Vll 危机和科学理论的涌现

    第VI节所考察的各种发现，或者是规范变化的原因，或者促进了规范的变化。而且，这种隐含着这些发现的变化是建设性创，同样也是破坏性的。科学家吸收了这些发现以后，就能够说明更大范围的自然现象，或者更为精确地说明某些以前已知的现象。但要达到这一点，只有放弃以前的某些标准信念和方法，同时还要用别的来代替以前的部分规范。这样一种变革，我已论证过，是同所有通过常规科学得来的发现结合在一起的，但要排除那种除细节以外一般都可以预见的毫不惊人的发现。发现还不是这种破坏—建设性的规范变化的唯～来源。本节我们开始考察由新理论的发明所引起的同样的、但常常更大得多的变革。


    已经论证过，在科学中，事实和理论、发现和发明并不是范畴上永远不同，因而可以料想这一节同上一节会有所重迭。（不能说普里斯特利首先发现氧，拉瓦锡以后又发明氧，但这种说法又很有吸引力。氧作为发现我们已碰见过了，我们马上又要把它作为发明来迎接。）在处理新理论的涌现时，我们必然也要扩大我们对发现的理解。重迭不就是同一。并不是、至少并不单单是由于上一节所考察的各种发现，才有这样一些规范变革，如哥白尼革命、牛顿革命、化学革命、爱因斯坦革命。也不是由于这些发现才有某些更专门从而也更小一些的规范改变，如光的波动理论、热力学理论或麦克斯韦电磁理论。这样的理论怎么可能从常规科学之中产生呢？这种常现科学活动更少是为了理论探索，更多是为了科学发现。


    觉察到反常如果确实对新类型现象的涌现起作用，那么谁也不会奇怪，这一类更深刻的觉察正是一切可接受理论变化的必要前提。对这一点，我想历臾的证据是绝不含糊的。托勒密天文学的情况是哥白尼宣言之前的一桩丑闻。①伽里略研究运动的贡献密切依赖于经院批评家仍在亚里士多德理论中所发现的困难。②牛顿关于光和色的新理论来源于没有一种现存前规范理论可以说明光谱长度的发现；而代替牛顿理论的是波动理论，在人们愈来愈关心衍射效应和极化效应对牛顿理论的关系中的反常现象时，这一理论正好公布。③热力学是从十九世纪并存的两种物理理论的冲突中产生的，量子力学是从黑体辐射、比热、光电效应周围的各种困难中产生的。④而且，除牛顿一例以外，在所有其他事例中都早就深深觉察到反常了，人们甚至可以把这些影响所涉及的领域恰如其分地说成是处于一种不断增长的危机状态。它要求大规模的规范破坏以及对常规科学的问题和技巧进行重大变革，因而新理论涌现之前一般都有一个专业显著不稳定的时期。不出人们所料，这种不稳定来源于常规科学长期解不开它所应当解开的难题。现有规则的失败，正是寻求新的规则的前奏。


    ① A．R.霍尔（Hall）：《1500～18O0年的科学革命》（伦敦，1954年），第16页。


    ②马歇尔·克莱杰特（ Marshall　gett）：《中世纪的力学科学》（威斯康辛州，梅迪逊，1959年｝，第II～III部。A．伽依列在他的《伽里略研究》（巴黎，1939年〕中指出了伽里略思想中的许多中世纪成分，特别见于该书第I卷中。


    ③关于牛顿，见 T.S.库恩：《牛顿的光学论文》，载。伊萨克·牛顿自然哲学中的论文书信》，　I·B·柯亨编（马萨诸塞州，坎布里奇， 1958年），第27～45页。关于波动理论的前奏，见E．T．惠泰克：《以太和电理论的历史》，第1卷（第2版；伦敦，1951年），第94～109页；W．惠威尔（Whewed）：《归纳科学史》（修订版；伦敦；1847年）；第II卷，第396～466页。


    ④关于热力学，见 S.P.汤普逊：《拉格斯的威廉·汤姆逊·开尔文男爵的生平》（伦敦，1910年），第1卷，第266～281页。关于量子理论，见弗雷茨·雷舍（Fritz　Reiche）：《量子理论》，H．S．海特菲尔德（Hatfield）和H．L．布罗兹（Brose）译（伦敦；1922年），第i～ii章。


    先来看看规范变化的一个特别著名的事件，即哥白尼天文学的涌现。它的先驱托勒密体系先在公元前最后两个世纪和公元后最初两个世纪发展起来，那时这个体系在预言恒星和行星的位置变化方面取得了值得赞美的成功。任何一种其他古代理论都做不到这么好。对于恒星，托勒密天文学今天仍然作为一种技术上的近似而得到广泛应用；对于行星，托勒密的预测也同哥白尼的一样可靠。但是，对一种科学理论来说，值得赞美的成功决不是完美无缺的成功。托勒密体系不管是对行星位置还是对春分、秋分的岁差所作的预测，总是不能很符合最好的观测。进一步减少那些细小的误差，成了许多托勒密的后继者的许多常规天文学研究的首要问题，正象把天体观测同牛顿理论结合起来的同样的尝试，也为牛顿在十八世纪的后继者提出了正常研究问题。有时候天文学家完全有理由假定，这些尝试也可以同导出托勒密体系的尝试一样成功。对于某一误差，天文学家们总是可以通过调整托勒密体系中的复合圆环而消除。但随着时间的推移，人们只要注意一下许多天文学家正常研究活动的最后结果就可以发现，天文学的混乱性比精确性提高得要快得多，这里校正了一种误差，那里又会冒出另一种来。①


    因为天文学传统一再为外界所打断，又因为天文学家之间的联系受到没有印刷的限制，这些困难慢慢才被认识到。最后终于觉察了。到十三世纪阿耳丰叟十世（ AIfonso　X）宣称，上帝在创世时如果请教过他，一定会获致忠言。在十六世纪，哥白尼的合作者多米尼加·达·诺瓦拉（Domenico　da Novara）坚持，决不会有一种象托勒密体系那么繁杂、那么不确切的体系，竟然可能符合真实的自然界。哥白尼本人在《天体运行论》一书的序言中也写过，他所继承的那种天文学传统最后造出来的只能是一个妖怪。到十六世纪初欧洲愈来愈多最优秀的天文学家都认识到，天文学规范已不能应用于它自己的传统问题了。这样的认识，正是哥白尼放弃了托勒密规范而另找新规范的必要前提。他这个著名的序言至今仍然是对一种危机状态的经典叙述。②


    ① J．L．E．德雷耶（Drerer）《天文学史从泰勒斯到开普勒》（第2版；纽约，1953年），第xi～Xii章。


    ② T．S库恩：《哥白尼革命》（马萨诸塞州；坎布里奇，1957年），第135～143页。


    从技术上按常规解决难题的活动中断了，当然这还不是哥白尼所面临的天文学危机的唯一因素。进一步的研究又考虑到改革日历的社会压力，这压力使岁差的难题更为迫切。还有，更全面的说明还要考虑中世纪亚里士多德派的批评、新柏拉图主义的复兴，以及其他一些重大的历史因素。但是技术上的中断仍然成了危机的核心问题。在成熟科学中——天文学在古代已经成熟了——象上面所引证的那些外界因素，主要的作用是确定了中断的时机，使中断更易于理解，还规定了中断因为受到特殊注意而最先出现的领域。这一类的问题虽然极其重要，但已超出了本文的界限。


    如果哥白尼革命的事例大致已经清楚了，让我们转到第二个情况不大一样的事例上，即以拉瓦锡的氧燃烧理论的涌现为前导的危机。十八世纪七十年代由于化学中许多因素的相互结合而产生了一次危机，历史学家无论是对这些因素的性质或是对它们的相对重要性都有不同看法。其中有两个因素一般都认为具有头等重要性：气体化学的兴起和重量关系问题。前者的历史开始于十七世纪空气泵的发展及其在化学实验中的应用。以后一个世纪中化学家们通过空气泵和其他许多气体装置愈来愈认识到，空气一定是化学反应中一种活泼的成分。但是化学家们借助于一些例外——简直含糊得可能根本不是例外——还是相信空气只是一种气体。直到 1756年约瑟夫·布莱克表明可以明确地把“固定空气”（CO　 2）从普通空气中分离出来，人们仍然认为这两种气体的样品只是因为不纯才有区别。①


    ① J·R·帕亭顿（Partington）：《化学简史》（第2版；伦敦，1951年）。第48～51、73～85、90～120页。


    布莱克的工作以后，气体研究进展迅速，在卡文迪什、普里斯特利、舍勒等人手里成绩尤为斐然，他们创造了一系列可以鉴别不同气体样品的新技术，所有这些人，从布莱克到舍勒，都相信燃素说，都经常用这个理论设计和解释实验。舍勒为了取得除去燃素的热质，实际上是第一次通过一连串精致的实验而获得了氧。但这些实验的最后结果出现了各种各样的气体样品和属性，复杂得使燃素说愈来愈应付不了实验室的经验。这些化学家们尽管都没有提出过应当取代这种理论，但再也不能始终如一地用它了。到十八世纪七十年代初拉瓦锡开始作空气实验时，几乎有多少气体化学家就有多少燃素说的变形。①一种理论的变形骤增，正是危机的一般迹象。在哥白尼的序言中也抱怨过这一点。


    ①虽然他们主要关心的是稍晚一些的时期，但许多有关材料部散见于 I．R．帕丁顿和道格拉斯·麦启（Dous　Mckie）的《烧素说的历史研究》，《科学年鉴》，第11卷（1937年），第361～404页2第III卷（1938年），第1～58、337～371页；第II卷（1939年），第337～371页。


    燃素说对气体化学愈来愈模棱两可，用处也愈来愈少，这还不是拉瓦锡面临危机的唯一根源。他还很关心解释大多数物体燃烧或焙烧以后的重量增加，这又是一个具有一段长长史前期的问题。至少有几个穆斯林化学家早已知道某些金属在焙烧后可以增重。十七世纪有几个研究者从同一事实中得出结论说，焙烧过的金属从大气中搞来了一些成分。但在十七世纪大多数化学家似乎还不需要这个结论。如果化学反应可以改变各种成分的体积、颜色和质地，为什么不能改变重量呢？重量并不总是测量物质的量。而且，由焙烧而来的增重仍然是一种孤立的现象。大多数自然物（如水头），如燃素说后来所说的，焙烧后失去重量。


    但是经过十八世纪，原先对增重问题的满意回答就愈来愈难以维持了。一方面这是因为天平作为一种化学工具用得愈来愈多。另一方面因为气体化学的发展使之有可能也有需要保留气体反应物，化学家发现了愈来愈多的焙烧引起增重的实例。同时，由于化学家逐渐接受了牛顿的引力理论，也使他们坚持认为，重量的增加也必然是物质的量的增加。这些结论并不一定要放弃燃素说，因为还可以做各种各样的调整。也许燃素具有负重量，也许火粒子或者别的什么东西在燃素离开时进入了焙烧物。此外还有一些其他解释。但是，增量问题即使没有否定燃素说，它也一定会膨胀起来，引出愈来愈多的专题研究。其中的一个专题是：《关于把燃素作为一种同重量一起并按重量变化［分解］的实体在与之化合的物体中的产生》， 1772年在法国科学院宣读，而这一年正好是以拉瓦锡向科学院秘书递交了他著名的密封短简而结束的。在写这张短简以前，化学家们多年来已接近觉察边缘的一个问题已成了一个突出的未解难题。①人们精心设计了燃素说的许多不同的说法来对付。象气体化学问题一样，增重问题也使燃素说愈来愈难以理解究竟是怎么回事了。人们虽然仍旧委托它作为一种研究工具，但这个十八世纪化学的规范却已在逐步失去独一无二的地位。在这个规范指导下的研究，已愈来愈类似于前规范时期在各个相互竞争的学派支配下的研究，这正是危机另一种典型的效应。


    现在再来看看第三个也是最后一个事例，即为相对论的涌现开辟道路的十九世纪末期物理学危机。这一次危机的一个根源可以追溯到十七世纪末，当时许多自然科学家，最著名的是莱布尼兹，都批判了经典绝对空间概念的最新变形中的牛顿痕迹。②他们已很有可能，尽管绝不是完全可能，表明绝对位置和绝对运动在牛顿体系中根本没有作用；他们又确实从值得重视的美学要求方面成功地暗示了，一种关于空间和运动的彻底相对性概念以后必将出现。但他们的批评是纯逻辑的。象早期的哥白尼派批评亚里士多德对地球静止的证明一样，他们作梦也没有想到向相对论体系过渡竟会得到观测的效果。他们绝没有把他们的观点同牛顿理论用于自然界所引起的任何问题联系起来。结果，他们的观点在十八世纪最初几十年中就同他们本人一起死去了，只是在十九世纪最后几十年中，当这些观点同物理学实践具有一种大不一样的关系时才重新复活起来。


    ① H．盖拉克：《拉瓦锡——关键的一年》（纽约州；伊萨卡；1961年）。全书证实了危机的发展和以及对危机的最初认识。关于拉瓦锡的处境的清晰说明，见该书第35页。


    ②马克斯·詹莫（ Max　Jammer）：《空间概念：物理学空间理论的历史》（马萨诸塞州，坎布里奇；1954年）；第114～124页。


    把空间的相对哲学最后加以叙述的技术问题，大约在 1815年以后随着接受光的波动理论而开始进入常规科学，尽管直到十九世纪九十年代才激起危机来。如果光是牛顿定律支配下机械性以太中扩散的波动，那么无论是通过天体观测或是通过地球实验都应当能够探测出穿过以太的漂移。关于天体观测，只有观测光行差才有可能提供充分精确的有关信息，因此，通过测量光行差以探测以太漂移，就成了常规科学一个公认的问题。人们制造了许多特殊装置来解决这个问题。但这些装置没有探测出任何可见的漂移，于是这个问题就从实验家和观测家那里转移到理论家那里去了。在这个世纪的中叶，菲涅尔（Fresnel）、斯托克斯（Stokes）等人设想了许多企图解释为什么看不到漂移的以太理论说明。每一种说明都假定运动体拖曳了以太的某一部分。每一种都十分成功地解释了天体观测以及地球实验的否定结果，包括著名的迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morles）实验的结果。①除了各种不同说明之间的矛盾以外，仍然是没有什么矛盾的。若不是有了某种适当的实验技术，这种矛盾永远不会尖锐起来。


    只是由于十九世纪最后二十年中逐步接受了麦克斯韦的电磁理论，这种局势才又一次发生变化。麦克斯韦本人是个牛顿派，他相信光和电磁一般都是由于一种机械性以太粒子不断位移的结果。他的电磁理论的最初形式是直接运用这些他所赋予这种介质的假想的属性。他最后的理论已把这些属性抛掉了，但他仍然相信他的电磁理论同牛顿机械观的某种说明并无矛盾。②提出一种合适的说明，对他和他的后继者都是一个挑战。但是在实践中，正象科学发展中所一再经历的那样，要创造出那种所需要的形式是极其困难的。正象哥白尼天文学出现以后，不管作者是多么乐观，却造成对已有运动理论的不断加深的危机；同样，麦克斯韦理论也不管它是怎样来源于牛顿理论，最后也对它所由之出身的规范造成了一次危机。 ③ 不仅如此，这一次危机之所以最为严重，原因就在于我们正在研究的相对于以太的运动问题。


    ①约瑟夫·拉摩：《以太和物质……包括地球运动对光现象的影响的讨》（剑桥， 1900年），第6～20、320～322页。


    ② R.T．格累兹布鲁克：《詹姆士·克拉克·麦克斯韦和现代物理学》（伦敦，1896年），第ix章。夫于麦克斯韦最后的看法，见他自己的书：《论电和磁》（第3版5牛津；1892年）；第470页。


    ③ 关于天文学在力学发展中的作用，见库恩，前引书，第 VII章。


    麦克斯韦讨论物体运动中的电磁行为，没有涉及以太的拖曳，这就证明很难把这种拖曳纳入他的理论之中。结果，探测穿越以太的漂移的全部早期观测都成了反常现象。因此， 1890年以后的年代又目击了一长串实验方面和理论方面的努力，以探测相对于以太的运动并把以太拖曳纳入麦克斯韦理论。前者始终未能成功，尽管有些分析家认为结果模棱两可。后者提供了大量富有希望的开端，特别是洛仑兹（Lorentz）和菲茨杰拉德（Fitzgerald）的开端，但他们也揭出了更多的难题，最后又正好使进行竞争的理论激增，即我们前已明确的危机伴生物。②1905年涌现了爱因斯坦的狭义相对论，就违反了历史的安排。


    ②惠泰克，前引书；第 I卷，第586～410页；第II卷（伦敦，1953年），第27～40页。


    这三个事例几乎都十分典型。在每个事例中，新理论都只能在常规解题活动已宣布失败以后才涌现。而且，除了在哥白尼一例中科学以外的因素起了特别巨大的作用，旧理论的破产以及各种理论的骤然激增作为一个信号，不会超过新理论发表前一、二十年。新理论就象是对危机的直接回答。但还要注意，尽管也许不那么典型，引起旧理论破产的那些问题也都属对早已知道的那些问题。常规科学以前的实践完全有理由认为。这些问题已经解决或接近解决了，这就可以说明，为什么当失败来临的时候失败的感觉会那么尖锐。一种新型的问题解决木了，常常使人失望，但从来不使人惊讶。问题也好，难题也好，往往不会屈服于第一次的进军。最后，这几个事例还共同具有另一个特点，使它们对危机的作用更为重要：每一次危机的解决在有关科学未发生危机时至少可以部分预见得到；但在没有危机的情况下却又总是忽视了这样的预见。


    有一个唯一完整的也是最有名的预见，即公元前三世纪的阿利斯塔克（ Aristarehus）对哥白尼日心说的预见。人们常说，如果希腊科学的演绎性不那么厉害，不那么受教条的束缚，日心说天文学就可能早在实际提出的十七个世纪以前就开始提出了。①但这就忽视了全部历史的前后关系。当阿利斯塔克提出他的学说时，更为合理得多的地心系统并不需要日心说来满足它所能满足的任何需要。托勒密天文学的全部发展，它的成功和衰败，都发生在阿利斯塔克学说以后几个世纪里。而且，也没有什么明显的理由要特别重视阿利斯塔克。即使是哥白尼更为精致的学说，比托勒密系统既不更简单，也不更精确。有效的观察试验，如我们下面将看得更清楚的，并没有这二者之间提供什么选择的根据。在这些情况下，使天文学家们趋向哥白尼的因素之一（也是使他们不能趋向阿利斯塔克的因素之一）就是人们认识到了危机，首先是由于危机，才有新的创造。托勒密天文学未能解决问题，时间为一个竞争者提供了机会。我们另外的二个事例没有提供这样完整的预见。但可以肯定，吸收大气的燃烧理论——十七世纪由雷（Rey）、胡克（Hooke）和梅约（Mayow）所提出的理论——之所以未能使人们全力倾听，原因在于这种理论没有触及常规科学实践中人们认识到的难点。 ② 十八～十九世纪的科学家们长期忽视从相对性观点对牛顿的批评，主要是由于它在竞争之中也未能取胜。


    科学哲学家们曾一再证明，根据同样一套材料总可以提出一种以上的理论构造。科学史表明，特别是在一种新规范的初期发展阶段上，发明这样一种替代的理论并不是很困难。但是，除非是在有关科学发展的前规范时期和后来进化中非常特殊的时机中，这种发明却正好是科学家所很少进行的。只要规范所提供的工具还能够解决它所规定的问题，科学就进展得最快，可以最深入地合理利用这些工具。理由是清楚的，科学象制造业一样——更换工具是一种浪费，只能留到需要的时候进行。危机的意义就在于它可以指示更换工具的时机已经到来。


    ①关于阿利斯塔克的工作，见T.L.希思（Health）：《萨莫斯岛（Samos）的阿利斯塔克：古代的哥白尼》（牛津，1913年,第II部。关于对忽视阿利斯塔克成就的传统地位的极端说法，见阿瑟·郭斯特勒：《梦游者：人类对宇宙不断变化的认识历史》（伦敦，1959年），第50页。


    ②帕亭顿，同上书，第78～85页。