科学革命的结构

《科学革命的结构》（The Structure of Scientific Revolutions），1962年出版;于1970年再版;英文简写为SSR），是美国科学史家与科学哲学家托马斯·库恩的著作。这本书的出版是历史，哲学和科学知识社会学的一个里程碑事件；在学术界内外，引发了连续广泛的评估和反响。库恩挑战当时对“常态科学”历程的主流观点。常态科学的历程被认为是由公认事实和理论“累积而发展”，而他认为：相对于常态科学这样累积连续概念的期间中，另外有一段被革新科学所中断的模式。在科学革新历程中发现的“异常现象”导出了新的范式，然后以此范例质疑旧数据的新问题，超过之前范式单纯的“解谜”，改变研究规则并指导新研究的“地图”。例如，库恩对于哥白尼革命的分析强调：哥白尼提出的日心说在开始时，和托勒密的地心系统比较，对天文事件如行星的轨道位置，并没有更精确的预测。而是呼吁一些研究人员未来将可以发展出更好，更简单的解决方案基础。库恩将某一优越革新的核心概念，称为它的“典范”，而使得这个词语在20世纪下半叶被广泛地类比使用。库恩坚持认为典范转移是研究社群，热忱和科学承诺的综合，而不是一确定的逻辑程序，他的说法引起了一片哗然。而于1969年再版的后记中，说明了他对典范的定义及关系。对库恩这本书的某些评论为：介绍了写实的人文主义到科学核心；而其它评论则为：库恩将非理性的元素引进科学最伟大的成就中，使其崇高的性质失去光泽。主要的概念为 典范转移（Paradigm shift）、不可通约性（Incommensurability，或译不可共量性）科学革命的结构，最初是统一科学国际百科全书中的一篇专题，然后在1962年由芝加哥大学出版社出书。1969年库恩在后记中增加他对第一版争议的回应。50周年纪念版（与哈金的介绍文章）由芝加哥大学出版社在2012年4月出版。库恩回溯著书的源起，在1947年当他仍是哈佛大学的研究生时，被要求教导人文学科的研究生，一个聚焦在历史案例的科学课程。库恩后来说“直到那时，我不曾阅读过有关科学的旧文件。”亚里斯多德的物理学令人惊异地，不同于牛顿对于物质和运动的概念。他写道：“......当我阅读了，亚里斯多德看来不仅对力学无知，而且是个很糟的物理学家。尤其是关于运动，他的作品对我来说，逻辑和观察两者上似乎充满了同样有极严重的错误。”当仔细阅读亚里斯多德的物理学时，库恩形成的观点是：这和亚里斯多德拥有英明头脑的事实，明显有矛盾。而为了好好审视亚里斯多德的推理，人们必须意识到当时的科学惯例。他的结论是，亚里斯多德的概念并不是比牛顿差的，就是不同而已。这种观点是科学革命的结构的基础。在库恩此书的出版之前，关于科学研究和发现的过程，已经有许多想法被提出了。路德维希·弗莱克在他的书中：科学事实的起源与发展，提出了科学知识社会学的第一个系统。他表示想法的交流会导引一个集体思想的建立，当其充分发展时，会分化为深奥（专业）和通俗（外行）的圆。库恩为1979年版 Fleck 的书作序前言中，指出他在1950年读到并相信，已有人早先察觉我在科学史中的发现。到库恩直接回复，有个理论是卡尔·波普尔爵士的“证伪”(falsificationism)，它强调区分什么是科学的或不科学的，是否能被证伪是最重要的标准。库恩也阐述了实证主义(verificationism)，出现在20世纪20年代实证哲学家之间的哲学运动。可实证原则主张有意义的语句必须经由经验实证或逻辑要求来支持。库恩对科学史和科学哲学的研究注重于概念性的议题，譬如常态科学的实践、历史事件的影响、科学发现的出现，科学革命的本质，以及科学革新的过程。在某个时期内，有什么样的知识选项和策略，提供给人们？在某特定时期中，有什么类型的词汇和术语为人所知并用于沟通？此书强调科学理论不能归功于早期研究传统思想的重要性，认为其发展并不是从事实的直接累积中出现，而是从一个变动中的知识情境和可能性发展出来。这种方式大部分相似于非线性历史的历史学派。库恩从科学史取例来说明他的想法。例如十八世纪的科学家认为，同质的溶液是化学合成物。因此水和酒精的混合，一般被分类为化合物。如今它被认为是一种溶液，已无理由去质疑它是不是一种化合物。水和酒精不会自动地分离，蒸馏过程也不能完全分离(它们是共沸混合的)。水和酒精能以任何比例结合使用。在这种范式下科学家认为，化学反应（诸如水和酒精的组合）并不需要固定的比例就可发生。但这种信念最后被道尔顿的原子论推翻，它宣称原子仅能在简单的，整数比例下才能结合。根据这个新的范式，没有在固定比例发生的反应，不能成为化学过程。在科学社群间，这种类型的世界观转变，展示了库恩所谓的范式转移(paradigm shift)。科学思想革命的显著例子是哥白尼革命。托勒密学派的思想，周期和本轮（有些额外的概念）用于模拟星球的运行，而地球位于其宇宙观固定不动的中心。随着天体的观测精度提高，托勒密学派的周期性和本轮机制，为了维持计算的行星位置与观测结果密合，不得不增加复杂性。哥白尼提出了以太阳为中心，而地球围绕太阳旋转的宇宙模型。对于模拟行星的运动，哥白尼以他熟悉的方法，也一样是托勒密学派的周期和本轮机制。然而和当时的托勒密模型相比较，哥白尼模型需要更多的周期和本轮，而且因为缺乏精确计算，他的模型并不能比托勒密模型有更精确的预测。哥白尼同时代的人拒绝了他的宇宙观，库恩称他们这样做是正确的：哥白尼的宇宙观缺乏可信度。库恩说明了当伽利略介绍其有关运动的新思路，之后的范式转移可能如何发生。直观地说当一个物体在运动中，它很快就停止不前。一个制作精良的车在停止前或可长途跋涉，但除非一直推车，否则它最终会停止移动。亚里斯多德曾认为，这大概是自然的基本属性：一个物体的运动得以持续，必须有持续的推动。鉴于当时可得的知识，这代表合情合理的思维。伽利略提出了一个大胆的猜想：假设，他说我们一直观察到最后停止的运动物体，只是因为有些摩擦一直发生。伽利略并没有能客观证实其猜想的设备；但他认为，如果没有任何摩擦使运动中的物体慢下来，那么在没有任何附加力之下，这物体固有的趋势，仍将保持运动的速度。使用周期和本轮的托勒密方法已经力竭穷尽了：在观察到的异常现象，它们所需要的复杂度，彷如蘑菇般迅速增长而无止尽。开普勒是放弃了托勒密范式工具的第一人。他开始探索火星有一个椭圆形轨道，而不是圆形轨道的可能性。很明显地，角速度是不能恒为定值的，但要找出描述行星球角速度变化率的公式，非常困难。经过多年的计算，开普勒得出了我们现在所知的等面积第二定律。伽利略的猜想仅仅止于猜想，开普勒的宇宙论也是。但每一个猜想相互增长了对方的可信度，然后他们一起改变了科学界的普遍看法。后来，牛顿爵士发现开普勒的三条定律，可从单一个运动和行星运转的理论推导出来。牛顿将伽利略和开普勒启始的范式转移，凝聚且一体化了。科学的目标之一，是在条理前后一致的框架内找出一些模型，而这些模型尽可能诠释最多的观测结果。总之，伽利略对运动的反思和开普勒的宇宙观，能呈现有个条理一致的框架，可和亚里斯多德/托勒密框架相媲美。一旦范式转移已经发生，教科书会被重写。通常科学史也会被重写，而被表示成一个必然过程，主导现行潮流并确立思想框架。在这个确立框架中的普遍信念，若有迄今尚未诠释的异常现象，会在恰当的时机被清楚地诠释。库恩指出，解谜过程在科学家职涯中占据了大部分（如果不是全部）时间。他们很有韧劲的追求谜题的解答，因为既定范式之前的成功往往令人产生极大的信心，担保了谜题的解答是存在的，尽管解答可能非常难以得到。而库恩将这个过程称为常态科学。当某个范式已延展到它的极限，异常现象—以当前范式观察到却解释失误的现象—则开始累积。它们的重要性是由该学科的实践人员判断。有些异常现象可能被认为是观察错误，有些只要求目前的范式小小地调整，在适当时机将会辨明。一些异常现象自动地消除了，加深了在这个研究方向的范式可用度。而无论有些异常现象很重大或有许多，库恩指出，除非有其它可信的选择方案提供，实践的科学家并不会对已确立的范式失去信心；在范式担保了问题存有解答却失去求解的信心，实际意味着不再是一个科学家。在任何一个科学社群，也有些个人比大多数更大胆。这些科学家判断危机的存在，走上库恩称之为革新的科学，探索有无长期保持的，似乎更显明的假设，那些替代的范式。对于既定的思想框架来说，有时这会产生一个竞争对手。新的候选范式将随之有许多异常现象待解释，部分是因为它仍然是全新和不完整的。库恩强调，科学社群的主流应该而且也会反对任何观念上的转变。要充分发挥其潜力，科学社群需要含括保守的人和大胆的人。在科学史中有很多确立框架的可信想法，最终被证实的例子。要预测某个候选的新范式最终是否能解答异常现象，几乎是不可能的。那些能洞察理论潜力的科学家们，他们很可能是首先转移到，偏好挑战性范式的那一群人。通常有如下的周期，其中有两种范式的追随者。随时间推移，如果挑战的范式凝聚而且条理一致了，它将取代旧范式，而范式转移将会发生。库恩依照时间次序，将科学发展区分为不同的阶段。第一阶段—范式出现以前的阶段，只存在一次，其中没有对任何特定理论的共识。这个阶段的特点是某些不兼容和不完全的理论。因此，大多数的科学探索都有冗长的书籍形式，因为没有公认为理所当然的事实主体。在范式出现以前的社群，如果其中活动成员终于倾向这些概念框架之一，而最后对合适方法的选项产生广泛共识，那么共通的术语和实验方式，有助于提升洞察力。第二阶段—常态科学开始，在主导范式的理论脉络中解决谜题。只要在学科内部有共识，常态科学就会继续。随着时间的推移，常态科学的进展可能显示有异常现象：在现有范式的背景下难以解释的事实。通常这些异常可被解决；在某些情况下它们会累积到使常态科学变得困难的点，并揭露出旧有范式中的弱点。第三阶段—如果范式理论长期无法解释异常现象，科学社群进入到危机时期。危机通常在常态科学的理论脉络中解决。然而，常态科学依据范式理论的重大努力失败后，科学可能进入下一个阶段。第四阶段—范式转移或科学革命，是重新检视该领域的基本假设并建立新范式的阶段。第五阶段—革命后，新范式的主导地位建立，所以科学家回复到有常态科学，以新范式的理论脉络来解决谜题。科学可以反复经历这些周期；而库恩指出对科学来说，这种不经常或不容易发生的转移，是一件好事。根据库恩说法，范式转移前后的科学范式完全不同，所以它们的理论是不能互相比较的(incommensurable)—新范式无法以旧范式的规则来证明或反驳，反之亦然。（之后库恩解释“相称的”和“无法相比较的”这两个词语，是指语义之间的区别，亦即他所谓相称的陈述，可以完整地从一个语言翻译到另一个；而在无法相比较的语言中，不可能进行严格的翻译）范式转移不仅涉及一个理论的修改或转变，它改变了术语的定义方式，该领域的科学家如何看待他们的主题，以及，也许最重要的是，什么样的问题被认为是有效的，有什么规则可用于确认特定理论的真实性。新理论并不只是延伸旧的理论，像科学家以前所想的那样，而是全新替代的世界观。这样的不可共量性质，不仅存在于范式转移之前和之后，而且存在于矛盾范式之间的时期。根据库恩说法，根本不可能建立一个公正的语言，可以对于冲突范式之间来作中立比较。因为所用的术语是构成个别范式整体的必需部件，因此在每个范式中有不同的涵义。相互斥范式的拥护者处于一个难点：“虽然对方都想将其它范式以及其中问题，转换成他习惯的科学范式说明，但两方却也不希望证实另一方的问题。范式之间的竞争，并不是通过证明就能解决的那种争斗。”不同范式的科学家最后都是各说各话。库恩说验证者使用的概率式验证，本质上就不能决断理论之间的冲突，因为它们只属于其所探究的范式。同样地，意图否证一项陈述的报告，将会落入它们原先想比较的范式其中之一，所以也不足以完成这项任务。根据库恩说法，否证性的概念无助于理解科学何以如此发展。在科学实践中，如果有其它被认为可行的替代理论，科学家将只考虑一种理论已经被否证的可能性。如果没有，科学家将继续坚持既定的概念框架。如果范式转移发生了，教科书将被重写以表明先前的理论已经被否证。在20世纪80年代和90年代，他进一步发展了关于不可共量性的想法。在他未发表的手稿“多元化的世界”中，库恩引入了组概念的理论：一组相互关联的概念，它们是科学发展一段时期中的特征，在结构上与现代类比的组概念不同。这些不同的结构意味着事物和过程的不同“分类法”，并且分类法中的这种差异构成不可共量性。这个理论是坚定的自然主义论，并利用发展心理学“创立基于经验与现实的一个准先验理论”。