科学创造的表征

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〔摘 要 〕 科学的灵魂在于创造.科学的创造及其表征是与语言和逻辑密切相关的.语言的形成先于逻辑,逻辑的产生早于科学的发生.科学史表明,近代科学是基于语言和逻辑而产生的.技术不同于科学,科学在于发现,技术在于发明,在创造性方面也有所不同.基于基本粒子发现的案例分析表明：创造性是科学家运用语言和逻辑加上已有科学知识,通过记忆、想象和综合分析来凸显的；原始性创造既需要丰富的想象、强烈的动机和新技术的支撑.

〔关 键 词 〕 科学创造,表征,语言,逻辑,想象

〔中图分类号〕N34 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1004-4175（2014）01-0031-05

〔收稿日期〕 2013-11-16

〔基金项目〕 国家社会科学基金项目（12BZX018）,负责人魏屹东.

〔作者简介〕 魏屹东（1958-）,男,山西永济人,山西大学科学技术哲学研究中心、山西大学哲学社会学学院教授、博士生导师,主要研究方向为认知哲学.

今日之世界,可以说是科学技术化的世界,人们的生活、工作和学习的方方面面,社会经济发展的方方面面,都与科学技术密切相关.根本原因在于科学技术具有创造性（包括发明与发现）的特质.科学创造性是人类特有的.科学发展史表明：在创造过程中,人类无疑会使用语言和逻辑,会运用记忆和想象.那么,什么是创造性,其范围是什么?语言和逻辑在其中起什么作用?科学与技术在创造性方面有什么区别,二者如何互动?如何进行科学创造,如何对其表征?这些问题无疑是格外重要的,它们也正是本文要着力探讨的.

一、创造性的范围与表征

就人类的生存范围而言,人类生活在两个世界：一个是固有世界或者实在世界,也就是经验领域；另一个是超验世界,也就是形而上的精神领域.前者的表现形式主要是世俗社会或者人们的常识世界；后者的表现形式主要是宗教,还可以加上形而上学哲学.

对科学来说,其研究对象决定了它主要存在于固有世界或实在世界范围,也就是说,科学的研究对象是实在世界的各个方面,比如物理的、生物的、化学的,等等.人类发展史和科学发展史表明：经验的实在性以三个支柱——语言、逻辑和科学为基础 〔1 〕 （P3 ）.没有人能够准确知道促进人类交流的语言何时出现,距今最少应该有十万年；人类文化的第一个书写记录大约出现在距今一万年前,这是集体记忆的开端；逻辑距今约2500年,由艾皮门尼德（Epimenide）提出,而科学的出现距今不过400多年,由伽利略开始.可见,语言的出现最早,逻辑和科学是基于语言的.没有语言,也就谈不上逻辑和科学.在这个意义上,语言具有优先性,没有语言,我们就无法进行表征和交流,更谈不上科学的发展了.

反过来说,科学不能先于逻辑产生,逻辑不能先于书面语言形成,书面语言也不能先于口语而产生,而口语的形成肯定经历了一个漫长的肢体语言过程.这充分说明,科学的产生离不开语言和逻辑,科学作为人类的主要认知方式,表明认知的发展与语言密切相关.假如没有语言,就不会有科学,因为我们无法表征科学.

当然,在日常生活中,当我们说“语言”时,事实上,我们很少使用逻辑,科学在其中也不起任何作用.对我们人类来说,语言就意味着文学、音乐、艺术、经济、政治等,这些学科在没有发现逻辑和科学之前业已存在.也就是说,表征语言的文学、音乐、艺术、经济、政治等比逻辑和科学的出现要早得多,它们是逻辑和科学形成的基础.在这个意义上,科学的创造性与这些看似无关的学科有着千丝万缕的联系,只是我们没有意识到而已.因此,我们可以说,文学、音乐、艺术、经济、政治等是逻辑和科学的基础.

意大利物理学家兹奇奇（A.Zichichi）认为,存在范围由创造性（creativity）、支配（leadership）、创新支配（innovative leadership）和动机（motivation）来描述.创造是指产生以前从来不知道或者没有被看见或被观察到事物的能力.支配是指激发和激励人们的能力.创新支配是激发和激励人们做出创造行为的能力.动机是达到目标的动力 〔1 〕 （P4 ）.在他看来,在人类活动的经验范围,语言、逻辑和科学都需要创造性、支配和动机,其中创造性是最难的.也就是说,在人类活动中,创造性普遍存在于语言、逻辑和科学中.正因为创造性最难,所以在语言、逻辑和科学的产生过程中,创造性就成为人类认知活动的核心.

在语言中,创造性是通过审美学、公共诉求、成功等表征的,人们常说的“满足具体的形式审美标准”,“具有社会价值”,“漂亮”等,就是创造性的具体体现,它们强化了创造性的必要性.创造性相应地把艺术、音乐、文学的新形式变为现实,反过来,艺术、音乐、文学也成为创造性的表现形式.

在逻辑中,创造性仅有一个表征方式,那就是“无矛盾”.导致自我矛盾的逻辑结构不能存在.也就是说,逻辑系统一定是自洽的、无矛盾的,否则的话,就不成其为逻辑,逻辑本身就意味着“前后一致”.这说明创造新的逻辑结构不能自相矛盾.一个典型的例子是无限或无穷大.我们不能同时肯定一个事物既有限又无限.

在科学中,创造性也仅有一个有效表征方式——真或假.无论一个命题或理论的描述多么漂亮,科学的观点没有美或丑之分,只有真或假之别.因为科学的目的就是求真.当然,这并不排除科学理论在表征形式上也讲究“漂亮”和“优雅”,比如数学方程的简单美.一个科学理论不仅要求在逻辑上无矛盾,而且在实验上也要求可重复.也即一个科学理论首先应该是逻辑结构上严格无矛盾的,而这一点不必然满足科学证明的要求.有许多逻辑理论结构在自然中并没有被发现,比如无限维的空间没有产生任何自相矛盾.从数学的观点看,无限维空间是存在的,但在我们生活的空间中,维度是有限的（三维空间）.对于科学而言,无限维的空间是不存在的.一个由实验证据支持的理论是伽利略式的科学的逻辑结构.没有实验证据支持的理论就会被放弃.这样,科学中的创造性就是要通过重复性的实验发现真理.或者说,科学的任务就是发现自然的逻辑. 那么,创造性的语境又是什么呢?是什么前提条件促使了创造性的形成呢?兹奇奇认为是记忆与想象.为了避免重复犯错误,为了不再从零开始探讨,我们需要记忆；为了设想我们从来没有想过或见过的东西,我们需要想象.通过开发记忆和想象,创造性相应地就能够把想象的结果变成现实.如果没有创造性,很难设想有现在的人类的一切.换句话说,记忆是为了避免重复研究,想象是为了拓展研究范围,比如不可观察的微粒子或者广阔无垠的宇宙.

这表明,记忆和想象在创造过程中起背景或语境的作用.在兹奇奇看来,记忆在语言、逻辑和科学中有相同的作用,也就是避免与先前的创造重复.语言中的想象相当于创造新诗、新音乐、新艺术等智力活动.逻辑中的想象意味着运用公理和规则创造新的数学结构.科学中的想象相当于思考一个新的原则、一个新现象和新规律,相当于设想一个新实验.

对于一个科学家来说,记忆、想象和创造性是平衡的吗?我们通过兹奇奇亲历的一个真实故事来说明.

物理学家范纽曼和魏格纳是好朋友与合作者,他们常常讨论物理和数学问题.有一次范纽曼告诉兹奇奇,说他能够记得1933年6月25日喝了多少咖啡,并相信他的想象力并非他所表现的那样强大,只是因为他记忆得很多.魏格纳是一个想象力极强的人,而魏格纳的记忆力不如他强.在一次讨论中,魏格纳突然说已经到中午了,他必须马上去参加一个午餐.当魏格纳要离开时,范纽曼说“你那么聪明,为什么不让时间停止呢?”紧接着又说：“对不起,太晚了,你应该让时间倒流.”就是这么一句不经意的话启发了魏格纳,于是他开始思考基本粒子和自然的基本规律.

我们知道,一个基本粒子,无论是电子还是质子,既没有大脑也没有手表,它不能区别过去和将来.如果时间向一个方向或超相反方向飞逝,基本粒子间的所有基本相互作用必须是不变的.就在范纽曼邀请魏格纳合作研究的三个月后,魏格纳发现了著名的“时间不变性”原理,其中建立了“时间反转算子”（Time-reversal operator）.这一原理说明,所有物理规律都应该是“时间不变性”的,比如,物理实在应该保持不变,假如我们能够让时间倒流.

1964年,有人发现KL介子 ①在衰减过程中打破了“时间不变性”原理. 兹奇奇做了一系列实验来证明,在电磁相互作用中“时间不变性”是否还有效.实验证明,电磁力遵循“时间不变性”原理.魏格纳作为20世纪最伟大的物理学家之一,他创造的“时间反转算子”的操作过程在自然逻辑中不产生任何矛盾,而且他的原理经受了重复性实验的验证.

这是科学创造性的一个典型例子.它表明：创造性的观念往往源于日常生活,我们不经意间的谈话与交流都有可能导致新观点的涌现,当然,“机遇偏爱有准备的头脑”,如果没有对某个问题的长期思考,即使有再多的交流和对话,也不会有助于对那个问题的解决.

二、创造性在科学与技术中的差异

创造性在科学和技术中是否相同?表征方式是否有差别?接下来我们讨论这个问题.

在普通人的观念里,科学和技术没有什么不同.其实,二者是两个完全不同但密切相关的领域,前者在于发现,后者在于发明.比如,与魏格纳同时代的著名物理学家费米发明的核消防照明就不是科学而是技术.兹奇奇认为,我们必须弄清科学与技术的区别.他把伽利略之前的技术称为“前科学技术”,伽利略之后的技术称为“后科学技术” 〔1 〕 （P7 ）.

前科学技术是基于试错法产生的,不是根据基本规律的理解产生的,也就是靠的是经验而不是理性原则.这就是为什么在前科学技术时期,没有人确切地知道轮子和火是谁在何时发明或者发现的.但是,我们确实知道的是对于轮子和火的理解则是发现科学以后的事情.

后科学技术植根于人们对自然基本规律的深刻理解.比如,蒸汽机的发明先于热力学规律的发现,但是由于热力学的产生,人们才对这项技术有了深刻的理解,而且在此基础上产生了许多技术发明.也就是说,科学是技术的思想来源,技术是科学思想的运用.科学要求我们将智力工作投入到“发现”中,技术要求我们将智力工作投入到“发明”中.因此,科学只能发现而不能发明新的自然规律.技术进步是基于一种新观念,这种新观念以一种新方式将不同“结构”或“部件”结合在一起,并以一种以前从来无人尝试过的方法使用它们.这就是技术创新的含义.

需要指出的是：虽然科学与技术的关系密切,但是二者还不是一回事,技术不仅仅是科学的应用,科学发展有自己的规律,技术进步也有自己的规则.比如科学与战争武器的关系,不仅仅是科学与技术的关系,其中还包括政治、道德、经济等因素.一旦我们的世界遭到的毁灭,难道这仅仅是科学家或者技术专家的责任吗?我看主要是政治家的责任,因为从决造武器到决定使用武器都是政治家做出的.

在兹奇奇看来,人们把后科学技术看作是科学的应用其实是一种误解.人类通过科学发现自然规律,通过技术运用自然规律,这与科学没有多少关系.比如,科学家发现核裂变规律,不等于制造了.人们误把后科学技术当做技术看待.技术是一种决裂的元素,它使得我们在使用它时面临有益于还是有害于人类和社会的选择.比如机器人技术,如果用于替代人做危险和繁重的工作,无疑是益于人类的,如果用于战争则是有害的.

还有一个问题需要澄清,那就是“科学的使用”或者“应用科学”这个概念蕴涵了“科学先于技术”的意思.也就是,人类先发现自然的逻辑,然后运用这些逻辑于实践之中,形成各种技术.科学家对科学的应用要担负责任.这是又一种误解,担负责任的应该是政治团体,不是科学共同体.更糟糕的是,人们认为科学源于技术,这也是一种误解.甚至有人说社会不需要科学家,如果他们不是为了技术进步的话.技术先于科学的观点出于这样的事实,即近代科学或伽利略式科学产生之前,轮子和火已经被发明,也就是说,轮子与火的发明与科学无关.

然而,对轮子与火的原理的理解则是伽利略式科学产生以后的事情.发明一种东西不必然意味着理解它为什么工作,知“其然“不一定知“其所以然”.一种科学发现相当于理解所有可能被发明的东西.比如,电磁力这一自然基本力的发现,使得我们能够理解我们的所有感觉——视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉,它们是同一且唯一基本力的表现方式.这种力源于一种唯一实体“电荷”.当我们关掉电荷,我们的感觉就消失了.这样,所有发明,无论是现在的还是未来的,都与感觉相联系,即使它们还没有真正被使用前,都能够基于电磁力得到理解.或者说,科学有助于我们认识世界的规律,从而使得我们知其“所以然”. 反过来,一种新技术的发明,也有利于科学的发现.比如伽利略发明了望远镜,利用这项技术,伽利略发现月球表面不是完美的,太阳表面有黑子,这颠覆了一直认为月球和太阳是完美球体的传统观点.可以说,没有望远镜的发明,就不会有现代天文学.同样,没有显微镜的发明,也就不会有现代微生物学.这说明科学与技术是相辅相成的.如果技术中不渗透自然规律,则技术也是盲目的.技术发明为科学发现添加了“飞翼”.

当然,不是所有的发现都会借助于技术.伽利略对惯性定律和相对性原理的发现就是如此.这些发现既不需要望远镜技术的发展,也不需要任何技术仪器,他用一块石头和一条栓石头的绳子研究了石头的摆动,借此他发现了摆定律.用一块圆石头和一块木板来研究圆石头在木板上的运动,然后变换木板角度,借

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还有,爱因斯坦发现相对论也是如此.他曾经说,相对论的发现仅仅靠一片纸和一只铅笔.事实上,相对论的发现主要靠他的想象力,他之所以那样说,那是在工具使用的意义上而言的.没有纸和笔,爱因斯坦照样会发现相对论的.只不过他会使用别的什么东西,比如黑板和粉笔.这进一步说明：科学的发现,特别是抽象层次上的原理和理论的发现,不一定要借助于技术.

三、创新思路与新观点的表征

科学已经告诉我们关于世界的几乎所有方面.现在让我们超越现存世界,进入一个超世界视域.这是科学创新的一种新思路.比如,如果有光,一定有超光存在；如果有电子,一定有超电子；如果有物质,一定有超物质（反物质）；如果有恒星,一定有超恒星.如果这些东西存在,我们为什么没有观察到它们呢?这就需要科学的创造性发挥作用.

我们知道,原创工作是非常艰难和非常复杂的事情.兹奇奇认为,首先我们需要丰富的想象.想象丰富不意味着观点越多越好,观点多反而可能适得其反.你必须集中于一个新观点,此新观点你认为是最具原创性的.然后你必须考虑这个新观点的所有可能结果.在这些结果中,如果有实验证据或数学的严格证明与你的新观点相矛盾,你必须发现或理解其中的缘由.如果你不能消除这个矛盾,那么你以为是新观点可能被其他人想到但是已被放弃,因为其他人已经发现了其中的矛盾.此时,你必须格外小心,你能够克服这个矛盾的情形可能发生,如果你比其他人更能够理解其困难所在.你不要限制自己简单地读其他人的论著,你要做的是你必须理解所有细节.这是创造性的关键所在,其中,理解发挥着重要作用.

而理解是一种认知和智力过程,它由两个基本要素构成 〔1 〕 （P17 ）.

第一,是你意识到而不是他人.为什么这么说呢?你尽可能深刻地研究和理解你一直思考的新东西的意义.这可能是一个新概念、一个新观点、一个新实验.接着你尽力想象所有可能的结果.这可能花费一天、一周、数月甚至一年.经过废寝忘食的不断思考,有时一筹莫展,突然豁然开朗,找出出路.

第二,有强烈的动机.创新是一个极其艰难和痛苦的过程,其中有许多困难需要克服,克服困难就要有强烈的动机.因为你需要将一个新观念变成真且具体的东西.动机因研究的目标而异,这取决于你的新观念所涉及的问题与自然的逻辑关系,比如纯科学,或技术创新形成新实验等.

接下来,我将通过兹奇奇亲历的三个新观念和技术创新结合的研究工作来分析科学的创造过程.

第一,填隙技术（shimming）与高精密磁场的产生.使用非常薄的铁片产生多种形式的高精密磁场的观念是兹奇奇经历数周苦思冥想想到的.这是一个既省时又省钱的技术.因为如果不是这样,每一项实验都将花费大量时间、物力和财力.比如机械形成一个磁极就需要一个月,一个多项磁场需要至少6个月,产生第一个高精密磁场这项工程至少需要三年时间.如果运用他的新观点,仅需要一天时间而且几乎无需花钱.假如兹奇奇没有这个新想法,产生高精密磁场的实验也就不能实现.当然有了新观念还不够,还需要克服许多技术困难设计新实验来实现新观念.

在兹奇奇的实验中,材料很普通,在市场很容易买到,但由于观念是新的,实验自然就与以往的不同.事实上,最伟大的创造力在于,当新观念需要实现时,相应的新实验也非常简单.为什么说如果实现一个创新观念的实验非常简单时这个创新就是一个原始创新呢?因为在此之前没有人产生使用这个简单办法的观点.

我们知道,伽利略科学是从两个非常简单的技术创新开始的.一个是摆,另一个是斜面板.摆由一块石头加一根绳子构成.这两件东西是世界上最普通不过的,但是没有人想到用绳子拴住石头,然后研究其运动.伽利略仅使用一块石头和一根绳子,就成功地准确测量了引力的加速度.摆和斜面板就是伽利略的两个技术创新,使用它们他发现了自然逻辑的第一个要素——科学.

发明填隙技术产生高精密磁场是兹奇奇进入欧洲粒子物理研究所开展的第一项创新性研究工作.根据他的设想,实验室制造了“扁磁铁”也叫6米（g-2）磁铁.它是当时世界上最大的磁铁,它能够进行介子这种基本粒子的所谓“异常磁时刻”（anomalous magic moment）的第一次高精密测量.这个实验表明,介子是一种与电子同一的粒子,但介子的质量却是电子的200倍.为什么介子比电子重200倍,但其属性几乎与电子相同呢?或者说,如果使用电子得到相同结果,为什么自然还给介子200倍的质量呢?

为了理解这个问题,我们需要测量一个基本量——介子的“异常磁时刻”.为了得到这个精确的量,我们需要建立一个非常大的磁铁,它具有高精密的磁场和多种形式.这项实验以前从未做过,因为没有人知道如何建造如此复杂和精密的磁场. 第二,预簇射（pre-shower）与新粒子的发现.在兹奇奇60多岁时,他有了寻找一种比介子重的新粒子的想法.在已经观察到的粒子序列中,第一是电子,第二是介子.寻找第三种轻粒子②不是一件容易的工作,这需要一种新的创新技术,它能够把电子与其他核粒子区别开来.这种新技术就是预簇射技术,它能够使欧洲粒子物理研究所的科学家做一系列的实验,以识别第三种轻粒子的最佳产生过程,以及寻找它的最佳方法.预簇射技术使得一种被称为J-粒子的新粒子的发现成为可能.J-粒子的发现非常重要,它是人们熟知的“11月革命”,因为它的发现发生在1974年11月.预簇射技术现在已经被用于所有实验,在这些实验中,你想选择“电子”并确定它不是由一个标准核粒子（介子）模拟的信号.

第三,飞逝时间与核反物质.狄拉克预测的反粒子如反电子、反质子、反中子等已经被发现,它们被称为核反物质.对于反物质的研究进展怎样呢 困难有两点：一是实验室中产生的反物质非常少；二是一旦产生了反物质,需要确定它的确具有正质量和恰当的性质.技术上的困难在于测量时间间隔,即飞逝时间（time of flight）.兹奇奇发明了一个简单的仪器——闪烁计数器,它的制造思路是：一旦反粒子产生,（光）信号穿行并到达检测器（四个光电管构成）所花费的时间,必须独立于撞击点,而且电子连接必须引导最小时间量程.这一新的实验仪器能够让兹奇奇测量同一反粒子通过两个检测器的时间间隔,检测结果的精度是前所未有的,达到一百兆秒 .这一发明导致兹奇奇发现了第一个核反粒子.

这三个例子说明：一个新想法的实现或者表征需要一项新技术的支持.新想法不能仅仅停留在大脑中,我们必须想方设法实现它或者表征它.实现或者表征是需要借助技术手段的.在当代科学研究中,新观念与新技术的结合已经成为一种不二选择.

四、结束语

创造对于一个民族或国家的生存和发展来说,无论怎样强调都不会过分.今日的中国要实现富民强国的“中国梦”,就更需要强调和注重创造.纯语言、纯逻辑和纯科学是我们经验世界的三个支柱,它们构成了创造的语境.在这个语境基底上,人类充分发挥想象和有目的的动机的内在心理作用,认识世界并改造世界.在语言、逻辑和科学的运用中,创造性既能够造福人类也能够祸害人类,这就要看人类自己的选择了.创造性在这些智力活动中的运用必须受到人类存在的超验价值的制约,这就是人类生存的终极关怀问题.我们只有把超验范围与经验范围紧密结合起来,才能运用语言、逻辑和科学这些工具认识并改造世界,也只有持正确的价值观才能很好地利用科学的创造性造福人类.

注 释：

①一种长寿K-介子.

②电子和介子叫做轻粒子,以便把它们的性质与夸克的性质区别开来.事实上,物质由夸克和轻粒子构成.