判决性实验—结合迈克尔孙-莫雷实验看拉卡托斯对波普尔概念下判决性实验的批判

邓雪球

(北京师范大学哲学学院，北京 100875)

“判决性实验”(crucial experiment)是指能够在两个相互竞争的两个理论或假说之间做出判定的实验。一般认为，这一概念最初于1620年由培根在《新工具》一书中提出。在《新工具》中，这种起到判决性作用的实验或现象被称作“指路牌事例”。指路牌事例能够有效地保留与某一事物相关的众多性质中与研究对象联系稳定、不可分的性质，并排除其中非决定性的、变异的和可分的性质。培根认为，人们应该使用指路牌事例对事物的性质作出判断，而不是依靠“或然的推理”。这意味着，培根将“指路牌事例”，或说“判决性实验”看作是一种逻辑上严密的推理，是科学实践中有效的判决工具，应当被广泛地用于科学实践中。到了十九世纪，随着实验科学的蓬勃发展，“判决性实验”被更为广泛地使用，其概念和逻辑形式也得到了规范。其逻辑形式大约可以表示为：h1和h2是两个互不相容，但无法被现存证据选择的假说。在设计的判决性实验中，按照h1推出的陈述e1和h2推出的e2也是互不相容的。如果在实际的实验结果符合e1，根据这一判决性结果就能直接否定h2而肯定h1。形式语言写作：((h1→e1)∧(h2→e2)∧e1)→(h1∧ h2)。赫舍尔在1831年出版的《自然科学哲学研究预论》中把判决性实验看作是具有可接受性假说或理论所必须经受的一种实验，任何理论和假说面对判决性实验的裁决都要么被确证，要么被否认。此时，判决性实验在经验科学中已经有了极高且明确的地位。自然，它也受到了来自科学哲学家们的讨论和质疑，特别是来自“迪昂-奎因论点”的质疑。本文试通过卡尔·波普尔和伊姆雷·拉卡托斯对判决性实验的不同看法，对判决性实验做出进一步的评价。

1 波普尔的判决性实验

1.1 判决性实验在科学划界中的作用和地位

所谓划界问题就是为科学与非科学的区别制定标准，这个划分即是在回答“科学是什么”的问题。对科学的定义是科学哲学的基本问题，只有在回答了什么是科学之后，科学哲学家和科学史家才能够在此基础上继续讨论有关科学的其他问题。不过，与其说波普尔强调为科学划界，不如说他更强调的是划界所依据的逻辑工具。波普尔所批判的对象是逻辑实证主义的归纳逻辑。从单程陈述过渡到全程陈述的归纳推理是否证明为正确，或者在什么条件下证明为正确，即归纳问题，自被休谟提出以来就一直困扰着哲学家们。在《科学发现的逻辑》一书开头，波普尔便明确表明了自己的观点：归纳逻辑的困难是不可克服的，归纳逻辑不仅无法达到严格的正确，也同样无法达到任何程度的可靠性或“概然性”。一个理论的内容越丰富，其真实性概率越低；真实性概率越高，其内容越贫乏(重言式“A=A”的真实性概率为1)。归纳法不仅达不到高概率的真实性，任何额外经验内容的引入还都会使一个陈述丧失一定概率的真实性。波普尔认为，归纳法的认识论基础是经验基础主义，即经验科学的基础是感觉经验；而经验基础主义的错误就在于将科学发现活动分割为了两个部分：前一个部分是感觉和经验观察，后一个部分是建立在前一个部分之上的理论。但是，观察和理论并不是两种独立的活动，观察不可能发生在理论之前。同样，波普尔也指出，实证主义者认为只有所谓“导源于经验”的概念和可还原为基本的“经验陈述”的陈述才是科学的，正是因为他们将归纳逻辑作为了隐含的划界标准。

与证实相比，单称命题在证伪全称命题时体现出的逻辑严密性是突出的。个别的事例无论重复多少次都无法证实的全称判断，只需一次反例的出现就可被证伪。(例如“所有天鹅都是白色的”)经验之所以可以作为理论的试金石，其原因正是在与经验能够证伪理论。不难看出，这种被拉卡托斯成为“独断”的证伪主义认为一切理论都是可错的，但它却保留了一种不会错的经验基础，属于经验主义和非归纳主义的组合。这种理论否认经验基础的可靠性可以传导到理论中，认为经验反证据是唯一反对一个理论的公断人。一切科学理论都只是猜测和假说，它们不会被最终证实，但却会随时被证伪。

因此，科学诚实性标准就是“可证伪性(falsifiability)”：一个可证伪的命题就是“科学的”。科学和伪科学的划分可不依靠事实，而是方法。一个理论如果可以被一个事先规定的判决性实验或观察证伪，就是科学的。反之，如果人们拒绝规定这样的“潜在证伪者”，该理论就是伪科学的。而一个已被证伪的命题失去了其正确性，自然不再属于科学的范畴，所以简单来说，可被证伪但未被证伪的便是科学的。这种划界标准下科学的诚实性就在于当一个命题被证伪时，必须无条件地拒斥这一命题。

值得注意的是，在两个理论中进行判决的判决性实验为什么会被视为证伪某一理论的依据，甚至被作为“潜在证伪者”而规定着理论的科学性？波普尔在解释“可证伪性”时标注道：“在大多数情况下，在证伪一个假说以前，我们已经有另一个假说准备着了，因为证伪实验通常是一个判决性实验，设计在两个假说中决定一个。就是说，实验是根据这两个假说在某些方面的不同这一事实提示的；它利用这个不同来反驳其中(至少)一个。”波普尔不仅对判决性实验抱以极大的信任，而且还将其视作证伪理论和假说的主要手段，在划界问题上也让其扮演着重要的角色。

1.2 判决性实验在科学知识增长模式中的作用和地位

波普尔对于科学划界和科学方法的学说是连贯的。证伪的过程就是一个试错的过程，证伪的方法就是试错法，也叫猜想-反驳法。科学家们首先提出猜想和假说，然后寻找与这一猜想不符合的事例，并以此为依据对假说作出修正，直到否定该假说，再提出新的假说，并重复证伪的步骤。试错法是没有终点的，它的目的不是为了达到一个最终的、最好的理论，而是总要找到更好的假说。试错法的逻辑不同于从经验事实总结定理再到一般结论的归纳逻辑，而是从提出假说开始，通过经验事实进行否定后件推理，再提出更完善的假说。这是一个演绎的过程，可写作((P→Q)∧ Q)→ P。科学发现的过程不再是归纳法，而是演绎的，那么科学变化就是合理的，属于“发现的逻辑”范围。可证伪性与经验内容成正比，也就是说，如果一个假说比另一个更有可能被推翻，它就具有更丰富的经验内容，对现实做出了更多的判断。这完美解决了归纳逻辑下经验内容与正确性无法兼容的困难。

知识增长的模式也不再是知识数量上单纯的积累或是取代，而是在问题→理论→排除错误→新问题的过程中不断提出更深入和广泛的问题，尝试解决这些问题的理论也有了越来越高的确认度和逼真度。科学知识的增长是一个借助确凿的事实不断用新理论替代旧理论的质变过程。在这个开放性的、非决定论的模式下，证伪扮演着领导角色，而证伪理论的机制实际就是判决性实验。

1.3 迈克尔孙-莫雷实验[2]

迈克尔孙-莫雷实验是1887年由迈克尔逊和莫雷为测定“以太风”的速度所做的实验，该实验结果最终否定了“以太”的存在，有着“科学史上最伟大的否定实验”之称。十九世纪，随着光的波动说流行起了一种“以太”学说。根据对机械波性质的理解，人们认为光波的传播也需要相应的介质。“以太”作为光的传播介质，是无处不在、绝对静止的惯性系。这也就引起了一个问题：地球在围绕太阳公转的速度是30km/s，运动的地球在穿过静止的以太时，在相切于公转轨道的方向会有迎面吹来的“以太风”。与介质的相对运动必然会影响光的传播，从而一些学者推测：在地球通过以太运动的方向测量的光速应该大于在与运动垂直方向测量的光速，即，向光源运动时所测得的光速应大于不对光源运动时。

迈克尔孙在1881年针对一组相互矛盾的理论设计了一项判决性实验。接受判决的双方是菲涅尔和斯托克司关于地球运动对以太影响的理论。菲涅尔认为，地球在运动时会部分地带动地球内部的以太，因而地球外部的以太速度相对于地球来说是正的，也就是说他认为存在以太风；而斯托克司则认为，以太会被地球的运动所拖拽，因而在地球的直接表面上以太的运动速度与地球相等，不存在以太风。迈克尔孙表示，他的实验结果证明了斯托克司的理论，并进一步断言“静止的以太”这一假说是错误的。但在洛伦兹对迈克尔孙1881年实验的分析中，他证明了迈克尔孙的计算结果是错误的，该实验没有反驳菲涅尔的理论，而且斯托克司的理论中也存在着矛盾。洛伦兹同时提出了一个符合以太假说的新理论。为了检验这一理论，1887年，迈克尔孙和莫雷再次进行了更加精细的实验，但实验结果依旧表明地球与以太的相对速度为零。而后，包括迈克尔孙在内的科学家们在不同地点、不同时间多次重复了迈克尔孙－莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高，却始终得不到预期的实验结果。在人们最终判定地球不存在相对以太的运动后，该实验被誉为了“科学史上最伟大的否定实验”。

套用波普尔的理论，迈克尔孙-莫雷实验的结果便是推翻了以太假说的“确凿事实”，是一次典型而成功的证伪事件，推动了科学的发展。

2 迪昂-奎因论点与精致的证伪主义

2.1 迪昂-奎因论点

“迪昂-奎因论点”对判决性实验的质疑和反对尖锐地指出了判决性实验的问题与症结所在，拉卡托斯将其总结为：“如果有足够的想象力，便可通过适当调整一个理论所置身的背景知识，使该理论永不被‘反驳’。”迪昂-奎因论点的核心之处在于，任何理论都不是孤立的，实验所要否定的不是单个的假说，而是理论整体。这就使得判决性实验在否定某个理论时必然要经历相当复杂和精细的逻辑结构，正是因为这种无法消解的精细结构，迪昂和奎因才会坚信判决性实验的不存在。就算某一实验的确成功否定了一组理论，我们所能知道的也只有(a∧a…∧)中存在错误，但无法明确究竟其中的哪一条理论应当被修改。甚至，对于这个理论系统中的任何一条理论的质疑，我们都可以通过解释和调整该系统的其他组成部分来确保它的正确性，这就使得针对任何一条个别理论的反驳在整个理论系统下显得苍白无力。对于朴素证伪主义来说，迪昂-奎因论点中指出的科学理论的坚韧性是一个难以解决的话题。波普尔不否认迪昂-奎因论点在逻辑上的合理性，但他也试图通过强调背景知识的确定性而在实用的层面上保卫有意义的科学检验。他认为，在实际的科学检验中，被检验假说的辅助性假设往往是已被确认为真的，所以反例所反驳的对象就只能是该被检验假设。拉卡托斯称这种承认迪昂-奎因论点的逻辑合理性但否认其使用正当性的观点为“迪昂-奎因弱论点”。拉卡托斯认为波普尔在实用层面上对背景知识的信任和坚持在历史性的考察中是相当值得怀疑的，而且，事实上科学理论的坚韧性绝不是个别“反例”可以推翻的。

与波普尔相比，拉卡托斯对于该论点的接受度相当之高。尽管未在著作中明确地说明，但拉卡托斯精致证伪主义(即科学研究纲领方法论)学说的建立在很大程度上受到了迪昂-奎因论点的影响。

2.2 科学研究纲领方法论

除了迪昂-奎因论点之外，另一对拉卡托斯的思想产生重要影响的便是库恩的历史主义科学观。拉卡托斯非常熟悉库恩的思想和作品，在《科学研究纲领方法论》中他还详细描述过库恩对波普尔朴素证伪主义的反驳和对立，并做出了总结和评论。他既反对波普尔，也不认为科学的发展是像库恩所说的一般完全非理性。在我看来，结合迪昂-奎因论点与历史主义的批判重构证伪主义便是科学研究纲领方法论的直接来源。精致的证伪主义既保留了证伪方法和科学增长的合理性，同时也不再将孤立的理论作为判断和证伪的对象，而将理论系统，即纲领，作为讨论对象，强调科学发展的连续性和一些科学理论的坚韧性。同时，拉卡托斯也非常关注科学编史问题，认为科学编史学与科学哲学应当相互学习和支持。

首先，同迪昂-奎因论点一样，拉卡托斯主张典型的描述重大科学成就的单位不是孤立的假说，而是具有严密内在结构的理论系统。因此也就不能孤立地对一个理论进行评价，对于任何理论的评价都应该同时考虑它的辅助假设、背景知识或初始条件。所以，应该用理论系统代替理论，这种理论系统可以叫做科学研究纲领方法论。

纲领由硬核、保护带和一些方法论构成。硬核是科学理论系统的基础和核心部分，对整个理论起着决定性的作用。由于放弃了硬核就等于放弃了整个纲领，科学家必须在方法论上规定硬核是不容反驳的。保护带由许多辅助性假设构成，它的职责是保护硬核，尽可能不让硬核遭受经验事实的反驳。当科学理论与经验事实不一致时，保护带会主动地把经验反驳的矛头引向自身，让构成这个保护带的辅助性假设来承担错误的责任，并通过修改、调整这些辅助性假设来保护硬核，以免硬核受到经验事实的反驳。这个过程就是纲领方法论中的反面启发法，它告诉我们要避免那些研究道路。

相对应地，正面启发法能告诉我们要寻求哪些道路：它包括一组部分明确表达出来的建议或暗示，以说明如何改变、发展研究纲领的“可反驳的变体”，以及如何更改、完善“可反驳的”保护带。它提倡并鼓励科学家通过精简、修改、增加或完善辅助性假设来发展整个科学研究纲领。正面启发法的进行并不需要反常的发生，相反，它的出现先于可能的反常：在正面启发法中，科学家们所要处理的是尚未出现的、内在于纲领的反驳。两种启发法共同发挥作用，为科学研究纲领造就稳定的环境。

而且，研究纲领在发展的任何阶段上都会有未解决的问题和未消化的反常。科学的、进步的纲领与伪科学的、退化的纲领的区别并不在纲领是否尚未遭到反驳，而是在于是它们否预测了新颖的事实：这是与证伪标准同时存在的证实标准，同时也是拉卡托斯在理论建设上相比于波普尔的精细之处。在进步的纲领中，理论导致发现新颖的事实(如牛顿、哈雷与哈雷彗星；爱因斯坦与恒星距离)；而退化纲领中理论是为适应已知事实而构造的(如马克思主义理论)。科学革命的发生就是科学家们较之退化的纲领，更倾向于参加进步的纲领。

与迪昂和奎因不同，拉卡托斯没有完全否认判决性实验的存在。他判决性实验分为两种，即“小判决性实验”和“大判决性实验”。其中小判决实验是在同一纲领内部中判决不同科学变体的实验；大判决实验解决的则是纲领之间的冲突。但是，拉卡托斯在其著作中明确而彻底地否决了即时的判决性实验的存在。在他看来，新纲领对旧纲领的取代并不是一个非此即彼的线性过程，在任何时刻，研究纲领都不是唯一的。结合具体的史实，我们就会发现科学史是一部相互竞争的研究纲领的历史，纲领之间的竞争是一个相当复杂的过程。新纲领淘汰旧纲领的判定标准同样不是一时便能完成的：首先，新理论要比旧理论有更多的经验内容；其次，新理论要能解释旧理论先前的成功，或者说能包含旧理论不可反驳的内容；而且，新理论多于旧理论的经验内容要能得到观察和实验的确证。只有当一个纲领在反复的努力下都没能完成“起死回生”，原先所做的对它有否决性的的实验才会被“事后地”认为是判决性的。而由于新纲领对旧纲领的取代往往要经过相当长的时间，一个实验是否是“判决性实验”要根据其结果决定，其在科学史上的位置可能会在数十年后才被确认。

2.3 重新评估迈克尔孙-莫雷实验

让我们回到迈克尔孙-莫雷实验。在结合了精致的证伪主义与更多的史实进行整体考量后，该实验所代表的其实是以太纲领退化过程的一个环节。1887年之后迈克尔孙一系列实验的零结果首先招致的不是人们对以太信念的松动，而是整个学界对实验过程和实验结果的巨大质疑。同时，洛伦兹、菲兹杰拉德等学者也提出了各种学说来解释迈克尔孙-莫雷实验的实验结果。到了1897年，甚至迈克尔孙本人都在一次在山顶测量以太风并失败的实验后加入了菲涅尔理论的阵营。他断定自己在1887年的实验中得出了错误的结论，并接受了所有可以拯救菲涅尔理论的辅助性假说。就这样，在以太纲领的框架中，人们在二十余年里不断修正实验细则与理论以达到希望的结果，而从未放弃纲领本身。以太理论的终结并不来自于迈克尔孙、莫雷、菲兹杰拉德或洛伦兹，爱因斯坦所制定的一个“进步性的新纲领”主要是受到了马赫对牛顿力学批评的激励。爱因斯坦的新纲领不仅能“预测”并说明迈克尔孙-莫雷的实验结果，还能预测到一些列新颖的事实，至此，旧的以太纲领才被这个新纲领证伪。而也是到了这时，即原实验进行的二十五年之后，迈克尔孙-莫雷实验才被看成“科学史上最伟大的否定实验”。

拉卡托斯坚定地表明，这种意义上的判决性实验是不存在的。即，无论如何都不存在能够即时地推翻一个研究纲领的实验。即使是对于退化的研究纲领，观察和实验也不能证伪它，能够证伪一个纲领的只能是一个比它进步的研究纲领。苟延残喘的以太纲领的最终落幕还是由爱因斯坦的相对论纲领完成了取代，而不是像朴素证伪主义所欲言的那般被迈克尔孙-莫雷实验锁单枪匹马地击败。只有把科学看成研究纲领而非单个理论的战场，才能说明科学的连续性、某些理论的坚韧性、以及某种程度上的独断的合理性。