科学研究的基本方法有哪些

海云青飞:当我与人讨论科学与宗教、中医的关系的时候,经常会遇到苦恼,因为各人对科学的理解不一致。这相当于和一个瞎子讨论颜色,和蚂蚁讨论大象的样子,必然会有很大的困难

科学从来不是试图给出绝对的答案,而是试图给出更可能,更简单,更优雅的答案

宇宙可以分为物质界和升物界。就物质界来说,物理学常数好像是恒定的,物理规律好像是通用于宇宙各个角落,不仅现在是如此,将来也应该是如此。然而,宇宙是处在演化过程中的,宇宙演化过程时间跨度极大,相比宇宙尺度,人类存在的时间还不到一眨眼的时间,这就给人类一种错觉,好像物理规律十分稳定,如果人类和宇宙同寿,那么人类应该会发现物理规律也不是永远不变的

对于升物界来说,很多时候是不可能作出数学形式的绝对的证明的。说到科学,并不是要求绝对的证据,科学从来只是要求相对来说最有可能的答案。对于中国这样技术上有进步,科学上还很不足的国家,要求人们普遍理解科学的相对性是困难的,如果理解了,那么科学和宗教的辩论就是十分简明了

升物到底是进化而来的还是神创的?我们并不是要求绝对的证据,只要知道哪个可能性更大就可以了,持神创论者喜欢质疑进化论的化石证据的不完美,那么请问一下,神创论可有哪怕一丁点的化石证据,一个是没有证据,一个是有很多证据但不完美,用一个脚趾头想想就知道了科学的选择是什么

什么是科学及科学研究方法,海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,科学研究的重要方法有二种:

  • 推理法,建立假说
  • 实践法,在实践中观察、总结、验证

推理,指的是偏重于虚拟世界的科学研究方法

实践,指的是偏重于实际世界的科学研究方法

比如爱因斯坦提出的相对论,主要是来自推理,后来才得到实践的很多证实

达尔文提出的进化论,主要来自对现实世界的观察研究

推理法和实践法的关系,相当于战略和战术的关系。战术相对容易,也更接地气;战略站得很高,却需要战术来验证、细化、执行

人类目前的科学方法有重实践、轻推理的倾向,比如说目前尖端的物理研究已经颠覆了大众的一般认知,人类的多数人却对此一无所知,即使物理学家也是对物理学的一些现象一头雾水。海云青飞的科学方法是彻底的整体观,整体观可以视为推理法和实践法的完美结合,可以提前于整个时代得出一些结论

举一个例子,分子升物学过分夸大了基因的决定性作用,甚至有人写出了《自私的基因》来强调基因的重要性,持整体观的人就不会被局部的现象所迷惑

基因是局部的螺旋的组合,一切升物的都在运动,并且没有升物是在作匀速直线运动,既然不是直线,必然是带有螺旋的运动。不但是升物,物理宇宙也是在作螺旋运动。对于人来说,基因的螺旋的组合是由人的整体的运动的螺旋决定的,整体观认为整体决定局部,得出这个结论是十分自然的事情,这个结论不容易验证,也许不是容易验证,而是没有人去作验证,人类多数人是没有整体观的,自然没有科学家去作这样的验证

一个结论没有经过严格的实验验证,持整体观的人对此并不一定会感到多少难过,科学从来不要求绝对的结论,科学要求的是更可能,更简单,更优雅的结论

持整体观的人如果对一个目前看起来简单,优雅的结论心满意足了,那就不是整体观了。一切事物都有改进的空间。永远处在演化中,永远处在改进的过程中,这是人生的真义,生命的真义,也是宇宙的真义

附带说一句,有人把演绎法作为一种科学研究常用方法,海云青飞认为 演绎 这个词不够直观,很多人看到这二个字的时候并不清楚具体是什么意思,这就给思考带来了障碍

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2.2 科学的方法

希腊人对大量的现象总是寻求合(乎)理(性)的解释。例如希波克拉底学派在探索疾病的原因时并不是从神灵的影响中去寻找病源,而是归之于诸如气候,营养等等自然原因。同样,爱奥尼亚的哲学家们对有生界及无生界的现象也试图作出合理的解释。亚里斯多德这位举世公认的科学方法论的创始人在其《分析后篇》(Posterior analytics)一文中非常出色地谈到应当怎样对事物作出科学的解释,它的影响几乎一直延续到19世纪,正如Laudan(1977:13)不无偏激地指出:“科学哲学家们大多仍然囿于亚里斯多德及其注释者所提出的方法论。”

包括亚里斯多德在内的希腊哲学家主要都是唯理论者(rationalist,或理性主义者)。他们(Empedocles是典型例子)认为只需通过准确清晰的推理,包括我们现在一般所说的演绎法,就能解决科学问题。这些古代医生和哲学家在对事态的解释上所取得的不容置疑的成就导致了过份高估纯理性方法的作用,笛卡尔在这方面达到了顶峰。虽然他也作过一些实验研究(例如解剖),但是这位哲学家的许多著作令人读后觉得好像他认为任何事情只需经过专注的思考就都能解决

接踵而来的归纳法论者及实验主义者对笛卡尔主义的责难,非常清楚地表明在科学中方法被认为是很重要的。这在今天也正和在17世纪时一样是完全正确的。遗憾的是还有很多哲学家一直到19世纪仍然相信只要通过推理或哲学化(philosophizing)就能解开宇宙之谜。当他们的结论和科学的发现互相冲突时,他们之中的某些人则坚持自己是正确的,科学是错误的。就是这种态度惹得Helmholtz对哲学家的专横强烈不满。哲学家们对自然选择学说、相对论、量子力学的反应说明他们的这种态度并没有完全转变

笛卡尔要求只提出像数学证明那样毫无疑问的结论和学说。虽然不断地有人反对,但是直到现在认为一位科学家对他的发现和学说必须提供绝对证明的意见仍然很普遍。这种看法不仅支配了物理科学界(在物理科学中具有数学证明性质的证明常常是可能做到的)而且也左右了升物科学,即便在升物科学中有些推论往往毫无争论余地因而可以当作是证明,例如血液循环运行或某种毛虫是特种蝴蝶的幼虫期;对地球各个角落的最详尽探察没有发现恐龙这一事实可以被认为是恐龙已经灭绝的证明。我在上面已指出了一些事实并表明符合事实的肯定性论断一般究竟能否可以作出。但是在多数情况下,或许就升物学家所作出的大多数结论来说,就不可能提供如此确凿无疑的证明(Hume,1738)。我们怎样能“证明”自然选择是支配有机体进化的定向因素?

物理学家最终也认识到他们并不能总是提出绝对证明(Lakatos,1976),而且科学的新学说也不再需要绝对证明。科学家现在已满足于将下述情况看作是真实可靠的:即在现有证据的基础上看来可能性最大的事态,或者与更多的事实或更令人信服的事实相一致(而不是与相互竞争的学说相一致)的事态

由于认识到对很多科学结论不可能提出绝对证明,于是哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper)建议用反证性(falsifiability)来检验这些结论的正确性。这样一来引起争议的责任就转移到科学学说反对者的一方。按这种办法凡是能经受住最大多数和各式各样企图否定它的那种学说,就会被人们接受。波普尔的这一建议还能十分干净利落地划清科学与非科学的界限:凡是理论上不能被反证的主张就不是科学。因此,仙女座上有人类存在的主张就不是一个科学的假说

然而有时提供反证和提供正面的证据同样困难。因此不能认为反证是获取科学可接受性(scientific acceptability)的唯一手段。正如科学史所反映的那样,一些科学学说之被否定往往并不是由于被彻底地驳倒;而是由于新的学说看来似乎更可能,更简单,或者格调更高。此外,有些被否定了的学说往往被一小批信徒紧紧抱住不放而不顾别人的有力批驳

奠基于对科学结论作概率解释的科学新学说,使得把真理或证明看作是某种绝对的东西的观点站不住脚。这一点对于升物学的某些部门较之其它部门更显得重要。每一位进化论学者在和一般外行谈论时常被问及:“进化论是不是已被证明?”或者“你怎样去证明人是由猴子变的?” 因而他就不得不首先来讨论“科学证明”的性质

实际工作的科学家则与之不同,他永远是讲求实用的。他总是对某个学说感到心满意足直到提出了新的更好的学说为止。难于解释的因素就被看作是黑箱(黑匣子),就像达尔文对待遗传变异性的来源(这是他的自然选择学说的一个重要组成部分)那样。一个科学家过去或现在从来也不会因为自己的很多概括仅仅是概率性的而且在许多自然过程中都具有极高的随机成分而过份苦恼。承认科学学说具有很大的伸缩性,科学家就会乐于检验各种学说,将不同学说的组成要素结合起来,有时甚至还会同时考虑几个备选学说(复式工作假说,multiple working hypotheses),在寻求证据时他就可以有所选择(Chamberlin,1890)。然而也不应当有所隐讳的是,科学家的开通豁达也并不是没有限度的。当科学学说,对于流行的理智背景来说是“新奇的”或完全不同时,它们就会被忽视或被压制。我们在后面还将介绍,这种情况确实存在,例如突现论概念(Concept Of emergentism)和等级结构的层次性(level specific properties of hierarchies)就是如此

值得注意的是,达尔文的看法和现代的学说完全一致。他认识到他绝不可能按数学证明那样的确定性来阐释进化结果。他在《物种起源》中大约二十几个不同的地方提到;“这一特殊发现——不论是分布格局还是解剖结构——是用特创论还是由进化机会主义来解释更容易?”。他一直坚持后者更有可能。达尔文早已预见到了现代科学哲学的许多重要原则。虽然科学家们现在已普遍对科学真理采取概率(论)解释——事实上为绝大多数科学结论提出数学证明那种确定性的解释也完全不可能——但是这种新见解仍然没有被许多非科学家所赏识。把关于科学真理的这一新概念作为更广泛的科学教育的部分内容是值得的

然而也有迹象表明对方法加以选择的重要性曾经被过分夸大。对此我同意 Koyre(1965)的意见,他认为:“抽象的方法论在科学思想的具体实际发展上只占有相当小的地位。”(Goodfield,1974)在生理学家中的还原论者与反还原论者之间没有发现他们在科学成就和创立学说上有什么差别。库恩(Kuhn)以及其它的人同样也对方法的选择的重要性看得很低。科学家在实际研究工作中往往在不同阶段之间来回徘徊,在一个阶段里他们收集资料或进行纯描述性或分类研究,在另一阶段则建立概念或检验各种学说

归纳法

关于归纳法和演绎法孰优孰劣的争论已持续了好几个世纪。现在已弄清楚这是一桩相对说来是风马牛不相及的争论。归纳论(inductivism)声称一个科学家用不着事先有任何假说或事前的期望,只要通过记录,测量和描述他所遇见的事物就能作出客观不具偏见的结论。 F.培根( 1561~1626)是归纳论的主要创导人,虽然他在自己的研究工作中从来也没有前后一贯地采用过这种方法。达尔文曾自夸继承了“真正的培根方法”,他却不是一个归纳论者。他的确还嘲弄过这一方法,说如果有谁真正相信这种方法,“他还是去碎石场的好,并在那里数一数圆石片,描绘它们的颜色”。但是在一些哲学文献中达尔文却往往被划在归纳论者之中。归纳论在18世纪和19世纪早期曾风行一时,现在则已认清纯粹的归纳法处理是全然无用的。这种情况可用植物育种者Gaertner的例子来说明,他曾耐心地进行和记录了成千上万的杂交试验却毫无所获,作不出任何概括性结论。李比希(1863)是第一位站出来反对培根的归纳论的著名科学家,他很有说服力地论证了从来没有哪位科学家曾经或能够遵循《新工具》(Novum Organum)中所阐述的方法。李比希尖刻锋利的批判结束了归纳论的统治

假说-演绎法

归纳论是被人们越来越有意识地用所谓假说-演绎法取代的

  • 这个方法的第一步是“推测”(达尔文语),也就是说建立一个假说
  • 第二步是进行实验或积累观察以便检验假说

Ghiselin(1969), Hull( 1973a),Ruse( 1975b)曾就达尔文运用这一方法的情况作过非常精采的阐述。这一方法具有强烈的常识气息,人们也可以议论这方法早已暗含在亚里斯多德的方法中,笛卡尔学派的演绎论(deductivism)很大一部分也确实包含了这一方法。虽然当十八世纪归纳论盛极一时的时候演绎法的光彩一度被掩盖,但在十九世纪时它已成为占优势的方法

假说-演绎法之所以被广泛采用是因为它具有两大优点

  • 首先,它和当时日益增强的信念非常合拍。这信念就是:没有绝对真理以及所有的结论和学说要不断地被检验
  • 其次,与新的相对主义(relativism)相关联,它鼓励不断地建立新学说并寻求新的实验和观察用来证实或否定新假说。它使科学具有更大的伸缩性和进取精神,并使得某些科学争论不如前此激烈,因为这些争论已不再涉及为终极真理而斗争的胜负成败问题

科学家实际运用假说-演绎法究竟到甚么程度是有争议的。Collingwood(1939)讲得很好,他认为假说总是对一个问题所作的试探性回答,而提出问题才真正是走向建立学说的第一步。科学史上不乏这样的例子,即一位研究人员掌握了建立一个新学说所必需的一切重要事实,但就是提不出正确确切的问题。如果承认提出问题的重要性,那末紧接着就引出了新的疑问:首先,为什么提出这个问题,回答必定是因为一位科学家观察到了一些他所不了解的事情,或者这些事情的原因不清楚,或者是他遇到了一些表面看来是矛盾的现象而他又想去排除这矛盾。换句话说,对事物的观察引出了问题

当然,反对演绎法的人会提出这些事物本身决不会形成学说,这完全正确。只有当一个爱追根究底的人提出一个重要问题时这些事物才有意义。叔本华曾经说过,具有创造性思维的人才会“想到人从未想过的事,注视着每个人都看到了的事”。因此归根到底想象力才是科学进步的最重要前提

假说-演绎法,就其本质来说是发现新事物的现代科学方法,虽然在建立试探性假说之前必须先有观察并提出问题

实验与比较

物理学研究和升物学研究的区别并不像一般认为的是由于方法论的差异。作为研究方法,实验并不限于物理科学,而且也是升物学的主要方法,特别是在功能升物学中(见后)。观察和分类显然在升物科学中比在物理科学中更为重要,然而在像地质学、气象学和天文学这样一些物理科学中它们显然也是主要方法。分析在物理科学和升物科学中则同等重要,这在下面还要谈到

在物理学家写的科学哲学中往往把实验看作是科学的独特方法。这是不正确的,因为在进化升物学和海洋学这样一些科学中,其它的严密科学方法非常重要。每门科学都要求有自己专有的合适方法。对伽利略(力学)来说,机械学、测量与计量就非常重要;就亚里斯多德(升物学)而言,则升物有机体、多样性、目的性过程的分析以及分类是偏重的方法。在生理学和其它功能升物学中,实验性方法不仅是合适的而且几乎是唯一能取得结果的方法

绝大多数物理科学史家在讨论实验性方法以外的方法时常表现得极其无知。摩根(Morgan,1926)在其著作中如实地描绘了实验科学家的傲慢态度。他根本否认一位化石学家的学说构思才能:“我的化石学家朋友(他所指的无疑是H.F.Osborn)在放弃描述工作而企图转向现象的解释时,他的处境就比他所了解到的更危险。他没有办法去验证自己的设想…当看到化石记录中的空档时,我对化石学家说:因为你不知道,而且就你的情况来说也决不可能知道差异究竟是由一个变化(单一突变)还是一千个变化引起的,所以关于进化过程的遗传单位问题你就无法肯定地告诉我们任何东西。”就好象化石学家从自己所搜集的资料中无法作出有价值的推断似的,而推断则是可以通过多种办法加以验证的。认为实验工作绝不是描述性的看法也能引起误解。当实验方法的操作人员报告实验结果时就象博物学家报导观察所得时一样,都是描述性的。与实验相补充的就是观察。科学领域中很多部门的进展取决于观察,即为了回答精心提出的问题所作的观察。现代的进化升物学、行为升物学以及生态升物学都已肯定地证实这些现实性科学不是别的,主要就是描述性(叙述性)科学。事实上,许多基干实验而又没有提出恰当问题的文章(这样的文章太多太多)和进化升物学中大多数非实验性著作比较起来其叙述性更强

然而仅只是观察也是不够的。直到18世纪晚期才有一种特别适用于研究多样性的方法初次被认真地加以运用,这就是比较法。虽然在居维叶之前已有一些先行者,他却无疑是比较法的伟大创始人(见第四章)。人们往往忽略了在运用比较法之前必须把要比较的项目加以分类。确实,比较分析的成功与否在很大程度上由事前的分类是否完善来决定。同时,进行比较时显露出的分歧往往使现象的分类得到改进。这样在两种方法之间往返进行(不是圆周运行)是很多学科的特点( Hull, 1967)

实验法与比较法之间的差别并不像初看起来那样大。两种方法都要收集资料,而且观察在两种方法中都具有关键作用(虽然实验科学家通常并不提起他所取得的结果是由观察所进行的实验得到的)。在所谓的观察性科学中,观察者所研究的是自然界的实验。这两类观察之间的主要区别是,在人为的实验中可以选择条件从而可以检验有哪些因素决定实验结果。在自然界的实验中,不论是地震还是某种海岛动物的出现,我们的主要任务是推论或重新建立这一自然界实验所由以发出的条件。通过寻求一群正确配合的因素,有时几乎可以在“对照”观察中求得对照实验的可靠性。正如Pantin( 1968:17)曾经指出的,“在天文学、地质学以及升物学中,在选定的时间和地点观察自然事件有时可以提供完全足以作出结论的信息,正如可以由实验得到信息一样。”

重要的是必须强调观察-比较法的科学合法性,因为实验法对很多科学问题并不适用。但是,和有些物理学家的看法相反,那些仰仗比较法的科学门类决不是劣等的。正如一位明智的科学家,E.B.威尔逊,在很早以前说过:“在我们研究室里完成的实验补充了在自然界中曾经发生并一直发生的实验,它们的结果必须织进同一织物之中。”威尔逊( E.B.Wilson)一贯反对那种认为升物学的进展“只能由实验”取得的观点,通过观察发现异种动植物就构成了升物地理学的基础;观察显示了有机界的多样性,从而导致了林奈等级结构的建立和共同起源学说;观察导致了行为学和生态学的诞生。在升物学中由观察所产生的见识可能比所有的实验加起来还要多

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