“简单性原则”源自自然统一性

2016-09-20 10:33 来源:中国社会科学网

        作者:深圳大学社会科学学院 姜琬

  科学方法论中,主张用最少的独立假设和公理、用简单明晰的初始概念和最直接的关系来建构理论体系,被称为理论建构和评价的简单性原则。在科学史上,这一原则一直被科学家们所推崇,他们在思想上或提倡或论证,在实践上或自觉地运用,或不自觉地遵从。牛顿和爱因斯坦都认为简单性是科学内在的追求,他们都声称自己的科学理论就是按照这一原则构造的,海森堡更是相信,简单性的追求是科学“固有的信仰”。科学史上,这一原则被科学家们广泛认可和接受。

  自然的统一性是客观的,但仍然是潜在的,有赖于人的理性思维将其从纷繁的现象中提炼出来、在理论中建构起来,有赖于科学探索去发现它的具体方式。它既内在于自然,也内在于人类的理解框架之中。康德就认为经验世界显示出的“系统统一性”其实是人类统觉的先天形式;而我们发现这种统一性显现于人类认识的客观性与主体创造性的辩证关系中,自然的统一性反映在理论的统一性上。也正是在这里,我们找到“简单性原则”与真理性的契合点。爱因斯坦说:“科学并不满足于提出经验规律;它倒是企图建立这样一个逻辑体系,这个体系是以为数最少的前提为根据,并把一切自然规律都包括在它的结论之中。”

  科学的目标从某种意义上说,就是向着更高的统一性迈进,科学发展的历史,也正是理论的创新中所展示出的自然图景的统一性被一步步揭示出来的过程。比如,伽利略通过实验,获得了物体下落规律的精确数学表达。他的自由落体定律能让我们精确地计算实际物体下落的时间、速度、加速度等运动参量,把生活中熟悉但并未认识和理解的自由落体现象,用科学规律解析出来,呈现在我们面前。

  而当牛顿用自己发现的运动三大定律和万有引力定理将天空和地上的物理学统一起来之后,我们比之前能更深刻地理解伽利略的自由落体定律,我们知道它只是在接近地表的情况下,万有引力和运动定律作用下的结果,它可看作牛顿定律的一个特例。而应用牛顿定律我们不但可以计算接近地表的自由落体规律,还可以计算月球表面以至任何已知质量的天体周围已知距离范围内的落体规律,我们可通过牛顿所揭示出的更加普适的物质运动规律去更好地理解这一现象。

  同样,当爱因斯坦所创立的狭义相对论以更大的普适性将宇宙的物质运动规律涵盖进自己形式简略的公式时,我们知道牛顿运动定律等价于低速和宏观尺度条件下相对论的结果,可看作相对论的极限定律,我们的知识不但因相对论本身所描述的更普适的物质运动规律而拓展,而且反过来对牛顿运动定律所揭示出的特有条件下的物质运动规律,也会有更深刻更全面的理解。

  而后,爱因斯坦将相对性原理再推广,创立了更具普适性的广义相对论,使之适应于包括非惯性系的参照系,从而将人类的视界再扩展,对宇宙的理解再深化。爱因斯坦总结说:“这种过程如此继续下去,一直到我们得到这样一个体系:它具有可以想象的最大的统一性和最少的逻辑基础概念,而这个体系同那些由我们的感官所作的观察仍然是相容的。”

  科学史的发展,启发我们发现“简单性原则”的合理性:科学的逻辑简单性是自然的内在统一性在理论内容和结构形式两方面的反映,它们之间具有同性、同构的关系,科学家们对逻辑简单性的追求,其实是科学真理性对科学理论的内容和形式统一的要求。自然的统一性意味着,自然的秩序是广泛的,其规律是一以贯之的,它要求反映这一事实的理论具有普适性;而越具有普适性的统一理论,就越具有简单性。科学理论越是发现自然更核心的机制、深层的规律,能够用统一的原理去解释众多的关联现象,覆盖更广泛的自然界,相对来说,其在逻辑上就越简单,形式上越直接,内容上越完备。而理论就越全面深刻地揭示自然的本质和规律,刻画出宇宙图景的内在秩序,越具有真理性。爱因斯坦认为:“逻辑上简单性的当然不一定就是物理上真实的东西。但是,物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西,也就是说,它在基础上具有统一性。”

  海森堡也同样敏锐地洞察到:“如果自然界把我们引向极其简单而美丽的数学形式——我所说的形式是指假设、公理等的贯彻一致的体系——引向前人所未见过的形式,我们就不得不认为这些形式是‘真的’,它们显示出了自然界的真正特征。”

  爱因斯坦晚年致力于建立统一场论,就是科学家这种追求的典型例子。从20世纪以来,科学家们企图建立一种综合的科学理论,将宇宙中现已发现的四种基本相互作用全部统一起来,它不是现有理论简单的相加,而是企图发现宇宙更基本的作用原理和机制。不管这一努力的结果如何,但它表明了一种人类理性所启发出的科学发展方向,一种科学家们自觉的追求或者“信仰”。  [责任编辑:张鑫]

(转自:光明网)

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