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科学的结构

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科学的结构贾湛(扬州职业大学,江苏扬州225002)
简要:弄清科学的结构,至少对搞教育是至关重要的.文章探讨了科学内容的划分,以及它们之间的相互关系.最后还讨论了科学与其它知识的关系.
关键词:数学;物理;系统论;construction of scienceJia Zhan(Yangzhou Polytechnic College, China)
Abstract: It is very important that make the construction of pure science , at least for education.The article studied the demarcation of the science contents, and the relation of their its.Finally still discussed the relation of science and other knowledged.
Key words: Mathematics;Physics;System theory.
很难说科学是什么时候开始的,但无论如何,科学发展到现在已形成了庞大的体系,这样庞大的体系却很少有人去讨论其结构.想必人们对科学结构认识的重要性还没有足够的认识.
知识的今天,人们对庞大的知识内容望而生畏,也许这就是很少有人对整个知识内容认真讨论和研究的原因之一.其实,科学只是所有知识中一小部分,只要有人炽灼地去研究一定会有进展的.只是研究它有什么意义呢我想其意义主要是教育的需要、它能减少教育活动的盲目性,大大地提高教育的效率.越是知识膨胀、其意义就越大.在我的有关教育问题的对话中、我曾说过,教育有两个守恒定律,一是无论科学如何发展,教育的总课时是不变的.二是基础性不变,即不管是业务教育,大学教育还是专业教育,教育内容不可能非常具体.两个守恒定律必然要求教学内容随时代变化而不停地精选、如果我们连什么是科学,科学的具体结构都不清楚,则谈所谓的精选是毫无意义的.
科学与其它知识(如一些象那种经验堆积的中草药知识,象基于信仰的各种宗教知识等)不同、属于严密(前后理论非常强调自洽,排除逻辑矛盾)的知识体系,虽然不能保证它完全正确,但它的出错率远比其它知识要低得多.这是由其研究方法决定的.当今的技术往往是与科学相融的,也就是说绝大部分技术已从科学上找到了根据.因此,区别最细的其实是科学与技术的区别.但不难区别、科学主要是回答自然界事物本身是什么,为什么.而技术则是改造和控制自然.因此,技术与科学的主要区别不在于知识是不是形成体系,而是形成体系的方式.科学是按认识论的角度组织知识的,而技术是从生产的角度组织知识的.技术的经济意义高于科学,而科学的精神作用大于技术.科学往往需要技术为中介才产生经济效果.而技术往往需要从科学中汲取营养才能持续发展.
显然,不管是从认识上讲还是从实用上讲,科学的重要性都高于技术,高于其它一切知识.目前人们对自然界的认识已不限于感官所及的宏观世界、我们已经能借助仪器去认识微观世界(10-10m以下),介观世界(10-4m-10-9m)和宇观世界(106m以上).而有关人类社会的规律,随着各种自组织理论的发展,又有了更多更清晰的认识.这种情况下,由科学产生的知识远远超过了所有从古至今的非科学知识的总和.由此可见、当今社会,把科学结构搞清楚意义是非常巨大的.
由于很少有人去研究科学的结构,笔者很难找到参考资料.只找到我国著名科学家钱学森对科学结构的一点资料.还有李凯尔特对科学分类的一些看法.钱学森注意到,一般的看法是把科学分成自然科学和社会科学.我国现在就有中国科学院和中国社会科学院,以及他们各省、市,自治区的分院两个系统.但如此产生了一个毛病:数学归入自然科学,社会科学就不大用数学.他提出、科学结构应该是自然科学,社会科学,数学科学,系统科学,思维科学和人体科学这六个大部分.从这样的划分可看出、他比较看重思维科学和人体科学.笔者虽不算是彻底的唯物论者、但坚决反对神秘主义.因而反对具有神秘化倾向的人体科学,人体的研究应仍归于医学内容、医学归于生物分支.并主张思维科学纳入数学之列,系统科学与自组织理论一起属于物理内容.
李凯尔特认为、科学既可以从它所研究的对象的角度,也可以从它所采用的方法的角度而相互区别、因此既可以从质料的观点、也可以从形式的观点来对科学进行分类.从后一点出发,他提出了两种基本的对立:自然科学和历史的文化科学的对立.笔者不赞同按方法的分类.因为我认为所谓象历史这样的知识属于社会科学,是因为社会科学的复杂性,严密地讨论还需时日,自组织理论的出现,有望从严密科学得出的结论出发去讨论它.笔者主张还是以公认地从简单到复杂运动的形式和从研究对象时空尺度的大小去划分科学.根据这样的原则,一般把科学划分为:数学,物理,天文,地球科学,化学,微观理论、生物和社会科学这八大部分.
数学是研究数和形的科学.由于数与形是事物的基本属性,所以几乎所有的科学离不开数学.数学主要分支有:算术,代数,数论、欧式几何,非欧几何,解析几何,微分几何,拓扑学,分形几何,微积分学,实变函数论、概率和数理统计,复变函数论、泛函分析,偏微分方程,常微分方程,数理逻辑,模糊数学,运筹学,计算数学,突变理论.可见、由于逻辑学和模糊数学等被纳于数学,则思维科学的内核属于数学,这样计算机科学,人工智能实际上是主要是数学的应用.
物理学是研究物质存在的基本形式,性质,运动和转化,内部结构等方面,进而认识这些结构的组成元素及其相互作用,运动和转化的基本规律的科学.经典物理分四大部分,力学,热学,电磁学和光学.由此可见、土建、机械,电子等学科其实直接就是物理的应用.现代物理主要有相对论和量子力学,固体物理,原子物理,核物理等、这些是标准地现代高科技的基础.
微观理论又称粒子物理学,它本来是物理学的一个分支学科,研究原子以下层次(10-10m以下)的微观世界中物质的结构性质和相互转化规律.由于绝大部分科学家认为世界有小构成大,有简单到复杂.所以微观世界的规律被认为是最本质的规律.因此,微观理论中的大统一理论和超大统一理论被看成是最终极的理论.特别是目前的超弦理论、试图用非常微小的弦来所有的粒子形成及四大力性质不同的原因.
化学是研究物质的性质,组成,结构,变化和应用的科学.它的研究对象是介观世界(10-4m-10-9m)最简单规律.介观世界的复杂规律交给生物学研究,由于复杂规律是以简单规律为基础的.所以它与物理类似,是重要的基础科学之一、它是生物学,地球科学甚至天文学等学科的基础.化学主要分无机化学,有机化学,物理化学,分析化学,高分子化学,核化学核放射性化学和生物化学.
地学即地球系统科学,研究对象是人我们生活最密切的宏观世界(10-3m-106m).它的把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈,水圈,大气圈,生物圈和行星系统等组成部分构成的统一系统,重点研究各组成部分之间的相互作用,以解释地球的动力、演化和全球变化.全面探讨全球变化中人类活动的作用,提高地球系统的生命承载能力.这是与我现实生活关系最大的科学.地球系统科学主要有:地理学,地质学,大气科学,海洋学,水文学,环境科学等.
天文学是最古老的科学,其研究对象是辽阔空间(106m以上)中的天体.主要是通过观察天体的存在,测量它们的位置来研究它们的结构,探索它们的运动和演化的规律,扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识.天文学根据宇宙的层次分:空间天文学,行星物理学,太阳物理学,恒星天文学,星系天文学和宇宙学等.
生物学是研究生物各个层次的种类,结构,功能,行为、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的科学.与化学不同的是,由于讨论的是象核酸和蛋白这样的大分子综合作用的行为、所以一般来说,生物现象远比化学现象复杂.生物学主要有:植物学,动物学,微生物学,细胞学,分子生物学,生理学,免疫学,遗传学,生态学和仿生学等.
社会科学是以社会现象为研究对象的科学,是人类认识和改造社会,促进社会进步的科学.它的任务是研究并阐述各种社会现象及发展规律.由于其研究对象的元素是比生物大分子更复杂多的具有自我认识能力的个体人、则这是一门最复杂最高级的学科类.并且注定该学科类是最后成熟的学科类.社会科学的一级学科有:哲学;宗教学;语言学;文学;艺术学;历史学;考古学;经济学;政治学;法学;军事学;社会学;民族学;新闻与传播学;图书馆学,情报与文献学;教育学;体育科学等.
这样的科学分类显然很有条理.下面我们进一步讨论这些科学之间的联系:
数学早就被认为是科学的皇后,这是因为、人们发现,任何科学没有数学的加入,就没有细致的研究.从科学哲学的角度看,只要都是定性的讨论问题就难有可证伪的检验方法.任何一门学科有了数学加入,则就有了对研究对象的定量描述,就能找到定量的规律,也就能根据这些规律导出具体的结论、这样就有了理论与实验数据比较的可能,就必然摆脱形而上学的无效讨论、该方面知识必将有所深入发展.
物理被称为皇帝或许是笔者本人第一次这样提出、但这种说法现在已经有了充足的理由.一是物理学的概念体系已是所有各学科的最基础概念.二是物理学是数学应用最多的领域,历史上常常物理学家又是数学家.象拉欧拉、拉普拉斯,达朗贝尔、拉格朗日,彭加勒等根本说不清楚主要是数学还是物理的贡献.可以说物理学实现了把基础概念和数学和实验紧密地结合起来,由此开创了科学的一个又一个分支.理工科的各专业其实就是物理学的各个分支.三是由于物理学的基础性决定了,原来与物理不相干的科学,通过物理学的深入研究,现在把它们全部联系起来了.
科学上最伟大的理论主要应是三个,一个是牛顿力学,一个是相对论和量子力学,还有一个就是最新的复杂系统科学,主要代表是系统论和混沌学.它们都是物理学内容.说它们最伟大是因为、由它们把原先独立发展的粗糙理论与数学物理联系了起来,成为精确意义上的科学内容.实现了科学完整的体系.
牛顿力学之所以伟大不仅是因为它是一切机械土建工程学的基础、而且是因为它把天上的规律和地上运动联系起来,成为天文学和地球科学的基础.同时又是因为第一次总结了科学的思想方法,成为精确意义上的科学诞生的标志.
相对论量子力学被称为现代科学的基础.主要是因为它们的诞生把化学与数学物理联系起来了,进而严密科学向生物学医学进军.不仅如此还开创了微观研究,并把微观与宇观结合起来研究,把我们的视野扩大到远远远离我们感官经验的范围之外.并通过统一场论的研究,力求对事物有个最本质的认识.
社会学一向是被认为与数学物理最不相关的科学,甚至在哲学界、李凯尔特等一直认为社会科学不能用数学和实证这种自然科学的研究方法研究,认为只能用历史方法讨论.然而系统论和自组织理论的发展,打破这种神话.社会经济理论中早就运用大量数学知识统计性的定量研究了,耗散结构,混沌学的发展,从根本上揭示了组织结构的产生发展的规律以及开始开始对复杂有序结构的研究.而社会科学其实本质上就是要解决社会的稳定和发展进化的问题.显然可以借助这些从基础的物理学发展而来的自组织理论所得到的结论作为社会学的普遍原理加以讨论、这样远远比从不同利益角度得出的相互矛盾的社会经验出发讨论社会问题有效.甚至有些具体社会问题,比如城市的发展,交通问题等已经开始直接运用自组织理论定量研究.
现代自组织理论让社会科学半定量化,沟通了社会科学和自然科学,科学大融合必成为趋势.如今科技已不是单纯的知识体系和技能体系,而成为一种社会活动和社会事业.因而出现了科学社会学,技术社会学等学科,以及专门研究科学技术与社会之间的各种关系的科学技术和社会(STS).这是20世纪60年代末70年代初延生的一个新的研究领域,它以科学,技术,社会之间的关系为研究对象,不仅从历史,经济,哲学,文化与社会学等角度研究科学技术,而且从科学技术的角度研究社会的科学技术化.目前STS的研究和教育在我国和世界许多国家已建制化.这将促进科学文化和人文文化的沟通和融合.
我国科学界泰斗钱学森把科学分为:自然科学,社会科学,数学科学,系统科学,思维科学和人体科学六大部分.显然钱学森非常关心思维科学和人体科学,可见他看到了思维和人的重要性.美国末来学家托夫勒的《预测与前提》中所说:知识的知识才是力量.思维方法属于知识的知识,而人是一切概念的创造者.尽管如此,我却不赞同钱学森这样的划分. 因为这样的划分容易给神秘主义留下地盘.一些伪科学如气功等所谓人体特异功能会以这些科学的名誉唐而幌之的欺骗民众.不可否定,永远有许多未知的事物作为迷团等待人类去发现.然而人类每次发现都是借助清晰的大众可接受的而不是只有发明人自己才会的方法成功的,神秘的直觉和所谓的心灵感应在那么多发明中一次也没有出现过.哲学的发展史让我们非常深刻的明白这一点.在没有西方哲学基础的落后社会,摆脱神秘主义建立科学的思维方法是特别重要的.在我国不少人把思维分为逻辑思维,形象思维和灵感思维这三种形式.这样的划分明显是很落后的.其实认识论一直是哲学中的最重要的内容.哲学认识论的具体定量化就是当今的思维科学.现代科学告诉我们思维过程就是指人脑处理信息的过程.按照思维活动所运用的信息形式,思维方法区分为抽象思维方法(符号化思维)和形象思维(影象化思维)方法.按照思维信息处理的程式化程度,思维方法区分为逻辑思维(分析分步处理)方法和直觉思维(整体一次性综合)方法.按照思维过程的方向性,思维方法区分为逆向思维方法,侧向思维方法,发散思维方法,收敛思维方法等.库恩把科学分成常规科学和科学革命两种.在常规时期的科学研究,主要是一种高度收敛式的思维活动,基础建立在科学社群成员接受教育过程中所获得的共识之上.在科学革命时期,科学家必须要解放思想,使其思想活跃起来.这正是发散式思维的特点.所谓科学家的灵感正是先通过发散式思维得到各种思想,再经直觉的综合产生信念的过程.历史上,哥白尼,拉瓦锡,达尔文,爱因斯坦等对科学的贡献是革命性的.他们的共同特点是有高度的想象力、不被传统的观念所束缚.这里可以看出灵感思维不是神秘的过程,而是走在时代前列的人们由直觉确定了某个信念,在这样的信念下坚持不懈的勤奋努力(运用各种思维)从理论和实验上验证信念的过程.也就是说根本就没有那种宗教迷信般的神秘的灵感.如今高科技时代几乎没有远离时代又没有科学素养的人们能有较为重大的发现了.数学家和哲学家长期争论究竟数学归在逻辑里、还是逻辑属于数学.如今许多大学难以确定计算机专业究竟归为数学系呢还是单独一个系呢可见思维科学与数学有相当的联系.历史上一直把数学与经验科学相对立.显然没有必要把思维科学独立为一大类.人体科学没有独立的理由.人体本来就是经验科学中医学的一部分,灵感是一种大脑的思维现象,以人体其它部分的必然联系没有可靠的根据.一门科学不可能建立在根据不可靠的基础上.
科学是一种严密的知识体系,因此除了科学知识外,社会上还有大量其它的知识和理论.比如,古代人们传给我们的大量经验知识,以及至今受科学思想影响较小的各民族人们的大量生活经验.这些经验知识,有些是正确的,有些是错误的.更多的是往往因缺少适用的条件,而不清楚适用的场合.有些理论因研究的对象复杂,则数学和如今的科学方法难以应用.所以还难以纳入科学.象哲学这样的理论、是不可严密化的,而且有永久的不同观念的冲突、所以一般不称为科学.还有一些理论、本来就出自一些沽名钓誉之人的手,是有意骗人取利的.这往往称为伪科学.我们可以用下图来表示科学的外部环境.
可见、科学除了自身的动力产生的发展外,还吸收来自各方面的成分,不断把原始的知识和粗糙的经验科学化.特别是哲学对科学的影响是最大的.哲学最具综合性,哲学家往往比科学家更注意各方面的知识的综合,形成新的观念,因而最出色的科学家总是要从哲学中汲取营养,变其粗糙的想法为精确的知识.牛顿,爱因斯坦和玻尔等、无一不是这样.科学史上所有的大的发现都是一些知识的综合的结果.而知识的综合总是先有粗糙的感觉、后才有那些出色人物孜孜不倦地精确地去思考.显然一个不重视哲学,哲学落后的国家,一般是没有什么作为的.但从教育的角度看物理学可能更重要、除了前面所述,物理是所有经验科学的基础以外,物理教学可以把数学,实验、哲学思想和普遍的科学方法结合起来.这是数学和哲学做不到的.哲学因为过分抽象可能适宜高学历的教学内容、一般不适宜大学生学习.哲学思想夹在数学物理中讲是最适合的.想必教育家们思考科学的结构一定会对教育实践有帮助的.
参考资料:
[1]普列汉诺夫:《评亨・李凯尔特的一本书》人民出版社版.
[2]卡尔.R.波普尔《科学知识进化论》纪树立编译北京三联书店出版1987[3]欧文.拉兹洛《系统,结构和经验》李创同译上海译文出版社1987

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