西方科学研究方法应用的本土化逻辑——以《谈天》为考察样本

陆群峰,任昱霖

(1.上海交通大学 科学史与科学文化研究院,上海 200240;2.清华大学 科学史系,北京 100084)

英国天文学家约翰·赫歇尔(J.F.W.Herschel)所著的《天文学纲要》(Outlines of Astronomy)在1849年出版,英国传教士伟烈亚力与李善兰把其译介到中国,并用书名《谈天》于 1859 年由墨海书局刊刻发行。《谈天》虽然是一本科学著作,却渗透着科学哲学思想,给人以方法论启迪。因此,对《谈天》的研究不仅在天文学思想史上,而且在科学方法上有重要的学术价值。本文旨在研究《谈天》从天文学实践中提炼出的科学方法。

一、“细测屡测”方法

弗朗西斯·培根曾指出了观察的重要性:“人作为自然界的臣相和解释者,他所能做、所能懂的只是如他在事实中或思想中对自然进程所已观察到的那样多,也仅仅那样多。在此以外,他是既无所知,亦不能有所作为。”(1)弗朗西斯·培根:《新工具》,许宝骙译,商务印书馆,1984年,第7页。在他看来,对自然的解释离不开科学的观察方法。沿袭这一思想,《谈天》译者非常重视这本著作所蕴含的天文观察方法的基本原理,在其卷首导言中开宗明义地指出:“此书之天学不细,论测天诸例与细论推步之诸法……本意不过欲明各事各论各法所得之理。”(2)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷首,第5页。意思是说,本书主要不是做技术性探讨,本意是探讨观察事实、论证和观察过程中的基本原理,其中首要的原理就是“测量之理”(3)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷三,第33页。。

《谈天》指出,把握“测量之理”的核心思想在于:“凡有据之理。即宜信之。虽与常人之意不合。然无可疑。一切学皆如是。而天学乃以此为要道。凡世上无据之意,未考其据,而止凭目所见,与天学之诸端大不同。”(4)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷首,第1页。肤浅的观察不可信,经验的正面证据、逻辑和数学证明是一切科学的基础,天文学探索更是如此。可见,精细的观察,不仅对于得到可靠证据很重要,而且对于如何避免误差的原因分析也很重要。因此,接下来讨论“细测屡测”方法,然后对造成观测误差的原因作进一步分析。

(一)“细测屡测”的观测方法

《谈天》强调,若反复考察天象终究会发现有反常,这是科学发现的开端。

则以测望之数列表、见表有级数之理。则再改正器。复测之。而不合之数与前不同。则或系器差。用几何之理推其差之根。凡器必有差。若不知其差之例。恒误谓天地之理。蓋天地之理与器之差。恒杂而难分也。此差非同测量之差。生于偶然。由于器之病。器不改。差不灭、所以或造器。或安器。必俱有一定法推其差。此差既明,方知其中有一级数之差。与此不合理之事合。昔所难分者。一旦忽分。故测望能正器之差也。(5)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷三,第36页。

也就是说,若对测量的数据列表分析后发现有反常,就有可能是仪器有误差所致。如果进一步考察也找不到原因,那就预示着一定存在我们先前不知道的自然定律(天地之理)。一旦发现仪器误差,就需要校正仪器,再次进行测量。实际上,测量之差与仪器误差始终纠结、难以分辨。另一方面,用几何学原理推出误差,再通过反复观测也可以纠正仪器的误差。

要避免观测仪器的误差,不仅需要细测,而且需要屡测。所以,《谈天》指出:

近时波罗咯星台官彼得复测之。得数与前合。则益可信矣。织女第一星相近有微星。其距四十三秒。斯得路佛自道光十五年后。用双象分微尺屡测之。考覈(考核)甚严。知大星之视差。仅四分之一。虽小于鹤翼星。然测器甚精妙。测法又巧。故十五十六两年中。纔(才)测五夜。即得之。后累测尽十八年。俱合彼得复测之。得数亦同。初。乾隆四十六年。侯失勒)定此测法。谓于天学必有禆益。然此时分微尺未精。又有他故。久测未合。近时善用此法。始于斯得路佛云。(6)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷十五,第18页。

彼得通过精妙的仪器反复测量鹤翼星双星,得到与原来数据相合的结果,威廉·赫歇尔(Wilhelm Herschel)所用仪器不精密,测得数据与原来的测量数据不合,而善用这种“屡测”方法始于斯得路佛(M.Struve)。

《谈天》的观点是:“天空除日行星彗月之外。尚有无数光体。大小明暗不等。而相与成方位有一定。永不变乱。故名之曰恒星。然其中亦多有迟迟行者。非细测屡测不能觉也。”(7)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力,李善兰译,商务印书馆,1934年,卷十五,第1页。这就是说,天文学观察必须精心地、反复地勘察误差,通过改进仪器,或者改正所得到的数据,以获得正确的认知。

总之,“细测屡测”的观测方法有两个特点:第一,天文观测不仅“器要精”,“得数要密”,而且需要“测法又巧”、构思精巧。一句话,就是要遵守毕达哥拉斯以来的数学精确性原则;第二,发现天体运动规律并不是一蹴而就的,一定要反复观测以改正观测数据,避免认知误差,最终得到科学的知识。

(二)观测误差原因的分析

《谈天》不仅强调仪器精巧和数据精密的重要性,而且具体分析了观测误差产生的原因:

一曰自然之差。人力不能为。气之变化是也。所以蒙气差虽有表。与实测恒不合。其理人不能知。故大小不能定。又器之大小方向。亦因寒暑而生差。其余不能备述。二曰。测量之差。乃人不巧便。或目力不精。或测量略先略后。不得真时之度。或天气不清。或器之力不足。或器微动。如是者亦难枚举。三曰。器之诸差。分为二端。其一器不精。或轴筍不正圆。或环心不在正中。或非的西正圆。或非真平面。或度分不停匀。其他亦难尽言。此非心目之过。测天者每恨之。(8)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷三,第35页。

由此表明,产生误差的原因有三:一是外在的或偶然的非人为的原因;二是观察的误差,这是人为的原因;三是天文仪器导致的各种误差,其中包括放置仪器的位置不对,仪器的各部分并没能配合好,彼此之间安排失当等。(9)J.F.W.Herschel,Outlines of astronomy.Longmans, Green and Co.1893,p79.以上有一些是不可避免的,不可避免的误差属于“调节性误差”(error of adjustment)(10)J.F.W.Herschel,Outlines of astronomy.Longmans, Green and Co.1893,p79.。所谓失之毫厘,差之千里是也。

总之,《谈天》注重观察仪器误差和得数误差的分析和纠正,具有重要的方法论意义,但对人的主观认知造成的观察和推导误差探讨得不够。这种对认知因素的忽视是其历史局限,“眼见”不一定“为实”,观察渗透着理论。

二、“归纳一致”和假说方法

“归纳一致”方法源自威廉·惠威尔(William Whewell)。《谈天》中简要阐述了这种方法,着重探讨了如何应用这种科学方法。假说方法源自约翰·赫歇尔,而惠威尔进一步探讨了假说方法。考虑到这两种方法在思想渊源上的关联,我们把它们放在一起讨论。

(一)“归纳一致”方法的理论与应用

《谈天》对归纳一致做了这样的阐述:“即培根所言凡理之据。依其诸分与全体相合。如一桥环之诸石相靠而成全体也。间有指旧说之繁。而比新理之简。愈发明其新理之胜。”(11)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷首,第3页。可见,按照培根的论述,归纳一致指的是理论的确证依赖于各个部分与全体相一致,这就像桥梁相互依靠而形成全体。在《天文学纲要》的注释中,约翰·赫歇尔指出,这实际上是惠威尔“归纳一致”所表达的思想:理论的确证依赖于它们部分的相互一致和紧密适应,通过这种适应,它们就像拱门或圆屋顶一样,相互支撑,形成一个融会贯通的整体。惠威尔是在1858年出版的《新工具》中明确提出了这一思想。他希望使用“发现者的归纳”得到普遍原则和因果规律,这种科学发现方法就是“归纳的一致”(12)孟令芳:《休厄尔归纳思想研究综述》,《自然辩证法通讯》,2019第2期。。

在我们看来,“归纳一致”有两层含义:

第一,归纳一致可以解释为,“如果一种理论比另一种理论解释的事实种类更多,那么它就比另一种理论更具有一致性”(13)Paul R.Thagard,The best explanation:criteria for theory choice, The Journal of Philosophy,1978(2).。在惠威尔看来,科学进步就是在概念不断通过归纳一致把事实归并为定律之中实现的。他把这个过程比喻为支流汇合为江河的过程。由此,重要的不是被解释事实的绝对数量,而是事实种类的多样性。当一个理论意外地证明其可以解释更多种类的事实时,就产生了归纳一致性。

第二,归纳一致不仅仅追求事实种类的多样性,而且考虑理论或假说各部分之间的互相支持或支撑关系。在惠威尔看来,“归纳就是用一个清晰而适当的概念把事实捆绑起来”(14)周昌忠:《西方科学方法论史》,上海人民出版社,1986年,第96页。。因此,理论各部分之间的关系尤为重要。理论各部分之间就像一个拱门的建造,“其中一些石头被脚手架支撑着,只有在剩下的石头到位时才能拆除。每块石头都被其它石头支撑着”(15)李帅:《实质归纳理论能解决休谟问题吗?》,《哲学分析》,2019年第5期。。

当代科学哲学家约翰·诺顿(John Norton)对惠威尔的“归纳一致”思想作了深入而形象的阐述(16)John Norton,A material dissolution of the problem of induction,Synthese, 2014 (4).。按照传统的归纳概括方法,“科学知识就像一座宝塔。我们必须从经验基础开始,然后将石头一层一层‘归纳地’堆叠,直到建造过程完成。上方的石块只能由那些更靠近基岩的石头支撑”(17)李帅:《实质归纳理论能解决休谟问题吗?》,《哲学分析》,2019年第5期。。但是,诺顿发现惠威尔的“归纳一致”思想存在问题,“他宣称有层级的经验主义与科学研究的实际情况不符。他认为科学大厦更像是一座石拱门或石砌圆顶”(18)李帅:《实质归纳理论能解决休谟问题吗?》,《哲学分析》,2019年第5期。。由于石拱门左右两边的石头相互支撑着,所以拱顶上的石头没有掉下来。这样一来,“拱门上的每一块石头就像锁链一样,整体性地相互支撑着,‘链’在一起”(19)李帅:《实质归纳理论能解决休谟问题吗?》,《哲学分析》,2019年第5期。。换言之,理论不仅要得到横向的支持,也要得到纵向的支持。在拱门的隐喻中,“脚手架”指的就是假说。

约翰·赫歇尔在《天文学纲要》的英文原著中对“归纳一致”做了初步的理论探讨,而《谈天》主要从应用的角度作出以下阐述:

问黑斑系何物。曰其说不一。或言是太阳实体。乃上面之光氧开裂而显露者也。此说似可信。问开裂之故。曰。其说亦不一。拉浪谓黑斑乃太阳中突起之地。如地面之山其顶高出光气面。故见深黑。其下斜入光气底。光气不厚。故见淡黑。准此说。则四边淡黑。自内至外。必由深渐浅。以至於无。今深浅不分。且外有定界。於理不合。侯失勒威廉谓太阳实体外。四周有气包之。气之外有光气一层浮於上。距实体甚远。光气下有云一层。受此光返照地球。二层惧裂开。则见黑斑中之深黑者。太阳实体也。四边淡黑者。云也。光气之裂口。必大於云之裂口者。因气旋动成风。愈远实体愈大。或别有他故。不得而知也。(20)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷六,第35页。

综上,“黑斑”是什么众说纷纭、没有定论。拉朗德(Lalande)认为黑斑是太阳中像山峦一样突出的地方。按照这种说法,黑斑必然是由内向外逐步变浅以至消失,但实际上黑斑深浅不一且有边界,这就是归纳不一致(于理不合)。威廉·赫歇尔试图用太阳四周有“气包”来对此做出归纳一致即“于理相合”的解释。

因此,在我们看来,归纳一致的关键在于假说或猜想中支持证据之间的相互一致。比如,在关于“黑斑”产生原因的猜想中,其支持证据不在于数量大而在于种类不同,而且不同的支持证据之间还要能相互支持。这种自我支持的理论体系就像拱门一样。

(二)假说方法及其确证问题

无论是在《谈天》中还是在英文原著《天文学纲要》中,都涉及假说方法。李善兰在《谈天》序言二中明确指出:“余与伟烈君所译谈天一书。皆主地动及椭圆立说。此二者之故不明。则此书不能读。”(21)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,序二,第2页。也就是说,只有明白了《谈天》在天文学研究中应用的假说方法并“苟求其故”,才能读懂此书。可见,在《谈天》中,一方面在“地动说”和“椭圆说”的探索中应用假说方法;另一方面,这种假说方法的实质是“求其故”。

约翰·赫歇尔的观点是:“理论或者来自进一步的归纳概括,或者是通过创造大胆假说,以建立先前没有联系的定律之间的相互联系。”(22)洛西:《科学哲学历史导论》,邱仁宗等译,华中工学院出版社,1982年,第123页。可见,在他看来,上升到科学定律的路径有二:一是归纳概括;二是假说方法。相比传统的归纳概括方法,假说在天文探索中更具重要性,所以《谈天》着重探讨了假说方法。

沿着约翰·赫歇尔的思路,伟烈亚力在《谈天》序中指出:

昔多禄某谓地居中心。外包诸天层层硬壳。传其学者。又创立本轮均轮诸象。法綦繁矣。后代测天之器益精。得数益密。往往与多氏说不合。哥白尼乃更创新法。谓太阳居中心。地与诸行星绕之。第谷虽讥其非。然恒得确证。人多信之。至刻白尔推得三例。而哥氏之说始为定论。然刻氏仅言其当然。至奈端更推求其所以然。而其说益不可摇矣。(23)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,序一,第1页。

也就是说,托勒密提出了地心说,哥白尼后来创立了新的学说,认为太阳居于宇宙的中心,地球与行星都环绕着太阳旋转,接着开普勒提出了三大定律。开普勒只言其当然(是什么),牛顿明确阐述其所以然(为什么),所以牛顿提出的假说从此成为不可动摇的科学理论。显然,这里所说的假说方法实际上是不断探讨“所以然”的方法。

《谈天》进一步探讨了假说如何确证的问题。著名科学史家洛西(J.Losee)指出:“双星系统椭圆轨道的发现就是对牛顿力学意外的确证。”(24)洛西:《科学哲学历史导论》,邱仁宗等译,华中工学院出版社,1982年,第123-124页。《谈天》记述了众多天文学家对双星椭圆轨道运行的探索和求证:

侯失勒威廉欲密测诸双星相与之方位。细验其视差。恐其有一定变法也……准此。则奈端所悟。得摄力之理。不独日与行星为然。且推之恒星无不然矣。其後萨乏理。始推得三台第六星之环绕。行椭圜道。五十八年二五而一周。测其行法一一相合。而因格用新术推得宦者第一双星之环绕。亦行椭圆道。七十四年而一周。又梅特勒所推得者最多。欣特师密。雅各。包维勒。维拉锁。米尼格。格林格府。及约翰。亦各推得数星。(25)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷16,第40-42页。

也就是说,一些天文学家对牛顿的万有引力定律能否推广到双星,其轨道是不是椭圆存有疑惑。后来许多天文学家都意外地发现,双星的轨道像其他行星轨道一样都是椭圆的。而这种意料之外的发现确证了牛顿万有引力理论。

“归纳一致”指的是从一类事实获得的一个归纳同从另一类事实获得的归纳相一致。假说方法则是通过提出大胆猜测,从而建立先前没有联系的事实之间的相互关系。假说的真理性正是由归纳一致来保证的,而意料之外的发现可以有力地确证假说。

三、“苟求其故”方法

李善兰在《谈天》序言中说:“哥白尼求其故,则知地球五星皆绕日……刻白尔求其故, 则知五星与月之道皆为椭圆……奈端求其故,则以为皆重学之理也。”(26)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,序二,第1页。也就是说,哥白尼“求其故”,发现了地球与行星都围绕着太阳运转。开普勒“求其故”,发现行星与月亮的运行轨道都是椭圆。但是这些都只是知其然,不知其所以然,而牛顿“求其故”,认为这些都可以用万有引力理论来解释。可见,整个天文探索的历程就是一个“苟求其故”的过程。“苟求其故”是贯穿《谈天》一书的核心科学方法,以下我们进一步探讨其特征。

(一)“苟求其故”方法的溯因特征

“苟求其故”类似于寻求因果联系的方法,具有溯因特征。《谈天》探求因格彗(恩克彗星)周期逐渐变小原因的方法就是“苟求其故”,书中指出:

彗之周时有甚小者。一曰因格彗。初推得其根而预定其再见时者。为白灵之因格。即以人之名名之也。亦行椭圆道。两心差甚大……龙格于新南维立斯巴拉马大测之。时欧罗巴州不见此后天下星台。皆预推而测之。以因格彗逐次过最卑之时。细考之。除诸行星之摄动外。尚有差觉其周渐小。每周减一百分日之十一。如此。距日之中数及长径。亦必略变小。因格言此必天空中有薄气阻其行。令速率变小。故离心力亦变小。而日之摄力。拉之令近也。(27)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷十一,第10-11页。

这里讲的是,彗星周期也有非常短的,其中的一个叫因格彗。因格(Encke)发现因格彗星的周期逐渐变小,每个周期减小百分之十一,如此下去距离太阳的中数以及长径也必将变小。这是什么原因呢?因格提出的假说是:因为天空中有薄气阻碍彗星的运行,使得它的速率变小,所以离心力也变小,而太阳的吸引力将它拉得非常近。

这个假说(原因)是不是真实的呢?《谈天》进一步指出:

此说若确,则彗之体若非自消尽。久之必与日相併。惟因其体之轻。故无所不可依前言。能有别理解说之。彗体可不必灭也。又测因格彗之体积。渐近日渐小。渐远日渐大。与好里彗同。乏勒思谓遍天空有薄气。渐近日渐厚。故挤彗之体令变小也。果尔。则将谓彗体之外如一皮。令内气与天空气不通耶。恐未必然。竊意因距日远近。冷热不同。令彗之体或变为云。或变为不能见之薄气。故觉有大小二。(李善兰案:此恐乏氏之说不误)。(28)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷十一,第11页。

如果这个假说是真实的,那么彗星的体积若非自行消尽,时间久了必定会与太阳相合并。又测得因格彗体越靠近太阳越小,越远离太阳越大,与哈雷彗星相同。乏勒思(M.Valz)认为天空中有薄气,越靠近太阳越厚,所以挤压了彗星之体。而在约翰·赫歇尔看来,因距离太阳远近而导致冷热不同,令彗体或变为云或变为不能看见的薄气,所以觉得彗星有大小的变化。可见,《谈天》关于彗星变化原因的探索和解释,显然运用的是 “苟求其故”方法,而这一方法具有明显的溯因特征。

(二)“苟求其故”方法的试错特征

“苟求其故”意在孜孜以求,不断试错。《谈天》在应用这一方法探讨联星轨道时,就体现了这一特征,书中指出:

梅特勒自言所测得诸联星之相绕。其天籥联星之道。不合椭圆。亦非误测。不知何故。余意此其正星亦系联星。故副星之行别有摄动耳。蓋凡正星为联星。副星因摄动。其道必生变。有长差短差也。恒星各为日。则联星之相绕。是二日相绕也。恐其日所属亦有行星及月。但其体小而远。故我不能见。然意必近本星。否则为余一星所摄。必离本道矣。(29)约翰·赫歇尔:《谈天》,伟烈亚力、李善兰译,商务印书馆,1934年,卷十六,第46页。

梅特勒在观察“天籥”(星座名)联星的轨道时,发现轨道并不是寻常的椭圆形。这是一个反常现象,但又不是观测的错误,并不知道是什么原因。在“苟求其故”中,通过试错法发现,这是因为联星之中的正星吸引着副星。凡是正星为联星之时,副星就会因此受到吸引,所以副星的运行轨道必然有变化,只是这个变化时大时小而已。可见,在天文学研究中,“苟求其故”的过程具有不断试错的特征。

四、结语

尽管《谈天》及其英文原著《天文学纲要》并不是专门论述科学方法的著作,但是那个时代像赫歇尔这样的科学家都致力于从科学实践中提炼科学方法,进而把这些科学方法应用于具体的科学研究中。

一方面,天文观察与研究主要采用的是试错法,亦即纠正仪器的误差与观测数据的误差。另一方面,天文学的假说只有通过观察和实验才能确证。换言之,天文学并不是从确凿无疑的公理直接推导出来的,而是通过观察和实验来发现基本的原理。《谈天》认为要坚持数学精确性的方法论原则,天文观察并不能一蹴而就,而是需要反复观测,并对误差原因进行全面与系统的分析,从而不断纠正误差,才能得到正确的结果。因此,《谈天》蕴含的这种“细测屡测”科学方法,是该书的一大亮点。

“归纳一致”是指从两个不同事实类出发的“归纳链”应导致同一结论。《谈天》对“归纳一致”方法既有理论阐述,又有举例说明。假说方法实质上是一种溯因方法。假说确证旨在追求令人意外的结果,唯有如此确证才有更大的科学价值。惠威尔的“归纳一致”和赫歇尔的假说方法有某种思想上的联系。夏基松等认为:“对假说的作用作突出的强调和比较专门论述的,在西方当首推约翰·赫歇尔。”(30)夏基松,沈斐凤:《西方科学哲学》,南京大学出版社,1987年,第57页。因此,《谈天》在理论和应用上阐述了“归纳一致”和假说方法,这是难能可贵的。

“苟求其故”是在某些基本原理的基础上经过逻辑推演对某些现象的原因做出解释。在某种意义上说,天文探索的历史就是一部“求其故”的历史,“苟求其故”是《谈天》中居于中心地位的方法。“苟求其故”方法实质上是一种实验方法。而这种实验方法的最大进步是赫歇尔在原因概念的研究中达到的。“(赫歇尔)曾具体地研究了归纳法,并提出了与约翰·穆勒的归纳五法十分相似的归纳九法”(31)夏基松,沈斐凤:《西方科学哲学》,南京大学出版社,1987年,第58页。。这种“归纳九法”本质上是一种寻求因果联系的方法。因此,《谈天》中的“苟求其故”方法是赫歇尔的一个重要思想。

总之,《谈天》的一个重要科学价值在于引进了西方科学方法,并促进了西方科学方法研究的本土化。尽管《谈天》在科学方法的阐述上存在一定的历史局限,但其在推进近代中国科学方法的现代转型上产生了积极意义。