自然辩证法 第五讲：科学发现的基本方法(精品).ppt

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1、第六章：科学发现的基本方法第六章：科学发现的基本方法 第一节第一节:演绎法和约定论演绎法和约定论一一 演绎法及其哲学背景演绎法及其哲学背景:由一组公理推导出一个知识体系由一组公理推导出一个知识体系 ,或者由一或者由一般原理推出个别结论的方法般原理推出个别结论的方法.演绎的问题在于前提的正确性没法得到保演绎的问题在于前提的正确性没法得到保证证二二:约定论约定论欧氏几何及其平行公设欧氏几何及其平行公设欧氏几何及其平行公设欧氏几何及其平行公设公设一：过不同两点可连一直线公设一：过不同两点可连一直线公设一：过不同两点可连一直线公设一：过不同两点可连一直线公设二：直线可无限地延长公设二：直线可无限地延长

2、公设二：直线可无限地延长公设二：直线可无限地延长公设三：以任意一点为中心和任一线段之长为半径可作公设三：以任意一点为中心和任一线段之长为半径可作公设三：以任意一点为中心和任一线段之长为半径可作公设三：以任意一点为中心和任一线段之长为半径可作一圆一圆一圆一圆公设四：所有直角均相等公设四：所有直角均相等公设四：所有直角均相等公设四：所有直角均相等公设五：一平面上两条直线被另一直线所截，若截线一公设五：一平面上两条直线被另一直线所截，若截线一公设五：一平面上两条直线被另一直线所截，若截线一公设五：一平面上两条直线被另一直线所截，若截线一侧的两内角和小于两个直角，则此二直线必在这一侧侧的两内角和小于两

3、个直角，则此二直线必在这一侧侧的两内角和小于两个直角，则此二直线必在这一侧侧的两内角和小于两个直角，则此二直线必在这一侧相交相交相交相交1795179517951795年的版本：过已知直线外一点有且只有一条直线平年的版本：过已知直线外一点有且只有一条直线平年的版本：过已知直线外一点有且只有一条直线平年的版本：过已知直线外一点有且只有一条直线平行于已知的直线行于已知的直线行于已知的直线行于已知的直线平行公设问题19世纪初，高斯（Gauss）、Bolyai和罗巴切夫斯(Lobachevski)证明了：l l平行公理是错的，不会引起任何混乱和矛盾平行公理是错的，不会引起任何混乱和矛盾欧氏几何：平面黎

4、曼几何：球面波利艾罗巴切夫斯基几何：伪球面（马鞍面）康德：先验感性形式彭加勒的约定论维特根斯坦的极端约定论第二节第二节:归纳法及归纳问题归纳法及归纳问题 一一:归纳法归纳法归纳法是从个别事实中概括出一般归纳法是从个别事实中概括出一般原理的一种思维方法。原理的一种思维方法。穆勒的归纳五法穆勒的归纳五法 求同法求同法求异法求异法求同求异并用法求同求异并用法 共变法共变法乘余法乘余法 归纳问题归纳问题（1 1 1 1）归纳推理不能得到演绎主义的辩护。因为在）归纳推理不能得到演绎主义的辩护。因为在）归纳推理不能得到演绎主义的辩护。因为在）归纳推理不能得到演绎主义的辩护。因为在归纳推理中，存在着两个逻辑

5、的跳跃：一是从实归纳推理中，存在着两个逻辑的跳跃：一是从实归纳推理中，存在着两个逻辑的跳跃：一是从实归纳推理中，存在着两个逻辑的跳跃：一是从实际观察到的有限事例跳到了涉及潜无穷对象的全际观察到的有限事例跳到了涉及潜无穷对象的全际观察到的有限事例跳到了涉及潜无穷对象的全际观察到的有限事例跳到了涉及潜无穷对象的全称结论；二是从过去、现在的经验跳到了对未来称结论；二是从过去、现在的经验跳到了对未来称结论；二是从过去、现在的经验跳到了对未来称结论；二是从过去、现在的经验跳到了对未来的预测。而这两者都没有演绎逻辑的保证，因为的预测。而这两者都没有演绎逻辑的保证，因为的预测。而这两者都没有演绎逻辑的保证，

6、因为的预测。而这两者都没有演绎逻辑的保证，因为适用于有限的不一定适用于无限，并且将来可能适用于有限的不一定适用于无限，并且将来可能适用于有限的不一定适用于无限，并且将来可能适用于有限的不一定适用于无限，并且将来可能与过去和现在不同。与过去和现在不同。与过去和现在不同。与过去和现在不同。（2 2 2 2）归纳推理的有效性也不能归纳地证明，例如）归纳推理的有效性也不能归纳地证明，例如）归纳推理的有效性也不能归纳地证明，例如）归纳推理的有效性也不能归纳地证明，例如根据归纳法在实践中的成功去证明归纳，这就要根据归纳法在实践中的成功去证明归纳，这就要根据归纳法在实践中的成功去证明归纳，这就要根据归纳法在

7、实践中的成功去证明归纳，这就要用到归纳推理，因此导致无穷倒退或循环论证。用到归纳推理，因此导致无穷倒退或循环论证。用到归纳推理，因此导致无穷倒退或循环论证。用到归纳推理，因此导致无穷倒退或循环论证。（3 3 3 3）归纳推理要以自然齐一律和普遍因果律为基）归纳推理要以自然齐一律和普遍因果律为基）归纳推理要以自然齐一律和普遍因果律为基）归纳推理要以自然齐一律和普遍因果律为基础，而这两者并不具有客观真理性。础，而这两者并不具有客观真理性。础，而这两者并不具有客观真理性。础，而这两者并不具有客观真理性。第三节、科学问题及科研选题第三节、科学问题及科研选题 一一:科学研究始于问题科学研究始于问题归纳主

8、义方法论:科学研究从观察开始观察事实为单称陈述通过对事实的归纳，人们发现定律和理论，它们表现为普遍陈述。从定理、定律、理论和先行条件的合取中演绎出预见，看能否被经验证实。观察观察 归纳归纳形成假说形成假说检验检验波普尔对归纳法的批判波普尔对归纳法的批判反归纳法归纳法是过去推知未来的反归纳法归纳法是过去推知未来的方法方法 休谟的解决经验的重复产生心理的休谟的解决经验的重复产生心理的 信念信念波普尔心理的信念（预期）产生经波普尔心理的信念（预期）产生经验的重复感验的重复感 如如19191919年爱丁顿对日食的观察，虽年爱丁顿对日食的观察，虽然只有一次，却证明了广义相对论的然只有一次，却证明了广义相

9、对论的普遍性和必然性。普遍性和必然性。理论是大胆的猜测 科学理论等同于假设，“理论先于观察”先有理论，后有观察。科学研究开始于问题科学研究开始于问题 科学问题的来源：A:原有的科学理论与新的科学事实的矛盾。B:科学理论内部的矛盾。C:科学理论之间的矛盾。波普尔的科学发展模式波普尔的科学发展模式 科学从问题开始，促使科学家思考。科学从问题开始，促使科学家思考。针对问题，科学家进行各种大胆的猜测，针对问题，科学家进行各种大胆的猜测，即假设和理论即假设和理论各种理论之间激烈竞争，相互批评，并接各种理论之间激烈竞争，相互批评，并接受观察和实验的严格检验，在检验中消除受观察和实验的严格检验，在检验中消除

10、谬误，并筛选出逼真度较高的理论。谬误，并筛选出逼真度较高的理论。新理论被科学技术的进一步发展所证伪，新理论被科学技术的进一步发展所证伪，又出现新的问题。又出现新的问题。大胆尝试，严格检验大胆尝试，严格检验 P1 TT EE P2 P1问题 TT 一种理论 EE 通过批评和检验以清除错误 P2 新的问题二二:科学问题的来源科学问题的来源问题由某个理论内部的逻辑矛盾而提出的问题由某个理论内部的逻辑矛盾而提出的问题由某个理论内部的逻辑矛盾而提出的问题由某个理论内部的逻辑矛盾而提出的由不同理论体系之间的矛盾而提出的问题由不同理论体系之间的矛盾而提出的问题由不同理论体系之间的矛盾而提出的问题由不同理论体

11、系之间的矛盾而提出的问题 由理论结构上不符合简单性与普遍性的要求而提由理论结构上不符合简单性与普遍性的要求而提由理论结构上不符合简单性与普遍性的要求而提由理论结构上不符合简单性与普遍性的要求而提出的问题出的问题出的问题出的问题 由现有理论与经验事实之间的矛盾而提出的问题由现有理论与经验事实之间的矛盾而提出的问题由现有理论与经验事实之间的矛盾而提出的问题由现有理论与经验事实之间的矛盾而提出的问题 对经验事实未能作出统一的理论说明所提出的问对经验事实未能作出统一的理论说明所提出的问对经验事实未能作出统一的理论说明所提出的问对经验事实未能作出统一的理论说明所提出的问题题题题 由理论的实际应用与现有技

12、术条件的矛盾而提出由理论的实际应用与现有技术条件的矛盾而提出由理论的实际应用与现有技术条件的矛盾而提出由理论的实际应用与现有技术条件的矛盾而提出的问题的问题的问题的问题 三三:科研选题的原则科研选题的原则需要性原则需要性原则创新性原则创新性原则科学性原则科学性原则可行性原则可行性原则第三节第三节:科学问题的人工智能求解途径科学问题的人工智能求解途径第四节：其它科学发现的方法第四节：其它科学发现的方法一、回溯推理方法一、回溯推理方法 观察到了令人惊异的事实观察到了令人惊异的事实B B；如果如果A A是真的，是真的，B B理所当然是真的；理所当然是真的；因此，有理由猜想因此，有理由猜想A A是真的

13、。是真的。二、类比二、类比 所谓类比，是根据两个所谓类比，是根据两个(或两类或两类)对象之间对象之间在某些方面的相似或相同，而推断它们在在某些方面的相似或相同，而推断它们在其他方面也可能相似或同一的一种方法。其他方面也可能相似或同一的一种方法。A A有有a a、b b、c c、d d B B有有aa、bb、cc 则则B B可能有可能有d d 三、科学隐喻三、科学隐喻隐喻，源自希腊词隐喻，源自希腊词metaphorametaphora，意，意指指“转换转换”、“变化变化”，它是一种，它是一种修辞格或文字组合法，用于指某种修辞格或文字组合法，用于指某种与其字面意思不符的表达式。与其字面意思不符的表

14、达式。“婴儿是朵花婴儿是朵花”著名物理学家海森堡指出著名物理学家海森堡指出:“:“我们我们不得不在无法清楚地表达我们的思不得不在无法清楚地表达我们的思想的隐喻和比喻中来说话，我们不想的隐喻和比喻中来说话，我们不能逃避偶然的矛盾，然而隐喻却可能逃避偶然的矛盾，然而隐喻却可以帮助我们对客观现实进行较切进以帮助我们对客观现实进行较切进的描述。的描述。”四、科学直觉四、科学直觉 直觉思维一般具有如下特性直觉思维一般具有如下特性：表现的突发性表现的突发性 结构的跳跃性结构的跳跃性 结论的或然性结论的或然性 古今之成大事业、大学问者，必经过三古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界：种之境界：“昨夜西风

15、凋碧树。独上高楼，昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路望尽天涯路”，此第一境也。，此第一境也。“衣带渐宽衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴终不悔，为伊消得人憔悴”，此第二境也。，此第二境也。“众里寻他千百度，回头蓦见，那人正在众里寻他千百度，回头蓦见，那人正在灯火阑珊处灯火阑珊处”，此第三境也。，此第三境也。案例分析案例分析1.1物理与数学物理学作为一门自然科学，他的研究始终着眼物理学作为一门自然科学，他的研究始终着眼于探索物质世界及其运动的规律；物理学又是于探索物质世界及其运动的规律；物理学又是以实验为本的科学，物理理论来源与实验，但以实验为本的科学，物理理论来源与实验，但又高于实验，正确处理理

16、论与实验的关系，是又高于实验，正确处理理论与实验的关系，是物理学家成功的重要因素。物理学的性质决定物理学家成功的重要因素。物理学的性质决定了，他的研究，是且了，他的研究，是且必须是基于科学实验的基必须是基于科学实验的基础之上础之上。这一点与数学不同。这一点与数学不同。1.1物理与数学数学，尽管与自然科学和生活实际有着特有的数学，尽管与自然科学和生活实际有着特有的联系，但他并非一门经验科学。一面源于实际，联系，但他并非一门经验科学。一面源于实际，一面脱离实际，体现了数学的两面性。一面脱离实际，体现了数学的两面性。数学是物理学家的思维工具，只有通过数学才数学是物理学家的思维工具，只有通过数学才能最

17、终以精确形式表示自然规律。只有通过数能最终以精确形式表示自然规律。只有通过数学才能抓住错综复杂的变化过程找到最基本、学才能抓住错综复杂的变化过程找到最基本、最普遍的规律。然而，有一点要特别指出：物最普遍的规律。然而，有一点要特别指出：物理学不等于数学，物理学的发展也不仅靠数学，理学不等于数学，物理学的发展也不仅靠数学，数学是一种形式逻辑，光靠形式逻辑，物理学数学是一种形式逻辑，光靠形式逻辑，物理学是不能前进的。是不能前进的。波尔的看法是，数学并不能证波尔的看法是，数学并不能证明任何物理真理，它只能证明明任何物理真理，它只能证明表述形式的自洽性，并证明这表述形式的自洽性，并证明这种表述形式在表述

18、物理数据之种表述形式在表述物理数据之间关系方面的合用性。间关系方面的合用性。1.1物理与数学海森伯写道：海森伯写道：“在波尔看来，数学的清晰性本身并没有任在波尔看来，数学的清晰性本身并没有任何价值。他生怕形式化的数学结构会掩盖了问题的物理内何价值。他生怕形式化的数学结构会掩盖了问题的物理内核，而且他无论如何相信，一种完备的物理解释，是应该核，而且他无论如何相信，一种完备的物理解释，是应该绝对地领先于数学表述的。绝对地领先于数学表述的。”1.1物理与数学1.2自然与几何学亚里士多德早在他的著作亚里士多德早在他的著作物物理学理学里就讲过：里就讲过：“几何学研几何学研究自然的线，但不是作为自然究自然

19、的线，但不是作为自然的。光学研究数学的线，但不的。光学研究数学的线，但不是作为数学的，而是作为自然是作为数学的，而是作为自然的。的。”牛顿也在牛顿也在原理原理的的序言里指出：序言里指出：“怎样怎样画直线和圆是个问题，画直线和圆是个问题，但不是几何学上的问但不是几何学上的问题，直线问题需要力题，直线问题需要力学来解决，学来解决，因此，因此，几何学是建立在力学几何学是建立在力学的实践之上的。的实践之上的。”1.2自然与几何学在几何学里是可以给出直线的抽象定义。但是，在几何学里是可以给出直线的抽象定义。但是，怎样实际画出一条直线，则是一个物理学问题。怎样实际画出一条直线，则是一个物理学问题。亚里士多

20、德和牛顿已经很清楚，亚里士多德和牛顿已经很清楚，要用什么样的要用什么样的几何学描写我们世界上实际存在的空间，靠的几何学描写我们世界上实际存在的空间，靠的不是先天的直觉，也不是数学的原理，而是科不是先天的直觉，也不是数学的原理，而是科学实验的检验。学实验的检验。1.2自然与几何学历史上不乏高斯这样的有识之士，他觉察到了历史上不乏高斯这样的有识之士，他觉察到了这个问题如此严重，以至于需要亲手通过实验这个问题如此严重，以至于需要亲手通过实验来检验。来检验。1.2自然与几何学_高斯实验高斯既是一名高明的数学家，也是一位专业的高斯既是一名高明的数学家，也是一位专业的测量师。为了验证欧几里得几何是否适合于

21、我测量师。为了验证欧几里得几何是否适合于我们所在的这个世界，他曾在两两距离约为们所在的这个世界，他曾在两两距离约为6969，8585和和107107千米的三座山峰上进行测量，试图千米的三座山峰上进行测量，试图检验以这三座山峰为顶点的这个三检验以这三座山峰为顶点的这个三85km69km107km1.2自然与几何学_高斯实验1.2自然与几何学_高斯实验 角形的三个内角之和，是否准确的等角形的三个内角之和，是否准确的等于于180180。他的测量结果大约超过。他的测量结果大约超过0.250.25。虽然测量的误差远远大于这。虽然测量的误差远远大于这一数值而使得这一结果说明不了什么一数值而使得这一结果说明

22、不了什么问题，但高斯的方案在原理上是完全问题，但高斯的方案在原理上是完全正确的，他在这方面的见识已经比他正确的，他在这方面的见识已经比他的前辈牛顿和康德要深刻得多了。的前辈牛顿和康德要深刻得多了。现在我们通过一个理想实验再来进一步说明这个现在我们通过一个理想实验再来进一步说明这个问题。问题。既然我们所谈的是现实的物理空间，我们就得先既然我们所谈的是现实的物理空间，我们就得先给几何学中所使用的术语下个物理定义给几何学中所使用的术语下个物理定义，具体的，具体的说，我们必须说明，对于我们用来构成各种图形说，我们必须说明，对于我们用来构成各种图形的直线这个概念，我们应该怎样来理解。的直线这个概念，我们

23、应该怎样来理解。直线的最普通的定义是两点间最短的距离；直线的最普通的定义是两点间最短的距离；1.2自然与几何学_另一个理想实验 要得到这样的距离，可以在两点之间把一条要得到这样的距离，可以在两点之间把一条绳子拉紧，也可以用一种与此相当、但更为精绳子拉紧，也可以用一种与此相当、但更为精确的方法，这就是用一些具有一定长度的量尺确的方法，这就是用一些具有一定长度的量尺进行试验，在两点间找出一条用最短根量尺可进行试验，在两点间找出一条用最短根量尺可以摆满的线来。以摆满的线来。为了证明用这种方法找直线的结果同物理条件为了证明用这种方法找直线的结果同物理条件有关，我们设想有一个巨大的圆形舞台绕它自有关，我

24、们设想有一个巨大的圆形舞台绕它自己的轴匀速的旋转着，在舞台上有个实验工作己的轴匀速的旋转着，在舞台上有个实验工作者在千方百计想找出这个舞台边缘上两点的最者在千方百计想找出这个舞台边缘上两点的最短距离。短距离。1.2自然与几何学_另一个理想实验1.2自然与几何学_另一个理想实验由于舞台在旋转导致由于舞台在旋转导致 尺尺缩效应；并且靠近缩效应；并且靠近 台边台边缘的尺缩较大。为了使每根量尺都占有最大的缘的尺缩较大。为了使每根量尺都占有最大的距离就必须尽可能把它们靠中心，但这又导致距离就必须尽可能把它们靠中心，但这又导致了路程变长。介于两者之间的折中方案：了路程变长。介于两者之间的折中方案：最后最后

25、得到的最短距离是一条稍稍向舞台中心鼓出的得到的最短距离是一条稍稍向舞台中心鼓出的曲线曲线。在舞台上选。在舞台上选A A、B B、C C三点，并用直线把三点，并用直线把它们相连。易见，这种场合下，三角形的内角它们相连。易见，这种场合下，三角形的内角和小于和小于180180。ABC爱因斯坦在爱因斯坦在19051905年发表的年发表的“狭狭义相对论义相对论”里，正是从里，正是从“同时同时的相对性的相对性”开始他的论证的。开始他的论证的。即讨论的，如何用物理方法校即讨论的，如何用物理方法校准两个相距一定距离的时钟的准两个相距一定距离的时钟的问题。如庞加莱所言：问题。如庞加莱所言：“我们我们不仅没有关于

26、两段时间相等的不仅没有关于两段时间相等的直觉，甚至没有关于发生在两直觉，甚至没有关于发生在两个不同地点的两个事件的同时个不同地点的两个事件的同时性的直觉。性的直觉。”1.3测量与“直觉”下面通过一个简单了例子说明为什么我们的下面通过一个简单了例子说明为什么我们的“直觉直觉”失效了。失效了。假设你坐在火车的餐车，先吃下一片面包，然假设你坐在火车的餐车，先吃下一片面包，然后喝下一口汤。这样做你并没有感觉到任何困后喝下一口汤。这样做你并没有感觉到任何困难。虽然地面上的人很容易理解，在这段时间难。虽然地面上的人很容易理解，在这段时间间隔中你运动了一段距离。也就是说，间隔中你运动了一段距离。也就是说，一

27、个惯一个惯性系中性系中不同时间同一地点不同时间同一地点发生的事件，在另一发生的事件，在另一惯性系中必是被惯性系中必是被空间间隔空间间隔的事件。的事件。1.3测量与“直觉”我们有一种完全等效的说法：我们有一种完全等效的说法：一个惯性系中一个惯性系中不不同地点同一时间同地点同一时间发生的事件，在另一惯性系中发生的事件，在另一惯性系中必是被必是被时间间隔时间间隔的事件。的事件。这就是同时的相对性这就是同时的相对性问题。问题。为什么我们容易察觉到前者却忽略后者呢？空为什么我们容易察觉到前者却忽略后者呢？空间的量度我们以间的量度我们以“厘米厘米”作单位，相应的，如作单位，相应的，如果我们以果我们以“1/

28、31/3*E-10E-10秒秒”作单位，那么后一作单位，那么后一种效应就很明显了。种效应就很明显了。1.3测量与“直觉”1.4现代物理学的法则现代物理学的基本原则现代物理学的基本原则永远别空谈那些你永远别空谈那些你无法知道的事物。整个现代物理学理论都是在无法知道的事物。整个现代物理学理论都是在这个原则上建立起来的。对于现代物理学家来这个原则上建立起来的。对于现代物理学家来说，只有所谓说，只有所谓“可观察量可观察量”（也就是那些从原（也就是那些从原理上说可以观察到的性质）才有意义。并且整理上说可以观察到的性质）才有意义。并且整个现代物理学都建筑在这些量的相互关系基础个现代物理学都建筑在这些量的相互关系基础之上。那些无法观察到的事物，既不可能检验之上。那些无法观察到的事物，既不可能检验它们是否存在，也不可能利用它们。它们是否存在，也不可能利用它们。1.5结语物理学研究自然界的方法，无论是物理学研究自然界的方法，无论是古典还是现代的，始终透露着这样古典还是现代的，始终透露着这样一个信息：用实验去检验。这是物一个信息：用实验去检验。这是物理学作为一门自然科学所必须时刻理学作为一门自然科学所必须时刻铭记的。能为可实现的实验证伪的铭记的。能为可实现的实验证伪的理论才是有意义的；同样，能为实理论才是有意义的；同样，能为实验测量的自然才是可信的，有价值验测量的自然才是可信的，有价值的。的。