科學革命的結構 · IlI　 常規科學的本質

那麼，一個集體因為接受了某一種規範所能容許的更專門、更深奧的科學研究，其本質究竟怎樣呢？如果規範代表已經一勞永逸完成了的研究工作，規範還會為這個聯合的集體留下什麼有待於進一步解決的問題呢？如果注意到迄今我們所用術語都可能正在把我們引入歧途，問題就更迫切了。按既定的用法，規範就是一個公認的模型或模式，這一方面的意義我找不到更合適的用語，只能借用「規範」這個詞。但是立即可以看出，借用這個詞所能表示的「模型」和「模式」的意義，並不完全是通常用來定義「規範」的意思。例如在文法中，「 amo，amas，amat」①是一種規範，因為它顯示了用來組成大量其他拉丁文動詞的模式，象構成「laudo，laudas，laudat」。②在這種典型的應用中，規範只有容許那些原則上可以取而代之的事例重複出現才有作用。但另一方面，在科學中規範又是很少重複的東西。正象共同法中公認的公正判決一樣，在新的或者更嚴格的條件下，規範是一種需要進一步分析並具體化的東西。 ①拉丁文動詞「愛」的第一、第二、第三人稱。 ②拉丁文動詞「稱讚」的第一、第二、第三人稱。 如果了解了怎麼可能是這樣，我們就會認識到一種規範第一次出現時所能達到的範圍和精確性是多麼有限。規範所以能夠獲得這樣的地位，因為它去解決一批實際工作者公認的重大問題時比競爭對手更為成功。但它更為成功的之處，卻既不是完全成功地解決某一個問題，也不是顯著成功地解決多麼多的問題。一個規範的成功——不管是亞里士多德對運動的分析、托勒密對行星位置的計算、拉瓦錫對天平的應用還是麥克斯韋對電磁場的數學化——從一開始就主要是一種在選定的、但仍然未完成的事例中獲得成功的指望。常現科學就在於實現這種指望，辦法是：擴大對於那些規範特別能夠加以說明的事實的知識，加強這些事實同規範預測之間的配合，進一步詳細表達規範的本身。 若不是一門成熟科學的真正實際工作者，很難理解一種規範會留下多少有待完成的掃尾工作，而進行這一類工作又是多麼使人入迷。這幾點必須加以了解。掃尾工作使絕大多數科學家獻出了他們的全部生涯。他們創立了我這裡稱之為常規科學的東西。進一步看，不管是在歷史上的還是現代的實驗室中，這件事就象是硬要把自然界塞進規範早已製成的相當僵化的框框裡。常現科學的目的絕不是引起新類型的現象；凡不適合這個框框的現象，實際上往往根本就看不到。科學家的目標按常規並不是發明新理論，他們也往往不能容忍別人的這種發明。①相反，常規科學研究總是為了深入分析規範所已經提供的現象和理論。 ①帕納德·巴勃（ bernard　Barber）：《科學家對科學發現的抵制》，《科學》；第CXXXIV卷（1961年），第　596～602頁。 這也許是缺點。當然，常規科學探討的範圍微不足道；我們現在所討論的常規研究，其視野也受到嚴格的限制。但正是這些因信仰規範而產生的限制，對科學的發展卻成為不可缺少的。由於集中注意狹小範圍中比較深奧的問題，規範會迫使科學家仔細而深入地研究自然界的某一部分，否則就不能想像。常規科學具有一種固定機構，不管造成這種限制的規範什麼時候不再發揮有效作用，它都可以保證把這種束縛研究的限制加以放鬆。從這一點開始科學家們的行動不同了，他們研究課題的性質也變了。但是，在規範獲得成功的間歇期中，這一專業團體將會解決一些問題，其成員如果不信規範，不但想不到，也永遠提不出。至少有一部分成就永遠都是這樣。 為了更清楚地表明常規研究也即根據規範進行的研究究竟是什麼意思，讓我對常規科學所包括的主要問題加以分類和說明。為了說明的方便，姑且不談理論研究，先看看事實的搜集，也即科技刊物中所描述的實驗和觀察，科學家們正是通過這些刊物的同行們報告他們不斷研究的成果。科學家通常報告自然界的哪些方面呢？他們的選擇取決於什麼呢？而大多數科學觀察都要花費大量時間、設備和金錢，推動科學家求得這一選擇所導致結果的動力又是什麼呢？ 我以為，關於事實的科學研究通常只有三個中心，它們之間的區別既不經常，也不永恆。首先是那一類事實，規範表明它們特別能揭示事物的本質。規範用這些事實解題，使事實對更加多樣的情況具有更加精確的判決作用。某一個時期的這種關於事實的重大判決有：天文學中——行星的位置和大小、雙星星蝕周期和行星周期；物理學中——物質所特有的引力和可壓縮性，波長和光譜強度，導電性和接觸電位；化學中——化合物和化合量，溶液的沸點和酸性，結構式和旋光性。為了提高認識這些事實的精確性、擴大認識範圍所作的努力，占去了實驗觀察科學的大部分文獻。為此目的，一次又一次地設計了複雜的專門儀器，而發明、製造和布署這些儀器都要求第一流的人才，還往往要求相當的財政後盾。同步加速器和射電望遠鏡不過提供了最新的例子來說明：只要規範可以肯定科學工作者所尋求事實的重要性，他們就能做到這樣的程度。從第谷·布洛赫（ Tycho　Brahe）到E．O．勞倫斯（Lowrence），某些科學家之所以獲得巨大聲譽，並不是由於他們的發現有什麼新穎，而是由於他們為重新判定某種以前已知事實所用方法的精確性、可靠性和廣泛性。 第二類的事實判定很普通，但也更少。這類判定針對那樣一些事實，它們本身沒有什麼重要性，但可以直接用來同規範所預測的作比較。當我從常規科學的實驗問題轉到理論問題時，我們很快就會看到，一門科學理論，特別是主要以數學形式出現的理論，可以直接同自然界相對照的地方是不多的。這樣的地方，即使是愛因斯坦的廣義相對論所能達到的，也不超過三個。①而且，即使在這種可以實際應用的地方，也往往要求理論上和實驗上更加接近，以免嚴重限制所期待的一致。為了更加一致，或者為了發現一些新的可以一舉證實這種一致的領域，正在不斷對實驗者和觀測者的技巧和想像力提出挑戰。特種望遠鏡證實了哥白尼對周年視差的預測；阿烏德（ Atwood）機是在牛頓《原理》以後幾乎。個世紀才第一次發明的，卻第一次毫不含糊地證實了牛頓第二定律；傅科（Foucault）的儀器表明光速在空氣中比在水中大；設計巨型閃爍計數器是為了證明中微子的存在——象這樣一些以及其他許多類似的特殊儀器，說明必需有這些巨大的努力和創造性才能使自然界同理論愈來愈一致起來。②試圖證明這種一致性，是第二種類型的正常實驗工作，它甚至比第一種更明顯地依賴於一種規範。規範的存在使問題開始得到解決；規範理論往往直接包含在有可能解決這個問題的儀器設計之中。例如，如果沒有《原理》，用阿烏德機所作測量就毫無意義。 ①至今仍然得到廣泛承認的唯一長期成立的驗證，就是水星近日點的歲差。關於遠星體光譜線的紅移，可以從比廣義相對論更基本的原因得出。光線繞太陽時的彎曲可能也是這樣，這一點現在仍在爭論之中。不管怎樣，後兩種現象的測量仍然含糊不清。最近可能又增加了另一種檢驗：穆斯保爾 (Mossbauer）輻射的引力遷移。在這個現在很活躍但經過長期休眠的領域中，也許很快地會有變化。對這問題最新的簡要說明，見L.I.什夫（Schiff）：《NASA會議上檢驗相對論的報告》，《今日物理》，第XIV卷（1961年），第42～48頁。 ②關於兩種視差望遠鏡，見阿伯拉罕·沃爾夫（ Abraham　Wolf）：《十八世紀科學、技術、哲學史》（第二版；倫敦，1952年），第103～1O5頁。關於阿烏德機，見H．R．漢森（Hanson）：《發現的模式》（劍橋，1958年），第100-102、207～2O8頁。關於後面兩種特種儀器，見M．L．傅科：《關於測量空氣和透明介質中的光速的一般方法》，《科學院的…活動報告》；第XXX卷（1860年），第551～56O頁；C．L．小柯溫（Cowan）等；《自由中微子的探測：一個證實》，《科學》；第CXXIV卷（1956年），第103～1O4頁。 第三類實驗和觀察，我認為窮盡了常規科學的搜集事實活動。它包括詳細分析規範理論的經驗性工作，以消除某些殘留的含混不清，從而使以前只是引起注意的問題可以得到解決。這一類是最重要的一類，要加以描述還得細分。在更加數學化的科學中，旨在進行詳細分析的實驗是針對物理常數的判定的。例如，牛頓的研究表明，對於宇宙間任何位置上的任何一種物質，兩個單位質量在單位距離之間的力都一樣。但即使不考慮這種吸引即萬有引力常數的大小，這個問題同樣可以解決而在《原理》出現以後一百年中，沒有其他任何人設計出能夠確定這個常數的儀器。卡文迪什在十八世紀九十年代的著名判定也不是最後一個。由於引力常數在物理科學中的重要地位，改進其數值就成了此後一大批著名實驗室反覆努力的目標。①這一類長期研究的其他事例是：確定天文單位、阿怫伽德羅（ Avoadro）數、焦耳（Joule）係數、電荷等等。如果沒有一種規範理論規定了問題並保證有一個穩定的解，就很難設想會有這麼多精心的努力，更不會產生任何成果。 當然，努力把規範表述清楚，並不限於制定普遍常數。努力的目標也可能是定量定律，象波義耳關於氣體壓力與體積關係的定律，庫侖關於電吸引的定律，焦耳關於電阻和電流生熱的方程，都屬於這一類。規範是發現這一類定律的前提條件，儘管表面上也許看不出來。我們常常聽說，這些定律是由於為自己撿驗測量數據以及沒有理論成規而發現的。但是歷史並不支持這樣一種太過分的培根式的方法。空氣以前被認為是一種所有靜力學精密概念都用得上的彈性液體，當時波義耳實驗一直不為人們所理解（如果理解了，就會接受另一種解釋，或者根本不作解釋）。②庫侖的成功是因為他製造了一種專門儀器來測量兩個點電荷之間的力（以前用普通的盤式天平等測量電力，根本沒有發現有任何聯繫或簡單規則性。）。但這一設計又依賴於以前的認識：每一個電流體粒子都超距作用於其他每一個粒子。這就是庫侖正在尋求的兩個這種粒子之間的力——唯一可以有把握假定為單純距離作用的力。 ③ 焦耳的實驗也可用來說明，定量定律是怎樣通過說明規範而湧現的。事實上，定性的規範和定量的定律之間的關係如此廣泛而密切，以至於從伽里略時代起，在設計出用於實驗判定的儀器以前許多年，人們就常常藉助於規範而確切地猜測出這些定律來。 ④ 最後，還有第三種旨在說明一種規範的實驗。這種實驗比其他的更象一種探測；在那樣一些時期和科學中，即需要更多解決自然界規則性的定性問題而不是定量問題時，這種實驗特別盛行。通常從一組現象中提出來的規範，用到其他密切有關的現象時就含糊不清了。於是，怎樣才能把規範應用到人們所關心的新領域，實驗就必須有所選擇。例如，把熱質說當作規範用，就是以混合和改變狀態來加熱或冷卻。但熱還是可以通過別的方式釋放或吸收——例如化學化合、摩擦、氣體的壓縮或吸收——而且熱質說也可以通過幾種不同的方式應用到這裡的任何其他現象。如果真空也有加熱的能力，那麼，壓縮加熱就可以解釋為氣體同虛空相互混合的結果。要麼就是由於特種氣體熱因壓力改變而發生變化。此外還有幾種別的解釋。許多實驗，就是為了試探並辨別這許許多多不同的可能性；而所有這些實驗都來自作為規範的熱質說，都是利用規範來設計實驗並解釋實驗結果的。 ⑤ 一旦壓縮加熱現象被證實了，這方面一切進一步的實驗就都以同樣方式依賴於規範了。給定了現象，闡明現象的實驗還能有什麼別的選擇呢？ ① J．H．帕印亭（Poynting）評論了1741年到1901年之間關於引力常數的二十四個測量，見《引力常數和地球平均密度》，《大英百科全書》，第11版，劍橋，1910～1911年；第Xll卷，第385～389頁。 ②關於液體靜力學概念全部移植到氣體力學之中；見《巴斯卡物理學論著》， I．H．B斯庇爾（SPiers）和A.G.H．斯庇爾（Spiers）譯，載有F．拜雷（Barry）的介紹和注釋（紐約；1937年）。托里拆里（Torricelli）最初的平行引進（「我們的生活淹沒在空氣元素的海洋底層」）見之於第164頁。這兩篇主要論文表現了引進的迅速發展。 ③ 杜安·魯勒和社安· H·D·魯勒：《電荷概念的發展：電學從希臘人到庫侖》（《哈佛實驗科學案例史》，案例8；馬薩諸塞州；坎布里奇，1954年）；第66～80頁。 ④ 例如，見 T．s．庫恩：《現代物理學中測量的作用》，《愛西斯》雜誌，第LII卷（1961年），第161～193頁。 ⑤ T.S.庫恩：《關於絕熱壓縮的熱質說》，《愛西斯》雜誌，第XLIX卷（1958年），第132～140頁。 再談談常規科學的理論問題，它也幾乎要歸到實驗科學和觀測科學同一類中。常規理論工作的一部分，儘管只是很小的一部分，就完全是一種現有理論的應用，即用來預測理論固有意義中所包含的關於事實的信息。編制天文曆書，計算稜鏡特徵，繪製無線電廣播曲線，都是這一類問題的實例。科學家們卻一般都把這一些看成是舞文弄墨而扔給了工程師或技師。許多這類工作因而沒有機會出現於科學刊物。但是，這些刊物所包含的大量問題討論，對於非科學家來說，看起來卻必然差不多都是一樣的。人們所以要利用理論，並不是因為從中得出的預測本身有什麼價值，而是因為可以直接對付實驗。利用的目的在於表現這一規範的新應用，或者提高一種現有應用的精確性。 擴大理論同自然界之間的接觸點經常會遇到巨大困難，正是從這些困難中產生了對上述這一種研究工作的需要。查閱一下牛頓以後的科學史，就可以扼要地說明這種困難。直到十八世紀早期，從《原理》中發現規範的科學家們認為，這本書的結論理所當然地具有普遍意義，他們也有充分的理由這樣做。一本著作竟然可以這樣大幅度地同時擴大研究範圍、提高研究的精確性，這在科學史上已知的著作中還是沒有先例的。牛頓為天體推導出了克卜勒行星運動定律，也解釋了月亮在觀察中並不遵守這些定律的幾方面的問題。他為地球推導出了關於單擺、斜面和潮汐的一些零星觀察結果。藉助於外加的但又正是為此目的而作的假設，他本來也有可能推導出波義且定律和空氣中聲速的重要方程。就當時的科學狀況說，這些證明的成就是極其令人難忘的。但從牛頓定律所假定的普遍性看，實際應用的數量就不怎麼大，牛頓也幾乎沒有什麼另外的發展。而且，同今天任何一個物理學畢業生用這些定律所能達到的成就相比，牛頓的這一點應用甚至也不精確。 對精確性問題我們這裡姑不多談。我們已說過這個問題的經驗方面。為了提供具體應用牛頓規範所要求的數據，需要有特殊的裝置——象卡文迪什儀器、阿烏德機或改進的望遠鏡。要取得一致，在理論方面也存在同樣的困難。例如，牛頓在應用擺的定律時為了給擺長下一個唯一的定義，就不得不把擺錘作為一個質點來處理。他的大部分理論，除了少數假說性的和預備性的以外，也都把空氣阻力效應忽略不計。這是合理的物理學近似。但這些理論作為一種近似，又限制了牛頓的預測和實際實驗之間所期望的一致。把牛頓理論應用到天體上，這個困難表現的更加明顯。單純定量的望遠鏡觀測表明，行星並不完全遵循克卜勒定律，而牛頓理論則表明，本來就不應該遵循。為了推導出這些定律，除了單個行星同太陽之間的引力，牛頓不得不忽略此外的全部吸引作用。而各行星之間卻是互相吸引的，因而在所用理論同望遠鏡觀測之間，人們也只能期望一種近似的符合。① ①沃爾夫，前引書，第 75～81、96～101頁;威廉·惠威爾（William　whewell）； 在擺的事例中，所達到的符合超過了得到這種符合的人滿意的程度。任何別的理論都不能更符合了。沒有一個懷疑牛頓研究工作有效的人能做到這一步，因為它只限於同實驗、觀察相符合。但這種局限性卻為牛頓的後繼者留下了很多令人入迷的理論問題。例如，必須有理論技巧才能確定一個重擺的「等效長度」。處理兩個以上互相吸引物體的同時運動，也要技巧。這一些以及其他一些類似的問題，在整個十八世紀和十九世紀初葉，耗用了許多歐洲最好的數學家的精力。伯努里（ Bernoullis）、歐拉（Euler）、拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯（Laplace）和高斯（Gauss），都為牛頓規範進一步同自然界相稱而作出了某些各自最光輝的貢獻。許多這樣的人物都同時致力於發展牛頓從未想過的實際應用所需要的數學，例如，為解決液體力學和弦振動問題而出現了大量文獻和某些非常有效的數學方法。這些實際應用問題占用了十九世紀中可能是最光輝也最耗費精力的那些科學工作。在熱力學、光的波動說、電磁理論或者基本定律完全是定量的任何其他科學分支中，查閱一下它們的後規範時期的發展，還可以從中發現其他一些事例，至少在更加數學化的科學中，最理論性的工作還是屬於這一種。 但也不是都屬於這一種，即使在數學科學中也有說明規範的理論問題。在科學發展主要還屬於定性的時期中，這些問題已占主《歸納科學史》（修訂版；倫敦， 1847年）；第II卷，第213～271頁。要地位。在更加定量也更加定性的科學中，有些問題完全是為了通過重新表述而進行分類。例如，《原理》並不是一直證明應用是一件容易事，這部分是因為它保留了初次冒險中某些不可避免的拙劣，部分又因為只有在應用中才能顯示出它的許多涵義。因此，從十八世紀的伯努里、達朗貝爾和拉格朗日到十九世紀的漢密爾頓（Hamnton）、雅可比（Jacobi）和赫芝（Hertz），許多歐洲最卓越的數學物理學家都努力以等效的、但邏輯上和美學上更令人滿意的形式把牛頓理論加以重新表述。也就是說，他們想以邏輯上更緊湊的形式展示出《原理》中外在的和內含的訓誡，把這種形式應用到新提出的力學問題上以減少一些模糊不清。① ①若內·杜加：《力學史》（細沙特爾［瑞土］， 1950年），第IV～V冊。 所有科學中都一再發生過一種同規範類似的重新表述，但大多比《原理》的重新表述引起了規範更重要的變化。這變化來源於上述說明規範的經驗活動。把那一類研究作為經驗工作，這樣的分類的確有些任意性。同其他任何一種常規研究相比，對規範的說明不但更有理論性，同時也更有實驗基礎；以前所舉的例子這裡也同樣適用。庫侖在製成他那個裝置並用以進行測量以前，他必須先用電學理論確定怎樣製造他的裝置。他測量的結果就是那種理論的精心安排。再說，有些人設計了一些實驗來區別不同的壓縮生熱的理論，他們一般也正是那些提出各種觀點以進行比較的人。他們進行研究，不僅運用事實，也運用理論；他們的研究，不單單產生新的知識，還產生一種由於消除了他們據以工作的初始規範所殘留的模糊不清而取得的更加精確的規範。在許多科學中，大多數常規研究都屬於這一種。 這三類問題——判定重大事實、理論同事實相配、說明理論——我認為充斥了常規科學的文獻，不管是經驗科學還是理論科學。當然，它們並沒有充斥整個科學文獻。也還有一些非常問題，可能正是為了解決這些問題，才使整個科學事業特別值得如此花費精力。但這些非常問題並不是為了提問而必需的。它們只是在常規研究進展所準備好的特殊時機中才湧現出來的。因此，即使是那些最好的科學家所提出的絕大部分問題，通常也總是不出上面所勾畫的三大類之一。在規範的指導下研究工作只能這樣進行，拋棄了規範就等於不再研究規範所規定的這一門科學。我們很快地就會發現人們的確拋棄過規範。這是科學革命所圍繞的樞紐。但在開始研究這個革命之前，我們還需要對開闢道路的常現科學探索有一個更全面的看法。