科學創造的表征

〔摘要〕 科學的靈魂在于創造。科學的創造及其表征是與語言和邏輯密切相關的。語言的形成先于邏輯，邏輯的產生早于科學的發生。科學史表明，近代科學是基于語言和邏輯而產生的。技術不同于科學，科學在于發現，技術在于發明，在創造性方面也有所不同。基于基本粒子發現的案例分析表明：創造性是科學家運用語言和邏輯加上已有科學知識，通過記憶、想象和綜合分析來凸顯的；原始性創造既需要豐富的想象、強烈的動機和新技術的支撐。

〔關鍵詞〕 科學創造，表征，語言，邏輯，想象

〔中圖分類號〕N34 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1004-4175（2014）01-0031-05

〔收稿日期〕 2013-11-16

〔基金項目〕 國家社會科學基金項目（12BZX018），負責人魏屹東。

〔作者簡介〕 魏屹東（1958-），男，山西永濟人，山西大學科學技術哲學研究中心、山西大學哲學社會學學院教授、博士生導師，主要研究方向為認知哲學。

今日之世界，可以說是科學技術化的世界，人們的生活、工作和學習的方方面面，社會經濟發展的方方面面，都與科學技術密切相關。根本原因在于科學技術具有創造性（包括發明與發現）的特質。科學創造性是人類特有的。科學發展史表明：在創造過程中，人類無疑會使用語言和邏輯，會運用記憶和想象。那么，什么是創造性，其范圍是什么？語言和邏輯在其中起什么作用？科學與技術在創造性方面有什么區別，二者如何互動？如何進行科學創造，如何對其表征？這些問題無疑是格外重要的，它們也正是本文要著力探討的。

一、創造性的范圍與表征

就人類的生存范圍而言，人類生活在兩個世界：一個是固有世界或者實在世界，也就是經驗領域；另一個是超驗世界，也就是形而上的精神領域。前者的表現形式主要是世俗社會或者人們的常識世界；后者的表現形式主要是宗教，還可以加上形而上學哲學。

對科學來說，其研究對象決定了它主要存在于固有世界或實在世界范圍，也就是說，科學的研究對象是實在世界的各個方面，比如物理的、生物的、化學的，等等。人類發展史和科學發展史表明：經驗的實在性以三個支柱——語言、邏輯和科學為基礎 〔1 〕 （P3 ）。沒有人能夠準確知道促進人類交流的語言何時出現，距今最少應該有十萬年；人類文化的第一個書寫記錄大約出現在距今一萬年前，這是集體記憶的開端；邏輯距今約2500年，由艾皮門尼德（Epimenide）提出，而科學的出現距今不過400多年，由伽利略開始。可見，語言的出現最早，邏輯和科學是基于語言的。沒有語言，也就談不上邏輯和科學。在這個意義上，語言具有優先性，沒有語言，我們就無法進行表征和交流，更談不上科學的發展了。

反過來說，科學不能先于邏輯產生，邏輯不能先于書面語言形成，書面語言也不能先于口語而產生，而口語的形成肯定經歷了一個漫長的肢體語言過程。這充分說明，科學的產生離不開語言和邏輯，科學作為人類的主要認知方式，表明認知的發展與語言密切相關。假如沒有語言，就不會有科學，因為我們無法表征科學。

當然，在日常生活中，當我們說“語言”時，事實上，我們很少使用邏輯，科學在其中也不起任何作用。對我們人類來說，語言就意味著文學、音樂、藝術、經濟、政治等，這些學科在沒有發現邏輯和科學之前業已存在。也就是說，表征語言的文學、音樂、藝術、經濟、政治等比邏輯和科學的出現要早得多，它們是邏輯和科學形成的基礎。在這個意義上，科學的創造性與這些看似無關的學科有著千絲萬縷的聯系，只是我們沒有意識到而已。因此，我們可以說，文學、音樂、藝術、經濟、政治等是邏輯和科學的基礎。

意大利物理學家茲奇奇（A.Zichichi）認為，存在范圍由創造性（creativity）、支配（leadership）、創新支配（innovative leadership）和動機（motivation）來描述。創造是指產生以前從來不知道或者沒有被看見或被觀察到事物的能力。支配是指激發和激勵人們的能力。創新支配是激發和激勵人們做出創造行為的能力。動機是達到目標的動力 〔1 〕 （P4 ）。在他看來，在人類活動的經驗范圍，語言、邏輯和科學都需要創造性、支配和動機，其中創造性是最難的。也就是說，在人類活動中，創造性普遍存在于語言、邏輯和科學中。正因為創造性最難，所以在語言、邏輯和科學的產生過程中，創造性就成為人類認知活動的核心。

在語言中，創造性是通過審美學、公共訴求、成功等表征的，人們常說的“滿足具體的形式審美標準”，“具有社會價值”，“漂亮”等，就是創造性的具體體現，它們強化了創造性的必要性。創造性相應地把藝術、音樂、文學的新形式變為現實，反過來，藝術、音樂、文學也成為創造性的表現形式。

在邏輯中，創造性僅有一個表征方式，那就是“無矛盾”。導致自我矛盾的邏輯結構不能存在。也就是說，邏輯系統一定是自洽的、無矛盾的，否則的話，就不成其為邏輯，邏輯本身就意味著“前后一致”。這說明創造新的邏輯結構不能自相矛盾。一個典型的例子是無限或無窮大。我們不能同時肯定一個事物既有限又無限。

在科學中，創造性也僅有一個有效表征方式——真或假。無論一個命題或理論的描述多么漂亮，科學的觀點沒有美或丑之分，只有真或假之別。因為科學的目的就是求真。當然，這并不排除科學理論在表征形式上也講究“漂亮”和“優雅”，比如數學方程的簡單美。一個科學理論不僅要求在邏輯上無矛盾，而且在實驗上也要求可重復。也即一個科學理論首先應該是邏輯結構上嚴格無矛盾的，而這一點不必然滿足科學證明的要求。有許多邏輯理論結構在自然中并沒有被發現，比如無限維的空間沒有產生任何自相矛盾。從數學的觀點看，無限維空間是存在的，但在我們生活的空間中，維度是有限的（三維空間）。對于科學而言，無限維的空間是不存在的。一個由實驗證據支持的理論是伽利略式的科學的邏輯結構。沒有實驗證據支持的理論就會被放棄。這樣，科學中的創造性就是要通過重復性的實驗發現真理。或者說，科學的任務就是發現自然的邏輯。

那么，創造性的語境又是什么呢？是什么前提條件促使了創造性的形成呢？茲奇奇認為是記憶與想象。為了避免重復犯錯誤，為了不再從零開始探討，我們需要記憶；為了設想我們從來沒有想過或見過的東西，我們需要想象。通過開發記憶和想象，創造性相應地就能夠把想象的結果變成現實。如果沒有創造性，很難設想有現在的人類的一切。換句話說，記憶是為了避免重復研究，想象是為了拓展研究范圍，比如不可觀察的微粒子或者廣闊無垠的宇宙。

這表明，記憶和想象在創造過程中起背景或語境的作用。在茲奇奇看來，記憶在語言、邏輯和科學中有相同的作用，也就是避免與先前的創造重復。語言中的想象相當于創造新詩、新音樂、新藝術等智力活動。邏輯中的想象意味著運用公理和規則創造新的數學結構。科學中的想象相當于思考一個新的原則、一個新現象和新規律，相當于設想一個新實驗。

對于一個科學家來說，記憶、想象和創造性是平衡的嗎？我們通過茲奇奇親歷的一個真實故事來說明。

物理學家范紐曼和魏格納是好朋友與合作者，他們常常討論物理和數學問題。有一次范紐曼告訴茲奇奇，說他能夠記得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現的那樣強大，只是因為他記憶得很多。魏格納是一個想象力極強的人，而魏格納的記憶力不如他強。在一次討論中，魏格納突然說已經到中午了，他必須馬上去參加一個午餐。當魏格納要離開時，范紐曼說“你那么聰明，為什么不讓時間停止呢？”緊接著又說：“對不起，太晚了，你應該讓時間倒流。”就是這么一句不經意的話啟發了魏格納，于是他開始思考基本粒子和自然的基本規律。

我們知道，一個基本粒子，無論是電子還是質子，既沒有大腦也沒有手表，它不能區別過去和將來。如果時間向一個方向或超相反方向飛逝，基本粒子間的所有基本相互作用必須是不變的。就在范紐曼邀請魏格納合作研究的三個月后，魏格納發現了著名的“時間不變性”原理，其中建立了“時間反轉算子”（Time-reversal operator）。這一原理說明，所有物理規律都應該是“時間不變性”的，比如，物理實在應該保持不變，假如我們能夠讓時間倒流。

1964年，有人發現KL介子 ①在衰減過程中打破了“時間不變性”原理。 茲奇奇做了一系列實驗來證明，在電磁相互作用中“時間不變性”是否還有效。實驗證明，電磁力遵循“時間不變性”原理。魏格納作為20世紀最偉大的物理學家之一，他創造的“時間反轉算子”的操作過程在自然邏輯中不產生任何矛盾，而且他的原理經受了重復性實驗的驗證。

這是科學創造性的一個典型例子。它表明：創造性的觀念往往源于日常生活，我們不經意間的談話與交流都有可能導致新觀點的涌現，當然，“機遇偏愛有準備的頭腦”，如果沒有對某個問題的長期思考，即使有再多的交流和對話，也不會有助于對那個問題的解決。

二、創造性在科學與技術中的差異

創造性在科學和技術中是否相同？表征方式是否有差別？接下來我們討論這個問題。

在普通人的觀念里，科學和技術沒有什么不同。其實，二者是兩個完全不同但密切相關的領域，前者在于發現，后者在于發明。比如，與魏格納同時代的著名物理學家費米發明的核消防照明就不是科學而是技術。茲奇奇認為，我們必須弄清科學與技術的區別。他把伽利略之前的技術稱為“前科學技術”，伽利略之后的技術稱為“后科學技術” 〔1 〕 （P7 ）。

前科學技術是基于試錯法產生的，不是根據基本規律的理解產生的，也就是靠的是經驗而不是理性原則。這就是為什么在前科學技術時期，沒有人確切地知道輪子和火是誰在何時發明或者發現的。但是，我們確實知道的是對于輪子和火的理解則是發現科學以后的事情。

后科學技術植根于人們對自然基本規律的深刻理解。比如，蒸汽機的發明先于熱力學規律的發現，但是由于熱力學的產生，人們才對這項技術有了深刻的理解，而且在此基礎上產生了許多技術發明。也就是說，科學是技術的思想來源，技術是科學思想的運用。科學要求我們將智力工作投入到“發現”中，技術要求我們將智力工作投入到“發明”中。因此，科學只能發現而不能發明新的自然規律。技術進步是基于一種新觀念，這種新觀念以一種新方式將不同“結構”或“部件”結合在一起，并以一種以前從來無人嘗試過的方法使用它們。這就是技術創新的含義。

需要指出的是：雖然科學與技術的關系密切，但是二者還不是一回事，技術不僅僅是科學的應用，科學發展有自己的規律，技術進步也有自己的規則。比如科學與戰爭武器的關系，不僅僅是科學與技術的關系，其中還包括政治、道德、經濟等因素。一旦我們的世界遭到核武器的毀滅，難道這僅僅是科學家或者技術專家的責任嗎？我看主要是政治家的責任，因為從決定制造武器到決定使用武器都是政治家做出的。

在茲奇奇看來，人們把后科學技術看作是科學的應用其實是一種誤解。人類通過科學發現自然規律，通過技術運用自然規律，這與科學沒有多少關系。比如，科學家發現核裂變規律，不等于制造了原子彈。人們誤把后科學技術當做技術看待。技術是一種決裂的元素，它使得我們在使用它時面臨有益于還是有害于人類和社會的選擇。比如機器人技術，如果用于替代人做危險和繁重的工作，無疑是益于人類的，如果用于戰爭則是有害的。

還有一個問題需要澄清，那就是“科學的使用”或者“應用科學”這個概念蘊涵了“科學先于技術”的意思。也就是，人類先發現自然的邏輯，然后運用這些邏輯于實踐之中，形成各種技術。科學家對科學的應用要擔負責任。這是又一種誤解，擔負責任的應該是政治團體，不是科學共同體。更糟糕的是，人們認為科學源于技術，這也是一種誤解。甚至有人說社會不需要科學家，如果他們不是為了技術進步的話。技術先于科學的觀點出于這樣的事實，即近代科學或伽利略式科學產生之前，輪子和火已經被發明，也就是說，輪子與火的發明與科學無關。

然而，對輪子與火的原理的理解則是伽利略式科學產生以后的事情。發明一種東西不必然意味著理解它為什么工作，知“其然“不一定知“其所以然”。一種科學發現相當于理解所有可能被發明的東西。比如，電磁力這一自然基本力的發現，使得我們能夠理解我們的所有感覺——視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺，它們是同一且唯一基本力的表現方式。這種力源于一種唯一實體“電荷”。當我們關掉電荷，我們的感覺就消失了。這樣，所有發明，無論是現在的還是未來的，都與感覺相聯系，即使它們還沒有真正被使用前，都能夠基于電磁力得到理解。或者說，科學有助于我們認識世界的規律，從而使得我們知其“所以然”。

反過來，一種新技術的發明，也有利于科學的發現。比如伽利略發明了望遠鏡，利用這項技術，伽利略發現月球表面不是完美的，太陽表面有黑子，這顛覆了一直認為月球和太陽是完美球體的傳統觀點。可以說，沒有望遠鏡的發明，就不會有現代天文學。同樣，沒有顯微鏡的發明，也就不會有現代微生物學。這說明科學與技術是相輔相成的。如果技術中不滲透自然規律，則技術也是盲目的。技術發明為科學發現添加了“飛翼”。

當然，不是所有的發現都會借助于技術。伽利略對慣性定律和相對性原理的發現就是如此。這些發現既不需要望遠鏡技術的發展，也不需要任何技術儀器，他用一塊石頭和一條栓石頭的繩子研究了石頭的擺動，借此他發現了擺定律。用一塊圓石頭和一塊木板來研究圓石頭在木板上的運動，然后變換木板角度，借此他發現了自由落體定律。根據此定律他推測，如果沒有空氣阻力，羽毛和鐵塊下落速度是相同的，由此他預見了“真空”的存在，月球表面的情形就是如此。這表明：伽利略的發現依賴的是對自然基本規律存在的信念，而不是望遠鏡技術的發明。因為石頭、繩子、木板不能算作技術，關鍵是伽利略相信，某一物質一定攜帶著宇宙創造者的印跡，其規律在時空中處處起作用。伽利略既沒有發現擺定律，也沒有發現自由落體定律，他發現的是混沌 〔1 〕 （P12 ）。毫無疑問，伽利略開啟人類智力的新視界，他的工作表明科學的任務就是發現自然的邏輯。

還有，愛因斯坦發現相對論也是如此。他曾經說，相對論的發現僅僅靠一片紙和一只鉛筆。事實上，相對論的發現主要靠他的想象力，他之所以那樣說，那是在工具使用的意義上而言的。沒有紙和筆，愛因斯坦照樣會發現相對論的。只不過他會使用別的什么東西，比如黑板和粉筆。這進一步說明：科學的發現，特別是抽象層次上的原理和理論的發現，不一定要借助于技術。

三、創新思路與新觀點的表征

科學已經告訴我們關于世界的幾乎所有方面。現在讓我們超越現存世界，進入一個超世界視域。這是科學創新的一種新思路。比如，如果有光，一定有超光存在；如果有電子，一定有超電子；如果有物質，一定有超物質（反物質）；如果有恒星，一定有超恒星。如果這些東西存在，我們為什么沒有觀察到它們呢？這就需要科學的創造性發揮作用。

我們知道，原創工作是非常艱難和非常復雜的事情。茲奇奇認為，首先我們需要豐富的想象。想象豐富不意味著觀點越多越好，觀點多反而可能適得其反。你必須集中于一個新觀點，此新觀點你認為是最具原創性的。然后你必須考慮這個新觀點的所有可能結果。在這些結果中，如果有實驗證據或數學的嚴格證明與你的新觀點相矛盾，你必須發現或理解其中的緣由。如果你不能消除這個矛盾，那么你以為是新觀點可能被其他人想到但是已被放棄，因為其他人已經發現了其中的矛盾。此時，你必須格外小心，你能夠克服這個矛盾的情形可能發生，如果你比其他人更能夠理解其困難所在。你不要限制自己簡單地讀其他人的論著，你要做的是你必須理解所有細節。這是創造性的關鍵所在，其中，理解發揮著重要作用。

而理解是一種認知和智力過程，它由兩個基本要素構成 〔1 〕 （P17 ）。

第一，是你意識到而不是他人。為什么這么說呢？你盡可能深刻地研究和理解你一直思考的新東西的意義。這可能是一個新概念、一個新觀點、一個新實驗。接著你盡力想象所有可能的結果。這可能花費一天、一周、數月甚至一年。經過廢寢忘食的不斷思考，有時一籌莫展，突然豁然開朗，找出出路。

第二，有強烈的動機。創新是一個極其艱難和痛苦的過程，其中有許多困難需要克服，克服困難就要有強烈的動機。因為你需要將一個新觀念變成真且具體的東西。動機因研究的目標而異，這取決于你的新觀念所涉及的問題與自然的邏輯關系，比如純科學，或技術創新形成新實驗等。

接下來，我將通過茲奇奇親歷的三個新觀念和技術創新結合的研究工作來分析科學的創造過程。

第一，填隙技術（shimming）與高精密磁場的產生。使用非常薄的鐵片產生多種形式的高精密磁場的觀念是茲奇奇經歷數周苦思冥想想到的。這是一個既省時又省錢的技術。因為如果不是這樣，每一項實驗都將花費大量時間、物力和財力。比如機械形成一個磁極就需要一個月，一個多項磁場需要至少6個月，產生第一個高精密磁場這項工程至少需要三年時間。如果運用他的新觀點，僅需要一天時間而且幾乎無需花錢。假如茲奇奇沒有這個新想法，產生高精密磁場的實驗也就不能實現。當然有了新觀念還不夠，還需要克服許多技術困難設計新實驗來實現新觀念。

在茲奇奇的實驗中，材料很普通，在市場很容易買到，但由于觀念是新的，實驗自然就與以往的不同。事實上，最偉大的創造力在于，當新觀念需要實現時，相應的新實驗也非常簡單。為什么說如果實現一個創新觀念的實驗非常簡單時這個創新就是一個原始創新呢？因為在此之前沒有人產生使用這個簡單辦法的觀點。

我們知道，伽利略科學是從兩個非常簡單的技術創新開始的。一個是擺，另一個是斜面板。擺由一塊石頭加一根繩子構成。這兩件東西是世界上最普通不過的，但是沒有人想到用繩子拴住石頭，然后研究其運動。伽利略僅使用一塊石頭和一根繩子，就成功地準確測量了引力的加速度。擺和斜面板就是伽利略的兩個技術創新，使用它們他發現了自然邏輯的第一個要素——科學。

發明填隙技術產生高精密磁場是茲奇奇進入歐洲粒子物理研究所開展的第一項創新性研究工作。根據他的設想，實驗室制造了“扁磁鐵”也叫6米（g-2）磁鐵。它是當時世界上最大的磁鐵，它能夠進行介子這種基本粒子的所謂“異常磁時刻”（anomalous magnetic moment）的第一次高精密測量。這個實驗表明，介子是一種與電子同一的粒子，但介子的質量卻是電子的200倍。為什么介子比電子重200倍，但其屬性幾乎與電子相同呢？或者說，如果使用電子得到相同結果，為什么自然還給介子200倍的質量呢？

為了理解這個問題，我們需要測量一個基本量——介子的“異常磁時刻”。為了得到這個精確的量，我們需要建立一個非常大的磁鐵，它具有高精密的磁場和多種形式。這項實驗以前從未做過，因為沒有人知道如何建造如此復雜和精密的磁場。

第二，預簇射（pre-shower）與新粒子的發現。在茲奇奇60多歲時，他有了尋找一種比介子重的新粒子的想法。在已經觀察到的粒子序列中，第一是電子，第二是介子。尋找第三種輕粒子②不是一件容易的工作，這需要一種新的創新技術，它能夠把電子與其他核粒子區別開來。這種新技術就是預簇射技術，它能夠使歐洲粒子物理研究所的科學家做一系列的實驗，以識別第三種輕粒子的最佳產生過程，以及尋找它的最佳方法。預簇射技術使得一種被稱為J-粒子的新粒子的發現成為可能。J-粒子的發現非常重要，它是人們熟知的“11月革命”，因為它的發現發生在1974年11月。預簇射技術現在已經被用于所有實驗，在這些實驗中，你想選擇“電子”并確定它不是由一個標準核粒子（介子）模擬的信號。

第三，飛逝時間與核反物質。狄拉克預測的反粒子如反電子、反質子、反中子等已經被發現，它們被稱為核反物質。對于反物質的研究進展怎樣呢 困難有兩點：一是實驗室中產生的反物質非常少；二是一旦產生了反物質，需要確定它的確具有正質量和恰當的性質。技術上的困難在于測量時間間隔，即飛逝時間（time of flight）。茲奇奇發明了一個簡單的儀器——閃爍計數器，它的制造思路是：一旦反粒子產生，（光）信號穿行并到達檢測器（四個光電管構成）所花費的時間，必須獨立于撞擊點，而且電子連接必須引導最小時間量程。這一新的實驗儀器能夠讓茲奇奇測量同一反粒子通過兩個檢測器的時間間隔，檢測結果的精度是前所未有的，達到一百兆秒 。這一發明導致茲奇奇發現了第一個核反粒子。

這三個例子說明：一個新想法的實現或者表征需要一項新技術的支持。新想法不能僅僅停留在大腦中，我們必須想方設法實現它或者表征它。實現或者表征是需要借助技術手段的。在當代科學研究中，新觀念與新技術的結合已經成為一種不二選擇。

四、結束語

創造對于一個民族或國家的生存和發展來說，無論怎樣強調都不會過分。今日的中國要實現富民強國的“中國夢”，就更需要強調和注重創造。純語言、純邏輯和純科學是我們經驗世界的三個支柱，它們構成了創造的語境。在這個語境基底上，人類充分發揮想象和有目的的動機的內在心理作用，認識世界并改造世界。在語言、邏輯和科學的運用中，創造性既能夠造福人類也能夠禍害人類，這就要看人類自己的選擇了。創造性在這些智力活動中的運用必須受到人類存在的超驗價值的制約，這就是人類生存的終極關懷問題。我們只有把超驗范圍與經驗范圍緊密結合起來，才能運用語言、邏輯和科學這些工具認識并改造世界，也只有持正確的價值觀才能很好地利用科學的創造性造福人類。

注 釋：

①一種長壽K-介子。

②電子和介子叫做輕粒子，以便把它們的性質與夸克的性質區別開來。事實上，物質由夸克和輕粒子構成。

參考文獻：

〔1〕Antonino Zichichi. Creativity in Science. Singapore： World Scientific publishing Co〔M〕.pte.Ltd. 1999.

〔2〕魏屹東.廣義語境中的科學〔M〕.北京：科學出版社，2004.

〔3〕魏屹東，語境論與科學哲學的重建〔M〕.北京：北京師范大學出版社，2012.

責任編輯 蘇玉娟