科學信念對科學研究的引領作用

呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西 大同 037009）

大英百科全書把信念定義為是一種接受或者同意某一主張的心理態(tài)度，而無需用什么去保證這一主張的真實性。科學活動離不開科學家持有的信念的影響，因為人是科學活動過程中的主體。作為認識主體的科學家所進行的任何科學活動都是在科學信念的引領下進行的[1]。

1 伽利略的成就及其遺憾

伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）作為近代實驗科學的奠基人之一，在科學上為人類作出過巨大貢獻。

伽利略最重要的科學成就是在運動學領域，他在《兩門新科學的對話》中說：“我的目的，是提出一門新科學來處理一個很古老的課題。在自然界中，最老的課題莫過于運動。盡管哲學家們對此寫出了卷帙浩繁、內(nèi)容龐雜的著作，我卻發(fā)現(xiàn)運動的某些性質(zhì)仍是值得探討的。”[2]對運動學的研究是從批評亞里士多德開始的，而批評亞里士多德又是從自由落體運動問題開始的。其實早在公元前就有人對亞里士多德有關(guān)自由落體運動的錯誤觀點提出質(zhì)疑和反對，譬如伊壁鳩魯。之后還有意大利的數(shù)學家以及荷蘭的科學家等人都于不同的時期，從不同的角度提出過反對意見。伽利略則是巧妙地設計了一個思想實驗指出了亞里士多德的邏輯矛盾。后來又通過斜面實驗更精確地揭示了自由落體運動的規(guī)律。并且通過進一步的理性推理，還發(fā)現(xiàn)了慣性原理。

伽利略之所以特別重視自由落體運動的研究，這也和他的科學信念分不開，認為認識到自由落體運動是弄清楚自然界各種運動的關(guān)鍵。他說：“這是第一次為新的方法打開了大門，這種將帶來大量奇妙成果的新方法，在未來的年代里會博得許多人的重視?！盵2]自由落體問題在伽利略力學中的地位，就像火星研究在開普勒天文學中的地位一樣。正是以此為突破口，從根本上動搖了亞里士多德的運動學。慣性定律指出靜止狀態(tài)與勻速直線運動狀態(tài)有某些共同之處，伽利略就是以此為突破口提出了相對性原理。相對性原理揭示了靜止狀態(tài)與勻速直線運動狀態(tài)的等價性。對一個觀察者來說是靜止狀態(tài)，對于另一個觀察者來說可以看作是勻速直線運動狀態(tài)，這樣就提出了參考系的變換問題，伽利略變換就解決了這個問題。

伽利略由于確立了科學的自由落體定律、慣性定律與相對性原理，指出力是產(chǎn)生加速度的原因，為經(jīng)典力學奠定了基礎。

而在天文學方面，伽利略首次用望遠鏡觀察天體，作出了一系列重大發(fā)現(xiàn)；其次用他的力學思想與天文學中的新發(fā)現(xiàn)進一步捍衛(wèi)和豐富了哥白尼學說。伽利略在天文學方面的貢獻無疑是卓越的，但是同他的力學相比，提出的新思想就不是很多。其實，以他擁有的力學知識，是完全可以來揭示出天體運動的力學原因的，可伽利略卻沒有這樣去做，為什么？這就涉及到科學信念問題，因為伽利略認為還不到探討運動規(guī)律背后的力學原因的時候。他說：“目前還不是恰當?shù)臅r候去研究物體在自然運動中產(chǎn)生加速度的原因。關(guān)于這個問題，哲學家們提出各種不同的意見，有些人解釋為由于地心的吸引，另一些人則認為是由于物體各部分相互排斥的結(jié)果，還有一些人歸因于四周介質(zhì)的某種應力，認為緊靠在落體后面的應力驅(qū)使它從一個位置移到另一個位置。所有這些及其他的一些奇妙的幻想都應該一一檢驗。但是實際上并不值得這樣做。在現(xiàn)階段，我們的作者的目的只是考查和論證加速度運動的某些性質(zhì)，而不管產(chǎn)生這種加速度的原因是什么。”[2]如果當時伽利略把目標定的再遠一點，按著吉爾伯特的思路繼續(xù)探索下去，是很有可能進一步揭示出天體運動背后的力學原因的。史料表明伽利略當時是了解吉爾伯特關(guān)于磁的學說的，而且他也完全贊同吉爾伯特的關(guān)于地球是一個大磁體的觀點。從這一點來看，對于伽利略來說確實有點遺憾，但是，這絲毫不會動搖其作為“近代力學之父”和近代實驗科學奠基人的地位。

2 開普勒的探求歷程

約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler，1571-1630）作為哥白尼學說的擁護者，對哥白尼大加贊賞，他稱哥白尼是才華橫溢的“自由思想家”；同時，他又不滿足于哥白尼學說達到的水平，認為哥白尼還沒有充分揭示出宇宙的數(shù)的和諧性，決心沿著畢達哥拉斯早已確立的科學美學準則這一方向作進一步努力，去充分揭示宇宙隱藏在現(xiàn)象背后的數(shù)的和諧性。

開普勒首先思索的是為什么宇宙只有當時所知道的六個行星時，想到了畢達哥拉斯學派所發(fā)現(xiàn)的五個正多面體。認為這兩者之間一定有某種數(shù)的和諧性。經(jīng)過絞盡腦汁的思考和計算，終于提出了一個用五個正多面體與六個行星運行軌道所在的球面相互套疊在一起的模型。

1596年開普勒出版了他的第一部著作《宇宙的神秘》，公布了這個模型。后來發(fā)現(xiàn)這僅是人為杜撰出來的藝術(shù)品，并沒有真正反映出宇宙的數(shù)的和諧性。首次探索的失敗，并沒有動搖他追求宇宙數(shù)的和諧性的信念。而從另一方面看，開普勒這次的努力也并不是完全沒有收獲，正是由于第谷看了《宇宙的神秘》，才發(fā)現(xiàn)了開普勒的才華，并邀請開普勒到自己身邊工作?？茖W史上把1600年第谷與開普勒在布拉格的會見，稱為是科學史上的一件大事，意味著經(jīng)驗觀察與數(shù)學理論在天文學上的結(jié)合。

在整理第谷的觀測材料時，開普勒發(fā)現(xiàn)托勒密的地心說理論、哥白尼的日心說理論以及第谷的折中理論都不能與第谷的觀測數(shù)據(jù)相吻合?；趯Φ诠裙ぷ鞯牧私?，開普勒認為問題一定出現(xiàn)在理論方面，第谷的觀測數(shù)據(jù)不會錯，決心一探究竟，企圖去揭開行星運動之謎。

開普勒第二次探索的關(guān)鍵任務首先就是確定火星的位置，用他的活叫征服戰(zhàn)神馬爾斯的戰(zhàn)斗。一開始他把火星的軌道設想為一個偏心圓，可幾十次的驗算都不理想。理論的計算與第谷的觀測資料總是不吻合。最好的結(jié)果是8 弧分的誤差。其實8弧分的誤差已經(jīng)很小了，如果開普勒就此滿足了，那也就不會有行星三定律的發(fā)現(xiàn)了。開普勒的可貴之處就在于對他的老師觀測數(shù)據(jù)的準確性具有堅定的信念。開普勒說：“上天給我們一位像第谷這樣精通的觀測者，應該感謝神靈的這個恩賜。一經(jīng)認識到這是我們使用的假說上的錯誤，便應竭盡全力去發(fā)現(xiàn)天體運動的真正規(guī)律，這8弧分是不容許忽略的，它使我走上改革整個天文學的道路?！盵2]開普勒從不回避矛盾，而是勇于面對現(xiàn)實。以他對第谷工作的了解，他認為第谷觀測的誤差不會超過2 弧分，所以開普勒認為這8 弧分的誤差只能是由于理論的不正確造成的。

最后，他終于對一貫堅守的勻速和正圓軌道這兩個傳統(tǒng)觀念產(chǎn)生了懷疑。大膽地假設火星運行的速度是變化的，越接近太陽，速度就越快。其軌道呈橢圓形。

1609年開普勒出版了《新天文學》一書，公布了行星運動的前兩個定律。有了這兩個定律，計算各個行星的準確位置的問題就解決了。征服戰(zhàn)神馬爾斯的戰(zhàn)斗可以說取得了勝利。開普勒高興地說：“敵人到底被我關(guān)在運行表的監(jiān)牢里了?！钡情_普勒并沒有就此止步，他提醒自己說：“你以為你什么都知道了嗎？不，你想錯了！還有許多事情，盡管你這么倔強，也是不容易知道的。”[2]開普勒想既然不同行星的運轉(zhuǎn)速度同它們離中心點的距離有關(guān)，即較遠的行星有較長的運轉(zhuǎn)周期。而且第二定律也說明，即使是同一個行星，同太陽的距離不同，運轉(zhuǎn)的速度也不同。也就是說不論是同一個軌道還是不同的軌道，行星的速度總是同到太陽的距離有關(guān)，離得越近，運轉(zhuǎn)得越快。這說明行星速度或者運行周期，同行星到太陽的距離一定有某種數(shù)的和諧性存在。那么這種和諧性是什么呢？這就是開普勒進一步考慮的問題。

當時，人們還不知道行星與太陽之間的實際距離，只知道各個行星距離的比例。而各行星的公轉(zhuǎn)周期T是已知的。這些從表面上看上去好像是偶爾撿來的、毫無聯(lián)系的數(shù)據(jù)擺在開普勒的面前，要想找到它們之間的聯(lián)系，其難度可想而知。如果內(nèi)心沒有堅定的信念支撐，是沒有勇氣去面對的。開普勒這位對畢達哥拉斯建立起來的科學美學總則深信不疑的科學家，堅信這些雜亂當中一定有某種統(tǒng)一的、和諧的規(guī)律存在。為此，對這些數(shù)據(jù)不斷地進行各種計算，去試、去碰、去找。最終開普勒用了九年的時間得出了一個結(jié)論：T2=R3，即行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和行星軌道長半徑的立方成正比。這就是開普勒行星第三定律。1619年開普勒出版了《宇宙和諧論》一書，公布了他的第三次探索的成果。開普勒三定律是行星運行的基本定律。人們稱贊開普勒是“宇宙的立法者”。

開普勒對哥白尼學說的最大貢獻就是拋棄了勻速和正圓兩個傳統(tǒng)概念，修正了哥白尼“日心說”體系，使之更加精確和完善，是天文學研究過程中的一次重大突破，為牛頓萬有引力定律的建立奠定了堅實的基礎。

從自身的條件出發(fā)，開普勒不適合從事天文學研究，先天不足，后天多病，而且眼睛又不好?？墒鞘聦嵣祥_普勒不僅成了一個天文學家，而且可以說還是一位在近代天文學史上同哥白尼、伽利略以及牛頓齊名的科學家。那么開普勒成功的奧秘在哪兒呢？因素很多，譬如他的敢于探索勇于創(chuàng)新的精神、豐富的想象力、高度的理論概括能力等等。但是，最重要的應該歸功于開普勒建立在尊重科學事實基礎上的堅定的科學信念。如果沒有深厚的畢達哥拉斯學派的科學美學信念，就不會有一而再再而三的努力探索；如果沒有對第谷觀測數(shù)據(jù)準確性的堅定信念，同樣不會有敢于突破傳統(tǒng)勻速與正圓軌道概念的勇氣和精神，那么開普勒也就不會成功。

3 結(jié)語

關(guān)于科學信念在科學研究當中的重要性，科學與哲學家們發(fā)表過許多言論。愛因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)說：“相信世界在本質(zhì)上是有秩序的和可認識的這一信念，是一切科學工作的基礎?！薄耙遣幌嘈盼覀兊睦碚摌?gòu)造能夠掌握實在，要是不相信我們世界的內(nèi)在和諧，那就不可能有科學。這種信念是，并且永遠是一切科學創(chuàng)造的根本動力?！盵3]英國哲學家懷特海(A·N.White2head)在論述現(xiàn)代科學的起源時也明確指出：“如果我們沒有一種本能的信念,相信事物之中存在著一定的秩序,尤其是相信自然界中存在著秩序,那末,現(xiàn)代科學就不可能存在?！盵4]這些從伽利略和開普勒在科學研究當中的表現(xiàn)已經(jīng)深刻地認識到了。由此可見，要想在科學研究當中有所成就，就必須先樹立起正確而堅定的科學信念。