理論、實驗和認識體

理論是人類在其獲得的知識與經驗的基礎上，所構建的關於自然界的同構系統。而實驗則是人類為了獲得更多的知識與經驗，在其漫長的認識過程中逐漸派生出的一種新的認識活動。由於人類的認識具有主觀能動性，所以人類在其認識的過程中，並不滿足於被動地觀察現成的自然現象，他們會根據自己的需要，人為地製造一些在理想的狀態下可以不斷地重復發生的事件，這就是通常所說的實驗。

由於實驗是由人設計和觀測的，所以相對於人的尺度（公分和秒），我們可以將實驗細分為四個不同的層次，即微觀實驗、宇觀實驗、高速實驗和宏觀實驗。由於這些實驗在尺度上的巨大差異，根據自然哲學第一定律——自然界存在著變化的不連續性，上述四類實驗雖然具有一定的內在聯繫，但更多的卻是表現出它們彼此之間截然不同的特性。

微觀實驗是指關於原子及基本粒子的實驗，該類實驗的尺度一般都遠小於10^-8cm。在如此小的範圍內，粒子表現出了明顯的波粒二象性。如果我們想消除粒子的某一特性，必然會使其另一特性產生極大值，以至於消除粒子任何一個特性的舉動都是徒勞的。這就好比一個人挑扁擔，只要扁擔的兩頭都系著重物，則無論這兩個重物在重量上有多大差異，在原則上，挑夫總能夠通過調節肩膀支點，使扁擔保持平衡；但是，如果我們摘掉其中某一個重物，則平衡就再也無法維持了。如果維持「平衡」是自然界的存在法則，那麼該法則就會禁止我們摘掉系在扁擔上的任何一個重物。維持自然界存在的這一「平衡」法則就是世界的有機性，即同時存在著離散的空間和封閉的物質，而且它們是相互依存、相互滲透、相互作用和相互轉化的。此外，在微觀的世界中，還存在著低能粒子以較小的概率逃離勢阱的隧道效應和封閉體系（如電子）吸收與釋放能量的不連續性，即存在著量子化現象。

宇觀實驗是關於天文方面的觀測，該類實驗的尺度遠大於10⁸cm。比如光線彎曲實驗，就是測量光線經過太陽時，是否會產生彎曲運動。在如此遙遠的距離，所觀測到的現象往往會有很大的不確定性。這種不確定性，一方面是因為我們對巨大天體內部的物理機制了解得還不夠充分，另一方面則是由於我們所要觀測的效應和其他未知因素處在同一個數量級上，無法將實驗對象與實驗背景進行絕對的分離。

此外，在通常情況下，宇觀實驗的觀測值並不是一個單一的數值，往往是一組間接的數據。所以，宇觀實驗值並不能和理論值進行直接比較，兩者在形式上存在著很大的差異，需要借助一定的統計方法或輔助理論，進行二次加工。而應用不同的統計方法或不同的輔助理論，對於同一個實驗或同一組數據，會得出不同的結果。

例如，在測量小行星進動時，需要引入24個待定參數，理論的正確因子γ只是其中的一個。此外，在對小行星運行的實際觀測數據進行處理時，還需要設定誤差範圍，誤差範圍越大則得到的解（各種實驗結果）就越多。比如，當設定的誤差為8%時，通過計算機運算總共得到了100多組解。即使剔除各種無物理意義的解之後，仍有13組解是有效的。其中既有理論因子γ近似為0的解，也有理論因子γ近似等於1的解。由於廣義相對論在當時（20世紀70年代）已經被確立為背景理論，所以實驗者更偏愛或更容易接受廣義相對論。對於背景理論的驗證，與其說是實驗證實理論，毋寧說是理論說明了實驗。因此，實驗者只是將理論因子γ為0.95的一組解挑選出來，作為該實驗的驗證結果，宣布廣義相對論獲得了該實驗的證實，其正確率達95%，實驗的誤差為8%。

這就是為什麼越是複雜的實驗，就越能得到實驗高度「認同」的原因。因為，實驗者總可以借助於調節誤差範圍，使其獲得的各種不同組解中含有γ近似等於1的一組解，並以此來作為實驗的結果。而事實是，該實驗結果只是那13種可能結果中的一個。所以，我們應該把實驗者原來的「廣義相對論的正確因子γ等於0.95」的表述，準確地改寫為：「在誤差為8%的條件下，廣義相對論的正確因子γ等於0.95的存在概率為1/13。」 對於這一實驗，我們只能從概率的角度得出一個不確定的結果。這並不是說該實驗作為一個自然事件是不確定的，實驗結果的不確定性，是因為我們從該實驗中所獲得的信息不夠充分，不足以讓我們得出一個確定的結論。

當速度接近於光速時，由於空間效應變得明顯了，所以高速實驗具有與我們日常經驗截然不同的特點。高速運動的物體服從洛倫茲變換，其能量的變化只是相對於空間勢能的變化。比如，在雙星實驗中，我們觀察到的光速與發光星體的運動狀態無關。比如，不同頻率（能量）的光速是一樣的。

由於宏觀實驗最為接近人的尺度，比較便於將觀察對象與觀察背景相分離，而且此時的空間效應最小，所以，宏觀實驗表現得最為客觀和確定，很容易使人對實驗產生其具有絕對性的錯覺。在當時，人們普遍認為，實驗可以凌駕於理論之上，實驗對理論具有絕對的判決性。然而，根據自然哲學第二定律——凡具體的都是有限的，任何具體實驗的驗證作用都是有限的，只具有相對的意義。因為，實驗的驗證不僅取決於實驗本身，而且還取決於對實驗的認識。比如，斜塔落體實驗（物體垂直自由落體現象），既可以根據直觀的感覺成為地球靜止的證據，又可以根據慣性定律說明地球是運動的。

綜上所述，實驗的驗證只具有相對性，實驗的客觀性受到了認識主體——人的限制。比如，根據人的特性，不能無選擇地將所有影響事件的因素，都作為研究和實驗的對象。或許計算機式的高級生物能夠這樣做，但人類不行，人類只能按照自己的方式來認識自然界。人類不能放棄自我，而單純地為認識自然界而認識自然界；人類只有保持自我，並通過自我與自然界的相互作用，來間接地認識自然界。

然而，實驗對於現代人來說早已是家常便飯了，人們有時甚至過於迷信實驗，認為實驗對理論的判決具有絕對的意義。由此，人們往往把一個理論的好與壞，即關於理論認識效率的問題，誤解為是關於該理論正確與錯誤的問題。這種一維認識觀會導致了一個令人困惑的悖論：

如果理論是錯誤的，那麼人類的認識就是由一系列錯誤的理論構成的；反之，如果理論是正確的，那麼人類的認識就會因此而停滯不前。

上述兩種情況都會使理論失去認識的意義。任何一個具體的理論，相對於整個人類認識的發展歷程來說，都只是一段小小的插曲，都最終會被新的理論所取代，因而凡具體的理論都是「錯誤」的。反之，如果理論是正確的，那麼該理論就不會被其他的理論所取代，最多只是被修正和改良。於是，人類的認識就會停滯不前，人類的認識就只是逼近某個極限的收斂過程。一維認識觀的這種「理論存在著正確與否」的劃分，是與人類認識的實際發展情況相背離的。如果我們採用二維認識觀，就不存在理論正確與否的問題，而只有理論認識效率高低之分。於是，根據二維認識觀，人類認識的進步，表現為由認識效率高的理論取代認識效率低的理論。這樣既保證了每一個時期的理論都有其現實的認識意義，但又並不限制和排斥理論的發展與更替，從而化解了一維認識觀所產生的悖論。

在人類認識的歷程中，人類對實驗的看法經歷了由無意識到過分強調其作用的變化過程，這一過程既是漫長和漸變的，又具有一定的歷史偶然性。在這一變化的歷程中，帶有明顯的個人色彩和主觀意志。

將實驗明確地引入認識環節的人，是被後人稱為實驗之父的伽利略。伽利略認為，物體在受力時會產生運動。根據數學的簡潔性，伽利略推測物體的運動關係式有兩種可能，要麼距離與時間成正比，要麼速度與時間成正比。那麼，哪一種可能是正確的呢？為此，伽利略對小球在斜板上滾落下來的情況進行了多次測量，雖然其結果並不穩定，但大體上比較傾向於後者。於是，伽利略認定後一種是正確的，即物體受力時其運動速度與時間成正比。

通過上述事例我們看到，一方面實驗具有一定的客觀性，可以幫助我們得到比較正確的認識；但是，在另一方面，實驗又不完全是客觀的，它並不能直接向我們提供準確的物體運動公式，而只能在兩個以上的理論之間，幫助我們判斷哪一個比較好。這種判斷是動態的，會隨著被比較理論的不同發生相應的變化。如果只有一個理論，那麼實驗沒有任何判決意義；只有在多個理論並存的情況下，實驗才有可能發揮其選擇理論的作用。因此，無論是實驗的精度要求還是實驗的驗證結果，都並不完全取決於實驗本身，而是在一定的程度上取決於被驗證的理論與其他理論的比較。

例如，水星剩餘進動實驗。根據數百年的天文觀測，水星每一百年約有5600s的進動，即其焦點與原點的連線每個世紀約向前移動5600s，其中99%以上的進動都可以用經典力學予以說明，只有約43s的進動是經典力學無法解釋的，因此這43s進動被稱為水星剩餘進動。如果只有經典力學，可能將經典力學與亞里士多德的理論相比較，那麼水星進動實驗就是對經典力學的證實。但是，若與廣義相對論進行比較，則水星進動實驗又被看作是對經典力學的否定。再後來，美國物理學家迪克提出了一個新的理論，該理論能夠解釋約40s的水星剩餘進動。於是，水星進動實驗又再一次變得不確定了。因為，若要該實驗在廣義相對論和迪克理論之間進行判別的話，對實驗的精確度就有了更高的要求，必須再提高一個數量級，即由43s精確到3s，而可能影響這3s的未知因素多達數十種，比如太陽的扁率大於零、空間背景的轉動或存在暗物質等。於是，在將可能影響3s進動的未知因素全部一一排除之前，水星進動實驗就失去了對上述兩個理論的判決作用。

綜上所述，就實驗本身而言，無論是在定性上還是在定量上，都只具有相對的意義。從定性上看，實驗的結果只有在面對兩個以上的理論時，才具有一定的傾向性，並且會隨著理論的變化而改變其結論；從定量的角度看，該實驗的客觀數據與所有的理論都不吻合，因為現實的實驗和理想的理論所涉及的因素是不同的，前者總大於後者。所以，兩者會存在一定的差異，總可以在一個更高的精度上，使原本實驗值和理論值相吻合的情況走向反面。所以，從絕對數值上講，任何一個實驗最終都會對其曾經驗證過的理論進行否定。

先被實驗肯定，而後在面對新理論競爭時又被同樣的實驗否定，這種例子在人類的認識過程中比比皆是，經典力學的沉浮就是一個最為突出的例證。

由於經典力學比以往任何時期都更成功地解釋了太陽系內所有天體的運行，並準確地預測了海王星和冥王星的存在，因而獲得了極高的聲譽。經典力學在天文領域，唯一的不和諧音就是水星剩餘進動，其與天文觀測值約有0.8%的差異，此時實驗是充分肯定經典力學的。當時的科學家們普遍認為，由於經典力學已經獲得了巨大的成功，科學留給後人的工作，只是修補理論或在小數點後面增添幾個小數而已。

然而，同樣是經典力學，當它面對廣義相對論時，卻因為這不足1%的誤差敗下陣來，導致經典力學整個大廈的倒塌。嚴格地說，沒有任何一個理論可以逃脫被實驗否證的命運，經典力學逃脫不掉，廣義相對論也同樣無法擺脫被實驗否證的命運。

從表面上看，人類認識的進步與發展，是由一系列被實驗否證的理論構成的。然而，實際上實驗本身並不能對理論做出肯定或否定的結論，實驗的驗證結果，與其說是由認識的客體——實驗決定的，還不如說是由認識的主體——人所選擇的，而選擇的標準是使人類的認識效率最大化。這意味著，不是實驗否證了理論，而是相對於實驗，人類因為構建了一個認識效率更高的理論，從而主動放棄了原有的理論。因此，實驗既是理論的開始，又是理論的繼續。由於人的認識是二維的，是人與自然界的相互作用，所以實驗作為認識的有機組成部分，也是二維的。實驗的二維性主要表現在受到以下兩個方面的制約。

客體制約：實驗的設計不能單憑主觀的臆想或人為的杜撰。

主體制約：不同的分析方法以及不同的理論可以使同樣的實驗得出截然不同的結果。

實驗和理論分別是人類認識的兩個不同側面，它們共同構成了人類對自然界進行思考和相互作用的認識有機體。實驗和理論是平等的，不存在誰凌駕於誰之上的問題。沒有實驗的理論是空洞的，而沒有理論的實驗則是蒼白的。實驗和理論就好比是人類認識的雙腳，它們只有交替著向前邁步，才能夠不斷地推動人類的認識向前發展。嚴格地說，實驗並不是單純地再現自然，實驗是人為地創造自然，是人與自然界相互作用的手段和工具。

地心說雖然在數學上與日心說是完全等價的，但現代人寧願以「杜撰」 慣性定律為代價，而相信日心說的宇宙觀，也無法想像和理解地心說的宇宙觀。

地心說的宇宙觀是從現象歸納出來的，雖然在開始的時候比較直觀和容易接受，但隨著歸納現象的增多，地心說引入了越來越多的本輪和均輪，由此獲得的圖像變得愈加混亂和模糊。即便是在現代，類似的做法也還是存在的。比如，在理論中引入的維數越來越多，沒有人能夠想像出11維的物理圖像是什麼樣子。日心說的宇宙觀則是借助於假說演繹出來的，雖然要想構建出一個好的理論並不是一件容易的事，需要發揮人類非凡的想像力和創造力，但其所演繹出來的圖像卻是簡潔和有效的，為經典力學的發展奠定了基礎。

從根本上講，人類認識自然界的方法是演繹的方法，即通過提出假說，用演繹的方式來說明和解釋世界。人類認識世界的過程，實質上就是一個不斷地提出假說和完善假說的過程。每一個對人類認識有影響的假說，都大致會經歷以下三個時期。

構建期：構建一個適合於人類理解並能最大限度地涵蓋各種經驗與自然現象的假說。

發展期：針對不能與該假說相容的現象進行理論修正，進而使該假說獲得不斷的完善與發展。

停滯期：當修補假說變得越來越困難、而且不斷地修補假說，使該假說的圖像變得越來越模糊時，人類的認識效率就會因此而降低，於是該假說的發展逐漸陷入一種停頓的狀態。

當舊的假說進入停滯期時，就會有人不再耐煩沿用舊的世界觀，即用舊的假說來認識和理解世界，而是另辟蹊徑，構建一個圖像更清晰、結構更簡潔以及所能涵蓋和解釋的自然現象更多的假說。通過新假說取代舊假說，使人類的認識效率重新得到了恢復與提高，從而進入一個新的認識循環周期。所以，人類的認識就是不斷地構建假說、演繹假說和完善假說。假說變換的意義，並不是其真偽，而是在於可以不斷地提高人類的認識效率。

之所以說假說是構建的，是因為新假說在邏輯上與舊假說截然不同，不可能在舊假說的基礎上推導出新假說，否則的話，該假說就不是新假說，而只是獲得發展和改良了的舊假說。此外，假說的構建性還表現在，假說是不可能從現象中必然地歸納出來的。因為，同一個現象可以由無數個假說來分別給予不同的解釋。

拉卡托斯提出了科學研究綱領的進化與退化概念。在這里，科學研究綱領就是人類的認識體，是由理論（系統的假說）、實驗（特定的自然現象）和認識方法（將前兩者有機結合的紐帶）組成的。拉卡托斯認為，人類的認識體即由特定的理論和實驗為主體構成的某一知識體系，在其初期可以隨理論與實驗的互動而獲得發展，此時認識體的認識效率比較高，屬於認識體的進化階段；反之，在其末期，理論與實驗的互動反而使該認識體的認識效率降低了，屬於認識體的退化階段。所謂理論和實驗的互動，是指理論可以不斷地提出新的實驗，而新的實驗又要求不斷地修改理論以適應新的實驗結果。在此，拉卡托斯強調，認識效率是一個認識體對於人類的認識是否具有存在意義的關鍵所在。

實際上，每一對理論和實驗都是一個關於人與自然界相互作用的格式塔，其無限的發展和修補總能使該認識體變得更為正確，總能不斷地擴展人與自然界的相互作用，從而在更大程度上做到一定的科學意義。但是，根據自然哲學第二定律——凡具體的都是有限的，任何一種認識體都不能始終保持較高的認識效率，都存在著進步與退步的問題。人類的認識體總是會不斷地向認識效率更高的認識體進行轉換，盡管這種轉換有時是被動和延遲的。不過，這對於人類的認識來說並不是一件壞事，因為認識體轉換的延遲，可以保持人類認識的相對穩定，並使人類的認識具有一定的深度。由於理論是認識體的核心，所以理論的每一次更替，都是人類認識的格式塔轉換，都是由更適於人類認識的新格式塔取代舊格式塔，而不是由正確的新理論取代錯誤的舊理論。

所謂舊理論錯了或不能解釋新現象，實質上是人類不願意再用舊理論去理解新現象，不願意相信舊理論能夠對新現象進行解釋。「錯」只是在不同的格式塔之間才有意義，因為不同的格式塔彼此是不相容的。如果人類的認識總是停留在一個格式塔內，那麼人們很難對該格式塔進行批判，認識的發展也將因認識效率的降低而變得非常緩慢或停滯不前。所以，一個新理論的提出，最初的認識意義主要是在於提供了一個新的視角即用新的格式塔來對舊理論進行批判，至於新理論究竟能否提供新知識則退居次要的地位。因為，新理論能否取代舊理論，在本質上並不是由於新理論帶來了更多的新知識，而是新理論具有更高的認識效率，具有使人類比較容易獲得更多新知識的潛在能力。

由此，我們再一次深刻地認識到，由於科學不是簡單地發現自然，而是人與自然界的相互作用，所以科學是由理論和實驗所共同構成的認識有機體，是自然界進化的更高層次，即理論世界。