何謂科學思維

杜國平

(中國社會科學院大學 哲學院， 北京 102488)

理論創新和實踐探索離不開科學思維。究竟什么是科學思維，如何進行科學思維？本文擬從其與邏輯思維的關系這一視角來對此進行分析、探討。

一、科學思維之所指

科學思維在日常語言中是一個被廣泛使用的詞語。它至少存在如下兩個方面的意思：

(1)科學研究中所使用的思維方法。這是在特定領域、從事某項專業性活動思維所運用的發現的方法、探究的方法和創新的方法。

(2)按照合理的規則、規范進行思考的方法。包括思維的邏輯起點是清晰明確的、思維的過程是合乎規則的、思維的結果是合理得出的等等。它有時甚至指的就是正確的思維方法。

為了方便表述，我們將上述兩個存在諸多相關性又略有區別的不同概念稱為科學思維1和科學思維2。科學思維1通常體現為一種職業性思維習慣，如凡事都首先考慮觀點或者理論是否可證偽、過程是否可重復、結果是否可驗證等，就如從事買賣的凡事考慮是否有賺頭，從事研究的凡事考慮是否值得探究、探究是否有可行性等。而科學思維2則更多從理論性、系統性的角度來考慮如何保證思維的合理性。科學思維1側重的是現實性，科學思維2側重的是規范性。如同對于一個城市，我們可以從方位上將其分為朱雀區、玄武區、青龍區、白虎區，我們也可以從功能上將其分為餐飲區、文娛區、金融區、高教區，等等。科學思維1側重的是從思維形式上的分區，科學思維2側重的是從思維功能上的分區。某種意義上，科學思維1可以說是科學家的思維，而科學思維2是科學性的思維。科學思維1更多地是突出實然工具層面的思維，科學思維2更多地是突出應然規范層面的思維。雖然科學思維1通常也是科學思維2，但是科學思維1并非都是科學思維2。另外，科學思維2中的思維不僅包括科學研究中的正確思維，它還包括諸如數學等人類純粹抽象思維中的正確思維以及其他理性活動中的正確思維。

本文所討論的科學思維指的是科學思維2。下面，我們主要基于科學思維2從幾個不同的視角來闡明科學思維的具體內涵。

(一)從思維的能力結構看

1981年度諾貝爾醫學生理學獎獲得者美國著名心理生物學家斯佩里教授(Roger Wolcott Sperry)通過割裂腦實驗，證實了大腦不對稱性的“左右腦分工理論”。根據他的理論，右腦主要功能是形象思維，左腦的主要功能是抽象思維。具體地說，左腦的功能包括時間、邏輯記憶、語言、數學計算、排列、分類、邏輯分析等，右腦的功能包括空間、形象記憶、知覺、視覺、音樂等功能。不難看出，左腦的功能主要可以歸納為語言表達、數學計算和邏輯推理功能。

一個人的思維能力主要指的是他的抽象思維能力，因此根據斯佩里的研究結果，可以認為，思維能力的基本要素主要包括：語言的理解和表達能力、數學運算能力和邏輯推理能力。

一個沒有語言能力(例如聾啞人)或者沒有數學運算能力的人，他的邏輯思維可能是非常清晰的；但是一個沒有邏輯思維的人一定不可能有良好的語言能力和數學運算能力。因此，這三種基本能力實際上可以分為兩個層次：第一級是處于最底層的，是邏輯推理能力；第二級是以邏輯思維能力為基礎的語言的理解和表達能力、數學運算能力。

圖1 左右腦分工理論示意圖

從思維的能力結構可以看出，科學思維首先是在第一級能力層次上即邏輯思維能力層次上的科學思維，因此，作為有效思維的科學思維首先要遵守的是邏輯思維規則。在此意義上可以說，符合邏輯的思維(以下簡稱邏輯思維)是科學思維的基礎。

從思維的生物學構成看，視覺、空間、音樂等是形象思維的基本單元，時間、邏輯、計算、語言等是抽象思維的基本單元。因此，基于生物學基礎，我們可以說有視覺思維、空間思維、邏輯思維、計算思維，而沒有科學思維。科學思維不是一種基本的思維元素，它是若干基本思維元素的綜合運用，科學思維是一個基于規則的多種思維的組合，它是一種復合性思維、整體性思維。另一方面，科學思維與對思維的反思、內省的審辨式思維也不同，科學思維在不指向思維自身的通常情況下仍然是一階思維，而審辨式思維至少是二階思維。可以簡而言之，科學思維是對其他對象的思維，而審辨式思維是對思維的思維。

(二)從科學的產生因素看

科學思維2可以說自人類具有思考能力的時代以來就已經產生，經歷了一個長期發展的歷程，并從思想上促進了近代科學的產生。在此基礎上，形成了科學家團體，進而產生了科學家研究范式，形成了科學思維1。基于這一點，下文我們一般在科學思維2的意義上來展開相關探討。

科學思維2盡管并非指的是科學研究中的思維，所強調的是思維符合規則，是合理的思維、正確的思維、有效的思維。但毫無疑問的是，科學思維2也是科學研究所必須的。作為人類理性的杰出成就和人類現代文明的主要標志的近現代科學無疑是科學思維2的重要成果。因此，近現代科學的理論思維中無疑處處閃現著科學思維2的光輝。那么我們考察近現代科學由以產生的根源，特別是其中與思維有關的要素，應該可以提供探索科學思維2本質特征的若干啟發性線索。

對于近現代科學產生的原因，這當然是一個值得深入研究的問題。但是，愛因斯坦的有關論述無疑是極富啟發價值的。愛因斯坦曾經說過，西方科學的發展是以兩個偉大的成就為基礎的：古希臘哲學家發明的形式邏輯體系以及有可能找出因果關系的實驗方法[1]。這里，“古希臘哲學家發明的形式邏輯體系”主要指的是以亞里士多德三段論為代表的演繹邏輯體系，跟思維相關的就是演繹邏輯思維；“有可能找出因果關系的實驗方法”主要指的是歸納方法和類比方法等，跟思維相關的就是歸納思維和類比思維。兩者都屬于邏輯思維。因此，根據愛因斯坦的論述，近現代科學由以產生的思維方面的要素就是邏輯思維。由科學史的線索看，邏輯思維是科學思維2的關鍵要素。據此也可以說，科學思維1肇始于邏輯思維的長期作用，邏輯思維是科學思維2的核心。

(三)從探索、創新看

科學思維的一個重要功能是進行科學探索和創新，探索、創新不是空中建樓閣，不能做無米之炊，它必須有理論基礎，必須有思維工具、實驗工具和探索對象、實驗材料，等等。作為最一般的理論基礎和思維工具是什么呢？是邏輯、哲學、宗教，等等。其中，邏輯是最為基礎的。這是由邏輯的基本屬性決定的。從研究對象看，邏輯以思維的最一般的形式結構作為自己的研究對象；從研究的基本內容看，邏輯所揭示的是思維最一般、最普遍的規律。亞里士多德的邏輯著作叫《工具論》，培根的邏輯著作叫《新工具》。胸懷救亡圖存、富國利民的嚴復先生明確指出，邏輯“為一切法之法，一切學之學”[2]，“為學之道，第一步則須為玄學；玄者懸也，謂其不落邊際，理該眾事者也。玄學一名二數(1)筆者注：此處“玄學”大意指的是純粹理性之學，而非玄幻之學。“玄學一名二數”大意是“玄學”主要包括“名學”和“數學”，而“名學”主要指的是邏輯學。，自九章至微積分方維皆麗焉。人不事玄學，則無由審必然之理，而擬于無所可擬”[3]。著名學者鄧拓說：“如果一個人連一般的邏輯都不懂得，當然就很難進行正確的思維，很難對自己接觸的客觀事物進行科學的概括，更不可能進行科學的判斷和推理了。事實證明，有的人正是因為缺乏邏輯的基本訓練，常常說了許多不合邏輯的十分荒謬的話，自己還不覺得它的荒謬，甚至于還自鳴得意。也有的人因為不懂得邏輯，對于別人不合邏輯的荒謬言論，竟然也不能覺察它的荒謬，甚至于隨聲附和，人云亦云。”[4]邏輯思維不僅是探索、創新的理論起點、思想工具，也是辨識謬誤、少走彎路的警示牌。以非歐幾何的產生為例，歐幾里得幾何中的一條特征定理是三角形內角和等于180°，數學家們發現可以分別建立包含三角形內角和大于180°或者三角形內角和小于180°為定理的另外兩種非歐幾何理論。盡管這在科學史上經歷了曲折的探索歷程，但是從邏輯上看，基于邏輯進行純粹的可能性分析，不難發現，既然有三角形內角和等于180°的幾何理論，當然可以有三角形內角和不等于180°的幾何理論。由此可見，基于邏輯思維的創新比之基于面向經驗世界的創新更有效率，也更為徹底。再如，盡管當今主流的理論認為光速是運動的極限速度，但是從邏輯可能性上分析，一定還存在極限速度大于光速或者小于光速的物理理論，并且這些理論在某些未知的世界中存在其現實的模型。

二、科學思維之底線

什么是科學思維的底線？科學思維的底線就是思維必須遵守的最為基本的規則，如果違反了這些基本規則，那么其思維的結果就一定不是必然可靠的。

遵守邏輯基本規律是科學思維的底線。為什么這么說呢？簡言之，是因為違反邏輯基本規律的思維其結果一定不是必然可靠的。

邏輯基本規律通常包括同一律、不矛盾律和排中律。

遵守同一律指的是在同一思維過程中，要保持概念、判斷的自身同一性。對于同一概念不能既是A，又不是A，要求在同一時間、同一地點對某一對象的屬性要有明確的反映，即在同一思維過程中一個概念的內涵和外延必須具有確定性；對于同一判斷，不能既是p，又不是p，要求在同一思維過程中，一個判斷斷定了什么就是什么，不能更改。遵守同一律是為了保持思想的確定性[5]。違反了同一律，其思維結果一定不是必然可靠的，甚至會導致極端荒謬的結果。例如，根據同一律的要求，2只能等于2，1只能等于1。即1是1，2是2。如果我們違反同一律的要求，斷定2=1，通過簡單的推演，將導致出人意料的結果。例如，可以得出：“科學理論就是非科學理論”。其證明如下：

(1) 2=1 假設

(2) 科學理論和非科學理論是兩種理論 共識

(3) 兩種理論 = 一種理論 根據(1)

(4) 科學理論和非科學理論是一種理論 根據(2)、(3)

(5) 科學理論就是非科學理論 根據(4)

因此，遵守同一律是科學思維的底線之一。

遵守不矛盾律指的是在同一思維過程中，兩個互相否定的思想不能同真，必有一假。遵守不矛盾律是為了保持思想的一致性。就概念方面而言，遵守不矛盾律要求在同一時間、同一地點對同一對象是否具有某一屬性要有一致的斷定，不能在同一個概念中，一個對象既具有某一屬性，又不具有某一屬性。例如，有人曾經設想發明出能夠溶解任何物質的“萬能溶液”。一方面，“萬能溶液”要能溶解所有物質；另一方面，必須有盛放“萬能溶液”的器皿，這就要求“萬能溶液”不能溶解盛放它的器皿。所以，“萬能溶液”就是一個違反不矛盾律的自毀概念，以此作為思想的邏輯起點必然得出的是一個包含內在不一致的理論體系，這樣的理論體系不可能是科學的理論體系。就判斷方面而言，遵守不矛盾律要求在同一思維過程中，不能既斷定某對象是什么，又斷定它不是什么。例如，亞里士多德認為，不同重量的兩個鐵球同時從高處落下，重的比輕的先落地。伽利略據此對大鐵球B1和小鐵球B2綁在一起的情況B1+B2進行了如下推理：一方面，因為B1+B2的重量大于B1，根據亞里士多德的觀點，B1+B2應該比B1下降得快；另一方面，因為B1比B2快，將兩個鐵球綁在一起，B1必定受到落得慢的B2的拉扯，這樣B1+B2應該比單獨的B1下降得慢。這樣，對于B1+B2就得出了兩個互相矛盾的判斷，這就違反了不矛盾律。這樣就可以證明亞里士多德的這一觀點是錯誤的。

遵守排中律指的是兩個相互矛盾的思想不能都假，而是恰好有一個是真的。遵守排中律要求對于互斥且窮盡所有可能的若干可能的思想必須斷定其中一個是真的。因此，如果對于若干可能的情況有所遺漏，或者對所有可能情況均不加肯定則是違背了排中律。例如，人們對于光的本質的研究有一段時間曾經陷入困惑。即人們對于光究竟是粒子還是波一時判斷不清。其實，陷入這一困境的一個思想根源就是在思維上違反了排中律。因為根據排中律，對于光的性質，邏輯上判斷其要么是粒子要么是波，這是違反排中律的。因為，對于光的性質，根據邏輯排中律，存在4種可能：是粒子而不是波；是波而不是粒子；既是波也是粒子；既不是波也不是粒子。依據排中律，應該斷定上述4種情況恰好有一個成立。僅僅斷定其中的2種情況恰好有一個成立，而遺漏了其他兩種情況，這就違反了排中律。

有一種觀點認為邏輯的基本規律還包括充足理由律。這種觀點在此可以被否證，因為思維即使違反充足理由律，也并一定導致思維的結果就一定不是必然可靠的。例如不完全歸納推理是科學研究中普遍使用的一種推理方式，若干前提的真并不能保證結論的真，其推理是不滿足充足理由律的，但是使用這一思維方法的結果卻未必就是不可靠的，諸多科學定理盡管理論上是可證偽的，但是其作為科學定理的價值就在于它不斷被越來越多的事實所進一步驗證。違反充足理由律不一定導致其思維結果一定不是必然可靠的，充足理由律不是科學思維的底線，因此它不是邏輯的基本規律。

由此可見，邏輯思維不僅是科學思維的底線、紅線，而且是一條高壓線。

三、科學思維之方法

科學思維不是毫無章法的狂想，它有一些基本的方法。邏輯方法就是其中最為基本的方法。這些方法包括可以得出必然結論的演繹方法以及雖然不能得出必然結論但是可以得出相對可靠結論的合理性探索方法。概言之，主要有演繹的方法、歸納的方法和類比的方法，等等。

(一)演繹的方法

演繹的方法就是根據確定的前提，依據邏輯公理和推理規則嚴格按照程序進行推理，從而得出結論的方法。常用的演繹法包括反證法、歸謬法、二難推理、反三段論、假言易位推理等。在科學探索到一定階段之后，就必須將若干零散的、缺乏聯系的發現和知識整理成為一個系統的理論體系，并驗證這些發現之間是否具有一致性，等等，這時就需要使用演繹的方法。還存在一種理想的探索、發現方法(這可能是未來科學探索的主要方法)，就是構建一個理論體系或者科學體系首先只是從若干假定出發，而不是從諸多的觀察或者實驗結果出發，由此使用演繹的方法對這些理論假設進行推演，從而構建出完整、系統的理論體系或若干經驗命題，然后再通過觀察或者實驗來檢驗這些經驗命題是否成立。如果這些經驗命題得到了證實，那么該理論就得到了一定的支持；如果這些經驗命題沒有得到驗證或者只是部分得到了證實甚至是被證偽，那么就修改或者補充該理論的前提，以進一步發展該理論。

邏輯學為這些演繹的方法提供了若干理論系統，并且告訴我們這些演繹系統的推演能力是如何的，告訴我們哪些演繹系統可以得出范圍內的所有真命題，哪些演繹系統不一定能得出范圍內的所有真命題。因此，適當的邏輯學習和訓練可以提供我們的邏輯思維水平，進而提高我們的科學思維水平[6-7]。

(二)歸納的方法

歸納法也是邏輯思維的基本方法，這是科學探索發現規律的主要方法之一。其基本思路是由一些對象或現象具有某性質或者某特征進而概括推測該類對象或現象都具有該性質或者特征的推理方法。其基本要求是：第一，歸納的前提不能出現反例；第二，考察的對象或者現象要盡可能多；第三，考察對象的范圍要盡可能廣泛，具有代表性；第四，前提中對象的性質或者特征不應與已經發現的對象的個體特性相關，而應該僅僅與其類屬性質相關；第五，要盡可能探究該類對象或者現象與所發現的共同性質或者特征之間內在的因果聯系。

邏輯歸納法還為科學思維提供了一系列探索事物之間因果聯系的具體方法。如培根三表法、穆勒五法等。這些方法提供了科學思維可操作的具體程序，包括基本思路、操作形式和具體規則等。例如，穆勒五法中的差異法指的是在被研究現象出現和不出現的兩個不同場合中，如果其他情況均相同，只有一個情況不同，它在被研究現象出現的場合中存在，而在被研究現象不出現的場合中不存在，那么這個唯一不同的情況就可能與被研究現象之間存在因果聯系。其基本形式是：

場合相關情況被研究現象(1)ABCa(2)—BC—

所以，情況A與現象a之間可能存在因果聯系。

求異法的基本規則是：第一，要仔細研究在兩種不同的場合中有無其他差異情況。如，在其他條件相同的情況下，通過有無陽光照射的對照實驗，我們可以知道陽光充足是植物生長良好的原因。第二，要注意在兩種不同場合中存在的唯一不同的情況是被研究現象的整個原因，還是被研究現象的部分原因。如，通過求異法，我們可以知道陽光充足是植物生長良好的原因，但是進一步的研究可以發現，陽光充足只是植物生長良好的部分原因。

(三)類比的方法

類比法也是科學發現的常見方法。就是根據兩個(或兩類)對象在某些屬性上相同或相似，推出它們在另一些屬性上也相同或相似的方法。邏輯對類比法推理提出了一系列規則：第一，類比對象之間相同的屬性要盡可能多，相同屬性越多則結論的可靠程度就越高。如，人們研制新藥，一般首先要在動物種群中進行試驗，這時所選擇的動物如果在藥物所針對的生物學特性方面與人更相似，則新藥對于人也可能更有效。第二，類比對象之間已知的相同屬性與未知的類推屬性其聯系愈密切，則結論的可靠程度就愈高。例如在星際生命的探索中，如果我們由某行星都是球形、都繞太陽飛行，從而推知該行星與地球一樣可能存在生物，則該推理結論的可靠性就很弱，因為生命存在的條件與星體的形狀、是否繞太陽飛行沒有必然聯系；但是如果我們發現某行星存在液態水，有適宜的溫度，有和空氣類似的大氣環境以及適當的光照，從而推知該行星與地球一樣可能存在生物，則該推理結論的可靠性就較強，因為生命存在的條件與水、空氣、陽光存在密切的聯系。

類比推理也有其形式結構：

A對象具有屬性a、b、c、d，

B對象具有屬性a、b、c，

所以，B對象也具有屬性d。

運用類比推理，可以幫助我們由已知推斷未知。《呂氏春秋》中就說過：“有道之士，貴以近知遠，以今知古，以所見知所不見。故審堂下之陰，而知日月之行，陰陽之變；見瓶水之冰，而知天下之寒，魚鱉之藏也。”其次，運用類比推理可以啟發人的思路，有助于提出創造性假說。例如，德布羅意就由光和粒子的相似屬性，提出了實物粒子的波粒二象性猜想[8]。

在上述科學方法中，歸納、類比主要是探索發現的方法，演繹主要是整理論證的方法。

四、科學思維之本質

科學思維是綜合運用包括邏輯思維、數學思維、直覺思維等多種思維在內的，以邏輯思維為核心的，面向未知世界的探索程序，其基本流程和圖式可以表述如圖2。

圖2 科學思維的基本流程和圖式

從該流程中不難看出科學思維包含兩個核心內容：邏輯思維和對世界的觀測、實驗、分析等，難怪愛因斯坦會有本文在前面所提到的論述。對照科學探索的思維流程和愛因斯坦的相關論述，可以再一次看出科學思維的兩個核心要素都是邏輯思維。因為：僅僅從思維方法的角度看，科學思維的核心就是演繹、歸納和類比，而這就是邏輯思維！

由此可見，科學思維本質上是邏輯思維在科學探索活動中的應用，科學思維是應用的邏輯思維！