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當代科學哲學的新發展

2020/1/30 — 14:06

資料圖片,圖片來源:CDC @ unsplash

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『人豬嵌合體』胚胎爭議中誕生,科學家:絕不會造出『豬八戒』」、「全球首例『基因編輯』嬰兒在中國出現,引發科學界擔憂」、「昆蟲驚人快速滅種,恐龍消失以來最大規模滅絕」、「全球暖化確實是人類造成的或者只是個大騙局?」、「上帝粒子里程碑再現,科學家證實找到希格斯玻色子衰變為底夸克」…… 我們經常都會看到類似上述科學新聞標題,讀來令人震撼、甚至觸目驚心。有些新聞涉及的科學對象似乎與生活相距遙遠(例如「上帝粒子」),有些則切身相關(例如「基因編輯嬰兒」)。不管如何,科學已無所不在,而且深深左右人類的命運。

如何瞭解科學?

如果科學變成人類命運的一部分,瞭解科學似乎就成為每個人的責任。瞭解科學有兩種基本方式:第一、投身科學,變成科學家;第二、探討反思科學整體與科學本質。第一種方式的問題是,並非所有人都能以科學為職業,而且投身科學其實是投入一項特殊科學,例如凝態物理、分子遺傳學、大數據科學等等,變成一位「特殊科學的專家」,但這並不保證能瞭解科學整體與其本質。第二種方式就是透過「科學哲學 (philosophy of science) 」,因為瞭解科學就是這門哲學的目的,它不僅能提供一個管道讓一般公民瞭解科學,也能提供不同的觀點讓科學專家得以反思自己的行業和活動。

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科學哲學的基本問題是:科學是什麼?或者說,科學的本質是什麼?我們用「科學」一詞來譯 science (在民國初年暱稱為「賽先生」),它的拉丁字源是 “scientia” ,即「知識」之意。在西方中世紀時期,「科學」即是知識。 [1] 因此,問「科學是什麼?」似乎就等於問「知識是什麼?」。然而,常識也是知識,例如「我知道下個路口有家便利商店」。科學知識似乎與常識有很大的不同,像牛頓第二運動定律陳述「質量 m 的物體 B 受到力量 F 的作用,產生a的加速度」,是個典型的科學知識。我們好奇:它與常識有什麼基本差異,使它是科學知識而不是常識?一個差異的來源似乎是它的特徵:它來自一個科學理論,科學理論提供它「科學性」的特徵。另一個差異來源似乎是產生它的方法:它使用科學方法,科學方法讓它是科學的。從科學知識的獨特特徵和科學方法切入來追問科學的本質,就是科學哲學的基本取向。

二十世紀的科學哲學

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二十世紀早期的邏輯實證論主張,科學理論的科學性是它獨特的邏輯結構:理論是一組命題,設定一些假設,用來說明或解釋 (explain) 自然現象或預測 (predict) 未來可能發生的事件。其中,說明和預測都是邏輯演繹 (deduction)。進而我們用來判斷假設為真的方法是:如果我們觀察自然,得到的經驗能符合理論假設的斷定,那麼理論假設就得到一次印證 (confirmation)。這被稱作「假設演繹法」。然而,一次印證不足以證實理論為真,我們必須不斷累積經驗證據,進行歸納或統計,以提高理論假設的印證程度。然而,否證論者如波柏 (Karl Popper) 主張科學性來自科學理論的「可否證性 (falsifiability)」,即能被否證的理論才有資格是科學的,波柏認為歸納再多事例也無法證實假設為真,但一次反例即足以否證一個普遍性的理論假設。因此,科學方法的邏輯只需假設演繹法即可,而且其目的在於否證而非印證理論假設。 [2]

1960 年代,孔恩 (Thomas Kuhn) 引入科學史到科學哲學的探討中,帶起一場「科學哲學革命」。 [3] 孔恩仍然企圖回答「科學是什麼?」,但是他把科學看成歷史的產物,而且經過天翻地覆(科學革命)的轉變,不只是知識的內容,甚至「科學知識是什麼?」以及「科學方法是什麼?」等等科學性的標準也有所改變。如果實際歷史上的科學家作科學的方式和邏輯實證論或否證論提議的科學性判準不同的話,難道我們要說那些科學家違反科哲的標準,所以不是科學家?在孔恩的思路下,科學歷史和科學家的實際作法與成果(方法與知識)成為檢驗科學哲學理論的經驗證據。

考察科學歷史的實際案例,分析歷史上科學家的實際方法和成果,就成為孔恩之後, 1970 到 1980 年代間科學哲學家瞭解科學的主流,我稱作「歷史取向 (historical approach) 」,它挑戰了早期主流的科學哲學。 [4] 「科學發展」、「科學變遷 (scientific change) 」(含「理論變遷」、「概念變遷」等)、「理論選擇」等等涉及科學史的議題也成為那段期間科學哲學的熱門主題。

不管是邏輯實證論、否證論或歷史取向, 1990 年代前的科學哲學家都把眼光投放在物理科學 (physical sciences) 上,分析的材料來自天文學、物理學、化學,爭論的核心案例大多是我們耳熟能詳的科學大理論如牛頓力學、光學、熱力學、電磁學、化學原子論、相對論、量子力學等等。然而這樣的偏重產生許多問題。在此僅簡單談兩點:

  1. 研究生物和生命現象的生物學,從達爾文演化論以來即大放異彩。然而,早期的科學哲學家主張應該把生物學化約 (reduce) 到物理科學上,分子生物學被認為是化約的橋樑。然而,分子生物學可以被化約到有機化學上嗎?達爾文的演化論沒有自己的理論自主性嗎?這些問題在 1970 年後,促使生物學哲學 (philosophy of biology) 興盛起來。
  2. 即使在 1960 年代,科學家已經把觸角伸向各種主題和各種領域,開發了許許多多新興科學,並在二十一世紀有爆炸性的增長。例如分子生物學、發育學、微生物學、生態學、氣候科學、複雜性科學、認知科學、神經科學、控制論與資訊科學、大資料(數據)科學等等,這些科學產生許多新型態的科學知識,使用許多新方法如模釋 (modeling)、模擬 (simulation)、資料分析 (data analysis) 等等,甚至科學家對於「實驗 (experimentation)  」的實際使用,也和早期科學哲學家的看法相當不同。

在這樣的背景下,為了要真正能瞭解科學,當代科學哲學勢必得跟上科學的進展。

當代(二十一世紀)科學哲學的新發展

隨著科學的爆炸性增長,當代科學哲學也亦步亦趨地擴張,而呈現出一幅與二十世紀科哲相當不同的風貌。在很多地方,新科學哲學修正了之前科學哲學的偏頗,而且提出了相當不同的觀點和理論,它所探討和分析的題材甚至與之前大不相同。本文鎖定三個主題(涉及四個概念)作初步介紹:模型 (models) 、實驗 (experimentation) 、因果和機制 (causation and mechanism) 。

模型

對於科學模型的分析,最早可以回溯到 1960 年代,有兩種分析取向。第一、採用邏輯取向的科學哲學家不以邏輯結構(句法關係)來理解科學理論,改而援用邏輯模型論 (model theory) 的模型概念,把科學理論理解成語意結構 (semantic structure),亦即一組表述所代表的結構,包括一群對象以及一組對象間的關係和函數 (functions) ,使用邏輯記號記為 M=<D; R, F> 。其中, D 代表對象的集合, R 代表關係的集合, F 代表函數的集合。 [5] 第二種取向把模型放在結構性類比 (analogy) 的框架下來討論,亦即,模型和被模釋的對象 (the modeled) 兩者之間是一種結構性的類比關係。科學家往往透過一個現成理論(被當成模型)來發展或建構一個新的理論以便說明新的現象。 [6]

1980 年代後,邏輯模型論的分析取向慢慢淡出,科哲對「模型」的討論脫離理論結構的框架;科學模型被視為具有獨立於理論的自主性,科學家企圖說明的現象本身也被視為要經過模型化的過程。換言之,科學家實際處理和說明的是「資料模型 (data model)」,因此傳統上的印證或否證,在模型哲學的分析之下,變成理論模型或表徵模型與資料模型之間的配合關係。 [7] 二十一世紀伊始,科哲家更加重視動態的模釋和模擬,分析科學如何建構模型去理解世界和產生知識。 [8]

這引發許多新的問題:模型與它所模釋的對象(或世界)之間的關係是什麼?模型真地能表徵現實 (reality) 嗎?模型本身是虛構的嗎?掌握模型就是擁有知識嗎?如何分析圖案模型、數學模型(擬)、電腦模擬等等特殊的科學研究工具?

實驗

二十世紀的科學哲學一般把實驗看成提供經驗證據以便用來檢驗 (test) 理論假設的手段,「檢驗理論假設」是實驗的唯一目標,重點在於證據和檢驗,亦即證據對理論假設的印證或否證的邏輯關係;至於實驗本身是什麼、有什麼結構、如何被設計、如何產生證據等等,基本上被視為科學之事,不是哲學分析的對象。

哈金 (Ian Hacking) 在 1983 年出版的《表徵與干預》(Representing and Intervening) 一書,開啟了當代「科學實驗的哲學」的新議程。哈金指出歷史上的科學實驗並不總是被用來檢驗理論,科學家也不只是被動地觀察實驗提供的經驗證據,而是設計實驗去干預對象,看看會產生什麼樣的結果。很多科學研究的現象,是由實驗室所創造出來的,它們甚至不存在於大自然之中。 [9] 

科學哲學對於科學實驗的再發現或再定位,產生了一組新問題:實驗在科學中扮演什麼樣的角色?理論和實驗的關係是什麼?理論和實驗,哪個先來?除了檢驗理論假設之外,實驗還有沒有其它功能?什麼是實驗干預?科學家又如何使用實驗來干預被研究的現象?實驗使用的工具如何影響它的功能和結果?上述問題構成「科學實驗的哲學」的核心問題,也變成當代科學哲學的重要課題。

因果與機制

二十世紀主流的因果觀念是:如果 B 類事件規律地跟隨著 A 類事件的發生而出現,那麼,時間上先發生的 A 類事件即是因, B 類事件則是果。因此,如果有一個屬於 A 類的個別事件a發生了,根據 A 類事件與 B 類事件之間的規律性,我們可以推論或預測屬於 B 類的個別事件 b 也會繼而出現。這被稱作「規律性的因果觀 (the regularity view of causation)」:兩個個別事件的因果關係只能由兩類事件的規律性來掌握。因此,科學的基本任務即是尋找大自然的基本定律 (fundamental laws) 。事實上,這正是從十八世紀後的近代物理學抽取出來的因果觀念。可是,這種因果觀念產生了不少重要的哲學議題,例如以下兩個重要的議題。

第一個議題是:因果與規律,哪個比較基本?如同上段所述,規律性的因果觀顯然主張規律比因果更基本,因果關係要從規律關係導出。然而,在很多領域中,兩事件之間的規律性(如統計相關性)並不足以導出或保證兩者有因果關係。第二個議題是:如果因果關係的推斷要依賴於規律性,那麼,有很多非物理學的科學如化學、生物學、地質學、經濟學等等,不見得能找到如同物理學般嚴格的、能表為數學公式的定律,難道它們就無法成立因果關係嗎?然而,它們比起物理學更依賴於因果觀念,規律性的因果觀能配合那些科學嗎?

針對因果,二十一世紀的科學哲學提出許多新的觀念,本文無法一一介紹,僅討論「因果力 (causal power)」和「機制」。所謂「因果力」是指存在物有其真實的性能 (capacities),造成 (cause) 事物之間的交互作用 (interaction);這些存在物、因果性能、交互作用等等的組織形成種種機制,產生了科學定律所表達的規律。 [10] 所以,因果關係比規律更基本。這結論對立於規律性的因果觀。

「機制」的觀念也被用來回應上述第二個議題。事實上,化學、生物、醫學、地質、氣候等科學家大量使用「機制」一詞(有些科學家會譯成「機轉」),通常指在某種現象底層運作、而造成此現象出現與動態演變的過程,尤其在生物醫學科學 (biomedical sciences) 中特別多,例如生理消化機制、 DNA 複製機制和蛋白質合成機制、癌症致病機制等,被用來說明消化現象、遺傳現象、癌症病程。問題是,如何為各種機制提供一個普遍性的刻畫?新機制哲學家 (the new mechanist) 定義「機制」是「一些具有特別性質的東西 (entities),在一特定結構和組織之下,產生特定活動」,把這樣的特定機制描述出來,就是為特定現象提出「機制說明 (mechanistic explanation)」,也就回答了「為什麼該現象會發生?」的問題。 [11] 此外,很多科學家作實驗的目的是在於尋找或發現機制。 [12]

結論

二十一世紀的科學哲學,不管在科學的知識論、方法論和形上學各方面,都對立於二十世紀科哲的主流觀念,甚至挑戰了一般的哲學知識論、方法論和形上學。當代科學產生的主要是「模型的知識」,模型不是命題性的信念,它既不真也不假,那麼,傳統知識論的「知識是證成真信念」的定義還能成立嗎?當代科學研究的不只是大自然的現象,還包括實驗室創造出來的(人工)現象,因此所謂「現象」也不是純感覺的或純觀察的,我們對現象的經驗也不全然是被動的。傳統經驗主義的方法論是否應該要修正了?最後,科學尋找的世界根源或最終原因可能不是所謂的基本定律,而是機制,機制比定律有更普遍的適用性。然而,機制的形上學意義是什麼?這是方興未艾的新議程。

註:

  1. 關於 “science” 的字源以及它在歷史上的演變,參看陳瑞麟 (2019) ,〈科學編史方法學〉,《華文哲學百科》。
  2. 關於二十世紀的科學哲學詳細內容,參看陳瑞麟 (2010) ,《科學哲學:理論與歷史》。台北:群學。
  3. 關於孔恩的科學哲學理論細節,參看陳瑞麟 (2018) ,〈科學革命與典範轉移〉,《華文哲學百科》。
  4. 參看戴東源 (2018) ,〈科學知識的證成及其挑戰〉,《華文哲學百科》。
  5. 參看陳瑞麟 (2004) ,《科學理論版本的結構與發展》第二章。台北:台大出版。《華文哲學百科》亦規劃「科學理論的結構」詞條。
  6. 參看陳瑞麟 (2017) ,《科學哲學:假設的推理》修訂版,第五章。台北:五南。
  7. 參看陳瑞麟 (2012) ,《認知與評價:科學理論與實驗的動力學》第一章。亦參看趙相科 (2019) ,〈經濟理論與模型〉,《華文哲學百科》。
  8. Weisberg, M. (2013), Simulation and Similarity: Using Model to Understand the World. Oxford University.
  9. 參看陳瑞麟(2012),《認知與評價》。台北:台大。
  10. 參看 Cartwright, Nancy (1989), Nature’s Capacities and Their Measurement. Oxford: Oxford University Press. Cartwright, Nancy (1999), The Dappled World: A Study of the Boundaries of Science. Cambridge: Cambridge University Press. Cartwright 以「定律機器 (nomological machines) 」一詞來表達類似「機制」的概念。參看 Chen, R.-L. (2017), Mechanisms, Capacities, and Nomological Machines. In Chao, H.-K. and Reiss, J. (eds.) Philosophy of Science in Practice: Nancy Cartwright and the Nature of Scientific Reasoning. Springer. 《華文哲學百科》亦規劃相關詞條。
  11. 參看Machamer, Peter, Lindley Darden, and Carl Craver (2000), Thinking about mechanisms. Philosophy of Science, 67 (1): 1-25. 中文參看葉筱凡 (2020) ,〈生物學中的機制〉,《華文哲學百科》,準備中。
  12. Darden and Craver (2013), In Search of Mechanisms. Chicago: University of Chicago Press. 機制與實驗發現,看 Chen, R.-L. (2013), Experimental discovery, data model, and mechanisms in biology. In Chao. H.-K. Chen, S.T. and Millstein, R. (eds.). Mechanism and Causality in Biology and Economics. Springer.

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