因果關系中的范式與科學革命

摘要：因果關系主要是指近代牛頓經典力學下的因果關系和量子力學發展實驗中尤其是在雙縫干涉實驗中的因果關系。在牛頓物理學范式下，因果關系表現為拉普拉斯式的決定論的形式，將必然性絕對化，完全忽視了偶然性作用的因果關系成為機械決定論。量子力學中的因果關系沖擊和顛覆了傳統的因果律?？茖W革命的本質是范式的轉換，由宏觀世界進入微觀世界，量子力學解釋高速的微觀世界，在不同于宏觀世界的微觀世界中，量子力學中不斷完善的雙縫干涉實驗，出現了可以先有結果、后有原因的情況，使得人們開始重新思考原因和結果的關系。

關鍵詞：庫恩;范式;因果關系;科學革命

中圖分類號：N02文獻標識碼：A文章編號：2095-6916（2021）23-0136-03

古希臘時期，哲學家赫拉克利特認為世界上的一切事物都遵循著邏各斯，萬物發展都有其規律。著名思想家亞里士多德將原因分為形式因、質料因、目的因和動力因四種。在經典力學時期，牛頓將真正的原因等同于物理學中的力，并認為只要嚴格地確定此種力的運作，必然能推出彼力的結果。到量子力學時期，在微觀領域中粒子的性質“測不準”，在雙縫干涉實驗中出現了由結果推出原因的現象。美國科學史家、科學哲學家庫恩提出的范式理論是指在常規科學條件下，科學家們共同擁有的信念、價值、技術的總和，并按照這一信念對難題進行解答。當回答不了的問題逐漸增多時，科學的發展是通過科學革命、新范式取代舊范式來完成。

一、庫恩的范式理論

邏輯實證主義中無論個別事物如何歸納，都不能說明全部事物。證偽主義的代表波普爾以不斷證偽、不斷改變、發展的的模式作為科學發展的方法，但庫恩認為此種方法并不能成為所有事物的發展準則。哲學家維特根斯坦前期將語言作為一種“顯示”的符號，但符號間的邏輯難以將命題與意義之間的溝壑填平。受到后期維特根斯坦語言學的影響，共同體的言談確定性，決定了語義的確定性?，F代心理學對庫恩產生了一定的影響，其中格式塔心理學是庫恩范式理論的最佳佐證。最為典型的是鴨兔圖，一個人在從來沒接受過兔子形狀的教育情況下，只會看出圖中鴨子的形狀?；诖吮尘?，庫恩產生了動態的、歷史的、不同于以往的科學方法體系。庫恩首次將科學史與科學哲學相結合，被稱為歷史主義的創始人。對范式概念的全新賦予，是庫恩對科學哲學作出的最突出貢獻。

（一）范式

“范式”一詞最早的意思為“共同顯示”，來源于古希臘時期，其現代含義是由庫恩賦予的。關于“范式”理論，來自于庫恩的《科學革命的結構》（以下稱《結構》）一書?，斔固芈J為在《結構》中，庫恩所說的“范式”至少具有21種不同的含義。庫恩在后來再版的《結構》中補充說明了范式的兩種意義：一是某一特定共同體的成員共有的信念、價值、技術等的整體，二是這一整體的其中一種元素或對具體問題的解答。所以作為庫恩科學哲學思想中核心概念的范式，既可以看作是一種理論體系，又可以看作是一種信念，作為某一科學團體解決問題的模型。

與范式理論聯系最為密切的是科學共同體，范式是科學共同體成員們所共同具有的東西?？茖W共同體“指的是在科學發展的某一歷史時期該學科領域中持有共同的基本觀點、基本理論和基本方法的科學家集團”[1]。庫恩認為：“一種范式是，而且也僅僅是一個科學共同體成員所共有的東西。反過來說，也正是由于他們掌握了共有的范式才組成了這個科學共同體?！盵2]157一個科學共同體中的成員，有著相似的文化背景，從事著相同的工種，接受過相同的教育，有著共同的語言。在共同體內部，成員之間互相交流較為充分，從而可以得出較為一致的結論?？茖W共同體內的成員應該像信仰宗教一樣，去信仰他們的范式，并且將他們信仰的范式作為解決難題的范例，將自然界的一切事物囊括其中。

（二）科學的發展模式

庫恩批判繼承了哲學家波普爾的科學動態發展模式，認為科學的發展不只是知識的簡單堆積，而是通過革命的方式實現。他將科學史與科學發展結合起來，提出科學的動態發展模式是：前科學—常規科學—反常與危機—科學革命—新常規科學……庫恩認為科學革命的本質是范式的轉換。

前科學時期，各個學派沒有統一的對問題的解答方式，眾說紛紜，相互爭論，相互指責。要使這種局面停止，必須出現一種理論，該理論可以解決別的理論所不能解決的難題。這種理論的提出表現為范式的建立，即進入了常規科學時期。在常規科學時期，范式成為科學家解答難題的基礎?？茖W家竭盡所能地將所遇到的問題納入自己的范式之中，但遇到越來越多解決不了的難題時，范式的危機出現了，科學家群體迫切地需要一個新的范式來解決當下的難題。新范式需要滿足：一是可以解決舊范式普遍的難以解決的問題;二是新范式要保留一些舊范式中科學家們已經獲得的解題能力。庫恩認為，科學就是這樣不斷出現問題—建立范式—再出現問題—再建立范式的過程，從而不斷發展。

任何一種理論都不可能永遠正確。當范式遇到危機無法解決時，正是新的概念、理論體系和框架得以建立的時機，新的范式由此產生?？茖W便是如此通過革命的方式不斷發展向前。

（三）范式的不可通約性

古希臘時期，不可通約性是一個數學概念，意指無共同量度。在近代，庫恩將不可通約性一詞引入到科學哲學領域，意為新舊范式之間無法進行溝通和交流，它們在本質上存在著顯著的不同。不可通約性是庫恩被別的科學哲學家指責和詬病得最為嚴重的地方。

庫恩吸收了現代心理學，尤其是格式塔心理學的一些理念因素，認為語詞的意義是由發生在理論的背景之上的理論所決定的。不可通約性是指不同范式之間的不相容，大致分為解決問題的標準不同、理論基礎的概念不同以及世界觀的不同三個層次。庫恩在《結構》中認為：“這些派別之間的差別，不在于方法的這個或那個失效——這些學派都是‘科學的’——差別在于我們將稱之為看待世界和在其中實踐科學的不可通約的方式?！盵2]3同樣是春天各種樹開花的場景，當一位畫家看到的話，會想到花與葉子的顏色搭配，葉子和樹的枝干的結構、構圖、色彩等，但當一位生物學家看到這個場景的話，會想到樹的種、屬，樹木之間的嫁接，不同的花基因。這就是由于畫家和生物學家所接受的范式不同，牛頓物理學與愛因斯坦物理學范式不同，托勒密天文學與哥白尼天文學范式不同，對待事物的世界觀與方法不同，也就不會有出發點的一致。

二、因果關系的范式視角

“物理學中的因果關系（causality in physics）是指物質世界中各現象之間存在著客觀聯系。一個現象由另外一個或一些現象引起，導致一個或一些新現象出現。引起一定現象的現象是原因，產生的現象是結果。因果關系客觀地存在于物質世界的運動和變化之中?！盵3]本文所說的因果關系主要是指近代牛頓經典力學條件下的因果關系和量子力學發展實驗中尤其是在雙縫干涉實驗中的因果關系，我們主要對這兩種因果關系的范式的改變進行分析討論。

（一）牛頓經典力學中的因果關系

英國科學家艾薩克·牛頓（ISAAC NEWTON）在他的《自然定律》論文中，描述了萬有引力和三大運動定律，建立了一套嚴密的物體運動的力學體系，奠定了此后三個世紀里物理學的科學體系，這個時期為牛頓范式時期。在經典力學體系中我們可以得出一個“嚴格的、用數量表示的力學因果性的表述，使人們在原則上有可能用嚴格的力學規律對物體的運動做出完善的解釋和預言”[4]。伽利略認為，當其出現必然會導致一種結果出現，其消失此結果也隨之消失的東西，在合適的意義上可以稱之為原因。

在嚴格精確的體系中，只要確定一個點的位置，確定背后的力的大小，就可以分毫不差地推測出這個點之前的位置和之后的位置。牛頓以其理性主義制定了因果關系的框架，根據物體的相互作用和機械運動的規律，尋找第一推動的“力”，也就是原因。知道了原因，便可以嚴格地推出結果。牛頓力學認為，在宏觀世界普遍有效的情況下，因為因果關系的確定性，不管情況怎樣復雜，確定了已知條件之后，之前的點便可以推出現在的點的位置，現在的點的位置也可以推出之后的點的位置。同時期的德國哲學家萊布尼茨認為世界是預定的和諧，世界如何發展早已被上帝安排好了。在牛頓物理學范式下，因果關系表現為拉普拉斯式的決定論的形式，將必然性絕對化，完全忽視了偶然性作用的因果關系成為機械決定論。

（二）量子力學中的因果關系

在上個世紀三十年代，科學研究從宏觀領域延伸到微觀領域，突破了機械決定論傳統的思維模式，更具體、深入地揭示了因果關系的新的表現形式，使傳統的因果關系在人們的思想中發生了翻天覆地的變化。為了驗證光是粒子還是波，托馬斯·楊（THOMAS YOUNG）在1807年開展了著名的雙縫干涉實驗。簡單來說，實驗裝置需要一個燈泡，一個刻有兩條縫的紙板，一個接受投影的屏幕。如果光是粒子的話，光穿過雙縫會出現兩條明亮的線;如果光是波的話，屏幕上會出現明暗相間的干涉條紋。實驗結果顯示屏幕出現了條紋，說明光是一種波。后來愛因斯坦證明光確實也是一種粒子。在1924年，德布羅意提出波粒二象性理論，認為微觀粒子包括光子、電子、質子等都同時具備粒子和波的特性。1909年，英國物理學家杰弗里·泰勒對托馬斯·楊的實驗進行了第一次改變，改變了發射光源的強度，確保每次只有一個光子通過雙縫，但是屏幕上還是出現了干涉條紋。二十世紀七十年代后期，條件成熟之后，有人做出了物理學家理查德·費曼在1965年提出的延遲選擇思想實驗：在光子通過雙縫之前裝一個探測器，打開探測儀，屏幕上出現兩條條紋;不打開探測儀，屏幕上出現干涉條紋。之后1979年物理學家惠勒提出思想實驗，用雙縫干涉實驗類比的話，相當于在屏幕和雙縫中間放一個探測儀器，在光子發出之后，隨機選擇探測儀器是否打開。結果，只要探測器打開，屏幕上一定是兩個條紋;只要探測器關閉，屏幕上就一定是干涉條紋。

這次實驗開始挑戰人們對因果律的理解，按照人們的認識，出現這種現象只能有兩種解釋：一是粒子能夠預知未來，它能猜到科學家下一步的打算，從而知道自己應該表現得像波還是像粒子;二是粒子能改變過去，開關儀器的瞬間，它能修正之前的行為，粒子變波，波變粒子。在之后的量子擦除實驗中，在光子通過雙縫之后，把光子的自旋方向改成一樣的，那么屏幕上出現的一定是干涉條紋。在1999年，科學家們又做了一個延遲選擇的量子擦除實驗。在一個光子通過雙縫之后，將光子一分為二，變成兩個相互糾纏的降頻光子。光子a射向屏幕，光子b射向探測器，只觀測光子b的狀態，就可以推出光子a的狀態。之后科學家們又把光子b拆分成光子b1和光子b2，并給它們建造了一個迷宮，使得光子b1和b2出迷宮的時間晚于光子a到達屏幕的時間。只要科學家們能推測出粒子的軌跡信息，那么屏幕上出現的一定不是干涉條紋;只要沒辦法100%出測出粒子的軌跡，那么屏幕上出現的一定是干涉條紋。奇怪的現象又出現了，好像光子b知道哪里有探測，知道科學家們是否可以推出光子a的狀態，然后告訴光子a顯示波性質還是粒子性質。這沖擊了人們的認知，顛覆了傳統的因果律。在微觀世界，粒子的波粒二象性使科學家們不可能測出粒子的瞬間狀態，原因和結果的時間先后可能是不存在的，可以存在先有果、后有因的現象。

（三）因果關系的范式轉換

從牛頓的經典力學到愛因斯坦的相對論，是庫恩認為科學史上三次偉大的范式革命之一。機械決定論是基于牛頓力學框架下發展形成的，有其原因必然產生結果，并且結果是可以推算出來的。在十九世紀后半期，統計規律進入了物理學，人們認為因果關系中存在或然性，但或然性依舊沒有走出經典力學的范圍，不足以撼動機械決定論的地位。牛頓力學適用于低速的宏觀世界，相對論解釋高速的宏觀世界。由宏觀世界進入微觀世界，量子力學解釋高速的微觀世界，在不同于宏觀世界的微觀世界中，量子力學中不斷完善的雙縫干涉實驗，出現了可以先有結果、后有原因的情況，使得人們重新思考原因和結果的關系。

三、對于因果關系變化的思考

在物理學家和科學哲學家中，對于微觀世界的因果性和決定論所持的觀點大致可以分為兩種：一種觀點認為，世界在根本上是非決定論的，微觀世界在原則上是具有統計性的，統計的規律性是自然界最為基本的客觀特性，即幾率因果性;另一種觀點認為，因果性是世界上所有的客觀事物都具有的根本特性，在變化萬千的客觀現象中，在統計性規律的背后，有一條最基本的因果規律，世界從來就沒有喪失過這種規律性，嚴格的決定論才是世界上亙古不變的道理。辯證唯物主義者認為，因果性是客觀世界的一對事物之間相互聯系、相互作用的范疇，有其客觀性和普遍性，不僅表現為一因一果，也表現為一因多果或者多因一果?！拔覀內匀豢梢詧猿忠蚬P系普遍有效的信念。但這并不等同于支持一個決定論的世界?！盵5]維之通過對現代科學（量子力學、統計學科和系統科學等）進行分析，認為現代科學并沒有真正地否定了嚴格的因果關系。但是嚴格的因果關系需要一個孤立的、封閉的環境，由于科學的進步，不斷探測出未知的領域，環境無法完全孤立。由此，嚴格的決定論的世界失去了前提。

四、結語

當前的大數據時代，越來越多的有用或無用的信息不斷涌出，充斥了人們的生活，傳統的因果關系思考已經發生了變化。從部分到全部，從一推出結果到多推出結果，相關關系開始滲入人們的思想。大數據中存在各種各樣龐大雜亂的信息，對事物進行分析是通過相關關系而不是因果關系。相關關系比因果關系更加寬泛，事物之間相關但不一定具有因果性，但是具有因果性則一定相關。有人認為相關關系不僅沒有代替因果關系，反而為因果關系提供了一個基礎，提供了更加廣泛的發展空間。人們不在一個結果中尋求簡單的一個原因，而是從多個角度、多個層次出發來還原結果產生的原因，從而對事物的認識更加立體化、多元化。

參考文獻：

[1]夏基松，沈斐鳳.西方科學哲學[M].南京：南京大學出版社，1987：192.

[2]托馬斯·庫恩.科學革命的結構[M].金吾倫，胡新和，譯.北京：北京大學出版社，2005.

[3]聶玉昕.詞條：物理學中的因果關系[M]//中國大百科全書：74卷·物理學.2版.北京：中國大百科全書出版社，2009：467.

[4]侯新杰，許海波，肖振軍.物理學中因果性概念的演變[J].河南師范大學學報（自然科學版），1999（1）.

[5]維之.現代科學真的否定了嚴格的因果關系嗎？[J].自然辯證法研究，1997（3）.

作者簡介：霍靜（1996—），女，漢族，山西永和人，單位為太原科技大學，研究方向為科學技術與社會。

（責任編輯：馮小衛）