力學時,薛定諤也提出了構建的波動量子力學。前者是通過物理量的不可對易性這一新的物理現象建立的,後者則是通過德布羅意提出的物質波假說構建的。

上述兩個實例和地心說與日心說一樣,它們研究的對象是相同的,它們產生的年代是相近的,它們使用的公式在數學上是等價的,但它們所用的方法和觀念卻是迥然不同的,而且都是唯象型理論首先成為背景理論。作為數學理論,日心說與地心說、以太收縮說與狹義相對論、波動量子力學與矩陣量子力學都是同一個理論,它們彼此是不可分辨的;但是,作為物理理論,這些對應的理論是不同的,這種不同不僅反映在理論的模式及其物理圖像上,而且對於人類的可接受程度也有著很大的區別。上述三對理論的產生都在同樣的程度上獲得了自然界的“首肯”,而每對理論中究竟哪一個理論可以成為背景理論,則是由人類根據其認識所處的發展階段決定的,還必須獲得人類的認可。

唯像型理論和構建型理論


剛才列舉的是三個在數學上被證明完全相等的例子,實際上這種理論的對應性、這種不同類型的理論成對地出現,但卻在不同的時期交替地發揮認識的主導作用等情況,在人類認識的歷史過程中比比皆是。比如,災變論和進化論,前者是唯象的,而後者是構建的。比如,燃素說和氧化說,前者直觀地提出具有燃燒性質的特定物質,而後者則構建了不同元素的氧化機制。唯象型理論和構建型理論就好像是實物與影子,在陽光的照射下形影不離。由此,可以做出如下推論:理論的這種不同類型的對應性,它們在人類的認識過程中所起的不同作用,以及作為背景理論的先後順序,都具有普遍的意義。

總之,唯象型理論容易建立,但不容易更深入地發展;而構建型理論不容易建立,卻有著較為廣闊的發展空間,能夠真正滿足並符合人類的認識需要。唯象型理論有助於系統地整理資料,為構建型理論的產生和發展創造條件;構建型理論則可以使晦澀的理論變成明快的圖像,使昔日只有專家才能掌握的理論轉化為普通的常識。此外,構建型理論同時兼顧了主客觀兩方面的因素,所以從進化的觀點來看,構建型理論作為新的進化層次屬於人類認識的高級階段。因此,我們應該在人類認識的不同階段,有意識地分別使用這兩種不同類型的理論,以便充分發揮它們各自的認識作用。然而,令人遺憾的是,由於沒有對這兩類理論在認識中的作用和地位有足夠的認識,所以在以往的人類認識史上,唯象型理論和構建型理論交替地作為背景理論的認識過程,是盲目和被動地發生的。

例如,哥白尼的日心說受到了長時間的禁止,這一方面固然是由於教會為維護其宗教神學做出的反對,而另一方面也是由於人們習慣了地心說的觀念和思維方式。所以,在哥白尼生活的時代,人們會盡力摒棄和限制屬於構建型理論的日心說,視之為異端邪說,而無限度地發展和維護業已完成其認識使命屬於唯象型理論的地心說。上述這種現象一直持續到地心說嚴重地阻礙了人類認識的發展時,才會以革命的方式使理論的類型由唯象型轉變為構建型。同樣,由構建型理論向唯象型理論的轉變也會遇到阻礙和反對。例如,當人類的認識擴展到高速情況時,出現了新的效應。按理,這時應該主動地用唯象的認識方法來研究並建立相應的唯象型理論,而實際的情況卻是花費數十年的時間沿用構建的方法建立機械的以太理論。直到這一理論陷入不可自拔的困境時,才迫使人們不得不轉向新的認識角度,用唯象的觀點建立和評判理論,使狹義相對論和廣義相對論取代了以太理論和經典力學,成為新的背景理論。



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