科學革命的結構 · Vll　 危機和科學理論的湧現

第VI節所考察的各種發現，或者是規範變化的原因，或者促進了規範的變化。而且，這種隱含著這些發現的變化是建設性創，同樣也是破壞性的。科學家吸收了這些發現以後，就能夠說明更大範圍的自然現象，或者更為精確地說明某些以前已知的現象。但要達到這一點，只有放棄以前的某些標準信念和方法，同時還要用別的來代替以前的部分規範。這樣一種變革，我已論證過，是同所有通過常規科學得來的發現結合在一起的，但要排除那種除細節以外一般都可以預見的毫不驚人的發現。發現還不是這種破壞—建設性的規範變化的唯～來源。本節我們開始考察由新理論的發明所引起的同樣的、但常常更大得多的變革。 已經論證過，在科學中，事實和理論、發現和發明並不是範疇上永遠不同，因而可以料想這一節同上一節會有所重迭。（不能說普里斯特利首先發現氧，拉瓦錫以後又發明氧，但這種說法又很有吸引力。氧作為發現我們已碰見過了，我們馬上又要把它作為發明來迎接。）在處理新理論的湧現時，我們必然也要擴大我們對發現的理解。重迭不就是同一。並不是、至少並不單單是由於上一節所考察的各種發現，才有這樣一些規範變革，如哥白尼革命、牛頓革命、化學革命、愛因斯坦革命。也不是由於這些發現才有某些更專門從而也更小一些的規範改變，如光的波動理論、熱力學理論或麥克斯韋電磁理論。這樣的理論怎麼可能從常規科學之中產生呢？這種常現科學活動更少是為了理論探索，更多是為了科學發現。 覺察到反常如果確實對新類型現象的湧現起作用，那麼誰也不會奇怪，這一類更深刻的覺察正是一切可接受理論變化的必要前提。對這一點，我想歷臾的證據是絕不含糊的。托勒密天文學的情況是哥白尼宣言之前的一樁醜聞。①伽里略研究運動的貢獻密切依賴於經院批評家仍在亞里士多德理論中所發現的困難。②牛頓關於光和色的新理論來源於沒有一種現存前規範理論可以說明光譜長度的發現；而代替牛頓理論的是波動理論，在人們愈來愈關心衍射效應和極化效應對牛頓理論的關係中的反常現象時，這一理論正好公布。③熱力學是從十九世紀並存的兩種物理理論的衝突中產生的，量子力學是從黑體輻射、比熱、光電效應周圍的各種困難中產生的。④而且，除牛頓一例以外，在所有其他事例中都早就深深覺察到反常了，人們甚至可以把這些影響所涉及的領域恰如其分地說成是處於一種不斷增長的危機狀態。它要求大規模的規範破壞以及對常規科學的問題和技巧進行重大變革，因而新理論湧現之前一般都有一個專業顯著不穩定的時期。不出人們所料，這種不穩定來源於常規科學長期解不開它所應當解開的難題。現有規則的失敗，正是尋求新的規則的前奏。 ① A．R.霍爾（Hall）：《1500～18O0年的科學革命》（倫敦，1954年），第16頁。 ②馬歇爾·克萊傑特（ Marshall　Clagett）：《中世紀的力學科學》（威斯康辛州，梅迪遜，1959年｝，第II～III部。A．伽依列在他的《伽里略研究》（巴黎，1939年〕中指出了伽里略思想中的許多中世紀成分，特別見於該書第I卷中。 ③關於牛頓，見 T.S.庫恩：《牛頓的光學論文》，載。伊薩克·牛頓自然哲學中的論文書信》，　I·B·柯亨編（馬薩諸塞州，坎布里奇， 1958年），第27～45頁。關於波動理論的前奏，見E．T．惠泰克：《以太和電理論的歷史》，第1卷（第2版；倫敦，1951年），第94～109頁；W．惠威爾（Whewed）：《歸納科學史》（修訂版；倫敦；1847年）；第II卷，第396～466頁。 ④關於熱力學，見 S.P.湯普遜：《拉格斯的威廉·湯姆遜·開爾文男爵的生平》（倫敦，1910年），第1卷，第266～281頁。關於量子理論，見弗雷茨·雷舍（Fritz　Reiche）：《量子理論》，H．S．海特菲爾德（Hatfield）和H．L．布羅茲（Brose）譯（倫敦；1922年），第i～ii章。 先來看看規範變化的一個特別著名的事件，即哥白尼天文學的湧現。它的先驅托勒密體系先在公元前最後兩個世紀和公元後最初兩個世紀發展起來，那時這個體系在預言恆星和行星的位置變化方面取得了值得讚美的成功。任何一種其他古代理論都做不到這麼好。對於恆星，托勒密天文學今天仍然作為一種技術上的近似而得到廣泛應用；對於行星，托勒密的預測也同哥白尼的一樣可靠。但是，對一種科學理論來說，值得讚美的成功決不是完美無缺的成功。托勒密體系不管是對行星位置還是對春分、秋分的歲差所作的預測，總是不能很符合最好的觀測。進一步減少那些細小的誤差，成了許多托勒密的後繼者的許多常規天文學研究的首要問題，正象把天體觀測同牛頓理論結合起來的同樣的嘗試，也為牛頓在十八世紀的後繼者提出了正常研究問題。有時候天文學家完全有理由假定，這些嘗試也可以同導出托勒密體系的嘗試一樣成功。對於某一誤差，天文學家們總是可以通過調整托勒密體系中的複合圓環而消除。但隨著時間的推移，人們只要注意一下許多天文學家正常研究活動的最後結果就可以發現，天文學的混亂性比精確性提高得要快得多，這裡校正了一種誤差，那裡又會冒出另一種來。① 因為天文學傳統一再為外界所打斷，又因為天文學家之間的聯繫受到沒有印刷的限制，這些困難慢慢才被認識到。最後終於覺察了。到十三世紀阿耳豐叟十世（ AIfonso　X）宣稱，上帝在創世時如果請教過他，一定會獲致忠言。在十六世紀，哥白尼的合作者多米尼加·達·諾瓦拉（Domenico　da Novara）堅持，決不會有一種象托勒密體系那麼繁雜、那麼不確切的體系，竟然可能符合真實的自然界。哥白尼本人在《天體運行論》一書的序言中也寫過，他所繼承的那種天文學傳統最後造出來的只能是一個妖怪。到十六世紀初歐洲愈來愈多最優秀的天文學家都認識到，天文學規範已不能應用於它自己的傳統問題了。這樣的認識，正是哥白尼放棄了托勒密規範而另找新規範的必要前提。他這個著名的序言至今仍然是對一種危機狀態的經典敘述。② ① J．L．E．德雷耶（Drerer）《天文學史從泰勒斯到克卜勒》（第2版；紐約，1953年），第xi～Xii章。 ② T．S庫恩：《哥白尼革命》（馬薩諸塞州；坎布里奇，1957年），第135～143頁。 從技術上按常規解決難題的活動中斷了，當然這還不是哥白尼所面臨的天文學危機的唯一因素。進一步的研究又考慮到改革日曆的社會壓力，這壓力使歲差的難題更為迫切。還有，更全面的說明還要考慮中世紀亞里士多德派的批評、新柏拉圖主義的復興，以及其他一些重大的歷史因素。但是技術上的中斷仍然成了危機的核心問題。在成熟科學中——天文學在古代已經成熟了——象上面所引證的那些外界因素，主要的作用是確定了中斷的時機，使中斷更易於理解，還規定了中斷因為受到特殊注意而最先出現的領域。這一類的問題雖然極其重要，但已超出了本文的界限。 如果哥白尼革命的事例大致已經清楚了，讓我們轉到第二個情況不大一樣的事例上，即以拉瓦錫的氧燃燒理論的湧現為前導的危機。十八世紀七十年代由於化學中許多因素的相互結合而產生了一次危機，歷史學家無論是對這些因素的性質或是對它們的相對重要性都有不同看法。其中有兩個因素一般都認為具有頭等重要性：氣體化學的興起和重量關係問題。前者的歷史開始於十七世紀空氣泵的發展及其在化學實驗中的應用。以後一個世紀中化學家們通過空氣泵和其他許多氣體裝置愈來愈認識到，空氣一定是化學反應中一種活潑的成分。但是化學家們藉助於一些例外——簡直含糊得可能根本不是例外——還是相信空氣只是一種氣體。直到 1756年約瑟夫·布萊克表明可以明確地把「固定空氣」（CO　 2）從普通空氣中分離出來，人們仍然認為這兩種氣體的樣品只是因為不純才有區別。① ① J·R·帕亭頓（Partington）：《化學簡史》（第2版；倫敦，1951年）。第48～51、73～85、90～120頁。 布萊克的工作以後，氣體研究進展迅速，在卡文迪什、普里斯特利、舍勒等人手裡成績尤為斐然，他們創造了一系列可以鑑別不同氣體樣品的新技術，所有這些人，從布萊克到舍勒，都相信燃素說，都經常用這個理論設計和解釋實驗。舍勒為了取得除去燃素的熱質，實際上是第一次通過一連串精緻的實驗而獲得了氧。但這些實驗的最後結果出現了各種各樣的氣體樣品和屬性，複雜得使燃素說愈來愈應付不了實驗室的經驗。這些化學家們儘管都沒有提出過應當取代這種理論，但再也不能始終如一地用它了。到十八世紀七十年代初拉瓦錫開始作空氣實驗時，幾乎有多少氣體化學家就有多少燃素說的變形。①一種理論的變形驟增，正是危機的一般跡象。在哥白尼的序言中也抱怨過這一點。 ①雖然他們主要關心的是稍晚一些的時期，但許多有關材料部散見於 I．R．帕丁頓和道格拉斯·麥啟（Douglas　Mckie）的《燒素說的歷史研究》，《科學年鑑》，第11卷（1937年），第361～404頁2第III卷（1938年），第1～58、337～371頁；第II卷（1939年），第337～371頁。 燃素說對氣體化學愈來愈模稜兩可，用處也愈來愈少，這還不是拉瓦錫面臨危機的唯一根源。他還很關心解釋大多數物體燃燒或焙燒以後的重量增加，這又是一個具有一段長長史前期的問題。至少有幾個穆斯林化學家早已知道某些金屬在焙燒後可以增重。十七世紀有幾個研究者從同一事實中得出結論說，焙燒過的金屬從大氣中搞來了一些成分。但在十七世紀大多數化學家似乎還不需要這個結論。如果化學反應可以改變各種成分的體積、顏色和質地，為什麼不能改變重量呢？重量並不總是測量物質的量。而且，由焙燒而來的增重仍然是一種孤立的現象。大多數自然物（如水頭），如燃素說後來所說的，焙燒後失去重量。 但是經過十八世紀，原先對增重問題的滿意回答就愈來愈難以維持了。一方面這是因為天平作為一種化學工具用得愈來愈多。另一方面因為氣體化學的發展使之有可能也有需要保留氣體反應物，化學家發現了愈來愈多的焙燒引起增重的實例。同時，由於化學家逐漸接受了牛頓的引力理論，也使他們堅持認為，重量的增加也必然是物質的量的增加。這些結論並不一定要放棄燃素說，因為還可以做各種各樣的調整。也許燃素具有負重量，也許火粒子或者別的什麼東西在燃素離開時進入了焙燒物。此外還有一些其他解釋。但是，增量問題即使沒有否定燃素說，它也一定會膨脹起來，引出愈來愈多的專題研究。其中的一個專題是：《關於把燃素作為一種同重量一起並按重量變化［分解］的實體在與之化合的物體中的產生》， 1772年在法國科學院宣讀，而這一年正好是以拉瓦錫向科學院秘書遞交了他著名的密封短簡而結束的。在寫這張短簡以前，化學家們多年來已接近覺察邊緣的一個問題已成了一個突出的未解難題。①人們精心設計了燃素說的許多不同的說法來對付。象氣體化學問題一樣，增重問題也使燃素說愈來愈難以理解究竟是怎麼回事了。人們雖然仍舊委託它作為一種研究工具，但這個十八世紀化學的規範卻已在逐步失去獨一無二的地位。在這個規範指導下的研究，已愈來愈類似於前規範時期在各個相互競爭的學派支配下的研究，這正是危機另一種典型的效應。 現在再來看看第三個也是最後一個事例，即為相對論的湧現開闢道路的十九世紀末期物理學危機。這一次危機的一個根源可以追溯到十七世紀末，當時許多自然科學家，最著名的是萊布尼茲，都批判了經典絕對空間概念的最新變形中的牛頓痕跡。②他們已很有可能，儘管絕不是完全可能，表明絕對位置和絕對運動在牛頓體系中根本沒有作用；他們又確實從值得重視的美學要求方面成功地暗示了，一種關於空間和運動的徹底相對性概念以後必將出現。但他們的批評是純邏輯的。象早期的哥白尼派批評亞里士多德對地球靜止的證明一樣，他們作夢也沒有想到向相對論體系過渡竟會得到觀測的效果。他們絕沒有把他們的觀點同牛頓理論用於自然界所引起的任何問題聯繫起來。結果，他們的觀點在十八世紀最初幾十年中就同他們本人一起死去了，只是在十九世紀最後幾十年中，當這些觀點同物理學實踐具有一種大不一樣的關係時才重新復活起來。 ① H．蓋拉克：《拉瓦錫——關鍵的一年》（紐約州；伊薩卡；1961年）。全書證實了危機的發展和以及對危機的最初認識。關於拉瓦錫的處境的清晰說明，見該書第35頁。 ②馬克斯·詹莫（ Max　Jammer）：《空間概念：物理學空間理論的歷史》（馬薩諸塞州，坎布里奇；1954年）；第114～124頁。 把空間的相對哲學最後加以敘述的技術問題，大約在 1815年以後隨著接受光的波動理論而開始進入常規科學，儘管直到十九世紀九十年代才激起危機來。如果光是牛頓定律支配下機械性以太中擴散的波動，那麼無論是通過天體觀測或是通過地球實驗都應當能夠探測出穿過以太的漂移。關於天體觀測，只有觀測光行差才有可能提供充分精確的有關信息，因此，通過測量光行差以探測以太漂移，就成了常規科學一個公認的問題。人們製造了許多特殊裝置來解決這個問題。但這些裝置沒有探測出任何可見的漂移，於是這個問題就從實驗家和觀測家那裡轉移到理論家那裡去了。在這個世紀的中葉，菲涅爾（Fresnel）、斯托克斯（Stokes）等人設想了許多企圖解釋為什麼看不到漂移的以太理論說明。每一種說明都假定運動體拖曳了以太的某一部分。每一種都十分成功地解釋了天體觀測以及地球實驗的否定結果，包括著名的邁克爾遜（Michelson）和莫雷（Morles）實驗的結果。①除了各種不同說明之間的矛盾以外，仍然是沒有什麼矛盾的。若不是有了某種適當的實驗技術，這種矛盾永遠不會尖銳起來。 只是由於十九世紀最後二十年中逐步接受了麥克斯韋的電磁理論，這種局勢才又一次發生變化。麥克斯韋本人是個牛頓派，他相信光和電磁一般都是由於一種機械性以太粒子不斷位移的結果。他的電磁理論的最初形式是直接運用這些他所賦予這種介質的假想的屬性。他最後的理論已把這些屬性拋掉了，但他仍然相信他的電磁理論同牛頓機械觀的某種說明並無矛盾。②提出一種合適的說明，對他和他的後繼者都是一個挑戰。但是在實踐中，正象科學發展中所一再經歷的那樣，要創造出那種所需要的形式是極其困難的。正象哥白尼天文學出現以後，不管作者是多麼樂觀，卻造成對已有運動理論的不斷加深的危機；同樣，麥克斯韋理論也不管它是怎樣來源於牛頓理論，最後也對它所由之出身的規範造成了一次危機。 ③ 不僅如此，這一次危機之所以最為嚴重，原因就在於我們正在研究的相對於以太的運動問題。 ①約瑟夫·拉摩：《以太和物質……包括地球運動對光現象的影響的討》（劍橋， 1900年），第6～20、320～322頁。 ② R.T．格累茲布魯克：《詹姆士·克拉克·麥克斯韋和現代物理學》（倫敦，1896年），第ix章。夫於麥克斯韋最後的看法，見他自己的書：《論電和磁》（第3版5牛津；1892年）；第470頁。 ③ 關於天文學在力學發展中的作用，見庫恩，前引書，第 VII章。 麥克斯韋討論物體運動中的電磁行為，沒有涉及以太的拖曳，這就證明很難把這種拖曳納入他的理論之中。結果，探測穿越以太的漂移的全部早期觀測都成了反常現象。因此， 1890年以後的年代又目擊了一長串實驗方面和理論方面的努力，以探測相對於以太的運動並把以太拖曳納入麥克斯韋理論。前者始終未能成功，儘管有些分析家認為結果模稜兩可。後者提供了大量富有希望的開端，特別是洛侖茲（Lorentz）和菲茨傑拉德（Fitzgerald）的開端，但他們也揭出了更多的難題，最後又正好使進行競爭的理論激增，即我們前已明確的危機伴生物。②1905年湧現了愛因斯坦的狹義相對論，就違反了歷史的安排。 ②惠泰克，前引書；第 I卷，第586～410頁；第II卷（倫敦，1953年），第27～40頁。 這三個事例幾乎都十分典型。在每個事例中，新理論都只能在常規解題活動已宣布失敗以後才湧現。而且，除了在哥白尼一例中科學以外的因素起了特別巨大的作用，舊理論的破產以及各種理論的驟然激增作為一個信號，不會超過新理論發表前一、二十年。新理論就象是對危機的直接回答。但還要注意，儘管也許不那麼典型，引起舊理論破產的那些問題也都屬對早已知道的那些問題。常規科學以前的實踐完全有理由認為。這些問題已經解決或接近解決了，這就可以說明，為什麼當失敗來臨的時候失敗的感覺會那麼尖銳。一種新型的問題解決木了，常常使人失望，但從來不使人驚訝。問題也好，難題也好，往往不會屈服於第一次的進軍。最後，這幾個事例還共同具有另一個特點，使它們對危機的作用更為重要：每一次危機的解決在有關科學未發生危機時至少可以部分預見得到；但在沒有危機的情況下卻又總是忽視了這樣的預見。 有一個唯一完整的也是最有名的預見，即公元前三世紀的阿利斯塔克（ Aristarehus）對哥白尼日心說的預見。人們常說，如果希臘科學的演繹性不那麼厲害，不那麼受教條的束縛，日心說天文學就可能早在實際提出的十七個世紀以前就開始提出了。①但這就忽視了全部歷史的前後關係。當阿利斯塔克提出他的學說時，更為合理得多的地心系統並不需要日心說來滿足它所能滿足的任何需要。托勒密天文學的全部發展，它的成功和衰敗，都發生在阿利斯塔克學說以後幾個世紀裡。而且，也沒有什麼明顯的理由要特別重視阿利斯塔克。即使是哥白尼更為精緻的學說，比托勒密系統既不更簡單，也不更精確。有效的觀察試驗，如我們下面將看得更清楚的，並沒有這二者之間提供什麼選擇的根據。在這些情況下，使天文學家們趨向哥白尼的因素之一（也是使他們不能趨向阿利斯塔克的因素之一）就是人們認識到了危機，首先是由於危機，才有新的創造。托勒密天文學未能解決問題，時間為一個競爭者提供了機會。我們另外的二個事例沒有提供這樣完整的預見。但可以肯定，吸收大氣的燃燒理論——十七世紀由雷（Rey）、胡克（Hooke）和梅約（Mayow）所提出的理論——之所以未能使人們全力傾聽，原因在於這種理論沒有觸及常規科學實踐中人們認識到的難點。 ② 十八～十九世紀的科學家們長期忽視從相對性觀點對牛頓的批評，主要是由於它在競爭之中也未能取勝。 科學哲學家們曾一再證明，根據同樣一套材料總可以提出一種以上的理論構造。科學史表明，特別是在一種新規範的初期發展階段上，發明這樣一種替代的理論並不是很困難。但是，除非是在有關科學發展的前規範時期和後來進化中非常特殊的時機中，這種發明卻正好是科學家所很少進行的。只要規範所提供的工具還能夠解決它所規定的問題，科學就進展得最快，可以最深入地合理利用這些工具。理由是清楚的，科學象製造業一樣——更換工具是一種浪費，只能留到需要的時候進行。危機的意義就在於它可以指示更換工具的時機已經到來。 ①關於阿利斯塔克的工作，見T.L.希思（Health）：《薩莫斯島（Samos）的阿利斯塔克：古代的哥白尼》（牛津，1913年,第II部。關於對忽視阿利斯塔克成就的傳統地位的極端說法，見阿瑟·郭斯特勒：《夢遊者：人類對宇宙不斷變化的認識歷史》（倫敦，1959年），第50頁。 ②帕亭頓，同上書，第78～85頁。