本文檢讨了關于科學進步的3種主流哲學理論的成功與不足，進而基于科學進步問題與現代科學起源問題之間的密切關聯，系統梳理了三代科學史家關于17世紀科學革命之本質的闡釋。以弗洛裡斯·科恩關于17世紀科學革命的運動學解釋為基礎，并參照蒯因關于科學知識的靜态結構分析，提出了科學進步的動力學模式，即：科學進步是信念、理論和經驗三者之間從互相脫節或互相抵觸走向互相關聯并且互相适應的動态調整過程。進一步，将此動力學模式與庫恩的範式理論和斯特雷文斯的知識機器理論進行了比較，表明該模式不僅可以涵蓋這2個理論，而且可以解釋這2個理論所不能解釋的科學進步與革命。
科學進步的模式，一直是科學哲學中的熱門話題，其核心是要回答：為什麼現代科學自創立之後能夠持續進步？迄今關于這個問題的解答，有3種主流理論，即波普爾的證僞主義、庫恩的範式理論和斯特雷文斯（Michael Strevens）的知識機器理論。但這3種理論在自洽性和解釋力方面都存在一定的局限。
本文中，筆者主張，要想了解科學進步的模式，首先得了解17世紀科學革命的本質，即現代科學是如何誕生于17世紀的西歐的。科學史界關于17世紀科學革命的研究，迄今已曆三代，代表性的成果有柯瓦雷的“自然的數學化”解釋、韋斯特福爾的“兩大潮流的互動”解釋和弗洛裡斯•科恩（Floris Cohen）的“3種認識方式的融合”解釋。本文的目标，是通過合理吸收3位科學哲學家和三代科學史家的理論，為科學進步和科學革命提供一個更有解釋力的動力學模式。動力學的含義是指，該模式旨在揭示科學進步的内驅動力和調适機制。
第1節将逐一反思3種主流的科學哲學理論，分析他們的成功與不足之處。如邁克爾遜-莫雷實驗并未證僞以太假說；分子生物學革命也沒有發生庫恩意義上的反常、危機與範式轉換。斯特雷文斯的知識機器理論在解釋力方面确實大大勝過證僞理論和範式理論，但它将科學發現過程完全排除在外。
第2節轉向三代科學史家的科學革命觀，探讨編史學理論的進步對于科學哲學的意義。其實，庫恩的範式理論很大程度上得益于柯瓦雷的編史綱領。20世紀70年代，韋斯特福爾繼承和發展了柯瓦雷的編史綱領，試圖用畢達哥拉斯-柏拉圖主義和機械論-微粒論這2條思想主線來诠釋現代科學的誕生。到21世紀，弗洛裡斯·科恩為17世紀的科學革命提出了一個更全面的解釋：現代科學是3種不同的認識世界的方式，即數學認識方式、哲學認識方式和實驗認識方式的逐漸融合。
第3節以編史學理論的最新進展為基礎，并參照蒯因（W. V. O. Quine）關于科學知識整體結構的分析，提出科學進步的動力學模式，即科學進步是信念、理論與經驗三者之間從互相脫節走向互相協調的動态調适過程，并根據這一模式來解釋曆史上的科學進步與科學革命。蒯因所分析的是當代科學知識的靜态（static）結構，弗洛裡斯•科恩所描述的是17世紀科學革命的運動（kinematic）軌迹，本文所探讨的則是重大科學進步的動态（dynamical）機制。
最後一節比較了所提出的動力學模式與既有的科學哲學理論之間的聯系與差別，表明該模式不僅可以覆寫庫恩的範式和斯特雷文斯的知識機器，而且能夠解釋這2種理論所不能解釋的科學進步與革命。特别是，區分了信念與理論本身。信念是科學家個體層面的底層觀念，而理論則是科學共同體可以檢驗并共享的知識内容。這一區分不僅可以避免相對主義的陷阱，而且可以将科學發現與科學檢驗視為同等重要的進步環節。
3種科學哲學理論
在波普爾的證僞主義、庫恩的範式理論和斯特雷文斯的知識機器理論這3種科學哲學理論中，前兩者是國内科學哲學界非常熟悉的，故隻簡要分析。根據波普爾的證僞主義，科學進步的基本模式是猜想與反駁之間的循環：通過猜想而提出的理論命題被判決性實驗證僞之後，人們被迫提出新的猜想，并接受新的反駁，科學理論由此獲得進步。
證僞主義的困難在于，證僞并不比證明容易。洪謙先生就曾指出：“在科學命題的可确定性中，可證明性和可證僞性隻能作為特例來看待。”造成這一局面的主要原因是，實驗檢驗的不是單個假說，而是一組假說的合取。英國哲學家艾耶爾（A. J. Ayer）對此說得非常明白：一個陳述有認知意義，當且僅當這個陳述和其他輔助假說合取時，能夠推導出觀察命題，并且這些可觀察命題不能單從輔助假說推出。用以下公式表示
式中，Oi是觀察命題，A是輔助假說，H是待檢驗的假說。這意味着，判決性試驗幾乎不存在。
科學史上這樣的事例非常多。19世紀中葉，關于光以太是否被媒體所拖曳，就有2種對立的主張。菲涅爾主張，光以太部分被媒體（流水）所拖曳，據此他得出流水中的光速公式。1859年，斐索的實驗結果與此公式符合得很好，似乎證僞了以太不被媒體（流水或地球）所拖曳的假設。現在知道，這根本不是一個判決性實驗，因為靜止以太的存在這個輔助假說是錯的。
另一種情況是，當觀察結果與理論假說相沖突時，人們可以發明輔助假說（包括特設性假說）來挽救現有的理論。例如，邁克爾遜-莫雷實驗的結果，否定了以太漂移的二階效應，但洛倫茲通過“洛倫茲收縮”這一輔助假說挽救了以太的存在。
還有一種情況，即當實驗結果與現有理論不符時，鑒于現有理論的巨大成功，人們幹脆對此置之不理。例如，1859年勒維耶發現水星近日點43角秒/百年的進動，似乎證僞了牛頓的引力理論，但絕大部分科學家就把這個結果“晾”在那裡。這就引導我們進入庫恩的理論，即隻有嚴重的或大量的反常才會造成危機。
庫恩所謂的“科學革命的結構”，即科學理論演變和更替的基本模式：正常科學→反常與危機→科學革命→正常科學。根據這一模式，正常科學是在範式指導下的解謎活動；正常科學的發展會導緻反常，嚴重的反常導緻危機；危機中會誕生新的範式，科學革命是新舊範式的轉換。
範式理論的局限主要集中在3點：範式的強制性問題，範式的不可通約性問題，範式理論的解釋力不足問題。
1）範式的強制性問題。庫恩用範式來定義科學共同體，進而實作了科學思想的社會還原，這使得該理論有滑入相對主義泥潭的危險。真實的科學共同體，從來不會信奉單一的範式。一位引力理論專家，在接受廣義相對論的同時，也會接受牛頓的萬有引力理論，此外，還會關注量子引力理論的發展。換言之，主流的範式雖然具有強大的影響力，但并不具備強制力。
2）範式的不可通約性問題。學界談論已有很多，筆者僅強調一下戴維森（Donald Davidson）的觀點，即庫恩的範式理論是不自洽的。庫恩的理論一方面否認獨立于範式的經驗事實，另一方面又承認“反常”，這意味着存在一個與任何範式都無關的中立世界。
3）範式理論解釋力不足的問題。不妨直接引用哈金（Ian Hacking）的論述：“首先需要注意，庫恩在這裡所談的并非17世紀的那場科學革命。它與庫恩假定其結構的那場革命相去甚遠。的确，在《結構》發表前不久，庫恩曾提出過存在“第二次科學革命”，它發生于19世紀早期，全部新的領域都得以數學化。熱學、光學、電學和磁學都獲得了各自的範式，之前一團混亂的現象得以了解。這場科學革命在曆史上恰好與我們所稱的工業革命并肩而行，無可争議地成為我們今天身處其中的現代技術科學世界的起點。然而，與第一次科學革命一樣，這一次革命也沒有顯示出如《結構》中所述的科學革命的‘結構’。”
事實上，庫恩的範式理論也不能解釋進化論革命、遺傳學革命、分子生物學革命、狹義相對論革命、廣義相對論革命以及熱大爆炸宇宙學的興起，因為這些革命都不是來自既有理論與經驗之間的沖突。真正從“反常與危機”中誕生的新範式，大概隻有拉瓦錫的氧化還原理論和20世紀的量子力學。盡管如此，庫恩理論的價值還是不容低估的。首先，庫恩的理論至少能解釋一部分科學革命；其二，庫恩揭示了正常科學發展的意義，即正常科學的發展必然會導緻科學革命；其三，庫恩強調了美學和形而上學因素在科學進步中的重要影響。
庫恩理論的相對主義傾向，在斯特雷文斯的知識機器理論中得到了克服。斯特雷文斯重新回到經驗主義傳統，而發展出了一種更加精緻的經驗主義。像邏輯經驗主義者一樣，斯特雷文斯區分了發現的過程和确證的過程，前者是科學家個人的事，後者是科學共同體的事。科學共同體遵循一條“鐵律”（iron rule），即一個理論不管多麼優美或多麼深刻，都必須而且僅僅服從經驗證據的限制。科學理論追求的是對世界的“淺層解釋”（shallow explanation），而不是傳統形而上學所要求的“深層解釋”。牛頓的名言“我不杜撰假說”（hypotheses non fingo）就是最好的例證：引力确實存在，這就夠了；至于它到底是什麼，不做假說。
關于鐵律，斯特雷文斯提出了2個富有洞見的概念，即“第谷原則”（Tychonic principle）和“培根趨同”（Baconian convergence）。第谷原則指的是，“宇宙的奧秘存在于精微的結構、幾乎不可分辨的細節，隻有那些最靈敏、精巧和昂貴的儀器才能探測到的模式之中”。斯特雷文斯之是以将此命名為第谷原則，是因為第谷是一位極其敏銳的觀察家，同時他的精确觀察結果導緻了新天文學——開普勒天文學——的誕生。開普勒本人的陳述可以為證：“感謝神的恩賜，讓我們有了第谷這位最勤奮的觀測者，他的觀測結果表明托勒密的火星模型存在8弧分誤差。我們相信這是假說帶來的錯誤，是以讓我們緻力于此，以最終發現天體運動的真正形式。……這8弧分是不允許忽略的，它将引導我們走上革新整個天文學的道路。”
培根趨同的意思是，“隻要我們以理論的解釋力為向導，經驗檢驗終将從互相競争的理論中篩選出真理”。舉例來說，16世紀下半葉，行星天文學有3種不同的理論，即托勒密體系、第谷體系和哥白尼體系。到該世紀末，歐洲天文學家普遍選擇了哥白尼理論，因為第谷對超新星和彗星的觀察（圖1和圖2），摧毀了人們對天界不變和水晶天球的信念。
圖1 第谷繪制的仙後座（Cassiopeia）星圖，顯示了1572年超新星I的位置
圖2 第谷關于1577年彗星的觀察筆記，表明彗星來自比月亮遠得多的地方
知識機器理論并未追求對科學革命的完整解釋，其主要缺陷就是隻考慮确證環節，而未考慮發現環節。不考慮發現環節，自然展現不出美學、形而上學以及深層解釋在科學進步中的重大意義。審美因素在科學發現中的意義，主要展現為對理論的簡單性與自洽性的追求。1956年狄拉克（Paul Dirac）在通路莫斯科大學時，曾在黑闆上寫下：“實體定律必須具有數學美”（A physical law must possess mathematical beauty）。科學史上不少重大進步都來自對形式美的追求。例如，哥白尼提出日心學說的主要動機，就是因為托勒密的偏心輪和對位點模型不符合柏拉圖的完美正圓假設。愛因斯坦創立狹義相對論，首先來自他相信麥克斯韋-洛倫茲的電動力學應該在所有慣性系中皆成立。狄拉克的相對論性量子力學，可謂協調量子力學和狹義相對論的神來之筆。
形而上學因素在科學進步中的意義，主要展現為對深層解釋的追求，即對理論實體的實在性和可了解性的追求。這種追求的效果，隻有從長時段的科學發展才能看得出來。還是從牛頓的“我不杜撰假說”說起。引力是一種超距作用力，從哲學角度來看這是一種神秘的、不可接受的魔力。牛頓的著作出版後，萊布尼茲就對牛頓不解釋引力的原因“大為震驚”。在他看來，這原因是“以太渦旋”（aethereal vortex）。1864年，麥克斯韋在建立了電磁的場理論後，也曾推測引力應該像電磁作用一樣，可以歸結為以太媒體的作用（圖3）。最終，愛因斯坦通過創立廣義相對論，成功地将牛頓引力理論轉變成一個場理論。從1687年《原理》的出版，到1915年廣義相對論的創立，在長達3個多世紀的時間内，科學家始終沒有放棄對引力本質的深層解釋。
圖3 麥克斯韋的以太模型
三代編史學理論
第1節的分析表明，現有的科學進步理論，由于各自的局限性，都存在解釋力不足的問題。筆者認為，要想完整地解釋科學進步，必須深入認識17世紀科學革命的本質。為此，筆者轉向科學革命的編史學研究。在科學史界，科學革命特指17世紀的科學革命，本節将循此慣例來使用這一術語。
對科學革命的開創性研究，要歸功于柯瓦雷。通過對伽利略的研究，柯瓦雷提出，科學革命的前提是世界觀的變革，即用歐幾裡得的數學空間來取代亞裡士多德的實體空間。他将這一轉變概括為“自然的數學化”：“（科學革命的）2個特征是：（1）秩序井然的宇宙（the Cosmos）的瓦解，是以基于這個概念的所有考慮也随之從科學中消失；（2）空間的幾何化，即用各向同性的、抽象的歐幾裡得幾何學空間來代替前伽利略實體學中性質各異的、具體的世界－空間概念。這2個特征可以歸結為自然的數學化（幾何化）以及科學的數學化（幾何化）。”
稍後，柯瓦雷意識到，單單用數學柏拉圖主義來解釋現代實體學的興起是不足的。通過對牛頓的研究，他進而提出，科學革命是柏拉圖主義和微粒論哲學共同作用的結果：“在牛頓那裡，自然之書是用微粒符号和微粒語言寫成的，這一點同玻義爾一樣；然而，把他們結合在一起并賦予整本書意義的句法卻純粹是數學的，這一點又同伽利略和笛卡爾一樣。”
柯瓦雷關于科學革命的論點，啟發了第二代科學史家對科學革命的了解。在《近代科學的建構：機械論與力學》中，韋斯特福爾提出，科學革命是柏拉圖-畢達哥拉斯主義和機械論哲學這兩大潮流互動的結果。在該書序言中，他寫道：“兩大主題主導着17世紀的科學革命——柏拉圖-畢達哥拉斯主義和機械論哲學。柏拉圖-畢達哥拉斯主義以幾何術語來看待自然，确信宇宙是按照數學秩序原理建造的；機械論哲學則設想自然是一部巨大的機器，并試圖解釋後面隐藏的機制。……這兩大傳統并非總能相配協調。畢達哥拉斯主義傳統通過秩序來處理現象，滿足于發現精确的數學描述，并把這種描述了解為對宇宙終極結構的表達。而機械論哲學關心的則是個别現象的因果解釋。……機械論哲學家一般來說力圖從自然哲學中消除一切晦暗不明的痕迹，表明自然現象是由不可見的機制引起的，這種機制完全類似于人們日常生活中所熟知的那些機制。這兩種思想運動追求不同的目标，往往互相沖突。……對機械因果關系的解釋往往與精确描述之路相反，科學革命的充分實作要求解決這2種主導傾向之間的張力。”
韋斯特福爾的解釋無疑加深了人們對科學革命本質的了解，但不足也是非常明顯的。首先，機械論哲學的含義過于寬泛，既包括笛卡爾的機械論，也包括波義爾的微粒論。其二，在這種解釋中，實驗處于從屬地位，要麼從屬于數學柏拉圖主義，要麼從屬于機械論哲學，這顯然不能令人信服。
關于現代科學為什麼興起于歐洲，愛因斯坦有一個著名的解釋。事件的起因是，美國陸軍上校斯威策（Switzer J S）退役後選擇在斯坦福大學攻讀曆史學位，并選修了漢學家芮沃壽（Wright A F）的閱讀課。當時課上讨論的一個話題就是“李約瑟問題”，于是他寫信征求愛因斯坦的意見。愛因斯坦在1953年4月23日的回信中寫道：“西方科學的發展基于2項偉大的成就——希臘哲學家發明的形式邏輯系統（展現在歐幾裡得幾何學中）和（文藝複興時期）發現的通過系統實驗來揭示因果關系的可能性。在我看來，中國賢哲未能邁出這2步，用不着驚訝。令人驚訝的是，這些發現竟然被做出來了。”
愛因斯坦的直覺了解表明，對科學革命的合了解釋，必須将形式演繹系統和系統化實驗考慮在内。這就是接下來要考察的第三代史學家的編史綱領，即弗洛裡斯·科恩的“3種認識方式的融合”的解釋。
弗洛裡斯·科恩認為，在現代科學興起之前，存在3種“認識自然的方式”或“自然知識的形式”（form der naturerkenntnis），即亞曆山大裡亞的認識方式（抽象的-數學的方式）、雅典的認識方式（自然哲學的方式）和文藝複興時期興起的歐洲的認識方式（系統的觀察和實驗方式）。其中，哲學家的方式是通過建立第一性原理，然後應用演繹的方法，自上而下地解釋自然現象，代表性的成就有古希臘的原子論、柏拉圖的共相理論和亞裡士多德的自然哲學。數學家的方式是利用數學模型來表征自然現象，代表性的成就有希臘的行星天文學、阿基米德的靜力學以及幾何光學。觀察和實驗的方式實際上來自于工程師傳統，這種認識方式強調，真理并不能從理智中導出，而是要到精确的觀察和實驗中去尋找。
基于這一綱領，弗洛裡斯·科恩認為，這3種方式的融合是逐漸完成的。伽利略和開普勒将哲學認識方式引入數學認識方式之中，強調他們的工作符合柏拉圖-畢達哥拉斯的哲學思想。笛卡爾則将數學認識方式引入哲學認識方式之中，強調微粒的運動必須服從機械論的數學法則，特别是慣性定律、碰撞定律和離心力定理這3個運動定律。哲學認識方式與實驗認識方式的融合，首先要歸功于波義爾和胡克。17世紀還沒有“科學家”這個詞，是以伽利略稱自己作“數學家-哲學家”，波義爾則稱自己是“實驗哲學家”。3種認識方式的完美融合，最終是牛頓完成的。牛頓不僅是哲學家、數學家（微積分的發明者）和實驗家（如著名的牛頓環實驗），更是将這3種認識方式融為一體的真正意義上的“科學家”，他的書名《自然哲學的數學原理》即昭示了這一點。
弗洛裡斯·科恩關于科學革命的解釋，是迄今關于現代科學興起的最自然、最合理的解釋。根據這一解釋，現代科學本質上是本體論承諾、抽象化表征和系統性實驗的盡可能完美的結合。這一結合首次發生在17世紀，其結果就是現代科學的興起。
科學進步的動力學模式
正如柯瓦雷的科學革命觀啟發了庫恩的範式理論一樣，弗洛裡斯·科恩的解釋也為探讨科學進步的動力學模式帶來了啟示。按照弗洛裡斯·科恩的解釋，牛頓力學是哲學認識方式、數學認識方式和實驗認識方式的結合，其中哲學認識方式确立了理論的本體論基礎，即該理論所承諾的基本存在物（包括絕對時空、微粒物質和超距互相作用）；數學認識方式是建立理論的抽象表征；實驗認識方式則提供了理論的經驗支撐。
弗洛裡斯·科恩的解釋，與蒯因關于科學知識結構的刻畫可謂不謀而合。蒯因認為，科學知識的邊緣是經驗陳述，主體是理論陳述，核心則是本體論承諾。唯一的差別是，蒯因用理論知識取代了弗洛裡斯·科恩的數學形式的知識。理論陳述當然不限于數學命題。不同的學科，理論表征的方式是不同的。實體學主要采用數學表征，化學和生物學理論通常采用模型表征。化學反應方程式、分子結構模型、進化譜系樹、基因圖譜等，都是關于理論實體之間結構關系的抽象模型。
參照蒯因的術語，弗洛裡斯·科恩的解釋可以表述為：17世紀科學革命的本質，就是信念（本體論承諾，即人們所相信的基本存在，特别是超越感官經驗的形而上學實體）、理論與經驗三者之間從互相脫節走向互相協調的過程。信念是科學理論的基石，而經驗則是科學理論的限制條件。任何科學理論都要求最大程度地協調信念、理論和經驗。17世紀科學革命的獨特意義在于，信念、理論和經驗三者首次組成了一個牢不可分的三角結構。
這個結構一經形成，科學便具有了自我修正、自我演進的内在動力。這是因為，由于信念的多元性、經驗的拓展性以及理論表征的等價性，三者之間的協調狀态總會被打破。後續的科學革命，即來自三者之間的内在張力。信念、理論和經驗三者之中任意兩者的不相幹或不一緻，都會引發科學進步甚至科學革命。
信念、理論和經驗的相對獨立性，特别是信念的多元性和經驗的拓展性，是造成三者之間内在張力的根本原因。經驗探索的相對獨立性，在意外的實驗發現（如布朗運動和宇宙微波背景輻射的發現）中表現得最為典型。理論發展的相對獨立性，主要展現為同一理論可以有多種等價的表述，例如經典力學中的牛頓力學和分析力學表述，量子力學中的矩陣力學和波動力學表述。信念的相對獨立性，突出的執行個體是萊布尼茲、麥克斯韋和愛因斯坦對超距作用的拒斥态度。據此，可将科學進步分為信念驅動、理論驅動和經驗驅動3種類型。
1）信念驅動：基于美學和形而上學觀念而引發的理論或實驗上的進步。美學因素主要展現為對理論本身的簡單性與理論之間的相容性的追求，其背後的形而上學信念是自然的簡單性、對稱性與統一性。狹義相對論、廣義相對論和相對論性量子力學的建立，都是這一信念激勵的結果。形而上學觀念主要指關于實在的本體論構想，例如牛頓關于微粒之間超距作用力的設想，法拉第關于感應力線的設想（圖4）， 孟德爾關于遺傳因子的設想，愛因斯坦關于引力即時空幾何的設想等。關于實在的構想，作為理論表征之基礎，不僅推動了理論的建構，同時還刺激了實驗工作的開展。麥克斯韋等的以太構想，激發邁克爾遜-莫雷設計了檢驗以太二階效應的實驗；德·布羅意的物質波構想，促使戴維孫（Davisson C J）和革末（Germer L H）開展了電子衍射實驗。
圖4 法拉第關于磁力線的設想
2）理論驅動：理論的進步所帶來的信念轉變和實驗進展。開普勒在建立行星運動的三大定律之後，進而設想太陽與行星之間存在一種類似于磁力的長程吸引力；麥克斯韋根據其電磁場方程，确認光就是電磁波。這些都是理論導緻的信念轉變。科學史上大部分的實驗研究，都是在理論驅動之下進行的确證性實驗。伽利略的斜面實驗、赫茲的電磁波實驗（圖5）以及愛丁頓的光線偏折實驗（圖6），都是為了檢驗相關的理論。
圖5 1888年的赫茲的電磁波實驗
圖6 1919年的愛丁頓的光線偏折實驗
（圖檔來源：spaceweather.com）
3）經驗驅動：實驗進展所導緻的信念轉變與理論發展。法拉第基于磁鐵周圍鐵屑分布的實驗示範，提出了磁力線概念，是經驗刺激信念的突出事例。實驗驅動的理論變革，在科學史上可謂不勝枚舉。開普勒因為托勒密的正圓模型與第谷的觀察資料存在微小的誤差，轉而設想行星的軌道是橢圓而非正圓，由此走上了革新天文學的道路。普朗克為了拟合柏林帝國實體技術研究所的兩個小組在紅外區測得的黑體輻射譜（圖7），提出了普朗克公式，由此揭開了量子力學革命的序幕。沃森和克裡克的雙螺旋模型，有賴于查伽夫（Chargaff E）關于DNA堿基組成的實驗結果和富蘭克林（Franklin R E）對DNA晶體的X射線衍射圖像。
任何科學理論的建立，都不是一蹴而就的。在科學發展的過程中，這3種驅動方式經常是交替發揮作用的。在科學家的腦海裡，信念、理論和經驗三者始終處于動态的調适過程之中。以經典遺傳學的建立為例：孟德爾的路徑是信念→經驗→理論，而摩爾根的路徑是經驗→信念→理論。孟德爾關于遺傳因子的構想，促使其進行豌豆雜交實驗，進而發現了經典遺傳學的兩大定律（分離定律和自由組合定律）。摩爾根一開始并不接受遺傳因子的思想，但他的果蠅雜交實驗結果卻符合孟德爾的規律，進而迫使他接受了孟德爾的思想，進而發現了經典遺傳學的第三定律（基因的連鎖與交換定律）。更進一步，他與弟子斯特蒂文特（Sturtevant A H）合作，通過實驗所确定的重組頻率，來衡量一條染色體上兩個基因之間的距離，建立了基因的圖譜表征（圖8），經典遺傳學由此完善。
圖7 1900年的黑體輻射實驗
圖8 斯特蒂文特的果蠅基因圖譜
3種驅動方式之間的複雜互動關系，在電磁學理論的發展過程中表現得更為明顯。我們把起點放在1820年奧斯特的實驗發現上。此前，電和磁之間的聯系并不為人所知，電荷之間的作用力被看成是超距作用力（庫侖力）。對于如何了解奧斯特效應，英法科學家出現了明顯的分歧：安培認為，磁的本質是環形分子電流，電流對磁極的作用是電流元之間的超距作用；循此觀念，法國的2位科學家建立了電流元互相作用的畢奧-薩伐爾定律。與此同時，英國科學家沃拉斯頓（Wollaston W H）則認為，通電導線周圍會産生圓形分布的“磁流體”，進而使磁針的磁極發生偏轉。受此啟發，法拉第基于通電導線周圍鐵屑分布的實驗提出，電流對磁針的作用是通過空間中分布的磁力線來實作的。出于電與磁的對稱性信念，法拉第在1831年發現了電磁感應現象，并用穿過線圈的磁力線數目的變化來解釋感應電流的産生。這一曆史速寫表明，同一實驗導緻了2種不同的信念，進而出現了2條不同的理論和實驗進路：從超距作用進路出發得到了畢奧-薩伐爾定律，從法拉第的力線進路則發現了電磁感應定律。頗為有趣的是，電磁感應定律的最初數學表述是按電流元之間的超距作用（電動力學勢）來處理的。故事的結尾大家都知道：麥克斯韋把力線看成場的形象表示，并把場看成是以太的波動，建立了電磁場的動力學理論。
上述案例表明，科學的進步既不像庫恩的範式理論所說的那樣，僅僅來自範式（信念或理論）與經驗（實驗結果）之間的沖突；也不是像斯特雷文斯的知識機器理論所主張的那樣，單純來自“鐵律”對既有理論的選擇作用。站在理論的角度，可以看到，科學理論的重大進步來自信念和實驗的共同推動。
與既有理論的比較
基于信念、理論與經驗互動的動力學模式，可以避免庫恩的範式理論和斯特雷文斯的知識機器理論的内在局限以及由此帶來的解釋力不足的問題。我們将此模式簡稱為“動力學模式”，并将之與庫恩的範式、斯特雷文斯的知識機器以及蒯因的“信念之網”做一比較。
與庫恩的理論相比，動力學模式相當于将庫恩的廣義範式分解為信念與理論2個部分。這種區分的意義在于，理論屬于科學家共同體，而信念屬于科學家個人。這樣就可以避免範式的強制性問題和不可通約性問題。作為個體的科學家在接受一個理論時，可以對其中的本體論承諾持保留态度，即将該理論當成對自然現象的“淺層解釋”權且接受下來。
範式之間的通約性問題，在動力學模式中也能得到合了解釋。科學理論的更替，都隻是在一定程度上修正了原來的本體論構想。以實體學的發展為例。在牛頓力學中，基本的理論實體包括絕對時空、微粒物質和超距作用力三者。在麥克斯韋電磁理論和狹義相對論中，闵氏時空作為整體依然是平直的、均勻的和絕對的（即不依賴于物質和互相作用而獨立存在的）。闵氏時空與牛頓時空的唯一差別，隻在于同時性的相對性。微粒物質概念和引力互相作用也保留了下來，隻是添加了既是物質又傳遞互相作用的電磁場。20世紀的兩大實體學革命——廣義相對論和量子力學革命，分别修正了狹義相對論的時空觀和物質觀。廣義相對論保留了經典的物質觀，卻大幅修正了狹義相對論的時空觀：時空不再是物質的活動舞台，而是物質的分布和運動的結果，時空的幾何性質直接表征引力。盡管如此，給定了物質的分布和運動，時空的幾何是剛性的；并且在局域範圍内，基于等效原理，狹義相對論實體學完全适用。另一方面，量子力學（以及量子場論）保留了狹義相對論的時空觀，但修正了經典的物質觀：實體系統的狀态要用量子态來描述，進而表現出“波粒二象性”。無論是從牛頓力學到量子力學，還是從萬有引力理論到廣義相對論，理論之間至少是部分可以通約的。
庫恩理論的解釋力不足，主要是因為它把焦點集中在範式（信念+理論）與經驗之間的沖突上。這就帶來2個嚴重的後果：其一，它不能解釋從“前範式”到“範式”的轉變。哈金所提到的17世紀的科學革命和“第二次科學革命”以及孟德爾的遺傳學革命，都是從前範式到範式的革命；其二，它不能解釋沒有發生“反常”的科學革命，包括廣義相對論革命、進化論革命和分子生物學革命。廣義相對論革命是為了協調牛頓的萬有引力理論和狹義相對論的結果。達爾文的進化論革命和沃森-克裡克的分子生物學革命，都是基于新的經驗事實解決了舊理論的嚴重不足，使之發生了質的飛躍，并沒有出現反常和範式轉換。
從動力學模式的角度來看，上述革命都不難得到合理的解釋。從前範式到範式，是實驗和信念共同驅動的結果，電磁學理論的建立可為例證。廣義相對論的創立，并非為了解釋水星近日點的進動這一反常，而是為了追求理論之間的自洽性。達爾文的進化論革命，也沒有推翻舊進化論中的共同祖先學說，而是基于加拉帕戈斯群島的鳥類特征，提出了新物種産生的機制和進化的譜系樹結構（圖9）。分子生物學革命，是基于新的實驗結果，将遺傳學從細胞水準推進到分子水準。
圖9 達爾文關于物種演變的筆記，第1次勾畫了進化的譜系樹結構
（圖檔來源：劍橋大學圖書館，cudl.lib.cam.ac.uk/view/MSDAR-00121/38）
與斯特雷文斯的知識機器相比，動力學模式将發現的過程與确證的過程放在同等重要的地位。作為一種精緻的經驗主義，知識機器理論與傳統的邏輯經驗主義一樣，将發現的過程看作是一個充滿靈感的、不可解釋的過程。而在動力學模式中，理論的建立是經驗和信念雙重驅動的結果，其中信念可能來自傳統的形而上學，也可能是實驗啟發之下産生的新觀念。要之，發現的過程雖然具有一定的自由想象空間，但要接受經驗和信念的指引與限制。
狹義相對論的建立是對此的最佳說明。愛因斯坦的狹義相對論，是審美眼光和實證眼光的完美結合。愛因斯坦當時面對的難題是，相對性原理、光速不變原理和伽利略變換三者是不相容的，那麼究竟是保留相對性原理和光速不變原理，還是保留相對性原理和伽利略變換呢？基于簡單性的追求，愛因斯坦選擇了前者，因為他相信麥克斯韋-洛倫茲的理論應當在一切慣性系中皆成立，而不是僅僅在絕對參考系（靜止以太系）中才成立。那麼伽利略變換該怎麼辦呢？為此，他訴諸實證，認識到時間是依賴于測量的，時鐘的校準依賴于光信号，是以同時性是相對的。隻有加上時間和位置測量的實驗規定，愛因斯坦才能從狹義相對性原理和光速不變原理推導出洛倫茲變換。
廣義相對論的創立，更能展現信念的力量。這裡的信念，既包括一般的形而上學觀念，例如相信自然的簡單性、對稱性和統一性，也包括特定的形而上學觀念，如關于時間、空間、物質和互相作用力的設想。愛因斯坦的目标，是要解決牛頓的萬有引力理論和狹義相對論之間的不相容性。1907年，愛因斯坦奠定了廣義相對論的第一塊基石，即等效原理：一個自由下落的觀察者感受不到引力，是以引力至少在局域範圍内等效于慣性力。1912年，愛因斯坦找到了該理論的第2塊基石：在旋轉的坐标系中，由于運動方向存在洛倫茲收縮，圓的周長與直徑之比小于π。既然引力等效于非慣性系，而非慣性系中歐式幾何不再成立，是以引力可以用時空的度規來描寫。這也表明，愛因斯坦的深邃思想，始終緊系于經驗之磐石。
由于隻考慮确證的過程，知識機器理論不僅将科學家個人的深層思想排除在外，而且将經驗的作用局限于理論的檢驗與選擇。在動力學模式中，經驗的作用不僅展現在确證方面，而且展現在發現方面。基于信念、理論和經驗之間的互動關系，發現的過程和确證的過程是互相促進的。
将科學知識看成是信念、理論和經驗的融合，實際上借鑒了蒯因的“信念之網”理論。蒯因認為，人類的科學知識整體是一個信念之網，其邊緣是經驗，往裡是理論，核心則是邏輯和形而上學。他說：“我們所謂的知識或信念的整體，從最偶然的地理和曆史事件，到最深刻的原子實體學甚至純數學和邏輯規律，隻是一個沿邊緣同經驗保持密切接觸的人工織物。或者換個比喻說，整個科學就像一個力場，它的邊界條件就是經驗。在場的周圍同經驗的沖突引起内部的再調整。”
任何一門科學理論都有某種本體論立場，都包含承認這種或那種事物存在的本體論假設。蒯因認為，一個理論的本體論承諾問題，就是按照那個理論有什麼東西存在的問題。本體論承諾與經驗之間的關系，同理論與經驗之間的關系一樣，都是要合理地安排或解釋經驗事實：“我們之接受一個本體論，原則上同接受一個科學理論，比如一個實體學體系，是相似的。至少就我們講求合理性而言，我們所采納的是能夠把毫無秩序的零星片段的原始經驗加以組合和安排的最簡單的概念構架。”
蒯因認為，科學知識是作為一個整體面對經驗裁決的。接受經驗檢驗的是知識總體，而不僅僅是離邊緣較近的命題。這就是說，信念和理論都必須接受經驗的限制。他還強調，經驗證據對于知識整體的決定是不充分的（underdetermination）。在既定的經驗範圍内，完全可以有經驗上等效的理論。基于經驗而做出的信念或理論調整，最佳的方式是隻引起對現存信念體系的最小破壞。
蒯因的信念之網理論，不是專門的科學進步理論。但其中所包含的洞見，如科學理論中的本體論承諾、經驗對知識整體的限制作用、信念和理論面對經驗調整的最佳方式，對于我們了解科學進步具有重要的啟迪意義。本文的動力學模式，即科學進步的目标是要達成信念、理論和經驗之間的最大協調，雖然主要承自弗洛裡斯•科恩的編史學綱領，但也借鑒了蒯因的思想和術語。
作為邏輯經驗主義的傳人，蒯因關注的是科學理論的靜态結構和經驗确證。是以，在蒯因的理論中，經驗發揮的隻是消極的限制作用，而非積極的指引作用。蒯因理論的目标，是刻畫科學知識的邏輯結構，而非其動态演進機制。從靜态的角度看科學，很容易誇大“非充分決定”的自由度。從發展的眼光來看，經驗上等效的理論，随着經驗研究的擴充，往往不再等效了。哥白尼體系和托勒密體系在16世紀中葉是經驗上等效的，但到了17世紀初就不再等效了。經驗上等效的理論，如果隻是數學上等價，但在實體上（特别是本體論上）不等價，遲早要接受經驗的裁決，出現斯特雷文斯所言的“培根趨同”。隻有從信念、理論和經驗之間的動态調适出發，才能真正了解科學進步。
結論
科學進步的模式，也就是人們通常所說的“科學發展的規律”。在這篇文章中，筆者主要基于弗洛裡斯•科恩關于17世紀科學革命的解釋，同時參照蒯因關于科學知識整體結構的分析，提出了科學進步的動力學模式。根據這一模式，科學進步是信念、理論和經驗三者之間從互相脫節或互相沖突的狀态走向互相關聯并且互相适應的動态過程。
蒯因的信念之網理論，旨在刻畫科學知識的邏輯結構，相當于科學的靜力學。弗洛裡斯•科恩關于17世紀科學革命的解釋，隻是描述了3種潮流逐漸融合的曆史過程，相當于科學進步的運動學。靜力學關注的是信念、理論和經驗之間的平衡狀态，運動學關注的是信念、理論和經驗之間的融合軌迹。與之相比，動力學強調的是信念、理論和經驗之間互相驅動、互相調适的演進機制。
較之斯特雷文斯的知識機器，動力學模式将發現的過程與确證的過程放在同等重要的地位，并且表明這2類過程是互相聯系、互相促進的。發現的過程并非不可解釋的非理性過程，而是在經驗和信念的引導與限制之下的合理化過程。科學的崇高目标，正如愛因斯坦所言，是要“以最适當的方式來畫出一幅簡化的和易領悟的世界圖像”，而非僅僅滿足于對自然的“淺層解釋”。自然的簡單性信念，以及合理的本體論承諾，是推動理論進步的重要力量，狹義相對論和廣義相對論的創立即為明證。
較之庫恩的範式，動力學模式将“廣義範式”拆解為信念和理論2個部分，進而不僅消除了範式的強制性和不可通約性難題，而且可以解釋并非源于“反常”的科學革命。牛頓力學、麥克斯韋理論和孟德爾遺傳學，都是在經驗和信念共同驅動下建立“範式”的革命。狹義相對論和廣義相對論革命，主要是在信念驅動下，解決既有理論之間的不相容性而發生的“範式轉換”。達爾文的進化論革命和沃森-克裡克的分子生物學革命，主要是在經驗驅動下，使舊的理論發生了質的飛躍。如果一定要用庫恩的術語，也隻能說是“範式更新”。“反常”所導緻的“範式轉換”，僅僅是科學革命的路徑之一。
信念、理論和經驗的相對獨立性，特别是實驗的拓展性，是三者之間出現内在張力的根本原因。據此，可以将科學進步和科學革命分為信念驅動、理論驅動和經驗驅動3種不同類型。基于科學進步的動力學模式，并結合對當代科學前沿的考察，來預測未來的科學革命，已經超出了本文的範圍。
作者簡介：郝劉祥，科學哲學與科學史專家。現任中國科學院大學哲學系主任、教授，中國科學院哲學研究所負責人。主要研究方向為科學思想史、科學革命和實體學哲學。
原文發表于《科技導報》2024年第10期，歡迎訂閱檢視。
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